CN101571158B - 多阶动压沟槽及动压轴承组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多阶动压沟槽及动压轴承组件，该动压轴承组件包含一套筒及一心轴，该套筒具有一轴孔，该心轴可转动地穿设于该套筒的轴孔；于该套筒与心轴相对转动面设有多阶动压沟槽，该多阶动压沟槽包含多数沟槽单元，该沟槽单元包括至少一第一沟槽及至少一第二沟槽，该第一沟槽具有一第一延伸路径，该第二沟槽具有一第二延伸路径，该第二延伸路径与该第一延伸路径间具有一夹角，使形成一V形路径；且各个沟槽单元的V形路径的顶点相连所构成的轮廓线呈V形；借此克服动压轴承建压不足与泄流量过大等问题。

Description

多阶动压沟槽及动压轴承组件

技术领域

本发明涉及一种多阶动压沟槽及动压轴承组件，尤其涉及一种于动压轴承的套筒与心轴相对转动面设置有多阶动压沟槽，可提升动压轴承的建压效果，克服动压轴承微型化所导致建压不足与泄流量过大等问题的多阶动压沟槽及动压轴承结构。

背景技术

为了降低长时间使用所产生的高温问题，消费型电子产品如：笔记型计算机、彩色显示器、投影机等，几乎都装设一散热用的微型主轴马达风扇，为了让主轴马达有更优越的转动特性：例如低噪音、高转速、高精度、长寿命等，一般最常采用的对策，是以提升主轴马达内的轴承性能为目标。传统轴承技术应用于主轴马达设计，有含油轴承(Sleeve bearing)与滚珠轴承(Ballbearing)；含油轴承虽有低单价优势，但寿命短、精度差；滚珠轴承虽然精度高，但其成本高且耐撞击能力差、噪音大，上述两者由于轴与轴承内壁有接触，而造成马达的震动、噪音与寿命问题。而动压轴承具备低噪音、高精度、寿命长、耐冲击的优势，目前渐渐成为主流。

现有技术中的动压轴承是以上下两组动压沟槽支撑一心轴，以取代传统上下两组滚珠轴承支撑一心轴的结构；动压轴承的原理在于利用微细沟槽的流力特性，促使轴与轴承间隙中充满流体而达到充份润滑与建压的效果；为了将间隙内的流体保存住，现有技术中的动压轴承表面上设置有鱼骨形(herringbone)的动压沟槽，其目的除了让动压流体集中，进而产生建压力量外，更可使动压轴承内部达到防漏功能。然而，在动压轴承微型化之后(直径ψ＜1.5mm)，现有技术的径向动压沟槽设计在实际运作时，其建压效果并不足于克服本身与外加负载的不平衡量，导致动压轴承内部零件接触，而无法发挥动压轴承的优越特性。

针对现有技术的专利而言，美国发明专利5911512号“Fluid bearing apparatus having a uniform dynamic pressure distribution”，该案提供的动压轴承，于轴承心轴轴向设有径向放射状的W形动压沟槽，以提供心轴轴向止推力量使用；由于轴承转速与心轴的轴径有关，相同转速下，心轴轴径越大，转速越高，其W形动压沟槽的槽宽或槽深，必须随不同心轴轴径而改变，增加设计与加工的困难度。

美国发明专利6364532号“Hydrodynamic bearing and motor having thesame”，该案所提的动压轴承，乃是于轴承套筒内面或心轴轴径上，设置有一组鱼骨形沟槽，当动压轴承微型化之后，由于液体建压受限于鱼骨形沟槽尖端区，因此建压效果的提升也受限；此外，其沟槽末端开口与转轴方向平行，当流体内部压力因高速运转，大于外界大气压力时，润滑流体泄流量增加，导致建压效果下降。

美国发明专利6948852号“Hydrodynamic bearing，spindle motor andhard disk drive”，该案所提的动压轴承，乃是以间格断开排列方式，将原有轴承内面或者是主轴轴径上的动压沟槽分开，为提升建压效果，其排列角度随转速增加而加大，导致泄流量增加，影响整体建压效果；此外，当动压装置微型化之后，等间格断开的沟槽，将近似于含油轴承的功用，导致建压效果提升有限。

美国发明专利7125170号“Fluid dynamic bearing motor”，该案所提的动压轴承，乃是于轴承套筒内面或主轴轴径上，设有一连续的两段沟槽，由于液体建压受限于沟槽区，当动压轴承机构微型化之后，连续两段的沟槽分布受限，因此建压效果的提升也受限；此外，为提升建压效果，两段沟槽间的夹角随转速提升而增加，但两段沟槽的夹角有一定关系，为避免润滑流体泄流量增加，两段沟槽夹角的增加角度受限，因此建压效果的提升也受限。

另外如美国发明专利6769808号“Composite fluid dynamic bearing andits manufacturing method”、6877902号“Hydrodynamic bearing device”、7229214号“Fluid dynamic bearing unit”、5908247号“Sinusoidal groovingpattern for grooved journal bearing”、公开20040141666号“Groovingpattern for grooved fluid bearing”，公开20050232522号“Fluid bearingdevice and spindle motor”等现有技术的专利，其目的虽然均在于改善动压轴承建压效果，然而均未能跳脱传统上下两段单阶动压沟槽结构，因此无法能 够有效提升动压轴承建压效果，自然也无法克服动压轴承微型化所导致建压不足与泄流量过大的现象。

发明内容

有鉴于现有技术的缺失，本发明的目的在于提出一种多阶动压沟槽，可提升动压轴承的建压效果，克服动压轴承微型化所导致建压不足与泄流量过大的现象。

为实现上述目的，本发明提供了一种多阶动压沟槽，包含：多数沟槽单元，该沟槽单元包括：至少一第一沟槽，该第一沟槽具有一第一延伸路径；至少一第二沟槽，该第二沟槽具有一第二延伸路径，该第二延伸路径与该第一延伸路径之间具有一夹角，由该第一延伸路径与该第二延伸路径形成一V形路径。

为实现上述目的，本发明提出一种多阶动压沟槽及动压轴承组件，该动压轴承组件包含一套筒及一心轴，该套筒具有一轴孔，该心轴可转动地穿设于该套筒的轴孔；于该套筒与心轴相对转动面设有多阶动压沟槽，该多阶动压沟槽包含多数沟槽单元，该沟槽单元包括至少一第一沟槽及至少一第二沟槽，该第一沟槽具有一第一延伸路径，该第二沟槽具有一第二延伸路径，该第二延伸路径与该第一延伸路径间具有一夹角，使形成一V形路径；且各个沟槽单元的V形路径的顶点相连所构成的轮廓线呈V形。

综上所述，本发明所提供的多阶动压沟槽及动压轴承组件，具有一定的建压效果，可明显提升整体动压沟槽的流体建压效果外，更加强并稳定动压轴承装置运作过程的动态刚性；此外，当动压轴承实际运作时，其内部的润滑流体不易流出，即可达成降低泄流量的功能。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明动压轴承俯视结构示意图；

图2为图1的A-A剖面结构示意图；

图3为图2的B部份放大结构，显示于套筒及心轴相对转动面设置本发明的多阶动压沟槽的一实施例的结构示意图；

图4为本发明于套筒及心轴相对转动面设置多阶动压沟槽另一实施例的结构示意图；

图5为本发明多阶动压沟槽的一实施例的结构示意图；

图6至图15为本发明多阶动压沟槽的不同实施例结构示意图；

图16为习知动压沟槽的设计图；

图17为本发明多阶动压沟槽的设计图；

图18为动压沟槽环境模拟参数表；

图19为现有技术的动压沟槽与本发明多阶动压沟槽的参数表；

图20为现有技术的动压沟槽与本发明多阶动压沟槽偏心比与轴承负载能力(无因次化)关系为线性图；

图21为图20的具体数值表。

其中，附图标记：

10：套筒

11：轴孔

20：心轴

30：润滑流体

40、40A、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150：多阶动压沟槽

41～43、61～63、71～73、81～83、91～95、101～105、111～115、121～125、131～135、141～145：沟槽单元

41a、42a、43a、61a、62a、63a、71a、72a、73a、81a、82a、83a、132a：第一沟槽

41b、42b、43b、61b、62b、63b、71b、72b、73b、81b、82b、83b、132b：第二沟槽

a1：第一延伸路径

b1：第二延伸路径

θ1：夹角

具体实施方式

以下将参照随附的附图来描述本发明为达成目的所使用的技术手段与功 效，而以下附图所列举的实施例仅为辅助说明，以利贵审查委员了解，但本案的技术手段并不限于所列举附图。

请参阅图1至图3所示，本发明所提供的具有多阶动压沟槽的动压轴承，该动压轴承包含一套筒10及一心轴20，该套筒10具有一轴孔11，该心轴20可转动地穿设于该套筒10的轴孔11。

如图3所示，该心轴20与该套筒10之间具有间隙，于该间隙填充有润滑流体30，该润滑流体30可为液体或气体；本发明的特点即在于，该套筒10与心轴20相对转动面设有多数多阶动压沟槽40，也即该多阶动压沟槽40可设置于该轴孔11内侧壁，也可设置于该心轴20外侧壁，然通常设置于该轴孔11内侧壁；于图3所示该实施例，该心轴20外侧壁为轴向分为上下两区域，于该上下两区域内分别设置有多数多阶动压沟槽40，至于该上下两区域的面积可相等或不相等，依实际所需而设计，或可如图4所示实施例，将该多阶动压沟槽40A布满该心轴20外侧壁；同理，可将该多阶动压沟槽40设置于该轴孔11内侧壁，且该轴孔11内侧壁可轴向分为上下两区域，于该上下两区域内分别设置有多数多阶动压沟槽40，该上下两区域的面积可相等或不相等；必须强调说明的是，必须采用本发明所提供的多阶动压沟槽，方能达到如图4所示将该多阶动压沟槽40A布满心轴20外侧壁的设置态样，此为传统单阶鱼骨形动压沟槽无法达成的；关于本发明所提供的多阶动压沟槽的特点将详细说明于后。

请参阅图5所示，本发明所提供的多阶动压沟槽40，其包含多数沟槽单元41、42、43，该沟槽单元41包括至少一第一沟槽41a及至少一第二沟槽41b，该沟槽单元42包括至少一第一沟槽42a及至少一第二沟槽42b，该沟槽单元43包括至少一第一沟槽43a及至少一第二沟槽43b；以该沟槽单元41为说明例，该第一沟槽41a具有一第一延伸路径a1，该第二沟槽41b具有一第二延伸路径b1，该第二延伸路径b1与该第一延伸路径a1间具有一夹角θ1，由该第一延伸路径a1与该第二延伸路径b1形成一V形路径；于本实施例中，该第一沟槽41a～43a及第二沟槽41b～43b均为单一线性沟槽，且该等沟槽41a～43a、41b～43b相互连通，也即沟槽单元41、42、43的V形路径相互连通，借此构成一具有多次转折的连续路径；此外，该多阶动压沟槽40的另一特点在于，该各个沟槽单元41、42、43的顶点(也即该沟槽单元41、42、43的V 形路径的顶点)相连所构成的轮廓线L1也呈V形；换言之，本发明所提供的多阶动压沟槽40由多数小型V形走向的沟槽单元41、42、43构成，且其构成的整体轮廓又可呈现一大型V形走向；至于该些沟槽41a～43a、41b～43b，可通过车床、滚压、蚀刻等方式加工成型。

于图5所示实施例中，该沟槽单元41、42、43分别由长度不等的第一沟槽41a～43a及第二沟槽41b～43b构成，然除此之外，也可如图6所示该多阶动压沟槽60，该沟槽单元61、62、63分别由长度相等的第一沟槽61a～63a及第二沟槽61b～63b构成；或如图7所示该多阶动压沟槽70，其中该沟槽单元72由长度相等的第一沟槽72a及第二沟槽72b构成，而其它二沟槽单元71、73分别由长度不等的第一沟槽71a、73a及第二沟槽71b、73b构成；或如图8所示该多阶动压沟槽80，其中二沟槽单元81、82分别由长度相等的第一沟槽81a、82a及第二沟槽81b、82b构成，另一沟槽单元83则由长度不等的第一沟槽83a及第二沟槽83b构成；由上述实施例可知，本发明所提供的多阶动压沟槽可由至少一第一沟槽及第二沟槽长度相等的沟槽单元，以及至少一第一沟槽及第二沟槽长度不相等的沟槽单元所构成。

以图5所示实施例为基础，可再衍生出如图9所示实施例，该多阶动压沟槽90由呈现曲线的沟槽单元91～95构成，且该沟槽单元91～95的相连通处呈现弧角；或如图10所示实施例，该多阶动压沟槽100由呈现曲线的沟槽单元101～105构成，且该沟槽单元101～105的相连通处呈现钝角；或如图11所示实施例，该多阶动压沟槽110由呈现线性的沟槽单元111～115构成，且该沟槽单元111～115的相连通处呈现弧角；至于图12所示实施例，该多阶动压沟槽120由呈现线性的沟槽单元121～125构成，且该沟槽单元121～125的相连通处呈现尖角，本实施例与图5所示实施例相类似。

上述不同多阶动压沟槽实施例均显示组成的沟槽单元相互连通，然除此之外，也可如图13所示实施例，该多阶动压沟槽130由呈现曲线的沟槽单元131～135构成，且该沟槽单元131～135之间具有断开的不相连处；以沟槽单元132为例，其由两段第一沟槽132a以及一段第二沟槽132b构成，且该第一沟槽132a与该沟槽单元131相连通，而第二沟槽132b则与该沟槽单元133不相连。

再如图14所示实施例，该多阶动压沟槽140由线性且具有钝角的沟槽单 元141、曲线且具有弧角的沟槽单元142、线性且具有尖角的沟槽单元143、曲线且具有弧角的沟槽单元144、线性且具有尖角的沟槽单元145构成；而图15所示实施例，该多阶动压沟槽150则以第十四图该实施例为基础，不同点在于该多阶动压沟槽150具有多数的断开处，也即该多阶动压沟槽150并非一连续通道。

请参阅图16及图17分别显示现有技术的动压沟槽与本发明多阶动压沟槽的设计图，于图18所示相同环境模拟参数下，如：润滑油密度及粘度、元素内部X、Y方向格点数目、起始偏心比、结束偏心比、总共计算的偏心比数量、轴承与心轴间隙量、心轴半径、转速、沟槽数目、上部及下部沟槽角度、轴承长度、沟槽深度与间隙量比、沟槽宽度与沟槽间距比等参数固定的条件下，比较动压轴承上下两部分，现有技术的动压沟槽与本发明多阶动压沟槽，其偏心比与轴承负载能力(无因次化，一般在探讨动压轴承的负载能力时，是以无因次化的轴承负载能力来表示，可参考附件1的期刊论文：G.H.Jang and D.I.Chang，“Analysis of a Hydrodynamic Herringbone Grooved Journal BearingConsidering Cavitation”，Transactions of the ASME，Vol.122，pp.103-109，2000.)的相对关系；图19显示现有技术的单阶动压沟槽与本发明多阶动压沟槽改变的高度，单位为公尺。

由图20及图21可知，于该多阶动压沟槽的可变参数调整得宜的情况下，在相同偏心比下，轴承负载能力(无因次化)，将可优于现有技术的单阶动压沟槽。其中，在图20中，线a代表现有技术的单阶动压沟槽，线b代表本发明的多阶动压沟槽。

综上所述，本发明所提供的多阶动压沟槽及具有该多阶动压沟槽的动压轴承，请参阅图3所示，当心轴20与套筒10发生相对转动时，润滑流体30会集中于多阶动压沟槽40的小型V形转折处，因而产生多数个小建压区，而再由于该多阶动压沟槽40的整体外型也为V形，因此也同时具有一定的建压效果，可明显提升整体动压沟槽的流体建压效果外，更加强并稳定动压轴承装置运作过程的动态刚性；此外，由于该多阶动压沟槽40上的多数个小型V形转折处，沿着心轴20与套筒10的相对转动面上分布，当动压轴承实际运作时，其内部的润滑流体30不易流出，即可达成降低泄流量的功能。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情 况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (34)

1.一种多阶动压沟槽，其特征在于，包含：

至少三个沟槽单元，该沟槽单元包括：

至少一第一沟槽，该第一沟槽具有一第一延伸路径；

至少一第二沟槽，该第二沟槽具有一第二延伸路径，该第二延伸路径与该第一延伸路径之间具有一夹角，由该第一延伸路径与该第二延伸路径形成一V形路径；

该各个沟槽单元的V形路径的顶点相连所构成的轮廓线呈V形。

2.根据权利要求1所述的多阶动压沟槽，其特征在于，该第一沟槽及该第二沟槽的长度相等或不相等。

3.根据权利要求1所述的多阶动压沟槽，其特征在于，该至少三个沟槽单元包括至少一第一沟槽及第二沟槽长度相等的沟槽单元，以及至少一第一沟槽及第二沟槽长度不相等的沟槽单元。

4.根据权利要求1所述的多阶动压沟槽，其特征在于，该第一沟槽及第二沟槽为线性或曲线。

5.根据权利要求1所述的多阶动压沟槽，其特征在于，该第一沟槽及第二沟槽相连通。

6.根据权利要求5所述的多阶动压沟槽，其特征在于，该第一沟槽及第二沟槽相连通处呈尖角、钝角或弧角。

7.根据权利要求5所述的多阶动压沟槽，其特征在于，至少二个沟槽单元相互连通。

8.根据权利要求5所述的多阶动压沟槽，其特征在于，该至少三个沟槽单元互不连通。

9.根据权利要求1所述的多阶动压沟槽，其特征在于，该第一沟槽及第二沟槽不连通。

10.根据权利要求9所述的多阶动压沟槽，其特征在于，至少二个沟槽单元相互连通。

11.根据权利要求9所述的多阶动压沟槽，其特征在于，该至少三个沟槽单元互不连通。 

12.根据权利要求1所述的多阶动压沟槽，其特征在于，该至少三个沟槽单元包括至少一第一沟槽及第二沟槽相互连通的沟槽单元，以及至少一第一沟槽及第二沟槽不连通的沟槽单元。

13.根据权利要求12所述的多阶动压沟槽，其特征在于，至少二个沟槽单元相互连通。

14.根据权利要求12所述的多阶动压沟槽，其特征在于，该至少三个沟槽单元互不连通。

15.一种动压轴承组件，其特征在于，包含：

一套筒，具有一轴孔；

一心轴，可转动地穿设于该套筒的轴孔，该心轴与该套筒之间具有间隙，于该间隙填充有润滑流体；

多数多阶动压沟槽，设置于该套筒与心轴相对转动面上，该多阶动压沟槽包括至少三个沟槽单元，该沟槽单元包括：

至少一第一沟槽，该第一沟槽具有一第一延伸路径；

至少一第二沟槽，该第二沟槽具有一第二延伸路径，该第二延伸路径与该第一延伸路径之间具有一夹角，由该第一延伸路径与该第二延伸路径形成一V形路径；

该各个沟槽单元的V形路径的顶点相连所构成的轮廓线呈V形。

16.根据权利要求15所述的动压轴承组件，其特征在于，该第一沟槽及该第二沟槽的长度相等或不相等。

17.根据权利要求15所述的动压轴承组件，其特征在于，该至少三个沟槽单元包括至少一第一沟槽及第二沟槽长度相等的沟槽单元，以及至少一第一沟槽及第二沟槽长度不相等的沟槽单元。

18.根据权利要求15所述的动压轴承组件，其特征在于，该第一沟槽及第二沟槽为线性或曲线。

19.根据权利要求15所述的动压轴承组件，其特征在于，该第一沟槽及第二沟槽相连通。

20.根据权利要求19所述的动压轴承组件，其特征在于，该第一沟槽及第二沟槽相连通处呈尖角、钝角或弧角。

21.根据权利要求19所述的动压轴承组件，其特征在于，至少二个沟槽单 元相互连通。

22.根据权利要求19所述的动压轴承组件，其特征在于，该至少三个沟槽单元互不连通。

23.根据权利要求15所述的动压轴承组件，其特征在于，该第一沟槽及第二沟槽不连通。

24.根据权利要求23所述的动压轴承组件，其特征在于，至少二个沟槽单元相互连通。

25.根据权利要求23所述的动压轴承组件，其特征在于，该至少三个沟槽单元互不连通。

26.根据权利要求15所述的动压轴承组件，其特征在于，该至少三个沟槽单元包括至少一第一沟槽及第二沟槽相互连通的沟槽单元，以及至少一第一沟槽及第二沟槽不连通的沟槽单元。

27.根据权利要求26所述的动压轴承组件，其特征在于，至少二个沟槽单元相互连通。

28.根据权利要求26所述的动压轴承组件，其特征在于，该至少三个沟槽单元互不连通。

29.根据权利要求15所述的动压轴承组件，其特征在于，该多数多阶动压沟槽设置布满于该轴孔内侧壁。

30.根据权利要求29所述的动压轴承组件，其特征在于，该轴孔内侧壁轴向分为上下两区域，于该上下两区域内分别设置有多数多阶动压沟槽。

31.根据权利要求30所述的动压轴承组件，其特征在于，该上下两区域的面积为相等或不相等。

32.根据权利要求15所述的动压轴承组件，其特征在于，该多数多阶动压沟槽设置于该心轴外侧壁。

33.根据权利要求32所述的动压轴承组件，其特征在于，该心轴外侧壁轴向分为上下两区域，于该上下两区域内分别设置有多数多阶动压沟槽。

34.根据权利要求33所述的动压轴承组件，其特征在于，该上下两区域的面积为相等或不相等。 

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