DE102006020408B4 - Sealing arrangement for a fluid bearing - Google Patents
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Abstract
Dichtungsanordnung für ein Fluidlager mit einem Lagerbauteil (12) und einem relativ zu diesem um eine Rotationsachse (30) rotierenden Lagerbauteil (10), wobei die beiden Lagerbauteile durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt (16) voneinander beabstandet sind, wobei der Lagerspalt mindestens ein mittels einer Kapillardichtung abgedichtetes offenes Ende aufweist und eine Pumpdichtung vorgesehen ist, wobei die Kapillardichtung zwischen dem Lagerspalt (16) und der Pumpdichtung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Lagerbauteil (10) eine ringförmige Druckplatte (14) umfasst, und die Kapillardichtung zwischen einem Außenumfang der Druckplatte (14) und dem anderen Lagerbauteil (12) angeordnet ist. A sealing arrangement for a fluid bearing with a bearing component (12) and a relative to this about a rotation axis (30) rotating bearing member (10), wherein the two bearing components are spaced by a bearing fluid filled with a bearing gap (16), wherein the bearing gap at least one having a sealed end sealed by a capillary seal and a pumping seal is provided, wherein the capillary seal between the bearing gap (16) and the pumping seal is arranged, characterized in that the one bearing member (10) comprises an annular pressure plate (14), and the capillary between an outer periphery of the pressure plate (14) and the other bearing member (12) is arranged.
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung betrifft das Gebiet der fluiddynamischen Lagersysteme und insbesondere eine Dichtungsanordnung für ein Fluidlager nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche. Derartige Fluidlager werden beispielsweise in Spindelmotoren eingesetzt.The invention relates to the field of fluid dynamic bearing systems and more particularly to a sealing arrangement for a fluid bearing according to the preamble of the independent claims. Such fluid bearings are used for example in spindle motors.
Stand der TechnikState of the art
Bei Spindelmotoren mit hydrodynamischen Lagersystemen (Fluidlagern) bevorzugt eingesetzte Dichtungstypen sind passive, gerade oder konisch ausgeführte kapillare Dichtungen mit großem Reservoirvolumen für das Lagerfluid oder aktive, mit geeigneten Pumpstrukturen, z. B. schräg angebrachte Rillen, versehene Spaltdichtungen praktisch ohne Reservoirvolumen.For spindle motors with hydrodynamic bearing systems (fluid bearings) preferably used seal types are passive, straight or tapered capillary seals with a large reservoir volume for the bearing fluid or active, with suitable pump structures, eg. As obliquely mounted grooves provided gap seals virtually no reservoir volume.
Die
Für die Zukunft sind neue, robuste und einfach zu fertigende Dichtungskonzepte notwendig für z. B. in Festplatten verwendete Spindelmotoren mit immer höheren Erschütterungsanforderungen (Schockfestigkeit von z. B. mehr als 1000-facher Erdbeschleunigung gefordert) oder kleineren Baugrößen (und damit für Dichtung zur Verfügung stehenden Abmessungen).For the future, new, robust and easy-to-manufacture sealing concepts are necessary for z. For example, spindle motors used in hard disks with ever higher vibration requirements (shock resistance of, for example, greater than 1000 times the acceleration due to gravity) or smaller sizes (and thus dimensions available for sealing).
Außerdem sind für neue Motorenkonzepte (z. B. ein Motor mit zusätzlich oben befestigter, also stehender Welle und daher einem an zwei Seiten geöffnetem Lagersystem) weitere Möglichkeiten zur Dichtung des Lagersystems wünschenswert, um eine größere Gestaltungsfreiheit zu erreichen.In addition, for new engine concepts (eg, a motor with an additional top-mounted, ie stationary shaft and therefore a bearing system open on two sides), further possibilities for sealing the bearing system are desirable in order to achieve greater design freedom.
Ein weiterer Punkt ist die Verringerung der Ölevaporation, nicht nur um die Lebensdauer des Lagersystems und daher des gesamten Motors zu erhöhen, sondern auch um vor dem Hintergrund von ständig zunehmenden Speicherdichten und verbesserten, empfindlicheren Speicherverfahren Kontaminationen der Speichermedien zu minimieren bzw. auszuschließen. Außerdem befindet sich in den zunehmend kleineren Fluidlagern ein entsprechend geringeres Ölvolumen.Another issue is the reduction of oil evaporation, not only to increase the life of the storage system and therefore the entire engine, but also to minimize or eliminate contamination of the storage media against a background of ever-increasing storage densities and improved, more sensitive storage techniques. In addition, there is a correspondingly lower oil volume in the increasingly smaller fluid bearings.
Die
Die
Die
Die
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Dichtungsanordnung für Fluidlager anzugeben, die eine einfache Konstruktion aufweist und dennoch gerade auch bei hoher Schockbelastung wirkungsvoll ist und die Ölevaporation im Lagersystem verringert.It is the object of the invention to provide a seal assembly for fluid bearing, which has a simple construction and yet is effective even at high shock load and reduces the oil evaporation in the storage system.
Diese Aufgabe wird durch eine Dichtungsanordnung gelöst, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen angegeben ist.This object is solved by a sealing arrangement as stated in the independent claims.
Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben, auf deren Offenbarung an dieser Stelle verwiesen wird.Preferred embodiments and further developments of the invention are specified in the dependent claims, to the disclosure of which reference is made at this point.
Erfindungsgemäß umfasst ein die Dichtungsanordnung umfassendes Fluidlager ein feststehendes Lagerbauteil und ein relativ zu diesem um eine Rotationsachse rotierendes Lagerbauteil, wobei die Lagerbauteile durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander beabstandet sind. Der Lagerspalt weist mindestens ein mittels einer Kapillardichtung abgedichtetes offenes Ende auf und es ist eine Pumpdichtung vorgesehen, wobei die Kapillardichtung zwischen dem Lagerspalt und der Pumpdichtung angeordnet ist.According to the invention, a fluid bearing comprising the sealing arrangement comprises a stationary bearing component and a bearing component which rotates about a rotational axis relative thereto, wherein the bearing components are spaced apart from one another by a bearing gap filled with a bearing fluid. The bearing gap has at least one open end sealed off by means of a capillary seal, and a pumping seal is provided, wherein the capillary seal is arranged between the bearing gap and the pumping seal.
Durch die geschickte Kombination der Eigenschaften der beiden angeführten Dichtungsvarianten von Kapillardichtung und Pumpdichtung in einem neuartigen Dichtungstyp erhält man die Vorteile beider Varianten, nämlich eine Dichtung mit einem großen Reservoirvolumen und gleichzeitig wesentlich größerer Sicherheit/Steifigkeit gegenüber Erschütterungen verglichen mit herkömmlichen Dichtungen mit großem Volumen und sogar aktiven Spaltdichtungen. The clever combination of the properties of the two mentioned seal variants of capillary seal and pump seal in a novel type of seal gives the advantages of both variants, namely a seal with a large reservoir volume and at the same time much greater safety / stiffness against shocks compared to conventional seals with large volume and even active gap seals.
Die Erfindung sieht vor, ein fluiddynamisches Lagersystem an der/den Öffnungen des Lagerspaltes vom Inneren des Lagers aus gesehen zuerst mit einem sich nach außen konischen erweiternden Reservoirbereich zu versehen, woran sich noch eine mit Pumpstrukturen versehene Spaltdichtung anschließt.The invention provides for a fluid-dynamic bearing system to be provided at the openings of the bearing gap at first from the inside of the bearing with a reservoir region which widens outwards conically, which is adjoined by a gap seal provided with pump structures.
In der Pumpdichtung befindet sich im normalen Betriebszustand kein Lagerfluid. Bei größerer Schockeinwirkung kann dennoch Lagerfluid aus dem Fluidreservoir in die Pumpdichtung gelangen, die beim Betrieb des Lagers das Lagerfluid anschließend sofort wieder in den Bereich der Kapillardichtung zurückbefördert.There is no bearing fluid in the pump seal in normal operating condition. In the case of greater shock action, bearing fluid can nevertheless pass from the fluid reservoir into the pumping seal, which subsequently immediately returns the bearing fluid back into the region of the capillary seal during operation of the bearing.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht eine endseitig an der Welle angeordnete Druckplatte vor, an deren Umfang das Fluidreservoir angeordnet ist. Es können insbesondere auch an beiden Enden der Welle nach der Art eines Doppelaxiallagers Druckplatten angeordnet sein. Vorzugsweise bildet eine Seite der Druckplatte mit einer gegenüberliegenden Stirnfläche der Lagerbuchse ein Axiallager. Durch die Anordnung einer Druckplatte im Dichtungsbereich entsteht ein größerer Durchmesser im Bereich des Fluidreservoirs und somit kann ein größeres Volumen des Fluidreservoirs erreicht werden bzw. es ist dadurch bei gleichem Volumen eine kürzere axiale Baulänge des Lagers möglich. Aufgrund der sich nach außen hin anschließenden Pumpdichtung ist die Öffnung des Lagers deutlich geringer als bei einer Kapillardichtung mit einer konischen Erweiterung, wodurch der Fluid-Luft Austausch und somit die Abdampfrate des Fluids, beispielsweise des Lageröls, von der Öl-Luft Grenzfläche deutlich geringer ist.An advantageous embodiment of the invention provides an end arranged on the shaft pressure plate, on whose circumference the fluid reservoir is arranged. In particular, pressure plates may also be arranged at both ends of the shaft in the manner of a double axial bearing. Preferably, one side of the pressure plate with an opposite end face of the bearing bush forms a thrust bearing. The arrangement of a pressure plate in the sealing area results in a larger diameter in the region of the fluid reservoir and thus a larger volume of the fluid reservoir can be achieved or it is thereby possible with the same volume a shorter axial length of the bearing. Due to the outwardly adjoining pump seal the opening of the bearing is significantly lower than a capillary seal with a conical enlargement, whereby the fluid-air exchange and thus the evaporation rate of the fluid, such as the bearing oil, from the oil-air interface is significantly lower ,
Während die Breite des Lagerspalts typischerweise etwa 2-5 Mikrometer beträgt, beträgt die Breite des Dichtspaltes, also der Abstand zwischen dem Außendurchmesser der Druckplatte und der gegenüberliegenden Fläche der Lagerbuchse im Bereich der Pumpdichtung, typischerweise etwa 10 bis 50 Mikrometer. Dabei vergrößert sich der Dichtspalt zunächst im Bereich der Kapillardichtung, und verengt sich im Bereich der Pumpdichtung.While the width of the bearing gap is typically about 2-5 microns, the width of the seal gap, that is, the distance between the outer diameter of the pressure plate and the opposite surface of the bushing in the pumping seal region, is typically about 10 to 50 microns. The sealing gap initially increases in the area of the capillary seal, and narrows in the area of the pump seal.
Zusätzlich zu den erwähnten Vorteilen hinsichtlich der Schockfestigkeit eines solchen Lagers ergibt sich durch die Trennung der beiden Hauptfunktionen, einerseits Reservoir bereitstellen und andererseits Abdichten des Lagers für äußere Erschütterung, ein größerer Gestaltungsspielraum, um die Dichtung auf die spezifischen Anforderungen abzustimmen, z. B. Verhältnis von Reservoirbereich zu Spaltdichtungslänge, Spaltdimension, geometrische Anordnung der beiden Elemente, sowie die Möglichkeit, ein das axiale Spiel des Lagers begrenzendes Element z. B. am Beginn der Spaltdichtung zwischen den beiden Teilen der Dichtung vorzusehen.In addition to the mentioned advantages in terms of the shock resistance of such a bearing results from the separation of the two main functions, on the one hand provide reservoir and on the other hand sealing the bearing for external shock, a greater design freedom to tune the seal to the specific requirements, eg. B. ratio of reservoir area to gap seal length, gap dimension, geometric arrangement of the two elements, as well as the possibility of an axial play of the bearing limiting element z. B. at the beginning of the gap seal between the two parts of the seal provided.
Außerdem wird durch den besseren Abschluss des Fluidreservoirs eine kleinere Evaporationsrate (daher möglich, für gleiche Lebensdauer weniger Reservoir vorzusehen) und kleinere Abhängigkeit von Fertigungs- und Fülltoleranzen verglichen mit den beschriebenen, herkömmlichen Dichtungstypen erreicht. Dabei ist für konische kapillare Dichtung die Einhaltung der Füllhöhe wichtig und für Spaltdichtungen die Spaltbreite, die typischerweise nicht mehr als 10 Mikrometer betragen darf.In addition, the better completion of the fluid reservoir achieves a smaller evaporation rate (hence possible to provide less reservoir for the same service life) and less dependence on manufacturing and filling tolerances compared to the conventional types of seals described. It is important for conical capillary seal compliance with the fill level and for gap seals the gap width, which may typically be not more than 10 microns.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben.Embodiments of the invention will be described below with reference to the drawings.
Figurenlistelist of figures
-
Die
1 bis6 zeigen schematisch eine erste Ausgestaltung eines Fluidlagers mit erfindungsgemäßer Dichtungsanordnung. Es ist schematisch die Verteilung des Lagerfluids während einer Schockeinwirkung auf das Lager in zeitlicher Abfolge dargestellt.The1 to6 schematically show a first embodiment of a fluid bearing with inventive seal assembly. It schematically illustrates the distribution of the bearing fluid during a shock action on the bearing in chronological order. -
7 zeigt schematisch eine zweite Ausgestaltung eines Fluidlagers mit erfindungsgemäßer Dichtungsanordnung.7 schematically shows a second embodiment of a fluid bearing with inventive seal assembly. -
8 zeigt schematisch eine dritte Ausgestaltung eines Fluidlagers mit erfindungsgemäßer Dichtungsanordnung.8th schematically shows a third embodiment of a fluid bearing with inventive seal assembly. -
9 zeigt schematisch eine vierte Ausgestaltung eines Fluidlagers mit erfindungsgemäßer Dichtungsanordnung.9 schematically shows a fourth embodiment of a fluid bearing with inventive seal assembly. -
10 zeigt schematisch eine fünfte Ausgestaltung eines Fluidlagers mit erfindungsgemäßer Dichtungsanordnung.10 schematically shows a fifth embodiment of a fluid bearing with inventive seal assembly. -
11 zeigt schematisch eine sechste Ausgestaltung eines Fluidlagers mit erfindungsgemäßer Dichtungsanordnung.11 schematically shows a sixth embodiment of a fluid bearing with inventive seal assembly.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der ErfindungDescription of preferred embodiments of the invention
Der Aufbau und die Funktionsweise der Dichtungsanordnung für Fluidlager werden zunächst anhand der
Die
Das Fluidlager umfasst ein feststehendes Lagerbauteil, beispielsweise in Form einer Welle
Das offene Ende des Lagerspalts
Die Pumpstrukturen
Es wird nun der Fall angenommen, dass das Fluidlager gemäß
Trifft der Meniskus
Sobald ein Teil des Fluids das innere Ende des Spaltdichtungsbereichs berührt, wird dieser Teil durch die kapillaren Kräfte in den Dichtungsspalt
Erreicht das Fluid das äußere Ende des Spaltdichtungsbereichs, wie man in
Im Falle einer längs des konischen Reservoirbereichs wirkenden, äußeren Erschütterung treten zuerst auch die gleichen kapillaren Mechanismen wie bei der herkömmlichen konischen Kapillardichtung oder einer Spaltdichtung im Ruhezustand auf. In the case of an external vibration acting along the conical reservoir region, first the same capillary mechanisms as in the conventional conical capillary seal or a gap seal at rest also occur.
Ein durch Inhomogenitäten oder Toleranzen an einer Stelle verursachtes Versagen des Meniskus
Offensichtlich werden die Funktionsweisen der beiden oben beschriebenen Fälle im rotierenden Zustand des Lagersystems durch die Pumpstrukturen
In
Aufgrund des radial unterhalb der Druckplatte
Because of the radially below the
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Wellewave
- 1212
- Lagerbuchsebearing bush
- 1414
- Druckplatteprinting plate
- 1616
- Lagerspaltbearing gap
- 1818
- Fluidreservoir (Freiraum)Fluid reservoir (free space)
- 2020
- Meniskusmeniscus
- 2222
- Dichtspaltsealing gap
- 2424
- Pumpstrukturenpumping structures
- 2626
- Fluidpegelfluid level
- 3030
- Rotationsachseaxis of rotation
- 3232
- Axiallagerthrust
- 3434
- Radiallager radial bearings
- 110110
- Wellewave
- 112112
- Lagerbuchsebearing bush
- 116116
- Lagerspaltbearing gap
- 118118
- Fluidreservoirfluid reservoir
- 120120
- Meniskusmeniscus
- 122122
- Dichtspaltsealing gap
- 124124
- Pumpstrukturenpumping structures
- 126126
- Fluidpegelfluid level
- 130130
- Rotationsachseaxis of rotation
- 134134
- Radiallager radial bearings
- 210210
- Wellewave
- 212212
- Lagerbuchsebearing bush
- 216216
- Lagerspaltbearing gap
- 218218
- Fluidreservoir (Freiraum)Fluid reservoir (free space)
- 220220
- Meniskusmeniscus
- 222222
- Dichtspaltsealing gap
- 224224
- Pumpstrukturenpumping structures
- 226226
- Fluidpegelfluid level
- 228228
- Motorbauteilengine component
- 230230
- Rotationsachseaxis of rotation
- 234234
- Radiallager radial bearings
- 310310
- Wellewave
- 312312
- Lagerbuchsebearing bush
- 314314
- Druck-/StopperplattePressure / stopper plate
- 316316
- Lagerspaltbearing gap
- 318318
- Fluidreservoir (Freiraum)Fluid reservoir (free space)
- 320320
- Meniskusmeniscus
- 322322
- Dichtspaltsealing gap
- 324324
- Pumpstrukturenpumping structures
- 328328
- Nabehub
- 330330
- Rotationsachseaxis of rotation
- 332332
- Axiallagerthrust
- 334334
- Radiallager radial bearings
- 410410
- Wellewave
- 412412
- Lagerbuchsebearing bush
- 416416
- Lagerspaltbearing gap
- 418418
- Fluidreservoir (Freiraum)Fluid reservoir (free space)
- 420420
- Meniskusmeniscus
- 422422
- Dichtspaltsealing gap
- 424424
- Pumpstrukturenpumping structures
- 428428
- Nabehub
- 430430
- Rotationsachseaxis of rotation
- 432432
- Axiallagerthrust
- 434434
- Radiallager radial bearings
- 510510
- Wellewave
- 512512
- Lagerbuchsebearing bush
- 516516
- Lagerspaltbearing gap
- 518518
- Fluidreservoir (Freiraum)Fluid reservoir (free space)
- 520520
- Meniskusmeniscus
- 522522
- Dichtspaltsealing gap
- 524524
- Pumpstrukturenpumping structures
- 530530
- Rotationsachseaxis of rotation
- 534534
- Radiallagerradial bearings
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