DE102004044195A1

DE102004044195A1 - Fluid-dynamisches Lager

Info

Publication number: DE102004044195A1
Application number: DE102004044195A
Authority: DE
Inventors: Martin Engesser; Stefan Schwamberger
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2004-09-14
Filing date: 2004-09-14
Publication date: 2006-03-30
Also published as: JP2006084023A; US20060056751A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fluid-dynamisches Lager, das mindestens zwei relativ zueinander bewegliche Lagerbauteile umfasst, die zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt ausbilden. Es sind auf das Lagerfluid wirkende Oberflächenstrukturen vorgesehen, die bei relativer Bewegung der Lagerbauteile innerhalb des Lagerspalts einen hydrodynamischen Druck erzeugen. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist eine innerhalb des Lagerspaltes angeordnete Folie als Träger für die Oberflächenstrukturen vorgesehen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Fluid-dynamisches Lager, insbesondere die Anordnung und Gestaltung von hydrodynamischen Druck aufbauenden Strukturen innerhalb eines solchen Lagers.

Hydrodynamische Lager umfassen in der Regel mindestens zwei relativ zueinander drehbare Lagerbauteile, die zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid, z.B. Luft oder Lageröl, gefüllten Lagerspalt ausbilden. Es sind den Lagerflächen zugeordnete und auf das Lagerfluid wirkende Oberflächenstrukturen vorgesehen, die bei relativer Drehung oder Translation der Lagerbauteile innerhalb des Lagerspalts einen hydrodynamischen Druck erzeugen.

In Fluid-dynamischen Lagern werden die Oberflächenstrukturen (so genannte Groovings) üblicherweise auf einzelne oder mehrere Bauteile aufgebracht. Diese auf entsprechenden Lagerflächen der Lagerpartner angeordneten Strukturen dienen als Lager- oder Pumpstrukturen. Bekannt sind z.B. parabelförmige oder fischgrätartige Strukturen bei Radiallagern und spiralförmige oder kreisförmig angeordnete fischgrätartige Strukturen bei Axiallagern.

Diese Strukturen in Fluid-dynamischen Lagern werden derzeit zum Beispiel mittels elektro-chemischen Verfahren auf die Lagerbauteile aufgebracht. Die bekannten Verfahren zur Erzeugung der Lagerstrukturen sind aufwändig. Zudem ermöglicht die Form der Strukturen nur den Betrieb des Lagers in einer Drehrichtung, wenn eine bestimmte Pumpwirkung benötigt wird.

Offenbarung der Erfindung

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein hydrodynamisches Lager anzugeben, bei dem die im Lager vorgesehenen Oberflächenstrukturen einfacher und kostengünstiger herstellbar sind. Gemäß einer Weiterbildung der Aufgabenstellung sollen die Oberflächenstrukturen derart ausgestaltet werden können, dass sie einen gleichwertigen Betrieb des Lagers in beiden Drehrichtungen erlauben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Bevorzugte Weiterbildungen und vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

In dem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lager ist eine innerhalb des Lagerspaltes, d.h. zwischen den jeweiligen Lagerpartnern, angeordnete dünne Folie als Träger für die Oberflächenstrukturen vorgesehen. Die Folie dient also als Strukturträger. Die Lagerflächen sind vorzugsweise frei von jeglichen Strukturen. Durch das zusätzliche Folienbauteil kann die Fertigung der Oberflächenstrukturen und damit des Lagers vereinfacht werden und eine höhere Genauigkeit (Toleranzausgleich) erreicht werden. Die Strukturen sind z.B. durch Prägen, Stanzen, Spritzen oder thermische Verfahren auf die Folie aufbringbar.

Das folienförmige strukturierte Lagerbauteil ist vorzugsweise frei beweglich innerhalb des Lagerspalts angeordnet. Dabei liegt jeder Lagerfläche eine entsprechende Seite der Folie gegenüber.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass jede Seite der Folie eine unterschiedliche Oberflächenstruktur aufweist, insbesondere dass jede Seite der Folie eine gleichartige, jedoch zur anderen Seite spiegelverkehrt angeordnete Oberflächenstruktur aufweist. Durch die unterschiedliche Strukturierung an der Innen- und Außenseite der Folie bzw. der Ober- und Unterseite lassen sich Fluid-dynamische Lager herstellen, die in beiden Drehrichtungen betrieben werden können. Die jeweils Druck aufbauende Struktur (Seite der Folie) drückt die Folie an den anderen Lagerpartner, der zusätzlich einen Unterdruck erzeugt, solange eine Relativgeschwindigkeit zur Folie auftritt. Wird diese Konstruktion für ein Radiallager verwendet, ist die Folie so elastisch, dass sie den kleinen Durchmesserunterschied und unterschiedliche thermische Ausdehnung ausgleichen kann. Es kann auch ein Längenausgleich, beispielsweise durch einen Schlitz in der Folie, vorgesehen sein.

Die erfindungsgemäße Folie als Strukturträger lässt sich sowohl für Radiallager als auch Axiallager verwenden. Die Folie kann somit entweder ringförmig (zylindrisch) oder aber kreisförmig bzw. kreisringförmig ausgebildet sein.

Als bevorzugte Werkstoffe für die Folie kommen Kunststoff oder Metall in Frage.

Das erfindungsgemäße Lager mit der beschriebenen strukturierten Folie kann insbesondere in Spindelmotoren eingesetzt werden, wie sie zum Antrieb der Speicherplatten in Festplattenlaufwerken verwendet werden.

Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Folie liegen darin, dass sich die Anlauf- bzw. Notlaufeigenschaften des Fluid-dynamischen Lagers durch Wahl geeigneter Werkstoffe für die Folie verbessern; ferner kann das Lager eine höhere Dämpfung aufweisen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung eines Radiallagers mit erfindungsgemäßer strukturierter Folie;
2: eine schematische Darstellung eines Axiallagers mit erfindungsgemäßer strukturierter Folie;
3: ein strukturiertes Bauteil (Folie) für ein Fluid-dynamisches Radiallager nach 1 mit Außen- und Innenstruktur für beide Drehrichtungen;
4: ein strukturiertes Bauteil (Folie) für ein Fluid-dynamisches Axiallager nach 2 mit Strukturen für beide Drehrichtungen.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Radiallagers mit erfindungsgemäßer strukturierter Folie. Das Radiallager umfasst eine Welle 1, die um eine Rotationsachse 6 drehbar in einer Lagerbuchse 2 gelagert ist. Zwischen den beiden Lagerbauteilen 1, 2 ist ein Lagerspalt 4 vorgesehen, der mit einem Lagerfluid, vorzugsweise einem Lageröl oder aber auch Luft, gefüllt ist. In den Lagerspalt ist eine zylinderförmige strukturierte Folie 3 eingebracht, wie sie z. B. in 3 dargestellt ist. Die flexible Folie 3 umfasst auf beiden Seiten entsprechende Oberflächenstrukturen 5, die beispielsweise parabelförmig ausgebildet sein können, wobei die Oberflächenstrukturen auf der einen Seite der Folie 3 jeweils entgegengesetzt zu den Oberflächenstrukturen auf der anderen Seite der Folie 3 verlaufen. Bei Rotation der Welle 1 innerhalb der Lagerbuchse 2 baut sich nun durch die Relativbewegung zwischen den Bauteilen 1, 2 und der Folie 3 und aufgrund der Pumpwirkung der auf der Folie 3 befindlichen Oberflächenstrukturen 5 ein hydrodynamischer Druck im Lagerfluid auf, wodurch die Folie, entsprechend der Drehrichtung und der Ausrichtung der Oberflächenstrukturen 5, beispielsweise an die Lagerbuchse 2 gedrückt wird und der Lagerspalt 4 sich zwischen der Folie 3 und der Welle 1 ausbildet. Wird nun die Rotationsrichtung der Welle 1 umgedreht, so wirkt der hydrodynamische Druck entgegengesetzt, so dass sich die Folie 3 in diesem Fall an die Welle 1 anlegt und der Lagerspalt 4 sich zwischen der Folie 3 und der Lagerbuchse 2 ausbildet (nicht dargestellt).
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Axiallagers mit erfindungsgemäßer, strukturierter Folie. Das Axiallager umfasst eine in einer Lagerbuchse 12 um eine Rotationsachse 6 drehbar gelagerte Welle 11. Eine Druckscheibe 14 ist mit der Welle 11 fest verbunden und ist in einer Ausnehmung aufgenommen, die von der Lagerbuchse 12 und einer Deckplatte 13 gebildet wird. Zwischen der Welle 11, der Lagerbuchse 12, der Deckplatte 13 und der Druckscheibe 14 ist ein Lagerspalt 16 ausgebildet, der mit einem Lagerfluid gefüllt ist. Im Bereich der Stirnseiten der Druckscheibe 14 sind in den Lagerspalt zwei strukturierte Folien 15 eingebracht, wie sie im Detail in 4 dargestellt ist. Die Folie 15 ist auf beiden Seiten mit Oberflächenstrukturen 17 versehen.
Versetzt man nun die Welle 11 zusammen mit der Druckscheibe 14 in Rotation, so baut sich im Lagerspalt 16 aufgrund der Oberflächenstrukturen 17 auf der Folie 15 ein hydrodynamischer Druck auf, der die obere Folie 15 beispielsweise an die Lagerbuchse 12 drückt und die untere Folie 15 an die Deckplatte 13. Dreht man die Drehrichtung der Welle 11 bzw. der Druckscheibe 14 um, so wirken die Oberflächenstrukturen 17 in entgegengesetzter Richtung, d.h. die strukturierten Folien 15 werden an die Stirnseiten der Druckscheibe 14 gedrückt (nicht dargestellt). Die Oberflächenstrukturen 17 der Folie 15 sind beispielsweise spiralförmig oder fischgrätartig ausgebildet.

1: Welle
2: Lagerbuchse
3: Strukturierte Folie
4: Lagerspalt
5: Oberflächenstrukturen
6: Rotationsachse
11: Welle
12: Lagerbuchse
13: Deckplatte
14: Druckscheibe
15: Strukturierte Folie
16: Lagerspalt
17: Oberflächenstrukturen

Claims

Fluid-dynamisches Lager, das mindestens zwei relativ zueinander bewegliche Lagerbauteile (1, 2; 11, 12, 13, 14) umfasst, die zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt (4; 16) ausbilden, wobei auf das Lagerfluid wirkende Oberflächenstrukturen (5; 17) vorgesehen sind, die bei relativer Drehung der Lagerbauteile innerhalb des Lagerspalts einen hydrodynamischen Druck erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass eine innerhalb des Lagerspaltes angeordnete Folie (3; 15) als Träger für die Oberflächenstrukturen (5; 17) vorgesehen ist.
Fluid-dynamisches Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (3; 15) frei beweglich innerhalb des Lagerspalts (4; 16) angeordnet ist.
Fluid-dynamisches Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Lagerfläche (1, 2; 11, 12, 13, 14) der Lagerbauteile eine entsprechende Seite der Folie (3; 15) gegenüber liegt.
Fluid-dynamisches Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Seite der Folie (3; 15) eine unterschiedliche Oberflächenstruktur (5; 17) aufweist.
Fluid-dynamisches Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das jede Seite der Folie (3; 15) eine gleichartige, jedoch zur anderen Seite spiegelverkehrt angeordnete Oberflächenstruktur (5; 17) aufweist.
Fluid-dynamisches Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager ein Radiallager ist.
Fluid-dynamisches Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager ein Axiallager ist.
Fluid-dynamisches Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (3) ringförmig zylindrisch ausgebildet ist.
Fluid-dynamisches Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (15) kreis(ring)förmig ausgebildet ist.
Fluid-dynamisches Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (3; 15) aus Kunststoff besteht.
Fluid-dynamisches Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (3; 15) aus Metall besteht.
Fluid-dynamisches Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstrukturen (5; 17) durch Stanzen, Prägen, Spritzen, oder thermische Verfahren auf die Folie aufgebracht sind.
Folie (3) zum Einbringen in einen Lagerspalt (4; 16) zwischen einander zugeordneten Lagerflächen (1, 2; 11, 12, 13, 14) von relativ zueinander beweglichen Lagerbauteilen eines fluiddynamischen Lagers, dadurch gekennzeichnet, dass auf ihrer Oberfläche Oberflächenstrukturen (5; 17) vorgesehen sind, die bei relativer Drehung der Lagerbauteile eine Pumpwirkung entfalten und innerhalb des Lagerspalts (4; 16) einen hydrodynamischen Druck erzeugen.
Folie nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus Metall oder Kunststoff besteht.
Folie nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass jede ihrer Seiten eine unterschiedliche Oberflächenstruktur (5; 17) aufweist.
Folie nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, das jede ihrer Seiten eine gleichartige, jedoch zur anderen Seite spiegelverkehrt angeordnete Oberflächenstruktur (5; 17) aufweist.
Folie nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (3) ringförmig zylindrisch ausgebildet ist.
Folie nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (15) kreis(ring)förmig ausgebildet ist.
Folie nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstrukturen (5; 17) durch Stanzen, Prägen, Spritzen, oder thermische Verfahren auf die Folie aufgebracht sind.
Spindelmotor mit einem Lager und einer Folie nach einem der Ansprüche 1 bis 19.
Festplattenlaufwerk mit einem Spindelmotor nach Anspruch 20.