文獻回顧

1845 年法國 Hirm 首度提出利用氣體作為軸承潤滑媒介的觀念，但受限於知 識及製造能力的不足，氣體軸承始終只是紙上理論，並未有更進一步的深入研 究。直到 1886 年 Reynold[2]根據氣體運動方程式、狀態方程式及其連續的性質 推導出雷諾方程式(Reynolds equation)，氣體軸承的基本特性才算是正式被世人 所了解，然而由於雷諾方程式為非線性方程式，因此無法直接求得解析解，也抑 制了此方程式的應用空間。但隨著資訊科技及數值分析法的長足進步，雷諾方程 式終於逐漸嶄露頭角，並使航太工程及精密工業受惠許多，其中氣體軸承即是著 名的應用之一。

1973 年 Majumdar[3]使用數值分析法來求解雷諾方程式，並得到多氣室止推 氣靜壓軸承之承載能力與軸承間隙的關係，並將其應用在氣浮滑軌的設計。1995 年 Fourka[4]除了使用數值分析法外，更利用實驗的方式成功地預測了止推氣靜 壓軸承之穩定運轉參數範圍，使得氣靜壓軸承的應用更加廣泛。2003 年 Mathieu[5]

同樣也是應用數值分析法來針對混合徑向軸承的特性進行研究，重點尤其集中在 紊流及壓縮流現象的探討，也同時建立了氣室內流場分佈的三維模型。

除了求解雷諾方程式外，氣靜壓軸承的造型及尺寸、或是相關設計也成為研 究的重點。1980 年 Boffey[6]發現中心圓孔節流止推氣靜壓軸承使用彈性 O 型環 來支撐底座，會比固定式底座氣靜壓軸承來得穩定。Yoshimoto[7]在 1987 年也將 彈性 O 型環應用到徑向氣靜壓軸承節流套管的支撐上，可以得到更穩定軸承效 果，並使軸承剛性及承載能力獲得提升。1997 年 Sadek[8]發現供氣孔尺寸對於 承載能力的影響遠大於供氣壓力及氣室深度的影響。1997 年及 1999 年 Nakamura [9,10]針對雙列供氣口之雙氣墊止推氣靜壓軸承，進行靜態及動態傾斜現象對軸 承特性影響的探討，發現雙列供氣口軸承之靜態及動態剛性都較單列供氣口軸承 高，同時也了解到氣室深度的增加將會減少阻尼效應。2000 年 Kwan[11]探討加 工誤差對氣靜壓軸承性能之影響，並找出承載能力與剛性對加工誤差的敏感程 度。2002 年 Satish[12]利用電腦分析技術，找出圓形、矩形、橢圓形以及同心圓 氣室對於補償式止推軸承所帶來的影響，其中同心圓氣室負載能力最好，矩形氣 各種節流裝置。在1959 年~1966 年間 Cameron[17]、Deffrenne[18] 及 Mohsin[19]

等人分別發表了各式補償式節流裝置的研發；1981 年 Boffey[20]研究各種孔口節 流閥尺寸對於氣靜壓軸承剛性的影響； 1986 年 Bryant[21] 及 1987 年 Holster[22]

等人分別設計一種薄膜式撓性軸承面，透過負載變動造成軸承面形狀變化來平衡 負載，進而可以達成無限剛性或負剛性的效果。1989 年 Mizumoto[23]設計出一 種環狀節流方式，利用負載增加改變氣室深度來平衡負載變動。在主動式控制節 流裝置研發方面，1988 年 Sato[24]透過理論探討及試驗方式，採用振動致動器研 發出ㄧ種主動式節流裝置，以振動間隙變化方式來提升軸承的動態剛性及阻尼。

1996 年 Mizumoto[25]製作一款壓電式節流裝置，採用壓電管來代替固定式節流 孔口，透過主動控制方式來改變壓電管中心節流孔大小，以達到提升軸承剛性和 減振的效果。1997 年 Fourka[26]比較孔口節流和多孔材質節流對軸承剛性及承載 力的影響，並找出最佳化的進氣口數量、孔口位置及多孔材質的透氣係數。2002 年 Samir[31]將流體靜壓軸承應用於精密線性平台上，證實流體靜壓軸承可推動 大負載且同時具有減振能力。2000 年 Stout[32]更進一步將可壓縮性質的氣靜壓 軸承應用於奈米級精密加工機台上，並根據經驗及實驗結果說明氣靜壓軸承設計 時所需注意的事項，如表1.1 所示。2005 年 Miyatake[33]針對氣靜壓軸承在轉軸 運轉所形成的運轉不平衡現象加以研究，發現轉軸轉速較低時，易發生氣鎚不穩 定現象，而轉速較高時，則易發生晃轉不穩定現象。2007 年 Xueming[34]分析光 蝕刻機中氣靜壓定位平台的動力現象，發現Navier-Stokes Equation 可用於描述及 預估系統動態特性，而平台上的負載重量則在決定系統特性上扮演重要角色；在 國內也有氣靜壓軸承的應用，2007 年吳佳霖[35]整合氣靜壓軸承及電磁致動器開 發奈米級致動器。

表1.1 精密氣靜壓軸承設計準則

為降低冷卻效應(Cooling Effect)，供氣壓力應控制在 2~4atm 之間。