DE69730035T2

DE69730035T2 - Lager mit microporen und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE69730035T2
Application number: DE69730035T
Authority: DE
Inventors: Izhak Etsion; Ofer Kinrot
Original assignee: Surface Technologies Ltd
Current assignee: Surface Technologies Ltd
Priority date: 1996-09-30
Filing date: 1997-09-22
Publication date: 2005-07-21
Anticipated expiration: 2017-09-23
Also published as: AU4585397A; CA2266102A1; EP0930953A4; JP2002507270A; EP0930953B1; DE69730035D1; WO1998014710A1; EP0930953A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lager mit einem verbesserten Reibungsverhalten und insbesondere ein Lager, das eine tragende Oberfläche aufweist, deren Tragfähigkeit durch die Anwesenheit von Mikroporen verbessert wird.
Es ist aus der Theorie der hydrodynamischen Schmierung gut bekannt, dass, wenn zwei parallele Oberflächen, die durch einen Schmierfilm getrennt sind, mit einer relativen Geschwindigkeit in Bezug auf einander gleiten, kein hydrodynamischer Druck und folglich keine trennende Kraft im Schmierfilm erzeugt werden kann. Der Mechanismus des Aufbaus eines hydrodynamischen Drucks erfordert eine konvergierende Filmdicke in der Gleitrichtung. In herkömmlichen Anwendungen wird dies oft durch eine Form eines Fluchtungsfehler oder der Exzentrizität zwischen den gleitenden Oberflächen, z. B. von hydrodynamischen Druck- oder Zapfenlagern, erreicht. Die Makro-Oberflächenstruktur, insbesondere in der Form einer Welligkeit der gleitenden Oberflächen, wurde in der Vergangenheit sowohl bei Drucklagern mit parallelen Oberflächen als auch bei mechanischen Dichtungen erforscht. Die Tragfähigkeit in diesen Fällen ist auf eine asymmetrische hydrodynamische Druckverteilung auf der welligen Oberfläche zurückzuführen. Die Druckzunahme in den. konvergierenden Filmregionen ist viel größer als der Druckabfall in den divergierenden Filmregionen. Dies liegt daran, dass durch Kavitation der Druckabfall nach unten begrenzt ist, wohingegen die Druckzunahme effektiv keine Obergrenze aufweist. Die Mikro-Oberflächenstruktur in der Form hervorstehender Mikro-Rauhigkeitsspitzen auf den gleitenden Oberflächen kann auch verwendet werden, um eine lokal asymmetrische Druckverteilung mit lokaler Kavitation zu erzeugen. Die integrierte Wirkung dieser Mikro-Rauhigkeitsspitzen kann bei der Erzeugung einer trennenden Kraft zwischen parallelen gleitenden Oberflächen nützlich sein. Eine asymmetrische Druckverteilung kann auch durch vertiefte Oberflächenstrukturen erreicht werden, und verschiedene Formen von Nuten werden in Lagern und mechanischen Dichtungen verwendet. Siehe beispielsweise T. W. Lai, "Development of Non-Contacting, Non-Leaking Spiral Groove Liquid Face Seals", Lubr. Eng. Band 50, S. 625–640 (1994).
Das US-Patent Nr. 5,385,409 offenbart einen berührungsfreien mechanischen Radialdichtring, in dem mindestens eine der gegenüberliegenden Oberflächen einen Ablenklagerabschnitt aufweist, der eine mit Zwischenräumen angeordnete Reihe von Hebeelementabschnitten umfasst.
Das US-Patent Nr. 5,473,138 offenbart ein Verfahren zum Erhöhen der Oberfläche und der Rauhigkeit verschiedener Werkstoffe auf Mikroniveau unter Verwendung eines Laserstrahls.
Das US-Patent Nr. 4,997,192 offenbart eine mechanische Dichtung, die einen rotierenden Dichtring und einen nicht-rotierenden Dichtring aufweist, wobei mindestens einer der zwei Ringe aus einem Werkstoff mit dispergierten Poren besteht, der 0,5 bis 20 Volumenprozent Poren enthält.
Eine Mikro-Oberflächenstruktur in der Form von Mikroporen hätte mehrere Vorteile gegenüber anderen Mikro-Oberflächenstrukturen bei den sich bewegenden tragenden Oberflächen, insbesondere gegenüber den Mikro-Oberflächenstrukturen, die hervorstehende Strukturen enthalten. Zu diesen Vorteilen zählen:

1. Einfachheit der Herstellung;
2. Die Möglichkeit, Porengröße, -form und -verteilung unter Verwendung theoretischer Modelle zu optimieren;
3. Gutes Dichtvermögen bei stehenden Maschinen;
4. Bereitstellung von Mikrospeicher für das Schmiermittel unter schmiermittelarmen Bedingungen, z. B. beim Starten oder nach Schmiermittelverlust;
5. Bereitstellung der Möglichkeit, kleine Abriebteilchen zu isolieren.

Es besteht somit ein weithin anerkannter Bedarf an Lagern mit einer Mikroporenstruktur in ihren tragenden Oberflächen und an einem Verfahren zum Entwerfen der Verteilung und Geometrie der Mikroporen, und es wäre äußerst vorteilhaft, über solche Lager und über ein solches Verfahren zu verfügen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren nach Anspruch 1 zum Entwerfen und zum Herstellen eines Lagers zur Verfügung gestellt, das in einer Oberfläche davon eine Vielzahl von Mikroporen aufweist.
Nach der vorliegenden Erfindung wird ferner ein Lager nach Anspruch 13 bereitgestellt.
Den nächsten Stand der Technik stellen I. Etsion und L. Burstein dar ("A Model for Mechanical Seals with Regular Microsurface Structure"), STLE Preprint Nr. 95-TC-2B-1, Oktober 1995). Sie haben hemisphärische Poren modelliert, die gleichmäßig auf der Oberfläche eines Dichtrings verteilt sind. Sie erforschten die Wirkung von Porengröße und von dem Anteil der Ringoberfläche, der von den Poren bedeckt war, auf das Betriebsverhalten der Dichtung. Die vorliegende Erfindung ist eine Erweiterung jener Arbeit und schließt Poren ein, die die Form von Kegeln oder sphärischen Kappen haben. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung schließt sowohl ein Verfahren zum Entwerfen einer optimalen Mikroporendichte und -geometrie für die tragenden Oberflächen der Lager als auch die so entworfenen Lager ein. Obwohl die hierin modellierten tragenden Oberflächen "Dichtringe" genannt werden, soll verstanden werden, dass das Verfahren der vorliegenden Erfindung für tragende Oberflächen im Allgemeinen und nicht nur für Dichtringe gilt. Überdies schließt der Begriff "Lager", wie er hierin verwendet wird, alle Systeme mit einander berührenden Oberflächen ein, die Lasten tragen und sich relativ zueinander bewegen, z. B. sich hin und her bewegende Systeme wie Kolben in Zylindern, und nicht nur Lager an sich. Außerdem bezieht sich der Begriff "Dichtungsfluid", wie er hierin verwendet wird, auf das Fluid, das die Lageroberflächen trennt, ganz gleich, ob die primäre Funktion dieses Fluids darin besteht, als Dichtmittel oder als Schmiermittel zu wirken.
Die Mikroporen der vorliegenden Erfindung sind optimalerweise in der Größenordnung von mehreren Mikron bis mehrere Zehner von Mikron tief und mehrere Zehner von Mikron breit. Die Verwendung eines Laserstrahls, um solche Mikroporen zu erzeugen, wurde vorgeschlagen, nämlich im BRITE-EURAM-Vorschlag NR 5820, einem von der Kommission der Europäischen Gemeinschaften geförderten Forschungsprojekt, um selbstschmierende Siliciumcarbid-Lager zu entwickeln. In dem Projekt wurden die Laser in einem Forschungsmodus verwendet, um Mikroporen mit verschiedenen gesteuerten Größen, Formen und Dichten in Siliciumcarbid-Oberflächen zu erzeugen, um die optimale Größe, Form und Dichte zur Verwendung in Siliciumcarbid-Lagern zu bestimmen. Laser bieten eine praktische Art, Mikroporen mit spezifischen Formen zu erzeugen. Ein einzelner Laserpuls neigt dazu, eine im Wesentlichen sphärische Mulde zu erzeugen. Durch ein geeignetes Muster mehrfacher Pulse mit sorgfältig gesteuerter Position und Energie kann eine breite Vielfalt an Formen erzeugt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A ist ein schematischer Querschnitt eines Lagers mit hemisphärischen Mikroporen;
1B ist ein schematischer Querschnitt eines Lagers mit Mikroporen in der Form von sphärischen Kappen;
1C ist ein schematischer Querschnitt eines Lagers mit kegelförmigen Mikroporen;
2 ist eine schematische Oberansicht eines Abschnitts eines Dichtrings;
3A und 3B sind graphische Darstellungen von Zwischenraum gegen Tiefe-Durchmesser-Verhältnis für Mikroporen in der Form von sphärischen Kappen;
4A und 4B sind graphische Darstellungen von Zwischenraum gegen Tiefe-Durchmesser-Verhältnis für kegelförmige Mikroporen;
5 ist ein Profil einer in Stahl erzeugten Mikropore;
6 ist eine perspektivische Ansicht eines nach der vorliegenden Erfindung strukturierten Festplatten-Schreib-/Lesekopfs.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Entwerfen tragender Oberflächen von Lagern. Spezifischer ausgedrückt kann die vorliegende Erfindung verwendet werden, um Lager zu entwerfen und herzustellen, deren tragende Oberflächen Mikroporen eine optimale Dichte und Form besitzen.
Die Prinzipien und Arbeitsweise des Lagerdesigns nach der vorliegenden Erfindung können mit Bezug auf die Zeichnungen und die begleitende Beschreibung besser verstanden werden.
Bezug nehmend nun auf die Zeichnungen: Die Porengeometrie und -verteilung, die verwendet werden, um die hydrodynamische Druckverteilung zu modellieren, sind in den 1A, 1B, 1C und 2 gezeigt. 1A ist eine schematische Ansicht eines Lagers 10, das nicht zum Umfang der Ansprüche gehört und das eine obere Oberfläche 11 eines oberen Dichtrings 12 und eine untere Oberfläche 13 eines unteren Dichtrings 14 umfasst, die durch einen Spalt 16 von Breite h₀ getrennt sind. In der unteren Oberfläche 13 sind zwei hemisphärische Poren 20 und 22 von Durchmesser D und Radius R₀ = D/2. Dies ist die Geometrie, die von Etsion und Burstein modelliert wurde. 1B ist ein ähnlicher schematischer Querschnitt eines Lagers 110, das ebenfalls eine obere Oberfläche 111 eines oberen Dichtrings 112 und eine untere Oberfläche 113 eines unteren Dichtrings 114 umfasst, die durch einen Spalt 116 von Breite h₀ getrennt sind. In der unteren Oberfläche 113 sind zwei Poren 120 und 122, die als sphärische Kappen von Durchmesser D und Tiefe a geformt sind. 1C ist ein ähnlicher schematischer Querschnitt eines Lagers 210, das ebenfalls eine obere Oberfläche 211 eines oberen Dichtrings 212 und eine untere Oberfläche 213 eines unteren Dichtrings 214 umfasst, die durch einen Spalt 216 von Breite h₀ getrennt sind. In der unteren Oberfläche 213 sind zwei kegelförmige Poren 120 und 122 von Durchmesser D und Tiefe a.
2 ist eine schematische Oberansicht eines Abschnitts des Dichtrings 14, die seine laterale Geometrie zeigt. Der Dichtring 14 ist ein Kreisring, der einen Innenradius r_i und einen Außenradius r_o aufweist. Jede Pore befindet sich in der Mitte einer gedachten "Kontrollzelle" mit Seitenlängen 2R₁ × 2R₁. Z. B. ist die Pore 20 in der Mitte einer Kontrollzelle 30 gezeigt. Auch gezeigt ist ein Abschnitt des bei der Modellierung verwendeten kartesischen Koordinatensystems: Die X-Achse zeigt nach rechts, und die Z-Achse zeigt nach oben. Die Y-Achse (nicht gezeigt) zeigt in die Ebene des Papiers. In den 1A, 1B und 1C würde die Y-Achse von der oberen Oberfläche (11 oder 111 oder 211) auf die untere Oberfläche (13 oder 113 oder 213) zeigen. Die Poren sind in einem rechteckigen Gitter angeordnet, aber sie könnten auch in jeder anderen regelmäßigen Anordnung, z. B. einer axialsymmetrischen Anordnung, angeordnet werden. Die Dichtringe 114 und 214 werden ähnlich modelliert.
Die Poren sind gleichmäßig verteilt, und zwar mit einem Oberflächenverhältnis S, das nicht mehr als etwa 30% der Oberfläche des Dichtrings 14 beträgt, und einem Porendurchmesser D, der um mindestens eine Größenordnung kleiner ist als die Breite des Dichtrings 14, r_o – r₁. Der Abstand zwischen benachbarten Poren, 2R₁, ist folglich groß genug, um die Annahme zu rechtfertigen, die gegenseitige Beeinflussung der Poren sei vernachlässigbar. Obwohl das Verfahren und die Ergebnisse, die hierin beschrieben sind, auf einer gleichmäßigen Porenverteilung basieren, ist es für einen gewöhnlichen Fachmann einfach, das Verfahren auf ungleichmäßige Porenverteilungen zu erweitern.
Die Kontrollzelle dient als Grundeinheit für Berechnungen. Die hierin verwendeten Grundannahmen sind:

1. Die Dichtung ist eine berührungsfreie reine Flüssigkeitsdichtung, und die parallelen Oberflächen sind durch eine konstante Filmdicke h_o getrennt.
2. Auswirkungen der Krümmung der Dichtringe können vernachlässigt werden. Es wird folglich eine gleichmäßige Umfangsgeschwindigkeit U angenommen, ein linearer Druckabfall vom Außenzum Innendurchmesser der Dichtung ebenso.
3. Das Dichtungsfluid ist ein newtonsches Fluid, das eine konstante Viskosität m aufweist.
4. Die Halb-Sommerfeld-Bedingung wird angenommen, wenn Kavitation stattfindet. Obwohl diese Annahme zu einem gewissen Fehler in der Strömung um die Kontrollzelle führt, spart sie Rechenzeit, ohne den allgemeinen Trend der Lösung für die Lasttragfähigkeit zu ändern.

Die Reynolds-Gleichung für die hydrodynamischen Druckkomponenten innerhalb einer einzelnen Kontrollzelle lautet:
Die lokale Filmdicke, h, in der Region 2R₁ × 2R₁ einer Kontrollzelle beträgt: h = h0 (2a)außerhalb der Pore, wo (x² + z²)^1/2 > D/2.
Innerhalb des Porenbereichs beträgt die Filmdicke für eine Halbkugel:
und für eine sphärische Kappe:
wobei
und für einen Kegel:
Die Randbedingungen von Gleichung (1) sind p = 0 bei x = ±R₁ und bei z = ±R₁.
Der lokale Gesamtdruck in jeder Kontrollzelle ist die Summe des Drucks p, der an Hand von Gleichung (1) ermittelt wird, und der lokalen hydrostatischen Druckkomponente p_s, die wie folgt berechnet wird:
Unter Verwendung dimensionsloser Variablen der Form X = 2x/D, Z = 2z/D, ξ = 2R₁/D, H = h/h₀, Y = D/2h₀ und P = p/Λ, wobei: Λ = 3μUD/h20 (4)wird die dimensionslose Reynolds-Gleichung zu
wobei außerhalb der Pore X = 1 und innerhalb der Pore H dem dimensionslosen Äquivalent der rechten Seite von Gleichung (2b) oder von deren Gegenstücken für nicht-hemisphärische Geometrien entspricht. Die dimensionslosen Randbedingungen sind P = 0 bei X = ±ξ und bei Z = ±ξ. Die dimensionslose Größe f der Kontrollzelle kann an Hand des Porenverhältnisses S wie folgt bestimmt werden: 16R21 S = πD2 (6)oder:
Der dimensionslose lokale Gesamtdruck P_t ist die Summe: Pt = P + Ps (8)wobei P_s die dimensionslose lokale hydrostatische Druckkomponente ist, die an Hand von Gleichung (3) ermittelt wird.
Nur Kontrollzellen mit Kavitation tragen zur hydrodynamischen Tragfähigkeit der Dichtringe bei. Folglich muss eine Suche nach Poren mit Kavitation durchgeführt werden, bevor eine Leistungsvorhersage gemacht wird. Die Poren mit der höchsten Kavitationswahrscheinlichkeit sind die nahe dem Innenradius r_i der Dichtung. Der hydrostatische Druck P_s innerhalb dieser Poren ist ggf. nicht hoch genug, um Kavitation auszuschließen. Die Suche beginnt somit beim Innenradius r_i und wird entlang Radiallinien in Richtung auf den Außenradius r_o weitergeführt. An jedem Punkt einer n-ten kavitierenden Kontrollzelle, bei dem der Gesamtdruck P_t von Gleichung (8) negativ ist, wird gemäß der Halb-Sommerfeld-Bedingung für Kavitation der hydrodynamische Druck P auf Null gesetzt. Dann wird die Lastunterstützung durch eine solche n-te kavitierende Kontrollzelle wie folgt berechnet:
Sobald eine Kontrollzelle mit einem positiven Gesamtdruck P über seine gesamte Oberfläche gefunden wird, wird die Suche entlang dieser Radiallinie beendet, und die nächste Radiallinie wird untersucht.
Die gesamte dimensionale Öffnungskraft, die dazu neigt, die Dichtringe zu trennen, beträgt:
wobei N_c die Anzahl der kavitierenden Kontrollzellen ist und W, die dimensionsbehaftete Lastunterstützung durch die n-te Zelle, mit W,, von Gleichung (9) in folgender Beziehung steht: W,, = W,,ΛR20 (11)
Man sollte beachten, dass W,, und folglich W für einen gegebenen Wert von Y bestimmt wurden, der von dem Dichtungszwischenraum h₀ abhängt, der tatsächlich von vornherein unbekannt ist. Dieser Zwischenraum ist das Ergebnis eines Gleichgewichts zwischen der Öffnungskraft W und der Schließkraft F_c, die wie folgt berechnet wird: Fc = π(r20 – r2i )[pf + k(Po m Pi)] (12)wobei p_f der Federdruck und k das Dichtungsgleichgewichtsverhältnis ist. Eine iterative Prozedur ist folglich erforderlich, um h₀ zu bestimmen. Es wird zunächst ein bestimmter Zwischenraum angenommen, und die entsprechende Öffnungskraft W wird berechnet und mit der Schließkraft F_c verglichen. Wenn kein Gleichgewicht erzielt wird, wird der Dichtungszwischenraum geändert und die Prozedur wiederholt. Die Iterationen werden fortgeführt, bis ein Konvergenzkriterium erfüllt wird oder bis der Wert des Dichtungszwischenraums eine gewisse Grenze unterschreitet. In diesem Fall wird eine teilweise Oberflächenberührung angenommen.
Numerische Ergebnisse für hemisphärische Mikroporen wurden von Etsion und Burstein vorgestellt. Hierin werden berechnete Werte des Dichtungszwischenraums für sphärische Kappen und für Kegel vorgestellt.
3A zeigt Werte von h₀ in Mikron gegen das Verhältnis a/D (den Kehrwert des Durchmesser-Tiefe-Verhältnisses) für Mikroporen in der Form von sphärischen Kappen von Durchmesser D gleich 50 oder 70 oder 90 Mikron, die 20% der unteren Oberfläche 114 bedecken. Die anderen Systemparameter in diesem Beispiel sind:
Mittlere Gleitgeschwindigkeit U = 6,702 m/s
Innenradius r_i = 13 mm
Außenradius r_o = 19 mm
Flüssigkeitsviskosität μ = 0,03 Pa s
Innendruck p_i = 0,11 MPa
Außendruck p_o = 0,1 MPa Federdruck p_s = 0,1044 MPa
Gleichgewichtsverhältnis = 0,75
Der größte erzielte Zwischenraum h₀ beträgt 2,412 Mikron, und zwar unter Verwendung von Mikroporen mit einem Durchmesser von 90 Mikron und mit einem Verhältnis a/D von 0,07. Man beachte, dass die Kurven monotonisch nach rechts abfallen. Hemisphärische Poren (a/D = 0,5) würden eine signifikant schlechtere Leistung aufweisen als die hierin modellierten Poren mit hohen Durchmesser-Tiefe-Verhältnissen.
3B zeigt Werte von h₀ in Mikron gegen das Verhältnis a/D für Mikroporen in der Form von sphärischen Kappen von Durchmesser D gleich 50, 70 und 90 Mikron, die 30% der unteren Oberfläche 114 bedecken. Die anderen Systemparameter sind gleich wie in 3A. Der größte erzielte Zwischenraum h₀ beträgt 2,476 Mikron, und zwar unter Verwendung von Mikroporen mit einem Durchmesser von 90 Mikron und mit einem Verhältnis a/D von 0,07.
4A zeigt Werte von h₀ in Mikron gegen das Verhältnis a/D für kegelförmige Mikroporen von Durchmesser D gleich 50, 70 und 90 Mikron, die 20% der unteren Oberfläche 214 bedecken. Die anderen Systemparameter sind gleich wie in 3A. Der größte erzielte Zwischenraum h₀ beträgt 2,335 Mikron, und zwar unter Verwendung von Mikroporen mit einem Durchmesser von 90 Mikron und mit einem Verhältnis a/D von 0,095.
4B zeigt Werte von h₀ in Mikron gegen das Verhältnis a/D für kegelförmige Mikroporen von Durchmesser D gleich 50 oder 70 oder 90 Mikron, die 30% der unteren Oberfläche 214 bedecken. Die anderen Systemparameter sind gleich wie in 3A. Der größte erzielte Zwischenraum h₀ beträgt 2,397 Mikron, und zwar unter Verwendung von Mikroporen mit einem Durchmesser von 90 Mikron und mit einem Verhältnis a/D von 0,12.
Die in 3A und 3B gezeigten Ergebnisse für sphärische Kappen sind den in 4A und 4B gezeigten Ergebnissen für Kegel qualitativ ähnlich. Im Allgemeinen weisen die am besten funktionierenden Mikroporen Verhältnisse a/D zwischen 0,05 und 0,15 auf, welche Tiefe-Durchmesser-Verhältnissen zwischen etwa 7 und etwa 20 entsprechen. Dennoch sind in der Praxis kegelförmige Mikroporen Mikroporen in der Form von sphärischen Kappen überlegen. Erstens sind kegelförmige Mikroporen leichter zu erzeugen als sphärische Mikroporen. Wie oben erwähnt, erzeugt ein einzelner Laserpuls eine im Wesentlichen kegelförmige Mikropore. Mehrere Laserpulse sind erforderlich, um eine im Wesentlichen sphärische Mikropore zu formen. Zweitens sind die Kurven von h₀ gegen a/D der 4A und 4B nahe ihren Maxima im Allgemeinen flacher als die Kurven von h₀ gegen a/D der 3A und 3B, was zeigt, dass Lager mit kegelförmigen Mikroporen weniger empfindlich gegen kleine Variationen um das geometrische Optimum sind als Lager mit sphärischen Mikroporen. Wenn alles andere gleich ist, zeigt ein Lager mit einer höheren Mikroporendichte eine etwas bessere Leistung als ein Lager mit einer geringeren Mikroporendichte. Diese Tatsache muss gegen die höheren Kosten der Erstellung von mehr Mikroporen abgewägt werden.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung basiert auf der Modellierung einer hydrodynamischen Druckverteilung und gilt deshalb nur für geschmierte tragende Oberflächen, die sich relativ zueinander bewegen. Dennoch schließen die Lager der vorliegenden Erfindung Lager mit Mikroporen ein, die für schmiermittelarme Bedingungen, z. B. beim Beginn der relativen Bewegung oder Bedingungen bei Verlust des Schmierfluids, ausgelegt sind. Unter diesen Bedingungen müssen die Mikroporen als Speicher für das Schmierfluid dienen. Die optimale Form für rotationssymmetrische Mikroporen, die durch eine Tiefe a und einen Durchmesser D parametrisiert sind, ist ein Verhältnis a/D von etwa 0,5, z. B. hemisphärische Poren. Die optimale Tiefe dieser Poren beträgt zwischen etwa 20 Mikron und etwa 60 Mikron. Die bevorzugtesten Ausführungsformen der Lager der vorliegenden Erfindung schließen auf ihren tragenden Oberflächen sowohl Mikroporen ein, die für hydrodynamische Tragbedingungen optimiert sind, als auch Mikroporen, die für schmiermittelarme Bedingungen optimiert sind.
Die Form einer im Wesentlichen kegelförmigen Mikropore, die durch einen einzelnen Laserpuls erzeugt wird, kann gesteuert werden, indem das Laserstrahlprofil geändert wird. Die somit erzeugten Mikroporen sind üblicherweise im Wesentlichen kegelförmig, aber unerwünschte Störungen wie Beulen oder Ränder um die Mikroporen können auch in dieser Weise eliminiert werden. Das Laserstrahlprofil wird geändert, entweder indem Blenden, die Beugungseffekte am Brennpunkt des Lasers erzeugen, in den Lichtweg positioniert werden oder indem ein Vielmoden-Betrieb des Laserstrahls erlaubt wird, um ein abgeflachtes Intensitätsprofil zu ergeben. Ein anderes Verfahren besteht darin, eine maßgeschneiderte Optik, z. B. eine Beugungsoptik, zu verwenden, um abgeflachte oder ringförmige Intensitätsprofile zu ergeben.
Die Größe der Mikroporen wird gesteuert, indem die Parameter des optischen Systems geändert werden, das verwendet wird, um den Laserstrahl auf die Oberfläche zu fokussieren. Das optische System schließt ein Aufweitungsteleskop und eine fokussierende Linse ein. Das Variieren des Aufweitungsverhältnisses des Teleskops und/oder der Brennweite der Linse ändert die Größe und Leistungsdichte des Brennpunkts. Ein anderer Parameter, der justiert wird, um die Mikroporengröße zu steuern, ist die Pulsenergie, die von ihrem Spitzenwert herabgesetzt werden kann, und zwar durch Dämpfung des Strahls oder durch Steuerung der Laserleistung.
5 zeigt ein Profil einer in Stahl erzeugten Mikropore. Man beachte, dass der vertikale Maßstab in 5 im Vergleich zum lateralen Maßstab übertrieben dargestellt ist. In Stahl erzeugte Mikroporen sind typischerweise durch einen Rand um das zentrale Loch gekennzeichnet. Die Parameter des Laserstrahls und des optischen Systems waren in diesem Fall:

Pulsenergie: 4 mJ

Teleskopstrahlaufweitungsverhältnis: 1 : 7,5

Brennweite der fokussierenden Linse: 77 mm
Die so erzeugten Mikroporen waren etwa 5 Mikron tief (h), mit einem Durchmesser von etwa 100 Mikron (u), und sie wiesen eine Randhöhe (Δh) zwischen etwa 0,5 Mikron und etwa 1,5 Mikron auf. Das Fokussieren des Laserstrahls auf einen kleineren Punkt, indem das Aufweitungsverhältnis auf 1 : 20 gebracht wurde, erzeugte Mikroporen, die etwa 7 bis 8 Mikron tief sind, keinen Rand aufweisen und Durchmesser von etwa 60 bis 70 Mikron aufweisen.
In Siliciumcarbid erzeugte Mikroporen wiesen fast keinen messbaren Rand auf. Unter Verwendung derselben Parameter, die verwendet wurden, um die in der Figur gezeigte Mikropore zu erzeugen, waren die in Siliciumcarbid erzeugten Mikroporen etwa 7 bis 8 Mikron tief, mit einem Durchmesser von etwa 80 Mikron.
Der Unterschied zwischen dem Verhalten von Stahl und dem von Siliciumcarbid ist eine Folge des Unterschieds zwischen den Schmelzverhalten von Metallen und Keramiken. Der Prozess der Mikroporenbildung in Stahl umfasst das Schmelzen und anschließende Kochen und Verdampfen der Oberflächenschicht. Der Brennpunkt des Lasers weist eine hohe Leistungsdichte in der Mitte des Punktes auf, die für das Verdampfen des Werkstoffs ausreicht. Außerhalb der Mitte gibt es aber einen Bereich, in dem die Leistungsdichte hoch genug ist, um die Oberflächenschicht zu schmelzen, aber nicht, um sie zu verdampfen, wodurch ein Werkstoffrand erzeugt wird, die von der Brennpunktmitte weg fließt.
Die Mikroporenbildung in Siliciumcarbid umfasst kein Schmelzen: Entweder verdampft die Keramik, oder sie löst sich in ihre Bestandteile auf. Somit werden um Mikroporen in Siliciumcarbid vernachlässigbare Ränder erzeugt. Die unterschiedliche Mikroporentiefe (5 Mikron gegen 8 Mikron) ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass die Reflexionsverluste bei Siliciumcarbid geringer sind als bei Stahl.
Die Lager der vorliegenden Erfindung müssen nicht homogen sein. Die Oberflächenregion eines Lagers der vorliegenden Erfindung kann z. B. aus einem anderen Werkstoff sein als der Rest des Lagers. Wenn die Oberflächenregion metallisch ist, ist es oft wichtig, den Prozess zu justieren, wie oben beschrieben, um die Höhe der Ränder um die Mikroporen zu minimieren, um die Oberfläche zwischen den Mikroporen im Wesentlichen flach zu machen.
Die vorhergehenden Ausführungen gelten für Lageroberflächen, die durch ein nicht-komprimierbares Fluid (d. h. ein Fluid mit konstanter Dichte) getrennt sind. Wenn das Dichtungsfluid komprimierbar ist, dann muss die komprimierbare Reynolds-Gleichung gelöst werden, um laterale Variationen der Dichte zu berücksichtigen. Im vorliegenden Fall lautet die komprimierbare Reynolds-Gleichung für die hydrodynamischen Druckkomponenten innerhalb einer einzelnen Kontrollzelle:
wobei ρ die Dichte des Fluids ist. Im Allgemeinen wird die Beziehung zwischen ρ und p durch die Zustandsgleichung des Fluids beschrieben. Für viele Anwendungen, wie z. B. den Entwurf des Schreib-/Lesekopfs eines Festplattenlaufwerks, der durch einen Luftfilm von der Festplatte getrennt ist, kann das Fluid als ideales Gas modelliert werden. In dem Fall ist ρ proportional zu p, und Gleichung (13) wird zu:
Im Gegensatz zu Gleichung (1) ist Gleichung (14) nichtlinear in Bezug auf p, und sie ist schwieriger zu lösen als Gleichung (1). Methoden zur Lösung der komprimierbaren Reynolds-Gleichung sind im Stand der Technik gut bekannt. Siehe z. B. Oscar Pinkus und Beno Sternlicht, Theory of Hydrodynamic Lubrication (McGraw-Hill, New York, 1961), Kapitel 5 (S. 136–176); J. W. White und A. Nigam, "A Factored Implicit Scheme for the Numerical Solution of the Reynolds Equation at a Very Low Spacing", Trans ASME, Jour. of Lubr. Tech. Band 102, Nr. 1, S. 80–85 (1980); und I. Etsion und Y. Shaked, "The Effect of Curvature on the Load Carrying Capacity in Eccentric Gas Thrust Bearings", Tribology Transactions Band 33, Nr. 3, S. 293–300 (1990). Abgesehen von den Komplexitäten, zu denen die Nichtlinearität der komprimierbaren Reynolds-Gleichung führt, und natürlich abgesehen von der Tatsache, dass das Dichtungsfluid nicht länger Newtonsch ist, wird die Modellierung der hydrodynamischen Druckverteilung so durchgeführt, wie oben für ein nicht-komprimierbares Dichtungsfluid beschrieben.
Die oben erwähnte Anwendung der vorliegenden Erfindung, nämlich der Entwurf des Schreib-/Lesekopfs eines Festplattenlaufwerks, ist bei der andauernden Suche nach einer höheren Speicherdichte von digitalen Daten von Bedeutung. Je näher an den Schienen des Schreib-/Lesekopfs sich die Oberfläche der rotierenden Festplatte bewegt, desto dichter können die auf der Festplatte gespeicherten Daten darauf gepackt werden; aber der Schreib-/Lesekopf darf die Festplatte nicht berühren, um die Festplatte nicht zu beschädigen. Dies ist ein besonders kritisches Problem, wenn die Festplatte langsam rotiert, nämlich beim Hoch- und Herunterfahren. 6 zeigt einen Schreib-/Lesekopf 40, der von unten betrachtet wird. Die Oberflächen 42 und 44 sind mit Mikroporen 46 strukturiert gezeigt. Der Pfeil 48 gibt die Bewegungsrichtung der Festplatte relativ zum Schreib-/Lesekopf 40 an. Die Größe und die geometrische Verteilung von Mikroporen 46 werden unter Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung ausgewählt.
Während die Erfindung mit Bezug auf eine begrenzte Anzahl von Ausführungsformen beschrieben wurde, wird verständlich werden, dass viele Variationen, Modifikationen und andere Anwendungen der Erfindung, wie durch die folgenden Ansprüche definiert, durchgeführt werden können.

Claims

Ein Verfahren zum Entwurf und zur Herstellung eines Lagers, das eine Vielzahl von Mikroporen in einer Oberfläche davon aufweist, das die folgenden Schritte umfasst: (a) Auswahl einer Vielzahl von Porenverteilungen und nicht-hemisphärischen Porengeometrien; (b) Modellierung einer hydrodynamischen Druckverteilung von einem Paar von Lageroberflächen (111, 113, 211, 213), die durch ein Fluid getrennt werden, ausgewählt aus der Klasse, die komprimierbare und nicht komprimierbare Fluide umfasst, wobei eine Lageroberfläche (113, 213) eines jeden der Paare eine der Verteilungen von einer Vielzahl von Poren (20, 22) von einer der Geometrien auf einer gleitenden Oberfläche darauf aufweist; und (c) Auswahl einer optimalen Porenverteilung und einer optimalen Porengeometrie, die auf der Modellierung basiert.
Das Verfahren nach Anspruch 1, worin die Porengeometrien zylindersymmetrische Geometrien einschließen.
Das Verfahren nach Anspruch 2, worin die Porengeometrien sphärische Kappen und gerade Kreiskegel einschließen.
Das Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin folgenden Schritt umfasst: (d) Erzeugung der Vielzahl von Mikroporen (20, 22) in der Oberfläche (113, 213) des Lagers, die im Wesentlichen die optimale Porenverteilung und im Wesentlichen die optimale Porengeometrie aufweisen.
Das Verfahren nach Anspruch 1, worin die Mikroporen (20, 22) unter Verwendung eines gepulsten Laserstrahls erzeugt werden.
Das Verfahren nach Anspruch 5, worin jede der Mikroporen (20, 22) unter Verwendung eines Pulses des Laserstrahls erzeugt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 6, worin der Laserstrahl ein Strahlenprofil aufweist, wobei das Verfahren weiterhin den folgenden Schritt umfasst: (e) Bereitstellung eines Strahlenprofilsteuerungsmechanismus.
Das Verfahren nach Anspruch 7, worin der Strahlenprofilsteuerungsmechanismus aus der Gruppe bestehend aus maßgeschneiderter Optik und gesteuertem Multimodus-Betrieb ausgewählt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 6, das weiterhin die folgenden Schritte umfasst: (e) Bereitstellen eines fokussierenden optischen Systems, das ein expandierbares Teleskop einschließt, das ein Expansionsverhältnis und eine fokussierende Linse aufweist, die eine Brennweite aufweist; und (f) Justieren eines Parameters, der aus der Gruppe bestehend aus dem Expansionsverhältnis und der Brennweite ausgewählt ist.
Das Verfahren nach Anspruch 6, worin jeder der Pulse eine Pulsenergie aufweist, wobei das Verfahren weiterhin den folgenden Schritt umfasst: (e) Justieren der Pulsenergie.
Das Verfahren nach Anspruch 1, worin die Modellierung durch die Auflösung einer komprimierbaren Reynolds-Gleichung durchgeführt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 1, worin das komprimierbare Fluid als ein ideales Gas modelliert ist.
Ein Lager, das folgendes umfasst: (a) eine Oberflächenregion, die eine Oberfläche (113, 213) einschließt; und (b) eine Vielzahl von Mikroporen (20, 22), dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroporen (20, 22) eine im Wesentlichen rotationssymmetrische, nicht-hemisphärische Porengeometrie aufweisen, wobei die Mikroporen (20, 22) regelmäßig auf der Oberfläche (113, 213) angeordnet sind.
Das Lager nach Anspruch 13, worin die Porengeometrie durch eine Tiefe a und einen Durchmesser D parametrisiert ist, und worin a/D zwischen etwa 0,05 und etwa 0,15 ist.
Das Lager nach Anspruch 14, worin die Mikroporen (20, 22) zwischen etwa 2 Mikron und etwa 10 Mikron tief sind.
Das Lager nach Anspruch 13, worin die Porengeometrie durch eine Tiefe a und einen Durchmesser D parametrisiert ist, und worin a/D etwa 0,5 ist.
Das Lager nach Anspruch 16, worin die Mikroporen (20, 22) zwischen etwa 20 Mikron und etwa 60 Mikron tief sind.
Das Lager nach Anspruch 13, worin die Porengeometrie im Wesentlichen kegelförmig ist.
Das Lager nach Anspruch 18, worin die Mikroporen (20, 22) durch einen Laser erzeugt werden.
Das Lager nach Anspruch 19, worin die Oberflächenregion metallisch ist, und worin die Oberfläche (113, 213) zwischen den Mikroporen (20, 22) im Wesentlichen flach ist.