使用电或磁流体的自愈轴承装置的制作方法

1.本发明涉及一种具有润滑剂的轴承装置，该润滑剂包括响应外部磁场或电场的颗粒。该轴承装置包括一个或多个磁场或电场发生器，用于产生一个或多个磁场或电场。


背景技术：

2.存在包括润滑剂的许多不同轴承装置。这些轴承装置广泛用于机械领域，包括船舶、发电厂和车辆例如小汽车和其他机械。轴承装置允许装置的两个部分之间的相对运动。
3.轴承装置可分为液体静压式、液体动压式或混合式。这些轴承装置中的每一个都有特定的优点和缺点。应注意，在本文的上下文中，术语“轴承装置”旨在限于没有滚子元件(例如滚珠轴承)的轴承装置。换言之，轴承装置的固定部件和轴承装置的运动部件之间的负载由润滑剂传送。
4.液体静压轴承通常包括限制器、凹槽和陆区。高压润滑剂通过限制器被供应到凹槽中，随后流过陆区离开轴承。润滑剂的压力在凹槽区域内相当稳定，在陆区内逐渐减小。液体静压轴承装置的一个优点在于，在使用中，固定部件和运动部件之间永远不会有任何接触，无论运动部件是否在运动。液体静压轴承装置的一个缺点是液体静压轴承装置需要由外部压力源持续供应润滑剂。如果源出现故障，则轴承中的润滑剂的压力就会失去。部件可能接触，并且因此轴承可能损坏或磨损。
5.液体静压轴承装置的另一缺点是，对于高负载能力，需要具有大的凹槽面积和小的陆区面积。这具有的缺点是轴承具有低动态刚度和低挤压膜阻尼。垫和凹槽通常采用所谓的“表面纹理”形成，几何表面变化导致局部润滑剂膜厚度的变化。这种表面纹理需要非常精密的加工才能达到所需的表面光洁度。此外，由于要求非常精密的加工和非常小的纹理厚度，该表面纹理也很容易在运动部件和固定部件相互接触的情况下磨损和撕裂。
6.液体动压轴承装置的一个优点是，它不需要表面纹理来实现最佳操作。固定部件和运动部件的表面可以完全光滑，这更易于制造。进一步的优点是液体动压轴承装置不需要润滑剂的加压供应。这降低了失败的风险。
7.液体动压轴承的一个缺点是其工作取决于液体动压压力的形成。该压力仅在运动部件相对于固定部件移动时形成。当运动部件不移动或移动太慢时，运动部件与固定部件之间发生物理接触，导致部件的摩擦、磨损和破裂。这尤其发生在机器的启动或减速期间，此时部件的相对速度较低。换句话说，液体动压轴承需要有足够的速度以便工作。
8.应注意，液体动压轴承装置通常还具有润滑剂源，以防止轴承装置排空。然而，对于液体动压轴承装置，润滑剂进入轴承的压力要低得多，并且对液体动压轴承的承载能力没有显著贡献。相反，承载能力是由旋转部件的相对滑移产生的液体动力压力形成的。
9.存在混合轴承，它结合了液体静压轴承和液体动压轴承的一些优点。然而，混合轴承的性能是受限的。混合轴承通常具有受限的表面纹理，因为液体静压轴承所需的表面纹理限制了液体动压轴承的性能。动态工作状态下的性能是合理的，因为表面纹理仅是有限的。另一方面，由于同样原因，静态工作状态下的性能也受限。因此，混合轴承代表了液体静
压轴承和液体动压轴承之间的折衷。此外，静态工作状态需要对故障敏感的泵。
10.轴承装置也可以根据它们的形状和它们允许的运动进行分类。轴颈轴承通常围绕旋转轴并提供径向支撑。轴颈轴承可以称为径向轴承。止推轴承也围绕旋转轴，但在轴的轴向方向上提供支撑。止推轴承可以称为轴向轴承。平面轴承具有平坦轴承表面并在垂直于平坦轴承表面的方向上提供支撑。止推轴承是平面轴承的一个示例。另外存在有圆锥轴承。圆锥轴承形成轴颈轴承和止推轴承之间的混合，可以传递轴向负载和径向负载。通常，锥形轴承被成对设置，其中第一和第二圆锥轴承在相对方向上渐缩。
11.改善轴承润滑以减少轴承装置各部件的磨损和破裂是一个长期目标。在过去，已经公开了使用具有电流变特性或磁流变特性的润滑剂的轴承装置。电流变润滑剂(erl)是包含悬浮在液体中的可电极化颗粒的润滑剂。磁流变润滑剂(mrl)是包含悬浮在液体中的可磁极化颗粒的润滑剂。
12.这些轴承装置包括用于增加润滑剂的粘度的激活器，以便改进对轴承装置的润滑。
13.由与本技术的同一申请人提交的文献wo2018212657a1公开了一种轴承装置，其中磁流变或电流变流体用作润滑剂。通过使用对润滑剂粘度的局部控制，将润滑剂局限在一定区域中。使用的一种方法是由激活器环绕轴承间隙润滑剂供给，从而抑制润滑剂流出由此形成的围封部，从而增大了整个围封部的压力。这增加了轴承的承载能力，同时使用了相对较少的激活器，并且避免使用表面纹理。
14.us7980765b2是关于在轴承装置中使用电流变流体的另一公开。在这里，激活器用于诱发粘度增大区域，抑制润滑剂流动并局部地增大压力，以增大轴承的承载能力。
15.在本发明中认识到，使用润滑剂(其中粘度可以由激活器剂控制，例如磁流变流体或电流变流体)的轴承装置的缺点是润滑剂的选择仅限于具有这种特性的流体。这可能迫使人们使用例如在润滑性能、寿命、环境影响和/或成本方面具有次优特性的润滑剂。


技术实现要素：

16.本发明的一个目的是提供一种轴承装置，其将液体静压轴承装置和液体动压轴承装置的许多优点与wo2018212657a1中公开的轴承装置的优点相结合，但不要求应控制润滑剂的粘度。
17.本发明的进一步的目的是提供一种改进的液体静压轴承，其泄漏量相对较小，没有物理陆部和垫块，并且允许使用高质量的润滑剂，从而导致相对较少的磨损和破裂。
18.本发明的进一步的目的是提供一种改进的液体动压轴承，其中在无纹理的状态下产生动压压力，泄漏相对少，并且允许使用高质量的润滑剂，从而导致相对少的磨损和破裂。
19.本发明的进一步的目的是提供一种轴承装置，其与可以局部控制润滑剂粘度的轴承装置相比提供了类似益处，同时允许在选择最佳润滑剂时有更大自由度，从而优化了润滑性能。
20.本发明的进一步的目的是提供一种轴颈轴承装置，它将具有大游隙的轴颈轴承的易安装性和对错位的容差与具有小游隙的轴颈轴承的高性能相结合。
21.本发明的进一步的目的是提供一种轴承装置，该轴承装置可在诸如负载、速度、温
度和压力的变化条件下有效操作。
22.本发明的进一步的目的是提供一种替代现有技术的轴承装置。
23.为了实现至少一个目的，本发明涉及一种轴承装置，包括：
[0024]-第一轴承表面和第二轴承表面，所述第一轴承表面和所述第二轴承表面能够相对于彼此移动并且彼此面对，其中所述第一轴承表面和所述第二轴承表面以轴承间隙分隔开，所述轴承间隙填充有润滑剂，其中所述润滑剂包括载流体和响应于磁场的颗粒，其中所述颗粒在没有磁场的情况下悬浮在所述载流体中，
[0025]-一个或多个场发生器，所述场发生器被嵌入在所述第一轴承表面或所述第二轴承表面中，其中所述场发生器是磁场发生器，所述磁场发生器被配置为产生局部空间变化磁场，所述磁场被配置为通过对所述颗粒施加场力而从悬浮液中局部地去除所述颗粒，从而在至少一个所述轴承表面上形成先前悬浮颗粒的团聚物形式的局部流动阻碍，其中所述局部流动阻碍被配置为在一阻碍区中局部地阻碍润滑剂流动通过所述轴承间隙。
[0026]
在一单独的独立实施例中，本发明还涉及一种轴承装置，包括：
[0027]-第一轴承表面和第二轴承表面，所述第一轴承表面和所述第二轴承表面能够相对于彼此移动并且彼此面对，其中所述第一轴承表面和所述第二轴承表面以轴承间隙分隔开，所述轴承间隙填充有润滑剂，其中所述润滑剂包括载流体和响应于电场的颗粒，其中所述颗粒在没有电场的情况下悬浮在所述载流体中，
[0028]-一个或多个场发生器，所述场发生器被嵌入在所述第一轴承表面或所述第二轴承表面中，其中所述场发生器是电场发生器，所述电场发生器被配置为产生局部电场，所述局部电场被配置为通过对所述颗粒施加场力而从悬浮液中局部地去除所述颗粒，从而在至少一个所述轴承表面上形成先前悬浮颗粒的团聚物形成的局部流动阻碍，其中所述局部流动阻碍被配置为在阻碍区中局部地阻碍润滑剂流动通过所述轴承间隙。
[0029]
与磁场的情况不同，当使用电场时，空间均匀场可对颗粒施加净电场力。这是因为不存在磁单极子，而确实存在电单极子。
[0030]
本领域技术人员将理解，在磁场发生器的情况下，场力将是磁力，并且在电场发生器的情况下，场力将是电动力。
[0031]
一方面，从现有技术中已知的磁流变轴承装置和电流变轴承装置与根据本发明的轴承装置之间的重要区别在于，在润滑剂中发生的物理效应不同。磁流变轴承装置和电流变轴承装置包括具有双极性颗粒的润滑剂，其在受到磁场或电场作用时形成颗粒链，这取决于所述双极性颗粒是包括磁偶极子还是电偶极子。这些链与场的场线对齐。在存在磁场或电场的区域中，所述链增大了润滑剂的粘度。在更强的场中，所述链会更强，从而导致更高粘度。
[0032]
在根据本发明的轴承装置中，使用的润滑剂包括可通过磁场或电场从悬浮液中去除的颗粒。在这些轴承装置中，颗粒被从悬浮液中拉向或远离场发生器以在轴承表面上形成团聚物。为了发生这种情况，必须对颗粒施加净磁场力或电场力。这与磁流变和电流变轴承装置明显不同，在这些装置中不需要通过场对颗粒施加净场力；所述场仅使颗粒对齐，同时颗粒相互吸引以形成链。
[0033]
因为在根据本发明的轴承装置中将对颗粒施加净场力，所以当使用包括磁偶极子或电偶极子的颗粒时需要足够大小的空间场梯度，因为空间均匀场不对偶极子施加净场
力。当使用包含电单极子的颗粒时，可以使用均匀电场。使用均匀磁场是不可能的，因为不存在或至少尚未发现磁单极子。
[0034]
在磁流变或电流变轴承装置中，场强决定了施加在润滑剂中的颗粒上的扭矩。扭矩越高，则链越强，并且润滑剂的粘度将越高。在根据本发明的轴承装置中，由场施加在颗粒上的净场力决定了团聚物的大小。对于较大的净场力，附聚颗粒和被流过团聚物的润滑剂冲走的颗粒之间的平衡向更大的团聚物偏移。由场施加在颗粒上的净场力必须高于某个阈值，以便使颗粒抵抗流动润滑剂的拖曳力而保持就位。应当理解，净场力的这个阈值至少取决于轴承装置的转速(rpm)和润滑剂的粘度。如果轴承装置旋转得更快，润滑剂会流动得更快——根据斯托克斯定律——将对静止颗粒施加更大拖曳力。因此，为在更高的转速下形成团聚物，由场施加在每个颗粒上的净场力应该更高。这同样适用于较高粘度的润滑剂。
[0035]
在一实施例中，团聚物靠着第一轴承表面和第二轴承表面中的一个表面定位，并且相对于第一轴承表面和第二轴承表面中的所述一个表面是静止的。
[0036]
在一实施例中，所述一个或多个场发生器被配置为形成局部流动阻碍，该局部流动阻碍具有在轴承间隙的方向上的阻碍高度，其中，所述阻碍高度小于轴承间隙高度。这允许润滑剂流过流动阻碍。
[0037]
在一实施例中，场强在轴承间隙的方向上变化，其中在轴承间隙的一侧的场强比在轴承间隙的中心中的场强高至少25％，优选高50％，更优选是在轴承间隙的中心中的场强的2倍，甚至更优选5倍，还更优选10倍。
[0038]
当场发生器是磁场发生器并且使用响应于磁场的颗粒时，磁场的这种空间梯度允许在轴承间隙的方向上(即，沿着该梯度)在颗粒上施加磁力。这种力可以从悬浮液中去除颗粒以形成团聚物。颗粒可包括永久或可诱导的磁偶极矩。
[0039]
当场发生器是电场发生器并且使用响应于电场的颗粒时，场的这种空间梯度允许使用不带有净电荷但具有永久或可诱导电偶极矩的颗粒，以及带有净电荷的颗粒。
[0040]
在wo2018212657a1中，使用了磁流变润滑剂。在该文献中，解释了润滑剂的流变特性由磁场的大小控制。因此不需要空间梯度。实际上，空间均匀的磁场将适用于该申请。在根据本发明的轴承装置中，空间均匀的磁场将不起作用，因为需要磁场的空间梯度以便将净磁力施加到颗粒。
[0041]
在一实施例中，场强沿着润滑剂在运行期间流动的方向变化，其中沿着润滑剂在运行期间流动的方向在等于轴承间隙高度的一半的距离上，场强变化至少25％，优选50％，更优选地因数2，甚至更优选因数5，还更优选因数10。
[0042]
当场发生器是磁场发生器并且使用响应于磁场的颗粒时，磁场的这种空间梯度允许沿润滑剂在轴承运行期间流动的方向(即沿着该梯度)作用在颗粒上的磁力分量。该力可以在轴承运行期间抵抗流体拖曳将颗粒保持就位。颗粒可包括永久或可诱导磁偶极矩。
[0043]
当场发生器是电场发生器并且使用响应于电场的颗粒时，场的这种空间梯度对于没有带有静电荷而具有永久或可诱导电偶极矩的颗粒以及带有静电荷的颗粒提供沿润滑剂在轴承运行期间的流动方向(即沿着该梯度)的电动力分量。
[0044]
在一实施例中，至少一个场发生器在与轴承表面之间的相对运动的方向平行的方向上伸长，其中，与所述至少一个场发生器相关联的局部流动阻碍的阻碍区被配置为阻碍润滑剂通过轴承端流出轴承。这限制了润滑剂从轴承的泄漏，除此之外，减少了环境影响、
成本和轴承磨损。这也可以有助于维持轴承表面之间的润滑剂的较高压力，增加轴承的承载能力。
[0045]
在一实施例中，至少一个场发生器在与轴承表面之间的相对运动的方向垂直的方向和与垂直于轴承表面的方向相垂直的方向上伸长，其中与所述至少一个场发生器相关联的阻碍区被配置为阻碍润滑剂在第一和第二轴承表面相对于彼此移动的方向上流动，从而产生局部压力增加，这增大了轴承的承载能力。
[0046]
在使用磁场的实施例中，润滑剂包含为永磁偶极子的颗粒。在一替代实施例中，润滑剂包括可被外部磁场诱导磁偶极矩的颗粒。润滑剂还可以包含两种类型的颗粒。
[0047]
在一实施例中，磁场发生器仅布置在轴承间隙的一侧，其中，阻碍区仅布置在轴承间隙的一侧。这可以通过使用具有正磁化率的颗粒和/或具有永磁偶极矩的颗粒来实现。由此，所有颗粒将被磁场发生器吸引。
[0048]
在另一替代实施例中，磁场发生器布置在轴承间隙的两侧，其中，所述阻碍区布置在轴承间隙的两侧。这可以通过使用具有正磁化率的颗粒和/或具有永磁偶极矩的颗粒来实现。由此，所有颗粒将被磁场发生器吸引。
[0049]
在使用电场的实施例中，润滑剂包括带电颗粒，例如大离子。在一替代实施例中，润滑剂包括具有永久电偶极矩的颗粒，例如大极性分子。在另一替代实施例中，润滑剂包括可被外部电场诱导电偶极矩的颗粒，例如包括诸如金属的导电材料的颗粒。润滑剂还可以包含三种类型颗粒中的两种或更多种。
[0050]
在一实施例中，电场发生器仅布置在轴承间隙的一侧，其中，阻碍区仅布置在轴承间隙的一侧。这可以通过使用带电颗粒、具有永久电偶极矩的颗粒或可被外部电场诱导电偶极矩的颗粒来实现。由此，如果所有电场发生器相对于相同符号的载流体保持电势，则所有颗粒将被电场发生器吸引，或者所有颗粒将被电场发生器排斥。因此，所有阻碍区将布置在轴承间隙的与电场发生器相同的一侧，或布置在另一侧。
[0051]
在一实施例中，电场发生器仅布置在轴承间隙的一侧，其中，阻碍区设置在轴承间隙的两侧。这可以通过使用带正电和带负电的颗粒的混合物和/或被配置为保持相反符号的电势的电场发生器来实现，其中所述混合物还可以包括具有永久电偶极矩的颗粒和/或可以由外部电场诱导电偶极矩的颗粒。电场发生器吸引包括永久或可诱导电偶极子的颗粒。吸引带正电颗粒的电场发生器将排斥带负电颗粒，反之亦然。
[0052]
在一实施例中，电场发生器被布置在轴承间隙的两侧，其中阻碍区仅布置在轴承间隙的一侧。例如，这可以通过使用具有正电荷或负电荷的颗粒来实现，而在轴承间隙的一侧的所有电场发生器都保持相同符号的电势，而在轴承间隙的另一侧的所有电场发生器保持相反符号的电势。
[0053]
在一实施例中，电场发生器被布置在轴承间隙的两侧，其中阻碍区布置在轴承间隙的两侧。例如，这可以通过使用在轴承间隙的两侧相对于载流体保持相同符号的电势的电场发生器并且使用具有相反符号电荷的颗粒来实现。作为替代，带正电和带负电的颗粒的混合物可以与在轴承间隙的相对两侧保持相反符号的电势的电场发生器结合使用。
[0054]
在一实施例中，一个或多个磁场发生器是电磁体。使用电磁体消除了在轴承装置中整合永磁体的需要，并且可以通过控制电磁体的线圈中的电流来控制磁场。
[0055]
在一实施例中，一个或多个磁场发生器是永磁体。
[0056]
在一实施例中，所述磁场发生器以相同磁极面对轴承间隙。在一替代实施例中，磁场发生器并非都以相同磁极面对轴承间隙。
[0057]
在一实施例中，多个磁场发生器被放置为彼此直接相邻。在一替代实施例中，磁场发生器不放置成直接相邻。在进一步的实施例中，具有所需磁性特性的材料介于相邻的磁场发生器之间。这种材料可以是铁磁材料。通过使用这种材料，可以优化磁场的空间形状。
[0058]
在进一步的实施例中，磁场发生器以与相邻的磁场发生器不同的磁极面对轴承间隙。
[0059]
在一实施例中，电场发生器是电极。
[0060]
在一实施例中，电场发生器以相同电极面对轴承间隙。在一替代实施例中，电场发生器并非都以相同电极面对轴承间隙。
[0061]
在一实施例中，多个电场发生器被放置为彼此直接相邻。在一替代实施例中，电场发生器不放置成直接相邻。在进一步的实施例中，具有所需电特性的材料介于相邻的电场发生器之间。该材料可以是导电材料。替代地，该材料可以是电绝缘材料。使用这种材料可以优化电场的空间形状。
[0062]
在一实施例中，电场发生器以与相邻的电场发生器不同的电极面对轴承间隙。
[0063]
在一实施例中，场发生器在轴承表面的相对运动的方向上的宽度小于轴承间隙高度的20倍，优选地小于轴承间隙高度的10倍。
[0064]
在一实施例中，场发生器在轴承间隙方向上的深度小于轴承间隙高度的20倍，优选地小于轴承间隙高度的10倍。
[0065]
在一实施例中，场发生器在轴承表面的相对运动的方向上的节距小于轴承间隙高度的20倍。
[0066]
在一实施例中，场发生器被配置为使得阻碍区留下开放通道，该开放通道的高度小于轴承间隙高度的80％、特别是小于40％、更特别是小于20％。只留下小的开放通道会在阻碍区的直接上游产生较大的压力增量，从而增大轴承的承载能力。然而，这也增加了轴承对轴承表面的相对运动的阻力。
[0067]
在一个单独的独立方面，本发明涉及一种使用轴承装置使两个表面相对于彼此移动的方法，该轴承装置包括：
[0068]-彼此面对的第一轴承表面和第二轴承表面，
[0069]-一个或多个场发生器，所述场发生器嵌入在所述第一轴承表面或所述第二轴承表面中，其中所述场发生器是磁场发生器，
[0070]
其中所述方法包括以下步骤：
[0071]-将所述第一轴承表面和所述第二承载面以轴承间隙分隔开，
[0072]-用润滑剂填充所述轴承间隙，所述润滑剂包括载流体和响应于磁场的颗粒，其中所述颗粒在没有磁场的情况下悬浮在所述载流体中，
[0073]-使所述第一轴承表面相对于所述第二轴承表面移动，
[0074]
其中所述方法包括步骤：使用所述磁场发生器产生局部空间变化磁场，以通过在所述颗粒上施加场力而从悬浮液中局部去除所述颗粒，从而形成先前悬浮颗粒的团聚物形式的局部流动阻碍，其中在所述轴承间隙中的至少一个阻碍区中，所述局部流动阻碍在所述轴承间隙的方向上的厚度是所述轴承间隙高度的一部分，从而在所述阻碍区中局部地阻
碍所述润滑剂流动通过所述轴承间隙。
[0075]
在一个单独的独立方面，本发明涉及一种使用轴承装置使两个表面相对运动的方法，所述轴承装置包括：
[0076]-彼此面对的第一轴承表面和第二轴承表面，
[0077]-一个或多个场发生器，所述场发生器嵌入在所述第一轴承表面或所述第二轴承表面中，其中所述场发生器是电场发生器，
[0078]
其中所述方法包括以下步骤：
[0079]-将所述第一轴承表面和所述第二轴承表面以轴承间隙分隔开，
[0080]-用润滑剂填充轴承间隙，所述润滑剂包括载流体和响应于电场的颗粒，其中所述颗粒在没有电场的情况下悬浮在所述载流体中，
[0081]-使所述第一轴承表面相对于所述第二轴承表面移动，
[0082]
其中所述方法包括使用所述电场发生器产生局部电场的步骤，以通过在所述颗粒上施加场力而从悬浮液中局部去除所述颗粒，从而形成先前悬浮颗粒的团聚物形式的局部流动阻碍，其中在所述轴承间隙中的至少一个阻碍区中，所述局部流动阻碍在所述轴承间隙的方向上的厚度是所述轴承间隙高度的一部分，从而在所述阻碍区中局部地阻碍所述润滑剂流动通过所述轴承间隙。
[0083]
在该方法的一实施例中，其中由所述场发生器产生的场在所述颗粒上施加场力，其中所述第一轴承表面和所述第二轴承表面的相对运动产生所述载流体相对于所述第一轴承表面和所述第二轴承表面的流动，其中所述载流体的所述流动对所述颗粒施加拖曳力，其中由所述场力和所述拖曳力产生的有效力局部地使所述颗粒在所述第一轴承表面和所述第二轴承表面中的一个表面上形成先前悬浮的颗粒的团聚物，其中所述团聚物相对于所述第一轴承表面和第二轴承表面中的所述一个是静止的。
[0084]
在该方法的一实施例中，该方法包括使用一个或多个场发生器形成局部流动阻碍的步骤，所述局部流动阻碍具有在轴承间隙的方向上的阻碍高度，其中所述阻碍高度小于轴承间隙高度。
[0085]
在该方法的一实施例中，局部流动阻碍的至少一个阻碍区阻碍润滑剂通过轴承端流出轴承。
[0086]
在该方法的一实施例中，局部流动阻碍的至少一个阻碍区阻碍润滑剂在第一轴承表面和第二轴承表面相对于彼此移动的方向上流动，从而产生局部压力增加，这增大了轴承的承载能力。
[0087]
在该方法的一实施例中，该方法包括步骤：将阻碍区仅布置在轴承间隙的一侧。
[0088]
在该方法的一实施例中，该方法包括步骤：将所述阻碍区布置在轴承间隙的两侧。
[0089]
在该方法的一实施例中，该方法包括根据条件改变供给所述轴承的润滑剂的成分的步骤，所述条件诸如是径向或轴向的轴承负载、轴承表面的相对运动速度、轴承部件的相对位置、轴承磨损和阻碍区条件。
[0090]
在该方法的一实施例中，该方法包括步骤：在轴承的第一操作阶段，将包含载流体和悬浮述载流体中的颗粒的润滑剂供给至所述轴承；并且在所述轴承的第二个操作阶段，供给包含润滑流体但没有悬浮颗粒的润滑剂
[0091]
在该方法的一实施例中，该方法包括步骤：在轴承的第一操作阶段，将包含载流体
和悬浮在所载流体中的颗粒的润滑剂供给至轴承；并且在轴承的第二操作阶段，供给包含不同于所述载流体的润滑流体且没有悬浮颗粒的润滑剂。
[0092]
在该方法的一实施例中，该方法包括将包含颗粒的流体周期性地供给至轴承的步骤，其中供给至轴承的润滑剂不包含悬浮颗粒。
[0093]
在该方法的一实施例中，该方法包括步骤：根据从中供应润滑剂的润滑剂供应入口，改变供应至所述轴承的润滑剂的成分。
[0094]
在该方法的一实施例中，该方法包括根据条件改变所述局部流动阻碍的厚度的步骤，所述条件诸如是径向或轴向轴承负载、轴承表面的相对运动速度、轴承部件的相对位置和轴承磨损。
[0095]
在该方法的一实施例中，该方法包括改变所述磁场或所述电场的空间梯度的步骤。
[0096]
在该方法的一实施例中，该方法包括步骤：通过改变所述磁场或所述电场的空间梯度来改变所述团聚物的尺寸。
[0097]
场发生器的独立控制
[0098]
为了实现进一步的有利效果，如上所述的轴承装置和方法的场发生器可以彼此独立地控制。本领域技术人员将认识到，独立控制场发生器的方面也可以应用于磁流变和电流变轴承，以及其中通过局部控制润滑剂温度来局部控制润滑剂粘度的轴承或其中润滑剂的滑移速度局部受控的轴承。因此，对场发生器的独立控制是可以看作为独立于在轴承中形成先前悬浮颗粒的附聚体形式的局部流动阻碍的构思的方面。在这方面，本发明涉及一种具有可由激活器控制的润滑剂的轴承装置，其中该轴承装置包括多个激活器。
[0099]
通道中的流动可以使用滑移边界条件进行建模。这种滑移边界条件可以从零滑移边界条件变化到完美滑移条件(参见例如encyclopedia of microfluidics and nanofluidics2008版|编辑:dongqing li)。可用于描述滑移边界条件的该变化的一个机制是表观滑移边界条件，其中与壁紧密相邻的几个分子厚的薄边界区域受到来自所述壁的拖曳，而整体流动中的分子仅受到来自相邻流体分子的拖曳。与壁直接相邻的分子相对于壁是静止的。与通道厚度相比，边界区域通常非常薄，因此可以通过忽略边界层的厚度并仅对整体流动进行建模来简化流动建模。在选择该方案时，通过将滑移速度(其是边界层上的速度差)结合到模型中可以解释边界层中的速度梯度。该滑移速度可以受控。描述滑移边界条件的该变化的另一方法是真实滑移边界条件，其中与表面直接相邻的流体分子实际上以等于滑移速度的速度差在表面上滑动。
[0100]
可以如何控制滑移速度的示例是在一种具有疏水轴承表面的轴承装置，其中润滑剂包括双极性分子或包括疏水侧和亲水侧的颗粒。当施加外场以使分子或颗粒定向成使得疏水侧定向为朝向轴承表面时，分子或颗粒倾向于粘附到轴承表面。这增加了轴承表面附近的流动阻力，从而使滑移速度降低。相反，当施加相反的外部场时，分子或颗粒被定向成使得亲水侧定向朝向轴承表面。由此，分子或颗粒被轴承表面排斥，从而使轴承表面附近的流动阻力降低。这增大滑移速度。代替疏水性，轴承表面也可以是亲水的。轴承表面的疏水区和亲水区的组合也是可能的。
[0101]
该场可以是电场或磁场。代替定向或除了定向外，分子或颗粒还可以通过场力被吸引到轴承表面或被排斥离开轴承表面。
[0102]
因此，本发明进一步涉及一种轴承装置，包括：
[0103]-第一轴承表面和第二轴承表面，能够相对于彼此移动并且彼此面对，其中所述第一轴承表面和所述第二轴承表面由填充有润滑剂的轴承间隙分隔开，
[0104]-嵌入在所述第一轴承表面或所述第二轴承表面中的多个激活器，其中：
[0105]
·
所述润滑剂是磁流变液体，并且所述激活器是磁场发生器，所述磁场发生器被配置为局部地增加在所述轴承间隙中的至少一个阻碍区中的所述润滑剂的粘度，从而在所述至少一个阻碍区中局部地阻碍所述润滑剂流动通过所述轴承间隙，或者
[0106]
·
所述润滑剂是电流变液体，并且所述激活器是电场发生器，所述电场发生器被配置为局部地增加在所述轴承间隙中的至少一个阻碍区中的所述润滑剂的粘度，从而在所述至少一个阻碍区中局部地阻碍所述润滑剂流动通过所述轴承间隙，或者
[0107]
·
所述润滑剂具有依赖于温度的粘度，并且所述激活器是加热和/或冷却元件，所述加热和/或冷却元件被配置为局部地加热和/或冷却所述润滑剂以局部地增加所述轴承间隙中的至少一个阻碍区中的所述润滑剂的粘度，从而在所述至少一个阻碍区中局部地阻碍所述润滑剂流动通过所述轴承间隙，或者
[0108]
·
所述润滑剂具有可控的滑移速度，并且所述激活器被配置为局部地控制所述润滑剂的滑移速度，或者
[0109]
·
所述润滑剂包括载流体和响应于磁场的颗粒，其中所述颗粒在没有磁场的情况下悬浮在载流体中，其中所述激活器是磁场发生器，所述磁场发生器被配置为产生局部空间变化磁场，所述磁场被配置为通过在所述颗粒上施加场力从悬浮液中局部地去除所述颗粒，从而在至少一个所述轴承表面上形成先前悬浮颗粒的团聚物形式的局部流动阻碍，其中所述局部流动阻碍被配置为在阻碍区中局部地阻碍所述润滑剂流动通过所述轴承间隙，或者
[0110]
·
所述润滑剂包括载流体和响应于电场的颗粒，其中所述颗粒在没有电场的情况下悬浮在所述载流体中，其中所述激活器是电场发生器，所述电场发生器被配置为产生局部电场，所述局部电场被配置为通过在所述颗粒上施加场力而从悬浮液中局部去除所述颗粒，从而在至少一个所述轴承表面上形成先前悬浮颗粒的团聚物形式的局部流动阻碍，其中所述局部流动阻碍被配置为在阻碍区中局部地阻碍所述润滑剂流动通过所述轴承间隙，
[0111]-其中，对至少一个激活器进行独立于至少一个其他激活器的控制。
[0112]
在一实施例中，激活器是能控制的，以在轴承表面上形成多个不同的激活的激活器图案，其中所述多个不同的图案包括具有第一形状的第一图案和具有不同于所述第一形状的第二形状的第二图案。
[0113]
在一实施例中，所述激活器被分成多个激活器组，其中所述激活器组至少包括第一激活器组和第二激活器组，其中一个激活器组中的激活器能够独立于另一个激活器组中的激活器而能控制，其中所述第一激活器组中的所述激活器能控制以形成激活的激活器的所述第一图案，并且其中所述第二激活器组中的所述激活器能够控制以形成激活的激活器的所述第二图案。
[0114]
在一实施例中，所述第一形状在与所述轴承表面之间的相对运动的方向平行的方向上伸长，其中所述第一激活器组中的所述激活器的至少一个第一阻碍区被配置为阻碍润滑剂通过轴承端流出所述轴承。
[0115]
在一实施例中，所述第二形状在与所述轴承表面之间的相对运动的方向垂直且与垂直于所述轴承表面的方向垂直的方向上伸长，其中所述第二激活器组中的所述激活器的至少一个第二阻碍区被配置为阻碍润滑剂在所述第一轴承表面和所述第二轴承表面相对于彼此移动的方向上流动，从而产生增大所述轴承的承载能力的压力的局部增加。
[0116]
在一实施例中，所述第一形状限定指向第一形状方向的顶部，其中与所述第一激活器组中的所述激活器相关联的所述阻碍区被配置为：当所述第一轴承表面和所述第二轴承表面相对于彼此移动使得润滑剂在所述第一形状方向上流过所述阻碍区时，所述阻碍区导致所述轴承间隙内的在非阻碍区中并且特别是在峰区中的润滑剂的压力的局部升高，所述非阻碍区位于每个阻碍区的上游，峰区位于每个顶部的直接上游，其中所述第二形状限定指向第二形状方向的顶部，其中与所述第二激活器组中的所述激活器相关联的阻碍区被配置为：当所述第一轴承表面和所述第二轴承表面相对于彼此移动使得润滑剂在所述第二形状方向上流过所述阻碍区时，所述阻碍区导致在所述轴承间隙内的在非阻碍区中并且特别是在峰区中的润滑剂的压力的局部升高，所述非阻碍区位于每个阻碍区的上游，峰区位于每个顶部的直接上游。
[0117]
在一实施例中，每个阻碍区包括左区段和右区段，其中所述左区段和右区段将所述润滑剂导引向所述峰区。
[0118]
在一实施例中，所述第一形状包括指向第一形状方向的一个或多个第一箭头，其中所述第二形状包括指向第二形状方向的一个或多个第二箭头，其中所述第二形状方向是所述第一形状方向的相反方向。
[0119]
在一实施例中，所述激活器中的每一个能够单独控制。
[0120]
在一实施例中，所述轴承装置包括用于控制所述激活器的控制器，其中所述控制器被配置为产生激活的场发生器的至少两个不同配置。
[0121]
所述激活器或场发生器的独立控制可用于因应于变化的条件，例如轴承负载、轴承磨损条件、轴承速度、轴承运动方向和轴承间隙厚度。轴承负载可以通过连接到控制器的负载传感器来测量，其中控制单元在控制激活器或场发生器时考虑来自负载传感器的信号。轴承速度可以通过连接到控制器的轴承速度传感器来测量。轴承运动方向可以由连接到控制器的轴承运动方向传感器测量。轴承间隙厚度可以通过连接到控制器的一个或多个间隙传感器来测量。轴承磨损条件可以使用连接到控制器的旋转计数器和/或连接到控制器的轴承负载传感器和/或连接到控制器的轴承速度传感器来估计，其中轴承的磨损条件是基于负载传感器和/或旋转计数器和/或轴承速度传感器的历史数据确定的。
[0122]
例如，在包括负载传感器的轴承中，控制器可以控制激活器或场发生器以在低负载场景中提供轴承的低阻力，而控制器可以控制激活器或场发生器以在高负载场景中提供高承载能力。
[0123]
在包括间隙传感器的轴承中，控制器可以控制激活器或场发生器以将轴承间隙高度保持在预定值。通过在围绕旋转轴承的多种位置处使用间隙传感器，控制器可以控制激活器或场发生器以保持内轴承部件在外轴承部件中居中。
[0124]
在包括轴承移动方向传感器的轴承中，控制器可以控制激活器或场发生器以针对所测量的轴承移动方向提供激活的激活器或场发生器的优化图案。
[0125]
在包括轴承磨损条件传感器的轴承中，控制器可以控制激活器或场发生器针对测
量的磨损条件提供激活的激活器或场发生器的优化图案。
[0126]
激活器或场发生器也可以通过其他输入来激活和去激活，例如通过用户或另一装置来选择低阻程序、低磨损程序、低泄漏程序或高负载程序。
[0127]
本领域技术人员将认识到，其中对至少一个激活器进行独立于至少一个其他激活器的控制的轴承装置的任何实施例的特征可以与其中场发生器是被配置用以产生局部空间变化磁场的磁场发生器的轴承装置的任何实施例的特征相结合，并且与其中场发生器是被配置为产生局部电场的电场发生器的轴承装置的任何实施例结合。
[0128]
在一个单独的独立方面，本发明涉及一种使用轴承装置使两个表面相对于彼此移动的方法，所述轴承装置包括：
[0129]-彼此面对的第一轴承表面和第二轴承表面，
[0130]-嵌入在所述第一轴承表面或所述第二轴承表面中的多个激活器，其中所述方法包括以下步骤：
[0131]-将所述第一轴承表面和所述第二轴承表面以轴承间隙分隔开，
[0132]-使所述第一轴承表面相对于所述第二轴承表面移动，
[0133]-用润滑剂填充所述轴承间隙，其中：
[0134]
·
所述润滑剂是磁流变液体，并且所述激活器是磁场发生器，所述磁场发生器被配置为局部地增加在所述轴承间隙中的至少一个阻碍区中的所述润滑剂的粘度，从而在所述至少一个阻碍区中局部地阻碍所述润滑剂流动通过所述轴承间隙，或者
[0135]
·
所述润滑剂是电流变液体，并且所述激活器是电场发生器，所述电场发生器被配置为局部地增加在所述轴承间隙中的至少一个阻碍区中的所述润滑剂的粘度，从而在所述至少一个阻碍区中局部地阻碍所述润滑剂流动通过所述轴承间隙，或者
[0136]
·
所述润滑剂具有依赖于温度的粘度，并且所述激活器是加热和/或冷却元件，所述加热和/或冷却元件被配置为局部地加热和/或冷却所述润滑剂以局部地增加所述轴承间隙中的至少一个阻碍区中的所述润滑剂的粘度，从而在所述至少一个阻碍区中局部地阻碍所述润滑剂流动通过所述轴承间隙，或者
[0137]
·
所述润滑剂具有能控制的滑移速度，并且所述激活器被配置为局部地控制所述润滑剂的所述滑移速度，或者
[0138]
·
所述润滑剂包括载流体和响应于磁场的颗粒，其中所述颗粒在没有磁场的情况下悬浮在所述载流体中，其中所述激活器是被配置为产生局部空间变化磁场的磁场发生器，所述局部空间变化磁场被配置为通过在所述颗粒上施加场力而从悬浮液中局部地去除所述颗粒，从而在至少一个所述轴承表面上形成先前悬浮颗粒的团聚物形式的局部流动阻碍，其中所述局部流动阻碍被配置为在阻碍区中局部地阻碍所述润滑剂流动通过所述轴承间隙，或者
[0139]
·
润滑剂包括载流体和响应于电场的颗粒，其中所述颗粒在没有电场的情况下悬浮在所述载流体中，其中所述激活器是被配置为产生局部电场的电场发生器，所述局部电场被配置为通过在所述颗粒上施加场力而从悬浮液中局部去除所述颗粒，从而在至少一个所述轴承表面上形成先前悬浮颗粒的团聚物形式的局部流动阻碍，其中所述局部流动阻碍被配置为在阻碍区中局部地阻碍所述润滑剂流动通过所述轴承间隙，
[0140]-对至少一个激活器进行独立于至少一个其他激活器的控制。
[0141]
在一实施例中，所述方法包括控制所述激活器以在轴承表面上形成激活的激活器的多个不同图案的步骤，其中所述多个不同图案包括具有第一形状的第一图案和具有不同于所述第一形状第二形状的第二图案。
[0142]
在一实施例中，所述方法包括以下步骤：
[0143]-将激活器分成多个激活器组，其中所述激活器组至少包括第一激活器组和第二激活器组，其中一个激活器组中的所述激活器能独立于另一个激活器组中的激活器控制，
[0144]-控制所述第一激活器组中的所述激活器以形成激活的激活器的所述第一图案，并且控制所述第二激活器组中的所述激活器以形成激活的激活器的所述第二图案。
[0145]
在一实施例中，所述第一形状在与所述轴承表面之间的相对运动的方向平行的方向上伸长，其中所述第一激活器组中的所述激活器的至少一个第一阻碍区阻碍润滑剂通过轴承端流出所述轴承。
[0146]
在一实施例中，所述第二形状在与所述轴承表面之间的相对运动的所述方向垂直且与垂直于所述轴承表面的所述方向垂直的方向上伸长，其中所述第二激活器组中的所述激活器的至少一个第二阻碍区阻碍润滑剂在所述第一轴承表面和所述第二轴承表面相对于彼此移动的方向上流动，从而产生增大了所述轴承的承载能力的压力的局部增加。
[0147]
在一实施例中，所述第一形状限定指向第一形状方向的顶部，其中与所述第一激活器组中的所述激活器相关联的所述阻碍区在所述第一轴承表面和所述第二轴承表面相对于彼此移动使得润滑剂在所述第一形状方向上流过所述阻碍区时，导致所述轴承间隙内的在非阻碍区中并且特别是在峰区中的润滑剂的压力的局部升高，所述非阻碍区位于每个阻碍区的上游，所述峰区位于每个顶部的直接上游，其中所述第二形状限定指向第二形状方向的顶部，其中与所述第二激活器组中的所述激活器相关联的所述阻碍区在所述第一轴承表面和所述第二轴承表面相对于彼此移动使得润滑剂在所述第二形状方向上流过所述阻碍区时，导致所述轴承间隙内的在所述非阻碍区中并且特别是在峰区中的润滑剂的压力的局部升高，所述非阻碍区位于每个阻碍区的上游，所述峰区位于每个顶部的直接上游。
[0148]
在一实施例中，每个阻碍区包括左区段和右区段，其中所述左区段和右区段将所述润滑剂导引向所述峰区。
[0149]
在一实施例中，所述第一形状包括指向第一形状方向的一个或多个第一箭头，其中所述第二形状包括指向第二形状方向的一个或多个第二箭头，其中所述第二形状方向是所述第一形状方向的相反方向。
[0150]
在一实施例中，所述方法包括分别控制每个所述激活器的步骤。
[0151]
在一实施例中，所述方法包括使用控制器控制所述激活器的步骤。
[0152]
本领域技术人员将认识到，其中对至少一个激活器进行独立于至少一个其他激活器的控制的所述方法的任何实施例的特征可以与其中产生局部空间变化磁场的所述方法或者其中产生局部电场的所述方法的任何所述实施例的特征相结合。
[0153]
以上，描述了使用磁场或电场的实施例。本领域技术人员将清楚，使用电场和磁场两者并因此使用响应于电场的颗粒和响应于磁场的颗粒两者的轴承装置也是可能的。使用响应于磁场和电场两者的颗粒也是可能的。这样的实施例也落入本公开的范围内。
[0154]
与磁流变液体或电流变液体的组合、具有依赖于温度的粘度的润滑剂或者具有可控滑移速度的润滑剂也落入本公开的范围内。
[0155]
本发明的这些和其他方面将更容易理解，因为它们通过参考以下详细描述并结合附图得到更好理解，在附图中，相同参考符号表示相同部件。
附图说明
[0156]
图1a-图1d示出在包括磁场发生器的轴承中包含载流体和颗粒的润滑剂的行为的示意图。
[0157]
图2a-图2l示出用于根据本发明的各种实施例的磁场发生器和所形成的团聚物的布局的侧视图的示意图。
[0158]
图3a-图3c示出用于根据本发明的各种实施例的沿轴承表面的磁场发生器和所形成的沉积物的布局的示意图。
[0159]
图4a、图4b示出根据本发明的实施例的轴承表面的俯视图。
[0160]
图5a-图5c示出包含载流体和颗粒的润滑剂在包含电场发生器的轴承中的行为的示意图。
[0161]
图6a-图6b示出根据本发明的液体动压轴颈轴承的外轴承部件。
[0162]
图7示出根据本发明的轴颈轴承的内轴承部件。
[0163]
图8a-图8d示出根据本发明的轴承部件。
[0164]
图9a-图9b示出根据本发明的轴承的轴向横截面。
[0165]
图10a-图10b示出根据本发明的静压止推轴承。
[0166]
图11a-图11b示出根据本发明的轴承装置。
[0167]
图12a-图12d示出根据本发明的止推轴承的轴承部件。
[0168]
图13a-图13c示出根据本发明的止推轴承的轴承部件。
[0169]
图14a和图14b示出根据本发明的轴颈轴承的外轴承部件。
具体实施方式
[0170]
图1a-图1d示出自愈轴承10的工作原理的示意图。轴承包括两个轴承表面200、300，它们可相对于彼此移动并且彼此面对。包括载流体110和悬浮在其中的颗粒120的润滑剂100被设置在在轴承表面200、300之间具有轴承间隙高度420的轴承间隙400中。轴承间隙中心410是轴承表面200、300之间的中间区域，即是与两个轴承表面200、300等距的区域。
[0171]
轴承表面中的至少一个包括场发生器500，其产生电场或磁场或可配置为产生电场或磁场。场发生器500可以或可以不彼此直接相邻布置。优选地，场发生器在轴承表面200、300的相对运动的方向上的节距503小于轴承间隙高度420的20倍。图1a-d描绘了其中场发生器500不直接彼此相邻放置的实施例。磁场或电场可以从润滑剂100中的悬浮液中局部去除颗粒120，从而在轴承表面上形成团聚物121。这些团聚物121可以形成流动阻碍122。
[0172]
当润滑剂流过流动阻碍122时，在流动阻碍122的上游直接产生压力增加。当垂直于轴承表面200、300的负载施加到轴承10时，这可以通过防止轴承表面200、300之间的接触来增加轴承10的承载能力。附加地或替代地，流动阻碍122可以沿着轴承端定位，从而抑制润滑剂流出轴承。这减少了润滑剂100的泄漏并且可以帮助维持轴承10内的润滑剂100的较高压力，增大轴承的承载能力。
[0173]
图1a示出其中在没有电场或磁场时轴承表面200、300相对于彼此静止的情况。颗
粒120均匀分布在润滑剂100中。
[0174]
图1b示出在存在由场发生器500产生的电场或磁场的情况下，轴承表面200、300相对于彼此静止的情况。颗粒120被场发生器吸引并聚集在它们周围，从而破坏了它们在润滑剂100中的分布均匀性。
[0175]
图1c示出在存在由场发生器500产生的电场或磁场的情况下，第一轴承表面200相对于第二轴承表面300以速度u向左移动的情况。轴承表面的相对运动和轴承表面处的无滑移边界条件产生润滑剂100中的速度分布，其中速度在轴承间隙上变化。润滑剂100将从右向左流动。颗粒120经受将它们吸引向场发生器500的场力800，以及由润滑剂流产生的拖曳力810。这些力之间的相互作用产生有效力820，导致图1c中所示的行为，其中颗粒120的局部附附聚体121形成在轴承表面200、300中的一个表面上，其在阻碍区中形成流动阻碍122。有效力820被轴承表面200、300和其他颗粒120施加在颗粒上的反作用力830抵消。施加在颗粒120上的有效力820和反作用力830的总和为零，使得颗粒在团聚物121内保持静止。如果这种平衡被打破，例如被碰撞颗粒120或其他扰动打破，则颗粒120将离开团聚物121。该颗粒120然后可以被润滑剂流夹带，并且可以与另一个团聚物121碰撞和/或与之结合，从而实现团聚物121的自愈效果。
[0176]
由场施加在颗粒120上的场力800必须高于某个阈值，以便抵抗流动的润滑剂100的拖曳力810而将颗粒120保持就位。应当理解，场力800的这个阈值至少取决于轴承装置10的转速(rpm)和润滑剂100的粘度。如果轴承装置10旋转得更快，则润滑剂100将流动得更快，并且
‑‑
根据斯托克斯定律
‑‑
将对静止的颗粒120施加更高的拖曳力810。因此，为了在更高转速下形成团聚物121，由场施加在每个颗粒810上的场力800应该更高。这同样适用于润滑剂100的较高粘度。
[0177]
团聚物121相对于它们形成在其上的轴承表面是静止的。润滑剂流持续地将颗粒120供给到团聚物121和从团聚物121去除。图1d示出了图1c的放大视图，进一步指示了场力800、拖曳力810和有效力820。
[0178]
团聚物121产生流动阻碍122，流动阻碍122的阻碍高度123是轴承间隙400的高度420的一部分，允许润滑剂100流过流动阻碍122。对于给定的轴承表面200、300的相对速度和给定的轴承间隙高度420，较大的阻碍高度123在润滑剂流动方向上在所述阻碍上引起较大压差，并且引起润滑剂100通过阻碍122的较大速度。进而，这在构成所述阻碍12的颗粒120上引起较大拖曳力，使得阻碍高度123的增加，甚至进一步需要更大场力800来抵消增加的拖曳力810。另一方面，对于给定的轴承间隙高度420，轴承表面200、300的较大相对速度导致润滑剂100通过阻碍122的较大速度。这进而在构成阻碍122的颗粒120上引起较大拖曳力，这导致较低的阻碍高度123。鉴于润滑剂100在轴承表面200、300之间的流动取决于轴承表面200、300的相对速度和这些轴承表面之间的距离(轴承间隙高度420)，该机制可产生流动阻碍122的平衡高度123，该平衡高度123取决于轴承表面200、300的相对速度和轴承间隙高度420。
[0179]
可以改变场力800以改变团聚物的尺寸。为了实现这一点，可以改变磁场或电场的空间梯度。在电场的情况下，电场强度也可以在使用带电颗粒时变化。通过改变团聚物的尺寸，轴承装置可以根据不同的场景和/或用户需求例如低阻力、高承载能力和/或润滑剂从轴承的低泄漏进行调整。
[0180]
流动阻碍122可留下穿过轴承间隙400的开放通道，其小于轴承间隙高度的80％。该通道相对于轴承间隙高度也可以更小，而该通道的高度可以取决于轴承的操作条件。流动阻碍122的上游的直接增加的压力导致轴承10承载在轴承表面200、300之间传递的负载的能力增加。
[0181]
可以改变供给至轴承10的润滑剂100中的颗粒120的浓度，目的是控制流动阻碍高度123。通常，与在磁流变或电流变轴承装置中相比，需要更低的颗粒浓度。这是因为只需要颗粒形成团聚物，而不是分散在润滑剂的整个体积中。流动阻碍高度123可以根据条件诸如是径向或轴向轴承负载、轴承表面的相对运动速度、轴承部件的相对位置和轴承磨损而变化。例如，具有高浓度颗粒120的润滑剂100可在初始阶段被供给至轴承10，而一旦流动阻碍122已经在轴承10内建立，则将具有较低或甚至零浓度的颗粒120的润滑剂100供给至轴承10。具有高浓度颗粒120的润滑剂100也可以周期性地或偶然地供给至轴承10，而在颗粒供给的这些时刻之间将没有或基本上没有颗粒120的润滑剂100供给至轴承10。这些时刻之间的时间和在这些时刻期间给送到轴承10的颗粒120的数量可以例如取决于轴承10的测量值，例如轴承负载、轴承表面的相对速度、轴承间隙高度420、基于轴承的运行小时数的预定计划表，或者这些因素的组合。
[0182]
载流体110本身也可以变化成例如这样的流体，其不能将尽可能多的颗粒120保持在悬浮状态，但具有更好润滑特性。颗粒浓度和载流体类型也可以基于轴承10的操作条件来控制，诸如轴承负载、轴承表面200、300的相对运动速度、轴承部件的相对位置、轴承间隙高度420、轴承磨损和阻碍区条件。这样，阻碍高度123可针对轴承的运行条件进行调整，以最小化低负载场景下的轴承阻力并最小化高负载场景下的轴承磨损。
[0183]
场发生器500可以是磁场发生器510或电场发生器520，或是两者的组合，而颗粒120响应这些场。本领域技术人员将理解，在磁场发生器的情况下，场力将是磁力，而在电场发生器的情况下，场力将是电动力。
[0184]
因为磁单极子不存在而电单极子存在，并且因为偶极子在空间均匀场中不经历净场力，所以磁场发生器510被配置为使得在轴承间隙400内产生空间变化磁场，而电场发生器520可以被配置为在轴承间隙400内产生空间均匀的电场或空间变化的电场。颗粒120可以例如具有永磁或电偶极矩，或者磁偶极子或电偶极子可以由外场诱导。颗粒120也可以带有电荷。在可磁化颗粒120的情况下，其中磁偶极矩是可诱导的，颗粒120可具有正磁化率。如上所述的颗粒120的组合也是可能的。
[0185]
优选地，磁场强度在轴承间隙的方向上变化，其中在轴承间隙的一侧的磁场强度比在轴承间隙的中心410中的磁场强度高至少25％，优选50％，更优选是轴承间隙的中心410中的磁场强度的2倍，甚至更优选5倍，还更优选10倍。这种变化在轴承间隙的方向上在磁性颗粒120上提供合成磁力，以局部地将颗粒从悬浮液中拉出。电场强度可以以类似方式变化。虽然这对于电中性颗粒是必需的，但对于带电颗粒也可能是期望的。这种期望的一个原因是这种变化需要带电颗粒在轴承表面附近经历更大的电动力。这意味着由那些颗粒形成的团聚物121与它们更朝向轴承间隙中心410相比在轴承边缘附近被更强力地保持在一起。这可以导致流动阻碍的平衡高度123与轴承表面200、300的相对速度和轴承间隙高度之间的有利关系。
[0186]
优选地，磁场强度也在轴承运行中润滑剂流动的方向上变化，其中在沿着运行期
间润滑剂流动的方向等于轴承间隙高度420的一半的距离上，磁场强度变化至少25％，优选50％，更优选以因数2，甚至更优选以因数5，再更优选以因数10变化。这种变化为磁性颗粒提供了平行于流体流动方向的力分量。该力分量可用于抵消流体拖曳的影响。电场可以以类似的方式变化。当使用电中性颗粒或同时具有净电荷和(永久的或可诱导的)偶极矩的颗粒时，这足以在轴承10运行期间润滑剂100流动的方向上对颗粒施加力分量。然而，对于没有(或者永久的或者可诱导的)偶极矩的颗粒，电场本身也必须具有在轴承10运行期间润滑剂100流动的方向上的分量，以便在该方向上施加电动力分量。
[0187]
图2a-图2l示出根据本发明的各种实施例的嵌入在轴承表面的一区段内的磁场发生器510的布局的侧视示意图。在图2a、图2c、图2e、图2g、图2h和图2k中，磁场发生器510位于轴承间隙400的一侧，仅在轴承间隙的一侧形成阻碍区，而在图2b、图2d、图2f、图2i、图2j和图2l中，磁场发生器510位于两侧。对于使用电场发生器520而不是磁场发生器510的实施例，如图2a-图2l中描绘的类似布局可用于电场发生器520。在图2a-图2c中，磁场发生器510具有沿轴承表面200、300的相对运动方向的长度501，其小于轴承间隙高度420的10倍。该长度501也可以更大，但优选地小于轴承间隙高度420的20倍。图2a-图2c中的磁场发生器510沿轴承间隙400的方向具有小于轴承间隙高度420的10倍的深度503。该深度503也可以更大，但优选地小于轴承间隙高度420的20倍。
[0188]
在图2c、图2d、图2e、图2f、图2k和图2l中，铁磁材料600位于磁场发生器510周围，以控制磁场的形状。磁场发生器可以是永磁体或电磁体。由于铁磁材料具有比大多数材料更高的磁导率，因此将铁磁材料600放置在磁场发生器510附近会在磁场发生器510附近但在铁磁材料600之外产生较小的磁场和磁场的高空间梯度。当使用电场发生器时，可以将具有良好电特性的材料放置在电场发生器520之间以产生类似效果。有利的磁特性可以是高磁导率或低磁导率。类似地，有利的电性能可以是高或低的介电常数。包括这些材料可以分别允许磁场或电场的优化形状。例如，局部空间梯度的大小可以通过结合这些材料而被最大化。也可以控制梯度的方向。
[0189]
磁场发生器510内的箭头指示磁场发生器510的极化。图2k和图2l示出其中磁场发生器510都以相同磁极面向轴承间隙400的实施例，而图2a-图2j示出其中磁场发生器510不是都以相同磁极面向轴承间隙400的实施例。在所示实施例中，颗粒120被吸引向磁场发生器510。这些颗粒可以是永磁偶极子或具有正磁化率的材料。
[0190]
图3a-图3c示出根据本发明的各种实施例的嵌入在轴承表面的一区段内的磁场发生器510的布局的示意图。磁场发生器510内的圆圈表示磁极化矢量指向图平面外，而磁场发生器510内的十字表示磁极化矢量指向图平面内。其中相邻的磁场发生器510具有不相等或甚至相反的磁极化的布局在磁场发生器510附近产生大的磁场空间梯度，这是由于在不相等方向上具有磁化矢量的磁场发生器的紧密接近。
[0191]
图4a和4b示出根据本发明的止推轴承10的轴承表面的俯视图。在图4a中，磁场发生器510被径向定位，同时它们被定位成与图4b中的径向线成角度偏移。在图4b所示的实施例中，在阻碍区中形成的团聚物121形成流动阻碍122，除了增大轴承10的承载能力之外，其通过在轴承表面的相对旋转运动时迫使润滑剂100向内而帮助减少润滑剂100从轴承10的径向向外泄漏。这种影响是由于阻碍区相对于润滑剂流动方向的定向不垂直这一事实造成的。当润滑剂相对于图4b中所示的轴承表面300逆时针流动时，可以看到这种效果，如弯曲
箭头所示。
[0192]
图5a-图5c示出了根据本发明的三个不同实施例的轴承间隙400的一区段的侧视图的示意图，其中场发生器500是电场激活器520，其电势由电势源525控制。在所有图中，载流体110是不导电的并且保持在零电压。优选地，颗粒120是非导电的或涂有非导电外层以防止电流流过颗粒链。
[0193]
在图5a中，电场发生器520仅定位在轴承间隙400的一侧，从而仅在轴承间隙400的一侧产生包含颗粒120的附聚体121的阻碍区。在本实施例中使用的颗粒120可以是带负电颗粒、永久电偶极子、可以由外部电场诱导电偶极矩的颗粒，或是以上颗粒的组合。具有永久或可诱导电偶极矩的颗粒在空间变化的电场中经历净电动力。带电颗粒也在空间均匀的电场中经历净电动力。
[0194]
在图5b中，位于轴承间隙400的相对两侧的两个电场发生器520保持符号相等的电压。在所描述的实施例中的电压的符号是正的，但也可以是负的。在该实施例中，在轴承间隙400的两侧引入包含颗粒120的附聚体121的阻碍区。电场发生器520之间的场不是空间均匀的，即使对于无限电场发生器也是如此，因为电场发生器保持相同符号的电压。因此，可以使用具有永久偶极矩的颗粒120、可诱导偶极矩的颗粒、带电颗粒，或这些颗粒的组合。带电颗粒应保持电荷，该电荷的符号相对于润滑剂流体与场发生器520的电压相反，以便被吸引向这些电场发生器520。在图5b所示的实施例中，带电颗粒将保持负电荷。
[0195]
在图5c中，保持相反符号电压的两个电场发生器520位于轴承间隙400的相对两侧。使用的颗粒120是带电的。当所有颗粒都具有相同符号的电荷时，将在轴承间隙400的一侧产生包含颗粒120的附聚体121的阻碍区。当使用具有正电荷以及负电荷的颗粒时，将在轴承间隙400的两侧产生阻碍区，如图所示。如果两个场发生器520在轴承运行期间润滑剂100流动的方向上相对于彼此移位，则将获得在轴承10运行期间润滑剂100流动的方向上的电场分量。
[0196]
图6a-图6b示出根据本发明的轴颈轴承10的外部件。这些轴承围绕轴承轴线11旋转。在图6a中，场发生器500放置在轴向轴承端12处。流动阻碍122因此在轴向轴承端12附近产生，限制润滑剂从轴承泄漏并增加轴承间隙内的润滑剂的压力，增强轴承装置10的承载能力。图6b示出形状像箭头的场发生器500。轴承装置10被配置成使得存在优选的旋转方向，其中润滑剂在场发生器500的箭头指向的方向上流动。随着沿场发生器500形成流动阻碍122，垂直于流动阻碍的润滑剂流被阻挡。
[0197]
在轴承表面200、300相对旋转运动时，润滑剂因此轴向向内、朝向箭头的点受力。这会使得在轴承间隙的轴向中心处的压力增加，增大轴承的承载能力，并减少润滑剂100从轴向轴承端12的泄漏。本领域技术人员将清楚，提供相同效果的场发生器500的其他设计也是可能的，例如球形截面、双曲线、抛物线，或其中当轴承沿优选方向旋转时润滑剂被迫离开轴向轴承端12的其他形状。类似地，这些场发生器形状可以与其他场发生器形状组合，例如通过将图6b中所示的场发生器布局与图6a的场发生器500组合，以进一步限制润滑剂100从轴向轴承端12泄漏。
[0198]
图6-图11示出彼此相距一定距离布置的场发生器500。场发生器500也可以彼此直接相邻放置或彼此靠近放置。诸如铁磁材料600之类的具有期望磁性的材料，或者诸如导体之类的具有期望介电特性的材料，可以分别放置在磁场发生器510之间和电场发生器520之
间。图3a-图3c示出这种布局的示例。场发生器500在轴承表面200的平面中的两个维度上也可以小于图6-11中所示，即在沿着轴承表面的相对运动方向的方向上和在轴承表面的相对运动方向的垂直方向上。
[0199]
图7示出根据本发明的液体静压轴承装置10的内部件，润滑剂100通过润滑剂供应入口105被供应到轴承间隙400。润滑剂供应入口105被场发生器500环绕，围绕润滑剂供应入口105产生流动阻碍122。这限制了润滑剂流出润滑剂封闭区域124，增大润滑剂封闭区域中的压力。这种压力增大增加了轴承装置10的承载能力。
[0200]
图8a-图8d示出根据本发明的在轴承装置10的轴承表面200上的场发生器500的不同布局。图8a示出使用与图6b中所示的轴颈轴承装置的场发生器500的类似布局的线性轴承装置的一部分。图8b示出使用场发生器500的这种布局的止推轴承。图8c和8d示出了根据本发明的静压止推轴承的部件。
[0201]
在图8c中，场发生器位于径向轴承端13处。与图6a中所示的装置类似，这种布局减少了润滑剂100从轴承端的泄漏，并在轴承间隙400中产生更高的润滑剂100压力。当这种布局用在所示的液体静压轴承中时，通过润滑剂供应入口105的润滑剂100的大压力供应是可能的，同时润滑剂100通过径向轴承端13的泄漏很少。这增加了轴承10的承载能力。
[0202]
图8d示出类似于图8c所示的轴承装置10，除了与在轴承表面的平面中的流体流动方向平行的泄漏阻碍区段540之外，进一步包括在轴承表面200的平面中与流体流动方向垂直的主流阻碍场发生器区段530。由于场发生器500以及因此流动阻碍122完全环绕润滑剂供应入口105，抑制了润滑剂流出润滑剂封闭区域124。主流阻碍区段530在润滑剂流经它们时局部地增加润滑剂压力，增大了轴承的承载能力。泄漏阻碍区段540抑制润滑剂100流出径向轴承端，降低了润滑剂泄漏并增大轴承间隙400中的润滑剂压力，进一步增加了轴承的承载能力。
[0203]
图9a-图9b示出根据本发明的止推轴承10的轴向横截面，其具有轴向润滑剂供应入口105。环形场发生器500与其嵌入的轴承表面200同心，并且在轴承间隙503的方向上具有与轴承间隙高度420相似的深度。当场发生器的该尺寸相对于轴承间隙较大时，在轴承间隙内会产生更均匀的场。当润滑剂100中的颗粒120是磁性的或可磁化的或者当它们包括永久的或可诱导的电偶极矩时，这是不期望的，因为这些颗粒上的各自的磁力或电动力取决于各自磁场或电场的梯度。当使用具有永久或可诱导偶极矩的颗粒120时，场发生器500因此应制造得如实践中可行地那样小以获得优化结果。在实践中，这需要应用彼此相邻的不相等极化的小场发生器500来产生良好结果。参见例如图2g-图2j和图3a-图3c。因此，多个不相等极化的小环形场发生器500可以同心地放置在图9a-图9b所示的轴承装置10中。
[0204]
图10a-图10b示出根据本发明的静压止推轴承装置10，其中一个轴承部件是半透明的，以便观察其中嵌入有场发生器500的轴承表面200。由于场发生器500以及因此流动阻碍122完全环绕润滑剂供应入口105，所以抑制了润滑剂流出润滑剂封闭区域124。这增加了轴承间隙400中在润滑剂封闭区域124中的压力，增加了轴承的承载能力。
[0205]
图11a-图11b示出根据本发明的组合轴承装置10，其中止推轴承与轴颈轴承组合。图11b示出止推轴承的轴向横截面。这种止推轴承可在两个方向上承受轴向负载。轴颈轴承和止推轴承都包括润滑剂供应入口105。
[0206]
图6-图11看起来类似于wo2018212657a1中公开的图。主要区别在于场发生器500
的大小和形状。在wo2018212657a1中，轴承装置10被设计成使得轴承间隙中的磁场强度具有一定值。在本发明中，相关量不是磁场强度，而是磁场的空间梯度。这需要场发生器500的不同设计。当将wo2018212657a1的图与本公开的图进行比较时可以看出，图6-图11中的场发生器在轴承间隙的方向上更薄。
[0207]
图12a-图12d示出根据本发明的止推轴承的轴承部件。轴承部件包括多个场发生器500，其在第一轴承表面200上以像素状网格布置，如图12a所示。
[0208]
如图12b、图12c和图12d所示，场发生器500能控制以在第一轴承表面200上形成激活场发生器的三种不同图案。以特定形状激活场发生器500产生相同形状的阻碍区。在图12c、图12b和图12d中，仅示出了激活的场发生器。
[0209]
代替场发生器500，激活器20可以与合适的润滑剂100结合使用。例如，这些可以是与具有温度相关粘度的润滑剂组合的加热和/或冷却元件，或与具有可控滑移速度的润滑剂组合的滑移速度控制激活器20。此外，磁流变润滑剂或电流变润滑剂可以与产生没有明显空间梯度的场的场发生器500结合使用。
[0210]
图12b示出图12a的轴承部件，其中场发生器500被控制以形成扇形形状。在使用中产生扇形形状的局部流动阻碍，这减少了润滑剂100通过径向轴承端13的泄漏，并且通过局部增加的润滑剂压力而增大了轴承的承载能力。
[0211]
图12c示出图12a的轴承部件，其中场发生器500被控制以在径向轴承端13处形成一个圆。在使用中，这会产生圆形形状的局部流动阻碍，减少润滑剂100从径向轴承端13泄漏。
[0212]
图12d示出图12c的轴承部件，其中附加的场发生器500被控制以形成星形形状。在使用中，这会产生星形形状的局部流动阻碍，通过局部增加润滑剂压力而增大轴承的承载能力。
[0213]
在图12a-图12d的实施例中，每个场发生器500可由控制器900分别控制。这样，可以取决于各种条件诸如轴承负载、速度和磨损条件而产生各种形状的阻碍区。可替代地，场发生器500可以分为多个场发生器组，其中场发生器组至少包括第一场发生器组505和第二场发生器组506。一个场发生器组中的场发生器500可由控制器900独立于另一个场发生器组中的场发生器500来控制，其中第一场发生器组505中的场发生器500能控制以形成激活的场发生器的第一图案700，并且其中第二场发生器506组中的场发生器500能控制以形成激活的场发生器的第二图案702。这比单独控制每个场发生器500提供较小的灵活性，但是可以允许简化轴承装置10(特别是控制器900)的构造和控制。控制器可以基于传感器输入或用户输入来控制轴承装置10。
[0214]
这种轴承装置10在图13a-图13c中示出，其中示出根据本发明的止推轴承的轴承部件。图13a示出根据本发明的止推轴承的轴承部件，其中示出所有的场发生器500。图13b示出图13a的轴承部件，其中仅示出第一场发生器组505中的场发生器500。图13c示出图13a的轴承部件，其中仅示出第二场发生器组506中的场发生器500。
[0215]
第一形状701限定指向第一形状方向705的顶部36。与第一激活器组中的场发生器500相关联的阻碍区被配置为使位于每个阻碍区上游的非阻碍区中并且特别是在位于每个顶部36的直接上游的峰区38中的轴承间隙内的润滑剂的压力的局部升高。第二形状703限定指向第二形状方向706的顶部36。与第二场发生器组的场发生器相关联的阻碍区被配置
为使位于每个阻碍区上游的非阻碍区中并且特别是位于每个顶部36的直接上游的峰区38中的轴承间隙内的润滑剂的压力的局部升高。每个阻碍区包括左侧区段42和右侧区段40，其中左侧区段和右侧区段将润滑剂引向峰区38。
[0216]
第一形状701包括指向第一形状方向705的一个或多个第一箭头704，而第二形状703包括指向第二形状方向707的一个或多个第二箭头706。第二形状方向707是第一形状方向705的相反方向。在第一场发生器组505和第二场发生器组506之间的切换允许调整止推轴承的两个旋转方向，其中箭头704、706优选地指向润滑剂流动的方向。这减少了润滑剂100通过径向轴承端13的泄漏并且通过局部增加润滑剂压力来增大轴承的承载能力。本领域技术人员将理解除了箭头之外的形状也是可能的。
[0217]
图14a示出根据本发明的轴颈轴承的外轴承部件，其中场发生器500分为两组。仅示出第一场发生器组505中的场发生器500。第一形状701在与轴承表面之间的相对运动的方向平行的方向上伸长，使得在两个轴向轴承端12处形成闭合环。第一场发生器组505中的场发生器500被配置为产生至少一个局部流动阻碍，其中所述至少一个局部流动阻碍的阻碍区被配置为阻止润滑剂通过轴承端(在这种情况下为轴向轴承端12)流出轴承。
[0218]
图14b示出图14a的外轴承部件，其中另外示出第二场发生器组506中的场发生器500。第二形状703在与轴承表面之间的相对运动的方向垂直并且与垂直于轴承表面的方向垂直的方向上伸长。第二形状703包括平行于轴承旋转轴线11的多条线。第二场发生器组506中的场发生器500被配置为产生至少一个局部流动阻碍，其中所述至少一个局部流动阻碍的阻碍区被配置为阻碍润滑剂在第一和第二轴承表面相对于彼此移动的方向上流动，从而产生增大了轴承的承载能力的局部压力增加。
[0219]
上面讨论的图12-图14描绘了使用润滑剂100的实施例，其中润滑剂包括载流体110和响应于磁场或电场的颗粒120。本领域技术人员将理解，参考这些图讨论的关于场发生器的控制的机制也适用于其中润滑剂包括磁流变流体、电流变流体、具有依赖于温度的粘度的流体或具有可控滑移速度的流体的实施例。在使用包括具有依赖于温度的粘度的流体或具有可控滑移速度的流体的润滑剂的实施例中，场发生器(500)被激活器(20)代替，其中激活器(20)相应地加热和/或冷却润滑剂或控制润滑剂的滑移速度。
[0220]
根据需要，在此公开本发明的详细实施例；然而，应当理解，所公开的实施例仅是本发明的示例，本发明可以以各种形式实施。因此，本文所公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而仅作为权利要求的基础和作为教导本领域技术人员以几乎任何适当详细的结构不同地应用本发明的代表性基础。此外，本文使用的术语和短语并非旨在限制，而是用以提供对本发明的可理解描述。
[0221]
如本文所用，术语“一个(a)”或“一个(an)”被限定为一个或多于一个。如本文所使用的，术语“另一个”被限定为至少第二个或更多。如本文所使用的，术语“包括”和/或“具有”被限定为包括(即，开放性语言，并不排除其他元素或步骤)。权利要求书中的任何参考符号不应被解释为限制权利要求或本发明的范围。
[0222]
在相互不同的从属权利要求中仅列举了某些措施这一事实并不表明不能有利地使用这些措施的组合。