AT505381A1

AT505381A1 - Verfahren zum einbringen eines lagerfluids in den lagerspalt eines fluiddynamischen lagers

Info

Publication number: AT505381A1
Application number: AT8962007A
Authority: AT
Inventors: Sendy Hanzel; Holger Schoenfelder; Sven Blind
Original assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2007-06-08
Filing date: 2007-06-08
Publication date: 2008-12-15
Also published as: AT505381B1

Description

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Verfahren zum Einbringen eines Laaerfluids in den Laaerspalt eines fluiddvnamischen Lagers 5 Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen eines Lagerfluids in den Lagerspalt eines fluiddynamischen Lagers, insbesondere in einen Lagerspalt, der zwischen einem feststehenden und einem rotierenden Teil des Lagers 10 gebildet wird.

Beschreibung des Standes der Technik

Spindelmotoren, wie sie beispielsweise zum Antrieb von 15 Speicherplattenlaufwerken eingesetzt werden, rotieren mit hohen Geschwindigkeiten und benötigen daher entsprechend geeignete Lagersysteme. Es ist bekannt, bei Spindelmotoren fluiddynamische Lagersysteme zu verwenden. Ein solches fluiddynamisches Lagersystem bekannter Bauart ist in Figur 3 dargestellt. Das Lagersystem umfasst eine 20 Lagerbüchse 10, welche eine Lagerbohrung aufweist. Eine Welle 12, die über entsprechende Lagerstrukturen 14 verfügt, ist in der Lagerbohrung drehbar angeordnet. Der Durchmesser der Lagerbohrung in der Lagerbüchse 10 ist geringfügig größer als der Außendurchmesser der Welle 12, so dass zwischen Lagerbüchse 10 und Welle 12 ein Lagerspalt 16 verbleibt, der mit einem 25 geeigneten Schmiermittel in Form eines Lagerfluids gefüllt werden muss. An einem Ende der Welle 12 ist eine Druckplatte 18 angeordnet, die zusammen mit der Lagerbüchse 10 und einer Abdeckplatte 20 jeweils ein Axiallager ausbildet, welche die axialen Kräfte aufnehmen. Der Lagerspalt 16 endet beispielsweise in einem konischen Freiraum 22, der als Kapillardichtung, als 30 Reservoir und Ausgleichsvolumen für das im Lagerspalt 16 befindliche Lagerfluid dient und teilweise mit Lagerfluid gefüllt ist. ····· · · · · · • · · 9 · ·· · · · · ······· · 99« 9 « 9 9 9 « 9 9 · 9« 99 99 · «99« ·· 2

Ein Problem bei der Herstellung eines solchen Lagersystems ist das Einbringen des Lagerfluids in den Lagerspalt 16 bzw. den Freiraum 20. Eine bekannte Methode liegt darin, zunächst das Lager, wie aus Figur 3 ersichtlich, aufzubauen, und dann erst das Lagerfluid in den Lagerspalt 16 einzufüllen. 5 Die Lageranordnung wird in einer Unterdruckkammer 28 platziert und hiernach die Unterdruckkammer 28 evakuiert bis auf einen Druck von beispielsweise 1 mbar oder weniger. Durch das Evakuieren wird die im Lagerspalt 16 befindliche Luft nahezu vollständig entfernt. 10 Nun wird mittels eines Befüllinstruments 24, beispielsweise einer Art Pipette, die manuell oder automatisiert bedient wird, eine vorgegebene Menge an Lagerfluid 26 in den Bereich oberhalb des Freiraumes 22 aufgebracht. Das Lagerfluid 26 bildet oberhalb und teilweise innerhalb des ringförmigen Freiraumes 22 einen ununterbrochenen Ring an Lagerfluid 26, der zumindest 15 den oberen Bereich des Freiraums 22 vollständig benetzt. Vor dem

Einbringen des Lagerfluids wird dem Lagerfluid vorzugsweise ebenfalls die darin gelöste Luft entzogen, beispielsweise durch Vakuumieren.

Nachdem das Lagerfluid 26 in den Freiraum 22 eingebracht wurde, wird die 20 Vakuumkammer 28 belüftet, und das Lagerfluid wird durch den auf das Fluid wirkenden atmosphärischen Luftdruck in den Lagerspalt 16 hineingedrückt. Die Menge des eingebrachten Lagerfluids 26 ist so bemessen, dass der Lagerspalt vollständig und der Freiraum 22 teilweise mit Lagerfluid ausgefüllt wird. Nun kann das mit Lagerfluid gefüllte Lager aus der Vakuumkammer 28 25 entfernt werden und weiteren Verarbeitungsschritten zugeführt werden.

Ein Problem bei diesem bekannten Befüllungsverfahren ist, dass durch das stoßartige Belüften der Vakuumkammer „Unterbrechungen“ im Fluidfilm entstehen können, so dass anstatt Lagerfluid teilweise Luft in den Lagerspalt 30 16 eindringt, und der Lagerspalt 16 nicht vollständig mit Lagerfluid 26 gefüllt wird. Wird dies nicht entdeckt, kann es beim Betrieb des Lagers zu einem Abreißen des Fluidfilms und zu einer Beschädigung oder einem Ausfall des Lagers kommen. • · · « · • · · · ·♦· • · · · · · • · · # · · ·· ·· ·· • · · · · • · ··· • · · • ···· *· 3

Offenbarung der Erfindung

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Einbringen eines Lagerfluids in einen Lagerspalt eines fluiddynamischen Lagers anzugeben, 5 das ein vollständiges und blasenfreies Befüllen des Lagerspaltes erlaubt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist im Anspruch 15 angegeben. 10

Bevorzugte Ausgestaltungen und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Einbringen des Lagerfluids lehnt sich 15 an das in der Einleitung beschriebene Verfahren an, wobei zunächst das Lager in eine Unterdruckkammer platziert wird und diese Unterdruckkammer auf einen vorgegebenen ersten Druck Pi evakuiert wird. Nachdem der Druck Pi erreicht ist, wird über eine entsprechende Befüllvorrichtung eine vorgegebene Menge an Lagerfluid auf ein offenes Ende des Lagerspalts 20 aufgebracht bzw. zumindest teilweise in ein solches eingebracht. Hiernach wird die Unterdruckkammer bis auf Umgebungsdruck Po belüftet. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Belüften kontrolliert entsprechend einer vorgegebenen Druck-Zeit-Funktion durchgeführt wird. 25 In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Erhöhen des Drucks in der Unterdruckkammer, ausgehend von dem vorgegebenen ersten Druck Pi bis auf einen zweiten Druck P2, der zu einem Zeitpunkt to erreicht wird. Danach erfolgt ein Erhöhen des Drucks von dem zweiten Druck P2 bis auf den atmosphärischen Umgebungsdruck P0l der zu einem Zeitpunkt ti 30 erreicht wird. Insbesondere ist es vorgesehen, dass der Druck zwischen dem ersten Druck Pt und dem zweiten Druck P2 und/oder auch zwischen dem zweiten Druck P2 und dem Umgebungsdruck P0 im wesentlichen linear erhöht wird. Dabei ist vorgesehen, dass die Steigung der zugehörigen Druck-Zeit- ··«·· ····· • · · · ··· · · t · ······· · ··· ······· · · ·· ·· ·· » ···· ·· 4

Funktion vom Zeitpunkt 0 bis zum Zeitpunkt to kleiner oder gleich der Steigung dieser Funktion vom Zeitpunkt t0 bis zum Zeitpunkt ti ist. Insbesondere kann die Steigung der Druck-Zeit-Funktion in der ersten Zeitspanne [0; to] gleich derjenigen während der zweiten Zeitspanne [0; t-ι] sein. 5

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der vorgegebene erste Druck Pi beispielsweise kleiner gleich 0,1 mbar (10 Pa) und der zweite Druck P2 kleiner gleich 10 mbar (1000 Pa). Auch die Zeitspanne zwischen 0 und t0 ist vorzugsweise kleiner als die Zeitspanne zwischen to und t-ι, wobei die 10 Zeitspanne [0; t0] vorzugsweise zwischen 5 und 25 Sekunden und die Zeitspanne [t0; t-ι] vorzugsweise zwischen 25 und 70 Sekunden beträgt.

Durch das kontrollierte Belüften der Vakuumkammer wird erfindungsgemäß erreicht, dass das Lagerfluid blasenfrei und ohne Unterbrechung des geschlossenen Fluidfilms in den Lagerspalt gepresst wird. Insbesondere 15 vorteilhaft ist dieses Befüllverfahren für Lagersysteme mit zweiseitig offenem Lagerspalt bzw. mit einem Rezirkulationskanal, der gegenüberliegende Abschnitte des Lagerspalts miteinander verbindet, da im letzteren Fall eine deutlich größere Fluidmenge in das Lager gefüllt werden muss. 20 Eine weitere Optimierung des Befüllvorgangs kann dadurch erreicht werden, dass die vorgegebene Menge an Lagerfluid nicht auf einmal in den Lagerspalt eingebracht wird, sondern zunächst ein Teil der vorgegebenen Menge an Lagerfluid in den Lagerspalt eingebracht wird. Danach wird eine vorgegebene erste Ruhezeit abgewartet, damit das Lagerfluid zumindest teilweise in den 25 Lagerspalt kriechen kann. Werden mehrere Lager innerhalb einer Unterdruckkammer befüllt, so ergibt sich die Ruhezeit für die einzelnen Lager bereits dadurch, dass die Lager nacheinander befüllt werden. Nach der Ruhezeit wird der restliche Teil der vorgegebenen Menge an Lagerfluid in den Lagerspalt eingebracht. Bevorzugt entspricht der erste Teil der Befüllmenge 30 der Hälfte der Gesamtfüllmenge und der zweite Teil entspricht der zweiten Hälfte der Gesamtfüllmenge. Vor dem Belüften der Unterdruckkammer kann nach dem zweiten Befüllschritt wiederum eine vorgegebene zweite Ruhezeit abgewartet werden. Es kann aber auch unmittelbar nach dem zweiten ····· ····· • · · t ··· · · · · ····«·· t t«· ······· · · ·# ·· ·· · ···· ·· 5

Befüllschritt der Belüftungsvorgang durchgeführt werden. Die vorgegebenen ersten und zweiten Ruhezeiten sind beispielsweise größer gleich 5 Sekunden.

Der erfindungsgemäße kontrollierte Belüftungsvorgang der 5 Unterdruckkammer kann beispielsweise computergesteuert durchgeführt werden, wobei der Druck innerhalb der Unterdruckkammer permanent gemessen wird und in Abhängigkeit davon ein Ventil zur Belüftung der Unterdruckkammer angesteuert wird. 10 Eine Vorrichtung zum Einbringen von Lagerfluid in den Lagerspalt eines fluiddynamischen Lagers zur Durchführung des Verfahrens zeichnet sich aus durch eine Unterdruckkammer, entsprechende Mittel zum kontrollierten Einbringen einer vorgegebenen Menge an Lagerfluid in den Lagerspait sowie Mittel zur Erzeugung eines Unterdrucks und zur kontrollierten Belüftung der 15 Unterdruckkammer bis auf Umgebungsdruck.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. Aus den Zeichnungen ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung. 20

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 25 Figur 2 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm der Verfahrensschritte zum Einfüllen des Lagerfluids in ein Lagerfluid. zeigt ein Druck-Zeit-Diagramm und eine Gegenüberstellung der Druckverläufe bei einer herkömmlichen Belüftung der Unterdruckkammer sowie der erfindungsgemäßen Belüftung. 30 Figur 3 zeigt schematisch einen Schnitt durch ein fluiddynamisches Lager und dessen Anordnung in einer Unterdruckkammer. • · · · · • · · · ··· • · · · ♦ · • · · · · · ·# ·« ·· « · · · · • · · · • · ··· • · · • ·♦·· ·· 6

Beschreibung der bevorzugten Ausführunasbeispiele der Erfindung

Das Verfahren zum Einbringen des Lagerfluids in das Lager wird nun anhand der Figuren 1 und 3 beschrieben. Der prinzipielle Befüllvorgang wurde bereits 5 im einleitenden Teil der Beschreibung erläutert. In einem ersten Verfahrensschritt 100 werden ein oder mehrere Lager entsprechend Figur 3 in eine Unterdruckkammer 28 eingeschleust. Als nächstes wird die Unterdruckkammer mittels einer Pumpe 30 evakuiert, beispielsweise auf einen Druck von 6 Pa (0,06 mbar). Nachdem die Unterdruckkammer 28 10 evakuiert wurde, kann ein Befüllen des Lagers mittels einer geeigneten Befüllvorrichtung 24 durchgeführt werden. Die Befüllvorrichtung 24 wird derart positioniert, dass das aus einer Spitze der Befüllvorrichtung 24 austretende Lagerfluid 26 oberhalb des Freiraumes 22 auf das Lager auf- bzw. zumindest partiell eingebracht werden kann. In einem Schritt 120 wird nun das Lager mit 15 einem ersten Teil einer vorgegebenen Fluidmenge befüllt. Das Lagerfluid 26 bildet einen geschlossenen Fluidring oberhalb sowie teilweise innerhalb des Freiraums 22, der nach einiger Zeit teilweise in den Lagerspalt 16 migriert. Nach diesem ersten Befüllschritt wird eine vorgegebene Ruhezeit abgewartet, die beispielsweise 30 bis 50 Sekunden betragen kann. Befinden sich mehrere 20 Lager in der Unterdruckkammer 28, so werden die Lager nacheinander mit der vorgegebenen Teilmenge an Lagerfluid befüllt, so dass sich die vorgegebene Ruhezeit für die einzelnen Lager automatisch ergibt.

Ist diese Ruhezeit vorüber wird in einem nächsten Schritt 130 das Lager mit 25 dem restlichen Teil der vorgegebenen Fluidmenge befüllt. Mittlerweile hat sich der im ersten Befüllschritt eingefüllte Anteil des Lagerfluids im Freiraum 22 bzw. im Lagerspalt 16 gesetzt.

In einem Schritt 140 erfolgt nun eine langsame lineare Druckerhöhung in der 30 Unterdruckkammer 28 bis auf Umgebungsdruck. Dabei kann die Druckerhöhung linear in einem Schritt durchgeführt werden, oder aber vorzugsweise in zwei Schritten. Der Druckverlauf beim Belüften der Unterdruckkammer 28 ist in Figur 2 anhand der Kurve 210a, 210b dargestellt. ····· ····· • · ♦ · ♦·· ♦ * « ♦ ···«··· · ·«· ····♦·· · « ·· ·« ·Φ · «··« t· 7

Zunächst wird bis zu einer Zeit to der Druck in der Kammer 28 entsprechend des Kurvenabschnitts 210a von einem Druck Pi (beispielsweise 6 Pa) linear mit einer geringen Steigung auf beispielsweise einem Druck P2 beispielsweise 900 Pa erhöht. Anschließend wird der Druck entsprechend des 5 Kurvenabschnitts 210b von P2 linear mit einer größeren Steigung bis auf Umgebungsdruck P0 erhöht, welcher nach einer Gesamtzeit von ti gleich etwa 65 Sekunden erreicht wird.

Der Kurvenabschnitt 210a kann aber auch weggelassen werden. In diesem 10 Fall kann der Druck direkt ausgehend von Pi linear mit einer größeren Steigung bis auf Umgebungsdruck Po erhöht werden, welcher dann nach einer Gesamtzeit von to < tx < ti erreicht wird.

Zum Vergleich ist in der Kurve 200 der Druckverlauf bei einem willkürlichen 15 öffnen eines Druckventils zum Belüften der Unterdruckkammer angegeben. Dieser Druckverlauf 200 wird durch eine laminare Strömung durch das Ventil hervorgerufen und steigt anfangs schnell an und legt sich asymptotisch bis an den Umgebungsdruck Po an. Im Gegensatz dazu verläuft der erfindungsgemäße lineare Druckanstieg entsprechend der Kurve 210a, 210b 20 wesentlich langsamer und gleichmäßiger, wodurch die Gefahr von Lufteinschlüssen im Lagerspalt während des Belüftungsvorgangs insbesondere bei zweiseitig offenen Lagern bzw. von Lagern mit einem Rezirkulationskanal zuverlässig vermieden werden. Ist das Lager bzw. die Lager mit Lagerfluid befüllt, erfolgt im Schritt 150 eine Ausschleusung des 25 Lagers / der Lager aus der Unterdruckkammer 28.

Patentansprüche: • · • · • * · · · • · * · ··· • · · · · • · · t · · ·« ·· ·· * * · · • · ··· • · · • ···· ·· 8

Liste der Bezugszeichen 10 Lagerbüchse 5 12 Welle 14 Lagerstrukturen 16 Lagerspalt 18 Druckplatte 20 Abdeckplatte 10 22 Freiraum (Reservoir) 24 Befüllvorrichtung 26 Lagerfluid 28 Unterdruckkammer 30 Vakuumpumpe 15 32 Ventil 100-150 Verfahrenschritte 200 Druckverlauf (unkontrolliertes Entlüften) 20 210a Druckverlauf (erfindungsgemäßes Entlüften, Teil 1) 210b Druckverlauf (erfindungsgemäßes Entlüften, Teil 2)

Claims

• ·· ·· ····· • · · · ··· · · · · ·♦·»··· · ··· ······· · · ·· ·· ·· · ···· ·· 9 GIBLER & POTH Patentanwälte OEG Dorotheetgasse 7 - A-1010 Wien - [email protected] Tel: +43 (1) 512 10 98 - Fax: +43 (1) 513 47 76 Patentansprüche 5 10 15 20 25 1. Verfahren zum Einbringen eines Lagerfluids in einen Lagerspalt (16) eines fluiddynamischen Lagers, wobei der Lagerspalt (16) zwischen einem feststehenden (10) und einem rotierenden Teil (12) des Lagers gebildet wird, wobei: a) in einem Schritt (100) das fluiddynamische Lager in einer Unterduckkammer (28) angeordnet wird, b) in einem weiteren Schritt (110) die Unterdruckkammer (28) bis auf einen vorgegebenen ersten Druck P-ι evakuiert wird, c) in einem weiteren Schritt (120, 130) eine vorgegebene Menge an Lagerfluid (26) in den Lagerspalts (16) oder einen mit dem Lagerspalt verbundenen Freiraum (22) eingebracht wird, und d) in einem weiteren Schritt (140) der Druck in der Unterdruckkammer bis auf Umgebungsdruck Po erhöht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhung des Drucks in der Unterdruckkammer (28) entsprechend einer vorgegebenen Druck-Zeit-Funktion durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt d) die folgenden Teilschritte umfasst: d1) Erhöhen des Drucks in der Unterdruckkammer (28) von dem vorgegebenen ersten Druck Pi bis auf einen zweiten Druck P2, der zu einem Zeitpunkt t0 erreicht wird, d2) Erhöhen des Drucks in der Unterdruckkammer (28) vom zweiten Druck P2 bis auf Umgebungsdruck P0, der zu einem Zeitpunkt ti erreicht wird. 30 ····· ····· • ι · · ··· · · · · ······« · ··· ······· t · «· ·· ·» · ··*· ·· 10
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck zwischen dem ersten Druck Pi und dem zweiten Druck P2 im Wesentlichen linear erhöht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck zwischen dem zweiten Druck P2 und dem Umgebungsdruck P0 im Wesentlichen linear erhöht wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch 10 gekennzeichnet, dass der vorgegebene erste Druck Pi kleiner gleich 0,10 mbar (10 Pa) ist. 15 20
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Druck P2 keiner gleich 10 mbar (1000 Pa) ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung der Druck-Zeit-Funktion (210a) vom Zeitpunkt 0 bis zum Zeitpunkt to kleiner oder gleich der Steigung der Druck-Zeit-Funktion (210b) vom Zeitpunkt t0 bis zum Zeitpunkt ti ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitspanne [0; to] kleiner ist als die 25 Zeitspanne [to; t-i].
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitspanne [0; t0] zwischen 5und 25 Sekunden beträgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitspanne [to; ti] zwischen 25 und 70 Sekunden beträgt. * ·*··· ····· • · · · ·♦· · · · ♦ • · · ·· * t · ··« ······· · · ·· ·· ·· « ·*·· ·· 11
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt c) die folgenden Teilschritte umfasst: c1) Einbringen eines ersten Teils der vorgegebenen Menge an Lagerfluid (26) in den Lagerspalt (16) oder den Freiraum (22), 5 c2) Abwarten einer vorgegebenen ersten Ruhezeit, c3) Einbringen des restlichen Teils der vorgegebenen Menge an Lagerfluid (26) in den Lagerspalt (16) oder den Freiraum (22).
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste 10 Teil sowie der restliche Teil der vorgegebenen Füllmenge an Lagerfluid (26) im wesentlichen jeweils der Hälfte einer vorgegebenen Gesamtfüllmenge an Lagerfluid entspricht.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass 15 Schritt c) den folgenden Teilschritt umfasst: c4) Abwarten einer vorgegebenen zweiten Ruhezeit.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebenen ersten und zweiten Ruhezeiten größer gleich fünf 20 Sekunden sind.
15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 14, gekennzeichnet durch - eine Unterdruckkammer (28),
25 - Mittel (24) zum kontrollierten Einbringen einer vorgegebenen Menge an Lagerfluid (26) in den Lagerspalt (16) des fluiddynamischen Lagers, und - Mittel (30; 32) zum Evakuieren der Unterdruckkammer (28) und zum kontrollierten Belüften der Unterdruckkammer (28) entsprechend einer vorgegebenen Druck-Zeit-Funktion (210a,21 Ob). GIBLER &/OTH P OEG Dorotheergasse 7 — JTlOlO Wien — [email protected] Tel: +43 (1) 512 10 98 - Fax: +43 (1) 513 47 76 30