DE10239651A1

DE10239651A1 - Hydrodynamisches Lagersystem und Verfahren zu dessen Montage

Info

Publication number: DE10239651A1
Application number: DE10239651A
Authority: DE
Inventors: Roland Beckers; Jürgen Oelsch
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2002-08-29
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2004-03-11
Also published as: JP2004100954A; US20040042694A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein hydrodynamisches Lagersystem, insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors vorzugsweise zum Antrieb der Magnetplatten in Festplattenlaufwerken, mit mindestens einem Radiallager, das eine in einer Bohrung einer Hülse drehbar gelagerte Welle umfasst, und mindestens einem Drucklager, das eine mit der Welle fest verbundene, in einer Aussparung der Hülse drehbar aufgenommene Druckscheibe und ein der Druckscheibe zugeordnetes Gegenlager in Form einer Abdeckplatte umfasst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Druckscheibe und die Abdeckplatte in einer gemeinsamen Aussparung der Hülse angeordnet sind, wobei die Abdeckplatte in einer definierten Position in der Aussparung festgelegt wird, so dass beiderseits der Druckscheibe ein Lagerspalt mit gewünschter Spaltbreite verbleibt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein hydrodynamisches Lagersystem, insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors z. B. für den Antrieb von Festplattenlaufwerken, und ein Verfahren zu dessen Montage.
Stand der Technik
Spindelmotoren bestehen im wesentlichen aus Stator, Rotor und mindestens einem zwischen beiden angeordneten Lagersystem. Der elektromotorisch angetriebene Rotor ist mit Hilfe des Lagersystems gegenüber dem Stator drehgelagert. Als Lagersysteme können sowohl Wälzlager als auch hydrodynamische Gleitlager verwendet werden.
Ein hydrodynamisches Lagersystem umfasst eine Lagerhülse und eine Welle, die in einer axialen Bohrung der Lagerhülse angeordnet ist. Die Welle rotiert frei in der Lagerhülse, wobei die beiden Teile zusammen ein Radiallager bilden. Die in gegenseitiger Wirkverbindung stehenden Lageroberflächen von Welle und Hülse sind durch einen dünnen, konzentrischen und mit einem Schmiermittel gefüllten Lagerspalt voneinander beabstandet.
In wenigstens eine der Lageroberflächen ist ein Rillenmuster eingearbeitet, welches infolge der rotatorischen Relativbewegung lokale Beschleunigungskräfte auf das im Lagerspalt befindliche Schmiermittel ausübt. Auf diese Weise entsteht eine Art Pumpwirkung, die 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.
Die Verschiebung entlang der Rotationsachse wird durch entsprechend ausgestaltete hydrodynamische Axiallager verhindert. Bei einem hydrodynamischen Axiallager sind die in gegenseitiger Wirkverbindung stehenden Lageroberflächen, von denen wenigstens eine mit einem Rillenmuster versehen ist, jeweils in der zur Rationsachse senkrechten Ebene angeordnet und durch einen dünnen, vorzugsweise ebenen, mit Schmiermittel gefüllten, Lagerspalt axial voneinander beabstandet.
Da ein einzelnes hydrodynamisches Axiallager in der Regel nur Kräfte in einer Richtung aufnehmen kann, werden üblicherweise zwei gegeneinander arbeitende hydrodynamische Axiallager verwendet.
Die Steifigkeit hydrodynamischer Lager wird im wesentlichen durch die Lagerspaltdicke, die Viskosität des Schmiermittels sowie durch die Formgebung bzw. Ausgestaltung des Rillenmusters bestimmt.
Die zur Aufnahme der axialen Kräfte vorgesehenen hydrodynamischen Drucklager werden vorzugsweise durch die beiden Stirnflächen einer am Ende der Welle angeordneten Druckscheibe gebildet, wobei der einen Stirnfläche der Scheibe eine entsprechende Stirnfläche der Hülse und der anderen Stirnfläche die innenliegende Stirnfläche einer Abdeckplatte zugeordnet ist. Die Abdeckplatte bildet also ein Gegenlager zur Druckscheibe und verschließt das gesamte Lagersystem nach unten und verhindert dass Luft in den mit Schmiermittel gefüllten Lagerspalt eindringt.
Die spezifischen Vorteile hydrodynamischer Gleitlager gegenüber Wälzlagern sind die höhere Laufgenauigkeit, die Unempfindlichkeit gegenüber Stossbelastungen (Schock) und die geringere Zahl der Bauteile. Da sich die Gleitpartner bei Nenndrehzahl nicht berühren arbeiten sie verschleißarm und nahezu geräuschlos.
Ein oben beschriebenes hydrodynamisches Lagersystem mit einer einseitig angeordneten Druckscheibe ist zum Beispiel in der US 6 183 135 B1 offenbart. Die Druckscheibe ist in einer ersten, an die Abmessungen der Druckscheibe angepassten Aussparung der Lagerhülse aufgenommen und wird von einer Abdeckplatte abgedeckt, die in einer zweiten Aussparung größeren Durchmessers angeordnet ist. Durch den größeren Durchmesser der zweiten Aussparung ergibt sich eine Stufe innerhalb der Lagerhülse, die als axialer Anschlag für die Abdeckplatte dient.
Aufgrund von Herstellungstoleranzen in der Dicke der Druckscheibe und der Tiefe der ersten Aussparung, können die Abmessungen der die Druckscheibe umgebenden Lagerspalte in axialer Richtung um bis zu 50 % variieren, wodurch auch die Lagersteifigkeit in einem weiten Bereich variiert.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein hydrodynamisches Lagersystem anzugeben, bei dem die Toleranzen des Lagerspalts im Drucklager minimiert werden.
Ein Verfahren zur Montage eines solchen Lagersystems soll ebenfalls angegeben werden.
Das erfindungsgemäße Lagersystem weist mindestes ein Radiallager auf, das eine in einer Bohrung einer zugeordneten Hülse drehbar gelagerte Welle umfasst, und mindestens ein Drucklager, das eine mit der Welle fest verbundene, in einer Aussparung der Hülse drehbar aufgenommene Druckscheibe und ein der Druckscheibe zugeordnetes Gegenlager in Form einer Abdeckplatte umfasst, wobei die Druckscheibe und die Abdeckplatte in einer gemeinsamen Aussparung der Hülse angeordnet sind.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Durchmesser der Aussparung größer als der Durchmesser der Bohrung, so dass sich eine Stufe bildet. Die Abdeckplatte wird in einem Abstand von A = a + 2G von der Stufe angeordnet und dort befestigt. Dabei entspricht A der verbleibenden lichten Höhe der Aussparung, a der Dicke der Druckscheibe und G der geforderten Spaltbreite.
Die Abdeckplatte wird vorzugsweise mit Hilfe einer Übergangspassung in die Aussparung eingebracht und mit der Hülse durch Schweißen oder Kleben verbunden.
Das Verfahren zur Montage des hydrodynamischen Lagersystems weist die Schritte auf:
Einführen der Welle und der mit dieser fest verbundenen Druckscheibe in die Hülse derart, dass die Druckscheibe an einer durch unterschiedliche Durchmesser von Bohrung und Aussparung in der Hülse gebildeten Stufe anliegt; Einbringen der Abdeckplatte in die Aussparung derart, dass sie an der freien Seite der Druckscheibe anliegt; Zurückschieben der Abdeckplatte um einen definierten Betrag durch eine Verschiebebewegung der Welle, wobei der Betrag dem doppelten Wert der gewünschten Spaltbreite G entspricht; und Befestigen der Abdeckplatte in dieser Position an der Hülse.
Die Erfindung bietet verschiedene Vorteile gegenüber dem Stand der Technik.
Zum einen wird die Bearbeitung der Hülse vereinfacht, da nur eine gemeinsame Aussparung zur Aufnahme der Druckscheibe und der Abdeckplatte vorgesehen werden muss. Zum anderen spielen die Toleranzen der axialen Abmessungen von Druckscheibe, Abdeckplatte und Aussparung eine untergeordnete Rolle, da die Spaltbreite G unabhängig von den Abmessungen dieser Teile auf das gewünschte Maß eingestellt werden kann.
Dadurch ergibt sich eine sehr genau reproduzierbare Spaltbreite wodurch Lager mit gleichbleibenden Lagereigenschaften auch in großen Stückzahlen produziert werden können.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der, Erfindung anhand der Zeichnungsfiguren näher beschrieben. Aus den Zeichnungen und deren Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungen der Erfindung. Es zeigt:
1: eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Lagersystems;
2: eine schematische Schnittdarstellung eines Lagersystems nach dem Stand der Technik.
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
Das Ausführungsbeispiel beschreibt ein hydrodynamisches Lagersystem, das beispielsweise zur Drehlagerung eines Spindelmotors eingesetzt werden kann. Hierbei wird davon ausgegangen, dass eine einen Rotor tragende Welle in einer feststehenden Lagerhülse frei drehbar angeordnet ist. Die Erfindung umfasst jedoch auch die Bauform, bei der eine mit einem Rotor verbundene Hülse drehbar auf einer feststehenden Welle gelagert ist.
2, die den Stand der Technik darstellt, zeigt ein Lagersystem mit einer in einer Bohrung 8 der Hülse 2 frei drehbar angeordneten Welle 1. Jeweils eine der einander zugewandten Oberflächen von Welle 1 und/oder Hülse 2, weist in bekannter Weise zylindrische Zonen mit eingearbeiteten Rillenmustern (nicht dargestellt) auf.
Die Hülse 2 ist an ihrer unteren Stirnseite mit einer ersten ringförmigen Aussparung 5 zur Aufnahme der Druckscheibe 3 versehen. Ebenso wie die Welle 1 in der Hülse 2 rotiert die mit der Welle fest verbundene Druckscheibe 3 in der Aussparung 5. Die Druckscheibe 3 weist eine konzentrische Bohrung zur Aufnahme der Welle 1 auf. Die untere Öffnung der Hülse 2 ist durch eine das Gegenlager bildende Abdeckplatte 4 hermetisch verschlossen. Die Abdeckplatte 4 ist in einer zweiten Aussparung größeren Durchmessers aufgenommen und liegt an einer zweiten Stufe 7 an. Die Abdeckplatte 4 verhindert das Eindringen von Luft in die Lageranordnung beziehungsweise ein Austreten von Schmiermittel.
Die Außendurchmesser von Welle 1 und darauf befestigter Druckscheibe 3 sind geringfügig kleiner als die korrespondierenden Innendurchmesser von Buchse 2 bzw. Aussparung 5. Gleichermaßen ist die Dicke der Druckscheibe 3 kleiner als die Tiefe der Aussparung 5 zwischen den beiden Stufen 6 und 7. Der dadurch die Abmessungsunterschiede entstehende Lagerspalt zwischen der Welle 1 nebst Druckscheibe 3 und der mit der Gegenplatte 4 verschlossenen Hülse 2 ist mit einem Schmiermittel gefüllt, welches einen zusammenhängenden Schmiermittelfilm bildet, so dass die Welle 1 nebst Druckscheibe 3 innerhalb der Hülse 2 berührungsfrei drehen kann. Wenigstens ein Rillenmuster in einer der durch den Lagerspalt beabstandeten zylindrischen Lageroberflächen von Welle 1 bzw. Hülse 2 oberhalb der Druckplatte 3 bildet ein hydrodynamisches Radiallager. Durch die rotatorische Relativbewegung zwischen Welle 1 und Hülse 2 wird hier im Lagerspalt ein konzentrisches Druckpolster aufgebaut, dessen Kraftkomponenten radial nach innen gerichtet sind und deren geometrische Summe Null ergibt. Jede durch Abstandsänderungen im Lagerspalt hervorgerufene Abweichung von diesem Kraftgleichgewicht wird sofort selbstregelnd kompensiert, so dass sich die Rotationsachse in einem kraft- und lagestabilen Gleichgewichtszustand befindet.
Im Bereich der Stufen 6 und 7 sind hydrodynamische Axiallager vorgesehen, deren durch die hydrodynamischen Druckpolster verursachten Kraftkomponenten in axiale Richtung weisen, entgegengesetzt gleich groß sind und dadurch auch in axialer Richtung für ein selbststabilisierendes Kraft- bzw. Lagegleichgewicht sorgen.
Ein erstes hydrodynamisches Axiallager mit einem zugeordneten ersten Rillenmuster ist im Bereich der Stufe 6 vorgesehen und wird zwischen den durch einen ersten axialen Lagerspalt voneinander beabstandeten kreisringförmigen Stirnflächen von Hülse 2 und Druckscheibe 3 gebildet. Ein zweites hydrodynamisches Drucklager mit einem zweiten Rillenmuster befindet sich im Bereich der Stufe 7 auf der entgegengesetzten Seite der Druckscheibe 3 und wird zwischen den einander gegenüberliegenden und durch einen zweiten axialen Lagerspalt beabstandeten Stirnflächen von Druckscheibe 3 und Gegenplatte 4 gebildet.
Die Abmessung der Lagerspalte G zwischen der oberen axialen Fläche der Druckscheibe 3 und der Hülse 2 sowie zwischen der unteren axialen Fläche der Druckscheibe 3 und der Abdeckplatte 4 wird bestimmt durch die lichte Höhe A der ersten Aussparung 5 zuzüglich eines Toleranzwertes ± T₁ abzüglich der Dicke a der Druckscheibe 3 zuzüglich eines Toleranzwertes ± T₂. Mit der vereinfachten Annahme, dass beide axialen Lagerspalte gleich groß sind, also G1 = G2 = G ergibt sich also: Spaltbreite G = ½{(A ± T1) – (a ± T2)} = ½ {(A – a) ± (T1 + T2)}
Die erfindungsgemäße Anordnung ist in 1 dargestellt. Der Aufbau dieses Lagersystems ist ähnlich zu dem in 2 dargestellten Lagersystem. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Die Erfindung gemäß 1 zeichnet sich dadurch aus, dass die Hülse 2 nur eine Aussparung 5 zur gemeinsamen Aufnahme der Druckscheibe 3 und der Abdeckplatte 4 besitzt.
Der Außendurchmesser der Druckscheibe 3 ist derart gewählt, dass sie einerseits innerhalb der Aussparung 5 frei drehbar ist und andererseits die Spaltbreite zwischen ihrem Außenumfang und dem Innenumfang der Aussparung einem vordefinierten Wert entspricht.
Der Außendurchmesser der Abdeckplatte 4 entspricht vorzugsweise etwa dem Innendurchmesser der Aussparung 5, so dass sie mit Hilfe einer Übergangspassung in der Aussparung angeordnet und dort beispielsweise durch Verschweißen oder Verkleben befestigt werden kann.
Bei der Montage des Lagersystems wird die Welle 1 und die mit dieser fest verbundene Druckscheibe 3 derart in die Hülse 2 eingeführt, dass die Druckscheibe an einer durch die verschiedenen Durchmesser der Bohrung 8 für die Welle 1 und der Aussparung 5 gebildeten Stufe 6 anliegt. Die Abdeckplatte 4 wird nun in die Aussparung 5 eingebracht und an die freie Seite der Druckscheibe 3 gedrückt.
Im nächsten Schritt wird die Abdeckplatte 4 durch eine Verschiebebewegung der Welle 1 um einen definierten Betrag zurückgeschoben, der dem Doppelten der gewünschten Spaltbreite G entspricht. Diese Verschiebebewegung um den Betrag 2G kann durch ein hochgenaues Stellglied erreicht werden, das an der Welle 1 angreift.
Dann wird die Abdeckplatte 4 in dieser vorgegebenen Position zum Beispiel durch Verschweißen oder Kleben fest mit der Hülse 2 verbunden. Zwischen der Druckscheibe 3 und der Stufe 5 einerseits und der Abdeckplatte 4 andererseits verbleibt ein definierter Spalt der Spaltbreite G.
Die Strecke, um die die Abdeckplatte verschoben werden muss, entspricht der doppelten Spaltbreite 2G, wobei gilt: G = ½ (A – a).
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Montageverfahrens spielen die tatsächlichen Abmessungen (Dicke a) der Druckscheibe und die verbleibende lichte Höhe A der Aussparung keine Rolle, da die Spaltbreite G unabhängig davon eingestellt wird.
Die beschriebene Art der Montage des Lagersystems erlaubt es, den Lagerspalt G bis auf wenige μm genau zu reproduzieren.

1: Welle
2: Hülse
3: Druckscheibe
4: Abdeckplatte (Gegenlager)
5: Aussparung
6: Stufe
7: Stufe
8: Bohrung

Claims

Hydrodynamisches Lagersystem, insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors vorzugsweise zum Antrieb der Magnetplatten in Festplattenlaufwerken, mit mindestes einem Radiallager, das eine in einer Bohrung (8) einer Lagerhülse (2) drehbar gelagerte Welle (1) umfasst, und mindestens einem Drucklager, das eine mit der Welle fest verbundene, in einer Aussparung (5) der Hülse (2) drehbar aufgenommene Druckscheibe (3) und ein der Druckscheibe zugeordnetes Gegenlager in Form eine Abdeckplatte (4) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckscheibe (3) und die Abdeckplatte (4) in einer gemeinsamen Aussparung (5) der Hülse (2) angeordnet sind.
Hydrodynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Aussparung (5) größer ist als der Durchmesser der Bohrung (2), wobei sich eine Stufe (6) ausbildet, und die Abdeckplatte (4) in einem Abstand von A = a + 2G von der Stufe (6) angeordnet und festgelegt ist.
Hydrodynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckplatte (4) mit Hilfe einer Übergangspassung in der Aussparung (5) angeordnet und mit der Hülse (2) fest verbunden ist.
Verfahren zur Montage eines hydrodynamischen Lagersystems, mit mindestes einem Radiallager, das eine in einer Bohrung (8) einer Lagerhülse (2) drehbar gelagerte Welle (1) umfasst, und mindestens einem Drucklager, das eine mit der Welle fest verbundene, in einer Aussparung (5) der Hülse drehbar aufgenommene Druckscheibe (3) und ein der Druckscheibe zugeordnetes Gegenlager in Form eine Abdeckplatte (4) umfasst, gekennzeichnet durch die Schritte: Einführen der Welle (1) und der mit dieser fest verbundenen Druckscheibe (3) in die Hülse (2) derart, dass die Druckscheibe an einer durch die unterschiedlichen Durchmesser von Bohrung (8) und Aussparung (5) in der Hülse gebildeten Stufe (6) anliegt; Einbringen der Abdeckplatte (4) in die Aussparung (5) derart, dass sie an der freien Seite der Druckscheibe (3) anliegt; Zurückschieben der Abdeckplatte (4) um einen definierten Betrag 2G durch eine Verschiebebewegung der Welle (1 ), wobei der Betrag 2G dem doppelten Wert der gewünschten Spaltbreite G entspricht; und Befestigen der Abdeckplatte (4) in der vorgegebenen Position an der Hülse (2).