CN1083949C - 降低温度灵敏度的流体动力轴承 - Google Patents

Abstract

一种锥形结构的流体动力轴承(19)，它有一个固定轴(11)和一个锥形套筒(30，32)，其面对轴的表面向内朝中心区域(46)扩张，该扩张的锥形部分向内面对轴(34，36)的渐缩区域。套筒有一个面对轴平直表面(64)的凹入区域(72)，以形成一个凹入连接区域(70)，在凹入区域内配置有可收缩的管(80)，当工作环境变化时该管在增加的压力作用下收缩。管的收缩引起来自锥形轴承面对表面之间的一些润滑流体排出，以减少轴承之间的润湿的表面区域。

Description

降低温度灵敏度的流体动力轴承

技术领域

本发明一般来说是涉及流体动力轴承，具体说是涉及具有锥形结构和降低温度灵敏度的流体动力轴承。

背景技术

作为计算机技术的不断进步的一个部分，愈来愈大的数据量要求存储在恒定回转磁盘上的密度就愈来愈高。磁盘驱动器一般包括一个或多个支承于恒定高速回转的、普通精度的、主轴轴承组件的旋转磁盘，在相对于每一个磁盘所选择的位置上，至少配置一个读/写磁头，该磁头在极接近于每个磁盘处是浮动的。磁头从磁道读出数据流或把数据流写到磁道上，磁道位于磁盘表面的规定位置。磁道的宽度确定了在给定磁盘上可能限定的磁道的数目。给定磁道的数目愈大，存储的密度就愈大。其主轴承是低磨损的磁盘驱动组件能提供较高的磁道密度，于是这就造成每个磁盘的存储密度增加。

流体动力主轴轴承是众所周知的，其中轴部分和轴承座部分有对应的面对表面，在各表面之间支承着相对的回转运动。通过这些轴承表面，一个轴承部分相对另一部分搭靠在液体润滑剂(即油)的油膜上。这种轴承在技术领域里是众所周知的，在优点中它的特征一般是具有低的磨损。然而，这样的轴承要求供给连续循环的润滑。这种润滑无论在磁盘驱动器中使用还是在任何别的场合使用，对于设计一种成功的流体动力轴承来说都是很重要的。

关于自持润滑型流体动力主轴轴承的改进结构，要解决的主要问题是防止润滑剂从轴承中泄漏。在任何场合中，润滑剂的损失将会降低轴承的性能，缩短其寿命，并降低其刚性或减小使轴承倾斜的阻力。当这些损失能降低轴承性能并引起读/写误差时，这些问题对于带有这种流体动力轴承的磁盘驱动器来说，是特别严重的。另外，润滑剂的泄漏能导致磁盘表面的污染，使读/写过程造成故障，甚至使浮动磁头组件突然失效。这样的磁盘驱动器的工作条件变化很大，特别是工作温度的变化很大。没有精细的设计，这种温度的改变或压力的改变将导致从轴承中产生大量的流体损失。

尽管在美国专利5,246,294中指出了解决这个问题的另一种方案，例如毛细收集器和节流阀组合体，但是对于在各种工作范围内仍须满足对具有可靠刚性的流体动力轴承的要求。

发明目的

因此，本发明的总目的是提供一种对温度相对不灵敏的改进的流体动力轴承。

本发明的另一目的是提供一种甚至在工作温度范围很宽的条件下，仍保持其刚性的流体动力轴承。

本发明的再一个目的是提供一种甚至在工作条件很严格或困难的情况下，也没有过度消耗动力的流体动力轴承。

本发明还有一个目的是提供一种高度稳定的防止倾斜或摆动的流体动力轴承，因此它特别适用于磁盘驱动器等装置中。

实现本发明的这些和其他目的的流体动力轴承，是一种具有固定轴和锥形套筒的锥形结构。该锥形套筒表面对轴的表面向内朝中心区域扩张，扩张的锥形部分面对轴的向内渐缩区域。套筒和轴在其轴向中心形成连接区域，其连接区域的形状是凹入形，最好是面对轴的漏斗形表面，以形成一个凹入的连接区域。凹入区域配置收缩管，当工作场合改变时，压力提高的情况下收缩管皱缩。管的皱缩使来自锥形轴承外层表面之间的一些润滑流体排出，减少各轴承之间的湿润的表面区域。结果是，即使工作温度有改变，轴承动力消耗变化不大，同时轴承的刚性保持稳定。从而得到了一种高效率的轴承，该轴承在磁盘驱动器和其它类似的工作环境中是非常有用的。

附图说明

本发明上述的和其它的特性和优点，通过参照下列结合附图的详细说明将会更全面的理解，其中相同的零件标有相同的参照号。

图1A是采用本发明的磁盘驱动器的顶面图；

图1B是采用本发明的磁盘驱动器组件剖开的侧视图；

图2是本发明实施例的局部侧视截面图。

实施发明的最佳方式

图1表示的是示例的磁盘驱动器组件10，轴11固定安装在该磁盘驱动器组件的框架13中。毂盘18至少支承一个磁盘14，而一般是支承多个磁盘，磁盘与主轴呈同心安装，且由回转的主轴壳体或套筒15支承。马达16也安装在框架13上，以驱动回转的壳体15并致使磁盘14回转(马达16的细节是与本发明不相关的)。图1B示意地表示选取数据用的装置，它也显示了安装一个磁盘14的轴11。如图所示，当磁盘回转时，选取数据是通过支承在致动杆27上的变换器23的伺服位置得到，并通过本技术中众所周知的声圈马达30定位。众所周知的是这种结构的长寿命和有用性，直接取决于支承磁盘的主轴马达的能力，以便在无倾斜或摆动情况下恒定速度回转和速度均匀，该主轴马达由于在工作期间靠近改变的环境温度，可能出现许多热源，所以必须在宽范围变化的环境条件下工作，而且必须还应具有经得起严重振动的能力。

为实现这些优点下面叙述已设计的该类型的锥形轴承。一般说，在图1A所示的轴承组件19的实施例中，有围绕轴1的壳体或毂盘15，和形成成对的其顶相互指向的锥形轴承30、32。具体地说，轴11的锥形部分34、36是和倾斜的壁面部分38、40配对，但通过轴承间隙42、44从这里彼此分开。形成轴承间隙的壳体壁的一侧面，最好是外壁38、40是开槽的，例如，大致在其轴承表面上设有朝内抽吸的螺旋槽(未示出，但在本技术领域中是众所周知的)。

再参照图1A和图2最佳实施例的更为详细的图。能看到壳体壁部分38、40是从横端壁50、52径向向内扩张。如前所述，这些表面向内面对渐缩壁部分36、34，以便形成轴承的间隙。向内渐缩表面34、36是本结构的固定轴的一部分，壁部分38和40朝向轴承的中心向外扩张，最终到达短垂直壁部分轴60、62，该垂直壁部分是与轴的垂直表面64相结合，以形成一个连接区域或过度区域66。

在套筒的扩张的锥形端部处，短垂直面40、42形成导向连接区域64的开口68和70；该连接区域70的大部分是由套筒15内的凹入槽形成。套筒15包围固定轴11和成为其一部分的渐缩锥形，并围绕轴转动。

空心管80设置在凹入区域中，并围绕固定轴11。管80是由对油或空气不可渗透的塑性材料做成，该管尽管可充注入其它气体压力，但最好是充入周围的空气压力。当管子外侧施加有足够的压力时收缩。也就是说，把管子设计成可褶曲的甚至在足够压力情况下可收缩的；这就增加围绕轴的凹入区域70的有效容积，改变轴承表面之间的润滑流体量，最初在各面对锥形表面之间形成流体动力轴承。采用形成间隙的锥形表面提供了一种楔形结构，这种结构对于沿整个轴线防止摆动或倾斜提供了显著的总体稳定性。至少在连接区域上方和下方的两个面对锥形表面其中之一呈沟槽型模式，以分布通过轴承的润滑流体。

这些沟槽呈螺旋形而不是人字形模式(一般流体动力轴承的模式)，并设计成使所有泵吸作用都朝向中心或连接区域70。其结果是在收缩管80所处的中心连接区域中增高了相当大的压力。当连接区域的压力增高时，充注有周围空气压力的管逐渐收缩，并来自两个相对回转的锥形表面之间的更多的流体吸入到连接区域70。区域70吸入流体愈多，轴承开口处的流体就愈少，直到流体返回致使有效的轴承表面开始皱缩为止。当压力一点没有增加时，在系统和由有效的轴承润湿面积形成的泵的压力之间达到平衡。

目前，该轴承能在变化的环境条件下有效地工作，如果轴承在低温环境下工作，则润滑流体具有高的粘性，而轴承则在高效率下工作或泵吸。其结果是，连接区域70的压力将增加，致使管80收缩，从而消耗着较多的轴承流体，并由此使轴承有效表面面积减少。

相反，如轴承在高温低粘性环境下工作，轴承很少或没有消耗。这就保持了轴承的刚性，并使轴承动力消耗减少。总之，动力和刚性对整个系统的温度平衡将得到补偿，因此支承安装在毂盘上的磁盘，在不产生倾斜或摆动的情况下保持了系统需要的刚性，同时动力消耗也不过多。就是说，当工作温度上升，润滑剂粘性降低时，轴承不太有效而动力消耗增加。对于定量的轴承流体来说，温度较高压力较小，管80的收缩比低温时少。在较高温度情况下，轴承充注有流体，大部分轴承表面用油覆盖，并具有较大的刚性。因此，这种结构抵消了一般由于温度增加时而刚性降低的现实。

众所周知，当流体动力轴承工作温度升高时粘性下降，所以，对于在轴承中供给定量的流体而言压力较小，管80的收缩比在低工作温度时少，所以大部分轴承仍充注有流体。这就造成在大部分轴承表面上由油覆盖着。且使轴承具有较好的刚性。

因此，这种结构的改进补偿了当流体动力轴承温度降低时刚性增高，而动力消耗增大的事实。这对于保持轴承座可操作性，特别是用于限制动力的主轴马达中时是件不利的事。本结构的优点在于，这种轴承即使在可能的最低工作温度下动力也不过大，并在该温度时仍然具有要求的刚性。本结构由于提供了制约工作压力的补偿作用，也就提供了一种流体动力轴承，这种流体动力轴承即使在较低温度情况下，仍处于正常的动力消耗范围。甚至在较高温度情况下，仍保持系统的所需要的刚性。这种结构的主要优点是在最低温度情况下有较少的动力消耗，而在最高工作温度情况下保持足够的刚性。一般在最低温度下很容易发生过大的动力消耗，而在最高温度下刚性很容易降到低于理想的最小值。虽然这里公开的这种结构会在锥形轴承的宽范围的锥角内工作，但已发现最大的顶角应是约60度。

还应指出的本发明的其他特征是，位于中心固定轴底部附近有密封档环100。可看出该固定轴理想的锥形形式，包括在其外表面上连接有锥形部分104、和具有平直的轴向内表面106的套筒102。主要的压力是在轴承工作过程中产生，压力可能使油从连接区域70通过凹槽108和轴与套筒之间泄漏出，并进入外界大气，凹槽用于在轴外表面上安装套筒。设置档环100挤压在轴主要部分的端部和紧插入流体动力轴承座底部的栓塞112之间，这是为防止泄漏现象发生。档环或密封垫100在这两件之间受压成致密的密封垫，提供紧固密封以防止沿表面106、107之间的间隙产生润滑剂的泄漏。

通过对主要结构的组装顺序的讨论能进一步理解本发明。组装顺序以套筒100开始到磁铁122和毂盘124与套筒相连接。磁铁胶合到套筒120外部；毂盘一般是压配合在套筒的外表面上。然后将O形环126、128置于套筒上和下端表面的通道内。其次，将收缩的中空塑性管80安放在凹入槽72中，而轴向的主要部分130穿过套筒的顶孔延伸过连接区域70并伸出套筒底。按照这种配置，支承与下部锥形轴承表面40配合的下部锥形的锥形套筒104被压入套筒表面上方。一般在夹具中夹持轴部分130，并把套筒102压配在轴的外部分直到抵靠台肩134为止，这样做是很方便的，通过轴130外表面的槽180，使这两部分结合也很方便，此时，安装底部的对面板90B，该对面板压靠在套筒底表面52上，并把O形环126装入其槽中。对面板是通过台肩150固定就位。可拆卸的O形环也滑入邻近对面板90B的锥形端部160，和现在成为固定轴一部分的套筒104外表面的位置。图2虚线表示的O形环158是在轴承充注时，从对着外界大气的流体动力轴承的一端将可能的开口密封住，充注完成后把O形环卸去。

此时将组件放到真空炉中，测出位于顶表面50的油量，这里顶部对面板90A在最终组装完成时是不动的。显而易见，在局部组装的马达座中，顶部对面板90A直到充注后是不定位的。虽然很可能有充注轴承的其他的方法，但是相信这种方法是最有效的，并至少有可能将油留在锥形流体动力轴承表面的外侧。

现在把局部组装的轴承座安置于加热的真空室中，并把所有空气从该室抽出，使之从各轴承表面和连接区域70之间全部排出。当恢复到正常压力时，留在表面50上的油，因没有空气存在而排入轴承表面36、38和34、40，以及连接区域70之间的区域。现在表面50上的残余的油被清除。而顶部对面板90A挤压在台肩151内侧的位置，以便牢固地固定就位，其锥形端部在固定轴向外伸出的表面153的上方。现在，除了在底部上的密封垫或压陷的橡胶球100连同盖板112，和顶部上的铆钉170以外，组件已全部完成了。此时，可将橡胶球或密封垫100安放就位并胶合就位，现在可对盒式组件进行试验或者储存待以后使用。

为了把这种盒式组件连接到磁带驱动器中，此时的组件的下部区域是由插入基座180的适当开口中的套筒102限定。然后将盖板112压在柱塞或密封垫100下面的位置。应该指出，盖板112不应配合的太紧，因为这样可使空气收集在盖板上方，或强制回到流体动力轴承。在将一个磁盘或多个磁盘配置于毂盘124上后，把顶盖182置于主轴马达上方，并通过插入固定轴顶部的铆钉或螺钉170固定就位。图2中由层叠件和缠绕件190所代表的其余的马达件，支承在本领域众所周知的技术所形成的壳体内部。

根据这一技术方案形成的锥型流体动力轴承组件，其中，相对于工作或环境温度可控制轴承的动力和刚性。当工作环境中的温度比充注过程的温度低时，在各锥体之间建立起的附加压力对各锥体施压，并使轴承内流体量降低，使锥形轴承的轴承表面在内径方向从外径减少。当压力较大时，会发生相反的结果。

本发明的其它特性和优点，对于研究了上述披露的内容的本领域普通技术人员来说是显而易见的。

Claims (17)

1.一种自润滑的流体动力主轴轴承；包括：

一个固定轴，该轴包括从靠近所述轴的外端朝所述轴的连接区域伸延的锥形渐缩的区域；

一个呈回转式安装的套筒，它围绕所述轴并有轴向向内朝所述套筒中心区域扩张的区域，

所述各渐缩区域的一个表面与一个所述轴向向内扩张区域的一个表面一起形成所述流体动力轴承的轴承间隙，

所述套筒在所述轴的所述渐缩表面的最内端部之间形成一个连接区域，并邻近所述连接区域，所述连接区域包括一个可根据所述连接区域中的压力变化而收缩从而改变所述连接区域的容积的管，以稳定所述轴承的刚性和动力消耗。

2.根据权利要求1的轴承，其中所述轴的所述连接区域包括一个基本平直区域，其基本平行于所述轴的轴线伸延，并连接所述轴的所述锥形表面的最内端部。

3.根据权利要求1的轴承，其中，所述渐缩表面相对于所述轴的中心线的最大倾角约为60度。

4.根据权利要求1的轴承，其中，所述管充注环境压力下的空气，所述轴承间隙的端部与外侧大气连通，以便使压力变化引起所述管收缩或完全膨胀，改变在所述连接区域内从而在所述轴承间隙内的润滑流体的容积。

5.根据权利要求4的轴承，其中，所述连接区域包括一凸形表面，所述凸形表面在短轴面与所述轴的一轴向面相配合，以形成从所述连接区域到所述轴承间隙的开口。

6.根据权利要求5的轴承，其中，所述套筒的所述轴向扩张区域的所述表面的外端部在从所述轴径向延伸的平直表面终止，所述轴的所述渐缩表面在基本平行的平直表面终止，所述平直表面形成一个端部和通向所述流体动力轴承间隙的大气的开口。

7.根据权利要求6的轴承，包括安放在并延伸过所述套筒的所述套筒的任一个端部处的对面板，以增强小轴承座中的所述套筒的稳定性。

8.根据权利要求7的轴承，其中，所述每个面板有一个从所述轴承间隙的所述端部朝所述轴中心径向伸延的渐缩区域。

9.根据权利要求8的轴承，包括在所述套筒的一平直表面内的一个通道，和所述通道中的O形环，该通道与所述轴承间隙隔开，所述通道的O形环在所述套筒和所述对面板之间由所述对面板施压，以防止所述润滑流体由所述轴承中漏出。

10.根据权利要求9的轴承，其中，每个所述的套筒表面有一个平行于所述轴的轴向延伸的、并压靠所述对面板端部的台肩，以便相对所述套筒和所述轴固定所述对面板。

11.根根据权利要求10的轴承，其中，至少一个所述的锥形向内渐缩部分有一小衬垫，该衬垫的外表面上设有向内的渐缩部分，其内表面上设有轴向表面，并与所述轴的外表面相配合，且随所述轴回转，所述衬垫从所述连接区域的轴向表面伸延，所述轴的轴向表面通过通道固定装置阻断，以防止所述衬垫和所述轴之间泄漏的润滑流体通过。

12.根据权利要求1的轴承，其中，向内抽吸的槽用于朝所述收缩管定位的所述连接区域抽吸流体动力轴承的流体，向内抽吸的槽形成在所述的扩张套筒表面上或所述的渐缩的轴的表面上。

13.根据权利要求1的轴承，其中，所述套筒连接区域有一个支承邻近所述轴的所述管的凸出区域。

14.根据权利要求12或13的轴承，其中，所述槽为螺旋形槽，因此抽吸动作朝固定所述管的所述连接区域。

15.根据权利要求11的轴承，其中，所述轴包括第一区域，其中所述轴的所述外表面形成所述轴连接区域的所述向内锥形和所述轴向表面，所述的轴还有包括与所述套筒相配合的所述外表面的第二区域。

16.根据权利要求11的轴承，其中，阻止流体通路的所述装置包括一个安放在所述通道中的、并压靠所述衬垫的内轴向表面的密封垫。

17.根据权利要求11的轴承，其中，所述的通道形成在所述轴的内表面之间，而柱塞位于所述轴和所述衬垫之间。

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