DE102004045629B4 - Fluiddynamisches Lagersystem - Google Patents

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Abstract

Fluiddynamisches Lagersystem mit mindestens einem feststehenden Bauteil (1; 5) und einem rotierenden Bauteil (6), die zwischen einander gegenüberliegenden Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt (7) ausbilden, der an beiden Enden offen und durch Dichtungsmittel gegenüber der Umgebung abgedichtet ist, wobei auf mindestens zwei räumlich getrennten Lagerflächen Lagerpumpstrukturen (9, 12) zur Erzeugung eines hydrodynamischen Drucks vorgesehen sind, und mindestens ein mit dem Lagerspalt verbundenes Vorratsvolumen (18; 19) für das Lagerfluid vorhanden ist, wobei die Dichtungsmittel an den offenen Enden des Lagerspalts (7) an mindestens einem der Lagerbauteile (1; 5; 6) angeordnet und derart ausgestaltet sind, dass sie auf das Lagerfluid eine in das Innere des Lagers gerichtete Pumpwirkung erzeugen und dadurch eine dynamische Abdichtung der offenen Enden des Lagerspalts bewirken, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsmittel durch die Lagerpumpstrukturen (9, 12) des Lagersystems oder durch von den Lagerpumpstrukturen des Lagersystems separate Dichtpumpstrukturen (42, 43) gebildet sind, wobei im Betrieb des Lagersystems...

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem, insbesondere ein fluiddynamisches Lagersystem kleiner Baugröße für Spindelmotoren, wie sie z. B. in Festplattenlaufwerken eingesetzt werden.
  • Stand der Technik
  • Durch die fortschreitende Miniaturisierung von Festplattenlaufwerken entstehen neue konstruktive Probleme, insbesondere bei der Konstruktion kleiner Antriebsmotoren und geeigneten Lagersystemen. Wurden bisher Wälzlagersystem verwendetet, setzen sich nun fluiddynamische Lagersysteme aufgrund ihrer kleineren Bauart und höheren Präzision immer mehr durch. Dennoch sind herkömmliche konstruktive Lösungen für fluiddynamische Festplattenlager und die Verfahren zu ihrer Herstellung nicht oder nur unter Schwierigkeiten anwendbar. Je kleiner die Lagersysteme werden, desto geringer wird bei herkömmlicher Bauweise ihre Tragkraft und Steifigkeit.
  • Ein weiteres Problem bei Fluidlagern stellt die Abdichtung dar. Insbesondere eine Miniaturisierung der Lager erfordert entsprechend angepasste Dichtungsanordnungen. Dem Lagerfluid muss ein ungehinderter Zugang vom Fluidvorrat zu den eigentlichen Lagerbereichen ermöglicht werden. Andererseits ist sicherzustellen, dass kein Fluid aus dem Lager entweicht. Das ist in Anbetracht der entstehenden hohen Drücke besonders bei Lagern mit mehreren Dichtstellen problematisch.
  • In CH 473 324 A ein fluiddynamisches Lagersystem gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruch 1 offenbart, mit einem feststehenden Bauteil und einem rotierenden Bauteil, die zwischen einander gegenüberliegenden Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt ausbilden, der an beiden Enden offen und durch Dichtungsmittel gegenüber der Umgebung abgedichtet ist. Auf zwei räumlich getrennten Lagerflächen sind (Lager- ) Pumpstrukturen zur Erzeugung eines hydrodynamischen Drucks vorgesehen, und es ist ein mit dem Lagerspalt verbundenes Vorratsvolumen für das Lagerfluid vorhanden, wobei die Dichtungsmittel durch Pumpstrukturen gebildet sind, die an den offenen Enden des Lagerspalts an einem der Lagerbauteile angeordnet und derart ausgestaltet sind, dass sie auf das Lagerfluid eine in das Innere des Lagers gerichtete Pumpwirkung erzeugen und dadurch eine dynamische Abdichtung der offenen Enden des Lagerspalts bewirken.
  • DE 198 40 433 A1 offenbart ein fluiddynamisches Lagersystem mit einem ersten Bauteil, bestehend aus einem scheibenförmigen Abschnitt und einem sich in Bezug auf eine Rotationsachse konzentrisch daran anschließenden zylindrischen Abschnitt, einem zweiten ringförmigen Bauteil, das in einem Abstand zum scheibenförmigen Abschnitt derart am zylindrischen Abschnitt des ersten Bauteils befestigt ist, dass sich ein ringförmiger Freiraum zwischen den beiden Bauteilen ausbildet und einem dritten ringförmigen Bauteil, das relativ zum ersten und zweiten Bauteil um die Rotationsachse drehbar in dem ringförmigen Freiraum aufgenommen ist, wobei ein Lagerfluid, das in den Lagerspalt eingebracht ist, der sich zwischen einander gegenüberliegenden Lagerflächen des ersten, zweiten und dritten Bauteils ausbildet. Es sind Pumpstrukturen zur Erzeugung eines hydrodynamischen Drucks innerhalb des Lagerfluids offenbart, die auf ausgewählten einander gegenüberliegenden Lagerflächen des ersten, zweiten und dritten Bauteils gebildet sind.
  • US 5,847,479 A offenbart einen Spindelmotor mit fluiddynamischem Lagersystem mit zwei entlang einer Welle angeordneten Radiallagern und zwei zwischen den Radiallager an einer Druckplatte angeordneten Axiallagern.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Daher besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein fluiddynamisches Lager zu schaffen, das bei geringer Baugröße, eine hohe Zuverlässigkeit in Bezug auf Dichtigkeit, aufnehmbare Lagerkräfte und Steifigkeit aufweist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Bevorzugte Ausgestaltungen und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Ausgehend vom Stand der Technik umfasst das fluiddynamische Lagersystem mindestens ein feststehendes Bauteil und ein rotierendendes Bauteil, die zwischen einander gegenüberliegenden Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt ausbilden, der an beiden Enden offen und durch Dichtungsmittel gegenüber der Umgebung abgedichtet ist, wobei auf mindestens zwei räumlich getrennten Lagerflächen Lagerpumpstrukturen zur Erzeugung eines hydrodynamischen Drucks vorgesehen sind und mindestens ein mit dem Lagerspalt verbundenes Vorratsvolumen für das Lagerfluid vorhanden ist. Die Dichtungsmittel sind an den offenen Enden des Lagerspalts an mindestens einem der Lagerbauteile angeordnet und derart ausgestaltet, dass sie auf das Lagerfluid eine in das Innere des Lagers gerichtete Pumpwirkung erzeugen und dadurch eine dynamische Abdichtung der offenen Enden des Lagerspalts bewirken.
  • Erfindungsgemäß sind die Dichtungsmittel durch die Lagerpumpstrukturen des Lagersystems oder durch von den Lagerpumpstrukturen des Lagersystems separate Dichtpumpstrukturen gebildet, wobei im Betrieb des Lagersystems eine der beiden Dicht- oder Lagerpumpstrukturen nur partiell mit Lagerfluid gefüllt ist, und jenseits der Dichtungsmittel an jedem offenen Ende des Lagerspalts ein Vorratsvolumen angeordnet ist.
  • Dabei befindet sich der Fluidvorrat in zwei voneinander getrennten Vorratsvolumen. Durch entgegengesetzte Pumpwirkung zweier fluiddynamischer Dicht- oder Lagerpumpstrukturen wird das Lagerfluid von einem Vorratsvolumen in das andere gepumpt, bis sich ein Gleichgewicht einstellt. Die Form des Vorratsvolumens ist dabei unerheblich; es muss nur eine ausreichende statische Dichtigkeit nach außen bestehen. Diese Anordnung ist in der Lage, auch große Druckveränderungen auszugleichen und dennoch einen Fluidvorrat bereitzustellen.
  • Dabei bildet das Vorratsvolumen, vorzugsweise in Verbindung mit den Dichtpumpstrukturen, ein zusätzliches Dichtungsmittel aus, wobei jedes dieser offenen Enden in ein Vorratsvolumen mündet.
  • Die erfindungsgemäße dynamische Dichtungsanordnung ist für alle Arten von hydrodynamischen Lagersystemen, insbesondere reinen Radiallageranordnungen, reinen Axiallageranordnungen oder konischen bzw. sphärischen Lagern oder Kombinationen davon, einsetzbar.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Lagersystem ein erstes Bauteil, bestehend aus einem scheibenförmigen Abschnitt und einem sich in Bezug auf eine Rotationsachse konzentrisch daran anschließenden zylindrischen Abschnitt; ein zweites ringförmiges Bauteil, das in einem Abstand zum scheibenförmigen Abschnitt derart am zylindrischen Abschnitt des ersten Bauteils befestigt ist, dass sich ein ringförmiger Freiraum zwischen den beiden Bauteilen ausbildet und ein drittes ringförmiges Bauteil, das relativ zum ersten und zweiten Bauteil um die Rotationsachse drehbar in dem ringförmigen Freiraum aufgenommen ist.
  • In einem Lagerspalt, der sich zwischen einander gegenüberliegenden Lagerflächen des ersten, zweiten und dritten Bauteils ausbildet, ist das Lagerfluid eingebracht. Die Lagerpumpstrukturen zur Erzeugung eines hydrodynamischen Drucks innerhalb des Lagerfluids sind als Rillenstrukturen auf ausgewählten einander gegenüberliegenden Lagerflächen des ersten, zweiten und dritten Bauteils ausgebildet.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung eines solchen Lagersystems ist ein erstes Axiallager vorhanden, das durch einander zugewandte Lagerflächen des ersten und dritten Bauteils gebildet wird, ein zweites Axiallager, das durch einander zugewandte Lagerflächen des zweiten und dritten Bauteils gebildet wird und mindestens ein Radiallager, das durch einander zugewandte Lagerflächen des ersten und dritten Bauteils gebildet wird.
  • Durch Integration von Bauteilefunktionen besteht das vorgestellte Lager aus wenigen Bauteilen. Diese sind mit herkömmlichen Fertigungsverfahren herstellbar. Da die benötigte Kippsteifigkeit nicht durch Radiallager mit großem axialem Abstand, sondern durch die Axiallager erreicht wird, kann die nötige Bauhöhe klein ausgeführt werden. Die axiale Steifigkeit ist dadurch groß.
  • Die noch notwendige radiale Steifigkeit kann durch das mindestens eine, relativ „kleine" Radiallager erzielt werden. Durch die Bauform ist es möglich, dieses Radiallager in einer zu den angreifenden Kräften günstigen Position zu platzieren.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die Möglichkeit, das Lager beidseitig (oben und unten), also am ersten und zweiten Lagerbauteil zu fixieren. Das dritte Bauteil bildet hierbei vorzugsweise das rotierende Teil des Lagers. Für Anwendungen mit hohen Ansprüchen an die Laufruhe von Lagern, beispielsweise in Festplattenmotoren, ist eine solche beidseitige Fixierung günstig. Das Prinzip ist aber auch auf einseitig fixierte Lager anwendbar.
  • Der Lagerspalt kann in den Bereichen der beiden Axiallager durch einen oder mehrere im dritten Bauteil vorgesehene Rezirkulationskanäle miteinander verbunden sein. Dies fördert die Zirkulation des Lagerfluids im Lager und unterstützt die Wirkung der dynamischen Dichtung aufgrund des besseren Druckausgleichs im Lager.
  • Vorzugsweise ist das Lagersystem Bestandteil eines Spindelmotors, wie er zum Beispiel in Festplattenlaufwerken verwendet wird, wobei das dritte Bauteil zumindest einen Teil des Rotors des Spindelmotors ausbildet. Für diese Anwendung ist es vorteilhaft, wenn das Lagersystem beidseitig, das heißt am ersten und/oder zweiten Bauteil, fixierbar ist.
  • In bevorzugten Weise weist das Radiallager Lagerpumpstrukturen auf, die eine in das Zentrum des Radiallagers gerichtete Pumpwirkung erzeugen. Im Vergleich dazu weisen die Axiallager Lagerpumpstrukturen auf, die überwiegend eine radial nach innen in Richtung der Rotationsachse gerichtete Pumpwirkung erzeugen. Dabei sind die Pumpwirkungen der beiden Axiallager einander entgegengesetzt in Richtung des Radiallagers, also in das Innere des Lagersystems, gerichtet.
  • Bei der Anordnung der Vorratsvolumina wird es bevorzugt, wenn ein Vorratsvolumen am Außendurchmesser des scheibenförmigen Abschnitts des ersten Bauteils angeordnet ist. Das andere Vorratsvolumen, sofern vorhanden, kann entsprechend am Außendurchmesser des zweiten Bauteils angeordnet sein.
  • Es kann auch vorgesehen sein, dass ein Vorratsvolumen am ersten Bauteil radial außen liegend in der Ebene des ersten Axiallagers angeordnet ist. Das zweite Vorratsvolumen kann dann am zweiten Bauteil radial außen liegend in der Ebene des zweiten Axiallagers angeordnet sein.
  • Vorzugsweise sind die Vorratsvolumina durch jeweils eine ringförmige oder konische Aussparung im betreffenden Bauteil gebildet.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen:
  • Es zeigen:
  • 1: einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Lagersystem mit zwei nach innen wirkenden Axiallagern und einem symmetrischen Radiallager;
  • 2: eine Explosionsdarstellung des in 1 skizzierten Lagers;
  • 3: ein schematisches Beispiel eines einzelnen Radiallagers mit Rezirkulationskanal;
  • 4: ein schematisches Beispiel eines einzelnen Radiallagers ohne Rezirkulationskanal;
  • 5: ein schematisches Beispiel eines einzelnen Radiallagers mit dynamischer Dichtung;
  • 6: das Prinzip der dynamischen Dichtung in einem Fluidlager gemäß 1, bei dem die Dichtpumpstruktur der Dichtung gleichzeitig Lagerpumpstruktur ist;
  • 7: einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Lagersystem ähnlich wie 1, mit Rezirkulationskanal und dynamischer Dichtung mit zwei separaten Dichtpumpstrukturen;
  • 8: das Prinzip der dynamischen Dichtung in einem Fluidlager nach 7;
  • 9: einen Schnitt durch eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagersystems mit separatem Rotor und einseitig fixiertem Lager mit seitlichen Dichtpumpstrukturen für die dynamische Abdichtung;
  • 10: das Prinzip der dynamischen Dichtung in einem Fluidlager gemäß 9, mit zwei Axiallagern, einem Radiallager und separaten Dichtpumpstrukturen;
  • 11: einen Schnitt durch eine gegenüber 1 leicht abgewandelte Ausgestaltung eines Lagersystems, mit Befestigung auf einem Gehäuseflansch;
  • 12: eine Explosionsdarstellung des in 11 skizzierten Lagers;
  • 13: einen Schnitt durch eine gegenüber 1 leicht abgewandelte Ausgestaltung eines Lagersystems mit horizontaler Anordnung der Vorratsvolumina.
  • Beschreibung von bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung
  • 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines erfindungsgemäßen Lagers. Das Lager zeichnet sich vor allem durch seine einfache Bauweise aus. Es besteht bei der in 1 gezeigten Variante aus nur drei Bauteilen. Ein erstes Bauteil 1, welches einen scheibenförmigen Abschnitt 2 und einen sich in Bezug auf eine Rotationsachse 17 konzentrisch daran anschließenden zylindrischen Abschnitt 3 aufweist.
  • Konzentrisch zur Rotationsachse 17 ist am Bauteil 1 mindestens eine Gewindebohrung 4 zur Befestigung des Bauteils an einem Gehäuse oder dergleichen vorgesehen. Ein zweites ringförmiges Bauteil 5 ist in einem Abstand zum scheibenförmigen Abschnitt 2 derart am zylindrischen Abschnitt 3 des ersten Bauteils 1 befestigt, dass sich ein ringförmiger Freiraum zwischen den beiden Bauteilen 1 und 5 ausbildet. Die der Abschnitt 2 des Bauteils 1 und das Bauteil 5 weisen vorzugsweise den selben Außendurchmesser auf. Ein drittes, im wesentlichen ringförmiges, Bauteil 6 ist teilweise in dem Freiraum aufgenommen und dort so angeordnet, dass es relativ zum ersten 1 und zweiten Bauteil 5 um die Rotationsachse 17 drehbar ist.
  • Die Bauteile 1, 5 und 6 sind so bemessen dass sich ein Lagerspalt 7 von einigen μm Breite zwischen einander gegenüberliegenden Lagerflächen des ersten, zweiten und dritten Bauteils ausbildet. Der Lagerspalt ist mit einem Lagerfluid, z. B. Lageröl oder auch Luft, gefüllt.
  • Die einander gegenüberliegenden Lagerflächen 8, 10 des scheibenförmigen Abschnitts 2 des ersten Bauteils 1 und der oberen Seite des dritten Bauteils 6 bilden ein erstes Axiallager. Die einander gegenüberliegenden Lagerflächen 11, 13 des zweiten Bauteils 5 und des dritten Bauteils 6 bilden ein zweites Axiallager. Die im Durchmesser großen, nach innen wirkenden (pumpenden) Axiallager sorgen für hohe axiale Steifigkeit und Kippsteifigkeit. Radiale Kräfte werden von mindestens einem Radiallager aufgenommen, das durch einander gegenüberliegende Lagerflächen 14, 16 des zylindrischen Abschnitts 3 des ersten Bauteils 1 und des Innendurchmessers des dritten Bauteils 6 gebildet wird. Es können auch mehrere, eng beieinanderliegende, Radiallager vorgesehen sein.
  • 2 zeigt eine Explosionsdarstellung des Lagers gemäß 1. Damit das Lager tragfähig wird, sind in bekannter Weise auf den Lagerflächen der Axiallagerbereiche und des Radiallagerbereichs Lagerpumpstrukturen vorgesehen. Sobald die Lagerflächen relativ zueinander rotieren, wird durch die Lagerpumpstrukturen ein hydrodynamischer Druck innerhalb des Lagerfluids erzeugt. Diese Lagerpumpstrukturen bestehen aus Rillenmustern, die auf ausgewählten einander gegenüberliegenden Lagerflächen des ersten, zweiten und dritten Bauteils angeordnet sind. Die Lagerpumpstrukturen können sowohl auf einer oder aber auch beiden einander gegenüberliegenden Lagerflächen vorgesehen sein. Man erkennt, dass die Lagerfläche 8 des scheibenförmigen Abschnitts 2 des ersten Bauteils 1 eine Lagerpumpstruktur 9 trägt, die mit der oberen Lagerfläche 10 des dritten Bauteils 6 zusammenwirkt und das erste Axiallager ausbildet. Die obere Lagerfläche 11 des zweiten Bauteils 5 weist eine Lagerpumpstruktur 12 auf, die mit der unteren Lagerfläche 13 des dritten Bauteils 6 zusammenwirkt und das zweite Axiallager bildet. Das Radiallager wird durch Lagerpumpstrukturen 15 gebildet, die an der inneren Lagerfläche 14 des dritten Bauteils 6 angeordnet sind, welches mit Lagerflächen 16 am zylindrischen Abschnitt des ersten Bauteils 1 zusammenwirken.
  • Das Prinzip und die Funktion der Lagerpumpstrukturen wird anhand der 3 bis 5 erläutert. Die 3 und 4 zeigen Lagerpumpstrukturen an einem einzelnen Radiallager. In 3 ist beispielhaft ein Ausschnitt eines Radiallagerbereichs, z. B. an einer Welle 20, mit entsprechenden Lagerpumpstrukturen 21 dargestellt. Die Richtung und Stärke der durch die Lagerpumpstrukturen hervorgerufenen Pumpwirkung auf das Lagerfluid ist durch entsprechende Pfeile dargestellt. Die Länge der Pfeile ist proportional zur Stärke (Druck) der Pumpwirkung. Durch Fertigungstoleranzen und andere Einflüsse kann es zu unregelmäßigen Lagerpumpstrukturen 21 und damit zu unterschiedlich starken Pumpwirkungen kommen. Diese Asymmetrie der Lagerpumpstrukturen 21 bewirkt unterschiedliche Drücke P1, P2 im Lager. Wie sich aus 3 ergibt, können diese Druckunterschiede z. B. durch sogenannte Rezirkulationskanäle 22 ausgeglichen werden, wenn es konstruktiv machbar ist.
  • Ist der Einsatz von Rezirkulationskanälen nicht möglich, wie in 4 dargestellt, sind die Druckunterschiede auf andere Art abzudichten oder auszugleichen.
  • Hier setzt die Erfindung ein.
  • 5 zeigt schematisch ein einzelnes Radiallager mit Lagerpumpstrukturen 24, z. B. auf einer Welle 30, mit dynamischer Dichtung zum Ausgleich der Druckunterschiede im Lager. Es handelt sich um ein auf beiden Seiten offenes Lager. Außerhalb des Lagers herrscht ein Umgebungsdruck P0. Teilweise unsymmetrische Lager- und Dichtpumpstrukturen 23, 24, 25 erzeugen im Lager unterschiedliche Drücke P1 und P2, wobei die Pumpwirkung der äußeren Dichtpumpstrukturen 23 und 25 nach innen gerichtet ist. Die Dichtpumpstrukturen 23, 25 verhindern, dass Lagerfluid 26 aus dem Lagerspalt 27 nach außen austritt und wirken somit als dynamische Dichtungen. Im dynamisch gedichteten Fluidlager stellt sich im Betrieb ein Gleichgewicht dergestalt ein, dass die Druckunterschiede ausgeglichen werden. An beiden Enden des Lagerspalts sind Vorratsvolumen 28, 29 für das Lagerfluid vorgesehen. Das Lagerfluid 26 wird im Lagerspalt 27 in die Richtung der größten resultierenden Pumpwirkung gepumpt, gemäß der Darstellung beispielsweise nach rechts. Dabei leert sich das eine Vorratsvolumen 28, und das andere Vorratsvolumen 29 wird mit Lagerfluid gefüllt. Dieser Vorgang dauert so lange an, bis die Dichtpumpstruktur 23 der Dichtung partiell nicht mehr mit Fluid gefüllt ist. Die Pumpwirkung dieser Dichtpumpstruktur 23 lässt entsprechend des Füllgrades des zugehörigen Lagerspaltabschnitts nach, bis die Druckunterschiede im Lager ausgeglichen sind.
  • Die dynamische Dichtung für Fluidlager benötigt also zwei Vorratsvolumen 28, 29 für den Fluidvorrat und zwei entsprechende Dichtpumpstrukturen 23, 25, wenn die Richtung der resultierenden Pumpwirkungen des bzw. der einzelnen Lager unbekannt ist.
  • Die Form und Lage der im Beispiel nach 5 gezeigten Vorratsvolumina ist für das Prinzip der Erfindung weitgehend unerheblich. Sie müssen nur einen ausreichenden Fluidvorrat bereitstellen und diesem einen Zugang zu den jeweils zugeordneten Lager- und Dichtpumpstrukturen ermöglichen.
  • Die vorgestellte Lösung ist prinzipiell auf alle Typen von Fluidlagern anwendbar. Das gilt beispielsweise für einzelne Radial- oder Axiallager, für konische oder sphärische Lager wie auch für Kombinationen aus diesen. Rezirkulations-Bohrungen sind nicht unbedingt erforderlich, können das Prinzip aber unterstützen.
  • 6 zeigt das Prinzip einer dynamischen Dichtung in einem Fluidlager gemäss 1 und 2, mit zwei Axiallagern und einem Radiallager, bei dem die Lagerpumpstrukturen der Axiallagerbereiche gleichzeitig die Dichtpumpstrukturen für die dynamischen Dichtungen ausbilden. Die Lagerpumpstrukturen der Axiallager bilden also gemeinsam mit zwei Vorratsvolumina ein dynamisches Dichtungssystem, das Fertigungstoleranzen ausgleicht. Die Lagerpumpstrukturen der Axiallager können sich auf einem oder auf beiden Lagerpartnern befinden. Dabei sind auch andere als die in den 1 und 2 gezeigten Formen der Lagerpumpstrukturen möglich.
  • Der Lagerspalt 7 zwischen den Bauteilen 1, 5 und 6 ist in dieser Zeichnung vergrößert dargestellt. Man erkennt, dass der Lagerspalt 7 mit dem Lagerfluid gefüllt ist. Durch die Lagerpumpstrukturen 9, 12 der Axiallagerbereiche, die sich auf der Unterseite des Bauteils 1 bzw. der Oberseite des Bauteils 5 befinden, sowie eine Lagerpumpstruktur 15' auf dem zylindrischen Abschnitt 3 des Bauteils 1 (in 1 war die Lagerpumpstruktur 15 alternativ auf dem Bauteil 3 vorgesehen) wird das Lagerfluid in Richtung der Rotationsachse 17 gepumpt. Zwei Vorratsvolumina 18, 19, die beispielsweise ringförmig ausgebildet sein können und an den Enden des Lagerspalts angeordnet sind, sorgen für einen Füllstandausgleich im Lagerspalt 7. Durch Unregelmäßigkeiten in den Lagerpumpstrukturen wird zum Beispiel durch die obere Lagerpumpstruktur 9 ein höherer, nach innen gerichteter, Druck erzeugt, als durch die untere Lagerpumpstruktur 12. Daher wird das Lagerfluid so lange aus dem oberen Vorratsvolumen 18 durch den Lagerspalt 7 in das untere Vorratsvolumen 19 gepumpt, bis die obere Lagerpumpstruktur 9 partiell nicht mehr mit Fluid gefüllt ist, so dass sich ein Gleichgewicht in Bezug auf die untere Lagerpumpstruktur 12 einstellt, da die Pumpwirkung dieser Struktur 9 entsprechend des Füllgrades nachlässt, bis die Asymmetrie des Lagers ausgeglichen ist. In diesem Beispiel dienen die Lagerpumpstrukturen 9, 12 des Axiallagers gleichzeitig als Dichtpumpstrukturen zur dynamischen Abdichtung des Lagerspalts 7 in Richtung des Vorratsvolumina 18, 19.
  • In 1 ist der durch die Lager- und Dichtpumpstrukturen hervorgerufene Druckverlauf nicht durch Pfeile, sondern durch entsprechende rampenförmige Markierungen dargestellt. Die Vorratsvolumina sind als ringförmige Aussparung am Außendurchmesser des Anschnitts 2 des ersten Bauteil 1 und des zweiten Bauteils 45 ausgebildet.
  • 7 zeigt ein gegenüber 1 abgewandeltes Lagersystem, wobei mit Bezug auf die 1 und 2 gleichartige Bauteile mit gleichen Bezugsziffern versehen sind. Das Lagersystem umfasst einen sogenannten Rezirkulationskanal 41 und einer dynamischen Dichtung mit zwei separaten Dichtpumpstrukturen, dargestellt durch die Markierungen 42 und 43. Der Rezirkulationskanal 41 ist zum Beispiel als Bohrung innerhalb des dritten Bauteils 6 ausgebildet und unterstützt die Wirkung der dynamischen Dichtung und ein Fließen des Lagerfluids um die Lagerpumpstrukturen herum, indem er die äußeren Bereiche des Lagerspalts 7 miteinander verbindet. Die Dichtpumpstrukturen 42 und 43, welche die dynamische Dichtung ausbilden, sind unabhängig von den Lagerpumpstrukturen der Axiallagerbereiche ausgebildet und radial außerhalb der Axiallagerbereiche und des Rezirkulationskanals 41 angeordnet.
  • Aus 8 wird das Fließverhalten und der Druckverlauf im Lagerfluid innerhalb des Lagersystems gemäss 7 deutlich. Unabhängig von der Pumpwirkung der Axiallagerstrukturen erzeugen die Dichtpumpstrukturen 42 und 43 eine eigene in das Lagerinnerer gerichtete Pumpwirkung, unterstützt durch die in den Vorratsvolumina 18, 19 vorgehaltene Menge an Lagerfluid. Der Rezirkulationskanal 41 sorgt für einen schnellen Druckausgleich zwischen den Endbereichen des Lagerspalts.
  • 9 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lagers als einseitig fixierbares Lager, mit einem ersten Bauteil 1 und einem zweiten Bauteil 5, wobei das dritte Lagerbauteil 44 ein weiteres, als Rotorglocke dienendes, Bauteil 45 trägt. Die Ausgleichsvolumina 18, 19 befinden sich wiederum am Außenumfang des ersten Bauteils bzw. des zweiten Bauteils und sind mit dem Lagerspalt 7 verbunden. Neben den bereits beschriebenen Lagerpumpstrukturen der Axiallagerbereiche und des Radiallagerbereichs sind wiederum separate Dichtpumpstrukturen 46, 47 zur dynamischen Abdichtung der Lageranordnung vorgesehen. Im gezeigten Fall sind jedoch die Dichtpumpstrukturen 46, 47 nicht in der Ebene der Axiallagerbereiche, sondern am Innenumfang der Rotorglocke 45 angeordnet und wirken mit den Umfangsflächen des ersten Bauteils 1 bzw. zweiten Bauteils 5 zusammen. Alternativ können die Dichtpumpstrukturen für die dynamische Dichtung auch seitlich am Außenumfang der Lagerbauteile 1 und 5 angeordnet sein.
  • 10 zeigt den durch die Lager- und Dichtpumpstrukturen erzeugten Druckverlauf innerhalb des Lagerspalts 7. Die Lagerpumpstrukturen des Radiallagerbereichs sind so ausgestaltet, dass sie einen entgegengesetzten, in Richtung der Mitte des Lagerspalts gerichteten, Druckaufbau erzeugen. Der obere und untere Axiallagerbereich weist ebenfalls Lagerpumpstrukturen auf, die einen zur Mitte dieser Lagerpumpstrukturen gerichteten Druckverlauf erzeugen, wobei jedoch der in Richtung des Inneren des Lagerspalts gerichtete Druck etwas höher ist, als der nach außen gerichtete Druck. Schließlich erzeugen die Dichtpumpstrukturen 46, 47 der dynamischen Dichtung ebenfalls einen in Richtung des Lagerinneren gerichteten Druckverlauf, so dass ein Niveau-Ausgleich des Lagerfluids zwischen dem oberen Vorratsvolumen 18 und dem unteren Vorratsvolumen 19 stattfinden kann.
  • Die 11 und 12 zeigen einen Schnitt bzw. eine Explosionsdarstellung eines Lagersystems, ähnlich zum Lagersystem der 1 und 2. Gleichartige Bauteile sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Im Vergleich zu 1 ist das dritte Lagerbauteil 6 etwas dicker ausgeführt, so dass die Axiallagerbereiche einen etwas größeren Abstand zueinander haben. Das zweite Lagerbauteil weist unterhalb des Vorratsvolumens 19 eine ringförmige Aussparung auf, mittels der es in einen ringförmigen Gehäuseflansch 48 eingesetzt und dort befestigt werden kann. Die Ausgestaltung der Lager- und Dichtpumpstrukturen auf den entsprechenden Lagerflächen der Bauteile 1, 5 und 6 entspricht dem Ausführungsbeispiel gemäss den 1 und 2.
  • 13 zeigt schließlich eine erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Lagersystems im wesentlichen identisch zu 1, bei dem die Vorratsvolumina 49 und 50 in der gleichen Ebene wie die den Axiallager zugeordneten Lagerflächen der Bauteile 1 und 5 angeordnet sind. Die dynamische Dichtung wird hier wiederum durch die Lagerpumpstrukturen der Axiallagerbereiche bewerkstelligt. Es sind also keine separaten Dichtpumpstrukturen für die Dichtungen vorhanden. Durch die „horizontale" Anordnung der Vorratsvolumina hat diese Ausgestaltung des Lagersystems im Vergleich zu 1 eine geringere Bauhöhe.
  • 1
    Bauteil (erstes)
    2
    Scheibenförmiger Abschnitt
    3
    Zylindrischer Abschnitt
    4
    Gewindebohrung
    5
    Bauteil (zweites)
    6
    Bauteil (drittes)
    7
    Lagerspalt
    8
    Lagerfläche (Bauteil 1)
    9
    Lagerpumpstruktur
    10
    Lagerfläche (Bauteil 3)
    11
    Lagerfläche (Bauteil 2)
    12
    Lagerpumpstruktur
    13
    Lagerfläche (Bauteil 3)
    14
    Lagerfläche (Bauteil 3)
    15
    Lagerpumpstruktur 15'
    16
    Lagerfläche (Bauteil 1)
    17
    Rotationsachse
    18
    Vorratsvolumen
    19
    Vorratsvolumen
    20
    Welle
    21
    Lagerpumpstruktur
    22
    Rezirkulationskanal
    23
    Dichtpumpstruktur
    24
    Lagerpumpstruktur
    25
    Dichtpumpstruktur
    26
    Lagerfluid
    27
    Lagerspalt
    28
    Vorratsvolumen
    29
    Vorratsvolumen
    30
    Welle
    41
    Rezirkulationskanal
    42
    Dichtpumpstruktur
    43
    Dichtpumpstruktur
    44
    Bauteil (drittes)
    45
    Rotorglocke
    46
    Dichtpumpstruktur
    47
    Dichtpumpstruktur
    48
    Gehäuseflansch
    49
    Vorratsvolumen
    50
    Vorratsvolumen

Claims (17)

  1. Fluiddynamisches Lagersystem mit mindestens einem feststehenden Bauteil (1; 5) und einem rotierenden Bauteil (6), die zwischen einander gegenüberliegenden Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt (7) ausbilden, der an beiden Enden offen und durch Dichtungsmittel gegenüber der Umgebung abgedichtet ist, wobei auf mindestens zwei räumlich getrennten Lagerflächen Lagerpumpstrukturen (9, 12) zur Erzeugung eines hydrodynamischen Drucks vorgesehen sind, und mindestens ein mit dem Lagerspalt verbundenes Vorratsvolumen (18; 19) für das Lagerfluid vorhanden ist, wobei die Dichtungsmittel an den offenen Enden des Lagerspalts (7) an mindestens einem der Lagerbauteile (1; 5; 6) angeordnet und derart ausgestaltet sind, dass sie auf das Lagerfluid eine in das Innere des Lagers gerichtete Pumpwirkung erzeugen und dadurch eine dynamische Abdichtung der offenen Enden des Lagerspalts bewirken, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsmittel durch die Lagerpumpstrukturen (9, 12) des Lagersystems oder durch von den Lagerpumpstrukturen des Lagersystems separate Dichtpumpstrukturen (42, 43) gebildet sind, wobei im Betrieb des Lagersystems eine der beiden Dicht- oder Lagerpumpstrukturen (9, 12, 42, 43) nur partiell mit Lagerfluid gefüllt ist, und dass jenseits der Dichtungsmittel an jedem offenen Ende des Lagerspalts ein Vorratsvolumen (18; 19) angeordnet ist.
  2. Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorratsvolumen (18; 19) ein zusätzliches Dichtungsmittel ausbildet.
  3. Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein erstes Bauteil (1), bestehend aus einem scheibenförmigen Abschnitt (2) und einem sich in Bezug auf eine Rotationsachse (17) konzentrisch daran anschließenden zylindrischen Abschnitt (3); ein zweites ringförmiges Bauteil (5), das in einem Abstand zum scheibenförmigen Abschnitt (2) derart am zylindrischen Abschnitt des ersten Bauteils befestigt ist, dass sich ein ringförmiger Freiraum zwischen den beiden Bauteilen (1; 5) ausbildet; und ein drittes ringförmiges Bauteil (6), das relativ zum ersten und zweiten Bauteil um die Rotationsachse drehbar in dem ringförmigen Freiraum aufgenommen ist, ein Lagerfluid, das in den Lagerspalt (7) eingebracht ist, der sich zwischen einander gegenüberliegenden Lagerflächen (8, 10; 11, 13; 14, 16) des ersten, zweiten und dritten Bauteils (1; 5; 6) ausbildet, Lagerpumpstrukturen (9; 12; 15) zur Erzeugung eines hydrodynamischen Drucks innerhalb des Lagerfluids, welche auf ausgewählten einander gegenüberliegenden Lagerflächen des ersten, zweiten und dritten Bauteils gebildet sind.
  4. Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es ein erstes Axiallager umfasst, das durch einander zugewandte Lagerflächen (8; 10) des ersten und dritten Bauteils (1; 6) gebildet wird.
  5. Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es ein zweites Axiallager umfasst, das durch einander zugewandte Lagerflächen (11; 13) des zweiten und dritten Bauteils (5; 6) gebildet wird.
  6. Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens ein Radiallager aufweist, das durch einander zugewandte Lagerflächen (14; 16) des ersten und dritten Bauteils (1; 6) gebildet wird.
  7. Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerspalt (7) im Bereich der beiden Axiallager durch einen oder mehrere im dritten Bauteil vorgesehene Rezirkulationskanäle (41) miteinander verbunden ist.
  8. Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es Bestandteil eines Spindelmotors ist, wobei das dritte Bauteil (44) zumindest einen Teil des Rotors (45) des Spindelmotors ausbildet.
  9. Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es am ersten und/oder zweiten Bauteil an einem Träger fixierbar ist.
  10. Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Radiallager Lagerpumpstrukturen aufweist, die eine in das Zentrum des Radiallagers gerichtete Pumpwirkung erzeugen.
  11. Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Axiallager Lagerpumpstrukturen (9; 12) aufweisen, die überwiegend eine radial nach innen in Richtung der Rotationsachse gerichtete Pumpwirkung erzeugen.
  12. Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpwirkungen der beiden Axiallager einander entgegengesetzt in Richtung des Radiallagers gerichtet sind.
  13. Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorratsvolumen (18) am Außendurchmesser des scheibenförmigen Abschnitts (2) des ersten Bauteils (1) angeordnet ist.
  14. Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorratsvolumen (19) am Außendurchmesser des zweiten Bauteils (5) angeordnet ist.
  15. Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorratsvolumen (49) am ersten Bauteil (1) radial außen liegend in der Ebene des ersten Axiallagers angeordnet ist.
  16. Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorratsvolumen (50) am zweiten Bauteil (5) radial außen liegend in der Ebene des zweiten Axiallagers angeordnet ist.
  17. Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorratsvolumina (18; 19; 49; 50) durch eine ringförmige oder konische Aussparung im betreffenden Bauteil gebildet ist.
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