【原】什么是空气轴承？真的无摩擦无磨损？看完这篇我长见识了

2019年，我写了一篇关于重力平衡的文章。

文中提到空气轴承气缸。

那么究竟什么是空气轴承？

其工作原理是什么？与传统机械导轨相比有什么优缺点？有哪些典型的应用？

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空气轴承概述

空气轴承是一种利用气体（通常是空气或者氮气）作为润滑剂来支撑运动部件的非接触式轴承。

直线机械轴承和空气轴承工作原理：上图为机械交叉滚柱轴承，上方透明滑动部件与V槽中的滚柱接触。下图是直线空气轴承示意图，其中浅蓝色面表示空气薄膜。

旋转机械轴承和空气轴承工作原理。

与传统机械轴承不同，空气轴承没有固体接触面，靠空气膜承载负荷并实现相对运动。

这种设计能够实现极高的精度和无摩擦的运动，例如：

线性精度：0.01um/mm、最大偏差2.5µm/910mm。

旋转跳动精度（旋转空气轴承）：±0.025µm。

翻滚/俯仰/偏航精度：±0.01arcsec。

定位分辨率：±1 个编码器分辨率。

在要求高性能的精密工程中有着广泛的应用。

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空气轴承的工作原理

空气轴承的工作原理基于压缩空气的浮力。空气被压缩并通过轴承表面的小孔或狭缝注入到两个相对运动的表面之间，形成一层空气膜。

平面空气轴承工作示意图。

旋转空气轴承工作示意图。

这层空气膜足够坚固，可以支撑轴承的负载，并保持两个表面之间的距离，从而避免了物理接触。这种方式不仅减少了摩擦，还显著降低了磨损和发热。

空气轴承根据供气方式的不同，可以分为气动静压轴承和气动动力轴承及混合轴承。

气动静压轴承依靠外部气源提供稳定的空气压力，通过专门设计的供气系统将压缩空气引入轴承表面。由于供气稳定，这种轴承可以在低速甚至静止状态下提供支撑。

空气动力轴承通过运动表面自身的速度来生成气流，不依赖外部气源。当运动速度足够高时，表面之间的气流形成的气压足以支撑负载。

混合型轴承结合了气动静压和气动动力轴承的特点，既能在低速下提供支撑，也能在高速下通过运动生成气压。

另外，空气轴承按照结构形式不同又分为两种：孔口轴承或多孔介质轴承。

在孔口轴承中，加压空气通过少量精确尺寸的孔供应到轴承表面。多孔介质轴承的运行方式不同，空气通过轴承的整个表面供应。

孔口和多孔空气轴承工作示意图。

孔口空气轴承的种类及多孔空气轴承气压分布示意图。

对于孔口轴承，如果轴承表面在凹槽处或孔口附近被划伤，通过表面划痕逸出的空气量可能会超过孔口所能提供的空气量，即使在正常的空气供压下也会导致轴承崩溃。与传统轴承采用的少量孔口不同，多孔介质空气轴承通过多孔材料中数百万个亚微米孔来控制整个轴承表面的气流。

孔口空气轴承和多孔空气轴承对比。

由于多孔性质，即使一些孔被堵塞或损坏，空气仍将继续通过大部分轴承表面供应，即使在严重划伤后也能保持飞行高度。

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空气轴承的优缺点

1. 优点

无摩擦：空气轴承的一个显著优点是摩擦力极低，近乎为零，因为运动部件之间没有物理接触。低摩擦不仅延长了设备寿命，还显著提高了运动的平稳性和精度。

高精度：由于没有机械接触，空气轴承可以实现亚微米甚至纳米级的运动精度。对于要求极高定位精度的应用，空气轴承是理想选择。

例如，直驱电机和高分辨率编码器可以将由空气轴承支撑的移动托架定位在纳米范围内，或十分之一角秒范围内。由于没有摩擦和机械接触，意味着振动、滞后或反转误差最小，使其具有高度可重复性，非常适合许多检测和精密制造需求。

当然，压电柔性导向（也叫柔性铰链，后续找机会聊）平台可以获得类似的精度，但行程范围要小得多，仅限于几毫米的行程。使用空气轴承线性平台可实现25毫米或更大的行程。当然，磁悬浮（后面找机会写）是另一种选择。

空气轴承VS机械轴承：空气轴承运行平稳。

无磨损：在正常操作条件下，空气轴承几乎没有磨损，这使得它们的维护需求非常低，并且能够在长时间内保持高性能。

无污染：空气轴承不会产生油污或其他污染物，因此非常适合在洁净室等对环境有严格要求的应用中使用。

温度稳定性：空气的低热导性使得空气轴承的运行温度相对稳定，不易受到外界温度变化的影响。

2. 缺点

承载能力有限：与传统机械轴承相比，空气轴承的承载能力通常较低。虽然可以通过增加供气压力来提高承载能力，但这也可能增加系统的复杂性和成本。

刚性较低：空气轴承的刚性通常低于机械轴承。由于空气是可压缩的，这种压缩性导致在受到载荷变化时，轴承表面之间的距离可能会发生微小变化，影响系统的稳定性。

不过与机械轴承预压一样，空气轴承也可以通过采用预压提高刚性。

有如下4种预压形式。

空气轴承预压四种方式示意图。

空气轴承预压四种方式对比。

随着预压增加，空气轴承的刚性也增强。

复杂的供气系统：空气轴承需要稳定的压缩空气供应，这通常要求复杂的供气系统，增加了初始安装和维护的成本。

环境敏感性：空气轴承对操作环境的要求较高。灰尘、湿气或其他污染物可能会影响轴承性能，甚至导致失效。

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空气轴承VS传统机械导轨

空气轴承与传统机械导轨之间的主要差异体现在以下几个方面：

下面挑选几个简要说明。

1. 摩擦和磨损：

空气轴承：摩擦力极低，无磨损，适用于高精度、长寿命的应用。

传统机械导轨：入下图的各种机械导轨或者轴承。摩擦力较高，有磨损，需定期润滑和维护，寿命较短。

传统径向机械轴承。

传统轴向机械轴承。

机械式直线导轨。

机械式交叉滚柱导轨。

双侧机械式交叉滚柱导轨。

旋转交叉滚柱轴承。

交叉滚柱圆弧导轨。

2. 承载能力：

空气轴承：承载能力相对较低，适合轻载高精度场合。

传统机械导轨：承载能力较高，适用于重载应用。

3. 刚性：

空气轴承：刚性较低，对载荷变化敏感。

传统机械导轨：刚性较高，能提供稳定的支撑。

4. 维护：

空气轴承：维护需求低，几乎无磨损。

传统机械导轨：需要定期润滑和更换部件。

5. 精度：

空气轴承：精度极高，适合纳米级定位。

传统机械导轨：精度较低，通常在微米级别。

6.价格：

空气轴承技术要求高，制作和使用成本都比传统轴承高。

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典型应用

空气轴承由于其独特的性能，在多个高科技领域有着广泛的应用：

半导体制造：在半导体制造设备中，空气轴承用于晶圆处理和光刻机中，以实现极高的定位精度和无尘环境操作。

高精度测量设备：例如，激光干涉仪和坐标测量机（CMM）中，空气轴承能够提供无摩擦、高精度的测量基准。

天文望远镜：在大型天文望远镜中，空气轴承用于支撑和旋转望远镜的主镜，以确保极高的定位精度和稳定性。

航空航天：空气轴承应用于一些航空航天设备中，尤其是在需要高精度和无摩擦运动的地方，如陀螺仪和惯性导航系统。

医疗设备：在某些高精度医疗设备，如核磁共振成像（MRI）中，空气轴承能够提供无磁性、无摩擦的运动支持。

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结论

空气轴承以其卓越的性能特点在需要高精度、低摩擦、无污染的应用中占据了重要地位。

尽管它们的承载能力和刚性较低，且要求复杂的供气系统，但在诸如半导体制造、高精度测量和航空航天等领域，空气轴承的优势无可替代。

随着科技的进步和应用的拓展，空气轴承有望在更多领域展现其独特的价值。