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Die Erfindung betrifft ein hydrodynamisches Lager,
einen Spindelmotor und ein Festplattenlaufwerk.
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Üblicherweise
besteht ein Spindelmotor für ein
Festplattenlaufwerk aus einem drehenden Bauteil, dem Rotor, dem
ein ringförmiger
Permanentmagnet zugeordnet ist, und einem stehenden Bauteil, dem
Stator, dem ein mit Spulen bewickeltes Blechpaket zugeordnet ist,
wobei der Rotor gegenüber
dem Stator mittels eines geeigneten Lagersystems drehgelagert ist.
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Dabei kommen neben den seit langem
verwendeten Wälzlagern
zunehmend hydrodynamische Lager zur Anwendung. Ein hydrodynamisches
Lager ist ein weiterentwickeltes Gleitlager, das aus einer Lagerhülse mit
zylindrischer Lagerinnenfläche
und einer in die Hülse
eingesetzten Welle mit zylindrischer Lageraussenfläche gebildet
ist. Der Durchmesser der Welle ist geringfügig kleiner als der Hülseninnendurchmesser,
wodurch zwischen den beiden Lagerflächen ein konzentrischer Lagerspalt
entsteht, der unter Bildung eines zusammenhängenden Kapillarfilms mit einem
Schmiermittel, vorzugsweise mit Öl,
gefüllt
ist.
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Um zu verhindern, daß Lageröl aus dem
hydrodynamischen Lager austritt, wird das eine stirnseitige Ende
der Lagerhülse
luftdicht verschlossen ist. Am gegenüberliegenden offenen Ende zwischen Motorwelle
und Lagerinnenfläche
kann ein konzentrischer, sich kegelförmig erweiternder Freiraum
ausgebildet sein, der gleichermaßen als Schmiermittelreservoir
und als Ausdehnungsvolumen dient. Dieser Freiraum übernimmt
auch die Funktion der Abdichtung des Lagers.
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Das in dem Freiraum zwischen Motorwelle und
konischer Austrittsöffnung
der Lagerhülse
befindliche Öl
bildet unter dem Einfluß der
Kapillarkräfte einen
stabilen, zusammenhängenden
Flüssigkeitsfilm,
weshalb diese Art der Dichtung auch als Kapillardichtung bezeichnet
wird.
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Eine derartige Lösung ist beispielsweise in dem
U.S. Patent
5,667,309 beschrieben.
Die Lagerhülse
weist am stirnseitigen Ende einen konischen Bereich auf, wodurch
zwischen Welle und Lagerhülse
ein konzentrischer, sich kegelförmig
erweiternder Freiraum entsteht. Dieser dient als Ausdehnungsvolumen,
in welches das Lageröl
aufsteigen kann, wenn der Flüssigkeitsspiegel
mit steigender Temperatur anwächst.
So wird verhindert, daß Lageröl aus der Lagerbuchse
austritt. Der Freiraum dient zusätzlich als „Schmiermittelreservoir"
zum Ersatz von abdampfenden Lageröl. Das Lager wird hierbei absichtlich „überfüllt", um
den wirksamen Flüssigkeitsspiegel
im Lagerspalt trotz Abdampfung des Lageröls annähernd konstant halten zu können. Der
konzentrische Freiraum dient also als eine Art Überlaufvolumen, das zugleich
ein Schmiermittelreservoir ist. Nachteilig ist, daß das Rückhaltevermögen und
damit auch die Dichtwirkung des konzentrischen, sich kegelförmig erweiternden
Freiraums wegen des nach außen anwachsenden
Querschnitts abnimmt.
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Ein weiterer Nachteil dieser bekannten
Lösung
ist, daß die
nutzbare Länge
des Lagers und damit die Lagersteifigkeit durch die axiale Baulänge einer
derartigen „Kapillardichtung"
also des konzentrischen, sich kegelförmig erweiternden Freiraums,
reduziert wird. Dabei sind die axiale Bauhöhe des „Dichtungs"-Konus und der
zugehörige
Neigungswinkel abhängig
vom gewünschten
Füllvolumen
und der Viskosität
des Lageröls.
Niedrigviskose Lageröle
erfordern einen kleineren spitzen Winkel und somit bei gleichem
Füllvolumen
eine größere Baulänge. Bei Fluidlagern
mit beidseitig offener Lagerhülse
reduziert sich die für
das hydrodynamische Radiallager nutzbare Länge gleich an beiden Enden
der Lagerhülse.
Zusätzlich
wird das Rückhaltevermögen des Lagers
auf den Lagerölfilm
durch den sich erweiternden Querschnitt an den Stirnenden der Lagerhülse verschlechtert.
Prinzipiell werden deshalb hydrodynamische Lager mit einseitig geschlossener
Lagerhülse
wegen des besseren Rückhaltevermögens bevorzugt.
Ein weiterer Nachteil ergibt sich daraus, daß bei höheren Drehzahlen erhebliche
Fliehkräfte
auf das Lageröl
einwirken, die das Lageröl
in dem konischen Freiraum bis zum Rand der Lagerhülse aufsteigen
lassen können,
so daß das
Risiko, daß dieses
abgeschleudert wird, ansteigt.
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Ein wichtiges Kriterium für die Eignung
von hydrodynamischen Lagern in Festplattenlaufwerken, insbesondere
in tragbaren Geräten,
ist eine möglichst
geringe Verlustleistung des Lagers. Eine Möglichkeit dieses Ziel zu erreichen,
ist die Verwendung eines niedrigviskosen Lageröls, bei dem sich, wie oben
beschrieben, eine entsprechend angepaßte „Kapillardichtung" der beschriebenen
Art besonders nachteilig auf die Baulänge und somit auf die effektive
Lagerlänge
auswirken würde.
Die Dimensionierung eines hydrodynamischen Radiallagers mit ausreichender
Steifigkeit ist dadurch stark eingeschränkt und bei sehr klein bauenden
Spindelmotoren unter Umständen
nicht mehr möglich.
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Es ist somit Aufgabe der Erfindung,
ein hydrodynamisches Lager mit einer geeigneten, berührungslosen
Dichtung anzugeben, das eine möglichst geringe
Verlustleistung, eine hohe Lagersteifigkeit und eine lange Lebensdauer
hat.
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Diese Aufgabe wird durch ein hydrodynamisches
Lager mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Erfindung sieht auch
ein Spindelmotor gemäß Anspruch
13 sowie ein Festplattenlaufwerk gemäß Anspruch 14 vor.
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Die Erfindung sieht ein hydrodynamisches Lager
für einen
Spindelmotor vor, mit einer Welle, die mit einem drehenden oder
einem feststehenden Bauteil verbunden ist, und einer zugehörigen vorzugsweise
zylindrischen Lagerhülse,
welche die Welle umgibt. Durch eine geringe Durchmesserdifferenz zwischen
Welle und zylindrischer Lagerhülse
entsteht ein Lagerspalt, der mit einem Lagerfluid gefüllt ist.
Im Bereich des Lagerspalts ist in der Welle und/oder in der zylindrischen
Lagerhülse
wenigstens ein Radiallagerabschnitt ausgebildet. Dieser wird, wie
im Stand der Technik bekannt, durch Strukturieren insbesondere der
Innenseite der Lagerhülse
mit einem Rillenmuster gebildet. In dem erfindungsgemäßen hydrodynamischen
Lager ist auch ein Ausgleichsvolumen für das Lagerfluid vorgesehen,
das zugleich Ausdehnungsvolumen ist, in welches sich das Lagerfluid
ausdehnen kann, wenn der Fluidpegel mit steigender Temperatur anwächst, und
das als Schmiermittelreservoir zum Ersatz von abdampfendem Lagerfluid
dient. Dieses Ausgleichsvolumen ist erfindungsgemäß über wenigstens
einen Verbindungsspalt, insbesondere einen Mikrospalt mit dem Lagerspalt
verbunden, wobei der Mikrospalt den Lagerspalt mit einer Öffnung des
Ausgleichsvolumens verbindet, der in radialer Richtung außen, mit
Abstand zu dem Lagerspalt angeordnet ist. Die Öffnung des Ausgleichsvolumens
kann ein- oder mehrteilig, in Form eines ringspaltförmigen Durchgangs,
eines oder mehrerer einzelner Duchgänge realisiert sein.
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Die Erfndung hat den Vorteil, daß das Ausgleichsvolumen
nicht entlang der nutzbaren Lagerlänge in einem Teil des Lagerspalts
ausgebildet sein muß,
sondern daß es
außerhalb
des Lagerspaltes angeordnet und, insbesondere radial nach außen verlegt
werden kann und mit dem Lagerspalt über den Mikrospalt verbunden
wird. Dadurch kann die Lagerhülse
mit über
die gesamte Lagerlänge
unverändertem
Durchmesser ausgebildet werden, wodurch sich ein Lagerspalt mit
maximaler nutzbarer Länge ergibt.
Die Radiallagerabschnitte des hydrodynamischen Lagers können daher
nah benachbart den jeweiligen Stirnenden des Lagers mit maximalen
Abstand zueinander ausgebildet werden, wodurch eine optimale Lagersteifigkeit
erreicht wird.
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Die Ausbildung eines Ausgleichsvolumens ist
vorzugsweise an wenigstens einem Stirnende der Lagerhülse vorgesehen.
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Da das Ausgleichs- bzw. Speichervolumen bei
dem erfindungsgemäßen hydrodynamischen
Lager außerhalb
des Lagerspalts, vorzugsweise im wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse,
angeordnet ist und einen sich radial nach außen verjüngenden Querschnitt aufweist,
an dessen radial äußeren Ende
die Verbindung zum Mikrospalt erfolgt, ist dieses Lager gleichermaßen für Motoren
mit drehender oder stehender Welle und/oder beidseitig offener Lagerhülse geeignet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Ausgleichsvolumen dem Stirnende der Lagerhülse benachbart
und verläuft
im wesentlichen parallel zu dem darunter angeordneten Mikrospalt.
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Das hydrodynamische Lager gemäß der Erfindung
kann bei Elektromotoren zum Einsatz kommen und insbesondere bei
Spindelmotoren für
Festplattenlaufwerke.
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Das Ausgleichs- bzw. Speichervolumen
ist dabei so angeordnet und ausgestaltet, daß das darin befindliche Lagerfluid
infolge der Kapillarkräfte
jederzeit insbesondere bei axialer Schockbelastung wirkungsvoll
gefesselt wird.
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Dieser Effekt wird bei Motoren mit
rotierender Lagerhülse
durch die auf das Lagerfluid einwirkenden Fliehkräfte noch
erheblich unterstützt,
so daß auch
bei radial einwirkenden Be schleunigungskräften ein durch Tropfenbildung
verursachtes Abschleudern von Lagerfluid nahezu ausgeschlossen ist.
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Sowohl durch die Anordnung des Ausgleichsvolumens
außerhalb
des Lagerspaltes über den
Mikrospalt als auch durch dessen Ausgestaltung mit sich radial nach
außen
verjüngendem
Querschnitt wird ein Austreten von Lageröl wirkungsvoll verhindert,
so daß neben
einer Erhöhung
der Lebensdauer insbesondere die Funktionssicherheit des hydrodynamischen
Lagers signifikant verbessert wird.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung grenzt
der Mikrospalt unmittelbar an den Radiallagerabschnitt im Lagerspalt
an, während
bei einer anderen Ausführungsform
der Erfindung der Mikrospalt über
ein Stück
des Lagerspalts mittelbar mit dem Radiallagerabschnitt verbunden
ist. Wesentlich ist bei beiden Ausführungsformen, daß zwischen
dem Radiallagerabschnitt und dem Mikrospalt eine Kapillarverbindung
besteht, so daß das
Lagerfluid einen zusammenhängenden
Kapillarfilm von dem Lagerspalt über den
Mikrospalt in das Ausgleichsvolumens bildet.
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Der Mikrospalt ist vorzugsweise ganz
oder zumindest teilweise in der Lagerhülse ausgebildet und erstreckt
sich vom Innendurchmesser der Lagerhülse ausgehend radial nach außen, wo
die Verbindung zum Ausgleichsvolumen erfolgt. Bei einer besonders
vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung ist der Mikrospalt als umlaufender vom Innendurchmesser
der Lagerhülse
ausgehender kapillarer Ringspalt ausgebildet, der den Radiallagerabschnitt bzw.
den Lagerspalt mit dem Ausgleichsvolumen verbindet.
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Vorzugsweise ist das Ausgleichsvolumen
in etwa parallel zu dem Mikrospalt in einem Bereich angeordnet,
der mit der Rotationsachse einen Winkel „α" einschließt, wobei
wegen den einfacheren Herstellung ein Winkel von 90° bevorzugt
wird.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist der Mikrospalt zwischen einem Stirnende der Lagerhülse und
einer in geringem Abstand parallel zu dem Stirnende angeordneten
Ringscheibe gebildet. Dadurch entsteht zwischen den beiden sich gegenüberliegenden
Oberflächen
ein Ringspalt der vom Innendurchmesser der Lagerhülse bis
zu oder in die Nähe
ihres Außendurchmessers
reicht. Der Abstand zwischen Stirnende der Lagerhülse und
Ringscheibe ist so bemessen, daß sich
zwischen diesen ein Kapillarfilm bilden kann.
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Vorzugsweise hat die Ringscheibe
an ihrem äußeren Umfang
Ausnehmungen, die eine Verbindung zwischen dem Mikrospalt und dem
Ausgleichsvolumen bilden.
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Das Ausgleichsvolumen ist vorzugsweise zwischen
dieser Ringscheibe und einer an der Stirnseite der Lagerhülse angeordneten
Abdeckung ausgebildet, wobei die Abdeckung je nach Ausführungsform
des hydrodynamischen Lagers eine Stirnplatte, ein die Lagerhülse umgebender
Topf oder dergleichen sein kann. Besonders bevorzugt ist das Ausgleichsvolumen
als ein konzentrischer, rotationssymetrischer Hohlraum ausgebildet,
dessen Querschnitt sich von innen nach radial außen verjüngt, wobei die Längsachse
des V-förmigen
Querschnitts eine Schnittebene aufspannt, die im wesentlichen senkrecht
zur Rotationsachse verläuft.
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Die Verbindung zwischen Ausgleichsvolumen
und Mikrospalt erfolgt im äußeren Randbereich über die
dort angeordneten Ausnehmungen, so daß sich über den Mikrospalt ein zusammenhängender Kapillarfilm
zwischen Lagerspalt und Ausgleichsvolumen einstellt.
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Im Bereich der Stirnenden der Lagerhülse kann
an der Welle ein Absatz vorgesehen sein, der von einer Ringscheibe
und/oder einer Abdeckung zumindest teilweise radial überlappt
wird, um die Welle in axialer Richtung zu fixieren bzw. zu sichern.
Diese radiale Überlappung
gewährt
zusätzlichen
Schutz gegen Abspritzen von Lagerfluid bei entsprechender Schockbelastung.
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Die Erfindung ist im folgenden anhand
bevorzugter Ausführungsformen
mit Bezug auf die Zeichnungen näher
erläutert.
In den Figuren zeigen:
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1 zeigt
eine schematische Längsschnittdarstellung
durch ein hydrodynamischen Lager gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung.
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2 zeigt
eine schematische Längsschnittdarstellung
einer abgewandelten Ausführungsform des
hydrodynamischen Lagers der 1;
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3 zeigt
eine schematische Längsschnittdarstellung
einer weiteren Ausführungsform
des hydrodynamischen Lagers gemäß der Erfindung;
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4 zeigt
eine Längsschnittdarstellung
einer abgewandelten Ausführungsform
des hydrodynamischen Lagers der 3;
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5 zeigt
eine schematische Längsschnittdarstellung
einer weiteren Ausführungsform
des hydrodynamischen Lagers gemäß der Erfindung;
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6a zeigt
eine Draufsicht auf eine Ringscheibe zur Verwendung in einem hydrodynamischen
Lager gemäß der Erfindung;
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6b zeigt
eine Draufsicht auf eine Abwandlung der Ringscheibe der 6a.
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In sämtlichen Zeichnungen sind entsprechende
Bauteile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
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Das in 1 gezeigte
hydrodynamische Lager umfaßt
eine Welle 10, die in einer zylindrischen Lagerhülse 12 aufgenommen
ist. Die Welle 10 weist an ihrem von der Lagerhülse 12 umschlossenen Ende
eine Druckplatte (thrust plate) 14 auf, wobei die Lagerhülse 12 an
diesem Ende durch ein Widerlager (counter plate) 16 abgeschlossen
ist, das die axiale Lagerkraft, welche auf die Welle 10 wirkt, über die Druckplatte 14 aufnimmt.
Die Lagerhülse 12 ist
unter Zwischenschaltung eines Abstandsrings 46 in einen Halterungsbecher
oder Topf 18 eingesetzt. Mit Hilfe des Abstandsrings 46 kann
der Spalt zwischen Druckplatte 14 und Widerlager 16 eingestellt
werden.
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Die Welle 10 ist an ihrem
Wellenende 10' aus der Lagerhülse 12 herausgeführt. Die
Lagerhülse 12 ist
an diesem Ende durch den Boden 18' des Topfes l8 abgeschlossen,
der eine zentrale Öffnung 18'' aufweist.
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Die Lagerhülse 12 ist an ihrem
einen Stirnende 12' derart geformt – bei der gezeigten Ausführungsform
weist sie eine radial innen liegende, ringförmige Vertiefung auf – daß zwischen
dem Stirnende 12' und einer Ringscheibe 28, die
zu dem Stirnende 12' im wesentlichen parallel ausgerichtet
ist, ein Mikrospalt 26 gebildet wird, der zur Rotationsachse 22 des
hydrodynamischen Lagers im wesentlichen senkrecht verläuft. In
einer praktischen Umsetzung kann die Vertiefung eine Tiefe von etwa
2–10 μm, insbesondere
etwa 5 μm
haben.
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Zwischen der Welle 10 und
der Lagerhülse 12 ist
ein Lagerspalt 24 gebildet, der über den Mikrospalt 26 an
der Stirnseite 12' der Lagerhülse 12 und mindestens
eine Durchtrittsöffnung 20' in
der Ringscheibe 28 mit dem Ausgleichsvolumen 20,
das unten näher
erläutert
ist, verbunden ist. Der Mikrospalt 26 wird dadurch gebildet,
daß die
Ringscheibe 28 mit einem sehr kleinen Abstand zur Stirnseite 12' der
Lagerhülse 12 angebracht
wird, so daß ein
umlaufender Ringspalt entsteht, der eine kapillare Verbindung zwischen
dem Lagerspalt 24 und dem Ausgleichsvolumen 20 bildet
und aufrechterhält.
Die Dicke des Mikrospalts 26 entspricht ungefähr der Dicke
des Lagerspaltes 24.
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Das Ausgleichsvolumen 20 ist
zwischen der Ringscheibe 28 und dem die Lagerhülse 12 umgebenden
Topf 18 angeordnet und wird bei der gezeigten Ausführungsform
dadurch gebildet, daß die
zentrale Öffnung 18'' des
Topfbodens 18' wie in 1 gezeigt
konisch aufgebogen ist, um einen konzentrischen, kegelförmigen Ringraum
zu bilden, wobei die Konusbasis die mindestens eine im äußeren Randbereich
der Ringscheibe angeordnete Durchtrittsöffnung 20' wenigstens
teilweise überlappt
und so die Verbindung zwischen dem Ausgleichsvolumen 20 und
dem Mikrospalt 26 herstellt. Die Durchtrittsöffnungen 20' werden
durch entsprechende Ausnehmungen im äußeren Randbereich der Ringscheibe 28 gebildet,
siehe 6a und 6b.
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Bei der gezeigten Ausführungsform
sind vorzugsweise auf dem Innendurchmesser der Lagerhülse 12 Radiallagerabschnitte
(nicht gezeigt) durch eine Rillenstruktur am Innendurchmesser der
Lagerhülse 12 ausgebildet.
Zusätzlich
können
im Bereich der Druckplatte 14 und des Widerlagers 16 auf
an sich bekannte Weise Axiallagerabschnitte ausgebildet sein. Da
das Ausgleichsvolumen 20 und der den Lagerspalt 24 mit
dem Ausgleichsvolumen 20 verbindende Mikrospalt 26 am
Stirnende 12' der Lagerhülse 12 ausgebildet
sind, steht die gesamte Länge
der Lagerhülse 12 für die Ausbildung
von einem oder mehreren Radiallagerabschnitten zur Verfügung. Insbesondere
können
zwei Radiallagerabschnitte an den jeweiligen Endabschnitten der
Lagerhülse 12 mit maximalem
Abstand zueinander ausgebildet werden, so daß eine maximale Lagersteifigkeit
erzielt wird.
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Nach der Montage des hydrodynamischen Lagers
gemäß der Erfindung
wird der Lagerspalt 24 und ein Teil des Ausgleichsvolumens 20 mit
Lagerfluid, insbesondere mit einem lagerölbasierenden Fluid gefüllt.
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Der Füllgrad des Ausgleichsvolumens 20 mit Fluid
ist so gewählt,
daß einerseits
ausreichend Schmiermittel eingebracht werden kann, um Dauerschmierung
des hydrodynamischen Lagers über
die gesamte Lebensdauer zu gewährleisten.
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Andererseits muß im gefüllten Teil des Ausgleichsvolumens 20 genügend Raum
verbleiben, in den hinein sich das Lagerfluid ausdehnen kann, wenn
bei einem Temperaturanstieg wäh rend
des Betriebes das Gesamtvolumen des Fluids, bedingt durch unterschiedliche
Wärmeausdehnungskoeffizienten,
anwächst.
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Der nicht mit Lagerfluid gefüllten Teil
des Ausgleichsvolumens 20 wird sich infolge der Verdampfungsrate
des Lagerfluids mit gasförmigen
Fluid anreichern, wobei mit ansteigendem Sättigungsgrad der Abdampfungsprozess
zunehmend verzögert wird.
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Sofern Lagerfluid aus dem Lagerspalt 24 über dessen
Grenzfläche
in die Umgebungsatmosphäre
abdampft, wird es durch im Ausgleichsvolumen 20 befindliches
Lagerfluid und zwar über
die zusammenhängende
und mittels des Mikrospaltes 26 stabilisierte Kapillarfilmverbindung,
die zwischen Lagerspalt 24 und Ausgleichsvolumen besteht,
ersetzt.
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Auf diese Weise kann sichergestellt
werden, daß der
Lagerspalt 24 über
die gesamte Lebensdauer vollständig
mit Lagerfluid gefüllt
ist, so daß bei
dem erfindungsgemäßen hydrodynamischen
Lager ein durch Mangelschmierung infolge Trockenlaufens verursachen „Fressen"
ausgeschlossen ist.
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Insbesondere beim Einbau des erfindungsgemäßen hydrodynamischen
Lagers in Motoren, bei denen die Lagerhülse 12 Bestandteil
des Rotors ist, also zusammen mit dem Rotor dreht, sind die durch die
Rotation hervorgerufenen Fliehkräfte,
die auf das im Ausgleichsvolumen 20 und das irn Mikrospalt 26 befindliche
Lagerfluid einwirken, im wesentlichen im Gleichgewicht. Da die Menge
des im Ausgleichsvolumen 20 enthaltenen Lagerfluids in
der Regel etwas größer ist
als die des Lagerfluids im Mikrospalt 26 wird aufgrund
der Fliehkräfte
tendenziell das Lagerfluid im Ausgleichsvolumen 20 stärker nach
außen gerückt und
somit sichergestellt, daß die
Kapillarfilmverbindung des Lagerfluids vom Lagerspalt 24 über den
Mikrospalt 26 in das Ausgleichsvolumen 20 nicht abreißt.
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Bei der gezeigten Ausführungsform
können die
Welle 10 und die Lagerhülse 12 aus
Stahl und der Topf 18 aus Aluminium hergestellt sein, wobei
der Fachmann je nach den speziellen Anforderungen geeignete andere
Materialien wählen
kann.
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2 zeigt
eine schematische Längsschnittdarstellung
einer Abwandlung der 1,
wobei entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet
sind. Die Ausführungsform
der 2 unterscheidet
sich von 1 dadurch,
daß anstelle
des hydrodynamischen Axiallagers ein Spurkuppenlager (pivot type
bearing) 30 vorgesehen ist. Alle Funktionselemente sind
in der entsprechend gestalteten Lagerhülse 12 montiert, so
daß der
Topf 18 bzw. der Halterungsbecher entfallen kann.
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Das Spurkuppenlager 30 der
in 2 gezeigten Ausführungsform
ist wie im Stand der Technik an sich bekannt ausgebildet. Die am
Wellenende der Welle 10 ausgebildeten Spurkuppe stützt sich
gegen das Widerlager 16 ab. Bei der Ausführungsform der 2 ist eine Welle 10 mit
einem Radiallagerabschnitt 32 dargestellt. Der Fachmann
wird jedoch verstehen, daß sämtliche
Ausführungsformen
der Erfindung einen oder mehrere, insbesondere zwei solche Radiallagerabschnitte
im Bereich der Längserstreckung
der Welle 10 beziehungsweise der Lagerhülse 12 aufweisen können.
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Der Mikrospalt 26, der den
Lagerspalt 24 über
die Öffnung 20' mit
dem Ausgleichssvolumen 20 verbindet, ist bei der Ausführungsform
der 2 zwischen einer
Vertiefung in dem Stirnende 12' der Lagerhülse 12 und
einer Ringscheibe 28 gebildet. Die Ringscheibe 28 weist
an ihrem Umfang Ausnehmungen auf, die die Öffnungen) 20' bilden,
wie in 2 rechts von
der Rotationsachse 22 durch die radiale Verkürzung der
Ringscheibe 28 angedeutet.
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Das Stirnende 12' der Lagerhülse 12 ist
bei der Ausführungsform
der 2 ferner so ausgebildet,
daß es
eine Deckplatte 34 aufnehmen kann, welche in eine passende
Ausnehmung in dem Stirnende 12' der Lagerhülse 12 eingepaßt und mit
dieser durch Schweißen,
Kleben, Schrauben oder eine andere geeignete Verbindung gesichert
und luftdicht verschlossen ist.
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2 zeigt
beispielsweise eine Schweißnaht 36 zur
Befestigung der Deckplatte 34 in der Lagerhülse 12.
Die Deckplatte 34 ist mit einer Fase bzw. Ansenkung versehen,
so daß sich
zwischen dieser und der Ringscheibe 38 ein kegelförmiges Ausgleichsvolumen 20 bildet,
das nach radial innen, in Richtung zur Welle 10 aufgeweitet
ist.
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Die Ausführungsform der 2 unterscheidet sich von 1 ferner dadurch, daß die Welle 10 an
ihrem „freien"
Ende 10' einen Absatz 10'' aufweist, der von dem
inneren Rand der Ringscheibe 28 und der Deckplatte 34 übergriffen
wird. Dadurch wird eine mechanische Sicherung der Welle 10 gegen
axiale Verschiebung gebildet und sichergestellt, daß bei Stoßbelastungen
des hydrodynamischen Lagers kein Lagerfluid aus dem Lagerspalt 24 in
axialer Richtung abspritzt.
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Mit Bezug auf die 1 und 2 wurden
einseitig geschlossene Lagerhülsen 12 für hydrodynamische
Lager beschrieben, bei denen die Welle 10 nur an einem
Ende, dem freien Ende 10' aus der Lagerhülse herausgeführt ist.
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Die Ausführungsformen der 3 bis 5 beziehen sich auf zweiseitig offene
Lagerhülsen,
mindestens ein Ausgleichsvolumen der beschriebenen Art aufweisen.
Bedarfsweise können
auch zwei Ausgleichsvolumina vorgesehen sein.
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3 zeigt
eine erste Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Lagers
mit beidseitig offener Lagerhülse.
Das in 3 gezeigte erfindungsgemäße hydrodynamische
Lager umfaßt
eine gestufte Welle 10 mit einem Wellenabsatz 10'' jeweils
im Bereich des Stirnendes 12', 12'' der Lagerhülse. Die
Welle 10 weist eine mittige Druckplatte 14 zur
Bildung eines Axiallagers auf. Die Lagerhülse ist zweiteilig mit einem
außen
liegenden Hülsenabschnitt 12b und
einem innenliegenden Hülsenabschnitt 12a aufgebaut. Der
innenliegende Hülsenabschnitt 12a ist
in eine entsprechende Aussparung des außenliegenden Hülsenabschnittes 12b wie
in 3 gezeigt, eingesetzt.
Im Bereich der Druckplatte 14 ist zwischen dem außen und
dem innenliegenden Lagerhülsenabschnitt 12a, 12b ein
Abstandsring 46 eingesetzt, mit dessen Hilfe der Lagerspalt 24 im
Bereich der Druckplatte 14 eingestellt werden kann. Die
Druckplatte 14 stützt
sich gegen die Lagerhülsenabschnitte 12a, 12b ab,
so daß diese
auch die Funktion eines axialen Widerlagers übernehmen.
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Der innenliegende Hülsenabschnitt 12a kann in
den außenliegenden
Hülsenabschnitt 12b eingepaßt, gepreßt, verklebt,
verschweißt
oder auf andere Weise mit diesem verbunden sein.
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Der Mikrospalt 26 und das
Ausgleichsvolumen 20 sind in den jeweiligen Stirnenden 12', 12'' des
innenliegenden Hülsenabschnitts 12a bzw.
des außenliegenden
Hülsenabschnitts 12b auf
dieselbe Weise wie mit bezug auf 2 beschrieben
ausgebildet.
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4 zeigt
eine ähnliche
Ausführungsform wie 3. Sie unterscheidet sich
von der Ausführungsform
der 3 durch den zweiteiligen
Aufbau der Lagerhülse
mit zwei in axialer Richtungen spiegelsymetrisch, hintereinander
angeordneten Lagerhülsenabschnitten 12c, 12d,
die durch einen Abstandsring 46 beabstandet sind, wie in 4 gezeigt. Die axialen Lagerhülsenabschnitte 12c, 12d und
der Abstandsring 46 sind ähnlich wie bei der Ausführungsform
der 1 in einen Halterungsbecher
oder Topf 18 eingesetzt, insbesondere in diesen eingepreßt oder
eingeschrumpft. Der Abstandsring 46 hat wiederum die Funktion,
den Lagerspalt 24 im Bereich der Druckplatte 14,
also des Axiallagers, einzustellen.
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Im offenen, in der Zeichnung unteren
Ende des Topfes 18 sind der Mikrospalt 26 und
das Ausgleichsvolumen 20 ähnlich wie bei 3 durch Einsetzen einer Ringscheibe 28 und
einer Deckplatte 34, angrenzend an das Stirnende 12'' des
Lagerhülsenabschnitts 12d ausgebildet.
Am gegenüberliegenden Stirnende 12' des
Lagerhülsenabschnitts 12c sind der
Mikrospalt 26 und das Ausgleichsvolumen 20 ähnlich wie
bei der Ausführungsform
der 1 zwischen dem Stirnende 12' des
Lagerhülsenabschnitts 12c,
der Ringscheibe 28 und dem Boden 18' des Topfes 18 gebildet.
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4 zeigt
eine Ausführungsform
des hydrodynamischen Lagers mit mittig entlang der Längsachse
des Lagers angeordneter Druckplatte 14, die zusammen mit
den korrespondierenden Stirnflächen der
Lagerhülsen 12c und 12d zwei
in entgegengesetzte Richtungen wirkende hydrodynamische Axiallager
bildet, wobei der Fachmann verstehen wird, daß diese im Bereich der Druckplatte 14 gebildeten Axiallager
je nach Anwendungsfall entlang der Rotationsachse 22, in
der 4 nach oben oder
unten, verschoben werden kann. Ferner zeigt 4 eine Ausführungsform, bei der der Topf 18 die
Lagerhülse 12c, 12d entlang
ihrer gesamten Länge
umhüllt.
Der Fachmann wird verstehen, daß eine ähnliche
Funktionsweise auch mit einem Topf erreicht werden kann, der eine
geringere Bauhöhe
als die Länge
der Lagerhülse
aufweist. Der Topf 18 kann als ein Spritzgußteil, ein
gedrehtes Teil oder ein tiefgezogenes Bauteil, ähnlich wie in 1, oder auf andere geeignete Weise hergestellt
sein. Die Lagerhülsenabschnitte 12c, 12d werden
in dem Topf 18 vorzugsweise im Preßsitz gehalten.
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5 zeigt
eine weitere Ausführungsform des
hydrodynamischen Lagers gemäß der Erfindung. Die
Ausführungsform
der 5 umfaßt eine
gestufte Welle 10 mit einem Wellenabsatz 10'' und
einer Druckplatte 14. Die Welle 10 ist in einer
Lagerhülse 12 gehalten,
die an ihrem einen Stirnende 12'' eine Ausnehmung zur Aufnahme
eines Abstandsringes 46 und eines Widerlagers 16 aufweist.
An diesem Stirnende 12'' wird zwischen Druckplatte 14 und
Widerlager 16 ein hydrodynamisches Axiallager gebildet.
Am gegenüberliegenden
Stirnende 12' ist ähnlich
wie beispielsweise mit Bezug auf 2 beschrieben,
durch eine Ringscheibe 28 und eine Deckplatte 34 ein
Mikrospalt 26 und ein Ausgleichsvolumen 20 für das Lagerfluid
gebildet. Die Ausführungsform
der 5 unterscheidet
sich diesbezüglich
von der Ausführungsform
der 2 dadurch, daß nur die
Deckplatte 34 den Wellenabsatz 10'' übergreift,
um ein Abspritzen von Lagerfluid bei Stoßbelastung zu verhindern. Im
Hinblick auf die vorstehend beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen hydrodynamischen
Lagers wird der Fachmann weitere Abwandlungen des Lagers mit einseitig
geschlossener oder beidseitig offener Lagerhülse, mit oder ohne Topf, mit
unterschiedlicher Realisierung von Mikrospalt und Ausgleichsvolumen,
mit unterschiedlicher Anordnung und Ausführung der Axial- und Radiallagerabschnitte
sowie zahlreiche weiterer Abwandlungen konzipieren können.
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Die 6a und 6b zeigen zwei mögliche Ausführungsformen
der Ringscheibe 28 zur Eingrenzung des Mikrospalts 26 zwischen
dem Stirnende 12' der Lagerhülse und der genannten Ringscheibe 28. Kennzeichnendes
Merkmal der gezeigten Ausführungsform
der Ringscheibe 28 ist, daß diese an ihrem Außenumfang
Ausnehmungen 38 aufweist, welche im eingebauten Zustand
die Öffnungen) 20' bilden, über die
die Verbindung zwischen dem Mikrospalt 26 und dem Ausgleichsvolumen 20 (siehe 1 bis 5) hergestellt wird. Dies kann selbstverständlich auch durch
anders geartete Formgebung der Randbereiche oder durch Bohrungen,
vorzugsweise im äußeren Randbereich,
der Ringscheibe 28 erfolgen. Die Ringscheibe 28 kann
beispielsweise durch Stanzen oder Spritzgießen hergestellt werden.
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Die in der vorsehenden Beschreibung,
den Ansprüchen
und den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch
in beliebiger Kombination für
die Verwirklichung der Erfindung in verschiedenen Ausgestaltungen
von Bedeutung sein.
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- 10
- Welle
- 10'
- Wellenende
- 10''
- Wellenabsatz
- 12
- Lagerhülse
- 12',
12''
- Stirnende
der Lagerhülse
- 12a,
12b, 12c, 12d
- Lagerhülsenabschnitte
- 14
- Druckplatte
- 16
- Widerlager
- 18
- Topf
- 18'
- Topfboden
- 18''
- zentrale Öffnung
- 20
- Ausgleichsvolumen
- 20'
- Öffnung,
Durchgang
- 22
- Rotationsachse
- 24
- Lagerspalt
- 26
- Mikrospalt,
Verbindungsspalt
- 28
- Ringscheibe
- 30
- Spurkuppenlager
- 32
- Radialllagerabschnitt
- 34
- Deckplatte
- 36
- Schweißnaht
- 38
- Ausnehmungen
- 46
- Abstandsring