DE102009022536A1

DE102009022536A1 - Fluiddynamisches Lagersystem

Info

Publication number: DE102009022536A1
Application number: DE102009022536A
Authority: DE
Inventors: Olaf Winterhalter
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2009-05-25
Filing date: 2009-05-25
Publication date: 2010-12-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lager mit einer Lagerbuchse und einer drehbar in der Lagerbohrung der Lagerbuchse gelagerten Welle. Es ist ein mit der Welle verbundenes Rotorbauteil vorhanden. Ein mit einem Lagerfluid gefüllter Lagerspalt umfasst einen axialen Abschnitt zwischen einander gegenüberliegenden Oberflächen der Welle und der Lagerbuchse sowie einen radialen Abschnitt zwischen einander gegenüberliegenden Oberflächen der Lagerbuchse und des Rotorbauteils. Das Lagersystem umfasst mindestens ein fluiddynamisches Radiallager im Bereich des axialen Abschnitts des Lagerspaltes, das durch einander zugeordnete Lagerflächen der Welle und der Lagerbuchse gebildet wird. Ferner ist ein fluiddynamisches Axiallager im Bereich des radialen Abschnitts des Lagerspaltes ausgebildet, das durch einander zugeordnete Lagerflächen der Lagerbuchse und des Rotorbauteils gebildet wird. An einem Ende der Welle ist ein Stopperring als Sicherung für die Welle angeordnet. Ein Rezirkulationskanal ist vorgesehen, der eine erste Öffnung in einem an den Stopperring angrenzenden Abschnitt des Lagerspaltes und eine zweite Öffnung im radialen Abschnitt des Lagerspaltes aufweist. Erfindungsgemäß sind radial außerhalb der zweiten Öffnung des Rezirkulationskanals auf einer Oberfläche der Lagerbuchse und/oder des Rotorbauteils Druck erzeugende Rillenstrukturen angeordnet.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lagersystem gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Derartige fluiddynamische Lagersysteme werden beispielsweise zur Drehlagerung von Spindelmotoren eingesetzt, die wiederum zum Antrieb von Speicherplattenlaufwerken verwendet werden.
Stand der Technik
Fluiddynamische Lagersysteme umfassen in der Regel mindestens zwei relativ zueinander drehbare Lagerbauteile, die zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid, z. B. einem Lageröl, gefüllten Lagerspalt ausbilden. In bekannter Weise sind auf den Lagerflächen Lagerrillenstrukturen aufgebracht. Die Lagerrillenstrukturen erzeugen bei relativer Drehung der Lagerbauteile zueinander innerhalb des Lagerspaltes einen hydrodynamischen Druck. Dieser hydrodynamische Druck macht das Lager tragfähig.
Aus dem Stand der Technik sind eine Reihe verschiedener Bauformen für fluiddynamische Lager bekannt.
Aus DE 10 2007 036 790 A1 ist beispielsweise ein fluiddynamisches Lagersystem bekannt, welches eine Lagerbuchse und eine drehbar in einer Lagerbohrung der Lagerbuchse gelagerte Welle aufweist. An einem freien Ende der Welle ist ein Rotorbauteil befestigt. Zwischen der Welle, der Lagebuchse und einer Fläche des Rotorbauteils ist ein mit einem Lagerfluid gefüllter Lagerspalt vorgesehen. Das Lager umfasst mindestens ein fluiddynamisches Radiallager im Bereich zwischen der Welle und der Lagerbuchse sowie ein fluiddynamisches Axiallager, das durch einander zugewandte Lagerflächen der Lagerbuchse und des Rotorbauteils gebildet wird. An einem Ende der Welle ist ein Stopperring als Sicherung für die Welle angeordnet. Um eine Zirkulation des Lagerfluids im Lagerspalt zu ermöglichen, weist das Lager einen in der Lagerbuchse angeordneten Rezirkulationskanal auf. Der Rezirkulationskanal weist eine erste Öffnung in einem an den Stopperring angrenzenden Abschnitt des Lagerspaltes auf sowie eine zweite Öffnung im radialen Abschnitt des Lagerspaltes Lind verbindet diese beiden Abschnitte des Lagerspaltes direkt miteinander. Durch die Pumpwirkung der Radiallagerrillenstrukturen wird ein Fluss des Lagerfluids im Lagerspalt in Richtung des Stopperringes in Gang gesetzt, wobei das Lagerfluid dann vom Stopperring durch den Rezirkulationskanal zurück in den Axiallagerbereich fließen kann. Bei dem dargestellten Lager endet die obere Öffnung des Rezirkulationskanals radial außerhalb des Axiallagers.
Ein ähnliches Lagersystem zeigt die US 7,290,934 B2 .
Wenn der Rezirkulationskanal radial außerhalb des Axiallagers endet, so besitzt das Lagerfluid in diesem Bereich Umgebungsdruck, und somit besitzt auch der damit verbundene untere Bereich des Stopperrings Umgebungsdruck. Dadurch können sich Luftblasen innerhalb des Lagers bilden, was den Abrieb vergrößert und die Lebensdauer des Lagers verringert.
Offenbarung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein fluiddynamisches Lager der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die Anordnung des Rezirkulationskanals optimiert ist, um eine bessere Druckverteilung im Inneren des Lagers zu erhalten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein fluiddynamisches Lagersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und weitere vorteilhafte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung beschreibt ein fluiddynamisches Lager mit einer Lagerbuchse und einer drehbar in der Lagerbohrung der Lagerbuchse gelagerten Welle. Es ist ein mit der Welle verbundenes Rotorbauteil vorhanden. Ein mit einem Lagerfluid gefüllter Lagerspalt umfasst einen axialen Abschnitt zwischen einander gegenüberliegenden Oberflächen der Welle und der Lagerbuchse sowie einen radialen Abschnitt zwischen einander gegenüberliegenden Oberflächen der Lagerbuchse und des Rotorbauteils. Das Lagersystem umfasst mindestens ein fluiddynamisches Radiallager im Bereich des axialen Abschnitts des Lagerspaltes, das durch einander zugeordnete Lagerflächen der Welle und der Lagerbuchse gebildet wird. Ferner ist ein fluiddynamisches Axiallager im Bereich des radialen Abschnitts des Lagerspaltes ausgebildet, das durch einander zugeordnete Lagerflächen der Lagerbuchse und des Rotorbauteils gebildet wird. An einem Ende der Welle ist ein Stopperring als Sicherung für die Welle angeordnet. Ein Rezirkulationskanal ist vorgesehen, der eine erste Öffnung in einem an den Stopperring angrenzenden Abschnitt des Lagerspaltes und eine zweite Öffnung im radialen Abschnitt des Lagerspaltes aufweist.
Erfindungsgemäß sind radial außerhalb der zweiten Öffnung des Rezirkulationskanals auf einer Oberfläche der Lagerbuchse und/oder des Rotorbauteils Druck erzeugende Rillenstrukturen angeordnet.
Die Rillenstrukturen radial außerhalb der Öffnung des Rezirkulationskanals erzeugen eine Pumpwirkung in Richtung des Lagerinneren, also in Richtung des Rezirkulationskanals. Dadurch erhöht sich das gesamt Druckniveau innerhalb des Lagersystems, was sich positiv auf ein mögliches Ausgasen des Lagerfluids innerhalb des Lagersystems auswirkt. Durch die Rillenstrukturen bzw. Pumpstrukturen wird das Druckniveau an der oberen Öffnung des Rezirkulationskanals und damit auch gleichzeitig an der unteren Öffnung des Rezirkulationskanals im Inneren des Lagersystems im Bereich des Stopperringes erhöht.
Auch radial innerhalb der Mündung des Rezirkulationskanals sind auf einer Lagerfläche der Lagerbuchse und/oder einer dieser Lagerfläche gegenüber liegenden Lagerfläche des Rotorbauteils Druck erzeugende Lagerrillenstrukturen als Teil des fluiddynamischen Axiallagers ausgebildet.
Die erfindungsgemäßen Rillenstrukturen können Teil der Lagerrillenstrukturen des Axiallagers sein und ineinander übergehen, wobei der Rezirkulationskanal dann innerhalb der Lagerfläche bzw. der Lagerrillenstrukturen des Axiallagers mündet.
Auf einer Lagerfläche der Lagerbuchse und/oder auf einer Lagerfläche der Welle sind ebenfalls Druck erzeugende Lagerrillenstrukturen als Teil des mindestens einen fluiddynamischen Radiallagers ausgebildet. Vorzugsweise umfasst das Lagersystem zwei Radiallager, die in einem gegenseitigen Abstand entlang des axialen Abschnittes des Lagerspaltes angeordnet sind und die jeweils durch Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet sind.
Vorzugsweise ist der Rezirkulationskanal innerhalb der Lagerbuchse angeordnet. Der Rezirkulationskanal kann dabei parallel zur Drehachse verlaufen aber auch schräg in einem Winkel zur Drehachse, wobei die zweite Öffnung einen größeren radialen Abschnitt von der Drehachse aufweist als die erste Öffnung.
Der Lagerspalt ist radial außerhalb der Rillenstrukturen durch einen Dichtungsspalt abgedichtet. Der Dichtungsspalt setzt sich am Außenumfang der Lagerbuchse fort und wird durch Oberflächen der Lagerbuchse sowie eine radial nach innen weisende Umfangfläche des Rotorbauteils begrenzt.
Das Lagersystem ist Teil eines Spindelmotors mit einem Stator und einem Rotor, der mittels des fluiddynamischen Lagersystems gegenüber dem Stator drehgelagert ist. Der Antrieb des Motors erfolgt durch ein elektromagnetisches Antriebssystem.
Der Spindelmotor kann Teil eines Festplattenlaufwerkes sein, wobei der Motor mindestens eine magnetische Speicherplatte drehend antreibt, und das Festplatten-laufwerk eine Schreib- und Lesevorrichtung zum Schreiben und Lesen von Daten auf oder von der magnetischen Speicherplatte aufweist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor, der ein erfindungsgemäßes Lagersystem umfasst
2 zeigt eine Draufsicht auf die Lagerbuchse und deren Axiallagerfläche
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
In 1 ist ein Schnitt durch einen Spindelmotor mit einem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagersystem dargestellt. Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 40 mit einer zentralen Aussparung, in welcher eine Lagerbuchse 10 des fluiddynamischen Lagersystems angeordnet und befestigt ist. Die Lagerbuchse 10 weist eine axiale Bohrung zur Aufnahme einer Welle 12 auf, wobei zwischen dem Innendurchmesser der Bohrung und dem Außendurchmesser der Welle 12 ein ringförmiger, konzentrischer Lagerspalt 14 verbleibt, der mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt ist. Die Welle 12 kann frei in der feststehenden Lagerbuchse 10 um eine Drehachse 46 rotieren und bildet zusammen mit dieser ein fluiddynamisches Radiallagersystem aus. Das Radiallagersystem umfasst zwei in einem gegenseitigen axialen Abstand zueinander angeordnete Radiallager 18, 22, die jeweils durch Lagerrillenstrukturen 20, 24 gekennzeichnet sind, die auf der Oberfläche der Lagerbuchse 10 und/oder der Oberfläche der Welle 12 angeordnet sind. An einem in der Lagerbuchse 10 befindlichen Ende der Welle 12 ist ein Stopperring 16 vorgesehen, der einen vergrößerten Außendurchmesser im Vergleich zum Durchmesser der Welle 12 aufweist. Der Stopperring 16 ist in einer Aussparung der Lagerbuchse 10 angeordnet und verhindert eine übermäßige axiale Bewegung der Welle 12 innerhalb der Lagerbuchse 10 und ein „Herausfallen” der Welle aus der Lagerbuchse 10. Eine Abdeckplatte 36 verschließt die dem Stopperring 16 zugewandte Seite des Lagersystems und verhindert, dass Luft in den mit Lagerfluid gefüllten Lagerspalt 14 eindringt oder Lagerfluid austritt.
An einem freien Ende der Welle 12 ist ein Rotorbauteil 26 befestigt, welches drehend angetrieben wird. Wird der Spindelmotor beispielsweise zum Antrieb eines Festplattenlaufwerkes verwendet, so sind auf dem Rotorbauteil 26 eine oder mehrere Speicherplatten 48 befestigt, die drehend angetrieben wird.
Zur Aufnahme von axialen Kräften entlang der Drehachse 46 ist ein fluiddynamisches Axiallager 28 vorgesehen. Das Axiallager 28 wird gebildet durch eine Stirnfläche der Lagerbuchse 10 und eine dieser zugewandten ebenen Fläche der Nabe 26. Eine der Lagerflächen des Axiallagers 28 ist mit Lagerrillenstrukturen 30 versehen, die bei Rotation der Nabe 26 relativ zur Lagerbuchse 10 eine Pumpwirkung auf das zwischen Nabe 26 und Stirnseite der Lagerbuchse 10 befindliche Lagerfluid ausüben, so dass das Axiallager tragfähig wird. Der Lagerspalt 14 ist demnach in einen axialen Abschnitt 14a unterteilt, entlang welchem die Radiallager 18, 22 vorgesehen sind, und einen radialen Abschnitt 14b, in welchem das Axiallager 28 vorgesehen ist. Das offene Ende des Lagerspaltes 14, zwischen Rotorbauteil 26 und Lagerbuchse 10, ist durch einen Dichtungsspalt 38 abgedichtet. Der Dichtungsspalt bildet eine konische Kapillardichtung und wird begrenzt durch eine äußere Umfangsfläche der Lagerbuchse 10 und eine dieser zugewandten inneren Umfangsfläche eines Teiles des Rotorbauteils 26. Der Dichtungsspalt 38 verläuft zunächst senkrecht zur Drehachse 46, macht dann einen Knick und verläuft dann im Wesen parallel zur Drehachse 46. Der Dichtungsspalt ist mit dem Lagerspalt 14 verbunden und anteilig mit Lagerfluid gefüllt. Außerdem wirkt der Dichtungsspalt 38 als Ausgleichsvolumen und Reservoir für das Lagerfluid.
Das Rotorbauteil 26 ist im Wesentlichen topfförmig ausgebildet, wobei es das Lagersystem teilweise umschließt. Am Außendurchmesser eines hülsenförmigen Ansatzes der Basisplatte 40 ist eine Statoranordnung 22 angeordnet, welche aus einem ferromagnetischen Stator-Blechpaket und aus entsprechend darauf gewickelten Phasenwicklungen besteht. Radial außerhalb der Statoranordnung 42 ist ein Rotormagnet 44 vorgesehen, der an einem inneren Umfang des Rotorbauteils 26 befestigt ist. Dargestellt ist ein Außenläufermotor. Alternativ kann selbstverständlich ein Innenläufermotor Verwendung finden. Es kann vorgesehen sein, dass die Mitte des Rotormagneten 44 in Richtung der Drehachse 46 gesehen, leicht oberhalb der Mitte des Stator-Blechpaketes angeordnet ist. Dadurch ergibt sich eine entgegen dem Axiallager 28 gerichtete magnetische Kraft, welche als Vorspannung für das Axiallager 28 notwendig ist. Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass der Rotormagnet direkt auf ein an der Basisplatte axial gegenüberliegendes ferromagnetisches Bauteil wirkt und dadurch eine Vorspannung für das Axiallager 28 erzeugt wird.
Um eine Zirkulation des Lagerfluids im Lagerspalt 14 zu ermöglichen, ist in der Lagerbuchse 10 ein Rezirkulationskanal 32 vorgesehen. Der Rezirkulationskanal 32 erstreckt sich im Wesentlichen in axialer Richtung parallel zur Drehachse 46 und verbindet einen an den Außendurchmesser des Stopperrings 16 angrenzenden Abschnitt des Lagerspaltes 14 mit dem radialen Abschnitt 14b des Lagerspaltes radial außerhalb des Axiallagers 28.
Erfindungsgemäß mündet der Rezirkulationskanal 32 nun etwa auf einem mittleren Durchmesser der Lagerbuchse 10. Radial außerhalb der zweiten Öffnung 32b des Rezirkulationskanals sind erfindungsgemäß Rillenstrukturen 34 angeordnet, die bei Drehung der Welle 12 bzw. der Nabe 26 eine Pumpwirkung radial nach innen in Richtung des Lagerspaltes 14 bzw. der Öffnung 32b des Rezirkulationskanals 32 erzeugen. Durch die Pumpwirkung auf das Lagerfluid wird das Druckniveau im Bereich der Öffnung 32b des Rezirkulationskanals 32 angehoben, so dass im Rezirkulationskanal und somit auch an der ersten Öffnung 32a ein Druck herrscht, der größer ist als der Umgebungsdruck, wie er beispielsweise im Dichtungsbereich 38 herrscht. Radial innerhalb des Rezirkulationskanals 32 wirkt dann das Axiallager 28 mit Lagerstrukturen 30, welches wiederum eine Pumpwirkung in Richtung des Lagerinneren, also des axialen Abschnittes 14a des Lagerspaltes erzeugt und das Druckniveau im Lager weiter anhebt.
2 zeigt die oben beschriebenen Einzelheiten im Detail. Die Lagerfläche der Lagerbuchse 10 umfasst Lagerrillenstrukturen 30 des Axiallagers sowie die radial außerhalb davon angeordneten, zusätzliche Rillenstrukturen 34. Der Rezirkulationskanal mündet mit seiner zweiten Öffnung 32b etwas zwischen den Lagerrillenstrukturen 30 und den zusätzlichen Rillenstrukturen 34.

10: Lagerbuchse
12: Welle
14: Lagerspalt
14a: axialer Abschnitt
14b: radialer Abschnitt
16: Stopperring
18: Radiallager
20: Lagerrillenstrukturen
22: Radiallager
24: Lagerrillenstrukturen
26: Rotorbauteil
28: Axiallager
30: Lagerrillenstrukturen
32: Rezirkulationskanal
32a: erste Öffnung
32b: zweite Öffnung
34: Rillenstrukturen
36: Abdeckplatte
38: Dichtungsspalt
40: Basisplatte
42: Statoranordnung
44: Rotormagnet
46: Drehachse
48: Speicherplatte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102007036790 A1 [0004]
- US 7290934 B2 [0005]

Claims

Fluiddynamisches Lagersystem, welches umfasst: eine Lagerbuchse (10), eine drehbar in einer Lagerbohrung der Lagerbuchse gelagerte Welle (12), ein mit der Welle (12) verbundenes Rotorbauteil (26), einen Lagerspalt (14) gefüllt mit einem Lagerfluid, mit einem axialen Abschnitt (14a) zwischen einander gegenüberliegenden Oberflächen der Welle (12) und der Lagerbuchse (10), und einem radialen Abschnitt (14b) zwischen einander gegenüberliegenden Oberflächen der Lagerbuchse (10) und des Rotorbauteils (26), mindestens ein fluiddynamisches Radiallager (18, 22) im Bereich des axialen Abschnitts (14a) des Lagerspalts (14) gebildet durch einander zugeordnete Lagerflächen der Welle (10) und der Lagerbuchse (12), ein fluiddynamisches Axiallager (28) im Bereich des radialen Abschnitts (14b) des Lagerspalts (14) gebildet durch einander zugeordnete Lagerflächen der Lagerbuchse (10) und des Rotorbauteils (26), einem an einem Ende der Welle (12) angeordneten Stopperring (18) als Sicherung für die Welle, und einem Rezirkulationskanal (32), der eine erste Öffnung (32a) in einem an den Stopperring (18) angrenzenden Abschnitt des Lagerspalts (14) und eine zweite Öffnung (32b) im radialen Abschnitt (14b) des Lagerspalts aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass radial außerhalb der zweiten Öffnung (32b) des Rezirkulationskanals (32) auf einer Oberfläche der Lagerbuchse (10) und/oder des Rotorbauteils (26) Druck erzeugende Rillenstrukturen (34) angeordnet sind.
Fluiddynamisches Lagersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Lagerfläche der Lagerbuchse (10) und/oder einer dieser Lagerfläche gegenüber liegenden Lagerfläche des Rotorbauteils (26) Druck erzeugende Lagerrillenstrukturen (30) als Teil des fluiddynamischen Axiallagers (28) ausgebildet sind.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillenstrukturen (34) ein Teil der Lagerrillenstrukturen (30) des Axiallagers (28) sind und der Rezirkulationskanal (32) innerhalb der Lagerfläche des Axiallagers mündet.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Lagerfläche der Lagerbuchse (10) und/oder auf einer Lagerfläche der Welle (12) Druck erzeugende Lagerrillenstrukturen (20, 24) ausgebildet sind als Teil des mindestens einen fluiddynamischen Radiallagers (18, 22).
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Radiallager (18, 22) entlang des axialen Abschnitts (14a) des Lagerspalts angeordnet sind, die jeweils durch Lagerrillenstrukturen (20, 24) gekennzeichnet sind.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (32) den an den Stopperring (18) angrenzenden Abschnitt des Lagerspalts (14) mit dem radial verlaufenden Abschnitt (14b) des Lagerspalts direkt miteinander verbindet.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (32) in der Lagerbuchse angeordnet ist.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (32) parallel zur Drehachse (46) des Lagers verläuft.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulationskanal (32) schräg zur Drehachse (46) verläuft, wobei dessen zweite Öffnung einen größeren radialen Abstand von der Drehachse aufweist als dessen erste Öffnung.
Fluiddynamisches Lagersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerspalt (14) radial außerhalb der Rillenstrukturen (34) durch einen Dichtungsspalt (38) abgedichtet ist, der sich am Außenumfang der Lagerbuchse (10) fortsetzt und durch Oberflächen der Lagerbuchse (10) sowie eine radial nach innen weisende Umfangsfläche des Rotorbauteils (26) begrenzt ist.
Spindelmotor mit einem Stator (10, 40) und einem Rotor (12, 26), der mittels des fluiddynamischen Lagersystems gemäß den Ansprüchen 1 bis 10 gegenüber dem Stator drehgelagert ist, und einem elektromagnetischen Antriebssystem (42, 44) zum Antrieb des Rotors.
Festplattenlaufwerk mit einem Spindelmotor gemäß Anspruch 11 zum Drehantrieb von mindestens einer magnetischen Speicherplatte (48), sowie einer Schreib- und Lesevorrichtung zum Schreiben und Lesen von Daten auf oder von der magnetischen Speicherplatte.