CN1083070C - 带槽的油膜止推轴承 - Google Patents

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Abstract

两个止推轴承面被轴承流体隔开并可相对旋转。两个轴承面中的一个限定多个从轴承面的一内径(124)向一外径(126)延伸的连续的槽间面(122)。相邻的槽间面在它们之间限定一连续的槽(128)，该连续的槽具有一在轴承面的一内径内的未划分部分(130)和在轴承面的一外径内的划分部分(132)。连续的槽在划分部分(132)由一中间槽间面(134)所划分，中间槽间面位于相邻的连续的槽间面(122)之间。连续的槽(128)上的划分部分(132)以不间断的方式与未划分部分连通。

Description

带槽的油膜止推轴承
技术领域
本发明涉及用于一种芯轴电机的流体动力止推轴承。更具体地说，本发明涉及用于计算机硬盘驱动芯轴电机组件的流体动力止推轴承的槽的形状。
本发明的技术背景
计算机硬盘驱动器通常包括一排安装在一芯轴电机组件上的磁盘。通过位于在这些磁盘之间延伸的一臂的端部上的一读写头将数据写在各磁盘上或从磁盘上读出。该臂的定位是在盘驱动控制电子的控制之下通过一音圈电机来实现的。
该排磁盘安装在芯轴电机组件的一转体上。该转体借助于一轴承装置安装成能够相对于芯轴电机的一基底转动。在使用时，通过一电磁电机使转体旋转。
为了便于读写头在磁盘之间的精确的定位，需要轴承装置运行时基本上无振动，并且在施加外力时偏转很小(即，支撑刚性高)。也希望轴承装置的使用寿命长，而且不需维修。计算机工业的不断小型化的倾向意味着上述功能必须用占据尽可能小的体积的轴承装置来实现。
用于计算机盘驱动芯轴电机组件的轴承装置通常为流体动力轴承装置，其包括至少一个流体动力止推轴承。止推轴承包括一推板和一相反的止板，它们各自限定一支撑表面。每个轴承面由一种槽形成。在使用中，两轴承面由一层润滑剂膜隔开。由于轴承面的相对旋转而产生的润滑剂中的压力使轴承表面保持隔开并保证轴承装置的平滑旋转。
轴向负荷支撑力和止推轴承的其它静或动特性取决于润滑剂膜中的压力上升和横跨止推轴承的压力分布。而压力上升和分布又取决于开槽型式的设计，例如槽的角度、槽的节距比、槽深和推板或止板的中心半径。
现行的止推轴承设计时着眼于使轴承的性能最大化。这种性能的提高是以增大带槽的轴承面的制造难度为代价的。特别是，槽的密度和形状导致用于形成槽的图案的冲头与模具组件的使用寿命的降低。
因此，需要一种槽型，其提供良限的止推轴承性能，而不会对止推轴承的制造起负作用。
本发明的概述
本发明提供一种包括第一和第二轴承面的开槽的流体动力止推轴承。该第一和第二轴承面可彼此相对旋转，并由一种轴承流体隔开。第一轴承面限定多个从一内径向一外径延伸的连续的槽间面。相邻的连续的槽间面限定它们之间的一连续的槽，该槽具有一大致不变的深度并以不间断的方式在内径与外径之间延伸。该连续的槽在第一轴承面的一内环中具有一未划分的部分，在第一轴承面的一外环内有一划分的部分，并在该划分的部分内由一位于两相邻的连续的槽间面之间的中间槽间面划分。连续的槽的划分部分以不间断的方式与连续的槽的未划分部分连通。各连续以槽间面包括一位于外环内的第一腿和一位于内环内的第二腿，第一与第二腿在一中心半径处相交并彼此构成角度。
本发明也提出一种包括开槽的流体动力止推轴承的轴承装置，它包括：
一轴颈，其限定一轴颈孔，还限定一垂直于轴颈孔延伸的轴颈推面；一安装在轴颈孔中的轴，该轴和轴颈孔一起限定油膜轴承，该轴承允许轴与轴颈彼此相对旋转；一横向离开轴延伸并限定第一和第二推面的推板，第一推面与轴颈推面一起限定一第一流体动力止推轴承；而一安装在轴颈上并限定一止板推面的止板，止板推面与第二推面一起限定一第二流体动力止推轴承，第一和第二流体动力止推轴承中的至少一个推面为开槽的推面，其限定多个从开槽推面的一内径向开槽推面的一外径延伸的连续的槽间面，相邻的连续的槽间在它们之间限定一个连续的槽，该槽以不间断的方式在内径与外径之间延伸，并具有一大致恒定的深度，连续的槽包括在开槽的推面的一内径内的一未划分部分和在开槽的推面的一外径内的一划分部分，连续的槽在划分部分内由位于相邻的连续的槽间面之间的一中间槽间面所划分，连续的槽的划分部分以不间断的方式与连续的槽的未划分部分连通，各连续的槽间面包括一位于外环内的第一腿和一位于内环内的第二腿，第一和第二腿在中心半径上相交并构成角度。
在题为“实施本发明的最佳模式”的部分中清楚地公开了本发明的其它特征。
附图的简要描述
为了更充分地理解本发明，在下面以实施本发明的最佳模式为题的详细描述中参考了如下附图：
图1是与按照本发明的流体动力止推轴承结合的一芯轴电机组件的一横剖面图；
图2一种现有技术的流体动力止推轴承的表面之一的简要透视图；
图3是由于图2中的流体动力止推轴承表面的旋转而在轴承流体中产生的压力分布的透视图；
图4是一曲线图，示出在流体动力轴承面上形成的槽的数量、该轴承面的制造容易程度与轴承性能之间的一般关系；
图5(a)、(b)和(c)示出固体材料在一定负荷条件下所产生的应力分布，以说明书在形成开槽表面时冲头部件中所形成的应力；
图6是第二现有技术流体动力止推轴承的表面之一的简要透视图；
图7是由于图6中的流体动力止推轴承表面的旋转而在轴承流体中产生的压力分布的透视图；
图8是按照本发明的流体动力止推轴承的表面之一的简要透视图；
图9是按照本发明的最佳模式的流体动力止推轴承的轴承面之一的平面图；
图10是由于图8中的流体动力止推轴承表面的旋转而在轴承流体中产生的压力分布的透视图；
图11为一曲线图，示出按照本发明的一种流体动力轴承的槽角与轴承性能之间的关系；
图12为一曲线图，示出按照本发明的一种流体动力轴承的槽比率与轴承性能之间的关系；
图13为一曲线图，示出按照本发明的一种流体动力轴承的槽深与轴承性能之间的关系；
图14为一曲线图，示出按照本发明的一种流体动力轴承的中心半径与轴承性能之间的关系；
图15为一曲线图，示出在按照本发明的一种流体动力轴承的横剖面上的压差与轴承横剖面上流量之间的关系；
图16为一曲线图，示出由图2、6和8所示的轴承面所产生的压力分布。
实施本发明的最佳模式
由于硬盘驱动器和芯轴电机在本领域均为公知的，为了避免当熟悉本领域的人员在实施提出权利要求的本发明时产生混淆，本说明书中省略了很多公知的细节。
图1示出了与按照本发明的一种流体动力止推轴承相结合的芯轴电机组件的横剖面。总体上以标号10表示的芯轴电机组件包括一基底12和一转体组件13。
一轴14由一螺母16安装在基底12上。
轴14的外表面与一相邻的轴颈18上的孔一起形成一油膜轴承20。油膜轴承20包括一设在轴14上或轴颈18的孔上的开槽表面。轴颈轴承20支撑轴颈18，使其相对于轴14围绕轴线22旋转。
一推板24压配合在轴14的一端，并垂直于轴14延伸。推板24限定一第一推面，其与轴颈18上的一相邻推面限定一第一流体动力止推轴承26。
一止板28与推板24相邻压配合在轴颈18上。止板28限定一止板推面，其与由推板24所限定的一第二推面一起限定一第二流体动力止推轴承30。止板28借助于一O型圈32密封于轴颈18。
第一和第二流体动力止推轴承26、30各包括一开槽的轴承面，这在下面将参考图9描述。在本流体动力轴承装置的实施例中，这些开槽的表面提供在推板26上。然而，也可以提供在止板30和/或轴颈18的相邻表面上。
一转体34围绕轴颈26装配。转体34支撑一排磁盘(未示出)。
使用时，一电磁电机带动转体组件13相对于基底12旋转。电磁电机包括一安装在基底12上的定子组件36和一安装在轴颈18上的磁体38。
流体动力止推轴承26和30防止轴颈18相对于轴14沿轴线22的任何明显的线性运动。
参考图2可以最好地理解流体动力轴承的运转，图2示出现有技术的流体动力止推轴承的表面之一的简要透视图。
总体上以标号60表示的流体动力轴承表面包括一系列交错的槽62和槽间面64。为了图示说明起见，流体动力轴承面60的直径和槽62的深度被夸大了许多。
各槽62和槽间面64包括一从流体动力轴承面60的内径66向外延伸的腿和一从流体动力轴承面60的外径68向内延伸的腿。两腿在一中间半径70处相交，该中间半径在本领域中称之为中心半径。这些多个槽62和槽间面64一起形成一曲线的人字形图案，如图所示。
当轴承面60与一相对的轴承面相邻设置，并使两面之间有一层润滑剂膜时就形成一流体动力止推轴承。当轴承面60沿方向72，即逆着人字形图案旋转时，槽62和槽间面64就会将润滑剂从内外径66和68处向人字形图案在中心半径70上的点处抽吸。这样就形成在横穿轴承面60的润滑剂内的一种压力分布，这种压力分布用于保持两轴承面在外负荷下隔开。
图3示出了横穿包括流体动力轴承面60的带有八个槽的流体动力轴承的压力分布。在该图中，轴承装置已加有14.2N的负荷，并提供了4260kN/m的轴向轴承刚度和14.27Nm/rad.的轴承摇摆刚度。
当轴承面上的槽和槽间面的数量增加时，轴承性能增加到一最高点。在图4中，以线80表示槽的数量与轴承性能之间的关系。从图4中可以看出，槽的数量超过某一值时轴承性能不再有明显的增长。
在图4中，线82表示开槽的轴承面的制造容易程度与槽的数量之间的关系。从图中可以看出，起初，在槽的数量低于某一数值时，制造的容易程度是不变的，但随着槽的数量的增加，制造的容易程度急剧降低。
参考图5可以最好地理解轴承面的制造容易程度与槽的数量之间的这种关系。
图5(a)示出当通过一球92对平面90施加一力F时横穿平面90上的应力分布。这种应力分布具有一种倒钟的形状，峰顶正好在球92的中心之下。
图5(b)示出当通过一球96对一料块98的角施加一力F时的应力分布情况。在料块中的应力分布随着前面的倒钟形状，以标号100表示，但在边缘102附近，应力分布急剧下降，以标号104表示。
在用于形成槽的冲头上，应力分布大致为图5(b)中的应力分布104和100的两镜像的总和。所导致的应力分布在图5(c)中以标号106表示。随着冲头108的宽度减小，当形成较窄的槽时需要这样，横穿冲头的平均应力迅速增加，这时边缘应力分布起到了主导作用。
因此，重新看图3，一般来说，为了增加轴承性能需要较多的槽，从而减小了各槽的宽度。窄槽需要用较窄的冲头(或模)部件来形成。较窄的冲头部件受到大得多的应力，这样会减少冲头寿命，从而导致制造开槽轴承面的容易程度的下降。
图6中示出另一种现有技术的流体动力轴承面，它带有十二个槽。这种轴承面所产生的压力分布示于图7。在该图中，也对该轴承装置施以14.2N的负荷，并提供4560kN/m的轴向轴承刚度和14.95Nm/rad的轴承摇摆刚度，后两数据高于图2中那种结构所提供的相应数据。
将图2与图6、图3与图7进行比较可以看出，槽62的数量从八个增加到十二个导致横穿轴承面的压力分布的总的增加，但各槽62的宽度显著地下降。
在图8中以简明的透视图，及在图9中以平面视图示出了按照本发明的流体动力止推轴承。为了方便起见，对于图8和图9中的轴承面共同的特征用相同的标号表示。
图8所示的轴承面总体上以标号120表示，它限定了若干连续的槽间面122。槽间面122从轴承面120的内径124延伸到一外径126。相邻的连续的槽间面122限定它们之间的一连续的槽128，槽128在内径124与外径126之间以不间断的方式延伸，槽的深度大致不变。
从图8中可以看到，各连续的槽128包括一在轴承面120的一内环中的未划分部分130和一在轴承面120的一外环中的划分部分132。连续的槽由一位于两相邻的连续的槽间面122之间的中间槽间面134划分出划分部分132。
应该说明的是，连续的槽128的划分部分132以不间断的方式与连续的槽128的未划分部分130连通。这样就保证了轴承润滑剂基本上可以不受限制地沿着连续的槽在内外径124和126之间流动。相信这种平滑的流动能够改善轴承性能，并保证在横穿轴承面的任何位置上都不会形成一种不希望的高压或者出现空腔，这种高压或空腔的出现会增加连续的槽间面122或中间面134所受的应力。
各连续的槽间面122包括一位于轴承面120的外环内的第一腿136，和一位于轴承面120的内环内的第二腿138，第一和第二腿136、138在中心半径140处相交。第一和第二腿136、138彼此成一角度，连续的槽间面122与相邻的连续的槽间面122一起限定一曲线的人字形图案，如图所示。
图10中示出了图8所示的轴承面上产生的压力分布。在该图中，对轴承装置施加13.91N的负荷，并提供4810kN/m的轴向轴承刚度和15.37Nm/rad的轴承摇摆刚度，比图2和图6中的结构都要高。
现在特别参考图9，并考虑轴承面120的旋转方向142，可以理解，连续的槽间面122的第一和第二腿136、138各具有导边144、146和尾缘148、150。在第一和第二腿136、138于中心半径140附近相交处，尾缘148、150形成一光滑曲线。在图示的本发明的实施例中，该光滑曲线为一半径大致为50μm的圆弧152。
还可以看出，在第二腿138的导边146与一相邻的第二腿的尾缘150在内径124上相交处也形成一光滑曲线。在图示实施例中，该光滑曲线为一半径大致为25μm的圆弧154。
考虑用于形成轴承面120的冲头可以最好地理解在轴承面120的制造容易程度上的改进。这种冲头或模具与图示轴承面120相反。换句话说，冲头具有与连续的槽128相对应的凸起表面和与槽间面122、134相对应的槽。
从这方面来看图9，冲头的凸起表面在内径124与外径126之间是不间断的。
还可以看出，冲头的凸起表面在外径126与内径124之间更均匀宽阔。在冲头的凸起面上的窄区域，如上所述，这种区域会受到不希望的大应力，基本上通过提供光滑曲线152、154加以改进。
流体动力轴承的性能还取决于槽角(α)。将槽的切线与圆的切线之间的那点的夹角定义为槽角。通常内槽130和外槽132的槽角保持不变。流体动力轴承对于轴承流体的泵送作用在很大程度上取决于槽角，而这种泵送作用又影响着轴承的性能。对于图9所示的流体动力轴承面，槽角可以根据所需的特定轴承特性在大约19°与大约29°之间改变，但优选大致为23.5°。图11中示出了槽角与轴承性能之间的关系。
与此相似，槽比率是另一个影响流体动力轴承对轴承流体的泵送作用并从而影响轴承性能的参数。槽比率定义为槽的宽度与槽间面的宽度之间的比率，在按照本发明的一种开槽的流体动力轴承中该比率也是可以在大致为0.32与大致为0.6之间改变的，优选大致为0.5。图12中示出槽比率与轴承性能之间的关系。
在图9所示的轴承面中的槽128的深度也可以在大约9μm与大约13μm之间改变，优选为11μm。槽深与轴承性能之间的关系示于图13。
影响轴承性能的另一个参数是中心半径140的位置。由于内外槽130、132的排列方式，它们彼此相对地，即向中心半径泵送轴承流体。中心半径的位置确定了内外槽103和132的相对长度，并从而确定了它们的相对泵送力。如图14所示，轴承性能取决于中心半径的位置。
通过改变上述参数，特别是中心半径的位置，能够产生一个内径124处的轴承流体与外径126处的轴承流体之间的压差(Δp)。这种压差能够产生横穿轴承面的轴承流体的一种净流。通过减小或增加横穿轴承面的Δp，可以控制该净流和其穿过轴承的方向。压差与穿过轴承的流量之间的关系示于图15。
最后，图16示出了分别由图2(八个未划分槽)、图6(十二个未划分槽)和图8(八个划分槽)示出的流体动力轴承面所产生的轴承流体压力的比较。从该图中可以看出，本发明的流体动力止推轴承具有一比图2的实施例改进了的最小压力和三种轴承面中的最高的峰值压力，而总的压力分布已得到改善。
因此可以看出，本发明的流体动力轴承面不仅提供了一种对图示的现有技术的轴承装置的性能的改进，而且更容易制作。
应该理解，本发明不限于上述实施例，在不背离本发明的精神和范围的前提下可以作出许多改进。例如，可以在相邻的连续的槽间面122之间提供附加中间槽间面134来进一步划分连续的槽128。

Claims (10)

1.一种开槽的流体动力止推轴承，它包括可彼此相对旋转的第一和第二轴承面，在两轴承面之间具有轴承流体，
第一轴承面限定多个从第一轴承面的一内径向第一轴承面的一外径延伸的连接的槽间面，
相邻的连续的槽间面在它们之间限定一连续的槽，该槽具有一大致恒定的深度，并以不断的方式在内径和外径之间延伸，
该连续的槽包括一限定在第一轴承面的内环内的末划分部分和一限定在第一轴承面的一外环内的划分部分，连续的槽在划分部分内由一位于相邻的连续的槽间面之间的一中间槽间面划分，
连续的槽的划分部分以不间断的方式与连续的槽的未划分部分连通，
各连续的槽间面包括一位于外环内的第一腿和一位于内环内的第二腿，第一与第二腿在一中心半径处相交并彼此构成角度。
2.如权利要求1所述的开槽的流体动力止推轴承，其特征在于：各连续的槽间面限定一运行导边和一运行尾缘，运行导边在第一和第二腿相交处限定一光滑曲线。
3.如权利要求2所述的开槽的流体动力止推轴承，其特征在于：相邻的连续槽间面的运行导边和运行尾缘在内径上以一光滑曲线相交。
4.如权利要求2所述的开槽的流体动力止推轴承，其特征在于：运行导边所限定的光滑曲线为一段圆弧。
5.如权利要求4所述的开槽的流体动力止推轴承，其特征在于：运行导边在第一和第二腿相交处所限定的光滑曲线是一段半径大致为25μm的圆弧。
6.一种包括权利要求1的开槽的流体动力止推轴承的轴承装置，它包括：
一轴颈，其限定一轴颈孔，还限定一垂直于轴颈孔延伸的轴颈推面；
一安装在轴颈孔中的轴，该轴和轴颈孔一起限定油膜轴承，该轴承允许轴与轴颈彼此相对旋转；
一横向离开轴延伸并限定第一和第二推面的推板，第一推面与轴颈推面一起限定一第一流体动力止推轴承；而
一安装在轴颈上并限定一止板推面的止板，止板推面与第二推面一起限定一第二流体动力止推轴承，
第一和第二流体动力止推轴承中的至少一个推面为开槽的推面，其限定多个从开槽推面的一内径向开槽推面的一外径延伸的连续的槽间面，
相邻的连续的槽间在它们之间限定一个连续的槽，该槽以不间断的方式在内径与外径之间延伸，并具有一大致恒定的深度，
连续的槽包括在开槽的推面的一内径内的一未划分部分和在开槽的推面的一外径内的一划分部分，
连续的槽在划分部分内由位于相邻的连续的槽间面之间的一中间槽间面所划分，
连续的槽的划分部分以不间断的方式与连续的槽的未划分部分连通，
各连续的槽间面包括一位于外环内的第一腿和一位于内环内的第二腿，第一和第二腿在中心半径上相交并构成角度。
7.如权利要求6所述的开槽的流体动力止推轴承，其特征在于：各连续的槽间面限定一运行导边和一运行尾缘，运行导边在第一和第二腿相交处限定一光滑曲线。
8.如权利要求7所述的开槽的流体动力止推轴承，其特征在于：相邻的连续的槽间面的运行导边与运行尾缘在内径上以光滑曲线相交。
9.如权利要求7所述的开槽的流体动力止推轴承，其特征在于：由运行导边所限定的光滑曲线为一段圆弧。
10.如权利要求9所述的开槽的流体动力止推轴承，其特征在于：由运行导边在第一和第二腿相交处所限定的光滑曲线是一段半径大致为25μm的圆弧。
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