CN103632683A - 一种硬盘驱动器悬臂结构 - Google Patents

Abstract

一种硬盘驱动器悬臂结构包括安装部分(1)和主体部分(2)，两部分一体成形为以悬臂中心线完全对称的薄板结构。其中，安装部分设有一圆形安装孔(11)，主体部分包括依次相连的后段、中段和长方形的前段，后段和中段由依次从宽变窄的三级梯形块(25，26，27)组成；后段在紧靠安装部分处设有一矩形孔(21)；中段设有三个圆孔(22，23，24)，第一圆孔(22)和第二圆孔(23)靠近矩形孔(21)且以悬臂中心线呈对称分布，第三圆孔(24)位于中段的前部。该硬盘驱动器悬臂能够显著提高其主要运动方向的固有频率，避开外部振动频率、干扰频率等，减少悬臂的共振，提高读写定位精度，保证悬臂运动的可靠性。

Description

一种硬盘驱动器悬臂结构

技术领域

本发明涉及一种用于安装硬盘驱动器读写磁头的悬臂，具体是一种硬盘驱动器悬臂结构。

背景技术

随着信息技术的飞速发展，硬盘驱动器在个人电脑、便携设备和电子产品等领域得到了广泛的应用，已经成为重要的程序和数据载体之一。硬盘驱动器工作时，通过悬臂带动浮动块在磁盘片表面运动并定位于目标磁道读取数据。硬盘驱动器悬臂属于薄壳结构，在寻轨伺服和磁道跟踪中起着重要的作用。硬盘驱动器悬臂对头盘系统气浮力的扰动很敏感，同时硬盘驱动器的频繁起停对悬臂的模态易产生激励，发生共振，从而降低浮动块的定位精度。

硬盘驱动器悬臂工作状态时主要有三个方向的运动，分别是弯曲运动、扭转运动和横摆运动。悬臂的弯曲运动使浮动块飞行高度发生变化，影响数据读写的可靠性，严重时还会导致浮动块与磁盘片发生碰撞，毁坏磁盘片数据；而悬臂的扭转运动和横摆运动直接影响浮动块的定位精度。在悬臂拓扑优化设计中，提高悬臂的一阶弯曲频率、一阶扭转频率以及一阶横摆频率，使其避开外部振动频率、干扰频率等，有利于改善悬臂的共振现象，减少浮动块寻道时间，增加数据读写的可靠性。

发明内容

为了保证硬盘驱动器数据读取的可靠性和浮动块的定位精度，本发明提供一种硬盘驱动器悬臂结构，使其动态响应最小，能够提高硬盘驱动器悬臂的一阶弯曲频率、一阶扭转频率和一阶横摆频率，减少悬臂的共振，提高读写定位精度。

本发明的硬盘驱动器悬臂结构包括安装部分和主体部分，所述安装部分和主体部分一体成形为以悬臂中心线完全对称的薄板结构，其特征在于：

所述安装部分为矩形形状并设有一个圆形安装孔；

所述主体部分包括依次相连的后段、中段和前段，所述主体部分的后段和中段由依次从宽变窄的第一级梯形块、第二级梯形块和第三级梯形块组成，所述主体部分的前段为一长方形块；

所述主体部分的后段在紧靠所述安装部分处设有一个矩形孔；

所述主体部分的中段设有三个圆孔，其中第一圆孔和第二圆孔靠近所述矩形孔并且两者以悬臂中心线呈对称分布，第三圆孔位于所述主体部分的中段的前部并且其圆心位于悬臂中心线上。

进一步地，所述矩形孔位于所述第一级梯形块的中央，所述第一圆孔和所述第二圆孔位于所述第二级梯形块的后端，所述第三圆孔位于所述主体部分的前段的后部。

进一步地，所述第一级梯形块与所述第二级梯形块之间的两侧外缘均形成台阶，所述第三级梯形块进一步变窄。

进一步地，所述主体部分的所述第三级梯形块与所述主体部分的前段之间的两侧外缘各形成有一个弧形槽。

进一步地，所述主体部分的前段的前部设有一个第二梯形孔，所述主体部分的前段的最前端还设有一个以悬臂中心线呈对称的矩形条。

具体而言，本发明基于固体各向同性材料惩罚法(Solid Isotropic Elastic MaterialPenalty，SIMP)，综合考虑悬臂一阶弯曲频率、一阶扭转频率和一阶横摆频率对悬臂结构的影响。SIMP法基于各向同性材料，不需要引入微结构和附加的均匀化过程，以连续变量的密度函数形式显示的表达单元相对密度与材料弹性模量间的对应关系。它以每个单元的相对密度作为设计变量，人为假定相对密度和材料弹性模量间的某种对应关系。SIMP方法引入一种假想的相对密度在0～1之间可变的材料，假设设计材料的宏观弹性模量与其密度具有非线性关系，采用惩罚因子约束抑制介于0～1之间的单元。SIMP法数学模型如下：

$E_i=x_i^p{E}_0---\left(1\right)$

${\mathrm{\ρ}}_i=x_i^p{\mathrm{\ρ}}_0$

0＜x_min≤x_i≤1

式中：E_i和E₀分别为第i个单元的弹性模量和材料初始弹性模量；x_i为设计变量，表示优化中第i个单元的相对密度；P为惩罚因子；ρ_i和ρ₀分别为第i个单元的密度和材料的初始密度，x_min为空材料时材料的最小密度值。

硬盘驱动器是一个精密的微机电系统，悬臂在工作状态下常常受到多种不确定的激励，仅考虑单一频率对悬臂的影响，难以改善悬臂的动态特性。基于SIMP法和加权系数法建立悬臂最大化一阶弯曲频率、一阶扭转频率和一阶横摆频率的拓扑优化模型，如公式(2)所示：

Max：w₁f(x₁)+w₂f(x₂)+w₃f(x₃)

$\mathrm{Subjectto}:\frac{V}{V_0}{\≤V}^{*}---\left(2\right)$

$|K-{\mathrm{\ω}}_i^{2}M|=0$

0＜x_min≤x_i≤1

式中：w₁、w₂、w₃分别为一阶弯曲频率、一阶扭转频率和一阶横摆频率的加权系数；

f(x_i)为优化的目标频率，可以为一阶弯曲频率、一阶扭转频率和一阶横摆频率；

V、V₀分别为材料的体积和初始设计体积；

V^*为体积约束上限；

K为刚度矩阵，ω_i为频率，M为质量矩阵；

x_i为设计变量，表示优化中第i个单元的相对密度；

x_min为空材料时材料的最小密度值。

通过对硬盘驱动器悬臂运动特性的分析，综合考虑各种振型的影响，运用加权法建立了悬臂多目标优化模型，通过三个频率的权重来平衡一阶弯曲、一阶扭转和一阶横摆的影响。通过Optistruct有限元软件求解获得悬臂拓扑优化结构，为悬臂的结构设计提供了理论基础。

附图说明

图1是本发明硬盘驱动器悬臂结构的结构平面示意图；

图2是本发明硬盘驱动器悬臂结构的结构立体示意图。

图中：1-安装部分，2-主体部分，11-安装孔，21-矩形孔，22-第一圆孔，23-第二圆孔，24-第三圆孔，25-第一级梯形块，26-第二级梯形块，27-第三级梯形块，28-弧形槽，29-梯形孔，210-矩形条

具体实施方式

本发明在悬臂多目标拓扑优化中，通过一阶弯曲频率、一阶扭转频率和一阶横摆频率这三个频率的权重来平衡一阶弯曲、一阶扭转和一阶横摆的作用，根据弯曲运动、扭转运动和横摆运动的主次关系，设定上述公式(2)中三者频率的加权因子分别为0.5、0.3、0.2。

悬臂多目标拓扑优化目标函数经过14次迭代后发生收敛。悬臂多目标拓扑优化结构如图1和图2所示，即为本发明的硬盘驱动器悬臂。

本发明的硬盘驱动器悬臂结构，包括：安装部分1，其为矩形形状并设有一个圆形的安装孔11，用于把悬臂安装在硬盘驱动器的驱动臂上；主体部分2，是悬臂的主要部分，包括依次相连的后段、中段和前段，用于支撑连接浮动块(读写磁头)的前端。安装部分1和主体部分2一体成形为以悬臂中心线呈完全对称的薄板结构。

主体部分2的后段在紧靠安装部分1处设有一个矩形孔21，该矩形孔21以悬臂中心线呈对称状，而且该矩形孔的宽度不超过安装部分的安装孔的直径。

主体部分2的中段设有三个圆孔，其中第一圆孔22和第二圆孔23靠近矩形孔21并且两者以悬臂中心线呈对称分布，第三圆孔24位于中段的前部并且其圆心位于悬臂中心线上。

主体部分2的后段和中段由依次从宽变窄的三级梯形块组成，其中上述矩形孔21位于第一级梯形块25的中央，上述第一圆孔22和第二圆孔23位于第二级梯形块26的后端，第一级梯形块25与第二级梯形块26之间的两侧外缘均形成台阶，第三级梯形块27进一步变窄。

主体部分2的前段是一个以悬臂中心线呈对称的大致长方形块，上述第三圆孔24位于该前段的后部，在该前段的前部设有一个梯形孔29。在主体部分2中段的第三级梯形块27与主体部分2的前段之间的两侧外缘各形成有一个弧形槽28。主体部分2前段的最前端还设有一个以悬臂中心线呈对称的带凹槽的矩形条210。

本发明硬盘驱动器悬臂结构中的上述圆孔、上述梯形结构以及弧形槽均是拓扑优化后形成的，其主要技术效果是减少了悬臂质量，降低了悬臂刚度，提高了悬臂主要运动频率。

对比拓扑优化前后，可以发现，一阶扭转频率和一阶横摆频率对多目标优化设计结构影响较大。多目标优化中各阶目标函数的频率与初始设计频率相比，弯曲、扭转以及横摆三种振型的一阶频率均有所增加。其中，一阶弯曲频率从421.96HZ提高到818.75HZ，增加了94.03％；一阶扭转频率从3693.27HZ提高到5409.35HZ，增加了46.47％；一阶横摆频率从20169.78HZ提高到26766.61HZ，增加了32.53％。

本发明中经拓扑优化后的悬臂结构提高了悬臂的一阶弯曲频率、一阶扭转频率以及一阶横摆频率，有利于改善悬臂结构的共振现象，减少浮动块寻道时间，增加数据读写的可靠性。

Claims (5)

1.一种硬盘驱动器悬臂结构，包括安装部分(1)和主体部分(2)，所述安装部分(1)和主体部分(2)一体成形为以悬臂中心线完全对称的薄板结构，其特征在于：

所述安装部分(1)为矩形形状并设有一个圆形安装孔(11)；

所述主体部分(2)包括依次相连的后段、中段和前段，所述主体部分(2)的后段和中段由依次从宽变窄的第一级梯形块(25)、第二级梯形块(26)和第三级梯形块(27)组成，所述主体部分(2)的前段为一长方形块；

所述主体部分(2)的后段在紧靠所述安装部分(1)处设有一个矩形孔(21)；

所述主体部分(2)的中段设有三个圆孔(22，23，24)，其中第一圆孔(22)和第二圆孔(23)靠近所述矩形孔(21)并且两者以悬臂中心线呈对称分布，第三圆孔(24)位于所述主体部分(2)的中段的前部并且其圆心位于悬臂中心线上。

2.根据权利要求1所述的硬盘驱动器悬臂结构，其特征在于：所述矩形孔(21)位于所述第一级梯形块(25)的中央，所述第一圆孔(22)和所述第二圆孔(23)位于所述第二级梯形块(26)的后端，所述第三圆孔(24)位于所述主体部分(2)的前段的后部。

3.根据权利要求2所述的硬盘驱动器悬臂结构，其特征在于：所述第一级梯形块(25)与所述第二级梯形块(26)之间的两侧外缘均形成台阶，所述第三级梯形块(27)进一步变窄。

4.根据权利要求3所述的硬盘驱动器悬臂结构，其特征在于：所述主体部分(2)的所述第三级梯形块(27)与所述主体部分(2)的前段之间的两侧外缘各形成有一个弧形槽(28)。

5.根据权利要求1-4任一项所述的硬盘驱动器悬臂结构，其特征在于：所述主体部分(2)的前段的前部设有一个梯形孔(29)，所述主体部分(2)的前段的最前端还设有一个以悬臂中心线呈对称的矩形条(210)。

Images