-
Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
-
Fluiddynamische Lagersysteme werden beispielsweise zur Drehlagerung von Spindelmotoren eingesetzt und umfassen mindestens ein feststehendes und mindestens ein drehbares Lagerbauteil, die zumindest im Betrieb des Lagers durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten, engen Lagerspalt voneinander getrennt sind. Die beiden Lagerbauteile umfassen Lagerflächen, auf denen Lagerrillenstrukturen angeordnet sind. Im Betrieb des Lagers erzeugen die Lagerrillenstrukturen eine Pumpwirkung auf das im Lagerspalt befindliche Lagerfluid, wodurch im Lagerspalt ein hydrodynamischer Druck aufgebaut wird, der das Lager tragfähig macht. Es gibt fluiddynamische Radiallager, fluiddynamische Axiallager sowie fluiddynamische konische Lager. Während ein Radiallager nur radiale Kräfte und ein Axiallager nur axiale Kräfte aufnehmen kann, ist bei einem konischen Lager die Lagerfläche schräg zur Rotationsachse ausgerichtet. Dadurch können konische Lager sowohl radiale als auch axiale Kräfte aufnehmen.
-
Die
DE 10 2011 016 888 A1 offenbart einen Spindelmotor für ein Festplattenlaufwerk mit einem fluiddynamischen konischen Lagersystem. An einer feststehenden Welle sind in einem axialen Abstand zueinander zwei konische Lagerbauteile angeordnet, die zusammen mit einer rotierenden Nabe zwei fluiddynamische konische Lager ausbilden. Die konischen Lagerbauteile und die Nabe sind durch jeweils einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander getrennt. Jeder Lagerspalt ist an seinen beiden Enden durch kapillare Dichtungsspalte abgedichtet. Die im Lagerinneren angeordneten Dichtungsspalte sind durch einen Luftraum voneinander getrennt. Neben den Lagerrillenstrukturen sind beispielsweise im Bereich der inneren Dichtungsspalte dynamische Pumpdichtungen angeordnet, die Pumpdichtungsrillen aufweisen.
-
Die
DE 10 2008 052 469 A1 offenbart einen Spindelmotor mit einer anderen Ausgestaltung eines fluiddynamischen Lagersystems. Dieses Lagersystem weist eine feststehende Welle auf, an der eine Lagerbuchse drehbar gelagert ist. Entlang eines mit Lagerfluid gefüllten Lagerspalts sind zwei in einem axialen Abstand angeordnete fluiddynamische Radiallager vorgesehen. Die Lagerbuchse bildet mit einem feststehenden Lagerbauteil ein fluiddynamisches Axiallager. Der Lagerspalt weist zwei offene Enden auf, die durch kapillare Dichtungsspalte abgedichtet sind. Entlang mindestens eines Dichtungsspalts ist eine dynamische Pumpdichtung angeordnet, welche entsprechende Pumpdichtungsrillen aufweist.
-
Üblicherweise wird die Tiefe der Lagerrillenstrukturen und Pumpdichtungsrillen derart gewählt, dass sie deutlich größer ist als die Spaltbreite der zugeordneten Dichtungsspalte. Dadurch wird eine effektive dynamische Pumpwirkung gewährleistet. Vorzugsweise ist das Verhältnis zwischen der Spaltbreite und der Tiefe der Rillenstrukturen kleiner als 1. Die typische Spaltbreite eines Lagerspalts eines fluiddynamischen Lagersystems zur Drehlagerung eines Miniatur-Spindelmotors beträgt für fluiddynamische Radiallager sowie für fluiddynamische Lager mit konischen Lagerflächen etwa 1,8 bis 5 Mikrometer. Die Spaltbreiten der Dichtungsspalte im Bereich der dynamischen Pumpdichtungen, also der Pumpdichtungsspalte, liegen im Bereich von etwa 10 bis 15 Mikrometer.
-
Bei den beschriebenen fluiddynamischen Lagersystemen kann es im Stillstand des Lagers unter hoher Schockeinwirkung oder bei großen Vibrationen vorkommen, dass Lagerfluid aus den mit den dynamischen Pumpdichtungen versehenen Dichtungsspalten austreten kann. Dieser Sachverhalt wird durch das sogenannte NOV-Verhalten (Non Operating Vibration Performance) des Lagers beschrieben. In den Pumpdichtungsrillen der dynamischen Pumpdichtungen befindet sich Lagerfluid, das durch Kapillarkräfte in den Pumpdichtungsrillen gehalten wird. Unter Schockeinwirkung auf das Lager treten hohe Scherkräfte auf, welche die Kapillarkräfte überlagern, sodass das Lagerfluid entlang der Pumpdichtungsrillen aus dem Dichtungsspalt herausfließen kann.
-
Die
DE 10 2018 110 688 A1 offenbart einen Spindelmotor für ein Festplattenlaufwerk mit einem fluiddynamischen konischen Lagersystem mit einer Ausgestaltung eines ähnlichen Lagersystems, bei dem die Schockfestigkeit und Vibrationsbeständigkeit bei Stillstand bereits deutlich verbessert ist. Dabei wird im Wesentlichen das Verhältnis zwischen der Spaltbreite des Pumpdichtungsspalts und der Tiefe der Pumprillenstrukturen berücksichtigt.
-
Weitere Verbesserungen des NOV-Verhaltens erhöhen die Sicherheit gegen das Herausfließen des Lagerfluids aus dem Dichtungsspalt und das Lagersystem kann somit höheren Anforderungen ausgesetzt werden.
-
Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Schockfestigkeit und Vibrationsbeständigkeit eines fluiddynamischen Lagersystems insbesondere bei Stillstand des Lagersystems zu verbessern, um die Gefahr eines Austretens von Lagerfluid aus dem Lagersystem zu minimieren.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein fluiddynamisches Lagersystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
-
Bevorzugte Ausgestaltungen und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Das fluiddynamische Lagersystem umfasst mindestens zwei relativ zueinander drehbare Lagerbauteile, die durch mindestens einen beidseitig offenen und mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt voneinander getrennt sind. Es ist mindestens ein fluiddynamisches Lager vorgesehen, das entlang des mindestens einen Lagerspalts angeordnet ist und Lagerrillenstrukturen aufweist. Mindestens ein offenes Ende des Lagerspalts ist durch einen Dichtungsspalt abgedichtet. Entlang des Dichtungsspalts ist eine dynamische Pumpdichtung mit Pumpdichtungsrillen angeordnet, wobei diese Pumpdichtungsrillen im Wesentlichen parallel zueinander und in einem Winkel (α) schräg zur Drehrichtung des Lagers verlaufen.
-
Erfindungsgemäß beträgt der Winkel (α) der Pumpdichtungsrillen in Bezug auf die Drehrichtung des Lagers zwischen 30° und 50° und besonders bevorzugt zwischen 35° und 45°.
-
Die Drehrichtung des Lagers verläuft senkrecht zur Rotationsachse des Lagers. Der Dichtungsspalt ist ringförmig (zylindrisch) ausgebildet und verläuft vorzugsweise parallel und konzentrisch zur Rotationsachse des Lagers.
-
Der Dichtungsspalt mündet zur Lageröffnung hin in eine konische Kapillardichtung, welche sich in Richtung zur Lageröffnung verbreitert, wobei die Pumpdichtungsrillen der dynamischen Pumpdichtung vorzugsweise zumindest partiell bis in diese Verbreiterung der konischen Kapillardichtung hineinreichen. Vorzugsweise ist die Spaltbreite des Dichtungsspalts konstant, abgesehen vom Übergangsbereich der Pumpdichtungsrillen in die konische Kapillardichtung.
-
Der Winkel α der Pumpdichtungsrillen relativ zur Drehrichtung des Lagers hat einen großen Einfluss auf Schockfestigkeit und Vibrationsbeständigkeit eines stillstehenden fluiddynamischen Lagersystems. Je größer der Winkel α ist, desto geringer ist das Risiko, dass Lagerfluid entlang der Pumprillen in den Dichtungsspalt und von dort aus dem Lagersystem heraus gedrückt wird. Dadurch verbessert sich die Schockfestigkeit und Vibrationsbeständigkeit des stillstehenden Lagers.
Weiterhin beeinflussen die Spaltbreite des Dichtungsspalts im Bereich der dynamischen Pumpdichtung und die Rillentiefe der Pumpdichtungsrillen das NOV-Verhalten des Lagers.
-
Andererseits ist die dynamische Pumpwirkung der Pumpdichtungsrillen ebenfalls abhängig vom Winkel α. Das Optimum der dynamischen Pumpwirkung wird bei einem Winkel α im Bereich von etwa 41° erreicht. In diesem Winkelbereich ist das NOV-Verhalten des Lagers ebenfalls sehr gut.
-
Der Dichtungsspalt ist vorzugsweise so ausgebildet, dass sich die Spaltbreite des Dichtungsspalts in Richtung seiner Öffnung verbreitert, wobei die Pumpdichtungsrillen bis in diese Verbreiterung hineinreichen, d. h. bis in diesen verbreiterten Bereich des Dichtungsspalts durchbrechen.
-
Die Spaltbreite des Dichtungsspalts im Bereich der dynamischen Pumpdichtungen und der Ruhezonen ist im Vergleich zur Spaltbreite der angrenzenden Lagerspalte relativ groß und beträgt vorzugsweise mindestens 15 +/- 2 Mikrometer. Bevorzugt liegt die Spaltbreite bei mindestens 16 +/- 2 Mikrometer und besonders bevorzugt bei 18 +/- 2 Mikrometer.
-
Das fluiddynamische Lagersystem kann beliebig ausgestaltet sein und mindestens ein fluiddynamisches konisches Lager oder mindestens ein fluiddynamisches Radiallager oder mindestens ein fluiddynamisches Axiallager oder eine beliebige Kombination aus einem oder mehreren dieser vorgenannten Lager aufweisen.
-
Das erfindungsgemäße fluiddynamische Lagersystem kann vorzugsweise zur Drehlagerung eines Spindelmotors verwendet werden, der mittels eines elektromagnetischen Antriebssystems zum Antrieb von beispielsweise Festplattenlaufwerken, optischen Laufwerken, Laserscannern oder Lüftern eingesetzt werden kann.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Bezugnahme auf die Zeichnungsfiguren näher beschrieben. Hierbei ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
- 1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Spindelmotor mit einem konischen fluiddynamischen Lagersystem.
- 2 zeigt einen Schnitt durch das Rotorbauteil des Spindelmotors mit Darstellung der Lagerrillenstrukturen und Pumpdichtungsrillen.
- 2A zeigt eine vergrößerte Ansicht der Pumpdichtungsrillen in Form des Details X aus 2.
- 3 Beispieldiagramm des auftretenden Drucks in der Pumpdichtung im NOV-Fall in Abhängigkeit des Winkels α.
- 4 Beispieldiagramm des Schwellwertes der zulässigen Beschleunigungskräfte im NOV-Fall in Abhängigkeit des Winkels α.
-
1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen konischen Lagersystem mit zwei fluiddynamischen konischen Lagern 24, 26.
-
Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 10 mit einer Bohrung, in der eine feststehende Welle 12 angeordnet ist. An der Welle 12 ist ein erstes konisches Lagerbauteil 14 mit konischer Lagerfläche in einem axialen Abstand zu einem zweiten konischen Lagerbauteil 16 mit konischer Lagerfläche angeordnet. Die konischen Lagerflächen der beiden Lagerbauteile 14, 16 sind einander zugewandt. Die Basisplatte 10, die Welle 12 und die beiden konischen Lagerbauteile 14, 16 bilden das feststehende Bauteil des Spindelmotors. Es ist eine um eine Rotationsachse 18 drehbare Lagerbuchse 20 vorgesehen, die eine Bohrung sowie zwei endseitige hohlkegelige Aussparungen aufweist, in denen die Welle 12 und die beiden konischen Lagerbauteile 14, 16 aufgenommen sind. Die Lagerfläche des ersten konischen Lagerbauteils 14 bildet mit der gegenüberliegenden Lagerfläche der Lagerbuchse 20 das erste konische Lager 24, während die Lagerfläche des zweiten konischen Lagerbauteils 16 zusammen mit der gegenüberliegenden Lagerfläche der Lagerbuchse 20 das zweite konische Lager 26 bildet. Die beiden konischen fluiddynamischen Lager 24, 26 sind identisch, aber voneinander getrennt aufgebaut. Sie haben keinen gemeinsamen Fluidkreislauf.
-
Aneinander angrenzende Flächen des ersten konischen Lagerbauteils 14, der Lagerbuchse 20 und der Welle 12, die sich bei Stillstand oder geringen Drehzahlen berühren können, sind durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten ersten Lagerspalt 28 voneinander getrennt. Aneinander angrenzende Flächen des zweiten konischen Lagerbauteils 16, der Lagerbuchse 20 und der Welle 12, die sich bei Stillstand oder geringen Drehzahlen berühren können, sind durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten zweiten Lagerspalt 30 voneinander getrennt. Die äußeren Enden der Lagerspalte 28, 30 sind jeweils durch äußere Dichtungsspalte 32, 34 abgedichtet. Die äußeren Dichtungsspalte 32, 34 werden durch jeweils eine innere Umfangsfläche der Lagerbuchse 20 und äußere Umfangsflächen des zugeordneten konischen Lagerbauteils 14, 16 begrenzt.
-
Die Weglänge der axialen Relativbewegung der Lagerbuchse 20 zu den feststehenden Lagerbauteilen 12, 14, 16, das sogenannte Axialspiel, kann zwischen 10 Mikrometer und 25 Mikrometer betragen und wird durch den gegenseitigen Abstand der beiden konischen Lagerbauteile 14, 16 begrenzt. Eine Nabe 22 ist mit der Lagerbuchse 20 drehfest verbunden. Die Lagerbuchse 20 und die Nabe 22 bilden zusammen das rotierende Bauteil des Spindelmotors.
-
Die konischen Lagerbauteile 14, 16 verlaufen im Bereich der konischen Lagerflächen von ihrer der Lagermitte zugewandten Seite in Richtung des Lageräußeren betrachtet unter einem spitzen Winkel zur Rotationsachse von beispielsweise 30° schräg nach außen. Diese Fläche weist einen sehr großen Radius von beispielsweise 250 Millimeter auf, was man als „crowning“ bezeichnet und wodurch sichergestellt wird, dass die konischen Flächen der Lagerbuchse 20 und der konischen Lagerbauteile 14, 16 in diesem Bereich nicht festklemmen können. Alternativ oder zusätzlich kann dieser Radius auch in den jeweiligen gegenüberliegenden konischen Flächen der Lagerbuchse 20 vorgesehen sein.
-
Beide konusförmigen Lager 24, 26 weisen beispielsweise fischgrätenartige Lagerrillenstrukturen 24a, 26a (2) auf, die jeweils auf den Lagerflächen der konischen Lagerbauteile 14, 16 und/oder den gegenüberliegenden Lagerflächen der Lagerbuchse 20 angeordnet sind. Die Lagerrillenstrukturen 24a, 26a jedes konischen Lagers 24, 26 weisen jeweils einen längeren Ast auf, der einem äußeren Dichtungsspalt 32, 34 benachbart angeordnet ist, sowie einen kürzeren Ast, welcher einer innen liegenden dynamischen Pumpdichtung 40, 42 benachbart angeordnet ist. Aufgrund der stärkeren Pumpwirkung der längere Äste der jeweiligen Lagerrillenstrukturen 24a, 26a der konischen Lager 24, 26 ergibt sich insgesamt eine überwiegend in das Lagerinnere gerichtete Pumpwirkung. Aufgrund der konischen Lagerflächen der konischen Lagerbauteile 14, 16 wirken die konischen Lager 24, 26 zugleich als Radial- und als Axiallager. Die beiden konusförmigen Fluidlager 24, 26 wirken insofern gegeneinander, als dass diese das Lagerfluid in Richtung der jeweils zugeordneten Pumpdichtung 40, 42 pumpen, so dass das Lagersystem insgesamt im Gleichgewicht ist.
-
Die Lagerspalte 28, 30 der beiden konischen Lager 24, 26 sind nicht miteinander verbunden, sondern weisen jeweils ein oberes und ein unteres offenes Ende auf, die mit der Außenumgebung des Lagers verbunden sind. Die jeweils außen liegenden Enden der Lagerspalte 28, 30 münden jeweils in Richtung des unteren bzw. oberen Endes der Welle 12, während die innen liegenden Enden der Lagerspalte 28, 30 innerhalb des Lagers in einen Freiraum 38 münden, der zwischen dem Außenumfang der Welle 12 und einem Innenumfang der Lagerbuchse 20 angeordnet ist. Der Freiraum 38 ist beispielsweise durch eine am Außenumfang der Welle 12 und/oder am Innenumfang der Lagerbuchse 20 vorgesehene Nut oder Rille gebildet.
-
Die jeweiligen Enden der Lagerspalte 28, 30 sind durch Dichtungen, vorzugsweise Kapillardichtungen in Form der äußeren Dichtungsspalte 32, 34 und inneren Dichtungsspalte 44, 46 abgedichtet. Die den Lagerspalten 28, 30 zugeordneten äußeren und inneren Dichtungsspalte 32, 44 und 34, 46 sind teilweise mit Lagerfluid gefüllt. Die jeweils äußeren Dichtungsspalte 32, 34 sind vorzugsweise als konische Kapillardichtungen ausgebildet und bilden ein Fluidreservoir für das Lagerfluid, welches die Temperaturausdehnung des Lagerfluids ausgleicht und als Vorratsvolumen für das Lagerfluid dient. Die äußeren Dichtungsspalte 32, 34 werden jeweils begrenzt durch eine äußere Dichtungsfläche der konischen Lagerbauteile 14, 16 sowie eine gegenüberliegende innere Dichtungsfläche eines Randes der Lagerbuchse 20. Die äußeren Dichtungsspalte 32, 34 sind durch Abdeckkappen 36 abgedeckt, die mit der Lagerbuchse 20 fest verbunden sind.
-
Die äußeren Umfangsflächen der konischen Lagerbauteile 14, 16 verlaufen zunächst schräg nach außen in einem spitzen Winkel zur Rotationsachse 18 und neigen sich dann um einen Winkel von etwa 30° nach innen in Richtung zur Rotationsachse 18. Die innere Umfangsfläche der Nabe 22 verläuft im Bereich der äußeren Dichtungsspalte 32, 34 in einem sehr spitzen Winkel zur Rotationsachse 18. Somit ergibt sich für die Dichtungsspalte 32, 34 ein konischer Querschnitt.
-
Um eine gute Zirkulation des Lagerfluids in den Lagerspalten 28, 30 sicherzustellen, sind in den konischen Lagerbauteilen 14, 16 sogenannte Rezirkulationskanäle 14a, 16a vorgesehen. Durch die Lagerrillenstrukturen der konischen Lager 24, 26 wird das in den Lagerspalten 28, 30 befindliche Lagerfluid ausgehend von den äußeren Dichtungsspalten 32, 34 in Richtung der innen liegenden Dichtungsspalte 44, 46 und der Pumpdichtungen 40, 42 befördert. Durch die Pumpdichtungen 40, 42 wird das Lagerfluid zurück in das Lagerinnere gepumpt und fließt über die Rezirkulationskanäle 14a, 16a wieder zurück zu den äußeren Dichtungsspalten 32, 34. Die Rezirkulationskanäle 14a, 16a verlaufen ausgehend von den inneren Dichtungsspalten 44, 46 zunächst zwischen dem Außenumfang der Welle 12 und dem Innenumfang der konischen Lagerbauteile 14, 16 und dann radial nach außen durch die konischen Lagerbauteile 14, 16 bis in den Übergangsbereich zwischen den Lagerspalten 28, 30 und dem äußeren Dichtungsspalt 32, 34.
-
Die Nabe 22 und die Lagerbuchse 20 werden mittels eines elektromagnetischen Antriebssystems drehend gegenüber den feststehenden Motorbauteilen angetrieben. Der Spindelmotor ist ein elektronisch kommutierter Gleichstrommotor, dessen Antriebssystem eine ringförmige Statoranordnung 52 mit mehreren Phasenwicklungen umfasst, die an der Basisplatte 10 befestigt ist. Die Statoranordnung 52 ist innerhalb einer Aussparung der Nabe 22 angeordnet und liegt einem Rotormagneten 56 direkt gegenüber. Der Rotormagnet 56 ist an einer inneren Umfangsfläche der Nabe 22 angeordnet und durch einen ringförmigen Luftspalt von der Statoranordnung 52 getrennt und umschließt die Statoranordnung 52 konzentrisch. Durch entsprechende Bestromung der Phasenwicklungen der Statoranordnung 52 wird ein elektromagnetisches Drehfeld erzeugt, welches auf den Rotormagneten 56 wirkt und den Rotor in Drehung versetzt. Die Nabe 22 besteht vorzugsweise aus Aluminium oder Stahl und weist im zeichnerisch dargestellten Fall der Verwendung von Aluminium einen Rand auf, an dessen Innendurchmesser ein magnetischer Rückschluss 54 für einen Rotormagneten 56 befestigt ist.
-
Die an der Basisplatte 10 befestigte Statoranordnung 52 bildet mit dem Rotormagneten 56 und dem magnetischen Rückschluss 54 das elektromagnetische Antriebssystem des Spindelmotors.
-
Bei dem dargestellten Lagersystem mit zwei separaten konischen Lagern und jeweils separaten Lagerspalten 28, 30 mit zwei offenen Enden ist es wichtig, dass die in Richtung Basisplate 10 und die im Lagerinneren mündenden Öffnungen der Dichtungsspalte 32, 44,46belüftet werden, so dass an der Grenze zwischen dem in den Dichtungsspalten 32, 44, 46 befindlichen Lagerfluid und der umgebenden Luft Umgebungsdruck herrscht. Eine Belüftung des Freiraums 38 im Lagerinneren erfolgt vorzugsweise durch eine in der Welle angeordnete Bohrung 58, die über eine Querbohrung 60a mit dem Freiraum 38 verbunden ist. Die Bohrung 58 in der Welle ist über eine weitere Querbohrung 60b belüftet. Somit herrscht im Freiraum 38 derselbe Druck wie an den Außenseiten des Lagers. Der äußere Dichtungsspalt 32 des unteren konischen Lagers 24 und die Querbohrung 60a wird über einen Spalt zwischen der Lagerbuchse 20 und der Basisplatte 10 belüftet.
-
Der hier gezeigte Spindelmotor kann zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks verwendet werden. Dafür können auf einer Auflagefläche am Außenumfang der Nabe 22 eine oder mehrere Speicherplatten (nicht zeichnerisch dargestellt) befestigt werden. Des Weiteren kann der Spindelmotor auch zum Antrieb eines Lüfterrades oder Laserscanners eingesetzt werden.
-
In den hier gezeigten Ausführungsbeispielen sind die Nabe 22 und die Lagerbuchse 20 zwei separate Bauteile aus verschiedenen Materialien. Nabe 22 und Lagerbuchse 20 können auch einteilig ausgebildet (nicht zeichnerisch dargestellt) und beispielsweise aus Stahl gefertigt sein. In diesem Fall kann auf den separaten magnetischen Rückschluss 54 des elektromagnetischen Antriebsystems verzichtet werden.
-
2 zeigt das Rotorbauteil bestehend aus Lagerbuchse 20 und Nabe 22. Man erkennt, dass die Lagerrillenstrukturen 24a, 26a der beiden konischen fluiddynamischen Lager 24, 26 vorzugsweise auf den Lagerflächen der Lagerbuchse 20 angeordnet sind. Sie könnten aber auch auf den Lagerflächen der konischen Lagerbauteile 14, 16 oder auf den Lagerflächen aller Bauteile 14, 16, 20 angeordnet sein.
-
Ebenso sind die Pumpdichtungsrillen 40a, 42a der dynamischen Pumpdichtungen 40, 42 auf entsprechenden Oberflächen der Lagerbuchse 20 angeordnet, welche die inneren Dichtungsspalte 44, 46 begrenzen. Die Pumpdichtungsrillen 40a, 42a könnten jedoch auch auf den die inneren Dichtungspalte 44, 46 begrenzenden Oberflächen der Welle 12 oder sowohl auf der Lagerbuchse 20 als auch der Welle 12 angeordnet sein.
-
2A zeigt eine vergrößerte Ansicht des Details X in 2. Die Pumpdichtungsrillen 40a, 42a der dynamischen Pumpdichtungen 40, 42 sind jeweils unter konstantem Winkel α als im Wesentlichen parallel zueinander verlaufende Rillen ausgebildet, die in einem Winkel α schräg zur Drehrichtung der Lagerbuchse 20 angeordnet sind. Der Winkel α beträgt erfindungsgemäß zwischen 30° und 50° und besonders bevorzugt zwischen 35° und 45°. Die Pumpdichtungsrillen 40a, 42a der Pumpdichtungen 40, 42 üben während der Drehung des Lagers auf das in den inneren Dichtungsspalten 44, 46 befindliche Lagerfluid eine Pumpwirkung in Richtung des jeweils zugeordneten Lagerspalts 28, 30 aus. Auf der dem Freiraum 38 zugewandten Seite weiten sich die inneren Dichtungsspalte 44, 46 bis auf die Spaltbreite des Freiraums 38 auf. Die Enden der Pumpdichtungsrillen 40a, 42a reichen in diese verbreiterten Bereiche der Dichtungsspalte 44, 46 hinein, d. h. sie brechen bis in diesen verbreiterten Bereich der Dichtungsspalte 44, 46 durch.
-
Wie man in 2 sieht, sind zwischen den Pumpdichtungsrillen 40a, 42a der Pumpdichtungen 40, 42 und den Lagerrillenstrukturen 24a, 26a der konischen Lager 24, 26 im Bereich der inneren Dichtungsspalte 44, 46 entsprechende Ruhezonen 48, 50 vorgesehen. Entlang dieser Ruhezonen 48, 50 sind die Oberflächen der Lagerbauteile nicht strukturiert.
-
Erfindungsgemäß beträgt die Spaltbreite der inneren Dichtungsspalte 44, 46 im Bereich der dynamischen Pumpdichtungen 40, 42 und den Ruhezonen 48, 50 vorzugsweise zwischen 15 und 21 Mikrometer, beispielsweise18 Mikrometer.
-
Die Tiefe der Pumpdichtungsrillen 40a, 42a der Pumpdichtungen 40, 42 ist wesentlich kleiner als die Spaltbreite der inneren Dichtungsspalte 44, 46 und beträgt vorzugsweise zwischen 6 und 10 Mikrometer, beispielsweise 8 Mikrometer.
-
Aufgrund des relativ großen Winkels α der Pumpdichtungsrillen 40a, 42a von vorzugsweise 35° bis 45° bezogen auf die Drehrichtung der Lagerbuchse 20 wird bei stehendem Lager und bei einem auftretenden axialen Schock das in den Pumpdichtungsrillen 40a, 42a befindliche Lagerfluid nur wenig beschleunigt. Die Kapillarkräfte in den inneren Dichtungsspalten 44, 46 sind größer als die auf das Lagerfluid ausgeübten Beschleunigungskräfte, so dass ein Austreten von Lagerfluid aus den Dichtungsspalten 44, 46 in den Freiraum 38 wirkungsvoll verhindert wird.
-
3 zeigt ein Beispieldiagramm des auftretenden Drucks in der dynamischen Pumpdichtung 40, 42 in Abhängigkeit des Winkels α der Pumpdichtungsrillen 40a, 42a im NOV-Fall für verschiedene Spaltbreiten des inneren Dichtungsspalts 44, 46 von 18 Mikrometer und 20 Mikrometer. Es zeigt sich, dass der im NOV-Fall bei stehendem Lager erzeugte Druck im inneren Dichtungsspalt 44, 46 mit Vergrößerung des Winkels α der Pumpdichtungsrillen 40a, 42a im Wesentlichen linear abnimmt. Bei einer Spaltbreite des inneren Dichtungsspalts 44, 46 von 18 Mikrometer halbiert sich der Druck von 500 Pa auf etwa 250 Pa bei einer Vergrößerung des Winkels α der Pumpdichtungsrillen 40a, 42a von 20° auf 45°. Bei einer Vergrößerung der Spaltbreite des inneren Dichtungsspalts 44, 46 von 18 Mikrometer auf 20 Mikrometer nimmt der Druck im inneren Dichtungsspalt 44, 46 insgesamt ab.
-
4 zeigt ein Beispieldiagramm des Schwellwertes der zulässigen Beschleunigungskräfte (Effektivwert der g-Kraft [m/s2]) im NOV-Fall in Abhängigkeit des Winkels α der Pumpdichtungsrillen 40a, 42a und der Spaltbreite des inneren Dichtungsspalts 44, 46.
-
Wenn die auf das stehende Lager einwirkende g-Kraft im NOV-Fall zu groß wird, dann wird das Lagerfluid nicht mehr durch Kapillarkräfte in der Pumpdichtung 40, 42 gehalten und es besteht das Risiko eines Austritts von Lagerfluid aus dem inneren Dichtungsspalt 44, 46.
-
Man erkennt, dass der Schwellenwert der zulässigen g-Kraft bei einer Vergrößerung des Winkels α der Pumpdichtungsrillen 40a, 42a etwa linear ansteigt. Für einen inneren Dichtungsspalt 44, 46 von 20 Mikrometer Spaltbreite ist der Schwellenwert der zulässigen g-Kraft ebenfalls deutlich größer als bei einem inneren Dichtungsspalt 44, 46 Pumpdichtungsspalt mit nur 18 Mikrometer Spaltbreite.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Basisplatte
- 12
- Welle
- 14
- konisches Lagerbauteil
- 14a
- Rezirkulationskanal
- 16
- konisches Lagerbauteil
- 16a
- Rezirkulationskanal
- 18
- Rotationsachse
- 20
- Lagerbuchse
- 22
- Nabe
- 24
- erstes konisches Lager
- 24a
- Lagerrillenstrukturen
- 26
- zweites konisches Lager
- 26a
- Lagerrillenstrukturen
- 28
- Lagerspalt
- 30
- Lagerspalt
- 32
- äußerer Dichtungsspalt
- 34
- äußerer Dichtungsspalt
- 36
- Abdeckkappe
- 38
- Freiraum
- 40
- dynamische Pumpdichtung
- 40a
- Pumpdichtungsrillen
- 42
- dynamische Pumpdichtung
- 42a
- Pumpdichtungsrillen
- 44
- innerer Dichtungsspalt
- 46
- innerer Dichtungsspalt
- 48
- Ruhezone
- 50
- Ruhezone
- 52
- Statoranordnung
- 54
- magnetischer Rückschluss
- 56
- Rotormagnet
- 58
- Bohrung
- 60a
- Querbohrung
- 60b
- Querbohrung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102011016888 A1 [0003]
- DE 102008052469 A1 [0004]
- DE 102018110688 A1 [0007]
