專利名稱：近場(chǎng)超聲懸浮軸承系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
近場(chǎng)超聲懸浮軸承系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實(shí)用新型涉及一種懸浮軸承，具體涉及一種近場(chǎng)超聲懸浮軸承系統(tǒng)。
技術(shù)背景[0002]軸承是機(jī)械產(chǎn)品中不可或缺的重要零部件，在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中占有重要地位，并 且已被廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中的各個(gè)領(lǐng)域。目前的軸承主要分為兩大類，滾動(dòng)軸承和滑 動(dòng)軸承。從潤(rùn)滑方式上講，可分為液體、半液體、固體和氣體幾大類，此外還有磁懸浮等一些 特殊類型的軸承。這些軸承都各具特點(diǎn)，應(yīng)用在不同的領(lǐng)域當(dāng)中。[0003]以超聲振動(dòng)利用為特征的壓電超聲技術(shù)近年來(lái)得到快速發(fā)展，超聲波的生成與轉(zhuǎn) 換變得容易且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而聲懸浮技術(shù)和聲懸浮理論在不斷完善，超聲波振動(dòng)具有減摩與 懸浮的能力，這已經(jīng)被研究所證實(shí)。現(xiàn)有技術(shù)唐方圓.凹柱面支撐超聲波懸浮軸承設(shè)計(jì)與 實(shí)驗(yàn)研究，吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文[D].吉林2009年6月.此篇文獻(xiàn)中采用了兩個(gè)夾心 式換能器，一個(gè)用于對(duì)軸系的徑向懸浮支撐，另一個(gè)用于軸系的單向軸向定位，從而實(shí)現(xiàn)對(duì) 軸系的懸浮支撐。不足之處，當(dāng)軸轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值后出現(xiàn)力或力偶的不平衡使軸發(fā)生抖動(dòng) 而失穩(wěn)。實(shí)用新型內(nèi)容[0004]本實(shí)用新型提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的近場(chǎng)超聲懸浮軸承系統(tǒng)。[0005]一種近場(chǎng)超聲懸浮軸承系統(tǒng)，安裝于轉(zhuǎn)軸上，其特征在于該系統(tǒng)由第一環(huán)形 壓電陶瓷片、第一碗形定子、軸承、皮帶、傳動(dòng)電機(jī)、第二環(huán)形壓電陶瓷片、第二碗形定子、 皮帶輪組成；其中皮帶輪安裝于轉(zhuǎn)軸中間，并與第一球形結(jié)構(gòu)、第二球形結(jié)構(gòu)、皮帶、傳 動(dòng)電機(jī)構(gòu)成皮帶輪傳動(dòng)系統(tǒng)；轉(zhuǎn)軸兩端分別固連有第一球型結(jié)構(gòu)、第二球形結(jié)構(gòu)；第一 碗形定子和第二碗形定子分別固連在轉(zhuǎn)軸兩端的球型結(jié)構(gòu)上，第一環(huán)形壓電陶瓷片和 第二環(huán)形壓電陶瓷片分別粘貼在第一碗形定子和第二碗形定子的表面；上述第一環(huán)形 壓電陶瓷片和第二環(huán)形壓電陶瓷片結(jié)構(gòu)相同，分成10個(gè)分區(qū)，弧長(zhǎng)及極化方向依次為>2+、M -、ΛΑ+、ΛΑ -、%未極化、Κ+、/4 -、Ya未極化、%+、 4未極化，其中第一至第四分區(qū)構(gòu)成A相極化區(qū)，第六、七分區(qū)構(gòu)成B相極化區(qū)，第九分區(qū)構(gòu)成用來(lái)提供頻率 自動(dòng)跟蹤控制反饋信號(hào)的孤級(jí)區(qū)。[0006]上述近場(chǎng)超聲懸浮軸承的電激勵(lì)方式，其特征在于驅(qū)動(dòng)方式分為兩種第一種方 式，在陶瓷片的A相和B相極化區(qū)依次接入兩相同相位的電壓信號(hào)，激勵(lì)碗形定子產(chǎn)生沿內(nèi) 表面的駐波，此驅(qū)動(dòng)方式只為軸承提供徑向和軸向懸浮力，使其沿徑向和軸向懸浮和定位； 第二種方式，在陶瓷片的A相和B相極化區(qū)依次接入兩相相位相差90度的電壓信號(hào)，激勵(lì) 碗形定子產(chǎn)生沿內(nèi)表面的行波，此驅(qū)動(dòng)方式除了為軸承提供徑向和軸向懸浮力，而且還可 以為軸承提供旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)力。[0007]本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)更加緊湊，加工和裝配都易于實(shí)現(xiàn)較高的精度，且提高了軸承抗動(dòng)平衡能力，同時(shí)更便于安裝和應(yīng)用。此軸承與外界沒(méi)有任何 機(jī)械接觸，不存在傳統(tǒng)的接觸式軸承產(chǎn)生的固體間的摩擦力，有效避免摩擦帶來(lái)的軸承損 耗，軸承壽命得到大幅度提高。


[0008]圖1是超聲懸浮軸承的結(jié)構(gòu)示意圖；[0009]圖2是本實(shí)用新型超聲懸浮軸承的結(jié)構(gòu)示意圖；[0010]圖3是碗形定子B (0，4)模態(tài)圖；[0011]圖4是碗形定子B (0,4)模態(tài)的臨近模態(tài)圖；[0012]圖5是碗形定子的壓電陶瓷的極化和配置方式圖；[0013]其中標(biāo)號(hào)名稱1、第一環(huán)形壓電陶瓷片，2、第一碗形定子，3、軸承，4、皮帶，5、傳動(dòng) 電機(jī)，6、第二環(huán)形壓電陶瓷片，7、第二碗形定子，8、第二球形結(jié)構(gòu)，9、皮帶輪，10、第一球形 結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施方式
[0014]本實(shí)用新型近場(chǎng)超聲懸浮軸承，是基于壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)制成的，其結(jié)構(gòu)參 考圖2，包括左右環(huán)形壓電陶瓷片6、1，左右碗形定子7、2，軸承3，皮帶4，傳動(dòng)電機(jī)5，左右 球形結(jié)構(gòu)8、10，皮帶輪9，在碗形定子7、2低端粘貼有環(huán)形陶瓷片6、1。[0015]本實(shí)用新型是基于壓電陶瓷片的逆壓電效應(yīng)，即通過(guò)外加電信號(hào)，使壓電陶瓷產(chǎn) 生機(jī)械變形，從而使碗形定子產(chǎn)生超聲波振動(dòng)，并將其傳播到空氣介質(zhì)中，為軸承提供徑向 及軸向懸浮力。壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)可激發(fā)出碗形定子的B(0，4)階彎曲振動(dòng)模態(tài)，即 0節(jié)圓、沿圓周4波長(zhǎng)的振動(dòng)形式，圓筒定子振動(dòng)模態(tài)的選擇可以多樣，主要根據(jù)自己設(shè)計(jì) 的尺寸和要求碗形定子內(nèi)表面產(chǎn)生的振幅最大來(lái)選擇。近場(chǎng)超聲懸浮軸承主要由環(huán)形壓電 陶瓷片1和6、碗形定子2和7、軸承3等三部分組成。圖2是本實(shí)用新型的具體結(jié)構(gòu)示意 圖，由圖可知，超聲懸浮軸承的碗形定子2和7，將環(huán)形壓電陶瓷片1和6 (每片共10分區(qū)) 粘貼于碗形定子2和7，環(huán)形壓電陶瓷片1和6極化及配置方式見(jiàn)圖5。行波產(chǎn)生機(jī)理見(jiàn)如 下[0016]對(duì)碗形定子陶瓷施加交變電壓& = VamC0S(OH) , φ為A相振型對(duì)應(yīng)的固有頻率，從而激發(fā)出B (0,4)的駐波(也可能存在其他振動(dòng)成分，但由于激振頻率與固有頻率相同， 該模態(tài)的振動(dòng)是主要的)，其表達(dá)式為[0017]Wa = ζΑ c。s(45) cos(rn + ΘΑ)(1. 1)[0018]式中，ζΑ為駐波的振幅，&為A相激勵(lì)電壓與圓筒振動(dòng)響應(yīng)的相位差(與定子的 阻尼有關(guān))。[0019]由于碗形定子是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，存在與A相振型在空間上相差1/4波長(zhǎng)的正交振型 (該振型不妨稱之為B相振型)的波峰處也粘貼一片壓電陶瓷片，此波峰處恰恰是A相振型 的節(jié)線處，因此當(dāng)對(duì)B相陶瓷片施加交變電壓& = Sm(<2K + a),由于B相陶瓷片的位置處于A相振型的節(jié)點(diǎn)處，對(duì)A相振型的激發(fā)沒(méi)有影響，同時(shí)A相陶瓷片也位于B相振型的節(jié) 點(diǎn)處，對(duì)B相振型的激發(fā)也沒(méi)有影響，所以B相的駐波被激發(fā)，其振動(dòng)位移函數(shù)為[0020]Wb = ξΒ sin(4Θ)sm(m + a + &￡)(1. 2)[0021]式中，厶為駐波的振幅，&為A相激勵(lì)電壓與圓筒振動(dòng)響應(yīng)的相位差。[0022]利用線性波的疊加原理，兩個(gè)駐波疊加為如下振動(dòng)[0023]W = Wa+Ws = ζΛ cos(Aff) cos( i + ^jl) + ξs sm( 4Θ) sin( m + a + ΘΒ) (1.3)[0024]假設(shè)& = & =吞，= & =壞，即兩相駐波的振幅相同，激勵(lì)電壓與圓筒振動(dòng)響應(yīng)的相位差也相同，那么根據(jù)兩相電壓相位差α值的不同，振動(dòng)的形式也各不同[0025]1.當(dāng)α= O,W = ξ0 cos(4ff) cos(m +θ0) + ξ0 sin( 4ff) sin( CM + &n)[0026]( 1. 4)=^0 cos(4# - wi - )[0027]上式為一行波。[0028]2.當(dāng)W = ξ0 cos(4ff) cos(i + θη) + ^0 sm(4&) sin( CM +θ0 +π) -ζ0οο5(4θ + Μ + θ0)·[0030]此時(shí)也是行波，但傳播方向與1相反。JT[0031]3.當(dāng) CK= ^ ,W = ξ0 cos(45)cos(fflf + ) + 4 suit45)sin(t + +[0032]= ξ cos(m + ^0 )(cos(45) + sin( 461))(1.6)Jl=^0cos(sK + 50)cos(45+—)[0033]碗形定子內(nèi)表面只有駐波，不形成行波。[0034]這樣，按上述的方式布置壓電陶瓷，當(dāng)按照第一種驅(qū)動(dòng)方式接入電壓信號(hào)，可在碗 形定子中激發(fā)出兩相空間相位差為90度的駐波，但不能合成出行波，因此此激勵(lì)方式可激 發(fā)出碗形定子的B (0，4)模態(tài)的駐波；若采用單相電壓驅(qū)動(dòng)，同樣可激發(fā)出碗形定子的B (0，4)模態(tài)的駐波，只是聲場(chǎng)強(qiáng)度與懸浮剛度不如上者。具體工作狀態(tài)可根據(jù)實(shí)際要求靈活 選擇。此時(shí)在碗形定子2和6的內(nèi)表面產(chǎn)生的駐波，在近聲場(chǎng)作用下為軸承3提供軸向及 徑向懸浮力，從而碗形定子2和6與軸承3保持非接觸狀態(tài)，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)4經(jīng)皮帶輪3帶動(dòng) 下，軸承可實(shí)現(xiàn)高速非接觸旋轉(zhuǎn)。[0035]當(dāng)按照第二種驅(qū)動(dòng)方式接入電壓信號(hào)，可在碗形定子內(nèi)表面沿其周向形成兩個(gè)時(shí)間上相差90度，空間上相差}《的駐波，進(jìn)而兩駐波合成一行波。若要使行波的方向改變，只需改變或交換兩輸入信號(hào)。這樣，碗形定子2和7內(nèi)表面行波產(chǎn)生的同時(shí)，在近聲場(chǎng)作用 下對(duì)軸承3提供徑向及軸向定位并提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，軸承沿行波的傳播方向轉(zhuǎn)動(dòng)，并與碗形 定子2和7保持非接觸狀態(tài)，從而使軸承3由于摩擦帶來(lái)的損耗大幅降低，提高了軸承的使 用壽命。[0036]為激發(fā)出碗形定子2和7的B (0,4)模態(tài)的行波，采用了如附圖5的壓電陶瓷分區(qū)方式?？梢园l(fā)現(xiàn)，總有一個(gè)波長(zhǎng)的分區(qū)是不起激振作用的，為充分利用壓電陶瓷，將陶瓷 片分成10個(gè)分區(qū)，其中A相和B相分別有4個(gè)分區(qū)和2個(gè)分區(qū)，在A，B兩相極化區(qū)中間留 有;1/4和3Λ/4的區(qū)域，其中常把正向極化的A/4區(qū)域用來(lái)提供頻率自動(dòng)跟蹤控制的反饋 信號(hào)，稱為孤極，參見(jiàn)圖5。
權(quán)利要求1. 一種近場(chǎng)超聲懸浮軸承系統(tǒng)，安裝于轉(zhuǎn)軸(3)上，其特征在于 該系統(tǒng)由第一環(huán)形壓電陶瓷片(1)、第一碗形定子(2)、軸承(3)、皮帶(4)、傳動(dòng)電機(jī) (5)、第二環(huán)形壓電陶瓷片(6)、第二碗形定子(7)、皮帶輪(9)組成；其中皮帶輪(9)安裝于轉(zhuǎn)軸(3)中間，并與第一球形結(jié)構(gòu)(10)、第二球形結(jié)構(gòu)(8)、皮帶 (4)、傳動(dòng)電機(jī)(5)構(gòu)成皮帶輪傳動(dòng)系統(tǒng)；轉(zhuǎn)軸兩端分別固連有第一球型結(jié)構(gòu)(10)、第二球形結(jié)構(gòu)(8);第一碗形定子(2)和第二 碗形定子(7)分別固連在轉(zhuǎn)軸兩端的球型結(jié)構(gòu)上，第一環(huán)形壓電陶瓷片(1)和第二環(huán)形壓 電陶瓷片(6)分別粘貼在第一碗形定子(2)和第二碗形定子(7)的表面；上述第一環(huán)形壓電陶瓷片(1)和第二環(huán)形壓電陶瓷片(6)結(jié)構(gòu)相同，分成10個(gè)分區(qū)，弧長(zhǎng)及極化方向依次為1Z2 +、-、/{+、 Α -、ΛΑ未極化、 4+、 4 -、 4未極化、Λ4+、Λ4未極化，其中第一至第四分區(qū)構(gòu)成A相極化區(qū)，第六、七分區(qū)構(gòu)成B相極化區(qū)，第九分區(qū)構(gòu)成用來(lái)提供頻率自動(dòng)跟 蹤控制反饋信號(hào)的孤級(jí)區(qū)。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種近場(chǎng)超聲懸浮軸承系統(tǒng)，該近場(chǎng)超聲懸浮軸承包括環(huán)形陶瓷片、碗形定子、轉(zhuǎn)軸、皮帶輪以及傳動(dòng)電機(jī)，轉(zhuǎn)軸位于碗形定子內(nèi)部，在碗形定子低端設(shè)置有環(huán)形陶瓷片。在環(huán)形陶瓷片上施加兩相異相位電壓可激發(fā)出碗形定子內(nèi)表面的行波，轉(zhuǎn)軸在此行波的作用下與碗形定子保持非接觸狀態(tài)且可高速旋轉(zhuǎn)，可作為驅(qū)動(dòng)源；在環(huán)形陶瓷片上施加兩相且同相位電壓或單相電壓，可激發(fā)出碗形定子內(nèi)表面的駐波，此激勵(lì)狀態(tài)下，碗形定子只為軸承提供徑向及軸向懸浮力，不提供旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)更加緊湊，摩擦干擾力矩小，大幅減小軸承磨損，同時(shí)增加軸承使用壽命等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)F16C32/00GK201818658SQ20102057360
公開(kāi)日2011年5月4日 申請(qǐng)日期2010年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月25日
發(fā)明者李繁, 陳超 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)