DE102010022340A1

DE102010022340A1 - Fluiddynamisches Lager

Info

Publication number: DE102010022340A1
Application number: DE102010022340A
Authority: DE
Inventors: Dr. Bauer Martin
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2010-06-01
Filing date: 2010-06-01
Publication date: 2011-12-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem, das ein feststehendes Lagerbauteil und ein bewegliches Lagerbauteil umfasst, die durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander getrennt sind. Es sind zwei voneinander beabstandete und durch Radiallagerrillen gekennzeichnete Radiallager vorhanden, wobei die Radiallagerrillen der beiden Radiallager voneinander abgewandte äußere Enden aufweisen, die durch Verbindungsrillen miteinander verbunden sind. An die Verbindungsrillen grenzen ringförmige Kontaktzonen, in denen ein Körperkontakt der beiden Lagerbauteile erfolgen kann. Erfindungsgemäß ist im Bereich der Kontaktflächen Material abgetragen, dessen Menge im wesentlichen dem erwarteten Materialabtrag bei der Durchführung eines Qualifikationstests des Lagers entspricht. Zusätzlich oder alternativ können die Kontaktflächen Oberflächenbehandelt sein.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lager, insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors. Derartige Spindelmotoren werden beispielsweise zum Antrieb von Speicherplattenlaufwerken oder Lüftern eingesetzt.
Stand der Technik
Ein fluiddynamisches Lagersystem bekannter Bauart umfasst ein feststehendes Lagerbauteil mit einer Lagerbohrung, beispielsweise eine Lagerbuchse, in welcher ein bewegliches Lagerbauteil, beispielsweise eine zylindrische Welle, drehbar angeordnet ist. Zwischen den Oberflächen der beiden Lagerbauteile ist ein mit einem Lagerfluid gefüllter Lagerspalt angeordnet. Es sind meist zwei, in einem axialen Abstand voneinander angeordnete und durch Radiallagerrillen gekennzeichnete Radiallager vorhanden. Die Radiallagerrillen der beiden Radiallager weisen einander zugewandte innere Enden und voneinander abgewandte äußere Enden auf. Die äußeren Enden der Radiallagerrillen können durch Verbindungsrillen miteinander verbunden sein. Die axialen Kräfte des Lagersystems werden gemäß einer bekannten Ausgestaltung durch mindestens ein fluiddynamisches und/oder magnetisches Axiallager aufgenommen. Ein fluiddynamisches Axiallager wird oftmals mit Hilfe einer sogenannten Druckplatte realisiert, die drehfest an der Welle angeordnet ist und entsprechende Axiallagerflächen mit Axiallagerrillen aufweist.
Der Durchmesser der Lagerbohrung des feststehenden Lagerbauteils, beispielsweise der Lagerbuchse, ist etwas größer als der Durchmesser des drehbaren Lagerbauteils, beispielsweise der Welle, und zwar um den Betrag der doppelten Breite des Lagerspalts. Bei dieser bekannten Ausgestaltung eines fluiddynamischen Lagers besteht das Problem, dass unter anderem beim Start- und Stoppbetrieb oder ungünstiger Belastung des Lagers, das bewegliche Lagerbauteil, meist die Welle, in der Lagerbohrung des feststehenden Lagerbauteils verkippen kann. Die fluiddynamischen Radiallager erzeugen bei einer im Start-/Stoppbetrieb auftretenden geringen Relativgeschwindigkeit zwischen den Lagerbauteilen bzw. beim Stillstand keinen ausreichenden fluiddynamischen Druck im Lager, so dass die Welle innerhalb der Lagerbohrung nicht stabilisiert wird und eine entsprechende Kipplage in Bezug auf die Mittelachse der Lagerbohrung einnehmen kann. Dabei kann eine äußere Fläche der Welle eine innere zylindrische Fläche der Lagerbohrung zumindest teilweise berühren und es entsteht ein Materialabrieb an diesen Flächen. Insbesondere im Übergangsbereich zwischen den Radiallagerrillenstrukturen und den unstrukturierten Bereichen der Welle oder auch im Bereich der Verbindungsrillen der Radiallagerrillenstrukturen entsteht ein entsprechender Materialabrieb an den sich berührenden Abschnitten der Welle bzw. der Lagerbuchse.
Nach der Herstellung durchlaufen einige der fluiddynamischen Lager einen Qualifikationstest, bei dem sie für eine bestimmte Zeit bei Nenndrehzahl unter bestimmten Umweltbedingungen betrieben werden. Dieser Qualifikationstest umfasst oftmals auch einen sogenannten Gyrotest, bei dem die Lagersysteme um ihre Querachse kreiselförmig bewegt werden, während sie bei Nenndrehzahl laufen. Bei diesem Gyrotest wirken auf das bewegliche Lagerbauteil, also die Welle, die in einer Lagerbohrung einer Lagerbuchse gelagert ist, sehr starke Querkräfte. Diese Querkräfte verursachen ein Taumeln der Welle in der Lagerbohrung, wobei sich die Oberflächen von Welle und Lagerbohrung berühren können und an den sich berührenden Kontaktflächen ein Materialabrieb erfolgt. Das abgeriebene Material gelangt in den Lagerspalt und damit in den Fluidkreislauf des fluiddynamischen Lagersystems und kann zu Beeinträchtigung der Lagerfunktion und im schlimmsten Fall zu einem Ausfall des Lagers führen.
In der US 2005/025402 A1 wurde das Problem der kippenden Welle und des dadurch entstehende Abriebs der Lagerbauteile beim Starten und Stoppen des Lagers erkannt. In dieser US-Schrift wird vorgeschlagen, die entstehenden Partikel des Abriebes durch einen Partikelfilter zurückzuhalten, damit diese nicht das gesamte Lagerfluid verschmutzen.
Offenbarung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lager anzugeben, bei dem das Verschleißverhalten, insbesondere zu Beginn der Betriebsdauer, verbessert wird. Ein Verfahren zur Verbesserung des Verschleißverhaltens eines solchen fluiddynamischen Lagers soll ebenfalls angegeben werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein fluiddynamisches Lager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Lagers mit verbessertem Verschleißverhalten ist im unabhängigen Anspruch 11 angegeben.
Bevorzugte Ausgestaltungen und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Das fluiddynamische Lagersystem umfasst ein feststehendes Lagerbauteil und ein bewegliches Lagerbauteil, die durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander getrennt sind. Es sind zwei voneinander beabstandete und durch Radiallagerrillen gekennzeichnete Radiallager vorhanden, wobei die Radiallagerrillen der beiden Radiallager voneinander abgewandte äußere Enden aufweisen, die durch Verbindungsrillen miteinander verbunden sind. An die Verbindungsrillen grenzen ringförmige Kontaktzonen, in denen ein Körperkontakt der beiden Lagerbauteile erfolgen kann.
Erfindungsgemäß ist im Bereich der Kontaktflächen Material abgetragen, dessen Menge im wesentlichen dem erwarteten Materialabtrag bei der Durchführung eines Qualifikationstests des Lagers entspricht. Zusätzlich oder alternativ können die Kontaktflächen Oberflächenbehandelt sein.
Vorzugsweise wird der Materialabtrag an den Kontaktflächen in einem Winkel schräg zur Mittelachse der Lagerbohrung vorgenommen, wobei sich der Winkel ausgehend von den Verbindungsrillen öffnet. Die Kontaktflächen werden also konisch angeschrägt. Der Winkel der Kontaktflächen entspricht dem Winkel, den das bewegliche Lagerbauteil bei maximaler „Schräglage” innerhalb der Lagerbohrung des feststehenden Lagerbauteils einnimmt. Der Winkel ist also so gewählt, dass bei einer Schräglage des beweglichen Lagerbauteils innerhalb der Lagerbohrung des feststehenden Lagerbauteils die Oberfläche des beweglichen Lagerbauteils möglichst flächig an den Kontaktflächen anliegt.
Ein gezielter Materialabtrag an den Kontaktflächen kann beispielsweise durch einen gesteuerten Einlaufprozess erfolgen.
Ein gesteuerter Einlaufprozess besteht beispielsweise darin, die Rotationsgeschwindigkeit des Lagers beim Einlaufen über die Zeit langsam zu erhöhen und auch den Gyrotest bei einer langsamen Kreiselbewegung zu beginnen und über die Zeit die Drehzahl zu erhöhen. Dadurch wird das Material der Lagerbauteile an den Kontaktflächen verdichtet und gewalzt bzw. rolliert und so ein übermäßiger Abrieb an den Kontaktflächen verhindert bzw. der Abrieb erfolgt langsam und kontrolliert und in kleinen Dosen.
Alternativ kann ein gezielter Materialabtrag an den Kontaktflächen durch radiale Krafteinwirkung auf das bewegliche Lagerbauteil im Stillstand oder während der Rotation des beweglichen Lagerbauteils erfolgen.
Hierbei kann wiederum eine Kreiselbewegung des Lagers zusammen mit einer Krafteinwirkung auf die Querachse der Welle erfolgen oder aber die Welle wird mit einem Rotor versehen, der einen entsprechenden radialen Schlag aufweist, so dass eine kontrollierte Taumelbewegung der Welle erfolgt, während die Drehzahl der Welle gleichmäßig erhöht wird. Dadurch wird das Material der Lagerbauteile an den Kontaktflächen verdichtet und gewalzt bzw. rolliert und so ein übermäßiger Abrieb an den Kontakfflächen verhindert bzw. der Abrieb erfolgt langsam und kontrolliert und in kleinen Dosen.
Ein gezielter Materialabtrag an den Kontakfflächen kann auch bereits während des Herstellungsprozesses der Lagerbauteile erfolgen.
Während des Herstellungsprozesses können beispielsweise die Kontaktflächen verdichtet und rolliert werden um so Material an den Oberflächen der Kontakfflächen abzutragen bzw. die Kontaktflächen in eine geeignete, beispielsweise konusförmige, Form zu bringen. Der Materialabtrag an den Kontaktflächen kann andererseits auch durch spanhebende Abtragungsverfahren, wie etwa Fräsen, Drehen oder Honen oder ein elektrochemisches Abtrageverfahren (ECM) durchgeführt werden. Mit diesem Verfahren werden beispielsweise die Lagerrillenstrukturen in die Lagerflächen eingebracht.
Vorzugsweise sollte vor diesen Bearbeitungsschritten die Kontaktfläche in eine entsprechende konusförmige Form gebracht werden, bevor das Material kompaktiert bzw. beschichtet wird.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung bzw. zusätzlich kann die Kontaktfläche mit einer Hart-Beschichtung versehen werden bzw. ein härteres Material für die Lagerbuchse verwendet werden. Vorzugsweise kann die Kontaktfläche derart behandelt werden, dass deren Kernrauhtiefe R_k weniger als 0,15 Mikrometer beträgt (dabei beträgt der Taster-Radius zwei Mikrometer und der cut-off Filter 0,25 mm). D. h. der Reibungskoeffizient der Kontaktfläche muss klein gehalten werden, indem die Oberfläche möglichst glatt ausgeführt wird.
Insbesondere sollte die Kernrauhtiefe R_k zumindest im axial äußeren Bereich der Radiallager und/oder der Kontaktflächen, d. h. zumindest dem potentiellen Kontaktbereiche von Welle und Lagerbuchse, weniger als 0,15 Mikrometer betragen. Hierdurch erhält man eine hinreichend glatte Oberfläche, die verhindert, dass das Lager festfrisst, wenn beim Qualifikationstest Querkräfte auftreten.
Zusätzlich oder alternativ zu einem gezielten Materialabtrag können die Kontaktflächen der Welle und/oder der Lagerbuchse mit einer Hart-Beschichtung oder einer Beschichtung zur Verringerung des Reibungskoeffizienten versehen werden, wie etwa mit einer Diamond like Carbon-Schicht (DLC-Schicht) oder mit einer Nickel-Schicht.
Ein Abrieb an entsprechenden Flächen der Welle bzw. der Lagerbuchse wird bewusst zugelassen und es werden angrenzend an die Verbindungsrillen der Lagerrillenstrukturen eigens dafür vorgesehene Kontaktflächen angeordnet, an denen der Abrieb bevorzugt stattfindet. Die Kontaktflächen werden erfindungsgemäß in oben beschriebener Weise entsprechend präpariert, damit ein unkontrollierter Materialabtrag und eine mögliche Beschädigung des Lagers vermieden werden.
Die Kontaktflächen haben keine Lagerfunktionen, so dass ein Abrieb des Materials im Bereich der Kontaktflächen keine Verschlechterung der Lagereigenschaften nach sich zieht. Insbesondere erfolgt kein Abrieb an den angrenzenden Lagerrillenstrukturen, so dass deren Funktion voll aufrechterhalten bleibt.
Die Kontaktflächen liegen vorzugsweise auf dem Niveau der Lagerflächen der Radiallager.
Die Radiallagerrillen sind als Vertiefungen in der Lagefläche des feststehenden und/oder beweglichen Lagerbauteils ausgebildet. Die Tiefe der Verbindungsrillen entspricht etwa der Tiefe der Radiallagerrillen. Vorzugsweise beträgt die Tiefe der Radiallagerrillen und der Verbindungsrillen etwa 6 +/– 2 Mikrometer, bei einem Lagersystem, wie es für einen Spindelmotor zum Antrieb eines 3,5 Zoll Festplattenlaufwerks eingesetzt wird. Die Breite der Verbindungsrillen umfasst für einen 3,5 Zoll Motor bevorzugt etwa 0,1 bis 0,15 Millimeter. Die Breite der Kontaktflächen beträgt für einen 3,5 Zoll Motor bevorzugt etwa 0,5 bis 1,0 Millimeter.
Das feststehende Lagerbauteil umfasst eine Lagerbuchse und eine die Lagerbuchse verschließende Abdeckplatte, während das bewegliche Lagerbauteil eine Welle und eine mit der Welle verbundene Druckplatte umfasst. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Druckplatte einteilig mit der Welle ausgebildet. Dadurch kann die Höhe der Druckplatte in axialer Richtung sehr klein gehalten werden und der Lagerabstand, d. h. der Abstand zwischen den beiden Radiallagern, maximiert werden.
Vorzugsweise sind die Radiallagerrillen, die Verbindungsrillen und die Kontaktflächen an der Oberfläche der Lagerbuchse bzw. der Lagerbohrung angeordnet. In diesem Fall ist die Welle bzw. die Oberfläche der Welle glattzylindrisch ausgebildet Die Radiallagerrillen, Verbindungsrillen und Kontaktflächen können jedoch auch an der Welle angeordnet werden, wobei die Lagerbohrung dann glattzylindrisch ausgebildet ist.
Das erfindungsgemäße fluiddynamische Lagersystem kann vorzugsweise zur Drehlagerung eines Rotors eines Spindelmotors eingesetzt werden. Ein entsprechender Spindelmotor wird ebenfalls beansprucht.
Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren wird an den Kontaktflächen ein Materialabtrag vorgenommen, der im wesentlichen dem erwarteten Materialabtrag bei der Durchführung eines Einlaufprozesses des Lagers entspricht. Zusätzlich oder alternativ kann können die Kontaktflächen einer Oberflächenbehandlung unterzogen werden. Der Materialabtrag kann entweder bereits bei der Herstellung der Lagerbauteile erfolgen, oder durch einen speziellen Einlaufprozess hervorgerufen werden.
Nachfolgend wird die Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungsfiguren näher erläutert. Dabei ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1: zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einem erfindungsgemäßen Lagersystem.
2: zeigt einen Halbschnitt durch die Lagerbuchse im Bereich der Kontaktfläche gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung.
3: zeigt einen Halbschnitt durch die Lagerbuchse im Bereich der Kontaktfläche gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung.
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor, der mittels eines erfindungsgemäßen Lagers drehgelagert ist. Der Spindelmotor umfasst eine feststehende Basisplatte 10, in welcher eine Lagerbuchse 12 befestigt ist. Die Lagerbuchse 12 weist eine axiale, zylindrische Lagerbohrung 13 (2) auf, in welcher eine Welle 14 drehbar aufgenommen ist. Die Lagerbuchse 12 und die Welle 14 bilden zusammen einen Teil des fluiddynamischen Lagersystems. Zwischen dem Innendurchmesser der Lagerbohrung 13 und dem etwas kleineren Außendurchmesser der Welle 14 ist ein Lagerspalt 18 vorgesehen, der mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt ist. Das fluiddynamische Lagersystem umfasst zwei Radiallager 24, 26, die durch entsprechende Radiallagerrillen 25, 27 gekennzeichnet sind. Die Radiallagerrillen 25, 27 sind auf der Oberfläche der Lagerbohrung 13 und/oder der Oberfläche der Welle 14 angeordnet. Die beiden Radiallager 24, 26 sind durch einen Bereich mit vergrößerter Lagerspaltbreite, den so genannten Separatorspalt 29, axial voneinander getrennt. Der Separatorspalt 29 ist mit Lagerfluid gefüllt. An einem Ende der Welle 14 ist eine Druckplatte 20 angeordnet, die vorzugsweise einteilig mit der Welle 14 ausgebildet ist. Gegenüberliegend der Druckplatte 20 ist die Lagerbuchse 12 durch eine Abdeckplatte 22 verschlossen. Sowohl die Druckplatte 20 als auch die Abdeckplatte 22 sind in entsprechenden Aussparungen der Lagerbuchse 12 konzentrisch zur Lagerbohrung 13 aufgenommen. Die beiden Stirnseiten der Druckplatte 20 bilden zusammen mit jeweils gegenüberliegenden Flächen der Lagerbuchse 12 bzw. der Abdeckplatte 22 zwei Axiallagerbereiche 28, 30 aus. Sobald die Welle 14 in der Lagerbuchse 12 in Rotation versetzt wird, baut sich aufgrund der Rillenstrukturen der Radial- bzw. Axiallagerbereiche ein fluiddynamischer Druck im Lagerspalt 20 auf, so dass das Lager tragfähig wird.
Der Lagerspalt 18 ist an einem Ende zur Umgebung hin offen. Dieses offene Ende des Lagerspaltes 18 ist durch eine Dichtung, beispielsweise eine konische Kapillardichtung 32, abgedichtet. Das freie Ende der Welle 14 ist mit einer Nabe 16 verbunden. Die Nabe 16 ist entsprechend dem Zweck des Spindelmotors ausgebildet. Ist der Spindelmotor als Antrieb eines Festplattenlaufwerkes gedacht, werden auf der Nabe 16 eine oder mehrere Speicherplatten (nicht dargestellt) des Festplattenlaufwerkes angeordnet und befestigt. An einem inneren, unteren Rand der Nabe ist ein ringförmiger Permanentmagnet 46 mit einer Mehrzahl von Polpaaren innerhalb eines Rückschluss-Joches 47 angeordnet. Gegenüberliegend dem Permanentmagnet ist an der Basisplatte 10 eine Statoranordnung 44 befestigt, die durch einen radialen Luftspalt von dem Permanentmagnet 46 getrennt ist. Die Statoranordnung 44 weist entsprechende Statorwicklungen auf, die entsprechend bestromt ein elektrisches Wechselfeld erzeugen, so dass der Rotor, bestehend aus der Nabe 16 und Welle 14, in Drehung versetzt wird.
Insbesondere die Radiallagerrillen 25, 27 der Radiallager 24, 26 erzeugen bei Drehung der Welle eine Pumpwirkung, die das Lagerfluid antreibt und im Lagerspalt 18 einen fluiddynamischen Druck erzeugt. Das obere Radiallager 24 pumpt das Lagerfluid im Lagerspalt 18 überwiegend nach unten in Richtung des unteren Radiallagers 26. Das untere Radiallager 26 entfaltet eine relativ gleichmäßige Pumpwirkung in beide Richtungen des Lagerspalts 18.
Zum Ausgleich des erzeugten Druckes und zur Vermeidung von Unterdruckzonen an den Enden der Radiallagerrillen 25, 27 können vorzugsweise Verbindungsrillen 34, 35 und 36, 37 vorgesehen sein. Die Verbindungsrillen 34–37 sind nicht erfindungswesentlich und können auch fehlen. Die Verbindungsrillen 34, 37 verbinden die Enden der Radiallagerrillen 25, 27 im Unfangsrichtung miteinander und sind an den voneinander abgewandten Enden der Radiallagerrillen 25, 27 angeordnet. Die Verbindungsrillen 35, 36 sind an den einander zugewandten Enden der Radiallagerrillen 25, 27 angeordnet und verbinden diese miteinander.
Solange sich die Welle 14 in der Lagerbohrung 13 dreht, wird diese durch den durch die Radiallagerrillen 25, 27 erzeugten fluiddynamischen Druck stabilisiert und läuft berührungslos in der Lagerbohrung, getrennt durch den Lagerspalt 18. Während des Startens oder Stoppens der Welle 14 oder bei einer Einwirkung von Querkräften auf die Welle 14 besteht die Möglichkeit, dass die Welle 14 in der Bohrung 13 verkippt oder taumelt. Dabei berührt die Welle 14 die Oberfläche der Bohrung im Bereich der äußeren Ränder der Radiallager 24, 26, und insbesondere im Bereich von entsprechenden Kontaktflächen, die angrenzend an die äußeren Verbindungsrillen 34, 37 angeordnet sind. Diese Berührung erzeugt einen Abrieb der betroffenen Bereiche der Kontaktflächen.
An den Stellen, an denen ein besonders großer Abrieb stattfindet sind entsprechende Kontaktflächen 38, 40 vorgesehen. Diese Kontaktflächen 38, 40 sind direkt angrenzend an die äußeren Verbindungsrillen 34, 36 angeordnet. Die Kontaktfläche 38 befindet sich im Bereich des axial und parallel zur Drehachse 48 verlaufenden Abschnittes des. Lagerspaltes 18 zwischen der Verbindungsrille 34 und dem Beginn der Dichtung 32. Die Kontaktfläche 40 befindet sich zwischen der Verbindungsrille 37 und dem Übergang zur Druckplatte 20.
2 zeigt einen Teilschnitt durch eine Lagerbuchse 12 gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung. Die Lagerbuchse 12 ist mit einer Lagerbohrung 13 versehen, in welche die Welle 14 drehbar gelagert werden kann. In der Zeichnung ist eine Lagerfläche des oberen Radiallagers 24 dargestellt. Die Lagerfläche weist auf der Wandung der Lagerbohrung 13 angeordnete Radiallagerrillen 25 auf, die eine Tiefe von einigen Mikrometern aufweisen. Die Enden der Radiallagerrillen 25 münden jeweils in einer ringförmigen Verbindungsrille 34 bzw. 35, welche etwa dieselbe Tiefe aufweist, wie die Radiallagerrillen 25. An die Verbindungsrille 34 grenzt eine erfindungsgemäße Kontaktfläche 38 an, die speziell für eine Körperberührung mit der Welle 14 ausgebildet ist. Die Erfindung sieht nun vor, dass an der Kontaktfläche 38 entsprechend Material abgetragen ist, und zwar so viel, wie beim natürlichen Einlaufprozess des Lagers abgetragen werden würde. 2 zeigt jedoch die alternative Ausgestaltung der Erfindung, bei der die Kontaktfläche 38 eine Hartbeschichtung oder eine Beschichtung zur Verringerung des Reibungskoeffizienten, etwa eine DLC- oder Nickel-Beschichtung aufweist, so dass nur ein geringer Abrieb im Bereich der Kontaktfläche 38 stattfindet. Die Welle 14 selbst besteht vorzugsweise aus gehärtetem Edelstahl, so dass auch hier kaum Abrieb zu erwarten ist. Alternativ oder zusätzlich zur Lagerbuchse kann die Welle zumindest in einem dem Kontaktbereich 38 gegenüber liegenden Bereich entsprechend beschichtet sein. Vorzugsweise wird die Kontaktfläche poliert, so dass deren Kernrauhtiefe weniger als 0,15 Mikrometer beträgt. Hierdurch erhält man eine hinreichend glatte Oberfläche der Kontaktfläche 38 die verhindert, dass das Lager festfrisst, wenn die Welle und die Lagerbuchse in Kontakt geraten.
3 zeigt ebenfalls einen Teilschnitt durch eine Lagerbuchse im Bereich der Kontaktfläche 38', wobei im Wesentlichen die Beschreibung gemäß 2 gilt. Die Kontaktfläche 38' verläuft jedoch nicht parallel zur Drehachse 48, wie es in 2 dargestellt ist, sondern in einem geringen Winkel α zur Drehachse, der sich ausgehend von dem Radiallager 24 zum Ende der Lagerbuchse 12 hin öffnet. Dieser Winkel α entspricht im Wesentlichen der maximalen Kipplage, die die Welle 14 in der Lagerbohrung 13 einnehmen kann, beispielsweise wenn das Lager sich im Stillstand befindet oder auf die Welle 14 Querkräfte wirken, die ein Taumeln oder Verkippen der Welle verursachen. Die konisch verlaufende Fläche der Kontaktfläche 38' kann beispielsweise bereits bei der Herstellung der Lagerbuchse 12 gefertigt werden, beispielsweise durch geeignete spanabhebende Verfahren, oder aber durch einen speziellen Einlaufprozess hervorgerufen werden, bei dem die Welle Querbelastungen unterzogen wird und dadurch die Kontaktfläche 38' konisch abgetragen wird. Die Kontaktfläche 38' kann zusätzlich mit einer härtenden Oberflächenbeschichtung oder einer Beschichtung zur Verringerung des Reibungskoeffizienten, wie etwa einer DLC- oder Nickel-Schicht versehen sein.
Die untere Kontaktfläche 40 im Bereich des unteren Radiallagers 26 ist entsprechend der in den 2 und 3 dargestellten oberen Kontaktflächen 38 bzw. 38' ausgestaltet. Auch hier kann die Kontaktfläche 40 in einem Winkel α bezüglich zur Drehachse 48 ausgebildet sein und/oder mit einer Oberflächenbeschichtung versehen sein, genau so wie es im Zusammenhang mit der Kontaktfläche 38 bzw. 38' beschrieben wurde.
Die Zeichnungsfiguren zeigen einen Spindelmotor zum Antrieb eines Festplattenlaufwerkes mit einem Formfaktor von 3,5 Zoll, also einem Festplattenlaufwerk mit 3,5 Zoll Speicherplatten. Hierbei beträgt der Durchmesser der Lagerbuchse beispielsweise 9,5 Millimeter und der Durchmesser der Welle beispielsweise 4 Millimeter. Die Tiefe der Radiallagerrillen sowie auch der Verbindungsrillen beträgt beispielsweise 6 +/– 2 Mikrometer. Die Kontaktflächen liegen etwa auf der Höhe der nicht strukturierten Lagerflächen. Die Breite der Verbindungsrillen 34, 36 beträgt beispielsweise 0,1 Millimeter bis 0,15 Millimeter. Die Kontaktflächen sind beispielsweise 0,5 Millimeter bis 1,0 Millimeter breit. Die Dicke der Druckplatte, die einteilig mit der Welle ausgebildet ist, beträgt ca. 1 Millimeter. In den 2 und 3 erkennt man, dass die Radiallagerrillen 25 des oberen Radiallagers 24 unsymmetrisch ausgebildet sind. Die Äste der sinusförmig verlaufenden Rillen 25 sind auf Seiten der Kontaktfläche 38 länger als auf der Innenseite, gesehen in Bezug auf den Apex der Radiallagerstrukturen. Die Radiallagerrillen 27 des unteren Radiallagers 26 sind im Bezug auf ihren Apex im Wesentlichen symmetrisch ausgebildet.
Die oben beschrieben Abmessungen und Größenverhältnisse sind nur als beispielhaft anzusehen und können je nach Größe und Einsatzzweck des Lagers variieren.
Bezugszeichenliste

10: Basisplatte
12: Lagerbuchse
13: Lagerbohrung
14: Welle
16: Nabe
18: Lagerspalt
20: Druckplatte
22: Abdeckplatte
24: Radiallager
25: Radiallagerrillen
26: Radiallager
27: Radiallagerrillen
28: Axiallagerbereich
29: Separatorspalt
30: Axiallagerbereich
32: Dichtung
34: Verbindungsrille
35: Verbindungsrille
36: Verbindungsrille
37: Verbindungsrille
38, 38': Kontaktfläche
40: Kontaktfläche
42: Rezirkulationskanal
44: Statoranordnung
46: Permanentmagnet
47: Rückschluss-Joch
48: Drehachse
α: Winkel der Kontaktflächen 38, 40

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2005/025402 A1 [0005]

Claims

Fluiddynamisches Lagersystem mit einem feststehenden Lagerbauteil (12; 22) und einem beweglichen Lagerbauteil (14; 20), die durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt (18) voneinander getrennt sind, wobei zwei axial voneinander beabstandete und durch Radiallagerrillen (25; 27) gekennzeichnete Radiallager (24; 26) vorhanden sind, und die Radiallagerrillen (25; 27) der beiden Radiallager (24; 26) voneinander abgewandte äußere Enden aufweisen, an welche ringförmige Kontaktflächen (38, 40) angrenzen, an denen ein Körperkontakt der beiden Lagerbauteile erfolgen kann, dadurch gekennzeichnet, dass an den Kontaktflächen Material abgetragen ist, dessen Menge im wesentlichen dem erwarteten Materialabtrag bei der Durchführung eines Qualifikationstests des Lagers entspricht, und/oder dass die Kontaktflächen Oberflächenbehandelt sind.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen (38, 40) in einem Winkel α schräg zur Drehachse (48) des beweglichen Lagerbauteils (14) verlaufen, wobei sich der Winkel ausgehend von den Radiallagern (24, 26) öffnet.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen (38, 40) mit einer Hart-Beschichtung oder einer Beschichtung zur Verringerung des Reibungskoeffizienten versehen sind.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen (38, 40) eine Kernrauhtiefe R_k von weniger als 0,15 Mikrometer aufweisen.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das feststehende Lagerbauteil eine Lagerbuchse (12) und eine Abdeckplatte (22) umfasst.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Lagerbauteil eine Welle (14) und eine Druckplatte (20) umfasst.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der Radiallagerrillen (25, 27) durch ringförmige Verbindungsrillen (34–37) miteinander verbunden sind.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Radiallagerrillen (25; 27), die Verbindungsrillen (34–37) und die Kontaktflächen (38; 40) an der Lagerbuchse (12) angeordnet sind.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Radiallagerrillen (25; 27), die Verbindungsrillen (34–37) und die Kontaktflächen (38; 40) an der Welle (14) angeordnet sind.
Spindelmotor mit einem Stator und einem fluiddynamischen Lager gemäß den Ansprüchen 1 bis 9 zur Drehlagerung eines Rotors (16), sowie einem elektromagnetischen Antriebssystem (44; 46).
Verfahren zur Verbesserung des Verschleißverhaltens eines fluiddynamischen Lagers bestehend aus einem feststehenden Lagerbauteil (12; 22) und einem beweglichen Lagerbauteil (14; 20), die durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt (18) voneinander getrennt sind, wobei zwei axial voneinander beabstandete und durch Radiallagerrillen (25; 27) gekennzeichnete Radiallager (24; 26) vorhanden sind, und die Radiallagerrillen (25; 27) der beiden Radiallager (24; 26) voneinander abgewandte äußere Enden aufweisen, an welche Kontaktflächen (38, 40) angrenzen, an denen ein Körperkontakt der beiden Lagerbauteile erfolgen kann, dadurch gekennzeichnet, dass an den Kontaktflächen (38, 40) ein Materialabtrag vorgenommen wird, der im wesentlichen dem erwarteten Materialabtrag bei der Durchführung eines Qualifikationstests des Lagers entspricht, und/oder dass die Kontaktflächen (38, 40) einer Oberflächenbehandlung unterzogen werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialabtrag an den Kontaktflächen (38, 40) in einem Winkel α schräg zur Drehachse (48) des drehbaren Lagerbauteils (14) vorgenommen wird, wobei sich der Winkel ausgehend von den Radiallagern (24, 26) öffnet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein gezielter Materialabtrag an den Kontaktflächen (38, 40) durch einen gesteuerten Einlaufprozess durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein gezielter Materialabtrag an den Kontaktflächen (38, 40) durch radiale Krafteinwirkung auf das bewegliche Lagerbauteil (14) im Stillstand oder während der Rotation des beweglichen Lagerbauteils (14) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein gezielter Materialabtrag an den Kontaktflächen (38, 40) während des Herstellungsprozesses der Lagerbauteile (12, 14) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein gezielter Materialabtrag an den Kontaktflächen (38, 40) durch einen elektrochemischen Abtragungsprozess, ECM, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass als Oberflächenbehandlung der Kontaktflächen (38, 40) eine Hart-Beschichtung oder eine Beschichtung zur Verringerung des Reibungskoeffizienten durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass als Oberflächenbehandlung eine Verringerung der Kernrauhtiefe R_k der Kontaktflächen (38, 40) durchgeführt wird.