与滚动元件轴承相比,空气轴承(气浮轴承)具有多项优势,包括更高的行程精度以及减少摩擦和发热。但是由于空气是可压缩的,与类似的滚动元件轴承相比,空气轴承的刚度较小并且在负载下表现出更大的变形(尽管空气轴承的刚度特性 非常线性)。然而,空气的可压缩特性可用于制造预加载空气轴承,从而增加其刚度。

正如滚动元件轴承中的预载荷是滚动元件与其滚道之间产生的载荷一样,空气轴承中的预载荷是轴承与其导向表面之间产生的载荷。在空气轴承上产生预紧力的常用方法有四种:通过向轴承增加质量、通过施加磁力、通过施加真空或通过将两个彼此相对的空气轴承安装在导向表面的相对侧上。


图片来源:G. Khim,CH Park

无论采用何种预加载方法,当向空气轴承施加载荷时(无论是通过附加质量、反作用力、磁力还是真空),支撑轴承的气膜压缩,气隙变小,轴承中的压力气膜增加,气膜变硬。


随着空气轴承上的预紧力增加,刚度也会增加。
图片来源:麻省理工学院的 Roger Cortesi

每种预加载方法都有优点和缺点,但对于增加质量会显着影响加速和稳定时间的应用,空间限制使得难以以相反方向安装两个空气轴承,或者向表面添加磁性材料成本太高,真空预加载提供了一种相对简单的解决方案,不会增加质量或需要特殊的组装和安装考虑。

尽管看起来空气压力和真空会相互抵消,但与轴承压力相比,用于预加载空气轴承的真空水平相对较低,因此轴承仍会通过施加的空气压力从导向表面升起。

为了实现预紧,真空被施加到轴承表面的一部分——通常是中心部分。这意味着轴承压力施加在周边,形成密封以包含真空区域并防止真空从环境中吸入任何污染物。真空区域和轴承区域之间的凹槽连接到环境压力并防止流出的轴承空气和真空之间的流动。预紧力等于真空区域的大小乘以轴承压力和真空量之间的差值。

真空预载空气轴承通常用于平面平台。
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施加真空区域的压力与轴承浮动高度(安装表面上方的距离)无关,因此即使浮动高度发生变化,预紧力也保持不变。例如,如果浮动高度增加,则轴承区域的压力会降低,从而使轴承承受更高的拉力(预紧力)。对于给定的飞行高度,气压和真空之间的这种相互作用确保了预紧力和压力之间的平衡。

真空预载空气轴承不仅具有高刚度,通过调整轴承压力和真空之间的差异,空气膜的厚度 - 反过来,飞行高度 - 都可以调整,使真空预载版本成为应用的理想选择涉及超精细、精确的垂直定位,例如镜头对焦。