DE10200089A1

DE10200089A1 - Hydrodynamische Lageranordnung für einen Spindelmotor

Info

Publication number: DE10200089A1
Application number: DE10200089A
Authority: DE
Inventors: Martin Hafen; Joerg Hoffmann; Mathias Wildpreth; Olaf Winterhalter
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2002-01-03
Filing date: 2002-01-03
Publication date: 2003-07-24
Also published as: US20030123764A1; US6848829B2; JP2003202021A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine hydrodynamische Lageranordnung für einen Spindelmotor, insbesondere zum Antrieb von Festplattenlaufwerken, wobei die Lageranordnung eine Welle und eine Buchse aufweist, die, unterstützt durch ein zwischen ihren Laufflächen zirkulierendes Schmiermittel, relativ zueinander drehbar sind, wobei im Bereich mindestens einer stirnseitigen Öffnung der Buchse ein durch einen Einstich der Welle und den Innendurchmesser der Buchse definiertes Reservoir für das Schmiermittel vorgesehen ist. Um den Füllstand des Schmiermittels im Reservoir prüfen zu können, bildet der Einstich erfindungsgemäß sich verjüngende Übergangsbereiche aus, deren Kontur mit der Schnittebene der Welle einen spitzen Winkel ausbilden.

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine hydrodynamische Lageranordnung für einen Spindelmotor, z. B. für den Antrieb von Festplattenlaufwerken, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Stand der Technik

Spindelmotoren bestehen im wesentlichen aus Stator, Rotor und mindestens einem zwischen beiden angeordneten Lagersystem. Der elektromotorisch angetriebene Rotor ist mittels des Lagersystems gegenüber dem Stator drehgelagert. Als Lagersysteme können sowohl Wälzlager als auch hydrodynamische Gleitlager verwendet werden.

Ein hydrodynamisches Lagersystem umfasst eine Lagerbuchse und eine Welle, die in einer axialen Bohrung der Lagerbuchse angeordnet ist. Die Radiallager. Als Schmiermittel zwischen den Lagerflächen wird eine Flüssigkeit oder ein Gas verwendet, welche sich in einem Lagerspalt befindet, der die beiden Lagerflächen der relativ zueinander bewegten Teile beabstandet. Im Betrieb bildet das Schmiermittel, vorzugsweise Öl, einen tragfähigen Schmierfilm zwischen den Lagerflächen aus. Mindestens eine der in gegenseitiger Wirkverbindung stehenden Lageroberflächen von Welle und/oder Buchse ist mit einem Rillenmuster versehen, welches infolge der durch Rotation hervorgerufenen Relativbewegung eine Pumpwirkung auf das Schmiermittel ausübt und so den für die Lagersteifigkeit erforderlichen hydrodynamischen Druck erzeugt.

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.

Für einen verlässlichen Betrieb eines solchen Lagersystems ist die Menge des eingefüllten Schmiermittels kritisch. Eine nur geringe Unterschreitung der korrekten Füllmenge kann die Lebensdauer des Lagersystems erheblich verkürzen, während eine Überschreitung zum späteren Austritt des Schmiermittels und dadurch zur Zerstörung des Festplattenlaufwerks führen kann. Nach der Montage der Lageranordnung wird diese mit einer definierten Menge an Schmiermittel befüllt. Bei den heutigen Lagerkonstruktionen kann der korrekte Füllstand nach dem Einfüllen des Schmiermittels nicht mehr überprüft werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine hydrodynamische Lageranordnung für einen Spindelmotor so auszubilden, dass der Füllstand des Schmiermittels einfach und sicher überprüfbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patenanspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß bildet der an der Welle vorgesehene Einstich sich verjüngende Übergangsbereiche aus, deren Kontur mit der Querschnittebene der Welle einen spitzen Winkel α, β ausbilden.

Der innerhalb der Buchse befindliche Übergangsbereich bildet zusammen mit der Innenwand der Buchse einen Zwischenraum, der als Reservoir für das Schmiermittel dient, wobei das Schmiermittel durch Kapillarkräfte in diesem Zwischenraum gehalten wird.

Der außerhalb der Buchse liegende Übergangsbereich ermöglicht in vorteilhafter Weise ein leichtes Einsehen und Kontrollieren des Füllstandes des Schmiermittels im Reservoir.

Die durch die Übergangsbereiche gebildeten Winkel α, β liegen im Bereich von > 0° bis zu < 90°, vorzugsweise im Bereich zwischen 70° und 80°

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung verläuft der innerhalb der Buchse liegende Übergangsbereich in einem kleineren Winkel als der außerhalb der Buchse liegende Übergangsbereich. So entsteht ein ausreichend großes Reservoir bei freier Einsichtmöglichkeit zur Kontrolle des Füllstandes.

Dabei ist die Länge des innerhalb der Buchse liegenden Übergangsbereichs vorzugsweise größer als die Länge des außerhalb der Buchse liegenden Übergangsbereichs.

Die Kontur der Übergangsbereiche ist weitgehend beliebig; sie kann gerade oder gekrümmt verlaufen, das heißt z. B. auch sphärisch, konvex, konkav, etc. Insbesondere können sich die Winkel α, β über die Länge der jeweiligen Übergangsbereiche stetig oder sprunghaft ändern.

Die beschriebene Lageranordnung lässt sich sowohl in Spindelmotoren mit rotierender Welle als auch in Spindelmotoren mit feststehender Welle realisieren.

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:
Fig. 1 einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Lageranordnung ohne Schmiermittel;
Fig. 2 eine Ansicht der erfindungsgemäß ausgebildeten Welle;
Fig. 3 einen Schnitt durch die Lageranordnung mit eingefülltem Schmiermittel.

Bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung

Das Ausführungsbeispiel beschreibt eine hydrodynamische Lageranordnung und ihren Einsatz in einem Spindelmotor. Hierbei wird davon ausgegangen, dass eine einen Rotor tragende Welle in einer feststehenden Lagerbuchse frei drehbar angeordnet ist. Die Erfindung umfasst jedoch auch die Bauform von Spindelmotoren, bei der eine mit einem Rotor verbundene Buchse drehbar auf einer feststehenden Welle gelagert ist.
Gemäß den Fig. 1 und 3 umfasst die Lageranordnung eine frei drehbar in einer Buchse 2 angeordnete Welle 1. Jeweils eine der einander zugewandten Oberflächen von Welle 1 und/oder Buchse 2, im dargestellten Fall ist es die Oberfläche der Welle 1, weist zylindrische Zonen mit eingearbeiteten Rillenmustern 7 auf.
Die Buchse 2 ist an ihrer unteren Stirnseite mit einer ringförmigen Aussparung 4 zur Aufnahme der Druckscheibe 3 versehen. Ebenso wie die Welle 1 in der Buchse 2 rotiert die mit der Welle fest verbundene Druckscheibe 3 in der Aussparung 4. Die Druckscheibe 3 weist eine konzentrische Bohrung zur Aufnahme der Welle 1 auf, wobei über den Umfang der Bohrung mehrere Aussparungen 5 verteilt sein können. Diese Aussparungen 5 bilden Schmiermittelkanäle zwischen Druckscheibe 3 und Welle 1 und unterstützen den Austausch des Schmiermittels. Die untere Öffnung der Buchse 2 ist durch einen Deckel 6 hermetisch verschlossen, der das Eindringen von Luft in die Lageranordnung verhindert.
Durch das beschriebene Rillenmuster 7 kommt es bei Drehung der Welle 1 zu einer Art Pumpwirkung, was sowohl zum Druckaufbau als auch zur Verteilung des Schmiermittels 15 führt, welches den Raum zwischen Buchse 2 und Welle 1 ausfüllt. Die Relativbewegung der sich gegenüberliegenden Oberflächen von Welle 1 bzw. Druckscheibe 3 und Buchse 2 pumpt das Schmiermittel 15 in Abhängigkeit von der Drehrichtung und der Formgebung bzw. Ausrichtung des Rillenmusters 7 durch den Lagerspalt. Das Schmiermittel zirkuliert also im Zwischenraum zwischen der Buchse 2 und der Welle 1 und zirkuliert ebenfalls im Zwischenraum zwischen der Buchse 2 und der Druckscheibe 3 um die Druckscheibe herum. Durch die Pumpwirkung werden mehrere Zonen hydrodynamischen Druckes entlang der Radiallager und des durch die Druckscheibe 3 gebildeten Axiallagers aufgebaut und ein zusammenhängender Schmiermittelfilm zwischen den relativ zueinander rotierenden Teilen aufrechterhalten, der für die stabile, konzentrische Rotation zwischen Welle 1 und Buchse 2 verantwortlich ist. Die Steifigkeit der Lageranordnung wird durch die Spaltbreite, die Viskosität des Schmiermittels sowie durch die Ausbildung des Rillenmusters bestimmt.
Im Bereich der oberen Stirnseite der Buchse 2 weist die Welle 1 einen Einstich 8 auf, der zusammen mit dem Innendurchmesser der Buchse 2 ein Reservoir 12 zur Aufnahme eines Schmiermittels 15 ausbildet. Die größte Einschnürung, also der kleineste Durchmesser am Grund 10 des Einstichs liegt im Bereich der Stirnseite der Buchse 2.
Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Darstellung der Welle 1 mit dem Einstich 8. Ausgehend vom Außendurchmesser der Welle 1 verringert sich deren Durchmesser entlang eines Übergangsbereichs 9 mit der Länge 13 unter einem Winkel α bis der Grund 10 des Einstichs erreicht ist. Anschließend vergrößert sich der Durchmesser der Welle 1 entlang eines Übergangsbereichs 11 mit der Länge 14 unter einem Winkel β bis auf den ursprünglichen Durchmesser der Welle. Die Übergangsbereiche 9, 11 verlaufen also sich verjüngend nach innen. Die jeweilige Länge 13 bzw. 14 der Übergangsbereiche 9 bzw. 11 und deren mit der Schnittebene 17 der Welle 1 gebildeten Winkel α bzw. β können dabei variieren und unterschiedlich ausgebildet sein. Wichtig ist, dass die Übergangsbereich in Bezug auf die Schnittebene (7) der Welle einen spitzen Winkel α bzw. β ausbilden, wobei gilt: 90° > Winkel α, β > 0°.
Ist die Lageranordnung fertig aufgebaut, kann das Reservoir 12 gemäß Fig. 3 mit Schmiermittel 15, vorzugsweise Öl, befüllt werden. Der Füllstand des Schmiermittels 15 im Reservoir 12 kann nun optisch anhand des sich durch die Kapillarwirkung im Reservoir ausbildenden Schmiermittel-Meniskus 16 überprüft werden. Aufgrund des oberen Übergangsbereiches 9 an der Welle 1 kann der Füllstand des Reservoirs 12 ohne Schwierigkeiten von oben her eingesehen werden. Bezugszeichenliste 1 Welle
2 Buchse
3 Druckscheibe
4 Aussparung
5 Kanal
6 Deckel
7 Rillenmuster
8 Einstich
9 Übergangsbereich
10 Grund (d. Einstichs)
11 Übergangsbereich
12 Reservoir
13 Länge (Übergangsbereich 9)
14 Länge (Übergangsbereich 11)
15 Schmiermittel
16 Meniskus
17 Schnittebene
α Winkel
β Winkel

Claims

1. Hydrodynamische Lageranordnung für einen Spindelmotor, insbesondere zum Antrieb von Festplattenlaufwerken, wobei die Lageranordnung eine Welle (1) und eine Buchse (2) aufweist, die, unterstützt durch ein zwischen ihren Laufflächen zirkulierendes Schmiermittel, relativ zueinander drehbar sind, wobei im Bereich mindestens einer stirnseitigen Öffnung der Buchse (2) ein durch einen Einstich (8) der Welle (1) und den Innendurchmesser der Buchse (2) definiertes Reservoir (12) für das Schmiermittel (15) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Einstich (8) sich verjüngende Übergangsbereiche (9, 11) ausbildet, deren Kontur mit der Schnittebene (17) der Welle (1) einen spitzen Winkel α, β ausbilden.

2. Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass gilt: 90° > Winkel α, β > 0°

3. Lageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der innerhalb der Buchse (2) liegende Übergangsbereich (11) in einem kleineren Winkel verläuft als der außerhalb der Buchse liegende Übergangsbereich (9).

4. Lageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (14) des innerhalb der Buchse (2) liegenden Übergangsbereichs (11) größer ist als die Länge (13) des außerhalb der Buchse liegenden Übergangsbereichs (9).

5. Lageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur der Übergangsbereiche (9, 11) gerade oder gekrümmt verläuft.

6. Lageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Winkel α, β über die Länge (13; 14) der jeweiligen Übergangsbereiche (9; 11) stetig oder sprunghaft ändern.