專利名稱：可擠壓的多級(jí)硬度流體動(dòng)力軸承及其制法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種流體動(dòng)力軸承。在此類軸承中，轉(zhuǎn)動(dòng)件如軸是通過(guò)一種加壓流體，如油，空氣或水的固定軸承支承。流體動(dòng)力軸承常常是，但并非僅僅是應(yīng)用于所謂的過(guò)程潤(rùn)滑，其中，該軸承是應(yīng)用現(xiàn)有的流體而不一定要用標(biāo)準(zhǔn)的潤(rùn)滑劑，如油進(jìn)行潤(rùn)滑。具體的用途包括可以利用所泵的流體進(jìn)行潤(rùn)滑的泵管軸用軸承或者利用水進(jìn)行潤(rùn)滑的船用軸軸承。
流體動(dòng)力軸承實(shí)際上是利用這樣的事實(shí)，即當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)件運(yùn)動(dòng)時(shí)，它并不沿著流體的頂部滑動(dòng)，而是使與轉(zhuǎn)動(dòng)件相接觸的流體緊密地粘附在轉(zhuǎn)動(dòng)件上，在整個(gè)流體膜高度上的運(yùn)動(dòng)伴隨著流體粒子之間的滑動(dòng)或剪切。這樣，如果轉(zhuǎn)動(dòng)件與流體的接觸層在已知速度下運(yùn)動(dòng)，則在流體厚度的中等高度處的速度是以已知變化率減低，直到與固定軸承軸瓦相接觸的流體粘附于軸承軸瓦且無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)為止。當(dāng)由于對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)件的支承所產(chǎn)生的載荷使軸承軸瓦相對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)件發(fā)生小角度偏轉(zhuǎn)時(shí)，則流體就被吸入一個(gè)楔形開(kāi)口中，并在流體膜內(nèi)產(chǎn)生足以支承載荷的壓力。這一事實(shí)不僅用于水輪機(jī)和船用推進(jìn)器軸的推力軸承，還用于流體潤(rùn)滑的常規(guī)軸頸軸承中。盡管油是用于重載荷的標(biāo)準(zhǔn)精選流體，但是對(duì)輕載荷也可采用其它的流體如空氣或水進(jìn)行支承。
本發(fā)明的軸承可以作為通常用于船舶和其它用途使用的稱為無(wú)縫式或磨損型橡膠軸承的代用品。雖然這種無(wú)縫式或磨損型軸承含有一個(gè)水楔，以得到流體動(dòng)力作用，但它們要受到一系列結(jié)構(gòu)限制和不可避免地遭受磨損。如下所述，本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)這種軸承的局限性基本上歸因于它們安裝在圓筒形金屬管中由單一硬度軟橡膠的較大截面構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。由于該橡膠的軟度和軟橡膠的較大軸向橫截面積，使得這種軸承不具備足以獲得最佳性能的徑向剛度。
本發(fā)明還涉及一種帶有梁架式軸承軸瓦的流體動(dòng)力軸承。在授予楚姆普拉爾(Trumpler)的美國(guó)專利3，107，955號(hào)中公開(kāi)了一種梁架式軸承軸瓦的優(yōu)選例子。在此類軸承中，流體動(dòng)力軸承軸瓦安裝在梁式支承構(gòu)件上，使軸瓦可以偏轉(zhuǎn)，以形成一個(gè)流體動(dòng)力楔。
雖然流體動(dòng)力軸承和梁架式軸承軸瓦在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)已為人們所知，但是，只在最近，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助的有限元分析法，本發(fā)明者才發(fā)現(xiàn)當(dāng)流體動(dòng)力軸承在載荷條件下所產(chǎn)生的較小偏轉(zhuǎn)具有的極端重要性。除了有限的幾個(gè)例外，如授予楚姆普拉爾(Trumpler)的美國(guó)專利3，107，955之外，這些難以用物理方法計(jì)量的偏轉(zhuǎn)，以前曾被軸承設(shè)計(jì)者們看作為無(wú)關(guān)緊要和/或可以忽略不計(jì)的。但是，本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)通過(guò)在計(jì)算機(jī)上模擬流體動(dòng)力軸承的性能，可以預(yù)先確定偏轉(zhuǎn)量，并且設(shè)計(jì)出顯著改進(jìn)性能特性的軸承。這類軸承的特征可以一般概括為至少包含一個(gè)梁架式軸承軸瓦。這種改進(jìn)的軸承例子在本發(fā)明人以前的美國(guó)專利4，496，251號(hào);4，526，482號(hào)和4，676，668號(hào)中有所介紹。
美國(guó)專利4，496，251號(hào)公開(kāi)了一種軸承，該軸承帶有一種利用薄片狀韌帶產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)的軸瓦，以便在兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件之間形成潤(rùn)滑劑的楔形膜。
美國(guó)專利4，515，486號(hào)中公開(kāi)了一種流體動(dòng)力軸頸和推力軸承，該軸承帶有若干個(gè)軸承軸瓦，每個(gè)軸瓦帶有相互分立而又利用彈性材料粘合在一起的端面元件和支承元件。
美國(guó)專利4，676，668號(hào)中公開(kāi)了一種軸承，該軸承的軸瓦可以通過(guò)能夠提供三個(gè)方向撓性的至少一個(gè)支架與支承元件間隔開(kāi)。為了提供在運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)的撓性，各支架向內(nèi)傾斜，以便與軸瓦表面前的交點(diǎn)形成圓錐形。每個(gè)支架在所要求運(yùn)動(dòng)的方向上的斷面模數(shù)較小，以便對(duì)不同軸度進(jìn)行補(bǔ)償。
最后，美國(guó)專利4，526，482號(hào)公開(kāi)了一種流體動(dòng)力軸承，該軸承主要打算用于過(guò)程潤(rùn)滑，即該軸承是設(shè)計(jì)成在液體中進(jìn)行工作的。該流體動(dòng)力軸承是由一個(gè)中心承載表面部分構(gòu)成，該部分比該軸承的其余部分更具有柔性，從而使其在載荷下發(fā)生偏移，并形成一個(gè)承受高載荷的流體壓力凹坑。
上述專利中介紹的軸承，典型的是至少部分地為金屬材料構(gòu)成，并具有不易擠壓的形狀，但已發(fā)現(xiàn)它們最適于某些用途。盡管如此，這類軸承的制造成本一般地要比具有相似性能的其它軸承便宜得多。其原因是由于本發(fā)明軸承與其相競(jìng)爭(zhēng)的各類軸承相比，具有結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，體積較小的特點(diǎn)。此外，這類軸承顯著地顯示出改善了的耐磨特性。這種改善的性能主要?dú)w因于設(shè)計(jì)者們對(duì)軸承所承受的各種力的判斷和最終能承受這些力的軸承設(shè)計(jì)。
盡管這類軸承具有很多優(yōu)點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)效果，仍然期望能發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步降低這種軸承制造成本的途徑。特別對(duì)申請(qǐng)人前面的幾個(gè)專利中所述并不要求高性能的軸承來(lái)說(shuō)更是如此。
本發(fā)明還涉及非牛頓流體，如塑料、橡膠等在流體動(dòng)力軸承中的應(yīng)用。非牛頓流體被認(rèn)作為實(shí)際流體。所有的實(shí)際流體均具有內(nèi)摩擦，以致其變形率與所施加的剪應(yīng)力成比例。如果變形率是成正比，則稱為牛頓流體，如果不是，則該流體稱為非牛頓流體。因此，非牛頓流體一般被認(rèn)為是該流體的粘度是隨流速變化的。由于非牛頓流體的獨(dú)特特性，非牛頓流體材料的應(yīng)用提供了獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)也出現(xiàn)大的障礙。
例如，當(dāng)非牛頓流體如塑料或橡膠受到約束時(shí)，它是不可壓縮的。但是，當(dāng)這種材料不受約束時(shí)，它可以隨著施加的載荷以預(yù)定方式流動(dòng)。此外，非牛頓流體材料，如橡膠，塑料等通常要比一般用于軸承結(jié)構(gòu)中的金屬材料更為便宜。非牛頓流體材料構(gòu)件的制造一般要比同類的金屬構(gòu)件更容易。
盡管在流體動(dòng)力軸承中采用非牛頓流體材料可以得到所期望的許多優(yōu)點(diǎn)，但這類材料僅用于有限范圍。
本發(fā)明提供一種適用于過(guò)程潤(rùn)滑以及其它用途的流體動(dòng)力軸承及其制造方法。該軸承具有恒定截面，以便于擠壓成形，即具有可擠壓的形狀。該軸承包含若干個(gè)梁架式軸承軸瓦。此外，該軸承是由兩種或多種非牛頓材料擠壓成形的組合體，該材料最好是彈性材料或聚合物材料，如具有不同剛性的塑料、橡膠等。換言之，是一種多級(jí)硬度復(fù)合塑料，以利于獲得各種剛性。
更具體地說(shuō)，本發(fā)明軸承是一種可擠壓成型的多級(jí)硬度流體動(dòng)力軸承。該軸承完全由非牛頓流體材料構(gòu)成，并具有可擠壓成型的軸向橫截面。該軸承包括一個(gè)具有預(yù)定硬度的一般為環(huán)形、骨架式軸承軸瓦支承部分。該骨架部分具有內(nèi)、外圓周表面。在其內(nèi)表面上形成若干內(nèi)軸向溝槽，在其外表面上也形成若干外軸向溝槽。內(nèi)、外軸向溝槽彼此間隔開(kāi)，以形成若干個(gè)梁架式軸承軸瓦支承表面。該軸承還包括若干個(gè)具有預(yù)定硬度的軸承軸瓦，其硬度要低于骨架部分預(yù)定硬度。每個(gè)軸承軸瓦熔合在對(duì)應(yīng)的軸承軸瓦支承表面上。該軸承還可以包括熔合于內(nèi)溝槽和/或外溝槽內(nèi)的偏轉(zhuǎn)控制元件。該偏轉(zhuǎn)控制元件最好比骨架軸承軸瓦支承部分軟些。
本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)在許多具體用途中，如在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中，必須對(duì)包括由軸或轉(zhuǎn)子、流體動(dòng)力潤(rùn)滑膜和軸承構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)柔性進(jìn)行檢查和評(píng)估。在應(yīng)用有限元模型對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)分析中，已經(jīng)確定必須將整個(gè)軸承作為一個(gè)在工作載荷作用下改變形狀的完全撓性元件處理。通過(guò)對(duì)基本結(jié)構(gòu)的加工，多少增加一點(diǎn)撓性，就可以在很寬的工作范圍內(nèi)提供穩(wěn)定的低摩擦工作狀態(tài)的軸承特性。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)對(duì)軸承性能特點(diǎn)具有重大影響的許多變數(shù)。其中最重要的變數(shù)是流體動(dòng)力軸承的軸瓦和支承元件的形狀、尺寸、位置和材料特性(例如彈性模量等)。支承元件的形狀被認(rèn)為特別重要。
本發(fā)明還涉及一種帶有許多由較軟的非牛頓流體材料構(gòu)成軸承軸瓦的流體動(dòng)力軸承。該軸承軸瓦具有圓弧形或凹入的表面并受約束，以便在該軸與軸承軸瓦的圓弧形表面之間形成一個(gè)楔形間隙條件通過(guò)所支承軸施加的法向載荷作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
由于存在不同的剛性，該軸承顯示出改進(jìn)的性能特點(diǎn)。特別是，采用既是剛性又是撓性的非牛頓流體材料，使該軸承保持足夠的剛性以便形成合適的流體動(dòng)力楔。這樣，本發(fā)明克服了現(xiàn)有的無(wú)縫或磨損型軸承所存在的問(wèn)題。
此外，由于該軸承的結(jié)構(gòu)采用較便宜的非牛頓流體材料，最好是彈性材料或聚合物材料，如塑料、橡膠等，并具有可擠壓的性能，就使該軸承的生產(chǎn)成本比非擠壓成型軸承大大地降低。實(shí)際上，據(jù)初步估算表明，該軸承大批生產(chǎn)時(shí)的成本較其相競(jìng)爭(zhēng)的船用軸承生產(chǎn)成本可以降低1%。
本發(fā)明還利用了與非牛頓流體相關(guān)的物理特性，如前面所提到的，某些非牛頓流體光如聚合物和彈性材料，當(dāng)受到約束時(shí)成為不可壓縮的。本發(fā)明提供了一種若干部分完全由非牛頓流體構(gòu)成的流體動(dòng)力軸承，這些部分具有非常不同的硬度測(cè)量值(硬度或剛度)。這樣，一些部分由較硬的第一部分約束著較軟的第二部分形成，使第二部分成為剛性的，即在徑向基本上是不可壓縮的，而在剪切方向上是撓性的。借助于提供若干較軟部分和較硬部分，以便形成若干個(gè)安置在剛性較好的梁架式軸承軸瓦支承表面上的較軟而凹入的梁架式軸承軸瓦，從而使該軸承的形狀能夠以已知方式偏轉(zhuǎn)，而形成用以支承轉(zhuǎn)動(dòng)軸的一個(gè)流體動(dòng)力楔。
本發(fā)明的軸承適用于許多應(yīng)用場(chǎng)合。但是，該軸承特別適用于過(guò)程潤(rùn)滑，如用于鉆油井，水下泵或渦輪泵和船舶驅(qū)動(dòng)軸。
該軸承是采用已知的多級(jí)硬度擠壓技術(shù)擠壓成型的，這種擠壓技術(shù)一般用于擠壓多級(jí)硬度塑料構(gòu)件，如窗、門(mén)密封件，防震緩沖器，和撓性鉸鏈，但據(jù)本發(fā)明人所知還沒(méi)有用于制造軸承。
當(dāng)應(yīng)用于擠壓多級(jí)硬度構(gòu)件如本發(fā)明的軸承時(shí)，該擠壓技術(shù)一般要包括一種方法，其中，多級(jí)硬度各部分在部分固化或非固化處理下，彼此逐次地?cái)D壓在一起，以致不需要粘合劑就形成組合擠壓件。這是因?yàn)樵诓糠止袒蛭垂袒癄顟B(tài)下，被擠壓材料本身就是粘性的或膠粘的。在整個(gè)管形部分?jǐn)D壓成型以后，整個(gè)擠壓件進(jìn)行固化處理，以產(chǎn)生一個(gè)具有多個(gè)不同剛性(即硬度)部分的組合管件，在本發(fā)明的軸承示例中，具有必要的軸向橫截面和合適的多級(jí)硬度部分的較長(zhǎng)擠壓件被擠壓出來(lái)，然后切割成單個(gè)軸承。該單個(gè)軸承通過(guò)各道工序，其中包括精確機(jī)械加工以達(dá)到所要求的內(nèi)、外直徑。


圖1是本發(fā)明軸承的軸向橫截面剖視圖;
圖2是本發(fā)明管形擠壓件的透示圖;
圖3是本發(fā)明軸承的軸向橫截面局部放大圖;
圖4是顯示本發(fā)明軸承在轉(zhuǎn)動(dòng)軸的載荷作用下偏轉(zhuǎn)的局部截面剖視圖;
圖5是按本發(fā)明方法制造軸承的工藝流程圖。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的典型擠壓成型軸承的截面剖視圖。在此實(shí)施例中，該軸承被看作為可擠壓件，因?yàn)樗哂腥鐖D1所示的恒定軸向截面形。
如圖1所示，該軸承已機(jī)械加工成所要求的精確外徑O·D和內(nèi)徑I·D。圖1中的虛線表示在擠壓后和加工前的內(nèi)、外徑。在正常使用中，該軸承裝在一個(gè)與其外徑緊密接觸的外套內(nèi)，該軸承支承一個(gè)位于其內(nèi)徑內(nèi)的軸。因此，該軸承的外徑是該軸承裝入的外套的內(nèi)徑的函數(shù)，而軸承的內(nèi)徑是被支承軸尺寸的函數(shù)。當(dāng)然，對(duì)于任何流體動(dòng)力軸承，其內(nèi)徑總是一個(gè)大于它所支承軸外徑的預(yù)定尺寸，以便容許形成一個(gè)支承軸的流體膜。
如圖1所示，本發(fā)明軸承完全是由非牛頓流體材料制成，最好是聚合物或彈性材料如橡膠、塑料等制成，該軸承由具有不同硬度的非牛頓流體材料各部分組合構(gòu)成。更具體地說(shuō)，該軸承包括一個(gè)由剛性較好或較硬材料如肖氏硬度D(durometershoreD)的硬橡膠構(gòu)成的整體梁式骨架軸瓦支承部分10。該骨架軸瓦支承部分10一般為環(huán)形結(jié)構(gòu)，在軸承內(nèi)圓周表面上形成若干個(gè)在圓周上間隔開(kāi)的徑向向外伸展的內(nèi)軸向溝槽12和在軸承的外圓周表面上形成若干個(gè)在圓周上間隔開(kāi)的徑向向內(nèi)伸展的外軸向溝槽14。由于存在這些溝槽，所述軸承的骨架軸瓦支承部分10具有象凸榫狀的不連續(xù)圓周外形。
圖1所示軸承的具體形狀對(duì)本發(fā)明無(wú)關(guān)緊要，實(shí)際上這種形狀只是特定用途所要求的。對(duì)于任何特定用途，本發(fā)明軸承的具體截面形狀取決于達(dá)到最佳效果所要求的偏轉(zhuǎn)。這樣，在某些情況下可能要求該軸承不設(shè)置如圖1中14所示的外軸向溝槽。此外，為了在載荷作用下獲得最理想效果，該溝槽可以具有各種截面形狀，如大一些或小一些的錐度。
當(dāng)本發(fā)明軸承配置有內(nèi)、外軸向溝槽，并將內(nèi)溝槽位于兩相鄰?fù)鉁喜壑g(如圖1所示)時(shí)，該骨架軸瓦支承結(jié)構(gòu)就起到適于在載荷下偏轉(zhuǎn)的基本上周向和徑向梁網(wǎng)絡(luò)的作用。圖3表示類似圖1所示軸承的一部分梁網(wǎng)絡(luò)。圖1所示軸承包括八個(gè)軸承軸瓦支承扇形段或扇形體。該軸瓦支承扇形段或扇形體是由具有一定間隔的內(nèi)軸向溝槽12所形成的。每個(gè)軸瓦支承扇形段或扇形體包括一個(gè)由該軸瓦支承扇形體的徑向最內(nèi)側(cè)表面構(gòu)成的圓弧形軸承軸瓦支承表面16;一個(gè)由軸瓦支承扇形段的徑向最外側(cè)部分18構(gòu)成的外套接觸表面18和一對(duì)用以連接外套接觸部分18與軸承支承表面16的連接部分20。借助這一結(jié)構(gòu)，骨架軸瓦支承部分10起到如圖3所示的梁網(wǎng)絡(luò)的作用。該梁網(wǎng)絡(luò)包括內(nèi)側(cè)圓周向梁26，外側(cè)圓周向梁28和徑向梁30。在載荷作用下，此梁網(wǎng)絡(luò)所發(fā)生的偏轉(zhuǎn)方式可以根據(jù)載荷大小骨架軸瓦支承結(jié)構(gòu)10所用的材料以及內(nèi)、外軸向溝槽的尺寸和間隔大小來(lái)確定。
在此應(yīng)當(dāng)指出，盡管用于骨架軸瓦支承部分10的非牛頓流體材料與下述用于軸承其它部分的較為柔性或柔軟的材料相比是剛性較好或較硬的材料，但是用以構(gòu)成骨架軸瓦支承部分10的材料要比構(gòu)成軸頸或套筒軸承的骨架部分常用的金屬材料更為撓性。因此，預(yù)期本發(fā)明的軸承的骨架部分在載荷作用下產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)要比具有金屬骨架部分的軸承偏轉(zhuǎn)大得多。本發(fā)明典型的骨架材料的硬度為肖氏硬度D級(jí)。
參看圖1，本發(fā)明軸承還包括若干較軟或撓性的軸承軸瓦50，其數(shù)量相當(dāng)于位于骨架部分10上的軸承軸瓦支承表面的數(shù)量。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)重要方面，最好是將軸承軸瓦熔合在骨架上。軸承軸瓦50都是凹形截面，如圖1所示，在其中部徑向上稍微厚一些，朝著它們的圓周方向的兩端呈內(nèi)向弧形錐度。采用中部較厚而兩端較薄的理由是為了促使在載荷作用下促使軸承軸瓦偏轉(zhuǎn)。軸承軸瓦50是由較軟或撓性的非牛頓流體材料構(gòu)成，最好是聚合物或彈性材料如橡膠、塑料等構(gòu)成。例如，軸承軸瓦50可以用肖氏硬度A級(jí)橡膠制成。構(gòu)成軸承軸瓦的材料最好比用以構(gòu)成骨架部分10的材料軟得多或更具有撓性。在低粘度或磨料潤(rùn)滑工作條件下，較軟的材料提供較好的性能并減小軸的磨損。
由于骨架部分10和軸承軸瓦部分50都是采用非牛頓流體制成，在載荷作用下它們都趨于以預(yù)定方式進(jìn)行流動(dòng)。在一種典型的應(yīng)用場(chǎng)合下，該軸承既承受由于軸的重量所產(chǎn)生的徑向載荷，又承受由于軸的轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的剪切載荷。由于該軸承常規(guī)使用時(shí)在徑向上受到外套的約束，構(gòu)成這種軸承的流體材料在徑向上是不可壓縮的。但是，這種情況只有當(dāng)軸承在徑向受到外套約束時(shí)才符合實(shí)際。例如，假如外軸向溝槽14沒(méi)有填充以如下所述的偏轉(zhuǎn)控制元件時(shí)，則沿著該軸承外圓周各部分都沒(méi)有在徑向受到外套約束。因此，軸承會(huì)發(fā)生少許徑向的偏轉(zhuǎn)。
當(dāng)軸承在徑向上完全受外套的約束時(shí)，在徑向上則幾乎是不可壓縮的，該徑向載荷是由軸承軸瓦50與轉(zhuǎn)動(dòng)軸之間的流體膜所承擔(dān)。另一方面，由于存在內(nèi)軸向溝槽12，對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸所施加的剪切載荷作用，軸承軸瓦或骨架部分10都不受周邊方向偏轉(zhuǎn)的約束。此外，由于在軸與軸承軸瓦50的徑向最內(nèi)側(cè)表面之間存在著間隙，則整個(gè)軸承軸瓦50和與其相關(guān)的骨架10的扇形段可以隨著轉(zhuǎn)動(dòng)軸所施加的剪切載荷作用而向上擺動(dòng)，以形成一個(gè)流體動(dòng)力楔。這種偏轉(zhuǎn)的示例(圖4所示進(jìn)行了夸大)，當(dāng)然，用于軸承軸瓦50中所用的材料要比用于骨架部分10所用的材料軟得多和更具有撓性，因此軸承軸瓦50所發(fā)生的偏轉(zhuǎn)或流動(dòng)要比骨架部分10大得多。理想的情況是軸承軸瓦50和骨架部分10所產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)使在整個(gè)軸承軸瓦50的圓周表面上形成一個(gè)楔。當(dāng)整個(gè)軸承軸瓦的表面上形成一個(gè)楔時(shí)，最佳效果就得到了，因?yàn)樽畲罂赡艿牧黧w動(dòng)力效益產(chǎn)生了。
對(duì)于特定的應(yīng)用場(chǎng)合，本發(fā)明軸承必須設(shè)計(jì)成按照下述方式進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，即要使其軸承軸瓦的整個(gè)最內(nèi)側(cè)圓周表面上形成一個(gè)流動(dòng)楔。在軸承設(shè)計(jì)方面必須考慮的各種因素都要為了達(dá)到這樣一種偏轉(zhuǎn)。例如，剪切和徑向載荷的施加程度，用于制造軸承軸瓦和骨架部分的材料的撓性，內(nèi)、外軸向溝槽的大小和形狀，以及軸承軸瓦和骨架部分的撓性都必須考慮。
軸承軸瓦和骨架部分的撓性在很大程度上是軸承設(shè)計(jì)的結(jié)果。例如，這些元件的撓性顯然可以通過(guò)改變軸承軸瓦和骨架部分所用的材料而改變。該撓性還受內(nèi)、外軸向溝槽的尺寸、形狀和周向定位的影響。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)重要方面，軸承軸瓦和骨架部分的撓性還可以通過(guò)在全部或部分內(nèi)軸向溝槽或外軸向溝槽內(nèi)配置非牛頓流體材料以施加影響。例如，如圖1所示，每個(gè)外軸向溝槽14基本上完全填充以偏轉(zhuǎn)控制元件80。雖然在所述實(shí)施例中，偏轉(zhuǎn)控制元件80只配置在各外軸向溝槽內(nèi)，同樣也可以在內(nèi)軸向溝槽內(nèi)配置偏轉(zhuǎn)控制元件。在任何情況下，該控制元件最好熔合在骨架部分和/或軸承軸瓦上。
在所述實(shí)施例中，該偏轉(zhuǎn)控制元件80是由較軟或撓性的非牛頓流體材料構(gòu)成，最好是彈性材料或聚合物如橡膠、塑料等。例如，肖氏A級(jí)硬度橡膠可以用于制成偏轉(zhuǎn)控制元件及軸承軸瓦。另外，可以根據(jù)所要求或者所希望的偏轉(zhuǎn)控制程度使用不同的材料。如圖1所示，偏轉(zhuǎn)控制元件80具有與外軸向溝槽14相同的形狀。因此，偏轉(zhuǎn)控制元件80就完全填充了軸向溝槽14。但是，并非必需這些做。更具體地說(shuō)，可以將該偏轉(zhuǎn)控制元件只是部分地填充在溝槽14內(nèi)。當(dāng)然，這樣就會(huì)影響由偏轉(zhuǎn)控制元件所提供的偏轉(zhuǎn)控制程度。
通過(guò)將偏轉(zhuǎn)控制元件80填充在溝槽內(nèi)至預(yù)定的程度，以限制骨架部分10在剪切方向上的撓性。從中可以看出，骨架部分的撓性限制程度是取決于偏轉(zhuǎn)控制元件在內(nèi)、外溝槽內(nèi)填充的程度和該偏轉(zhuǎn)控制元件所用材料的撓性，也可以采用與軸承軸瓦同一種材料制成的偏轉(zhuǎn)控制元件，并將它們形成一個(gè)整體。應(yīng)注意，經(jīng)填充后的溝槽，其徑向約束力是高的，而在剪切或圓周方向上撓性是高的。換言之，整個(gè)軸瓦結(jié)構(gòu)在徑向是剛性的，在剪切方向是撓性的，以形成用于流體動(dòng)力潤(rùn)滑楔。
如前面所提到的，本發(fā)明軸承最好是全部由非牛頓流體材料制成，該材料最好是聚合物或彈性材料如橡膠、塑料等。由于其整個(gè)結(jié)構(gòu)是由這種流體材料構(gòu)成，因此本發(fā)明軸承顯示許多獨(dú)特的性能特點(diǎn)。例如，高的徑向剛性與軸瓦向內(nèi)位移相結(jié)合，導(dǎo)致軸的精確定位和最佳流體膜的形成。流體膜的形成減小了軸的磨損及提供了高載荷承載能力。另外，由非牛頓流體材料如彈性材料制成的軸承在過(guò)程潤(rùn)滑應(yīng)用中顯示出極好的耐磨性能。在此之前曾認(rèn)為徑向剛性的要求和耐磨性的要求是不可兼有的。但是，采用一種完全由非牛頓流體材料構(gòu)成的多級(jí)硬度組合結(jié)構(gòu)，能夠使其獲得兩種好處兼有的效果。最后，某些非牛頓流體材料如彈性材料和聚合物對(duì)某些材料也具有耐蝕性，這些材料對(duì)非流體材料如金屬具有腐蝕性。
用于本發(fā)明軸承的非牛頓流體材料沿著其外圓周表面受到用以裝該軸承的外套的約束。因此，受到約束的軸承沿著不受約束的兩個(gè)軸向端部發(fā)生撓曲或隆起。在軸承不受約束的兩軸向端部向外隆起的程度是該軸承徑向剛性的標(biāo)志。隆起程度，即依此表示的軸承徑向剛性取決于未受約束的非牛頓流體材料的尺寸或面積和所用的非牛頓流體材料的剛性。
如上所述，常規(guī)的無(wú)縫或磨損軸型軸頸軸承通常都是由安裝在金屬套筒內(nèi)的單一硬度彈性材料制成。因?yàn)榻饘偈遣豢蓧嚎s的，必須配置具有較大截面的低硬度材料。因此，由于對(duì)該較大截面的材料不受任何約束，這種軸承就顯示出在該軸承的軸向兩端部向外大量隆起。大程度的隆起表示該軸承的徑向剛性極低。當(dāng)然，這是希望得到的大的不受約束區(qū)域的橫截面積和使用軟材料的結(jié)果。隨著軸的載荷作用，這種軸承通常會(huì)發(fā)生變形，從而適應(yīng)該軸的形狀，這樣就不能形成真正的流體動(dòng)力楔。因此，這種磨損型軸承的功能基本上如同軸用的彈性材料磨損軸套。在軸承軸瓦與軸之間形成的接觸能夠產(chǎn)生大量的熱，以致改變了軸承軸瓦材料的特性并由此降低軸承的預(yù)期使用壽命。
如圖1所示，由于剛性較強(qiáng)的骨架部分10是本發(fā)明軸承軸向橫截面的大部分，則本發(fā)明軸承內(nèi)由硬度較低材料構(gòu)成的不受約束的截面面積就大大地減少了。尤其是由于骨架部分10是由剛性較強(qiáng)的材料構(gòu)成，它不會(huì)產(chǎn)生太大的隆起。因此，只有用于部分80和軸承軸瓦50的材料才產(chǎn)生這樣明顯的軸向隆起。換言之，本發(fā)明軸承的隆起截面面積與現(xiàn)有技術(shù)的磨損型軸承相比已大大地減小了。這樣，設(shè)置剛性較強(qiáng)的骨架部分對(duì)軸承提供了強(qiáng)得多的徑向剛性。由于具有此徑向剛性，本發(fā)明軸承形成了一個(gè)流體動(dòng)力楔，從而使本發(fā)明軸承能承受大得多的載荷，更重要的是減少了軸承的磨損，因而增加了軸承的概率壽命。這樣，本發(fā)明的另一重大優(yōu)點(diǎn)是軸承兩軸向端部的隆起縮小，導(dǎo)致增加軸承的徑向剛性和減小磨損。
總之，本發(fā)明軸承包括由一種剛性較好的非牛頓流體構(gòu)成一般為環(huán)形的骨架部分。在該骨架的內(nèi)圓周上形成若干個(gè)徑向伸展的內(nèi)軸向溝槽。該內(nèi)軸向溝槽在圓周方向相互間具有一定間隔。該骨架部分還包括在其外圓周上間隔設(shè)置的若干外軸向溝槽，該溝槽的數(shù)量最好與內(nèi)軸向溝槽相同，其間隔最好以正好在兩個(gè)相對(duì)內(nèi)軸向溝槽之間的中點(diǎn)處定中心。該軸承還包括與內(nèi)軸向溝槽數(shù)量相等的若干軸承軸瓦，該軸瓦熔合在由內(nèi)軸向溝槽所限定的骨架部分的各部分上，并熔合在其上。該軸承還可以包括安裝在內(nèi)軸向溝槽和/或外軸向溝槽內(nèi)的偏轉(zhuǎn)控制元件。該偏轉(zhuǎn)控制元件可以充滿整個(gè)軸向溝槽或只部分地填充在軸向溝槽內(nèi)。
采用上述軸承結(jié)構(gòu)實(shí)際上能夠根據(jù)已知的或預(yù)定的載荷獲得任何要求的偏轉(zhuǎn)值。更具體地說(shuō)，該軸承軸瓦支承裝置能夠以六個(gè)自由度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。與此相比，常規(guī)的磨損型軸承的軸承軸瓦支承裝置不能作徑向運(yùn)動(dòng)。在已知載荷作用下，軸承軸瓦發(fā)生偏轉(zhuǎn)的趨勢(shì)和偏轉(zhuǎn)程度可以通過(guò)改變?cè)S多不同參數(shù)來(lái)改變。首先，偏轉(zhuǎn)程度可以通過(guò)改變軸承的截面來(lái)改變。更具體地說(shuō)，內(nèi)軸向和外軸向溝槽的數(shù)量和深度以及軸承軸瓦和骨架部分的周向尺寸構(gòu)成用于支承該軸承軸瓦的梁網(wǎng)絡(luò)，并因此影響在載荷作用下，軸承軸瓦的偏轉(zhuǎn)。
此外，用于軸承各種不同構(gòu)件材料的選擇會(huì)影響軸承的偏轉(zhuǎn)特性。在這方面，所采用的非牛頓流體材料的硬度和撓性是需要考慮的最關(guān)鍵特性。
最后，偏轉(zhuǎn)控制元件的大小和位置影響軸承的偏轉(zhuǎn)變形特性。在極端情況下，該偏轉(zhuǎn)控制元件可以用與骨架部分相同的材料構(gòu)成，這樣，實(shí)際上等于該骨架部分不帶外軸向溝槽，在另一個(gè)極端情況下，外軸向溝槽或內(nèi)軸向溝槽可以完全不填充東西，以便自由而不受約束地進(jìn)行偏轉(zhuǎn)?？傊?，通過(guò)改變上述參數(shù)，本發(fā)明軸承實(shí)際上可以設(shè)計(jì)成能夠獲得任何要求的偏轉(zhuǎn)變形。
在本發(fā)明的軸承設(shè)計(jì)中，有幾個(gè)問(wèn)題極其重要。其中最重要的是需要保持一個(gè)可擠壓的截面形狀，例如在軸承中有一個(gè)恒定的截面，當(dāng)軸承的軸向橫截面為恒定時(shí)，則該軸承就可以如下所述，在極低成本條件下很容易地?cái)D壓出來(lái)。自然，該軸承偏轉(zhuǎn)特性可以通過(guò)改變個(gè)別軸承的截面形狀來(lái)改變，例如通過(guò)設(shè)置圓周溝槽，部分徑向溝槽或徑向孔來(lái)改變。但是，這種由最合適的恒定截面所進(jìn)行的變動(dòng)需要對(duì)軸承在擠壓和軸承的精加工(內(nèi)、外直徑的機(jī)械加工)以后進(jìn)行再一次的機(jī)械加工，因此應(yīng)當(dāng)盡量避免，除非是所得到的性能方面的好處完全能補(bǔ)償所增加的制造成本。
本發(fā)明軸承一般也可以稱為多級(jí)硬度軸承，因?yàn)檫@種軸承包括具有不同硬度(剛度)的多個(gè)部分。更具體地說(shuō)，對(duì)具有較高硬度(剛性較好)的非牛頓流體是利用其強(qiáng)度，而對(duì)具有低硬度(撓性較好)的非牛頓流體材料是利用其撓性。具有不同硬度的各部分都熔合在一起。例如，在例示的軸承中，不同材料可用于骨架部分、軸承軸瓦和偏轉(zhuǎn)控制元件。通常，剛性較好的材料可用于骨架部分，剛性較低而撓性較好的材料可用于軸承軸瓦和偏轉(zhuǎn)控制元件。
本發(fā)明的新型軸承可結(jié)合圖5按照下面描述的新型制造方法進(jìn)行制造。
如圖5所示，制造本發(fā)明軸承的方法一般包括四個(gè)工序，即，擠壓，固化，切割和精加工。
第一工序-擠壓，包括兩個(gè)或更多的分工序，分工序數(shù)目的多少取決于軸承中所用不同材料的數(shù)目和軸承各部分的配置位置。應(yīng)當(dāng)指出，該軸承是采用現(xiàn)有的多級(jí)硬度擠壓技術(shù)擠壓成型的，這種擠壓技術(shù)通常用于擠壓塑料制件，如窗戶和門(mén)的密封件，防震緩沖器和撓性鉸鏈。在圖5所示的實(shí)施例中，使用了三個(gè)擠壓分工序。這相當(dāng)于形成圖1所示軸承型式所采用的最佳擠壓分工序數(shù)。
在第一個(gè)分工序101中，將軸承的第一部分?jǐn)D壓出來(lái)。在制造圖1所示的軸承所描述的實(shí)施例中，需要擠壓的第一部分可能是內(nèi)側(cè)部分50。此部分可以在非固化或部分固化的狀態(tài)下進(jìn)行擠壓。
工序102緊跟著工序101，它包括將第二部分?jǐn)D壓到未固化或部分固化的第一部分上。在擠壓圖1所示的軸承中，工序102可能包括將骨架部分10擠壓到軸瓦表面50的結(jié)合部分上。
在完成工序102之后，如果還要另外增加軸承部分時(shí)，它們就在另一次擠壓分工序中進(jìn)行擠壓。在擠壓如圖1所示的軸承時(shí)，再進(jìn)行了一個(gè)第三擠壓分工序103。在此擠壓分工序中，外偏轉(zhuǎn)控制元件80被擠壓到外軸向溝槽內(nèi)。
需要著重指出的是，每個(gè)逐次擠壓成型件都是未經(jīng)固化或只部分固化的，因此在擠壓過(guò)程中，不需要施加粘結(jié)劑連接這些逐次擠壓成型件。更具體地說(shuō)，本發(fā)明軸承所用的非牛頓流體材料在未經(jīng)固化或部分固化的狀態(tài)下都是粘性的或膠粘的，因此不需要加粘結(jié)劑用以粘合這些逐次擠壓成型件。這樣，本發(fā)明軸承的各部分不用借助外來(lái)物質(zhì)如粘結(jié)劑就可以彼此熔合在一起。
完成擠壓過(guò)程就生產(chǎn)出一種組合式未固化或部分固化的管形擠壓件。在完成擠壓過(guò)程之后，組合式管形擠壓件在工序104中進(jìn)行固化，以生產(chǎn)出固化的管形擠壓件，其中具有不同硬度的軸承各部分就相互熔合在一起。
圖2是顯示本發(fā)明管形擠壓件的一個(gè)實(shí)施例。正如圖2所啟示，該擠壓件最好是相當(dāng)?shù)亻L(zhǎng)，以便由一個(gè)擠壓件可以制成許多個(gè)軸承。
在工序105中，經(jīng)固化的管形擠壓件被切斷成每段軸向長(zhǎng)度相當(dāng)于軸承所要求的軸向長(zhǎng)度的各個(gè)段。換言之，一個(gè)管形擠壓件被分成為若干個(gè)軸承段。例如，一個(gè)管形擠壓件(如圖2中所示)可以分成40～50個(gè)單個(gè)軸承段。
在工序106中，單個(gè)軸承段進(jìn)行精加工。在最簡(jiǎn)單和最佳實(shí)施例中，精加工工序只是包括對(duì)各軸承段進(jìn)行機(jī)械加工，以精確地形成所要求的內(nèi)、外直徑。自然，此工序只能在該管形擠壓件的外徑大于所要求的外徑及其內(nèi)徑小于所要求的內(nèi)徑的條件下才能進(jìn)行。在圖1中，虛線表示大體上應(yīng)當(dāng)提供的多余材料量，以便保證該軸承段可以進(jìn)行精加工。
精加工工序106也可以包括軸承段的附加的機(jī)械加工，這種附加的機(jī)械加工成本是否合算要由附加機(jī)械加工帶來(lái)的性能改進(jìn)相比較來(lái)給以評(píng)價(jià)。例如，也有可能希望在軸承段的橫截面上設(shè)置若干變化的構(gòu)形如圓周溝槽和徑向孔。這樣一些有可能會(huì)大幅度增加單個(gè)軸承成本的工序通常是認(rèn)為不合算的，特別是如上所述的即能夠獲得大范圍變化的偏轉(zhuǎn)特性，同時(shí)又保持一個(gè)恒定的可擠壓軸承截面的情況。
權(quán)利要求
1.一種流體動(dòng)力軸承，用以支承一個(gè)軸于一層流體膜上，其特征在于該軸承包括一個(gè)具有預(yù)定硬度，一般為環(huán)形的骨架軸承軸瓦支承部分，骨架部分具有內(nèi)和外圓周表面；若干個(gè)形成在內(nèi)表面上的軸向內(nèi)溝槽，并間隔地排列在圓周周圍，以限定出若干個(gè)梁架式軸承軸瓦支承面；若干個(gè)軸承軸瓦，由預(yù)定硬度小于骨架部分預(yù)定硬度的非牛頓流體材料制成，每一個(gè)這種軸承軸瓦都熔合在其相應(yīng)的軸瓦支承面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的軸承，其特征在于該軸承的軸向橫截面是恒定的，因此該軸承可以很容易擠壓成型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的軸承，其特征在于不同材料的相鄰部分都熔合在一起。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)的軸承，其特征在于該軸承全部是由非牛頓流體材料構(gòu)成的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)的軸承，其特征在于若干個(gè)徑向向內(nèi)伸展的外溝槽形成在外圓周表面上，該外溝槽在外圓周表面上繞著圓周方向間隔地排列開(kāi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的軸承，其特征在于該外溝槽和內(nèi)溝槽相互之間是間隔開(kāi)的，從而構(gòu)成一個(gè)帶有若干梁架式軸承軸瓦支承面的骨架軸承軸瓦支承部分，該支承面能夠以六個(gè)自由度進(jìn)行活動(dòng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)的軸承，其特征在于該軸承還包括若干個(gè)偏轉(zhuǎn)控制元件，形成在徑向向外伸展的內(nèi)溝槽和徑向向內(nèi)伸展的外溝槽之中的至少一種溝槽內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)的軸承，其特征在于每個(gè)所述的軸承軸瓦其軸向橫截面一般為凹進(jìn)的，在無(wú)應(yīng)力狀態(tài)下具有周向的端部，該軸承軸瓦具有一條與所述周向端部等距離的對(duì)稱軸線，該軸承軸瓦沿著所述對(duì)稱軸線的徑向厚度較其任何一個(gè)周向端部的徑向厚度為大。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)的軸承，其特征在于該骨架部分是一個(gè)整體件。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至6和8至9中任一項(xiàng)的軸承，其特征在于在該軸承內(nèi)還有若干個(gè)偏轉(zhuǎn)控制元件，設(shè)置在該內(nèi)和外溝槽的至少一種溝槽內(nèi)，該偏轉(zhuǎn)控制元件的預(yù)定硬度低于骨架部分的硬度。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的軸承，其特征在于至少所述偏轉(zhuǎn)控制元件中的一個(gè)元件與上述軸承軸瓦中的至少一個(gè)軸瓦是由相同的材料制成的，并與它連成整體。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的軸承，其特征在于該偏轉(zhuǎn)控制元件是由一種其硬度不同于軸承軸瓦的預(yù)定硬度的材料制成的。
13.根據(jù)權(quán)利要求7或10至12的軸承，其特征在于該偏轉(zhuǎn)控制元件是熔合在骨架軸承軸瓦支承部分上的。
14.一種制造用于支承軸的流體動(dòng)力軸承的方法，其特征在于該方法包括如下工序擠壓出一個(gè)由具有預(yù)定固化硬度材料構(gòu)成的第一管形元件;將具有第二預(yù)定固化硬度的材料構(gòu)成的第二部分?jǐn)D壓到上述第一部分上，第二預(yù)定固化硬度不同于第一預(yù)定固化硬度，以形成一個(gè)組合式管形擠壓件;固化該組合式管形擠壓件;將該管形擠壓件切割成各軸承段;和對(duì)各軸承段進(jìn)行精加工。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其特征在于該方法還包括在該組合式管形擠壓件進(jìn)行固化之前，擠壓出一個(gè)第三部分到上述第一部分和上述第二部分中至少一個(gè)部分上的工序。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其特征在于對(duì)軸承段精加工的工序包括對(duì)軸承段進(jìn)行機(jī)械加工的工序，以使提供不同的軸承段軸向截面。
全文摘要
一種可擠壓的多級(jí)硬度流體動(dòng)力軸承，它包括一個(gè)軸承軸瓦支承結(jié)構(gòu)和若干熔合在該支承結(jié)構(gòu)上的軸瓦，還可以包括若干熔合在軸瓦和/或軸瓦支承結(jié)構(gòu)上的偏轉(zhuǎn)控制元件。該軸承完全由不同硬度的非牛頓流體材料構(gòu)成，并具有恒定的軸向橫截面。該軸承的制法包括擠壓一種第一種材料；在第一種材料固化形成管形擠壓件之前，至少在其上擠壓出第二種材料；固化該管狀擠壓件；將該管狀擠壓件進(jìn)行精加工，獲得要求的長(zhǎng)度和內(nèi)外徑尺寸。
文檔編號(hào)F16C27/02GK1042222SQ89108220
公開(kāi)日1990年5月16日 申請(qǐng)日期1989年10月25日 優(yōu)先權(quán)日1988年10月25日
發(fā)明者羅素·D·艾迪 申請(qǐng)人:羅素·D·艾迪