저널과 스러스트가 연성된 유체 동압 베어링의 가공 오차를 고려한 스핀들 시스템의 특성 해석

Abstract

베어링은 회전축을 지지하는 기계 요소로서 회전체와 고정체 사이의 미끄럼 요소 로 윤활유를 사용하는 베어링을 유체 베어링이라 한다. 특히 외부 장치에 의해 압력 을 부가하지 않고 베어링 표면의 형상과 운동에 의한 쐐기 효과(wedge effect)를 이용 하여 부하 용량(load capacity)을 얻는 유체 베어링을 유체 동압 베어링(Fluid Dynamic Bearing, FDB)이라 한다. 유체 동압 베어링은 윤활 유체에 의한 감쇠 효과와 함께 회 전부와 정지부 사이의 고체 접촉이 없어 우수한 진동 및 소음 특성을 제공한다. 따라 서 최근에는 대부분의 정보 저장 장치에 유체 동압 베어링이 사용되고 있다. 본 연구에서는 저널과 스러스트가 연성된 유체 동압 베어링의 가공 및 조립 오차 를 고려한 스핀들 시스템의 동적 거동 해석을 수행하였다. 유체 동압 베어링의 대표 적인 가공 및 조립 오차로는 슬리브의 원통도, 축과 스러스트 사이의 수직도 그리고 회전축의 진원도 오차가 있다. 유체 동압 베어링은 대체로 반경 방향 하중을 지지하 는 저널 베어링과 축 방향 하중을 지지하는 스러스트 베어링으로 구성되어 있다. 슬 리브의 원통도와 회전축의 진원도는 저널 베어링의 성능에 영향을 미치며 축과 스러 스트 플레이트 사이의 수직도는 스러스트 베어링의 성능에 영향을 미친다. 본 연구를 위해 가공 및 조립 오차에 따른 저널과 스러스트 베어링의 유막 두께 변화를 계산하 였으며, 이를 통해 유한 요소법을 이용하여 레이놀즈 방정식을 계산하였다. 또한 유 체 동압 베어링의 유막 반력과, 불평형 질량에 의한 원심력, 축 방향 자기력 및 중력 등을 포함하는 회전축의 6자유도 운동방정식을 유도하고 이를 해석함으로써 스핀들 시스템의 동적 거동 해석을 수행하였다. 본 논문에서 원통도와 수직도의 변화에 따른 스핀들 시스템의 동적 거동 변화에 대하여 고찰하였으며, 가공 및 조립 오차의 영향을 최소화 시킬 수 있는 방안에 대하 여 제안하였다. 또한 회전축의 진원도 오차에 따른 스핀들 시스템의 조화 성분의 변 화를 해석하였으며, 조화 성분들에 대하여 고찰하였다.; This paper investigates the whirling, tilting and axial motions of a HDD spindle system due to manufacturing errors of fluid dynamic bearings (FDBs). HDD spindle whirls around the sleeve with tilting angle due to the centrifugal force of unbalanced mass and the gyroscopic moment of rotating spindle in addition to axial motion. The whirling, tilting and axial motions may be increased by the manufacturing errors of FDBs such as imperfect cylindricity of sleeve bore, imperfect roundness of a shaft, or imperfect perpendicularity between shaft and thrust plate. They increase the disk run-out to limit memory capacity and they may result in the instability of the HDD spindle system. This paper proposes the modified Reynolds equations for the coupled journal and thrust FDBs to include the variable film thickness due to the cylindricity of sleeve bore, the perpendicularity between shaft and thrust plate and the roundness of a shaft. Finite element method is used to solve the modified Reynolds equation to calculate the pressure distribution. Reaction forces and friction torque are obtained by integrating the pressure and shear stress, respectively. The whirling, tilting and axial motions of the HDD spindle system are determined by solving the equations of a motion of a HDD spindle system in six degrees of freedom with the Runge-Kutta method. The result shows that the imperfect cylindricity and perpendicularity increase the whirl radius, axial run-out and tilting angle of the HDD spindle system. However, the degradation of dynamic performance due to the imperfect perpendicularity between shaft and thrust plate can be improved by allowing the other manufacturing error of the cylindricity of sleeve bore in such a way to compensate the bad effect of the imperfect perpendicularity. It also shows that the imperfect roundness of the shaft increase the nonlinearity of FDBs. It generates the bearing reaction force and the displacement with the harmonics of rotational frequency. Especially, it increase the amplitudes corresponding to groove number ±1 even in the case of stationary grooved model.