AT518138A1 - Verfahren zur Gruppierung von Lagerbuchsen und Wellen von fluiddynamischen Lagern - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Gruppierung und Paarbildung von Lagerbuchsen und Wellen für fluiddynamische Lager, wobei die Vorrichtung folgende Komponenten umfasst: · Eine Bereitstellungseinrichtung (52) zum Bereitstellen einer Anzahl von fertig bearbeiten Lagerbuchsen (14a) · Eine Bereitstellungseinrichtung (58) zum Bereitstellen einer Anzahl von fertig bearbeiten Wellen · Eine Messvorrichtung (54) zum Vermessen des Durchmessers IDL der Lagerbohrungen der Lagerbuchsen, eine Messvorrichtung (60) zum Vermessen des Durchmessers ODW der Wellen · Eine Gruppierungseinrichtung (56) zum Zuordnen und Zuführen der Lagerbuchsen in Abhängigkeit des gemessenen Durchmessers IDL der Lagerbohrung zu einer Gruppe GLN einer Anzahl N von Gruppen, wobei N= (0,…, X), wobei jeder Gruppe GLN ein Durchmesserintervall mit der Intervalllänge (Differenz von IDLmaxN minus IDLminN) zugeordnet ist, wobei die Intervalllängen von zumindest zwei Gruppen sich von den Intervalllängen der andere Gruppen unterscheiden · Eine Gruppierungseinrichtung (62) zum Zuordnen und Zuführen der Wellen in Abhängigkeit des gemessenen Durchmessers ODW zu einer Gruppe GWN einer Anzahl N von Gruppen, wobei N = (0,…,X), wobei jeder Gruppe GWN ein Durchmesserintervall mit der Intervalllänge (Differenz von ODWmaxN minus ODWminN) zugeordnet ist · Eine Paarbildungseinrichtung (64) zum Bilden von Paaren von Lagerbuchsen und Wellen durch Zuordnen der Lagerbuchsen aus den jeweiligen Gruppe GLN zu den Wellen der jeweiligen Gruppen GWN.

Description

Verfahren zur Gruppierung von Lagerbüchsen und Wellen von fluiddynamischen Lagern

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gruppierung von Lagerbüchsen und Wellen von fluiddynamischen Lagern nach dem Oberbegriff des Anspruch 1.

Stand der Technik

Aus dem Stand der Technik sind Spindelmotoren mit fluiddynamisch gelagerten Wellen bekannt, die in einer Lagerbohrung einer Lagerbüchse drehgelagert sind. Der Außendurchmesser der Welle ist geringfügig kleiner als der Innendurchmesser der Lagerbohrung der Lagerbüchse, so dass zwischen Welle und Lagerbüchse ein ringförmiger Lagerspalt gebildet wird, der mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt ist. Die Breite des ringförmigen Lagerspalts beträgt die Hälfte der Durchmesserdifferenz zwischen Lagerbohrung und Welle.

Die Oberfläche der Lagerbohrung und/oder die Oberfläche der Welle weist Lagerrillenstrukturen auf, die bei Rotation der Welle eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid ausüben und dadurch einen hydrodynamischen Druck im Lagerspalt erzeugen. Dieser hydrodynamische Druck hält die Oberflächen der Welle und der Lagerbohrung voneinander getrennt, so dass das Lager tragfähig wird.

Die Steifigkeit des Lagers und die Lagerreibung sind wichtige Parameter eines fluiddynamischen Lagers und hängen unter anderem von der Breite des Lagerspalts ab. Je kleiner die Breite des Lagerspalts ist, desto größer wird die Lagersteifigkeit, aber auch die Lagerreibung.

Bei der Fertigung solcher fluiddynamischen Lager wird eine geringe Toleranz in der Breite des Lagerspalts angestrebt, um möglichst gleichbleibende Lagereigenschaften über alle gefertigten Lager zu gewährleisten.

Spindelmotoren, wie sie zum Antrieb von 2,5-Zoll-Festplattenlaufwerken verwendet werden, haben fluiddynamische Lager mit Lagerbüchsen, deren Lagerbohrung einen Soll-Durchmesser von beispielsweise 2,5 mm +/-1,4 μιτι aufweist. Die zugehörigen Wellen des Lagers haben einen Soll-Durchmesser von beispielsweise 2,495 mm +/-1,4 μιη. In der Massenproduktion von Lagerbüchsen und Wellen könnte man im einfachsten Fall aus der Menge der gefertigten Lagerbüchsen und der Menge der gefertigten Wellen je ein beliebiges Teil entnehmen und diese Teile zusammenfügen. Die Passung ist dann bestimmt durch die oben genannten Toleranzen. Der Lagerspalt hätte in diesem Beispiel eine Breite von 2,5 Mikrometer und eine Toleranz von +/-1,4 μιτι. Eine solch große Toleranz der Lagerspaltbreite von mehr als +/-50% der Sollbreite würde zu einer unerwünscht großen Variation der Lagereigenschaften führen.

Eine bessere Passung wird erzielt, wenn die Lagerbüchsen und Wellen genau vermessen werden, und diejenigen auswählt werden, die besonders gut zueinanderpassen. Es werden bevorzugt solche Paare ausgewählt, bei denen das Istmaß des Lagerspalts möglichst nahe am Sollmaß von 2,5 μητι liegt.

Aus der DE 19746070 A1 ist ein Verfahren zur Montage von Gleitlagern bekannt, bei dem die Istmaße von Wellen und Gleitlager-Halbschalen erst bestimmt und beim Zusammenbau derart kombiniert werden, dass ein mittleres Lagerspiel mit geringen Abweichungen erreicht wird.

Um eine engere Toleranz in der Breite des Lagerspalts zu erreichen, kann man die vermessenen Lagerbüchsen und Wellen in Abhängigkeit des gemessenen Lagerbohrungs-Durchmessers bzw. des gemessenen Wellendurchmessers jeweils in mehrere verschiedene Gruppen Gn einteilen (gruppieren), wobei z.B. N = (0, 1,..., Nmax) ist. Jede einzelne Gruppe GN enthält Lagerbüchsen bzw. Wellen, deren Durchmesser in einem bestimmten Toleranzintervall mit einer bestimmten Intervalllänge innerhalb der Gesamttoleranz liegen. Eine Welle der Gruppe Gn wird dann jeweils einer Lagerbüchse derselben Gruppe Gn zugeordnet. Bei einer Anzahl von beispielsweise 7 Gruppen erlaubt diese Art der Paarbildung von Lagerbüchse und Welle eine Verringerung der Toleranz des Lagerspalts um den Faktor 7, im Beispiel also auf +/-1,4 μιτι geteilt durch 7 = +/-0,2 μιτι.

Die nachfolgende Tabelle 1 verdeutlicht die Einteilung der Lagerbüchsen und Wellen in entsprechende Gruppen Go bis G6 und die sich daraus ergebenden Toleranzintervalle bei der Paarbildung aus denselben Gruppen deutlich.

Tabelle 1

Beispiel: Eine Lagerbüchse mit einem gemessenen Durchmesserder Lagerbohrung von 2,49970 mm und eine Welle mit einem gemessenen Durchmesser von 2.49450 mm werden beide der Gruppe G2 zugeordnet. Eine Kombination dieser Welle mit dieser Lagerbüchse ergäbe eine Lagerspaltbreite von (2,49970 mm - 2.49450 mm) / 2 = 0,0026 mm (2,6 μιτι). Die Toleranzabweichung des Lagerspalts wäre im Beispiel: 2,6 μιτι - 2,5 μιτι = +0,1 μιτι, sie wäre also innerhalb des zulässigen Toleranzintervalls von +/-0,2 μιτι.

Aus der Tabelle 1 ergibt sich, dass die Toleranzintervalle und somit auch die Durchmesserintervalle für den Innendurchmesser der Lagerbüchse bzw. den Außendurchmesser der Welle für alle Gruppen G0-G6 gleich groß sind, d.h. jeweils +/-0,2 μιτι, also die Intervalllänge 0,4 μιτι betragen.

Es wird angestrebt, die Lagereigenschaften von fluiddynamischen Lagern zu verbessern, insbesondere die Variationen der Steifigkeit und der Lagerreibung weiter zu verringern. Eine Verringerung der Variation der Lagerspaltbreite könnte beispielsweise dadurch erzielt werden, dass man für jede Gruppe Go-G6 ein engeres Toleranzintervall vorgibt, also beispielsweise +/-0,175 pm oder weniger, sowohl für den Außendurchmesser der Welle als auch für den Innendurchmesser der Lagerbohrung. Das würde bei einer Verwendung von 7 Gruppen für die Durchmesser der Lagerbohrungen und Wellen eine Gesamttoleranz von 7 mal +/- 0,175 pm = +/-1,225 pm bedeuten. Es ist technisch jedoch sehr aufwändig, insbesondere den Innendurchmesser der Lagerbohrung mit dieser Genauigkeit zu fertigen.

Eine andere Möglichkeit wäre es, die Wellen und Lagerbüchsen in Abhängigkeit der gemessenen Durchmesser anstatt in 7 Gruppen in 8 oder 9 Gruppen einzuteilen. Die Gesamttoleranzen für den Durchmesser der Welle und der Lagerbohrung würden wie bisher +/-1,4 pm betragen, die jedoch in 8 oder 9 Gruppen mit einem Toleranzintervall von jeweils +/-1,4 pm geteilt durch 8 = +/-0,175 pm bzw. +/-1,4 pm geteilt durch 9 = +/-0,155 pm eingeteilt würden. Das bedeutete jedoch einen größeren Messaufwand und insbesondere einen größeren Aufwand für die Sortierung und für die Handhabung der Wellen- und Lagerbüchsen, was den Produktionsablauf verlangsamen und verteuern würde.

Offenbarung der Erfindung

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, mit welchem die Lagerbüchsen und die Wellen von fluiddynamischen Lagern derart gruppiert werden können, dass eine Verkleinerung der Toleranzintervalle der Lagerspaltbreite erreicht wird.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung und bevorzugte Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen angeführt.

Die Erfindung schlägt vor, die Anzahl der Gruppen zur Einteilung der Lagerbüchsen und Wellen in Anhängigkeit des gemessenen Durchmessers der Lagerbohrungen und Wellen nicht zu ändern, sondern lediglich die Intervalllänge der

Toleranzintervalle einer oder mehrerer Gruppen zur Einteilung, insbesondere die der Lagerbüchsen, unterschiedlich groß zu wählen.

Vorzugweise wird die Gesamttoleranz, beispielsweise +/-1,4 pm für den Bohrungsdurchmesser der Lagerbüchsen, und die Anzahl der Gruppen, beispielsweise 7 Gruppen Go-G6 nicht verändert, während die Intervalllängen der Toleranzintervalle mindestens der beiden äußeren randseitigen Gruppen, beispielsweise der Gruppe G0 und der Gruppe G6, größer gewählt werden als die Intervalllängen der Toleranzintervalle der restlichen Gruppen, also den Gruppen Gi bis G5.

Da der Durchmesser von Wellen sehr genau gefertigt werden kann, ist es in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung möglich, die Gesamttoleranz des Wellendurchmessers von +/-1,4 pm auf +/-1,225 pm zu verringern. Die Toleranz des Wellendurchmessers wird erfindungsgemäß in 7 Gruppen mit gleich großen Toleranzintervallen von +/-0,175 pm unterteilt.

Die nachfolgende Tabelle 2 zeigt eine mögliche Einteilung der Gruppen G0-G6 und die zugehörigen Toleranzintervalle gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung.

Tabelle 2 (Erfindung)

Durch die ungleiche Unterteilung der Toleranzintervalle der Lagerbüchsen sind die Intervalllängen der Toleranzintervalle der mittleren Gruppen Gi bis G5 insgesamt kleiner, d.h. auch die Toleranzen der erreichbaren Lagerspaltbreiten sind kleiner, während die Intervalllängen der Toleranzintervalle der Lagerbüchsen der randseitigen Gruppen G0 und G6 größer sind. Die größeren Toleranzintervalle der randseitigen Gruppen der Lagerbüchsen wirken sich jedoch in der Praxis nicht negativ aus, da in den äußeren Randgruppen ohnehin nur wenige Lagerbüchsen eingestuft werden. Dies rührt daher, dass die Durchmesser der Lagerbohrungen und Wellen der Gaußschen Normalverteilung folgen, d.h. der Nenndurchmesser von 2,5 mm der Lagerbohrung und der Nenndurchmesser von 2,49500 mm der Welle kommen am häufigsten vor, während die Durchmesser oberhalb und unterhalb des Nenndurchmessers entsprechend der Gaußschen Normalverteilung abnehmen. Dadurch werden im Verhältnis nur wenige Lagerbüchsen und Wellen den randseitigen Gruppen zugeordnet, während der Großteil in die mittleren Gruppen eingestuft wird.

Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nun der größte Anteil von Wellen und Lagerbüchsen besser gruppiert mit engeren Toleranzen, während die seitlichen Ausreißer zahlenmäßig etwa gleich bleiben und insgesamt deren Toleranzen nicht wesentlich verschlechtert werden.

In der Praxis können der Innendurchmesser IDL der Lagerbüchsen und der Außendurchmesser ODW der Wellen jeweils an mehreren Stellen gemessen und daraus kann nach einer speziellen Formel ein Durchmesser-Mittelwert gebildet werden. Anhand des gebildeten Durchmesser-Mittelwerts werden die Lagerbüchsen und Wellen in die jeweiligen Gruppen Go bis G6 eingeteilt. Somit können auch Überschneidungen auftreten, d.h. die Lagerbüchsen und Wellen können an mindestens einer Stelle einen Durchmesser aufweisen, der größer oder kleiner ist als das Durchmesserintervall derjenigen Gruppe, in die das jeweilige Bauteil eingruppiert ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung und Tabellen näher erläutert. Hierbei ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt beispielhaft eine Schnittdarstellung eines Spindelmotors mit fluiddynamischem Lagersystem mit einer Lagerbüchse und einer in der Lagerbüchse drehgelagerten Welle.

Fig. 2 zeigt beispielhaft eine Vorrichtung zur Gruppierung und Paarbildung von Lagerbüchsen und Wellen in einer möglichen Ausgestaltung.

Fig. 3 zeigt eine Normalverteilung der Durchmesser der Lagerbohrungen und die entsprechende Zuordnung zu den Gruppen G0 bis G6.

Fig. 4 zeigt beispielhaft die Verteilung der Spaltbreite des Lagerspalts nach erfolgter Gruppierung und Selektion von Lagerbüchsen und Wellen.

Fig. 5 zeigt beispielhaft die Verteilung der Breite des Radiallagerspalts gemäß Fig. 4, jedoch mit logarithmischem Maßstab der Ordinate.

Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung

Fig. 1 zeigt einen Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem. Ein solcher Spindelmotor kann zum Antrieb eines 2,5-Zoll-Festplattenlaufwerks oder eines kleinen Lüfters verwendet werden.

Der Spindelmotor umfasst eine Basisplatte 10, die eine im Wesentlichen zentrale zylindrische Öffnung aufweist, in welcher ein feststehendes topfförmiges Lagerbauteil 16 aufgenommen ist. Das feststehende Lagerbauteil 16 ist beispielsweise mittels einer Übergangspassung in der Öffnung der Basisplatte 10 angeordnet und vorzugsweise zusätzlich mit Klebstoff befestigt.

Es ist eine zylindrische Welle 12 vorgesehen, die an einem Ende einen Flansch 12a aufweist, so dass die Welle 12 im Querschnitt annähernd T-förmig ist. Der Flansch 12a der Welle 12 ist in einer zentralen Öffnung in der Bodenfläche des feststehenden Lagerbauteils 16 angeordnet, wobei der Flansch 12a mit seinem Außenumfang am Innenumfang der Öffnung des Lagerbauteils 16 angrenzt und vorzugsweise stoffschlüssig mit diesem verbunden ist. Diese stoffschlüssige Verbindung kann eine umlaufende Schweißnaht sein. Das feststehende Lagerbauteil 16 kann auch einteilig mit dem Flansch 12a der Welle 12 ausgebildet sein. Der zylindrische Abschnitt der Welle 12 erstreckt sich von der radial verlaufenden Grundfläche des Flansches 12a in axialer Richtung nach oben.

An dem gegenüberliegenden Ende der Welle 12 ist ein ringförmiges Stopperbauteil 18 angeordnet, dessen Außendurchmesser deutlich größer ist als der Durchmesser der Welle 12, und das vorzugsweise kraftschlüssig oder stoffschlüssig an der Welle 12 befestigt ist.

Die Welle 12 mit Flansch 12a bildet zusammen mit dem Lagerbauteil 16 und dem Stopperbauteil 18 das feststehende Lagerbauteil des Spindelmotors.

Der Spindelmotor umfasst ferner ein Rotorbauteil 14, das eine zylindrische Lagerbüchse 14a umfasst, die vorzugsweise mit dem Rotorbauteil 14 einteilig ausgebildet ist. Die Lagerbüchse 14a des Rotorbauteils 14 hat eine zylindrische Lagerbohrung, in welcher die Welle 12 angeordnet ist. Die Lagerbüchse 14a ist in einem durch die Welle 12,12a und die beiden Bauteile 16,18 gebildeten Zwischenraum relativ zu diesen Bauteilen 12, 12a, 16,18 drehbar um eine Drehachse 40 angeordnet. Das Stopperbauteil 18 befindet sich zumindest teilweise in einer ringförmigen Aussparung der Lagerbüchse 14a. Aneinander angrenzende Flächen der Welle 12, 12a der Lagerbüchse 14 und der beiden Bauteile 16 und 18 sind durch einen beidseitig offenen Lagerspalt 20 voneinander getrennt, der mit einem Lagerfluid, beispielsweise einem Lageröl, gefüllt ist.

Am Innenumfang der Lagerbohrung der Lagerbüchse 14a sind zwei zylindrische Radiallagerflächen 22, 24 ausbildet, welche axial voneinander beabstandet sind. Die Radiallagerflächen umschließen die feststehende Welle 12 in einem Abstand von wenigen Mikrometern unter Bildung eines axial verlaufenden Abschnitts des Lagerspalts 20 und bilden mit jeweils gegenüberliegenden Lagerflächen der Welle 12 zwei fluiddynamische Radiallager 22, 24. Die Lagerflächen der beiden Radiallager 22, 24 sind beispielsweise mit sinus-, parabel- (herringbone) oder chevronförmigen Lagerrillenstrukturen versehen. Das obere Radiallager 22 ist dabei weitgehend symmetrisch ausgebildet und übt keine gerichtete Pumpwirkung auf das Lagerfluid aus, während das untere Radiallager 24 vorzugsweise asymmetrisch ausgebildet ist und eine gerichtete Pumpwirkung in Richtung des oberen Radiallagers 22 auf das Lagerfluid ausübt. Zwischen den Radiallagern 22, 24 weitet sich der Lagerspalt zu einem Separatorspalt 26 auf, der im Vergleich zum axialen Abschnitt des Lagerspalts 20 eine deutlich größere Spaltbreite aufweist.

Unterhalb des unteren Radiallagers 24 geht der axial verlaufende Abschnitt des Lagerspalts 20 in einen radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 20a über, entlang dessen ein fluiddynamisches Axiallager 28 angeordnet ist. Das Axiallager 28 ist durch radial verlaufende Lagerflächen auf der Stirnseite der Lagerbüchse 14a und entsprechend gegenüber liegende Lagerflächen des Flansches 12a der Welle 12 ausgebildet. Das fluiddynamische Axiallager 28 ist in bekannterWeise durch beispielsweise spiralförmige Lagerrillenstrukturen gekennzeichnet, die entweder auf der Stirnseite der Lagerbüchse 14a, dem Flansch 12a oder auf beiden Teilen angebracht werden können. Das Axiallager 28 erzeugt eine gerichtete Pumpwirkung auf das Lagerfluid in Richtung des unteren Radiallagers 24.

Vorzugsweise befinden sich die Axiallagerflächen lediglich zwischen der radial verlaufenden Oberfläche des Flansches 12a und der gegenüberliegenden Unterseite der Lagerbüchse 14a. Die angrenzende und ebenfalls radial verlaufende Oberfläche des feststehenden Lagerbauteils 16 ist etwas tiefer angeordnet als die radial verlaufende Oberfläche des Flansches 12a, wodurch sich im zusammengebauten Zustand des fluiddynamischen Lagers ein Ringspalt mit entsprechend größeren Spaltabstand zwischen den radial verlaufenden Flächen der Lagerbüchse 14a und dem feststehenden Lagerbauteil 16 ergibt. Vorzugsweise münden die Axiallagerrillen radial außen in den Ringspalt, der etwa an der Stelle beginnt, an welcher ein Rezirkulationskanal 30 mündet, der innerhalb des Rotorbauteils 14 bzw. der Lagerbüchse 14a vorgesehen ist.

Das andere Ende des Rezirkulationskanals 30 mündet in einen radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 20b zwischen der Stirnfläche der Lagerbüchse 14a und einer gegenüberliegenden Stirnfläche des Stopperbauteils 18 im Bereich einer umlaufende Rille der Lagerbüchse 14a. Der Rezirkulationskanal 30 verläuft schräg nach unten durch die Lagerbüchse 14a und mündet radial außerhalb des Axiallagers 28 in den Ringspalt.

An den radialen Abschnitt des Lagerspalts 20a im Bereich des Axiallagers 28 bzw. des Ringspalts schließt sich ein anteilig mit Lagerfluid gefüllter erster kapillarer Dichtungsspalt 34 an. Der Dichtungsspalt 34 ist durch einander gegenüberliegende im Wesentlichen axial verlaufende Flächen der Lagerbüchse 14a und des Lagerbauteils 16 gebildet und dichtet den Lagerspalt 20a an dieser Seite ab. Der Dichtungsspalt 34 umfasst einen radial verlaufenden Abschnitt, den gegenüber dem radial verlaufenden Lagerspalt 20a verbreiterten Ringspalt, der radial außerhalb des Axiallagers 28 angeordnet ist. Dieser kurze radial verlaufende Abschnitt des Dichtungsspalts 34 geht in einen längeren, sich konisch aufweitenden und nahezu axial verlaufenden Abschnitt über, der von einer äußeren Umfangsfläche der Lagerbüchse 14a und einer inneren Umfangsfläche des Lagerbauteils 16 begrenzt wird. Neben der Funktion als kapillare Dichtung dient der Dichtungsspalt 34 als Fluidreservoir und stellt die für die Lebensdauer des Lagersystems benötigte Fluidmenge bereit. Ferner können Fülltoleranzen und eine eventuelle thermische Ausdehnung des Lagerfluids ausgeglichen werden. Die beiden den konischen Abschnitt des Dichtungsspalts 34 bildenden Flächen der Lagerbüchse 14a und des Lagerbauteils 16 können beide jeweils im Verlauf des Dichtungsspalts zum Lageräußeren hin relativ zur Rotationsachse 40 nach innen geneigt sein. Der Neigungswinkel beträgt vorzugsweise zwischen 0 Grad und 5 Grad. Dabei ist der Neigungswinkel der äußeren Umfangsfläche der Lagerbüchse 14a größer ist als der Neigungswinkel der inneren Umfangsfläche des Lagerbauteils 16, wodurch sich eine konische Erweiterung der Kapillardichtung ergibt. Durch die Innenneigung der Umfangsflächen wird das Lagerfluid bei einer Drehung des Lagers aufgrund der Fliehkraft nach innen in Richtung Lagerspalt 20a gedrückt.

Auf der anderen Seite des Lagersystems ist das Rotorbauteil 14 bzw. die Lagerbüchse 14a im Anschluss an das obere Radiallager 22 so gestaltet, dass es eine radial verlaufende Fläche ausbildet, die mit einer entsprechend gegenüberliegenden Fläche des Stopperbauteils 18 einen radial verlaufenden Abschnitt des Lagerspalts 20b bildet. An den radialen Spalt schließt sich ein axial verlaufender zweiter Dichtungsspalt 36 an, der anteilig mit Lagerfluid gefüllt ist und den Lagerspalt 20b an diesem Ende abdichtet. Der zweite Dichtungsspalt 36 wird durch einander gegenüberliegende Oberflächen der Lagerbüchse 14a und des

Stopperbauteils 18 begrenzt und weitet sich am äußeren Ende mit vorzugsweise konischem Querschnitt auf. Dabei ist die äußere Umfangsfläche des Stopperbauteils 18 im Verlauf zum Lageräußeren leicht nach innen in Richtung zur Drehachse 40 geneigt. Die gegenüberliegende innere Umfangsfläche des Rotorbauteils 14 verläuft entweder parallel zur Drehachse 40 oder ist ebenfalls leicht nach innen geneigt, wobei der Neigungswinkel allerdings kleiner ist als der Neigungswinkel der äußeren Umfangsfläche des Stopperbauteils 18, so dass sich eine konische Kapillardichtung ergibt. Der zweite Dichtungsspalt 36 kann vorzugsweise durch eine Pumpdichtung 38 ergänzt sein, die unterhalb der Kapillardichtung angeordnet ist. Die Pumpdichtung 38 ist vorzugsweise zwischen dem Außenumfang des Stopperbauteils 18 und der gegenüberliegenden Oberfläche der Lagerbüchse 14a gebildet. Die Pumpdichtung 38 umfasst Pumprillenstrukturen, die auf der Oberfläche des Stopperbauteils 18 oder vorzugsweise der Lagerbüchse 14a angeordnet sind. Während des Betriebs des Lagers erzeugen die Pumprillenstrukturen der Pumpdichtung 38 eine Pumpwirkung auf das im Dichtungsspalt 36 befindliche Lagerfluid in Richtung des oberen Radiallagers 22.

Dieser zweite Dichtungsspalt 36 ist von einer ringförmig profilierten Abdeckung 32 abgedeckt. Die Abdeckung 32 ist auf einen Rand des Rotorbauteils 14 oder der Lagerbüchse 14a aufgesteckt und dort beispielsweise angeklebt, wobei die Abdeckung 32 auf einem umlaufenden Rand des Rotorbauteils 14 bzw. der Lagerbüchse 14a aufliegt. Ein innerer Rand der Abdeckung 32 bildet zusammen mit dem Außenumfang des Stopperbauteils 18 einen schmalen Luftspalt als Spaltdichtung.

Am axial äußeren Ende des Dichtungsspaltes 36 weitet sich der Dichtungsspalt in einen Freiraum 46 auf, der vorzugsweise so groß ist, dass er das gesamte im Lager befindliche Volumen an Lagerfluid aufnehmen kann. Dieser Freiraum 46 dient insbesondere zum einmaligen Befüllen des Lagers mit Lagerfluid.

An einem inneren Rand der Basisplatte 10 ist eine Statoranordnung 42 befestigt. Die Statoranordnung 42 ist umgeben von einem äußeren Rand des Rotorbauteils 14, an dessen Innenseite ein ringförmiger Rotormagnet 44 angeordnet ist. Der Rotormagnet 44 umgibt die Statoranordnung 42 in radialer Richtung unter Bildung eines Luftspalts. Durch entsprechende Versorgung der Statorwicklungen mit Strom wird ein elektromagnetisches Feld erzeugt, das auf den Rotormagneten 44 wirkt und das Rotorbauteil 14 drehend antreibt.

Da der Spindelmotor vorzugsweise lediglich ein einziges fluiddynamisches Axiallager 28 aufweist, das auf das Rotorbauteil 14 eine Kraft in Richtung des Stopperbauteils 18 erzeugt, ist eine entsprechende Gegenkraft oder Vorspannkraft notwendig, die das Rotorbauteil 14 axial im Kräftegleichgewicht hält.

Die magnetische Vorspannung wird mit Hilfe des elektromagnetischen Antriebssystems erzeugt und/oder durch einen ferromagnetischen Zugring 48, der unterhalb des Rotormagneten 44 an der Basisplatte 10 angeordnet ist und von diesem in axialer Richtung magnetisch angezogen wird.

Der Spindelmotor kann vorzugsweise zum Antrieb eines Festplattenlaufwerks eingesetzt werden, wobei auf dem Rotorbauteil 14 eine oder mehrere Speicherplatten befestigt werden können.

Um für alle Spindelmotoren gleichbleibende Eigenschaften des fluiddynamischen Lagersystems sicherzustellen, insbesondere eine gleichbleibende Lagersteifigkeit und Lagerreibung, werden die Lagerbüchsen 14a und die Wellen 12 vermessen und selektiert. Die Lagerbüchsen 14a können einteilig mit dem jeweiligen Rotorbauteil 14 ausgebildet sein. Nachfolgend wird jedoch nur auf Lagerbüchsen 14a Bezug genommen.

Die Lagerbüchsen 14a und die Wellen 12 werden in entsprechenden Werkzeugmaschinen gefertigt, wobei die fertig bearbeiteten Lagerbüchsen 14a und Wellen 12 in großen Stückzahlen für die weitere Bearbeitung vorgehalten werden.

Fig. 2 zeigt beispielhaft eine Vorrichtung zur Gruppierung von Lagerbüchsen 14a und Wellen 12 in einer möglichen Ausgestaltung. Die fertig bearbeiteten Lagerbüchsen 14a werden in einer größeren Anzahl in einer Bereitstellungseinrichtung 52 vorgehalten. Die in der Bereitstellungseinrichtung 52 vorgehaltenen Lagerbüchsen 14a werden in einer Messvorrichtung 54 einzeln vermessen. Hierbei wird der Innendurchmesser IDLder Lagerbohrungen der Lagerbüchsen 14a vermessen. Bei einem Spindelmotor mit fluiddynamischem Lager gemäß Fig. 1 beträgt der Soll-Durchmesser der Lagerbohrung beispielsweise 2,5 mm mit einer Toleranz von +/- 1,4 μιτι.

Aufgrund der Herstellungstoleranzen streuen die Durchmesser der Lagerbohrungen der Lagerbüchsen 14a um diesen Nominalwert von 2,5 mm, und zwar ergibt sich im Wesentlichen eine in Fig. 3 dargestellte Normalverteilung gemäß Kurve 50 für den Durchmesser der Lagerbohrungen. Lagerbüchsen mit einer Lagerbohrung um den nominalen Wert von beispielsweise 2,5 mm kommen prozentual am häufigsten vor. Je größer die Abweichung des Durchmessers der Lagerbohrung vom Nominalwert in positiver oder negativer Richtung ist, desto geringer wird die Anzahl der betreffenden Lagerbüchsen.

Jede in der Messvorrichtung 54 vermessene Lagerbüchse 14a wird einer Gruppierungseinrichtung 56 zugeführt, welche in Abhängigkeit von dem gemessenen Durchmesser IDL der Lagerbohrung diese Lagerbüchse 14a einer Gruppe GLN aus einer Anzahl N von Gruppen zuordnet. In dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel gibt es 7 Gruppen GO bis G6, sinnentsprechend GL0 bis GL6, wobei die Gruppierungseinrichtung 56 die Lagerbüchsen 14a je nach gemessenem Durchmesser einer der Gruppen GL0 bis GL6 zuordnet.

In Fig. 3 ist der Durchmesser der Lagerbohrungen der Lagerbüchsen 14a und die entsprechende Zuordnung zu den Gruppen GO bis G6, sinnentsprechend GL0 bis GL6 in Abhängigkeit des Durchmessers dargestellt. In Gruppe GL0 werden beispielsweise die Lagerbüchsen einsortiert, bei welchen der Durchmesser IDL am weitesten unterhalb des Soll-Durchmessers von 2,5 mm liegt, während in Gruppe GL3 die Lagerbüchsen einsortiert werden, deren gemessener Durchmesser IDL am nächsten am Soll-Durchmesser 2,5 mm liegt. In Gruppe GL6 werden die Lagerbüchsen einsortiert, deren Durchmesser am weitesten oberhalb des Soll-Durchmessers liegt. Die zulässige Toleranz des Soll-Durchmessers von 2,5 mm beträgt +/-1,4 pm. Diese Toleranz von +/-1,4 pm ist erfindungsgemäß in mehrere Toleranzintervalle mit einer bestimmten Intervalllänge eingeteilt, wobei jedes Toleranzintervall einer Gruppe zugeordnet wird.

Die einfachste Möglichkeit bestünde darin, die zulässige Toleranz von +/-1,4 μιτι beziehungsweise die Intervalllänge von 2,8 μιτι in 7 gleich große Toleranzintervalle mit einer Intervalllänge von jeweils 0,4 μιτι aufzuteilen und jeweils einer Gruppe zuzuordnen. Das Toleranzintervall jeder Gruppe hat einen mittleren Durchmesser IDL, beispielsweise in Gruppe GL2 der Durchmesser IDL = 2,49965 mm und ein Toleranzintervall um diesen mittleren Durchmesser von +/-0,2 μιτι.

Erfindungsgemäß ist es jedoch vorgesehen, dass den Gruppen GL0 bis GL7der Lagerbüchsen 14a Toleranzintervalle mit unterschiedlichen Intervalllängen zugeordnet sind.

Vorzugsweise haben die Toleranzintervalle der Gruppen GL| bis GL5 der Lagerbüchsen 14a ein Toleranzintervall von +/-0,175 μιτι um den mittleren Nenndurchmesser der Lagerbohrung der jeweiligen Gruppe. Die randseitigen Gruppen GL0 und GL6 der Lagerbüchsen besitzen dagegen ein asymmetrisches und einseitiges Toleranzintervall. Der Gruppe GL0 ist ein Durchmesser der Lagerbohrung IDL = 2,49895 mm zugeordnet und eine asymmetrisches Toleranzintervall von -0,350 / +0,175 μιτι. Der Gruppe GL6 ist ein Nenndurchmesser der Lagerbohrung IDL = 2,50105 mm zugeordnet und eine asymmetrisches Toleranzintervall von -0,175 / +0,350 μιτι. Mit anderen Worten ist beispielsweise der Gruppe GL0 der Lagerbüchsen ein Durchmesserintervall von 2,49895 mm +0,175 / -0,350 μιτι, also [2,499125mm bis 2,4986 mm => Intervalllänge 0,525 μιτι] zugeordnet, während der Gruppe GL3 ein kleineres Durchmesserintervall von 2,5000mm +/-0,175 μιτι, also [2,500175 mm bis 2,499825 mm => Intervalllänge 0,35 μιτι] zugeordnet ist.

Hierbei ist es wesentlich, dass die Intervalllänge der Durchmesserintervalle der randseitigen Gruppen GL0 und GL6 deutlich größer sind als die Intervalllänge der Durchmesserintervalle der übrigen Gruppen GLi bis GL5. Die Intervalllänge der Durchmesserintervalle der randseitigen Gruppen GL0 und GL6 beträgt 0,525 μιτι, während die Intervalllänge des Toleranzintervalls der Gruppen GL| bis GL5 jeweils nur 0,350 μιτι beträgt. Dies kann man auch in Fig. 3 erkennen.

Gleichermaßen wie die Lagerbüchsen 14a werden auch die fertig bearbeiteten Wellen 12 in einer Bereitstellungseinrichtung 58 vorgehalten und einer Messeinrichtung 60 zugeführt, in welcher der Außendurchmesser ODW der Wellen 12 gemessen wird. In Abhängigkeit des gemessenen Außendurchmessers ODW sortiert eine Gruppierungseinrichtung 62 die Wellen 12 in eine der 7 Gruppen GW0-GW6 ein.

In Fig. 2 wird dabei bei den Gruppen GO bis G6 nicht zwischen den Gruppen GL0 bis GI-6 für die Lagerbüchsen 14a und den Gruppen GW0 bis GW6 für die Wellen unterschieden. In der Praxis können für die Lagerbüchsen 14a und für die Wellen 12 separate Gruppen GL0-GL6 für die Lagerbüchsen und GW0-GW6 für die Wellen gebildet werden.

Gemäß einer zu der in Fig. 3 dargestellten Normalverteilung ähnlichen Verteilung der Wellen können die fertig bearbeiteten Wellen 12 je nach ihrem Wellendurchmesser ebenfalls in entsprechende Gruppen GO bis G6, sinnentsprechend GW0 bis GW6 eingeteilt werden.

Beispielsweise haben die Wellen 12 einen Soll-Durchmesser von 2,4950 mm und eine Toleranz von +/-1,225 pm. Es ergibt sich eine nominale Lagerspaltbreite von 2,5 pm zwischen Welle und Lagerbohrung. Die Intervalllänge des Toleranzintervalls des Wellendurchmessers IDL ist 2,45 pm. Bei den Wellen 12 werden den Gruppen GW0-GW6 gleich große Toleranzintervalle mit einer Intervalllänge von 2,45 pm / 7 = 0,35 pm zugeordnet.

Die Gruppen GL0 bis GL6 der Lagerbüchsen 14a und die Gruppen GW0 bis GW6 der Wellen 12 enthalten nun Lagerbüchsen 14a und Wellen 12, deren Soll-Durchmesser von dem der jeweiligen Gruppe zugeordneten mittleren Soll-Durchmesser um ein Toleranzintervall von +/-0,175 pm abweicht, mit Ausnahme der randseitigen Gruppen GL0 und GL6 der Lagerbüchsen 14a, bei denen der Durchmesser IDL der Lagerbohrung vom entsprechenden Soll-Durchmesser um +0,175 / -0,350 bzw. +0,350 /-0,175 abweichen darf.

Es ist eine Paarbildungseinrichtung 64 vorgesehen, welche nun entsprechende Paare aus Lagerbüchsen 14a und passenden Wellen 12 bildet, indem jeweils die Lagerbüchsen 14a und Wellen 12 aus derselben Gruppe, beispielsweise alle Lagerbüchsen 14a der Gruppe GL0und Wellen 12 der Gruppe GW0, zu Paaren zusammengeführt werden.

Erfindungsgemäß ist somit sichergestellt, dass der erzeugte Lagerspalt zwischen den Lagerbohrungen und den Wellen 12 in dem vorgegebenen Toleranzintervall liegt.

Fig. 4 zeigt beispielhaft die Verteilung der radialen Lagerspaltbreite bei Anwendung der Gruppierung gemäß der Erfindung im Vergleich zu einem Verfahren, bei dem Gruppen mit gleich großen Toleranzintervallen verwendet werden.

Fig. 5 zeigt die Graphen von Fig. 4 mit einem logarithmischen Maßstab der Ordinate.

Die Kurve 68 zeigt die Verteilung nach einem Auswahlverfahren, bei dem den Gruppen G0-G6 der Lagerbuchen ein gleich großes Toleranzintervall zugeordnet ist. Die Kurve 66 zeigt die Verteilung nach einem Auswahlverfahren gemäß der Erfindung mit unterschiedlich großen Toleranzintervallen der Randgruppen.

Man erkennt insbesondere aus Fig. 4, dass die Abweichungen der Lagerspaltbreite gemäß der Kurve 68 größer sind als bei der Verteilung gemäß Kurve 66 Bei Kurve 68 gibt es sehr viel mehr Lagerspalte mit einem größeren Toleranzintervall als ca. +/-0,10 μιτι [<2,4 pm und >2,6 pm] als im Vergleich mit Kurve 66.

Wie man insbesondere aus Fig. 5 entnehmen kann, haben nur ca. 0,006% der gepaarten Lagerbüchsen und Wellen nach dem Verfahren gemäß der Erfindung eine Lagerspaltbreite außerhalb des Toleranzintervalls von ca. +/-0,175 pm [<2,325 pm und >2,675 pm]. Anhand der logarithmischen Darstellung kann man sehen, dass es zwar eine geringe Anzahl von Lagerspalten gibt, die ein größeres Toleranzintervall aufweisen als bei Kurve 68, jedoch sind dies insgesamt nur 0,021%, die eine größeres Toleranzintervall aufweisen.

Insgesamt überwiegt der Vorteil der Erfindung, der darin besteht, dass bei den restlichen gepaarten Lagerbüchsen und Wellen die Lagerspaltbreite sehr viel engere Toleranzen aufweist als bei der Vergleichskurve 68. Insgesamt werden somit die Lagereigenschaften bei Anwendung des neuen Verfahrens weniger Varianz zeigen.

Liste der Bezugszeichen 10 Basisplatte 12 Welle 12a Flansch 14 Rotorbauteil 14a Lagerbüchse 16 Lagerbauteil 18 Stopperbauteil 20 Lagerspalt 20a Unterer radialer Abschnitt Lagerspalt 20b Oberer radialer Abschnitt Lagerspalt 22 Radiallager 24 Radiallager 26 Separatorspalt 28 Axiallager 30 Rezirkulationskanal 32 Abdeckung 34 Dichtungsspalt 36 Dichtungsspalt 38 Pumpdichtung 40 Drehachse 42 Statoranordnung 44 Rotormagnet 46 Freiraum 48 Zugring 50 Verteilung 52 Bereitstellungseinrichtung 54 Messvorrichtung 56 Gruppierungseinrichtung 58 Bereitstellungseinrichtung 60 Messvorrichtung 62 Gruppierungseinrichtung 64 Paarbildungseinrichtung 66 Verteilung (Erfindung) 68 Verteilung G0-G6 Gruppen IDL Innendurchmesser der Lagerbohrung ODW Außendurchmesser der Welle

Claims (11)

1. Patentansprüche

   1. Verfahren zur Gruppierung von Lagerbüchsen (14a) und Wellen (12) von fluiddynamischen Lagern, mit folgenden Schritten: Bereitstellen einer Anzahl von Lagerbüchsen (14a), Bereitstellen einer Anzahl von Wellen (12), Vermessen des Innendurchmessers IDL der Lagerbohrungen der Lagerbüchsen (14a), Vermessen des Außendurchmessers ODW der Wellen (12), Zuordnen der vermessenen Lagerbüchsen (14a) in Abhängigkeit des gemessenen Durchmessers IDL der Lagerbohrung zu einer Gruppe GLN einer Anzahl N von Gruppen, wobei N = (0, 1Nmax), wobei jeder Gruppe GLN ein Durchmesserintervall zugeordnet ist, wobei die Durchmesserintervalle von zumindest zwei Gruppen der Lagerbüchsen sich von den Durchmesserintervallen der andere Gruppen in der Intervalllänge (Differenz von IDLmaxN minus IDLminN) unterscheiden, Zuordnen der vermessenen Wellen (12) in Abhängigkeit des gemessenen Durchmessers ODW zu einer Gruppe GWN einer Anzahl N von Gruppen, wobei N = (0,1Nmax), wobei jeder Gruppe GWN ein Durchmesserintervall mit der Intervalllänge (Differenz von ODWmaxN minus ODWminN) zugeordnet ist, Paarbildung von Lagerbüchsen (14a) und Wellen (12) durch Zuordnen der Lagerbüchsen aus der Gruppe GLN zu den Wellen der entsprechenden Gruppe GWn.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den randseitigen Gruppen GL0 und GLn der Lagerbüchsen (14a) zugeordneten Intervalllängen der Durchmesserintervalle (Differenz von IDLmaxo minus IDLmin0) und (Differenz von IDLmaxN minus IDLminN) größer sind als die den restlichen Gruppen GL| bis GLn-ι zugeordneten Intervalllängen der Durchmesserintervalle ((Differenz von IDLmaxi minus IDLmini) bis (Differenz von IDLmaxN-ι minus IDLminN-i)).
3. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die den restlichen Gruppen GL| bis GLN-i der Lagerbüchsen (14a) zugeordneten Intervalllängen der Durchmesserintervalle ((Differenz von IDLmaxi minus IDLmin-i) bis (Differenz von IDLmaxN-i minus IDLminN_i)) gleich groß sind.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die den randseitigen Gruppen GL0, GL-i und GLN-i, GLN der Lagerbüchsen (14a) zugeordneten Intervalllängen der Durchmesserintervalle (Differenz von IDLmax0 minus IDLmin0) und (Differenz von IDLmaxi minus IDLmin-ι) sowie (Differenz von IDLmaxN-i minus IDLminN-i) und (Differenz von IDLmaxN minus IDLminN) größer sind als die den restlichen Gruppen GL2 bis GLN_2 zugeordneten Intervalllängen der Durchmesserintervalle ((Differenz von IDLmax2 minus IDLmin2) bis (Differenz von IDLmaxN-2 minus IDLminN-2))·
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Intervalllängen der Durchmesserintervalle (Differenz von IDLmax0 minus IDLmin0) und (Differenz von IDLmaxN minus IDLminN) der Gruppen G0 und Gn größer sind als die Intervalllängen der Durchmesserintervalle ((Differenz von IDLmaxi minus IDLmini) bis (Differenz von IDLmaxN-1 minus IDLminN-1)) der Gruppen G-\ und GN-i.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, die Intervalllängen der Durchmesserintervalle (Differenz von ODWmaxN minus ODWminN) der Wellen für alle Gruppen GWN gleich groß sind.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Gruppen N = (5, 6, 7, 8) ist.
8. 8. Vorrichtung zur Gruppierung und Paarbildung von Lagerbüchsen und Wellen für fluiddynamische Lager, welche umfasst: eine Bereitstellungseinrichtung (52) zum Bereitstellen einer Anzahl von fertig bearbeiteten Lagerbüchsen (14a), eine Bereitstellungseinrichtung (58) zum Bereitstellen einer Anzahl von fertig bearbeiteten Wellen (12), eine Messvorrichtung (54) zum Vermessen des Durchmessers IDL der Lagerbohrungen der Lagerbüchsen (14a), Eine Messvorrichtung (60) zum Vermessen des Durchmessers ODW der Wellen (12), eine Gruppierungseinrichtung (56) zum Zuordnen und Zuführen der Lagerbüchsen (14a) in Abhängigkeit des gemessenen Durchmessers IDL der Lagerbohrung zu einer Gruppe GLN einer Anzahl N von Gruppen, wobei N= (0, 1,..., Nmax), wobei jeder Gruppe GLN ein Durchmesserintervall mit der Intervalllänge (Differenz von IDLmaxN minus IDLminN) zugeordnet ist, wobei die Intervalllängen von zumindest zwei Gruppen sich von den Intervalllängen der anderen Gruppen unterscheiden, eine Gruppierungseinrichtung (62) zum Zuordnen und Zuführen der Wellen (12) in Abhängigkeit des gemessenen Durchmessers ODW zu einer Gruppe GWn einer Anzahl N von Gruppen, wobei N = (0,1Nmax), wobei jeder Gruppe GWN ein Durchmesserintervall mit der Intervalllänge (Durchmesser von ODWmaxN minus ODWminN) zugeordnet ist, und eine Paarbildungseinrichtung (64) zum Bilden von Paaren von Lagerbüchsen (14a) und Wellen (12) durch Zuordnen der Lagerbüchsen aus den jeweiligen Gruppe GLnzu den Wellen der jeweiligen Gruppen GWn.
9. 9. Spindelmotor mit einem fluiddynamischen Lagersystem, umfassend eine Lagerbüchse (14a) und eine Welle (12), die nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 gruppiert und selektiert wurden.
10. 10. Festplattenlaufwerk mit einem Spindelmotor gemäß Anspruch 9.
11. 11. Lüfter mit einem Spindelmotor gemäß Anspruch 9.