DE102004044195A1 - Fluid-dynamisches Lager - Google Patents
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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 nach1 mit Außen- und Innenstruktur für beide Drehrichtungen; -
4 : ein strukturiertes Bauteil (Folie) für ein Fluid-dynamisches Axiallager nach2 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 Welle1 , die um eine Rotationsachse6 drehbar in einer Lagerbuchse2 gelagert ist. Zwischen den beiden Lagerbauteilen1 ,2 ist ein Lagerspalt4 vorgesehen, der mit einem Lagerfluid, vorzugsweise einem Lageröl oder aber auch Luft, gefüllt ist. In den Lagerspalt ist eine zylinderförmige strukturierte Folie3 eingebracht, wie sie z. B. in3 dargestellt ist. Die flexible Folie3 umfasst auf beiden Seiten entsprechende Oberflächenstrukturen5 , die beispielsweise parabelförmig ausgebildet sein können, wobei die Oberflächenstrukturen auf der einen Seite der Folie3 jeweils entgegengesetzt zu den Oberflächenstrukturen auf der anderen Seite der Folie3 verlaufen. Bei Rotation der Welle1 innerhalb der Lagerbuchse2 baut sich nun durch die Relativbewegung zwischen den Bauteilen1 ,2 und der Folie3 und aufgrund der Pumpwirkung der auf der Folie3 befindlichen Oberflächenstrukturen5 ein hydrodynamischer Druck im Lagerfluid auf, wodurch die Folie, entsprechend der Drehrichtung und der Ausrichtung der Oberflächenstrukturen5 , beispielsweise an die Lagerbuchse2 gedrückt wird und der Lagerspalt4 sich zwischen der Folie3 und der Welle1 ausbildet. Wird nun die Rotationsrichtung der Welle1 umgedreht, so wirkt der hydrodynamische Druck entgegengesetzt, so dass sich die Folie3 in diesem Fall an die Welle1 anlegt und der Lagerspalt4 sich zwischen der Folie3 und der Lagerbuchse2 ausbildet (nicht dargestellt). -
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Axiallagers mit erfindungsgemäßer, strukturierter Folie. Das Axiallager umfasst eine in einer Lagerbuchse12 um eine Rotationsachse6 drehbar gelagerte Welle11 . Eine Druckscheibe14 ist mit der Welle11 fest verbunden und ist in einer Ausnehmung aufgenommen, die von der Lagerbuchse12 und einer Deckplatte13 gebildet wird. Zwischen der Welle11 , der Lagerbuchse12 , der Deckplatte13 und der Druckscheibe14 ist ein Lagerspalt16 ausgebildet, der mit einem Lagerfluid gefüllt ist. Im Bereich der Stirnseiten der Druckscheibe14 sind in den Lagerspalt zwei strukturierte Folien15 eingebracht, wie sie im Detail in4 dargestellt ist. Die Folie15 ist auf beiden Seiten mit Oberflächenstrukturen17 versehen. - Versetzt man nun die Welle
11 zusammen mit der Druckscheibe14 in Rotation, so baut sich im Lagerspalt16 aufgrund der Oberflächenstrukturen17 auf der Folie15 ein hydrodynamischer Druck auf, der die obere Folie15 beispielsweise an die Lagerbuchse12 drückt und die untere Folie15 an die Deckplatte13 . Dreht man die Drehrichtung der Welle11 bzw. der Druckscheibe14 um, so wirken die Oberflächenstrukturen17 in entgegengesetzter Richtung, d.h. die strukturierten Folien15 werden an die Stirnseiten der Druckscheibe14 gedrückt (nicht dargestellt). Die Oberflächenstrukturen17 der Folie15 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 (21)
- 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.
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