轴承是动力机械设备中的重要基础零部件。轴承可实现对机械运动部件的支承,降低相对运动过程中的摩擦,保证机械运动精度。轴承的应用相当广泛,轴承技术也因应用场合的特殊要求而不断发展。超声轴承将压电驱动原理和超声近场悬浮技术相结合,借助压电换能器产生的声辐射力实现对载荷的悬浮支承。与传统非接触轴承相比,超声轴承具有设计简单、启停平稳、控制容易、运行和维护成本低等特点。因超声轴承在径向具有自动调心功能,其极限转速较高。超声轴承的研究可推动新型非接触轴承技术的发展,拓宽轴承的应用领域。本文提出了具有双向承载能力的超声轴承结构,并开展了轴承的悬浮理论及实验研究。基于夹心型压电换能器的驱动原理,通过改变振动输出端的截面尺寸,改变超声波在固体中的传播路径,将压电激励源产生的纵向振动转换成输出端的双向振动。根据近场悬浮理论,提出了一种依靠单一激励源就能实现双向支承的单轴悬浮超声轴承结构。采用电声等效的方法,建立了超声轴承的声电阻抗网络模型,获得了超声轴承的输出阻抗特性,可准确预测轴承的工作频率和最小阻抗。基于有限元法,对轴承开展了模态分析和谐响应分析,获得了超声轴承不同谐振频率下的模态振型,预测出超声轴承在谐振频率下输出振幅,用于指导超声轴承重要结构参数的确定,以及评估超声轴承的工作性能。开展了轴承径向和轴向悬浮实验,验证了轴承的双向悬浮能力。超声轴承的悬浮力是评价轴承性能的重要指标之一。准确预测超声轴承的悬浮承载能力是轴承研制过程中的重要环节。单一压电换能器激励的单轴悬浮超声轴承的径向承载力和轴向承载能力分别由轴承辐射体顶凹面的法向振动和侧平面的弯曲振动提供。两个方向的振动形式不同,激发的声场不同。借助非线性声学理论,充分考虑气膜不均匀性、轴承和转子表面粗糙度等因素的影响,建立了单轴悬浮超声轴承的径向悬浮理论模型。基于理想气体的热力学理论,根据轴承气膜体积的变化,计算轴承气膜内声压的变化,建立起轴承的轴向悬浮理论模型。开展了超声轴承的径向和轴向悬浮力学实验,验证了径向和轴向悬浮力学模型的准确性。为实现轴承内圈对转子外圆的整周包络,保证转子的高速运转,提出了一种由三个压电换能器激励的三轴悬浮超声轴承结构。此轴承具有自动调心功能,有助于轴承的高速运行稳定性。基于修正的Reynolds方程,考虑轴承气膜的惯性效应、表面形貌因素、气体稀薄效应和边界效应的影响,建立了三轴悬浮超声轴承的流体动力学方程。基于有限差分法(FDM),采用Crank-Nicolson加权隐式格式对轴承流体动力学方程在空间和时间上进行差分求解,获得轴承气膜的声压分布,求解出超声轴承静态和动态径向悬浮承载力。通过实验手段验证了悬浮力学模型的准确性。分析了换能器输出特性参数、工作介质、轴承间隙以及环境因素对轴承承载能力的影响,指导了轴承结构和动力参数的设计、轴承工作介质和工作环境的选择。轴承的摩擦特性对轴承的功耗、温升以及寿命都有重要影响。利用力矩平衡法,测得轴承的启动力矩;利用摆杆法,获得轴承在低速运行时的摩擦力矩;设计了轴承高速运行时摩擦转矩测量方案,获得了转子转速对轴承摩擦转矩的影响规律。搭建了轴承高速运行稳定性实验平台,实时获取转子中心轨迹数据。基于短时傅里叶变换法(STFT),获得了轴承转子中心跳动的时频谱图,对轴承高速运行稳定性进行评价。实验结果表明:超声轴承在启停和加减速过程中表现出良好的稳定性,极限转速可达30000 r/min。实验还研究了转子转速、轴承载荷以及轴承间隙对轴承高速运行稳定性的影响,并提出了提高轴承高速运行稳定性的措施。