DE10352573A1

DE10352573A1 - Hydrodynamisches Lager, Spindelmotor und Festplattenlaufwerk

Info

Publication number: DE10352573A1
Application number: DE10352573A
Authority: DE
Inventors: Martin Haten; Joerg Hoffmann; Dieter Braun
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2003-11-11
Filing date: 2003-11-11
Publication date: 2005-06-23
Anticipated expiration: 2023-11-12
Also published as: JP2005147395A; US7059773B2; DE10352573B4; US20050100255A1; JP4519607B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein hydrodynamisches Lager mit einer Welle, einer Lagerhülse, welche die Welle mit geringem radialen Abstand unter Bildung eines konzentrischen Lagerspaltes umgreift, und einem Ausgleichsvolumen, das zwischen einem Außenumfang der Lagerhülse und einer die Lagerhülse wenigstens teilweise überdeckenden, relativ zur Lagerhülse feststehenden Abdeckkappe angeordnet ist und über mindestens einen Verbindungskanal oder -spalt mit dem Lagerspalt verbunden ist, wobei ein Lagerfluid den Lagerspalt und den Verbindungskanal/-spalt vollständig und das Ausgleichsvolumen wenigstens teilweise ausfüllt und einen zusammenhängenden Fluidfilm zwischen dem Lagerspalt und dem Ausgleichsvolumen bildet.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein hydrodynamisches Lager, einen Spindelmotor und ein Festplattenlaufwerk.

Üblicherweise besteht ein Spindelmotor für ein Festplattenlaufwerk aus einem drehenden Bauteil, dem Rotor, dem ein ringförmiger Permanentmagnet zugeordnet ist, und einem stehenden Bauteil, dem Stator, dem ein mit Spulen bewickeltes Blechpaket zugeordnet ist, wobei der Rotor gegenüber dem Stator mittels eines geeigneten Lagersystems drehgelagert ist.

Dabei kommen neben den seit langem verwendeten Wälzlagern zunehmend hydrodynamische Lager zur Anwendung. Ein hydrodynamisches Lager ist ein weiterentwickeltes Gleitlager, das aus einer Lagerhülse mit zylindrischer Lagerinnenfläche und einer in die Hülse eingesetzten Welle mit zylindrischer Lageraußenfläche gebildet ist. Der Durchmesser der Welle ist geringfügig kleiner als der Innendurchmesser der Hülse, wodurch zwischen den beiden Lagerflächen ein konzentrischer Lagerspalt entsteht, der unter Bildung eines zusammenhängenden Kapillarfilms mit einem Schmiermittel, vorzugsweise mit Öl, gefüllt ist.

Um zu verhindern, dass Lageröl aus dem hydrodynamischen Lager austritt, wird das eine stirnseitige Ende der Lagerhülse luftdicht verschlossen. Am gegendüberliegenden offenen Ende, zwischen Motorwelle und Lagerinnenfläche, kann ein konzentrischer, sich kegelförmig erweiternder Freiraum ausgebildet sein, der gleichermaßen als Schmiermittelreservoir und als Ausdehnungsvolumen dient. Dieser Freiraum übernimmt auch die Funktion der Abdichtung des Lagers.

Das in dem Freiraum zwischen Motorwelle und konischer Austrittsöffnung der Lagerhülse befindliche Öl bildet unter dem Einfluss der Kapillarkräfte einen stabilen zusammenhängenden Flüssigkeitsfilm, weshalb diese Art der Dichtung auch als Kapillardichtung bezeichnet wird.

Eine derartige Lösung ist beispielsweise in dem U.S. Patent 5,667,309 beschrieben. Die Lagerhülse weist am stirnseitigen Ende einen konischen Bereich auf, wodurch zwischen Welle und Lagerhülse ein konzentrischer, sich kegelförmig erweiternder Freiraum entsteht. Dieser dient als Ausdehnungsvolumen, in welchem das Lageröl aufsteigen kann, wenn der Flüssigkeitsspiegel mit steigender Temperatur anwächst. So wird verhindert, dass Lageröl aus der Lagerbuchse austritt. Der Freiraum dient zusätzlich als Schmiermittelreservoir zum Ersatz von abdampfenden Lageröl. Das Lager wird hierbei absichtlich „überfüllt", um den wirksamen Flüssigkeitsspiegel im Lagerspalt trotz Abdampfung des Lageröls annähernd konstant halten zu können. Der konzentrische Freiraum dient also als eine Art Überlaufvolumen, das zugleich ein Schmiermittelreservoir ist. Nachteilig ist, dass das Rückhaltevermögen und damit auch die Dichtwirkung des konzentrischen, sich kegelförmig erweiternden Freiraums wegen des nach außen anwachsenden Querschnitts abnimmt.

Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Lösung ist, dass die nutzbare Länge des Lagers und damit die Lagersteifigkeit durch die axiale Baulänge einer derartigen Kapillardichtung also des konzentrischen, sich kegelförmig erweiternden Freiraums, reduziert wird. Dabei sind die axiale Baulänge des Dichtungs-Konus und der zugehörige Neigungswinkel abhängig vom gewünschten Füllvolumen und der Viskosität des Lageröls. Niedrigviskose Lageröle erfordern einen kleineren spitzen Winkel und somit bei gleichem Füllvolumen eine größere Baulänge. Bei Fluidlager mit beidseitig offener Lagerhülse reduziert sich die für das hydrodynamische Radiallager nutzbare Länge gleich an beiden Enden der Lagerhülse. Zusätzlich wird das Rückhaltevermögen des Lagers auf den Lagerölfilm durch den sich erweiternden Querschnitt an den Stirnenden der Lagerhülse verschlechtert. In der Praxis werden deshalb hydrodynamische Lager mit einseitig geschlossener Lagerhülse wegen des besseren Rückhaltevermögens bevorzugt. Ein weiterer Nachteil ergibt sich daraus, dass bei höheren Drehzahlen erhebliche Fliehkräfte auf das Lageröl einwirken, die das Lageröl in dem konischen Freiraum bis zum Rand der Lagerhülse aufsteigen lassen können, so dass das Risiko, dass dieses abgeschleudert wird, ansteigt.

Ein wichtiges Kriterium für die Eignung von hydrodynamischen Lagern in Festplattenlaufwerken, insbesondere in tragbaren Geräten, ist eine möglichst hohe Steifigkeit. Eine Möglichkeit dieses Ziel zu erreichen ist, die Länge des Lagers zu maximieren, wobei sich jedoch, wie oben beschrieben, eine entsprechend angepasste Kapillardichtung der beschriebenen Art besonders nachteilig auf die Baulänge und somit auf die effektive Lagerlänge auswirken würde. Die Dimensionierung eines hydrodynamischen Radiallagers mit ausreichender Steifigkeit ist dadurch stark eingeschränkt und bei sehr klein bauenden Spindelmotoren unter Umständen nicht mehr möglich.

Offenbarung der Erfindung

Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein hydrodynamisches Lager mit einer geeigneten, berührungslosen Dichtung anzugeben, das eine geringe Verlustleistung, eine hohe Lagersteifigkeit und eine lange Lebensdauer hat.

Diese Aufgabe wird durch ein hydrodynamisches Lager mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Erfindung sieht auch ein Spindelmotor gemäß Anspruch 18 sowie ein Festplattenlaufwerk gemäß Anspruch 19 vor.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.

Die Erfindung sieht ein hydrodynamisches Lager für einen Spindelmotor vor, mit einer sich drehenden oder einer feststehenden Welle und einer zugehörigen vorzugsweise zylindrischen Lagerhülse, welche die Welle umgibt. Durch eine geringe Durchmesserdifferenz zwischen Welle und zylindrischer Lagerhülse entsteht ein Lagerspalt, der mit einem Lagerfluid gefüllt ist. Im Bereich des Lagerspalts ist in der Welle und/oder in der zylindrischen Lagerhülse wenigstens ein Radiallagerabschnitt ausgebildet. Dieser wird, wie im Stand der Technik bekannt, durch Strukturieren insbesondere der Innenseite der Lagerhülse mit einem Rillenmuster gebildet. In dem erfindungsgemäßen hydrodynamischen Lager ist ein Ausgleichsvolumen für das Lagerfluid vorgesehen, das zugleich Ausdehnungsvolumen ist, in welches sich das Lagerfluid ausdehnen kann, wenn der Fluidpegel mit steigender Temperatur anwächst und das als Schmiermittelreservoir zum Ersatz von abdampfendem Lagerfluid dient. Dieses Ausgleichsvolumen ist erfindungsgemäß zwischen einem Außenumfang der Lagerhülse und einer die Lagerhülse wenigstens teilweise überdeckenden, relativ zur Lagerhülse feststehenden Abdeckkappe angeordnet und über wenigstens einen Verbindungskanal/-spalt mit dem Lagerspalt verbunden.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass das Ausgleichsvolumen nicht entlang der nutzbaren Lagerlänge in einem Teil des Lagerspalts ausgebildet sein muss, sondern dass es außerhalb des Lagerspaltes angeordnet und insbesondere in den Bereich des Außenumfangs der Lagerhülse verlegt werden kann und mit dem Lagerspalt über den Verbindungskanal/-spalt verbunden wird. Dadurch kann die Lagerhülse mit über die gesamte Lagerlänge unverändertem Durchmesser ausgebildet werden, wodurch sich ein Lagerspalt mit maximaler nutzbarer Länge ergibt. Die Radiallagerabschnitte des hydrodynamischen Lagers können daher nah benachbart den jeweiligen Stirnenden des Lagers mit maximalen Abstand zueinander ausgebildet werden, wodurch eine optimale Lagersteifigkeit erreicht wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass im Bereich des Ausgleichsvolumens und des Verbindungskanals keine Reibungsverluste im Lagerfluid entstehen, da die Lagerhülse und die Abdeckkappe, zwischen denen sich das Ausgleichsvolumen erstreckt, relativ zueinander feststehen.

Die Ausbildung eines Ausgleichsvolumens ist vorzugsweise im Bereich wenigstens eines Endes der Lagerhülse an deren Außenumfang vorgesehen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Ausgleichsvolumen dem Stirnende der Lagerhülse benachbart und verläuft am Außenumfang der Lagerhülse konzentrisch und im wesentlichen parallel zur Rotationsachse des Lagers.

Da das Ausgleichs- bzw. Speichervolumen bei dem erfindungsgemäßen hydrodynamischen Lager außerhalb des Lagerspalts, vorzugsweise im wesentlichen parallel zur Rotationsachse des Lagers, angeordnet ist und einen sich vom Randbereich der Lagerhülse zu ihrer Längsmitte hin vergrößernden Querschnitt aufweist, an dessen einem Ende mit dem geringsten Querschnitt die Verbindung zum Verbindungskanal/-spalt erfolgt, ist dieses Lager auch für Motoren mit stehender Welle und/oder beidseitig offener Lagerhülse geeignet.

Das hydrodynamische Lager gemäß der Erfindung kann bei Elektromotoren zum Einsatz kommen und insbesondere bei Spindelmotoren für Festplattenlaufwerke.

Das Ausgleichs- bzw. Speichervolumen ist dabei so angeordnet und ausgestaltet, dass das darin befindliche Lagerfluid infolge der Kapillarkräfte jederzeit bei radialer und bei axialer Schockbelastung wirkungsvoll gefesselt wird, also nicht aus dem Lager austreten kann.

Da das Ausgleichsvolumen am Außenumfang der Lagerhülse vorzugsweise in einem durch die Lagerhülse und die Abdeckkappe gebildeten Raum angeordnet ist, wirken insbesondere bei einer feststehenden Lagerhülse auf das Lagerfluid keine Fliehkräfte, so dass ein durch Tropfenbildung verursachtes Abschleudern von Lagerfluid bei radial und axial einwirkenden Beschleunigungskräften ausgeschlossen ist. Bei einer rotierenden Lagerhülse müssen evtl. weitere Vorkehrungen getroffen werden, um ein mögliches Austreten von Lagerfluid zu unterbinden.

Sowohl durch die Anordnung des Ausgleichsvolumens außerhalb des Lagerspaltes als auch durch dessen Ausgestaltung mit sich in Richtung Längsmitte der Hülse vergrößerndem Querschnitt wird ein Austreten von Lageröl wirkungsvoll verhindert, so dass neben einer Erhöhung der Lebensdauer insbesondere die Funktionssicherheit des hydrodynamischen Lagers signifikant verbessert wird.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist der Verbindungskanal/Verbindungsspalt im Bereich der Stirnseite der Lagerhülse vorgesehen und grenzt unmittelbar an den Lagerspalt an, während bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung der Verbindungskanal/-spalt über ein Stück des Lagerspaltes, einen Rückführungskanal und einen Bereich des Drucklagers mittelbar mit dem Radiallagerabschnitt verbunden ist. Wesentlich ist bei beiden Ausführungsformen, dass zwischen dem Radiallagerabschnitt und dem Verbindungskanal/-spalt eine Kapillarverbindung besteht, so dass das Lagerfluid einen zusammenhängenden Kapillarfilm von dem Lagerspalt über den Verbindungskanal/-spalt in das Ausgleichsvolumen bildet.

Das Lagerfluid füllt den Lagerspalt und den Verbindungskanal/Verbindungsspalt vollständig und das Ausgleichsvolumen wenigstens teilweise aus und bildet einen zusammenhängenden Fluidfilm zwischen dem Lagerspalt und dem Ausgleichsvolumen.

Der Verbindungskanal/-spalt kann vorzugsweise ganz oder zumindest teilweise innerhalb der Lagerhülse oder einer das offene Ende der Lagerhülse abdeckenden Abdeckkappe ausgebildet sein. Vorzugsweise erstreckt sich der Verbindungskanal in einer zur Rotationsachse etwa senkrechten Ebene.

Dabei kann der Verbindungskanal als Bohrung oder als kanalartige Vertiefung in der Lagerhülse oder auch der Abdeckung ausgebildet sein.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Verbindungskanal/-spalt als umlaufender, sich vom Innendurchmesser zum Außendurchmesser der Lagerhülse erstreckender kapillarer Ringspalt ausgebildet, der den Radiallagerabschnitt bzw. den Lagerspalt mit dem Ausgleichsvolumen verbindet.

Der Verbindungskanal/-spalt kann auch ein Teil des Ausgleichsvolumens sein und ist in diesem Falle entsprechend dick und voluminös ausgebildet.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Verbindungskanal/-spalt zwischen einem Stirnende der Lagerhülse und einer in geringem Abstand parallel zu dem Stirnende angeordneten Abdeckkappe gebildet. Die Abdeckkappe überdeckt eine Stirnseite und einen Bereich des Außenumfangs der Lagerhülse zumindest teilweise. Der Boden der Abdeckkappe ist in einem Abstand zur Stirnseite der Lagerhülse angeordnet. Dadurch entsteht zwischen den beiden sich gegenüberliegenden Oberflächen ein Ringspalt der vom Innendurchmesser der Lagerhülse bis zu ihrem Außendurchmessers reicht. Der Abstand zwischen Stirnende der Lagerhülse und Abdeckkappe ist so bemessen, dass sich zwischen diesen ein Kapillarfilm bilden kann. Der Ringspalt mündet in das Ausgleichsvolumen.

Das Ausgleichsvolumen ist am Außenumfang der Lagerhülse in etwa parallel zur Rotationsachse des Lagers angeordnet, kann sich aber generell in einem beliebigen Winkel α zwischen 0° und 90° zur Rotationsachse erstrecken. Das Ausgleichsvolumen weitet sich dabei zur Längsmitte der Lagerhülse hin konusförmig auf. Die konische Aufweitung kann sowohl durch die Formgebung der Lagerhülse als auch die Formgebung der Abdeckkappe erreicht werden. Das Ausgleichsvolumen kann örtlich in Form von einem oder mehreren begrenzten Reservoirs oder aber als ein ringförmiges über dem Außenumfang der Lagerhülse verlaufendes Volumen ausgebildet sein.

Der äußere Rand der Abdeckkappe ist abdichtend mit dem Außenumfang der Lagerhülse verbunden, damit dort kein Lagerfluid entweichen kann. Dadurch ergibt sich vorzugsweise ein als ein konzentrischer, rotationssymmetrischer Hohlraum ausgebildetes Ausgleichsvolumen, dessen Querschnitt sich ausgehend von dem an den Verbindungskanal angrenzenden Bereich konusförmig aufweitet.

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Rand der Abdeckkappe, zumindest teilweise, nicht am Außenumfang der Lagerhülse anliegt.

Die Verbindung zwischen Ausgleichsvolumen und Verbindungskanal/-spalt erfolgt im äußeren Randbereich der Lagerhülse, so dass sich über den Verbindungskanal/-spalt ein zusammenhängender Kapillarfilm zwischen Lagerspalt und Ausgleichsvolumen einstellt.

Zum einfachen Befüllen des Lagers mit Lagerfluid ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Abdeckkappe im Bereich des Ausgleichvolumens eine Öffnung aufweist, über die Lagerfluid in das Ausgleichsvolumen einbringbar ist.

Aufgrund dessen, dass der für einen Druckaufbau im Lager notwendige dynamische Fluss des Lagerfluids in Richtung des Lagerinneren gerichtet sein muss, ergeben sich zwischen dem Außenbereich des Lagers und dem Lagerinneren, insbesondere auch im Bereich des Axiallagers, unerwünschte Druckunterschiede. Um diesem Umstand abzuhelfen, ist in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass in der Lagerhülse mindestens ein Rückführungskanal für das Lagerfluid ausgebildet ist, der die an den beiden Stirnseiten der Lagerhülse befindlichen Bereiche des Lagerspalts miteinander verbindet und für einen Druckausgleich innerhalb der Fluid führenden Bereiche des Lagers sorgt.

Der Rückführungskanal kann sowohl außerhalb als auch vorzugsweise innerhalb der Lagerhülse vorgesehen sein und erstreckt sich vorzugsweise etwa parallel zu einer Rotationsachse des Lagers. Er kann aber auch jeden anderen Winkel zwischen 0° und 90° mit der Rotationsachse einschließen. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Ende des Rückführungskanals mit dem Verbindungskanal/-spalt verbunden, und das andere Ende mit dem Lagerspalt des Axiallagerbereichs des Lagers.

Der Rückführungskanal hat den weiteren Vorteil, dass sich das Lagerfluid bei einer schockartigen Stoßbelastung des Lagers schnell und gleichmäßig verteilen kann und somit Druckmaxima bzw. Druckminima, die die Betriebssicherheit des Lagers gefährden könnten, vermieden werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt eine schematische Längsschnittdarstellung durch ein hydrodynamisches Lager gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt eine schematische Längsschnittdarstellung durch ein hydrodynamisches Lager gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
3 zeigt eine schematische Längsschnittdarstellung durch ein hydrodynamisches Lager gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
In den Zeichnungen sind entsprechende Bauteile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. In den gezeigten Beispielen ist eine Welle drehbar in einer feststehenden Lagerhülse gelagert. Selbstverständlich umfasst die Erfindung auch Konstruktionen, bei denen eine feststehende Welle von einer drehbaren Lagerhülse umgeben ist.
Das in 1 gezeigte hydrodynamische Lager umfasst eine Welle 10, die in einer zylindrischen Lagerhülse 12 aufgenommen ist. Die Welle 10 weist an ihrem von der Lagerhülse 12 umschlossenen Ende eine Druckplatte (thrust plate) 14 auf, wobei die Stirnseite 12'' der Lagerhülse 12 an diesem Ende durch ein Widerlager (counter plate) 16 abgeschlossen ist, das die axiale Lagerkraft, welche auf die Welle 10 wirkt, über die Druckplatte 14 aufnimmt. Sowohl die Druckplatte 14 als auch das Widerlager 16 sind in entsprechend dimensionierten Aussparungen der Lagerhülse 12 aufgenommen.
Die Welle 10 ist an ihrem Wellenende 10' aus der Lagerhülse 12 herausgeführt. Die Lagerhülse 12 ist an diesem Ende durch den Boden 18' einer Abdeckkappe 18 verschlossen, die eine zentrale Öffnung aufweist. Die Abdeckkappe überdeckt ein Stirnende 12' der Lagerhülse, sowie einen Teil des sich anschließenden Außenumfangs der Hülse.
Zwischen der Stirnseite 12' der Lagerhülse 12 und dem Boden 18' der Abdeckplatte 18 ist ein geringer Abstand vorgesehen, dessen Größe durch einen Abstandshalter 30 definiert wird. Der Abstandshalter 30 ist vorzugsweise aus dem Material der Abdeckkappe 18 ausgeformt, kann aber auch als Teil der Lagerhülse 12 oder als separates Teil ausgebildet sein. Zwischen dem Stirnende 12' und dem Boden 18', der zu dem Stirnende 12' im wesentlichen parallel ausgerichtet ist, bildet sich durch den eingehaltenen Abstand ein Verbindungskanal/-spalt 26, der zur Rotationsachse 22 des hydrodynamischen Lagers im wesentlichen senkrecht verläuft und dessen Breite vorzugsweise einige bis einige zehn Mikrometer oder auch mehr betragen kann.
Zwischen der Welle 10 und der Lagerhülse 12 ist in bekannter Weise ein Lagerspalt 24 gebildet, der über den Verbindungskanal/-spalt 26 an der Stirnseite 12' der Lagerhülse 12 mit einem Ausgleichsvolumen 20, das weiter unten näher erläutert ist, verbunden ist. Der Verbindungskanal/-spalt 26 ist vorzugsweise als ein umlaufender Ringspalt ausgebildet, der eine kapillare Verbindung zwischen dem Lagerspalt 24 und dem Ausgleichsvolumen 20 bildet und aufrechterhält.
Das Ausgleichsvolumen 20 ist zwischen dem Außenumfang der Lagerhülse 12 und der diesen Bereich der Lagerhülse 12 umgebenden Abdeckkappe 18 angeordnet und wird bei der in den Figuren gezeigten Ausführungsform dadurch gebildet, dass der Außenumfang der Lagerhülse 12 vorzugsweise einen Freistich in Form einer umlaufenden, sieh in axialer Richtung konisch aufweitenden Aussparung aufweist. Zwischen der Abdeckkappe 18 und der Lagerhülse bildet sich dadurch ein konzentrischer, kegelförmiger Ringraum, der in einem Winkel α bezüglich der Rotationsachse 22 verläuft, wobei die Konusbasis über den Verbindungskanal/-spalt 26 mit dem Lagerspalt 24 verbunden ist.
Bei der gezeigten Ausführungsform sind vorzugsweise auf dem Innendurchmesser der Lagerhülse 12 Radiallagerabschnitte (nicht gezeigt) durch eine oder mehrere Rillenstrukturen am Innendurchmesser der Lagerhülse 12 oder am Außendurchmesser der Welle 10 ausgebildet. Zusätzlich können im Bereich der Druckplatte 14 und des Widerlagers 16 auf an sich bekannte Weise Axiallagerabschnitte ausgebildet sein. Da das Ausgleichsvolumen 20 und der den Lagerspalt 24 mit dem Ausgleichsvolumen 20 verbindende Verbindungskanal/-spalt 26 am Stirnende 12' der Lagerhülse 12 ausgebildet sind, steht die gesamte Länge der Lagerhülse 12 für die Ausbildung von einem oder mehreren Radiallagerabschnitten zur Verfügung. Insbesondere können zwei Radiallagerabschnitte an den jeweiligen Endabschnitten der Lagerhülse 12 mit maximalem Abstand zueinander ausgebildet werden, so dass eine maximale Lagersteifigkeit erzielt wird.
Nach der Montage des hydrodynamischen Lagers gemäß der Erfindung wird der Lagerspalt 24, der Verbindungskanal/-spalt 26 und ein Teil des Ausgleichsvolumens 20 mit Lagerfluid, insbesondere mit einem lagerölbasierenden Fluid gefüllt. Das Befüllen mit Lagerfluid erfolgt über eine in der Abdeckkappe 18 vorgesehene Öffnung 18'', die direkt in das Ausgleichsvolumen 20 mündet. Die Öffnung 18'' ist so klein gewählt, dass ein Austreten von Lagerflüssigkeit aufgrund einer Schockbelastung des Lagers nahezu ausgeschlossen ist.
Der Füllgrad des Ausgleichsvolumens 20 mit Fluid ist so gewählt, dass einerseits ausreichend Schmiermittel eingebracht werden kann, um Dauerschmierung des hydrodynamischen Lagers über die gesamte Lebensdauer zu gewährleisten.
Andererseits muss im gefüllten Teil des Ausgleichsvolumens 20 genügend Raum verbleiben, in den hinein sich das Lagerfluid ausdehnen kann, wenn bei einem Temperaturanstieg während des Betriebes das Gesamtvolumen des Fluids, bedingt durch den Wärmeausdehnungskoeffizienten, anwächst.
Der nicht mit Lagerfluid gefüllte Teil des Ausgleichsvolumens 20 wird sich infolge der Verdampfungsrate des Lagerfluids mit gasförmigen Fluid anreichern, wobei mit ansteigendem Sättigungsgrad der Abdampfungsprozess zunehmend verzögert wird.
Sofern Lagerfluid aus dem Lagerspalt 24 über dessen Grenzfläche in die Umgebungsatmosphäre abdampft, wird es durch im Ausgleichsvolumen 20 befindliches Lagerfluid und zwar über die zusammenhängende und mittels des Mikrospaltes 26 stabilisierte Kapillarfilmverbindung, die zwischen Lagerspalt 24 und Ausgleichsvolumen besteht, ersetzt.
Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass der Lagerspalt 24 über die gesamte Lebensdauer vollständig mit Lagerfluid gefüllt ist, so dass bei dem erfindungsgemäßen hydrodynamischen Lager eine unzureichende Schmierung prinzipiell nicht mehr vorkommt.
2 zeigt eine schematische Längsschnittdarstellung einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung. Die Ausführungsform der 2 unterscheidet sich von 1 dadurch, dass zwischen dem durch das Widerlager 16 verschlossenen Ende des Lagers, das heißt im Bereich des Axiallagers, und dem offenen Ende des Lagers ein Rückführungskanal 28 vorgesehen ist. Der Rückführungskanal 28 ist vorzugsweise innerhalb der Lagerhülse 12 angeordnet und verbindet den Bereich des Lagerspalts 24 am geschlossenen Ende des Lagers mit dem Bereich des Lagerspalts 24 am offenen Ende des Lagers und sorgt für eine Zirkulation und einen Druckausgleich des Lagerfluids innerhalb der voneinander beabstandeten Bereiche des Lagerspalts.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel mündet ein Ende des Rückführungskanals 28 in den Lagerspalt im Bereich der Druckplatte 14 und das andere Ende des Rückführungskanals 28 in den Verbindungskanal/-spalt 26.
Selbstverständlich können verteilt über den Umfang der Lagerhülse 12 mehrere solcher Rückführungskanäle 28 vorgesehen sein, um auch über den Lagerumfang gesehen einen gleichmäßigen Druckverlauf im Lagerspalt 24 zu gewährleisten.
Die in der vorsehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
Die in 3 dargestellte Ausführungsform der Erfindung entspricht der Ausgestaltung gemäß 2, wobei die Erläuterungen zu 2 hier sinngemäß gelten. Gegenüber der Ausgestaltung gemäß 2 besteht der einzige Unterschied darin, dass der Rand 32 der Abdeckkappe 18, zumindest teilweise, nicht am Außenumfang der Lagerhülse 12 anliegt. Es verbleibt eine etwa ringförmige Öffnung 34 zwischen dem Außenumfang der Lagerhülse 12 und dem Innenumfang der Abdeckkappe 18. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil des leichteren Befüllens des Ausgleichsvolumens 20 mit Lagerfluid, da zum Befüllen die ringförmige Öffnung 24 verwendet werden kann. Im Bereich des Randes 32 der Abdeckkappe können Abstandhalter, ähnlich den Abstandhaltern 30, vorgesehen sein, die für einen guten Sitz der Abdeckkappe 18 auf der Lagerhülse 12 sorgen. Eine separate Befüllöffnung 18'' muss daher nicht mehr vorgesehen sein.

10: Welle
10': Wellenende
12: Lagerhülse
12', 12'': Stirnende der Lagerhülse
14: Druckplatte
16: Widerlager
18: Abdeckkappe
18': Boden der Abdeckkappe
18'': Öffnung (Befüll-)
20: Ausgleichsvolumen
22: Rotationsachse
24: Lagerspalt
26: Verbindungskanal/-spalt
28: Rückführungskanal
30: Abstandhalter
32: Rand der Abdeckkappe
34: Öffnung

Claims

Hydrodynamisches Lager mit einer Welle (10), einer Lagerhülse (12), welche die Welle mit geringem radialen Abstand unter Bildung eines konzentrischen Lagerspaltes (24) umgreift, und einem Ausgleichsvolumen (20), das zwischen einem Außenumfang der Lagerhülse (12) und einer die Lagerhülse wenigstens teilweise überdeckenden, relativ zur Lagerhülse feststehenden Abdeckkappe (18) angeordnet ist und über mindestens einen Verbindungskanal oder -spalt (26) mit dem Lagerspalt verbunden ist.
Hydrodynamisches Lager nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Lagerfluid, welches den Lagerspalt (24) und den Verbindungskanal/ -spalt (26) vollständig und das Ausgleichsvolumen (20) wenigstens teilweise ausfüllt, wobei das Lagerfluid einen zusammenhängenden Fluidfilm zwischen dem Lagerspalt und dem Ausgleichsvolumen bildet.
Hydrodynamisches Lager nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungskanal/Verbindungsspalt (26) im Bereich einer Stirnseite (12') der Lagerhülse (12) vorgesehen ist und unmittelbar an den Lagerspalt (24) angrenzt.
Hydrodynamisches Lager nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Radiallager im Bereich des Lagerspaltes (24) ausgebildet ist und der Verbindungskanal/Verbindungsspalt (26) über einen Abschnitt des Lagerspalts mit dem Radiallager verbunden ist.
Hydrodynamisches Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungskanal/-spalt (26) wenigstens teilweise innerhalb der Lagerhülse (12) ausgebildet ist.
Hydrodynamisches Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichsvolumen (20) wenigstens teilweise innerhalb der Lagerhülse (12) ausgebildet ist.
Hydrodynamisches Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckkappe (18 ) eine Stirnseite (12') und einen Bereich des Außenumfangs der Lagerhülse (12) wenigstens teilweise überdeckt.
Hydrodynamisches Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckkappe (18) im Bereich des Ausgleichvolumens eine Öffnung (18'') aufweist, über die Lagerfluid in das Ausgleichsvolumen einbringbar ist.
Hydrodynamisches Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungskanal/-spalt (26) wenigstens teilweise innerhalb der Abdeckkappe (18) ausgebildet ist.
Hydrodynamisches Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungskanal/-spalt (26) Teil eines zwischen der Außenseite der Lagerhülse (12) und der Innenseite des Bodens (18') der Abdeckkappe (18) gebildeten Hohlraums ist.
Hydrodynamisches Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichsvolumen (20) zwischen einer äußeren Umfangsfläche der Lagerhülse (12) und einer inneren Umfangsfläche der Abdeckkappe (18) ausgebildet ist.
Hydrodynamisches Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Verbindungskanal/-spalt (26) in einem Winkel α zu einer Rotationsachse (22) des Lagers erstreckt.
Hydrodynamisches Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichsvolumen (20) als Hohlraum mit kegelförmigem Querschnitt ausgebildet ist, dessen Basis über den Verbindungskanal/-spalt (26) mit dem Lagerspalt (24) verbunden ist.
Hydrodynamisches Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Winkel α des Ausgleichsvolumens (20) am Außenumfang der Lagerhülse (12) in einem Winkel zwischen 0° und 90° zu der Rotationsachse (22) des Lagers erstreckt.
Hydrodynamisches Lager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Lagerhülse (12) mindestens ein Rückführungskanal (28) für das Lagerfluid ausgebildet ist, der die an den Enden der Lagerhülse befindlichen Bereiche des Lagerspalts (24) miteinander verbindet.
Hydrodynamisches Lager nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Rückführungskanal (28) in einem Winkel zwischen 0° und 90°, vorzugsweise etwa parallel, zu der Rotationsachse (22) des Lagers erstreckt.
Hydrodynamisches Lager nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ende des Rückführungskanals (28) mit dem Verbindungskanal/-spalt (26) verbunden ist, und das andere Ende mit dem Lagerspalt (24) eines Axiallagerbereichs des Lagers.
Spindelmotor mit einem hydrodynamischen Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Festplattenlaufwerk mit einem Spindelmotor nach Anspruch 18.