CN101529506A - 具有可变高度和/或非对称定位突起的公差环 - Google Patents

Abstract

一种构造成减小致动器臂组件中的枢转轴承的扭矩波的公差环。所述公差环包括具有预定长度的柱状体，以及围绕所述柱状体的表面设置的第一和第二排的接触部，第二排的接触部在周向上相对于第一排移置的距离大于零但小于第一排中的接触部的距离和第一排中的相邻接触部之间的间距。

Description

具有可变高度和/或非对称定位突起的公差环

技术领域

本发明主要涉及轴承公差环。更特别地是，本发明涉及用在诸如硬盘驱动器之类的信息存储装置的致动器臂的盒式轴承中的公差环。

背景技术

任何计算机***的关键元件是存储数据的装置。在计算机***中用于存储大量数据的一个常用地方是在磁盘驱动器上。磁盘驱动器最基本的部分是被转动的磁盘、将转换器移动到磁盘各个位置上的致动器以及用于向磁盘写数据以及从磁盘读数据的电路。连接到致动器的是包括磁头和金属悬架的磁头悬架组件(HGA)。所述HGA可以堆在一起成为磁头臂组件(HSA)，其由致动器驱动穿越磁盘表面。当前具有多种在用的磁盘驱动器，例如硬盘驱动器、zip驱动器、软盘驱动器。它们都使用旋转的或线性的致动器。

在硬盘驱动器中，磁头在同轴地安装在主轴电机上的旋转磁盘的表面上读写数据。以磁方式写入的“位”信息被安排在磁盘表面上的同心圆形“磁道”中。磁盘必须快速旋转以便于计算机用户不必长时间等待磁盘表面上的理想的位信息在磁头下定位。在现在的磁盘驱动器中，数据位和磁道必须非常窄并且紧密间隔，以在每单位面积的磁盘表面上获得高密度的信息。

所需的小尺寸和在磁盘表面上的信息位紧密间隔对磁盘驱动器及其机械元件的设计具有重要意义。其中最重要的意义是磁头上的磁转换器必须非常接近磁盘的磁表面。因为由于磁盘旋转和磁头致动在磁盘表面与磁头之间存在相对运动，磁头与磁盘之间的持续接触会导致接触面的摩擦故障。这种摩擦故障，通俗地讲称作“磁头碰撞”会破坏磁盘和磁头，通常造成数据丢失。因此，根据流体力学，将所述磁头设计成由非常薄的空气轴承支撑，以便于其磁转换器能够接近磁盘运作而将磁头与磁盘之间的物理接触降到最小或者避免接触。通常，现在的硬盘驱动器运转期间，磁头到磁盘所呈现的间隔是非常小的，以数十纳米计量。

设计者必须考虑用于将磁转换器靠近磁盘移动的致动器的特性，以将响应快速角运动和其它激励的振动降到最小。例如，致动器臂必须足够得硬并且致动器枢转轴承必须有足够高的质量，以便于在运转期间磁头的位置得到精确控制。还有，致动器臂与枢转轴承之间的接触面必须有足够的刚度和强度，以能够在运转期间精确控制磁头的位置并且提供必要的边界条件，以便于使致动器臂的振动具有更高的固有谐振频率。通常，致动器臂由铝或铝合金制成，因此比通常由不锈钢制成的枢转轴承套更软并更容易被刻划。

致动器还必须具有足够的刚度，以在机械振动的情况下限制会造成与磁盘接触的扭曲。同样地，致动器结构与枢转轴承之间的接触面必须有足够的强度，以防止毁灭性的结构故障，例如在大的机械振动的情况下致动器臂与致动器枢转轴承之间的轴向滑移。

在许多磁盘驱动器中，致动器臂由公差环固定到致动器枢转轴承上。通常，公差环包括敞开的柱状基部和多个自所述柱状基部凸出或凹入的接触部。通常，在安装期间，接触部通常被部分地压缩，以在由公差环连接的部件的相配合的柱状特征之间形成径向预载。径向预载压缩提供了防止相配合的部件实际滑移的摩擦接合作用。例如，在磁盘驱动器应用中，公差环的径向压缩预载在运转期间和在机械振动的情况下，防止了致动器臂与枢转轴承之间的接触面处的分离和滑移。公差环还作为径向弹簧。这样，公差环将内部柱状部分相对于外部柱状部分定位，同时补偿这些部件的半径中的半径间隙和制造差异。

附加的特征已加到公差环中来获得特定的优点。例如，在授予Misso等人的美国专利6,288,878中，将圆周支撑部加到了公差环中以增加环向强度。授予Misso等人的美国专利6,338,839公开了一种提供低的恒定安装力曲线(profile)的公差环。

授予小Cramer等人的美国专利4,790,683公开了传统公差环结合柱状垫片的应用，其特征在于：结构上显著的径向振动或者加载。所述垫片防止了在下面的较软的材料的变形，从而防止了保持公差环摩擦接合的径向压缩的不良的局部突出。

现有技术的公差环通常由扁平的金属薄板制造，利用冲压、模制、轧制以及其它步骤来提供使接触部凹入和获得基本柱状外形的方法。在图1中示出了现有公差环的透视图。

该公差环可以首先装入到诸如致动器臂之类的外部部件上的柱状孔中，以便于随后将诸如致动器枢转轴承之类的柱状内部件强制推入到公差环的内部，以形成通过摩擦接合来保持这些部件的径向压缩预载。在这种情况下，可以使接触部凹入到具有比基部更小的半径，以及凸出到具有比基部更大的半径。可选地，公差环可以首先安装在诸如致动器枢转轴承之类的柱状内部件的周围。所述内部件然后与公差环一起被强制推入诸如致动器臂之类的外部部件上的柱状孔中，以形成通过摩擦接合来保持这些部件的径向压缩预载。在这种情况下，公差环的接触部通常凸出到具有比基部更大的半径。

由于磁盘驱动器元件的这种结构，致动器枢转轴承可以经受较高的扭矩力。对枢转轴承扭矩的主要贡献者是扭矩“波”，该扭矩“波”是由从公差环的接触部和致动器枢转轴承内的滚珠轴承作用到枢转轴承表面上的力所导致的。致动器枢转轴承上增加的扭矩力通过影响枢转轴承的旋转并且增加与这种旋转相关的能量消耗而降低了磁盘驱动器的性能。

随着对磁盘驱动器的改进性能的需求的增加，在现有技术中存在对降低致动器枢转轴承表面上的扭矩“波”的公差环的持续需求。

发明内容

一种构造成降低致动器臂组件中的枢转轴承的扭矩波的公差环。该公差环包括具有预定长度的柱状体和围绕所述柱状体交错设置成至少两排的多个接触部。

在一个实施方式中，第二排的接触部在周向上相对于第一排移置的距离大于零但小于第一排中的接触部的距离和第一排中的相邻接触部之间的间距。在另一个实施方式中，第三排的接触部在周向上相对于第二排移置的距离大于零但小于第二排中的接触部的距离和相邻接触部之间的间距。

每个接触部自所述柱状体能凸出一基本恒定的径向距离。在另一个实施方式中，第二排中的接触部自所述柱状体凸出的第一径向距离大于第一和第三排中的接触部的第二径向距离。

附图说明

考虑从下面的结合附图的说明将会使本发明的准确特性及其目的和优点变得显而易见，其中在所有的图中相同的附图标记表示相同的部件，其中：

图1是现有磁盘驱动器致动器臂组件和公差环设计的分解视图。

图2使现有公差环设计的透视图。

图3是公差环沿着图2的线3-3的剖视图。

图4是现有技术的枢转轴承和公差环的顶视图。

图5示出了图4的轴承外套上的力的分布。

图6是根据本发明的一个实施方式的公差环的透视图。

图7示出了图6的公差环与图4的轴承外套之间的力的分布。

图8是根据本发明的另一个实施方式的公差环的透视图。

图9是根据本发明的另一个实施方式的公差环的透视图。

图10示出了图9和图10的公差环与图4的轴承外套之间的力的分布。

图11是沿着图8的线11-11的公差环的剖视图。

图12是沿着图9的线12-12的公差环的剖视图。

具体实施方式

图1是包括枢转轴承盒23的致动器臂组件13的分解图。枢转轴承盒23为柱状并且包括轴24，致动器臂组件13围绕轴24旋转。致动器臂组件13上具有开口或孔27。枢转轴承盒23安装在致动器臂组件13的孔27内。公差环25安装在孔27与枢转轴承盒23的外径之间的空间内。

致动器臂组件13具有呈磁头堆叠组件17的多个臂15。每个臂15通常支承至少一个悬架19。连接到悬架19的是记录头(滑动件)21，该记录头21包括使磁盘(未示出)表面磁化以表现和存储所希望的数据的磁转换器。

公差环25可以首先安装到致动器臂组件13的孔27中，以便于随后可以将诸如枢转轴承盒23之类的大致柱状内部件强制推入到公差环25的内部，以形成通过摩擦接合来保持这些部件的径向压缩预载。可选地，公差环25可以首先安装在枢转轴承盒23的周围。所述枢转轴承盒23与公差环25一起然后被强制推入致动器臂组件13的孔27中，以形成通过摩擦接合来保持这些部件的径向压缩预载。

图2示出了现有公差环设计29的透视图。公差环29由基本是平面的基部形成，优选地是300系列不锈钢，该基部被弯曲形成柱状体31。柱状体31的一端具有沿着环长度的第一边缘33。柱状体31的另一端具有第二边缘35。柱状体31具有绕着中心轴线的第一半径，并且它平行于中心轴线延伸一段固定长度。由相对间隔开的边缘33和35形成的沿着公差环29长度的间隙39方便于柱状开口37的径向膨胀和收缩。

公差环29具有布置成一排或多排的多个接触部41。所述接触部41通常具有沿着柱状体31轴向延伸的长斜方形的截面形状。如图2和3中所示，接触部41在离开公差环29内部的方向上径向向外凸出。可以理解的是，现有技术中已知的替代结构包括具有径向向内凸出或者以交替的方式向内和向外凸出的接触部41的公差环。

图3是沿着图2的线3-3的公差环29的剖视图。公差环29具有两排接触部41，接触部41自基部31相等地凸出一预定的径向距离。当将致动器臂组件13控制在磁盘驱动器中时，这些接触部41承受从枢转轴承盒23和孔27的表面壁施加的力。由于枢转轴承23的这种结构，施加到接触部41上的力造成了扭矩“波”。

图4是现有枢转轴承23和公差环29的顶视图。枢转轴承23具有内轴承套43和外轴承套45。轴承套43和45之间是允许一个套相对于另一个套旋转的滚珠或销47。例如，如果外轴承套45被固定，则内轴承套43能够通过滚珠47绕着相同的中心轴线49旋转。由于枢转轴承23的这种结构，来自于滚珠47的离散的力在接触点处被传递到外轴承套45和内轴承套43。这些力造成了扭矩波，因此影响了枢转轴承23的旋转性能。

图5示出了图4的外轴承套45上的力的分布。外轴承套45遭受来自于滚珠47的离散的力51和来自于公差环29的接触部41的离散的力53。当力51和53对准时，如图5中所示，枢转轴承23经受高扭矩波。同时，当力51和53没有对准时(未示出)，枢转轴承23经受较小的扭矩波。因此，使用带有现有公差环29的枢转轴承23会使枢转轴承23遭受影响枢转轴承23旋转性能的波动的高低扭矩波。

要减小扭矩“波”，理想的是具有尽可能多的接触部41，以便于每个接触部41承受小的接触力。但是，制造的局限性限制了不能多于50个接触部41。因此，要将扭矩“波”减少到最小，优选是使接触部41均匀间隔或者交错，如图6-8中所示。此外，优选的是将接触部41靠近柱状体31的中央区布置，所述中央区对应于枢转轴承23的刚性增强的中央部。

图6是根据本发明的一个实施方式的具有交错结构的接触部的公差环55的透视图。公差环55具有第一排57的接触部41和第二排59的接触部41。在一个实施方式中，第二排59具有相对移置的距离小于第一排57的接触部41的宽度的接触部41。例如，如果接触部的宽度是1.5mm，那么第二排59可以具有相对于第一排57移置1mm的距离的接触部。在另一个实施方式中，第二排59具有位于第一排57的接触部41之间的间距61下方的接触部41。在另一个实施方式中，第二排59具有接触部41，该接触部41相对于第一排57在周向上移置的距离大于零但小于或等于第一排57中的相邻接触部41之间的间距的一半。该间距是相邻接触部41之间的中心距。得到的公差环55的交错的结构将扭矩波减少到最小，如图7中所示。

图7示出了图6的公差环与图4的轴承外套之间的力的分布。如图5中所示，外轴承套45遭受来自于滚珠47的离散的力51。该外轴承套45还遭受来自于公差环55的接触部41的离散的力63。因为这些力51和63没有对准在一起，所以枢转轴承23经受了较小的扭矩波。通过将接触部41交错，力63围绕所述枢转轴承23均匀地分布。因此，公差环55的结构会使枢转轴承23遭受较小的扭矩波，因此提高了枢转轴承23的旋转性能。

图8是根据本发明的一个实施方式的具有交错结构的接触部41的公差环65的透视图。该公差环65具有设置成第一、第二和第三排的接触部41，它们分别由67、69和71大体表示。在一个实施方式中，第二排69具有的接触部41在周向上相对于第一排67移置的距离大于零但小于或等于第一排67中的相邻接触部41之间的间距的一半。类似地，第三排71具有的接触部41在周向上相对于第二排69移置的距离大于零但小于或等于第一排69中的相邻接触部41之间的间距的一半。例如，如果接触部的宽度是1.5mm，那么第二排69可以具有相对于第一排67移置0.75mm距离的接触部41，第三排71可以具有相对于第二排69移置0.75mm距离(相对于第一排65移置1.5mm)的接触部41。在另一个实施方式中，第二排69具有位于第一排67的接触部41之间的间距73下方的接触部41，而同时第三排71具有位于第一排67的接触部41下方的接触部41。如同公差环55一样，公差环65的交错结构减小了扭矩波。

在一个实施方式中，接触部41可以具有变化的高度或者其它的几何形状，以获得用于减小扭矩波的载荷的最佳分布。图9是根据本发明的一个实施方式的具有交错结构的接触部的公差环75的透视图。该公差环75具有在第二排69中的接触部77。这些接触部77比接触部41径向向外凸出的距离大。在另一个实施方式中，接触部77可以具有与接触部41不同的宽度或不同的几何形状。所述接触部77优选地与枢转轴承23的刚性增强的中央部相对地设置。通过增加中间排69中的接触部77的径向凸出，接触部77将会比接触部41承受更大的径向压缩预载。在装配期间，接触部77会受挤压，以提供与枢转轴承23和孔27更好的摩擦接合。如同公差环65一样，公差环75的交错结构减小了扭矩波。

图10示出了图9和10的公差环与图4的轴承外套之间的力的分布。如图5中所示，外轴承套45遭受来自于滚珠47的离散的力51。外轴承套45还遭受来自于接触部41和77的离散的力79。因为力51和79没有对准在一起，所以枢转轴承23经受了较小的扭矩波。通过将接触部41和/或77交错设置，力79围绕枢转轴承23均匀地分布。因此，公差环65和/或75的结构会使所述枢转轴承23遭受较小的扭矩波，因此提高了枢转轴承23的旋转性能。

图11和12分别是沿着图8的线11-11和图9的线12-12的公差环的剖视图。图11示出了三排的接触部41，它们自柱状体31相等地凸出一预定的径向距离。图12示出了两排接触部41和一排中间排的接触部77，两排接触部41自柱状体31相等地凸出一预定的径向距离，中间排接触部77比接触部41径向向外凸出的距离大。

虽然已经描述并在附图中示出了某些示例性的实施方式，但是应该理解的是：这些实施方式对具有预定长度的柱状体并具有围绕所述柱状体交错设置成至少两排的多个接触部的公差环只是示意性的。

Claims (23)

1.一种公差环，包括：

具有预定长度的柱状体；和

围绕所述柱状体交错设置成至少两排的多个接触部。

2.根据权利要求1所述的公差环，其中每个接触部自所述柱状体径向凸出基本相等的距离。

3.根据权利要求1所述的公差环，其中至少一排接触部自所述柱状体凸出的第二径向距离大于第一径向距离。

4.根据权利要求1所述的公差环，其中所述的至少两排接触部沿着所述预定长度交叠，以将所述径向压缩预载分布到所述柱状体的表面上。

5.根据权利要求1所述的公差环，其中一排的所述接触部大于另一排的所述接触部。

6.根据权利要求1所述的公差环，其中所述柱状体具有沿着所述柱状体的预定长度的间隙，并且所述间隙具有第一边缘和第二边缘。

7.一种构造成减小枢转轴承的扭矩波的公差环，包括：

具有预定长度的柱状体；和

围绕所述柱状体的表面设置的第一和第二排接触部，所述第二排的接触部在周向上相对于所述第一排移置的距离大于零但小于或等于所述第一排中的相邻接触部之间的间距的一半。

8.根据权利要求7所述的公差环，还包括围绕所述柱状体的表面设置的第三排接触部，所述第二排沿着所述预定长度设置在所述第一和第三排之间，并且所述第三排的接触部在周向上相对于所述第二排移置的距离大于零但小于或等于所述第二排中的相邻接触部之间的间距的一半。

9.根据权利要求7或8所述的公差环，其中每个接触部自所述柱状体凸出基本恒定的径向距离。

10.根据权利要求8所述的公差环，其中所述第二排中的接触部自所述柱状体凸出的第一径向距离大于所述第一和第三排中的接触部的第二径向距离。

10.根据权利要求8所述的公差环，其中所述第二排的接触部大于所述第一和第三排中的接触部。

11.根据权利要求7所述的公差环，其中所述柱状体具有沿着所述柱状体的预定长度的间隙，所述间隙具有第一边缘和第二边缘。

12.一种构造成将枢转轴承的扭矩波减少到最小的公差环，包括：

具有预定长度的柱状体；

在沿着所述预定长度的第一位置上围绕所述柱状体的表面设置的第一排接触部；和

在沿着所述预定长度的第二位置上围绕所述柱状体的表面设置的第二排接触部，所述第二位置位于所述第一位置下方，并且所述第二排在周向上相对于所述第一排移置的距离大于零但小于或等于所述第一排中的相邻接触部之间的间距的一半。

13.根据权利要求12所述的公差环，还包括在沿着所述预定长度的第三位置上围绕所述柱状体的表面设置的第三排接触部，所述第二排沿着所述预定长度设置在所述第一和第三排之间，所述第三排的接触部在周向上相对于所述第二排移置的距离大于零但小于或等于所述第二排中的相邻接触部之间的间距的一半。

14.根据权利要求12所述的公差环，其中每个接触部自所述柱状体凸出第一径向距离。

15.根据权利要求12所述的公差环，其中所述第二排中的接触部自所述柱状体凸出的第一径向距离大于所述第一和第三排中的接触部的第二径向距离。

16.根据权利要求12所述的公差环，其中所述第二排的接触部比所述第一和第三排中的接触部宽。

17.根据权利要求12所述的公差环，其中所述柱状体具有沿着所述柱状体的预定长度的间隙，所述间隙具有第一边缘和第二边缘。

18.一种公差环，包括：

具有预定长度的柱状体；和

围绕所述柱状体的表面设置的第一和第二排接触部，所述第一排的接触部自所述柱状体凸出第一径向距离，所述第二排的接触部自所述柱状体凸出第二径向距离，并且所述第二径向距离大于所述第一径向距离。

19.根据权利要求18所述公差环，其中所述第二排的接触部在周向上相对于所述第一排移置的距离大于零但小于或等于所述第一排中的相邻接触部之间的间距的一半。

20.根据权利要求18或19所述的公差环，还包括围绕所述柱状体的表面设置的第三排接触部，所述第二排沿着所述预定长度设置在所述第一和第三排之间，所述第三排的接触部自所述柱状体凸出第三径向距离并且在周向上相对于所述第二排移置的距离大于零但小于或等于所述第二排中的相邻接触部之间的间距的一半。

21.根据权利要求18所述的公差环，其中所述第二排的接触部比所述第一和第三排中的接触部宽。

22.根据权利要求18所述的公差环，其中所述柱状体具有沿着所述柱状体的预定长度的间隙，所述间隙具有第一边缘和第二边缘。

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