DE202004012407U1

DE202004012407U1 - Hydrodynamisches Lagersystem mit Möglichkeit zur Messung des Füllstandes des Schmiermittels

Info

Publication number: DE202004012407U1
Application number: DE202004012407U
Authority: DE
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2004-08-07
Filing date: 2004-08-07
Publication date: 2005-01-20
Anticipated expiration: 2014-08-08
Also published as: US20060029311A1; JP2006046650A; US7357577B2

Abstract

Hydrodynamische Lageranordnung, insbesondere für einen Spindelmotor zum Antrieb der Speicherplatten eines Festplattenlaufwerkes, wobei die Lageranordnung eine Welle (1) und eine Lagerbuchse (20) aufweist, die, unterstützt durch ein zwischen ihren Laufflächen zirkulierendes Schmiermittel, relativ zueinander drehbar sind, wobei eine Abdeckkappe (30) vorgesehen ist, welche eine Stirnseite und an diese Stirnseite angrenzende Bereiche des Außenumfangs der Lagerbuchse abdeckt, wobei zwischen der Lagerbuchse und der Abdeckkappe ein mit dem Lagerspalt (4) verbundener und zumindest teilweise mit Schmiermittel gefüllter Freiraum (5) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass am Außendurchmesser der Lagerbuchse (20) ein im wesentlichen in Längsrichtung der Lagerbuchse verlaufender Kanal (21) vorgesehen ist, dessen eines Ende in den Freiraum (5) mündet und eine Messung des Füllstandes des Schmiermittels im Freiraum erlaubt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein hydrodynamisches Lagersystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Generell betrifft die Erfindung ein hydrodynamisches Lagersystem, wie es zum Beispiel zur Drehlagerung von Spindelmotoren zum Antrieb der Speicherplatten eines Festplattenlaufwerks eingesetzt wird.
Beschreibung des Standes der Technik
Bei einem hydrodynamischen Fluidlager, wie es z.B. in Spindelmotoren eingesetzt wird, muss der Lagerspalt vor dem ersten Betrieb mit einem Schmiermittel, wie z.B. Öl, gefüllt werden. Dabei ist der Füllstand des Schmiermittels im Lagerspalt kritisch und bestimmt unter anderem die Lebensdauer des Lagers. Der Lagerspalt sowie auch die Öffnung zur Befüllung des Lagerspaltes sind sehr klein und liegen im sub-mm Bereich.
In einer möglichen Ausgestaltung eines solchen Lagers ist die Lagerbuchse an einer ihrer Stirnseiten angeschrägt und weist in Fortsetzung an ihrem Außenumfang eine ringförmige Ausnehmung auf. Die Stirnseite der Lagerbuchse und der Bereich der Ausnehmung ist durch eine Abdeckkappe abgedeckt. Dadurch verbleibt zwischen der Außenfläche der Lagerbuchse und der Innenfläche der Abdeckkappe ein mit dem Lagerspalt verbundener konzentrischer Freiraum, der anteilig mit Lageröl gefüllt ist. Das Öl benetzt die Oberflächen von Buchse und Abdeckkappe, wodurch sich an der Grenzfläche zur Luft ein sogenannter Meniskus mit konkaver Oberfläche ausbildet. Das in diesem Freiraum befindliche Lageröl dient als Schmiermittelreservoir, aus dem abdampfendes Lageröl ersetzt wird. Der nicht mit Lageröl gefüllte Teil des Freiraums dient als Ausgleichsvolumen, in welches das Lageröl sich ausdehnen kann, wenn dessen temperaturabhängiges Volumen mit steigender Temperatur zunimmt und sich dadurch der Flüssigkeitsspiegel ändert. Mindestens eine Entlüftungsöffnung in der Abdeckkappe sorgt für einen Druckausgleich zwischen dem Freiraum und der Umgebung. Die in der Flüssigkeit des Schmiermittels wirksamen Kohäsionskräfte, unterstützt durch die Kapillarkräfte im Lagerspalt erschweren es, dass flüssiges Lageröl durch die Entlüftungsöffnung aus dem Freiraum austritt.
Bisher war eine einfache und genaue Messung des Füllstandes des Schmiermittels in dem beschriebenen Freiraum sehr schwierig bzw. unmöglich. Ein Überfüllen konnte nur dadurch erkannt werden, dass Schmiermittel aus der Entlüftungsöffnung austrat. Daher wurde der gewünschte Füllstand durch Einbringen einer genau bemessenen Menge von Schmiermittel bestimmt. Aber auch bei exakt bemessener Füllmenge bestand bei extremen Belastungen des Lagers die Gefahr des Austretens von Schmiermittel durch die Entlüftungsöffnung aus dem Lagerbereich.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein hydrodynamisches Lagersystem anzugeben, das eine einfache Möglichkeit zur Messung des Füllstandes des Schmiermittels bietet. Außerdem soll die Gefahr des Austretens von Schmiermittel aus dem Lagerbereich verringert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist am Außendurchmesser der Lagerbuchse ein im wesentlichen in axialer Richtung der Lagerbuchse verlaufender Kanal vorgesehen, dessen eines Ende in den Freiraum mündet und dadurch eine Messung des Füllstandes des Schmiermittels im Freiraum erlaubt.
Zur Messung des Schmiermittelfüllstandes im Freiraum können bekannte visuell-optische bzw. taktile Verfahren angewandt werden, wobei der Kanal einen entsprechenden Zugang zum Freiraum schafft, um die Position des Meniskus und damit den Füllstand bestimmen zu können.
Gleichzeitig wirkt der Kanal als Entlüftungsöffnung, so dass in der Abdeckkappe keine zusätzliche Entlüftungsöffnung mehr vorgesehen werden muss. Außerdem verringert sich aufgrund des Verzichtes auf eine zusätzliche Entlüftungsöffnung die Gefahr eines Austretens von Schmiermittel aus dem Freiraum, da ein größtmöglicher axialer Abstand zwischen dem Schmiermittel-Meniskus und der Kanalöffnung verbleibt.
Vorteilhafterweise ist der Querschnitt des Kanals V-förmig ausgebildet, einerseits wegen der einfachen Einbringung in die Lagerbuchse und andererseits wegen der günstigen adhäsiven Eigenschaften, welche ein Austritt des Lageröls erschweren.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich der Kanal vom Freiraum bis zur gegenüberliegenden Stirnseite der Lagerbuchse, was den Zugang von Messvorrichtungen zum Freiraum erleichtert.
Der Freiraum selbst wird einerseits durch einen axialen Abstand zwischen der Lagerbuchse und der Abdeckkappe und andererseits durch eine ringförmige Ausnehmung am Außenumfang der Lagerbuchse gebildet, wobei ein Ende des Kanals in die ringförmige Ausnehmung der Lagerbuchse mündet.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezugnahme auf die Zeichnungsfiguren näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A zeigt einen schematischen Halbschnitt durch einen Spindelmotor mit hydrodynamischer Lageranordnung gemäß der zum Zeitpunkt der Anmeldung dieser Erfindung nicht offengelegten Schrift DE 103 52 573 desselben Anmelders.
1B zeigt einen schematischen Halbschnitt durch einen Spindelmotor mit hydrodynamischer Lageranordnung gemäß der Erfindung.
2 zeigt eine Draufsicht auf das Lagersystem gemäß 1B ohne Abdeckkappe und Rotor.
Die in den 1A und 1B gezeigten Spindelmotoren entsprechen sich weitestgehend, wobei gleiche Bauteile mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind.
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
Die in den 1A und 1B jeweils als Halbschnitt dargestellten Spindelmotoren umfassen eine feststehende Basisplatte 13, an der eine Statoranordnung 11, bestehend aus Statorkern und Wicklungen, angeordnet ist. Eine Lagerbuchse 2 bzw. 20 ist in einer Ausnehmung der Basisplatte 13 fest aufgenommen und weist eine axiale zylindrische Bohrung auf, in welcher eine Welle 1 drehbar aufgenommen ist. Die Welle 1 und die Lagerbuchse 2 bzw. 20 sind durch einen mit Schmiermittel gefüllten Lagerspalt 4 voneinander getrennt. Das freie Ende der Welle 1 trägt einen Rotor 14, auf dem eine oder mehrere Speicherplatten (nicht dargestellt) eines Festplattenlaufwerks angeordnet und befestigt werden können. An dem inneren, unteren Rand des Rotors 14 ist ein ringförmiger Permanentmagnet 12 mit einer Mehrzahl von Polpaaren angeordnet, die von der über einen Arbeitsluftspalt beabstandeten Statoranordnung 11 mit einem elektrischen Wechselfeld beaufschlagt werden kann, so dass der Rotor 14 zusammen mit der Welle 1 um eine Rotationsachse 15 in Drehung versetzt werden kann. Eine mit der Welle 1 verbundene Druckscheibe 9 bildet zusammen mit einem Gegenlager 10 ein Drucklager zur Aufnahme der axialen Kräfte der Lageranordnung.
In den gezeigten Beispielen ist die Lagerbuchse 2 bzw. 20 an einer ihrer Stirnseiten angesenkt und weist in Fortsetzung an ihrem Außenumfang eine ringförmige Ausnehmung auf. Die Stirnseite der Lagerbuchse 2 bzw. 20 und der Bereich der Ausnehmung ist durch eine Abdeckkappe 3 bzw. 30 abgedeckt. Dadurch entsteht zwischen der Außenfläche der Lagerbuchse 2 bzw. 20 und der Innenfläche der Abdeckkappe 3 bzw. 30 ein mit dem Lagerspalt 4 verbundener konzentrischer Freiraum 5, der anteilig mit Lageröl gefüllt ist. Das Öl benetzt die Oberflächen von Lagerbuchse 2 bzw. 20 und Abdeckkappe 3 bzw. 30, wodurch sich an der Grenzfläche zur umgebenden Luft ein sogenannter Meniskus 8 mit konkaver Oberfläche ausbildet. Das in diesem Freiraum 5 befindliche Lageröl dient als Schmiermittelreservoir, aus dem abdampfendes Lageröl ersetzt wird.
Der nicht mit Lageröl gefüllte Teil des Freiraums 5 dient als Ausgleichsvolumen, in welches das Lageröl sich ausdehnen kann, wenn dessen temperaturabhängiges Volumen mit steigender Temperatur zunimmt und sich dadurch der Flüssigkeitsspiegel ändert.
Vorzugsweise ergibt sich der Freiraum 5 einerseits durch eine leichte Kegelform der oberen Stirnseite der Lagerbuchse 20 und andererseits durch eine ringförmige Ausnehmung am Außenumfang der Lagerbuchse 20, die in Richtung auf die Unterseite der Lagerbuchse 20 zunimmt. Es kann ferner eine vom Freiraum 5 bis zum Axiallagerbereich verlaufende Bohrung 16 in der Lagerbuchse 2 bzw. 20 vorgesehen sein, die als sogenannter Rezirkulationskanal zur Verbesserung der Zirkulation des Lagerfluids im Lager dient.
Gemäß 1A war bisher mindestens eine Entlüftungsöffnung 6 in der Abdeckkappe 3 vorgesehen, die für einen Druckausgleich zwischen Freiraum 5 und Umgebung sorgte. Je nach Füllstand des Freiraumes sowie bei Schock und Vibration des Lagers konnte jedoch Schmiermittel aus der Entlüftungsöffnung 6 austreten. Eine Messung des Füllstandes im Freiraum war beim Spindelmotor gemäß 1A nicht möglich.
Wie sich aus den 1B rechte Hälfte der Zeichnung und 2 ergibt, beruht die Erfindung nun darauf, dass am Außendurchmesser der Lagerbuchse 20 ein im wesentlichen in Längsrichtung der Lagerbuchse, also parallel zur Rotationsachse 15 verlaufender Kanal 21 vorgesehen ist, dessen eines Ende in den Freiraum 5 mündet. Vorzugsweise ist der Kanal 21 im Querschnitt V-förmig ausgebildet und erstreckt sich vom Freiraum 5 bis zur gegenüberliegenden Stirnseite der Lagerbuchse 20.
Der Kanal 21 ermöglicht nun erfindungsgemäß eine visuell-optische bzw. taktile Messung des Füllstandes des Schmiermittels im Freiraum, insbesondere durch Bestimmung der Position des Meniskus im Freiraum. Außerdem wirkt der Kanal als Entlüftungsöffnung, so dass im Vergleich zu 1A in der Abdeckkappe 30 keine zusätzliche Entlüftungsöffnung mehr vorgesehen werden muss. Aufgrund des Verzichtes auf eine zusätzliche Entlüftungsöffnung verringert sich auch die Gefahr eines Austretens von Schmiermittel aus dem Freiraum, da ein größtmöglicher axialer Abstand zwischen dem Schmiermittel-Meniskus und der Öffnung des Kanals erreicht wird.

1: Welle
2: Lagerbuchse
3: Abdeckkappe
4: Lagerspalt
5: Feiraum
6: Entlüftungsöffnung
7: Schmiermittel
8: Meniskus
9: Druckplatte
10: Gegenlager
11: Stator
12: Magnet
13: Basisplatte
14: Rotor
15: Rotationsachse
16: Bohrung
20: Lagerbuchse
21: Kanal
30: Abdeckkappe

Claims

Hydrodynamische Lageranordnung, insbesondere für einen Spindelmotor zum Antrieb der Speicherplatten eines Festplattenlaufwerkes, wobei die Lageranordnung eine Welle (1) und eine Lagerbuchse (20) aufweist, die, unterstützt durch ein zwischen ihren Laufflächen zirkulierendes Schmiermittel, relativ zueinander drehbar sind, wobei eine Abdeckkappe (30) vorgesehen ist, welche eine Stirnseite und an diese Stirnseite angrenzende Bereiche des Außenumfangs der Lagerbuchse abdeckt, wobei zwischen der Lagerbuchse und der Abdeckkappe ein mit dem Lagerspalt (4) verbundener und zumindest teilweise mit Schmiermittel gefüllter Freiraum (5) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass am Außendurchmesser der Lagerbuchse (20) ein im wesentlichen in Längsrichtung der Lagerbuchse verlaufender Kanal (21) vorgesehen ist, dessen eines Ende in den Freiraum (5) mündet und eine Messung des Füllstandes des Schmiermittels im Freiraum erlaubt.
Hydrodynamische Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (21) im Querschnitt V-förmig ausgebildet ist.
Hydrodynamische Lageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kanal (21) vom Freiraum (5) bis zur gegenüberliegenden Stirnseite der Lagerbuchse (20) erstreckt.
Hydrodynamische Lageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Freiraum (5) einerseits durch einen axialen Abstand zwischen der Lagerbuchse (20) und der Abdeckkappe (30) und andererseits durch eine ringförmige Ausnehmung am Außenumfang der Lagerbuchse (20) gebildet ist.
Hydrodynamische Lageranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Ende des Kanals (21) in die ringförmige Ausnehmung der Lagerbuchse (20) mündet.
Hydrodynamische Lageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Lagerbuchse (2; 20) ein Rezirkulationskanal in Form einer Bohrung (16) vorgesehen ist.