DE202004001200U1 - Hydrodynamisches Lagersystem - Google Patents

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Abstract

Hydrodynamisches Lagersystem, insbesondere für einen Spindelmotor, mit einer Welle (4), einer mit der Welle verbundenen Druckplatte (10) und einer durch eine Abdeckplatte (11) einseitig verschlossenen Lagerhülse (3), welche die Welle und die Druckplatte mit geringem Abstand unter Bildung eines mit einem Schmiermittel (16) gefüllten Lagerspaltes (7, 7') umgreift, wobei jeweils mindestens eine der in gegenseitiger Wirkverbindung stehenden Lageroberflächen von Welle und Lagerhülse sowie von Druckplatte und Abdeckplatte mit einer Oberflächenstruktur versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine der beiden zwischen Druckplatte (10) und Lagerhülse (3) gebildeten Lageroberflächen mit einer fischgrätenartigen Oberflächenstruktur (13) und eine der beiden zwischen Druckplatte (10) und Abdeckplatte (11) gebildeten Lageroberflächen mit einer spiralrillenförmigen Oberflächenstruktur (12) versehen ist.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein hydrodynamisches Lagersystem, insbesondere für Spindelmotoren in Festplattenlaufwerken, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Als Drehlager in Spindelmotoren, wie sie z.B. zum Antrieb der Speicherplatten in Festplattenlaufwerken eingesetzt werden, 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.
  • Lagerhülse und Welle bilden zusammen einen Radiallagerbereich aus. In wenigstens eine der beiden Lageroberflächen ist eine Oberflächenstruktur in Form eines Rillenmusters eingearbeitet, welches infolge der rotatorischen Relativbewegung lokale Beschleunigungskräfte auf das im Lagerspalt befindliche Schmiermittel ausübt. Auf diese Weise entsteht eine Art Pumpwirkung, die das Schmiermittel unter Druck durch den Lagerspalt presst und zur Ausbildung eines homogenen und gleichmäßig dicken Schmiermittelfilms führt, der durch Zonen hydrodynamischen Druckes stabilisiert wird. Der zusammenhängende, kapillare Schmiermittelfilm und der selbstzentrierende Mechanismus des hydrodynamischen Radiallagers sorgen für eine stabile, konzentrische Rotation zwischen Welle und Buchse.
  • Eine Stabilisierung des Lagers entlang der Rotationsachse erfolgt durch ein entsprechend ausgestaltetes hydrodynamisches Axiallager oder Drucklager. Das Drucklager wird vorzugsweise durch die beiden Stirnflächen einer an einem Ende der Welle angeordneten Druckplatte gebildet, die in einer durch die Lagerhülse und eine Abdeckplatte gebildeten Aussparung aufgenommen ist. Einer ersten Stirnfläche der Druckplatte ist eine entsprechende Stirnfläche der Lagerhülse und der anderen Stirnfläche eine innenliegende Stirnfläche der Abdeckplatte zugeordnet. Die Abdeckplatte dient als Gegenlager zur Druckplatte und verschließt das gesamte Lagersystem nach unten. Sie verhindert, dass Luft in den mit Schmiermittel gefüllten Lagerspalt eindringt bzw. Schmiermittel aus dem Lagerspalt entweicht.
  • Auch bei einem hydrodynamischen Axiallager sind die in gegenseitiger Wirkverbindung stehenden Lageroberflächen mit einer Oberflächenstruktur versehen, um den für eine stabile axiale Positionierung der Druckplatte bzw. der Welle erforderlichen hydrodynamischen Druck zu erzeugen und die Zirkulation des Schmiermittels innerhalb des Axiallagerbereiches sicherzustellen.
  • Am gegenüberliegenden Ende des Lagers kann, zum Beispiel zwischen der Stirnseite der Lagerhülse und einer Abdeckkappe ein Freiraum ausgebildet sein, der mit dem Lagerspalt verbunden ist und gleichermaßen als Schmiermittelreservoir und als Ausdehnungsvolumen für das Schmiermittel dient. Dieser Freiraum übernimmt auch die Funktion der Abdichtung des Lagers. Das in dem Freiraum befindliche Öl bildet unter dem Einfluss der Kapillarkräfte einen stabilen zusammenhängenden Flüssigkeitsfilm, weshalb diese Art der Dichtung auch als Kapillardichtung (capillary seal) bezeichnet wird.
  • Durch entsprechende Auslegung des erwähnten Rillenmusters für den Radiallagerbereich kann bei Rotation der Welle eine Pumpwirkung auf das Schmiermittel im Lagerspalt ausgeübt werden. Es baut sich ein hydrodynamischer Druck auf, der in dem an den Axiallagerbereich angrenzenden Radiallagerbereich höher ist, als in dem am freien Wellenende angeordneten Radiallagerbereich. Sind entsprechende Rückführungskanäle vorhanden, wird sich eine stetige Strömung einstellen, bei der sich das Schmiermittel innerhalb des Lagerspalts in Richtung auf das geschlossene Ende des Lagers hin bewegt. Der sich dabei in axialer Richtung des Lagers aufbauende Druck herrscht natürlich auch im Axiallagerbereich und führt dazu, dass die Druckplatte nicht wie erwartet mittig innerhalb der sie umgebenden Aussparung rotiert, sondern dass der axiale Lagerspalt zwischen den Stirnflächen von Druckplatte und Lagerhülse wesentlich kleiner ist, als der Lagerspalt zwischen den Stirnflächen von Druckplatte und Abdeckplatte.
  • Die Projektionsflächen der Druckplatte in beiden axialen Richtungen sind gleich groß, so dass die auf die Druckplatte einwirkenden Kräfte entgegengesetzt gleich groß sind und sich aufheben. Dieses Kraftgleichgewicht wird jedoch durch eine zusätzliche, auf das System einwirkende Kraft gestört, die dadurch entsteht, dass auch die freie Stirnfläche der Welle dem Flüssigkeitsdruck im Lagerspalt zwischen Druckplatte und Abdeckplatte ausgesetzt ist. Diese zusätzliche Kraft verschiebt die Welle und die mit der Welle fest verbundene Druckplatte von der Abdeckplatte weg in Richtung auf die Lagerbuchse. Dabei wird der axiale Abstand zwischen den Stirnflächen von Druckplatte und Lagerbuchse kleiner, jener zwischen den Stirnflächen von Druckplatte und Abdeckplatte hingegen größer. Da aber der hydrodynamische Druck umso größer ist, je kleiner die Dicke des Lagerspaltes ist, steigt der hydrodynamische Druck im Lagerspalt zwischen Druckplatte und Lagerbuchse an, jener zwischen Druckplatte und Abdeckplatte nimmt ab. Die Resultierende dieser aus den hydrodynamischen Drücken beiderseits der Druckplatte herrührenden Kraft ist der oben erwähnten Kraft entgegengerichtet und umso größer, je kleiner der Axiallagerspalt zwischen Druckplatte und Lagerbuchse ist.
  • Eine stabile axiale Lage der Druckplatte ist dann erreicht, wenn beide Kraftresultierenden entgegengesetzt gleich groß sind.
  • Je nach Ausgestaltung und Belastung des Lagers kann dieses durch die unterschiedlichen Wirkflächen im Axiallager hervorgerufene Ungleichgewicht des hydrodynamischen Drucks dazu führen, dass der Lagerspalt zwischen der Stirnfläche der Druckplatte und der Lagerhülse so klein wird, dass die mit abnehmendem Lagerspalt überproportional ansteigenden Reibungsverluste zu einem lokalen Temperaturanstieg des Schmiermittels führen. Durch dessen thermisch bedingte Abnahme der Viskosität reduziert sich aber die Tragfähigkeit des Axiallagers, wodurch sich der ohnehin sehr enge Lagerspalt noch weiter verringert. Dabei kann die Stirnfläche der Druckplatte der Lagerhülse gefährlich nahe kommen und diese sogar berühren, was zur Verringerung der Lebensdauer oder gar zu einer Beschädigung des Lagers führen kann. Um die lokale Überhitzung des Schmiermittels mit den geschilderten Negativeffekten zu verhindern ist es bekannt, Verbindungsbohrungen zwischen den Lagerspalten vorzusehen, die einen stetigen Schmiermittelaustausch zwischen den einzelnen Bereichen der Lagerspalte gewährleisten. Hierzu müssen sowohl die Lagerhülse als auch die Druckplatte mit Durchgangsbohrungen versehen werden, was einen erheblichen Arbeitsaufwand darstellt. Sind die Bohrungen nicht genau symmetrisch angeordnet, kann dies zu einer Unwucht der rotierenden Teile führen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein hydrodynamisches Lagersystem anzugeben, bei dem die oben angesprochenen Probleme der axialen Positionierung der Druckplatte – ohne den Einsatz von Durchgangsbohrungen in der Druckplatte – vermieden werden.
  • Diese Aufgabe wird durch ein hydrodynamisches Lagersystem mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Schutzansprüchen angegeben.
  • Die Erfindung sieht ein hydrodynamisches Lagersystem vor, insbesondere für einen Spindelmotor, mit einer Welle, einer mit der Welle verbundenen Druckplatte und einer durch eine Abdeckplatte einseitig verschlossene Lagerhülse, welche die Welle und die Druckplatte mit geringem Abstand unter Bildung eines mit einem Schmiermittel gefüllten Lagerspaltes umgreift, wobei jeweils eine der in gegenseitiger Wirkverbindung stehenden Lageroberflächen der Welle, der Lagerhülse, der Druckplatte oder der Abdeckplatte mit einer Oberflächenstruktur versehen sind.
  • Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine der zwischen Druckplatte und Lagerhülse gebildeten Lageroberflächen mit einer fischgrätenartigen Oberflächenstruktur und eine der zwischen Druckplatte und Abdeckplatte gebildeten Lageroberflächen mit einer spiralrillenförmigen Oberflächenstruktur versehen ist.
  • Durch diese unterschiedlichen Oberflächenstrukturen werden an den sich gegenüberliegenden Seiten der Druckplatte unterschiedliche Drucke erzeugt. Die zwischen Lagerhülse und der Oberseite der Druckplatte wirkende Fischgrätenstruktur erzeugt einen größeren Druck, als die zwischen Abdeckplatte und Unterseite der Druckplatte wirkende Spiralrillenstruktur. Somit ist die flächenmäßig kleinere, hydrodynamisch aktive Oberseite der Druckplatte einer größeren Kraft ausgesetzt als die um die Stirnfläche der Welle größere, hydrodynamisch aktive Unterseite der Druckplatte. Die im Bereich der Druckplatte wirkenden Oberflächenstrukturen erzeugen also unterschiedliche axiale Kräfte, so dass sich ein Kräftegleichgewicht einstellt, wenn der axiale Abstand zwischen den Stirnflächen von Druckplatte und Lagerbuchse etwa gleich groß ist wie jener zwischen den Stirnflächen von Druckplatte und Abdeckplatte. Damit wird eine stabile axiale Lage der Druckplatte etwa in der Mitte des durch Lagerhülse und Abdeckplatte gebildeten Hohlraums erreicht.
  • Dadurch verringert sich die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung des Lagers durch Berührung zwischen stehenden und rotierenden Axiallagerbauteilen ganz erheblich. Außerdem ist das Lager in beiden axialen Richtungen gleich stark belastbar, wobei die Steifigkeitskennlinien jedoch voneinander abweichen können.
  • Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf hydrodynamische Lagersysteme, bei denen im Bereich einer Stirnseite des Lagers ein Ausgleichsvolumen für das Lagerfluid vorgesehen ist, wobei das Ausgleichsvolumen vorzugsweise als ein mit dem Lagerspalt mittelbar oder unmittelbar verbundener, im Querschnitt etwa kegelförmiger Hohlraum ausgebildet ist.
  • Ferner kann es im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass durch einen Verbindungskanal eine Schmiermittel leitende Verbindung zwischen dem Ausgleichsvolumen und Bereichen des Lagerspalts gebildet ist. Der Verbindungskanal kann sich vorzugsweise innerhalb der Lagerhülse erstreckten.
  • Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen Zeichnungen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung ist im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
  • 1 eine schematische Längsschnittdarstellung eines Spindelmotors mit erfindungsgemäßem hydrodynamischen Lagersystem;
  • 2 eine Draufsicht auf die Abdeckplatte des Drucklagers;
  • 3 eine Ansicht von unten auf die Lagerhülse.
  • Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
  • Die Zeichnungen zeigen einen Spindelmotor mit einem hydrodynamischen Lagersystem zum Antrieb der Speicherplatten eines Festplattenlaufwerks. In dem gezeigten Beispiel ist die Welle drehbar in einer feststehenden Lagerhülse gelagert. Selbstverständlich umfasst die Erfindung auch Konstruktionen, bei denen eine feststehende Welle von einer drehbaren Lagerhülse umgeben ist.
  • Der Spindelmotor gemäß 1 umfasst eine feststehende Basisplatte 1, an der eine Statoranordnung 2, bestehend aus Statorkern und Wicklungen, angeordnet ist.
  • Eine Lagerhülse 3 ist in einer Ausnehmung der Basisplatte 1 fest aufgenommen und weist eine axiale zylindrische Bohrung auf, in welcher eine Welle 4 drehbar aufgenommen ist. Das eine (untere) Ende der Welle 4 ist mit einer Druckplatte 10 verbunden, während das andere, freie Ende der Welle einen Rotor 5 trägt, auf dem eine oder mehrere Speicherplatten (nicht dargestellt) des Festplattenlaufwerks angeordnet und befestigt sind. An dem inneren, unteren Rand des Rotors 5 ist ein ringförmiger Permanentmagnet 6 mit einer Mehrzahl von Polpaaren angeordnet, die von der über einen Arbeitsluftspalt beabstandeten Statoranordnung 2 mit einem elektrischen Wechselfeld beaufschlagt werden, so dass der Rotor 5 zusammen mit der Welle 4 in Drehung versetzt wird.
  • Zwischen dem Innendurchmesser der Lagerhülse 3 und dem geringfügig kleineren Außendurchmesser der Welle 4 sind Radiallagerbereiche mit einem Lagerspalt 7 vorgesehen, wobei der Lagerspalt 7 mit einem Schmiermittel, vorzugsweise einem flüssigen Lagerfluid, gefüllt ist. Diese Radiallagerbereiche sind durch eine Oberflächenstruktur in Gestalt von Rillenmustern 8, 9 gekennzeichnet, die im gezeigten Beispiel auf der Oberfläche der Lagerhülse 3 vorgesehen sind. Sobald die Welle 2 in Rotation versetzt wird, baut sich aufgrund der Rillenmuster 8, 9 ein hydrodynamischer Druck im Lagerspalt 7 bzw. im darin befindlichen Schmiermittel auf, so dass das Lager tragfähig wird.
  • Die Druckplatte 10 bildet zusammen mit einer Abdeckplatte 11 ein hydrodynamisches Drucklager. Das Drucklager sorgt für die axiale Positionierung der Welle 4 in Bezug auf die Lagerhülse 3 der Lageranordnung und nimmt die axialen Kräfte auf. Dieser Axiallagerbereich wird durch die Abdeckplatte 11 luftdicht verschlossen, so dass kein Schmiermittel aus dem Lagerspalt 7 austreten kann, der sich als Lagerspalt 7' zwischen Lagerhülse 3, Druckplatte 10 und Abdeckplatte 11 fortsetzt.
  • Damit sich ein ausreichender hydrodynamischer Druck im Axiallager aufbaut, sind die einander zugewandten Oberflächen der Lagerhülse 3, der Druckplatte 10 oder der Abdeckplatte 11 ebenfalls mit Oberflächenstrukturen 12, 13 versehen.
  • Diese Oberflächenstrukturen sind in den 2 und 3 näher dargestellt. Erfindungsgemäß weist die der Druckplatte 10 zugewandte Oberfläche der Lagerhülse 3 eine fischgrätenartige Oberflächenstruktur 13 auf, wogegen die der Druckplatte 10 zugewandte Oberfläche der Abdeckplatte 11 eine spiralrillenförmige Oberflächenstruktur 12 aufweist. Durch diese unterschiedlichen Oberflächenstrukturen ergibt sich eine auf die Druckplatte 10 wirkende Kräfteverteilung derart, dass der axiale Abstand zwischen Druckplatte 10 und Lagerhülse 3 einerseits sowie Druckplatte 10 und Abdeckplatte 11 andererseits etwa gleich groß ist.
  • Natürlich umfasst es die Erfindung auch, dass eine oder beide der erwähnten Oberflächenstrukturen 12, 13 auf den Oberflächen der Druckscheibe 10 vorgesehen sein können.
  • Am freien Ende der Welle 4 ist die Lagerhülse 3 durch eine vorzugsweise topfförmige Abdeckkappe 14 verschlossen, die auf die Lagerhülse 3 aufgesteckt ist. Die abgedeckte Stirnfläche der Lagerhülse 3 ist mit einer Fase bzw. Ansenkung versehen, die sich ausgehend vom wellennahen Bereich der Lagerhülse 1 radial nach außen fast bis zum Außenumfang der Lagerhülse 3 erstreckt. Dadurch wird zwischen der Stirnseite der Lagerhülse 3 und der Innenseite der Abdeckkappe 14 ein sich im Querschnitt konisch nach außen erweiternder Freiraum geschaffen, der als Ausgleichsvolumen 15 für das Lagerfluid dient und mindestens teilweise mit Schmiermittel 16 gefüllt ist. Der radial innen liegende Bereich des Ausgleichsvolumens 15 grenzt an den Lagerspalt 7 an.
  • Ein vorzugsweise innerhalb der Lagerhülse 3 verlaufender Verbindungskanal 18 verbindet das Ausgleichsvolumen 15 mit dem unteren Bereich 7' des Lagerspalts.
  • Dieser Kanal 18 ermöglicht einen Austausch von Schmiermittel 16 zwischen dem Ausgleichsvolumen 15 und dem unteren Bereich 7' des Lagerspaltes, so dass auch im Bereich des Radiallagers eine stetige Zirkulation des Schmiermittels 16 gewährleistet ist.
  • 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.
  • 1
    Basisplatte
    2
    Statoranordnung
    3
    Lagerhülse
    4
    Welle
    5
    Rotor
    6
    Permanentmagnet
    7
    Lagerspalt 7'
    8
    Oberflächenstruktur
    9
    Oberflächenstruktur
    10
    Druckplatte
    11
    Abdeckplatte
    12
    Oberflächenstruktur
    13
    Oberflächenstruktur
    14
    Abdeckkappe
    15
    Ausgleichsvolumen
    16
    Schmiermittel
    17
    Ringnut
    18
    Verbindungskanal
    19
    Rotationsachse

Claims (5)

  1. Hydrodynamisches Lagersystem, insbesondere für einen Spindelmotor, mit einer Welle (4), einer mit der Welle verbundenen Druckplatte (10) und einer durch eine Abdeckplatte (11) einseitig verschlossenen Lagerhülse (3), welche die Welle und die Druckplatte mit geringem Abstand unter Bildung eines mit einem Schmiermittel (16) gefüllten Lagerspaltes (7, 7') umgreift, wobei jeweils mindestens eine der in gegenseitiger Wirkverbindung stehenden Lageroberflächen von Welle und Lagerhülse sowie von Druckplatte und Abdeckplatte mit einer Oberflächenstruktur versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine der beiden zwischen Druckplatte (10) und Lagerhülse (3) gebildeten Lageroberflächen mit einer fischgrätenartigen Oberflächenstruktur (13) und eine der beiden zwischen Druckplatte (10) und Abdeckplatte (11) gebildeten Lageroberflächen mit einer spiralrillenförmigen Oberflächenstruktur (12) versehen ist.
  2. Hydrodynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich wenigstens einer Stirnseite des Lagersystems ein Ausgleichsvolumen (15) für das Schmiermittel (16) vorgesehen ist.
  3. Hydrodynamisches Lagersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichsvolumen (15) als ein mit dem Lagerspalt (7) mittelbar oder unmittelbar verbundener, etwa kegelförmiger Hohlraum ausgebildet ist.
  4. Hydrodynamisches Lagersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichsvolumen (15) über mindestens einen Verbindungskanal (18) mit dem Lagerspalt (7') verbunden ist.
  5. Hydrodynamisches Lagersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Verbindungskanal (18) in einem Winkel zwischen 0° und 90°, vorzugsweise etwa parallel, zur Rotationsachse (19) des Lagersystems erstreckt.
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