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Die Erfindung betriff ein fluiddynamisches Lagersystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein fluiddynamisches Lagersystem umfasst im einfachsten Fall zwei relativ zueinander bewegliche Lagerbauteile, die durch einen schmalen Lagerspalt voneinander getrennt sind. Der Lagerspalt ist mit einem flüssigen oder gasförmigen Lagerfluid gefüllt. Die Lagerbauteile weisen Lagerflächen auf, wobei zumindest eine Lagerfläche mit einer Rillenstruktur versehen ist, die bei einer Relativbewegung der Lagerbauteile im Lagerspalt einen hydrodynamischen Druck erzeugt, der die Lagerflächen auf Abstand hält und eine reibungsarme Bewegung der Lagerbauteile ermöglicht.
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Die
DE 10 2012 020 228 A1 offenbart eine bekannte Bauform eines fluiddynamischen Lagers, bei der ein drehbewegliches Lagerbauteil, beispielsweise eine zylindrische Welle, innerhalb einer Bohrung eines feststehenden Lagerbauteils, beispielsweise einer Lagerbuchse, drehbar gelagert ist. Der Innendurchmesser der Lagerbohrung ist dabei geringfügig größer als der Außendurchmesser der Welle, sodass zwischen den Mantelflächen von Bohrung und Welle ein dünner Lagerspalt gebildet wird, der mit einem Lagerfluid, vorzugsweise mit einem Lageröl, gefüllt ist. Zum Aufbau des fluiddynamischen Drucks im Lagerspalt ist in der Regel wenigstens eine der Lageroberflächen von Welle oder Lagerbuchse mit einer Oberflächenstruktur, beispielsweise einer Rillenstruktur, versehen. Durch die rotatorische Relativbewegung zwischen den einander gegenüberliegenden Mantel- bzw. Lageroberflächen entsteht aufgrund der Rillenstruktur eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid, sodass sich ein gleichmäßig dicker und homogener Schmierfilm ausbilden kann, der die Lageroberflächen voneinander trennt und der durch Zonen fluiddynamischen Drucks stabilisiert wird.
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Entlang des Lagerspalts zwischen der Welle und der Lagerbuchse sind zwei fluiddynamische Radiallager angeordnet. Eine Stabilisierung des Lagers entlang der Rotationsachse erfolgt durch entsprechend ausgestaltete fluiddynamische Axiallager. Die beiden Axiallager sind vorzugsweise durch die beiden Stirnflächen einer vorzugsweise an einem Ende der Welle angeordneten Druckplatte gebildet, die in einer durch die Lagerbuchse und eine Abdeckplatte gebildeten Aussparung aufgenommen ist. Entsprechende Flächen des feststehenden Lagerbauteils dienen als Gegenlager zur Druckplatte und sind durch den mit Lagerfluid gefüllten Lagerspalt von der Druckplatte getrennt.
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Beim Anlauf und Auslauf des fluiddynamischen Lagers sowie unter extremen Betriebsbedingungen können sich die Lagerflächen des Lagers berühren. Um die Lagerreibung und den Verschleiß zu reduzieren, sind die einander zugewandten Oberflächen der Lagerbuchse und der Welle sehr genau bearbeitet. Insbesondere die Welle weist in der Regel eine geringe mittlere Rauheit von typischerweise 0,02 Mikrometer auf. Beispielsweise sind die Lagerbuchse und die Welle aus Stahl gefertigt, wobei zumindest die Welle am Ende des Herstellungsprozesses feingeschliffen wird, um eine glatte Oberfläche zu erreichen.
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Die
US 2008 0075398 A1 offenbart ein fluiddynamisches Lagersystem zur Drehlagerung eines 2,5-Zoll-Festplattenlaufwerks, bei dem die Welle eine typische mittlere Rauheit von 0,02 Mikrometer und die Lagerbuchse eine typische mittlere Rauheit von 0,03 Mikrometer aufweisen. Laut
6 dieser US-Schrift ist bei einer mittleren Rauheit der Welle von weniger als 0,02 Mikrometer keine Verbesserung des Abriebs im Bereich der Lagerbuchse zu erwarten.
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Es ist auch bekannt, die Lagerpartner aus verschiedenen Materialien zu fertigen, beispielsweise die Lagerbuchse aus Messing und die Welle aus Stahl. Diese Materialpaarung wirkt sich positiv auf das Reibungsverhalten und den Verschleiß aus.
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Bei der Herstellung von fluiddynamischen Lagern für Spindelmotoren werden die Einzelkomponenten fertig maschiniert und zusammengebaut, Das Rotorbauteil des Spindelmotors muss möglichst genau relativ zur Drehachse des Lagers ausgerichtet werden. Der Schlag des Rotorbauteils, insbesondere der TIR (Total Indicated Runout), ergibt sich durch die Toleranzen der einzelnen Bauteile und die Toleranzen bei der Montage der Bauteile, Vor Inbetriebnahme des Spindelmotors und des darin verbauten fluiddynamische Lagers müssen einige Tests durchlaufen werden. Beispielsweise werden Freifalltests und Gyrotests (Kreiseltests des drehenden Lagers bzw. Spindelmotors) durchgeführt, die einen deutlichen Verschleiß der Lager verursachen können.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lagersystem zur Drehlagerung eines Spindelmotos anzugeben, das eine geringe Lagerreibung, einen geringen Verschleiß und eine gesteigerte Robustheit gegenüber Freifalltests und Gyrotests aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch ein fluiddynamisches Lagersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Bevorzugte Ausgestaltungen und weitere vorteilhafte Merkmale sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Es ist ein fluiddynamisches Lagersystem zur Drehlagerung eines Spindelmotors vorgesehen mit einer Lagerbuchse und einer in der Lagerbuchse drehbar gelagerten Welle, wobei zwischen aneinander angrenzenden Oberflächen der Welle und der Lagerbuchse ein mit einem Lagerfluid gefüllter Lagerspalt angeordnet ist.
Erfindungsgemäß weist die Welle eine maximale (arithmetische) mittlere Rauheit Ra von 0,010 Mikrometer auf.
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Durch eine Reduzierung der Oberflächenrauheit, insbesondere der mittleren Rauheit auf kleiner oder gleich 0,010 Mikrometer, wird eine Verbesserung der Wellengeometrie, d. h. Zylindrizität der Welle, erreicht. Dadurch wird die Tragfähigkeit der Welle insgesamt deutlich erhöht. Die so optimierte Oberfläche bietet durch die reduzierte Reibung eine längere Haltbarkeit, einen geringeren Verschleiß sowie eine geringere Geräuschentwicklung des Lagers. Darüber hinaus wird auch die Lagerreibung und folglich der Energieverbrauch eines Spindelmotos mit einem solchen Lagersystems reduziert.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Welle derart einem Superfinish-Prozess unterzogen, dass eine maximale mittlere Rauheit Ra der Welle von 0,010 Mikrometer oder weniger erreicht wird. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird eine maximale mittlere Rauheit Ra von 0,008 Mikrometer oder weniger angestrebt.
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Das Superfinish-Verfahren erlaubt es, praktisch jede Art von Oberflächengüte und -glättung zu erreichen, weil lediglich Rauheitsspitzen abgetragen werden. Dadurch erfolgen am Werkstück keine makroskopischen Geometrieveränderungen.
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Der Superfinish-Prozess ermöglicht reproduzierbar hohe Oberflächenqualitäten auf rotationssymmetrischen Teilen. Dabei wird die Struktur der Oberfläche im Mikrobereich verbessert. Es kann eine mittlere Rauheit Ra von bis herab zu 0,004 Mikrometer erreicht werden.
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Der Vorteil des Verfahrens ist das gleichmäßige ansatzfreie Finish über die gesamte Oberfläche. Der Superfinish-Prozess erhöht den Traganteil und damit die Verschleißfestigkeit. Der Materialabtrag bewegt sich in der Größenordnung von wenigen Tausendstel Millimeter.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Welle eine maximale mittlere Glättungstiefe Rp von 0,02 Mikrometer, ferner eine maximale Profiltiefe Pt von 0,3 Mikrometer und eine maximale Kernrautiefe Rk von 0,03 Mikrometer aufweist.
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Es ist ein wesentlicher Vorteil der Erfindung, dass es kostengünstiger ist, die Welle mit einem Superfinish-Verfahren zu bearbeiten, als z. B. die Welle mit einer Hartbeschichtung, beispielsweise einer DLC- oder Nickelbeschichtung, zu versehen, um den Abrieb zu reduzieren. Die Anwendung einer Superfinish-Prozedur ist auch kostengünstiger als die Lagerbuchse aus Messing zu fertigen.
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Mit der Erfindung werden gute Abriebwerte beim Gyrotest von durchschnittlich 0,4 Mikrometer im Bereich der Ränder der Lagerbohrung bei einem Wellendurchmesser von 3,5 mm bis 4,5 mm erreicht. Im Vergleich zur Größe des Wellendurchmessers ist das ein relativ guter Wert.
Der Lagerspalt als Differenz der Bohrung innerhalb der Lagerbuchse und des Wellendurchmessers weist vorzugsweise eine Spaltbreite von 3 bis 6 Mikrometer und besonders bevorzugt 4,5 Mikrometer auf.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Verhältnis zwischen der mittleren Rauheit Ra und dem Durchmesser D der Welle kleiner als 2,5 × 10-6 ist. Es wird demnach angestrebt, dass trotz des relativ großen Wellendurchmessers von typisch 4 mm die Welle eine mittlere Rauheit Ra von höchstens 0,01 Mikrometer aufweist.
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Gemäß einer bevorzugen Ausgestaltung der Erfindung besteht die Welle aus Stahl des Typs SUS 420 J2 oder SUS 440 C.
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Es ist schwierig, die Oberfläche der Lagerbohrung innerhalb der Lagerbuchse zu bearbeiten, insbesondere zu schleifen oder zu polieren. Vorzugsweise weist die Lagerbuchse im Bereich der Lagerbohrung eine mittlere Rauheit Ra von größer oder gleich 0,10 Mikrometer auf. Es ist somit in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die mittlere Rauheit RaL der Lagerbuchse etwa 10 Mal größer ist als die mittlere Rauheit RaW der Welle. Insbesondere ist das Verhältnis zwischen der mittleren Rauheit RaW der Welle und der mittleren Rauheit RaL der Lagerbuchse kleiner als 0,1.
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Ein weiterer Vorteil dieser Vorgehensweise liegt darin, dass es wesentlich einfacher ist, die außenliegende Oberfläche der Welle zu glätten, als die innenliegende Bohrung der Lagerbuchse.
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Gemäß einer bevorzugen Ausgestaltung der Erfindung besteht die Lagerbuchse aus Stahl des Typs SUS 303, SUS 303 Cu oder SUS 304. Die Lagerbuchse kann auch aus Stahl des Typs DHS-1, DHS-9 oder DHS-1B gefertigt sein.
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Das erfindungsgemäße fluiddynamische Lagersystem ist insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors zum Antrieb eines 3,5-Zoll-Festplattenlaufwerks geeignet.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungsfiguren näher beschrieben. Hieraus ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
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1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor, der mittels eines erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystems drehgelagert ist. Der Spindelmotor umfasst eine feststehende Basisplatte 10 mit einer hülsenförmigen zylindrischen Öffnung, in welcher eine Lagerbuchse 12 befestigt ist. Die Lagerbuchse 12 weist eine axiale zylindrische Lagerbohrung auf, in welcher eine Welle 14 drehbar aufgenommen ist. Zwischen dem Innendurchmesser der Lagerbohrung und dem etwas kleineren Außendurchmesser der Welle 14 ist ein ringförmiger Lagerspalt 18 mit einer Spaltbreite von einigen Mikrometer vorgesehen, der mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt ist. Die Lagerbuchse besteht beispielsweise aus Stahl des Typs DHS-1 und die Welle beispielsweise aus Stahl des Typs SUS 420 J2.
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Einander zugeordnete Lagerflächen der Lagerbuchse 12 und der Welle 14 bilden zusammen ein erstes fluiddynamisches Radiallager 24 und ein zweites fluiddynamisches Radiallager 26, die durch entsprechende Lagerrillenstrukturen 24a, 26a gekennzeichnet sind. Die Lagerrillenstrukturen 24a, 26a sind auf der Oberfläche der Lagerbohrung der Lagerbuchse 12 und/oder der Oberfläche der Welle 14 angeordnet. Sobald sich die Welle 14 in der Lagerbuchse 12 um die Drehachse 42 dreht, üben die Lagerrillenstrukturen 24a, 26a eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt 18 befindliche Lagerfluid aus. Auf diese Weise entsteht im Lagerspalt 18 ein hydrodynamischer Druck, wobei sich ein homogener und gleichmäßig dicker Schmiermittelfilm innerhalb des Lagerspalts 18 ausbildet, der die Radiallager 24, 26 tragfähig macht. Solange sich die Welle 14 in der Lagerbohrung dreht, wird diese vom durch die Lagerrillenstrukturen 24a, 26a erzeugten fluiddynamischen Druck stabilisiert und läuft berührungslos in der Lagerbohrung getrennt durch den Lagerspalt 18. Die beiden Radiallager 24, 26 sind durch einen Bereich mit vergrößerter Lagerspaltbreite, dem sogenannten Separatorspalt 28, axial voneinander getrennt.
Vorzugsweise sind die Lagerrillenstrukturen 24a des ersten (oberen) Radiallagers 24 bezüglich einer in Umfangsrichtung verlaufenden Symmetrielinie asymmetrisch ausgebildet und weisen eine in axialer Richtung verlaufende symmetrische Länge und eine asymmetrische Länge auf. Aufgrund dieser asymmetrischen Ausgestaltung der Lagerrillenstrukturen 24a erzeugt das erste Radiallager 24 keine gleichmäßige Pumpwirkung in beide Richtungen des Lagerspalts 18, sondern eine gerichtete Pumpwirkung, die überwiegend nach unten in Richtung des zweiten Radiallagers 26 gerichtet ist.
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Das zweite (untere) Radiallager 26 umfasst Lagerrillenstrukturen 26, die bezüglich einer in Umfangsrichtung verlaufenden Symmetrielinie vorzugsweise symmetrisch angeordnet sind. Das zweite Radiallager 26 umfasst daher lediglich eine in axialer Richtung verlaufende symmetrische Länge, so dass die Lagerrillenstrukturen 26a des zweiten Radiallagers 26 eine gleichmäßige Pumpwirkung auf das Lagerfluid in beide Richtungen des Lagerspalts 18 erzeugen.
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Durch den Einfluss des ersten Radiallagers 24 und dessen gerichtete Pumpwirkung ist eine bevorzugte Fließrichtung des Lagerfluids im Lagerspalt 18 nach unten gegeben.
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An dem in der Lagerbuchse 12 befindlichen Ende der Welle 14 ist eine Druckplatte 20 angeordnet, die auf die Welle 14 aufgepresst oder alternativ 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 konzentrisch zur Lagerbohrung aufgenommen. Die Druckplatte 20 besteht beispielsweise aus Stahl des Typs SUS 430 und die Abdeckplatte 22 aus Stahl des Typs DHS-1. Die obere Stirnseite der Druckplatte 20 bildet zusammen mit einer gegenüberliegenden Fläche der Lagerbuchse 12 ein erstes fluiddynamisches Axiallager 30. Die untere Stirnseite der Druckplatte 20 bildet zusammen mit einer gegenüberliegenden Fläche der Abdeckplatte 22 ein zweites fluiddynamisches Axiallager 32. Die beiden fluiddynamischen Axiallager 30, 32 weisen jeweils Axiallagerrillen auf, die auf der oberen Lagerfläche der Druckplatte 20 und/oder der Lagerfläche der Lagerbuchse 12 beziehungsweise der unteren Lagerfläche der Druckplatte 20 und/oder der Abdeckplatte 22 angeordnet sind. Die Axiallagerrillen der Axiallager 30, 32 sind vorzugsweise spiralrillenförmig oder aber auch fischgrätenförmig (herringbone) ausgebildet. Es wird hierbei bevorzugt, wenn die Lagerrillenstrukturen der Axiallager 30, 32 eine gleichmäßige Pumpwirkung in beide Richtungen der radialen Abschnitte des die Druckplatte 20 umgebenden Lagerspalts 18 erzeugen.
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Sobald die an der Welle 14 angeordnete Druckplatte 20 in Rotation versetzt wird, baut sich aufgrund der Axiallagerrillen auf den Axiallagerflächen der beiden Axiallager 30, 32 ein hydrodynamischer Druck in dem die Druckplatte 20 umgebenden Lagerspalt 18 auf. Dadurch werden die Axiallager 30, 32 tragfähig, und die Druckplatte 20 wird im Wesentlichen axial mittig und berührungsfrei in der vorgesehenen Aussparung der Lagerbuchse 12 positioniert.
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Das offene Ende des Lagerspalts 18 ist durch eine Dichtung, beispielsweise einen kapillaren Dichtungsspalt 34, abgedichtet. Der Dichtungsspalt 34 wird gebildet durch eine äußere Umfangsfläche der Welle 14 und eine innere Umfangsfläche der Lagerbuchse 12. Die innere Umfangsfläche der Lagerbuchse 12 ist vorzugsweise abgeschrägt, so dass der Dichtungsspalt 34 einen im Wesentlichen konischen Querschnitt aufweist. Der Dichtungsspalt 34 ist unmittelbar mit dem Lagerspalt 18 verbunden und anteilig mit Lagerfluid gefüllt.
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Das freie Ende der Welle 14 ist mit einer Nabe 16 verbunden. Die Nabe 16 ist entsprechend dem Zweck des Spindelmotors ausgebildet und im vorliegenden Beispiel aus Aluminium gefertigt. Ist der Spindelmotor als Antrieb eines Festplattenlaufwerks gedacht, werden auf der Nabe 16 eine oder mehrere Speicherplatten des Festplattenlaufwerks angeordnet und befestigt. Die Befestigung der Speicherplatte erfolgt beispielsweise mittels einer Klammer, die durch Schrauben an der Nabe 16 befestigt ist und die Speicherplatte auf die Nabe 16 presst.
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An einem inneren unteren Rand der Nabe 16 ist ein ringförmiger Rotormagnet 40 mit einer Mehrzahl von Polpaaren angeordnet. Der Rotormagnet 40 liegt an einem Rückschlussring 38 an, der vorzugsweise aus Stahl gefertigt ist. Gegenüberliegend dem Rotormagneten 40 ist an der Basisplatte 10 eine Statoranordnung 36 befestigt, die durch einen radialen Luftspalt von dem Rotormagneten 40 getrennt ist. Die Statoranordnung 36 weist Statorwicklungen auf, die entsprechend mit Strom versorgt ein elektrisches Wechselfeld erzeugen, sodass der Rotor, bestehend aus der Nabe 16, dem Rotormagneten 40, dem Rückschlussring 38 und der Welle 14, in Drehung versetzt wird.
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Während des Betriebs des Spindelmotors gleiten die Welle 14 und die Druckplatte 20 berührungslos nur durch den Lagerspalt 18 getrennt in der Lagerbohrung bzw. Aussparung der Lagerbuchse 12. Durch heftige Bewegungen oder Schockeinwirkung kann die Welle 14 ins Taumeln geraten, wobei insbesondere in den in 1 eingekreisten und mit „X“ bezeichneten Bereichen eine Berührung zwischen Welle 14 und Lagerbuchse 12 erfolgen kann. Durch Berührungen entsteht Materialabrieb, der durch eine fein polierte Welle mit einer mittleren Rauheit von maximal 0,01 Mikrometer gering gehalten wird. Die Rauheit Ra der Lagerbuchse 12 beträgt in diesem Ausführungsbeispiel typischerweise etwa 0,14 Mikrometer.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Basisplatte
- 12
- Lagerbuchse
- 14
- Welle
- 16
- Nabe
- 18
- Lagerspalt
- 20
- Druckplatte
- 22
- Abdeckplatte
- 24
- Radiallager
- 24a
- Lagerrillenstrukturen
- 26
- Radiallager
- 26a
- Lagerrillenstrukturen
- 28
- Separatorspalt
- 30
- Axiallager
- 32
- Axiallager
- 34
- Dichtungsspalt
- 36
- Statoranordnung
- 38
- Rückschlussring
- 40
- Rotormagnet
- 42
- Drehachse
- X
- mögliche Berührungszonen zwischen Welle und Lagerbuchse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012020228 A1 [0003]
- US 20080075398 A1 [0006]
