회전 홈과 정지 홈을 동시에 갖는 유체동압베어링의 동특성 해석

Abstract

유체동압베어링은 외부 장치에 의해 압력을 부가하지 않고 베어링 표면의 형상과 운동에 의한 쐐기 효과를 이용하여 부하 용량을 얻어 회전축을 지지하는 베어링이다. 유체동압베어링은 윤활 유체에 의한 감쇠 효과와 함께 회전부와 정지부 사이의 고체 접촉이 없어 우수한 진동 및 소음 특성을 제공한다. 이러한 특성으로 인하여 최근에는 대부분의 정보 저장 장치(하드 디스크 드라이브)를 포함한 소형 회전기기에 유체동압베어링이 사용되고 있다.

본 연구에서는 유체동압베어링의 성능을 향상시킬 수 있는 방안으로 회전 홈과 정지 홈을 동시에 갖는 유체동압베어링의 동특성을 해석하였다. 유체동압베어링의 성능 향상의 기준은 저소비 전력의 소모와 강성과 감쇠 계수의 증가이다. 기존 유체동압베어링의 특성으로 정지 홈을 갖는 유체동압베어링은 회전부가 회전함에 따라 일정한 강성이나 감쇠 계수 등의 동특성 계수를 가지지만, 마찰토크가 커서 스핀들 모터의 소비전력을 증가시킨다. 반면 회전하는 홈을 갖는 경우 회전부가 회전함에 따라 동특성 계수가 한 회전당 홈의 개수에 해당하는 주기를 가지며 변화하지만, 정지 홈을 갖는 유체동압베어링에 비해 마찰토크를 저감시킬 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서는 위의 각 베어링의 장점을 극대화한 회전 홈과 정지 홈을 동시에 갖는 모델의 해석을 위해 회전 홈과 정지 홈이 겹치는 부분에 수정된 유막 두께식을 사용하여 Reynolds 방정식에 적용하였고, 유한 요소법과 섭동법을 이용하여 정 및 동특성을 계산하였다. 본 연구를 위해 반경 방향의 하중을 지지하는 저널베어링과 축 방향의 하중을 지지하는 스러스트 베어링 단품에 대한 해석을 통하여 회전 홈과 정지 홈을 동시에 갖는 유체동압베어링의 성능을 분석하였으며, 이를 통하여 회전 홈과 정지 홈을 동시에 갖는 저널 베어링과 스러스트 베어링이 연성된 유체동압베어링의 동특성을 해석하였다. 또한 안정성 계수 해석을 통하여 본 연구에서 제안한 유체동압베어링의 성능판단의 기준으로 하였다.