电脑硬盘电机用滚动轴承

刻痕噪声 杂质噪声
套圈噪声对轴承而言是固有的 ,它明显地影 响 HDD 的噪声性能 ,为了减小它 ,可以对轴承的 结构进行优化 ;另一个明显地影响 HDD 噪声性能
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6 保持架
表 4 列出了保持架制造使用的聚酰胺塑料 (尼龙 66) 材料的力学性能 。表 5 比较了尼龙 66 和钢之间的动态摩擦系数 。
图 9 和图 10 比较了轴承用冲压钢保持架和 塑料保 持 架 运 转 的 噪 声 水 平 , 轴 承 的 内 径 为 6 mm 。
结果表明 ,随着时间的延长 ,塑料保持架噪声
图 9 保持架和轴承的噪声 (中频)
图 10 保持架和轴承的噪声 (高频)
试验条件 : 试验轴承 :696 环境 :60 ℃,相对湿度 70 % 转速 :1 800 r/ min 预载荷 :19. 6 N 润滑剂 :VTG 脂 因此 ,塑料保持架的很多优点有利于提高轴 承 、电机及 HDD 的 可 靠 性 , 所 以 极 力 推 荐 用 于 HDD 轴承 。
性能优于冲压钢保持架 。
《轴承》2000. №. 11
在通常的脂润滑轴承中 ,脂约占轴承内部空 间的 20 %～30 %。然而在 HDD 轴电机轴承中 ,脂 仅占内部空间的 10 %～20 %。
这样的低含量对满足低力矩 、低排出粒子和 低 NRRO 值是必需的 ,但却不能提供良好的润滑 条件 ,而利用塑料保持架的高自润滑性有助于缓 和润滑剂少而造成的负面影响 。
轴承中的保持架的作用是以等间距隔开和容 纳球 ,但它与球的接触完全是滑动的 。如果在球 与保持架之间不能提供良好的润滑 ,滑动接触会 导致磨损 。尤其是轴承受力矩载荷或内外圈相对 倾斜时 ,磨损就特别容易发生 。在上述两种情况 下 ,由于球和球之间接触角的差别使其公转速度 不一样 ,导致球和保持架反复的碰撞 (如图 8 所 示) 。
图 7 695 轴承噪声水平的提高
图 6 轴承的噪声耐久性 (高频带)
转速 (即保持架的转速) 高于内圈旋转时球组的转 速 ,两者之比为 (1 +γ) / (1 - γ) (γ对结构一定的 轴承为常数) ,因此作用在润滑脂上的离心力较 大 ,特别是电机转速很高时 。当离心力较大时 ,脂 中的基础油 ,包括脂本身可能从套曲之间渗漏出 来 。由于 HDD 轴电机轴承的运转可靠性要求高 , 脂的逐渐损失可能变成一个灾难性的问题 。因此 外圈旋转的轴承需要具有双重密封能力的橡胶密 封圈 。
9
4
1. 588
7
640
225
B4 - 50A
1
1
4
9
2. 6
1. 588
7
640
225
B4 - 55
1
4
9
2. 6
1. 2
10
500
209
B4 - 60
1
4
8
2
1
10
360
148
表 2 中的某些轴承内 、外径均相同而球径和 球数不同 。提供这样的选择是为了避免 HDD 或 HDD 轴电机与轴承运动时产生共振 。注意表中
参考文献
1 Mamoru Aoki , etc. Rolling Bearings for Hard Disk Spindle
金属
内径 d 外径 D 宽度 B 球径 Dw 球数 Z
Cr
Cor
轴承编号 密封圈/ 个 防尘盖/ 个 / mm
/ mm
/ mm
/ mm
/个
/N
/N
696
2
2
6
15
5
2. 778
7
1730
670
B6 - 84
2
2
6
15
4
2. 380
8
1470
605
B6 - 94
2
2
6
15
4
2
10
1260
570
695
2
低噪声
长寿命
HDD 轴电机
薄电机 低 NRRO 高速旋转 污染小 低噪声 高的耐冲击性 长噪声寿命
滚动轴承
紧凑和减小宽度 低 NRRO 高速旋转
排出粒子少 低噪声
高的耐冲击性 长噪声寿命
低功耗
低功耗
低力矩
低费用
低费用
低费用
注 :NRRO 非重复性跳动 。
表 2 HDD 轴电机轴承
NSK
橡胶
图 11 轴承的噪声耐久性 (中频) ·37 ·
《轴承》2000. №. 11
及图 12 是几种润滑脂在高温和高速时的试验结 果。
超过 80 ℃的高温 。NSG 脂是通过改进 NSC 脂的 高力矩特性而开发的 ,它同时保持了 NSC 脂能用 于高温的特点 。在高温下 ,NSG 脂比 NS7 脂的寿 命长 ,因此推荐其用于高温高速 HDD 轴电机 。
《轴承》2000. №. 11
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电脑硬盘电机用滚动轴承
哈尔滨轴承集团公司 (黑龙江哈尔滨 150003) 邱 雁 罗 燕 刘丽娟 洛 阳 轴 承 研 究 所 (河 南 洛 阳 471039) 刘春浩
随着个人电脑的迅猛发展 ,其硬盘的需求量 也在不断增加 。对电脑厂商而言 ,竞争的焦点是 不断减小硬盘驱动器 ( HDD) 的尺寸和增大容量 。 一般球轴承的作用是传递力 ,而电脑中的轴承要 保证信息的准确传送 ,要满足这种独特的功能要 求就必须对轴承的结构参数 、润滑脂 、密封圈和保 持架进行特殊设计 。本文主要介绍 NSK 所开发 的 HDD 轴电机轴承目前的状况 。
1 对轴承的要求
表 1 为电脑对 HDD 轴电机及轴承的要求 。
2 HDD 轴电机轴承的尺寸
对于小尺寸 HDD 和薄 HDD 轴电机来说 ,要
求选用窄宽度系列的滚动轴承 ,如表 2 所示 。
表 1 与 HDD、HDD 轴电机和轴承有关的 性能要求和趋势
HDD 减小尺寸 磁道密度高 存储容量大 可靠性高
图 12 轴承的噪声耐久性 (高频)
试验条件 : 试验轴承 :695T12VV 数量 :18 套/ 种 旋转速度 :12 000 r/ min 外圈旋转温度 :90 ℃,不控制湿度 预载荷 :19. 6 N 除了 HDD 轴电机在高速旋转时发热以外 ,由 于硬盘的风阻也会产生相当大的发热 ,并影响电 机内的轴承温度 。这种电机中的轴承必须能经受
NRRO 值有三种主要成分 ,通过频率分析 ,把 它们按照量级从大到小排列如下 :
(1) 球组公转及保持架绕轴承轴线旋转产生 的振动 。
(2) 外圈和内圈旋转时产生的振动 。 (3) 球绕自身轴向旋转产生的振动 。
图 1 轴承 NRRO 值的测量方法
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4 高速轴承密封型式的选择
图 4 轴承随时间的重量损失
薄型电机采用的普通窄宽度轴承 ,密封设计 为单面密封 ,外圈高速旋转的 HDD 轴承 ,推荐使 用双面密封 。在轴承中 ,由于外圈旋转时球组的
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《轴承》2000. №. 11 图 5 轴承的噪声耐久性 (中频带)
的是滚动表面波纹度引起的噪声 ,改进的方法是 改善表面的粗糙度以及球和内外圈滚道的波纹 度 ,这要求非常先进的制造技术 。图 7 所示为 695 轴承在近几年来噪声水平 。
图 4 所示为金属防尘盖和橡胶密封圈在结构 上的差异 。在图 5 中 ,比较了使用金属防尘盖和 橡胶密封圈的轴承在使用后的重量损失 。试验条 件如下 :试验轴承 :带密封圈轴承 - 696T12AVV。
带防尘盖轴承 - 696T12AZZ1 。 数量 :每种 18 套 旋转速度 :10 000 r/ min 外圈旋转 温度 :70 ℃,不控制湿度 注意 :安德鲁值代表内圈旋转时外圈的径向 振动速度值 图 6 和图 7 所示为轴承的噪声耐久试验结 果 ,试验条件同上 。比较图 5 、图 6 、图 7 可以清楚 地看到轴承重量损失则相应的噪声变大 ,且橡胶 密封的噪声耐久性优于金属防尘盖 。需注意的 是 ,对于普通用途的轴承 ,上述的噪声性能的差异 可以忽略不计 。
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某些轴承的指定用途 :6 mm 内径轴承常用于高端 电脑的 HDD 轴电机 ;5 mm 内径轴承用于桌面电 脑的 HDD 轴电机 (88. 9 mm) ;4 mm 内径轴承用于
63. 5 mm HDD 轴电机 。
3 轴承的 NRRO 值
随着 HDD 存储容量的提高 ,所用轴承要具有 更低的 NRRO 值 ,图 2 为测量单套轴承 NRRO 值 的一种方法 ,球轴承安装在一个空气轴承上由直 流电机 驱 动 。使 用 这 种 方 法 测 量 了 一 种 典 型 HDD 轴电机轴承 (695A2 ,内径 5 mm) 的 NRRO 值 , 测量结果如图 3 分布 。该轴承的平均 NRRO 值为 0. 05mm ,它只有十年前的 ∀? ,五年前的 ∀− 。这表 明随着硬盘转速的提高 ,其性能的改进也取得了 明显的进步 。
旋转 (尼龙 66)
旋转 (钢)
固定 (尼龙 66)
0. 08
0. ห้องสมุดไป่ตู้0
固定 (钢)
0. 19
0. 45
注 :载荷 :81. 3 kPa ,速度 62 mm/ s。
表 6 试验润滑脂的性能
润滑脂
NS7
NSC
NSG
增绸剂
锂皂基 锂皂基 锂皂基
基油
多元醇脂 多元醇酯 多元醇脂
二元酸酯 二苯基脂
表 4 塑料保持架的力学性能
干燥
湿度 2. 5 %
抗弯模量/ MPa
4540
2580
抗拉模量/ MPa
3430
2550
冲击强度/ J ·cm - 2
37. 2
99. 0
热变形温度/ ℃
233
215
线膨胀系数 熔点/ ℃
5 ×10 - 5 253～263
密度/ kg·m - 3
1. 21
表 5 尼龙 66 和钢的动态摩擦系数
2
5
13
4
2
8
1080
430
695A2
2
2
5
13
4
1. 588
10
830
365
B5 - 39
1
1
5
13
3
2
8
1080
430
B5 - 43
2
2
5
13
3
1. 588
10
830
365
B5 - 44
1
1
5
13
3
2
7
980
365
MR115B
2
2
5
11
4
1. 588
8
715
276
684A - A - 1 2
2
4
7 润滑脂
适合用于 HDD 轴电机滚动轴承的润滑脂需 具有长寿命 、低噪声 、低力矩及低排出粒子等特 性。
经过可靠的等级选择 ,已确定很多脂可以满 足 HDD 轴电机的要求 。现在最常用的是 NS7 脂 。 这种润滑脂性能见表 6 。
为应用于高速 、高温 HDD 轴电机 ,进行了新 等级润滑脂的开发 ,并取得了稳定的进展 。图 11
图 8 由于套圈歪斜的钢球公转速度分布
冲压钢保持架如果发生磨损 ,因磨损产生的 金属粒子不仅会进一步加速磨损 ,而且造成滚道 (滚动面) 损伤 。最终导致轴承和电机噪声的升 高。
应该注意到 ,这种滚动面的损伤及轴承和电 机噪声升高的量级很小 ,对一般电机和轴承来说 完全可以忽略 ,而对 HDD 有影响表明 HDD 电机 应用的严格程度 。在很多情况下 ,正是由于滚动 面上钢球磨损环带的出现使 HDD 电机轴承产生 问题 。
为了使 HDD 的数据传输速度更快 , HDD 轴 电机的转速已经提高到 10000 r/ min 以上 。此外 , 在减小 HDD 尺寸及开发更薄 HDD 轴电机的同 时 ,外圈旋转的滚动轴承使用增多 ,当外圈在高速 下旋转时 ,金属盖和外圈防尘盖之间的密实性不 足以防止润滑脂的泄漏 。故促使了密封圈的使 用 ,密封圈具有较大的柔韧性和恢复力 ,且保证了 足够的密封 ,减小了脂的泄漏 。此外 ,橡胶密封圈 有助于限制漏气 —即粒子排放问题 ,但橡胶类型 的选择要合适 。
基油动力粘度 40 ℃ 26. 0
53. 0
33. 2
/ mm2·s - 1 100 ℃ 5. 1
8. 3
6. 0
滚动轴承常用塑料聚酰胺保持架 ,因为它有 如下特点和优点 (表 7) 。
特 点
高自润滑性
有恢复力 重量轻 低摩擦系数
表7
优 点
抗磨性好 ,保持架自激振动产生的 噪声似乎更小 偏斜适应力好 适合高速运转 降低力矩
5 噪声
用户和厂商要求 HDD 轴电机和其中的轴承 在工作时具有尽可能小的噪声 。轴承中产生的噪 声通常按表 3 进行分类 :
表3
套圈噪声
轴承结构固有噪声
滚动体落下噪声
球
轴 承
轴承安装后产生的噪声
的
噪
声 与轴承精度有关的噪声
啸声 蜂鸣声 轴承座共振噪声 滚动表面波纹度引起的噪声 保持架噪声
轴承使用不当引起的噪声
图 3 金属防尘盖和橡胶密封圈的结构
图 2 5 mm 内径轴承的典型 NRRO 值的分布
已知 (1) 是由于各个球的直径差及保持架和球之 间的间隙不同造成的 ,其余两种与零件的精度有 关 。为进一步减小 NRRO 值 ,必须把球 、外圈和内 圈滚道的制造精度提高到 nm 级水平 ,并开发保 持架的优化设计方法 。