DE102014005108A1

DE102014005108A1 - Fluiddynamisches Lagersystem

Info

Publication number: DE102014005108A1
Application number: DE102014005108.0A
Authority: DE
Inventors: Matthias Wildpreth; Atsushi Yanagawa
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2014-04-08
Filing date: 2014-04-08
Publication date: 2015-10-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem mit einer Lagerbuchse (10), die eine Lagerbohrung aufweist, und einer in der Lagerbohrung angeordneten Welle (12), die relativ zur Lagerbuchse (10) drehbar gelagert ist, wobei die Lagerbuchse (10) und die Welle (12) aus Stahl bestehen. Erfindungsgemäß weist die Oberfläche der Welle (12) einen Mittenrauwert von höchstens 0,02 Mikrometer oder der Stahl der Welle (12) eine Rockwellhärte HRC von höchstens 54 auf.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Fluiddynamische Lagersysteme sind Gleitlager, deren Lagerflächen durch einen mit einem Schmiermittel gefüllten Lagerspalt voneinander getrennt sind. Solche fluiddynamischen Lagersysteme werden oftmals zur Drehlagerung von Spindelmotoren eingesetzt, die unter anderem zum Antrieb von Festplattenlaufwerken und Lüftern verwendet werden.
Im Betrieb des fluiddynamischen Lagersystems berühren sich dessen Lagerflächen nicht, sondern sind durch den mit Schmiermitteln gefüllten Lagerspalt getrennt, in welchem ein hydrodynamischer Druck erzeugt wird. Obwohl diese fluiddynamischen Lager im Betrieb im Wesentlichen verschleißfrei arbeiten, kommt es insbesondere im Start- und Stoppbetrieb oder im Falle von auf das Lager wirkenden hohen Beschleunigungskräften zu einer Oberflächenberührung der Lagerbauteile und damit auch zu einem gewissen Abrieb und Verschleiß and den Lagebauteilen. Auch im Testbetrieb, bei dem unter anderem sogenannte Beschleunigungstests (Gyrotests) durchgeführt werden, kommt es wiederholt zu einer Oberflächenberührung der Lagerbauteile.
Zur Vermeidung bzw. Reduzierung von Verschleiß und Abrieb ist es aus dem Stand der Technik bekannt, bestimmte Lagerbauteile, insbesondere die Lagerflächen von sich berührenden Bauteilen oder aber Flächen von bei der Montage beanspruchten Bauteilen mit einer Beschichtung zu versehen. Insbesondere kommen hier Hartbeschichtungen zum Einsatz, wie beispielsweise Diamant ähnliche Beschichtungen (diamond-like carbon, DLC) oder aber Nickelbeschichtungen. Ein DLC-Beschichtungsprozess ist relativ aufwendig, sowohl kostenaufwendig als auch zeitaufwendig und relativ komplex, da er in einer Vakuumkammer durchgeführt werden muss. Daher ist eine solche Beschichtung aus Kostengründen oftmals nicht sinnvoll.
Offenbarung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lager anzugeben, das einen verminderten Abrieb und Verschleiß aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein fluiddynamisches Lagersystem mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das fluiddynamische Lagersystem umfasst bekannterweise eine Lagerbuchse mit einer Lagerbohrung, sowie eine in der Lagerbohrung angeordnete Welle, die relativ zur Lagerbuchse drehbar gelagert ist, wobei sowohl die Lagerbuchse, als auch die Welle aus Stahl bestehen. Dabei kann die Welle beispielsweise aus der Stahlsorte SUS 420 J2 und die Lagebuchse beispielsweise aus der Stahlsorte DHS-1 hergestellt sein.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Oberfläche der Welle einen Mittenrauwert von höchstens 0,02 Mikrometer auf.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist der Stahl der Welle eine Rockwellhärte HRC von höchstens 54 auf.
Gemäß einer dritten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Welle sowohl einen Mittenrauwert von höchstens 0,02 Millimeter, als auch eine Rockwellhärte HRC von höchstens 54 auf.
Vorzugsweise besteht die Welle aus gehärtetem Stahl, während die Lagerbuchse vorzugsweise entweder aus nicht gehärtetem Stahl oder aus gehärtetem Stahl bestehen kann. Die Härtung kann dabei beispielsweise über Temperatur erfolgen.
In der ersten Ausgestaltung der Erfindung wird die Oberflächengüte der Welle mit einem Mittenrauwert von höchstens 0,02 durch entsprechende Bearbeitung, vorzugsweise mittels Schleifen und/oder Polieren und/oder Läppen und/oder Honen erreicht. Dadurch erhält die Welle eine sehr glatte Oberfläche, wodurch sich bei einer Berührung der Welle mit der Lagerbuchse ein verringerter Abrieb und damit ein verringerter Verschleiß an der Lagerbuchse bzw. an der Welle ergeben, da durch die glatte Fläche der Welle weniger Abrieb erzeugt wird. Die Folge ist ein geringer abrasiver Verschleiß insbesondere an der Lagerbuchse.
Gemäß der zweiten Ausgestaltung der Erfindung wird für die Welle ein gehärteter Stahl mit geringerem Härtegrad verwendet, während für die Lagerbuchse vorzugsweise ein nicht gehärteter Stahl verwendet wird. Durch die Paarung einer nicht gehärteten Lagerbuchse aus Stahl und einer gehärteten Welle mit einer Rockwellhärte HRC von höchstens 54 kann der abrasive Verschleiß und damit der Abrieb insbesondere an der Lagerbuchse entscheidend verringert werden.
Gemäß der dritten Ausführung wird durch eine Kombination der ersten und zweiten Ausführung der Erfindung ein besonders geringer abrasiver Verschleiß erreicht.
Insbesondere bewirkt die Erfindung eine Verringerung des abrasiven Verschleißes an der Lagerbuchse insbesondere den Kanten der Lagerbohrung.
Das fluiddynamische Lagersystem weist insbesondere mindestens ein fluiddynamisches Radiallager auf, wobei insbesondere an dessen Lagerflächen oder den Kanten oder den Rändern der Lagerflächen ein abrasiver Verschleiß bei dem Start-Stopp Betrieb bzw. während des Beschleunigungstests der Lager auftritt.
Das beschriebene fluiddynamische Lagersystem kann insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors eingesetzt werden, wobei ein solcher Spindelmotor von einem elektromagnetischen Antriebssystem angetrieben wird und vorzugsweise als bürstenloser Motor betrieben wird.
Ein oben beschriebener Spindelmotor wird vorzugsweise zum Antrieb eines Festplattenlaufwerkes oder eines Lüfters eingesetzt. Insbesondere bei Festplattenlaufwerken müssen die Lagersysteme und Motoren für eine große Anzahl von Start-Stopp Zyklen sowie für auf sie einwirkende Beschleunigungskräfte ausgelegt sein. Dies trifft insbesondere für Festplattenlaufwerke für den bei Einsatz in tragbaren Geräten zu, sodass die vorliegende Erfindung für fluiddynamische Lagersysteme in Festplattenmotoren bevorzugt eingesetzt werden kann.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Aus der Zeichnung und ihrer Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
1 zeigt einen Spindelmotor mit einem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystem. Das fluiddynamische Lagersystem umfasst eine Lagerbuchse 10, die eine axiale Lagerbohrung zur Aufnahme einer Welle 12 aufweist. Der Durchmesser der Welle 12 ist geringfügig kleiner als der Durchmesser der Lagerbohrung, so dass zwischen dem Innendurchmesser der Lagerbohrung und dem Außendurchmesser der Welle 12 ein ringförmiger konzentrischer Lagerspalt 16 gebildet wird. Der Lagerspalt 16 ist mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt. Die Welle 12 kann frei in der feststehenden Lagerbuchse 10 um eine Rotationsachse 18 rotieren. Einander zugeordnete Lagerflächen der Welle 12 und der Lagerbuchse bilden zwei fluiddynamische Radiallager 20, 22, die in einem axialen Abstand zueinander entlang der Welle angeordnet sind. Die Radiallager 20, 22 sind durch Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet, die auf der Oberfläche der Welle 12 und/oder der Lagerbohrung der Lagerbuchse 10 angeordnet sind. Die Lagerrillenstrukturen üben bei Rotation der Welle 12 eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt 16 zwischen Welle 12 und Lagerbuchse 10 befindliche Lagerfluid aus, und erzeugen im Lagerspalt 16 einen hydrodynamischen Druck, so dass die fluiddynamischen Radiallager 20, 22 tragfähig werden.
Die Lagerbuchse 10 ist in einer Basisplatte 32 des Spindelmotors befestigt. An einem freien Ende der Welle 12 ist eine Nabe 26 befestigt, die den Rotor des Spindelmotors darstellt und auf der z. B. eine oder mehrere Speicherplatten 42 eines Festplattenlaufwerks angeordnet werden können. Eine Verschiebung der Welle 12 entlang der Rotationsachse 18 wird durch zwei fluiddynamische Axiallager 28, 30 verhindert. Die beiden fluiddynamischen Axiallager 28, 30 sind zwischen den Stirnflächen einer ringförmigen Druckplatte 14 und den gegenüber liegenden Flächen der Lagerbuchse 10 und einer Abdeckplatte 24 gebildet. Die Druckplatte ist bevorzugt an einem Ende der Welle 12 angeordnet. Die Abdeckplatte 24 verschießt das Lagersystem an dieser Seite und verhindert, dass Luft in den mit Lagerfluid gefüllten Lagerspalt 16 eindringt oder Lagerfluid austritt. Eine erste Stirnfläche der Druckplatte 14 bildet mit einer gegenüberliegenden Stirnfläche der Lagerbuchse 10 das erste fluiddynamische Axiallager 28. Eine zweite Stirnfläche der Druckplatte 14 bildet mit der gegenüberliegenden Stirnfläche der Abdeckplatte 24 das zweite fluiddynamische Axiallager 30. Die Lagerflächen der beiden fluiddynamischen Axiallager sind in bekannter Weise mit Lagerrillenstrukturen (nicht dargestellt) versehen. Die Lagerflächen der Axiallager 28, 30 sind durch den Lagerspalt 16 voneinander getrennt.
Das offene Ende des Lagerspalts 16, nahe der Nabe 26, ist in bekannter Weise durch eine konische Kapillardichtung 40 abgedichtet. Die konische Kapillardichtung 40 ist mit dem Lagerspalt 16 verbunden und anteilig mit Lagerfluid gefüllt. Die konische Kapillardichtung bildet außerdem ein Ausgleichsvolumen und ein Reservoir für das Lagerfluid.
Der Spindelmotor wird in bekannter Weise durch ein elektromagnetisches Antriebssystem angetrieben, das im Wesentlichen aus einer am feststehenden Teil des Motors angeordneten Statoranordnung 34 und einem an der Nabe 26 angeordneten Rotormagneten 36 besteht. Der magnetische Kreis des Rotormagneten 36 wird durch einen Rückschlussring 38 geschlossen.
Beim Start-Stopp-Betrieb oder einwirkenden Beschleunigungskräften auf das Lagersystem kommt es insbesondere zu einem Materialkontakt zwischen den Oberflächen der Welle 12 und der Lagerbuchse 10 sowie der Druckplatte 14 und der Lagerbuchse 10 bzw. der Abdeckplatte 24. Insbesondere im Bereich der Lagerflächen der Radiallager 20, 22 und der Axiallager 28, 30 tritt ein Verschleiß und Abnutzung an den Lagerbauteilen auf.
Insbesondere erfolgt ein Verschleiß der Lagerbuchse 10 im Bereich der oberen Kante des Radiallagers 20 im Übergang zum Dichtungsspalt 40, sowie im Bereich der unteren Kante des unteren Radiallagers 22, bevor die Welle in die Druckplatte 14 übergeht.
Um einen abrasiven Verschleiß insbesondere an der Lagerbuchse 10 zu reduzieren, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Oberflächengüte der Welle zu verbessern, indem bevorzugt einen Mittenrauwert von weniger als 0,02 Mikrometer angestrebt wird. Um einen solchen Mittenrauwert zu erreichen, wird die Welle vorzugsweise durch Schleifen und/oder Polieren und/oder Läppen und/oder Honen bearbeitet. Die geringe Oberflächenrauhigkeit der Welle 12 erzeugt einen geringeren Abrieb an den entsprechenden Oberflächen der Lagerbuchse 10, die mit der Welle in Berührung kommen.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann für die Welle auch ein Werkstoff mit geringerer Härte verwendet werden. Vorzugsweise wird ein gehärteter Stahl mit einer Rockwellhärte HRC von höchstens 54 verwendet. Dadurch erzeugt die Welle 12 weniger Abrieb an den oben beschriebenen Stellen der Lagerbuchse 10 und der Verschleiß wird reduziert. Die Lagerbuchse 10 besteht vorzugsweise aus nicht gehärtetem Stahl, kann jedoch aber auch aus gehärtetem Stahl bestehen, falls die Anwendung dies erfordert.
Bezugszeichenliste

10: Lagerbuchse
12: Welle
14: Druckplatte
16: Lagerspalt
18: Rotationsachse
20: Radiallager
22: Radiallager
24: Abdeckplatte
26: Nabe
28: Axiallager
30: Axiallager
32: Basisplatte
34: Statoranordnung
36: Rotormagnet
38: Rückschlussring
40: Dichtungsspalt
42: Speicherplatte

Claims

Fluiddynamisches Lagersystem mit einer Lagerbuchse (10), die eine Lagerbohrung aufweist, und einer in der Lagerbohrung angeordneten Welle (12), die relativ zur Lagerbuchse (10) drehbar gelagert ist, wobei die Lagerbuchse (10) und die Welle (12) aus Stahl bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Welle (12) einen Mittenrauwert von höchstens 0,02 Mikrometer oder der Stahl der Welle (12) eine Rockwellhärte HRC von höchstens 54 aufweist.
Fluiddynamisches Lagersystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (12) aus gehärtetem Stahl besteht.
Fluiddynamisches Lagersystem gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerbuchse (10) aus nicht gehärtetem Stahl besteht.
Fluiddynamisches Lagersystem gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerbuchse (10) aus gehärtetem Stahl besteht.
Fluiddynamisches Lagersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Welle (12) durch Schleifen und/oder Polieren und/oder Läppen und/oder Honen bearbeitet ist.
Fluiddynamisches Lagersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens ein fluiddynamisches Radiallager (20, 22) aufweist.
Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Drehlagerung eines Rotorbauteils (12, 26) gegenüber einem Statorbauteil (10, 32), und einem elektromagnetischen Antriebssystem (34, 36) zur Antrieb des Rotors.
Festplattenlaufwerk mit einem Spindelmotor gemäß Anspruch 7 zum Antrieb von mindestens einer Speicherplatte (42).