Analysis of static/dynamic characteristics of journal bearing with asymmetric groove

2004. 02. 28.

발표자 : 이상훈

2004. 02. 28. 이상훈2

목차

1. 연구 목적

2. 연구 내용2.1. Asymmetric groove bearing 의 정 / 동특성 해석 2.2. Bearing 폭 조절에 따른 회전체 거동의 개선2.3. 고속 스핀들 시스템의 베어링 설계

3. 향후 연구 방향

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1. 연구 배경

연구 배경– HDD 의 소음 저감 및 안정성 향상을 위한 FDB 연구가 활성화

– FDB 의 장점• 고체간 직접접촉의 방지 내소음성 , 내충격성 • 높은 damping 특성 진동 특성 향상

– FDB 의 문제점• 높은 마찰 토크

베어링 면적을 감소 : 마찰토크 감소 , 강성 및 감쇄 계수 감소마찰토크를 저감시키며 강성 및 감쇄 계수가 증가하는 방법 필요

• Whirling, flying, tilting 거동

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제안된 개선 방안– 편심률의 증가

마찰토크를 일정하게 유지하며 강성 및 감쇄 계수는 증가

– 편심률을 증가시킬 수 있는 방법• 불평형 질량 증가• 반경방향의 정하중 작용• 베어링 내의 압력분포 조절을 통한 편심 발생

– 저널 베어링의 길이를 조정하여 whirling 및 tilting 의 크기 저감

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2. 연구 내용2.1. Asymmetric groove bearing 의 정 / 동특성 해석 Asymmetric groove bearing

– 기존 herringbone journal bearing 의 groove 배치를 변경

< Conventional model >< Conventional model > < Asymmetric model >< Asymmetric model >

Ridge Groove

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해석 모델

Model 1 – conventional model

45˚

67.5˚ 45˚ 45˚ 22.5˚

Model 2

67.5˚ 22.5˚67.5˚

Model 3

112.5˚ 22.5˚

Model 4

202.5˚22.5˚

Model 5

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해석 방법– FEM 을 이용한 Reynolds 방정식 해석 (HYBAP) 베어링 반력 , 마찰토크– 운동방정식과 연계하여 transient 해석 equilibrium point

– FEM 을 이용한 평형점에서의 perturbation 방정식 해석 (HYBAP) 강성 및 감쇄 계수

해석 대상

Journal mass [g] 48.011

# of grooves [ea] 8

Clearance [m] 2.5e-006

Groove angle [deg.] 26

Rotating speed [rpm] 10000

Viscosity [Pa-s] 0.016

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과도 해석 – 불평형 질량이 없는 경우– 1 g-mm 의 불평형 질량이 존재하는 경우

< Model 1 >< Model 1 > < Model 5 >< Model 5 >

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해석 결과

– 불평형 질량이 없는 경우

Model 1 Model 2 Model 3 Model 4 Model 5

Ecc. 0.00 0.08 0.09 0.17 0.22

Fric. torq. 5.97E-04 5.98E-04 5.98E-04 6.02E-04 6.04E-04 (1.17%)

Kxx 7.39E+06 7.45E+06 7.20E+06 8.90E+06 9.87E+06 (33.3%)

Kxy 7.20E+06 7.72E+06 8.82E+06 1.16E+07 1.05E+07 (42.7%)

Cxx 1.35E+04 1.45E+04 1.72E+04 2.33E+04 2.03E+04 (46.9%)

Cxy -8.41E-05 -2.53E+02 -1.28E+03 -4.06E+03 -3.08E+03 (1217%)

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Model 1 Model 2 Model 3 Model 4 Model 5

Min Max Min Max Min Max Min Max Min Max

Ecc. 0.04 0.04 0.04 0.12 0.06 0.13 0.14 0.21 0.19 0.25

Fric. torq. 5.97E-04 5.97E-04 5.97E-04 6.00E-04 5.97E-04 6.00E-04 6.00E-04 6.05E-04 6.01E-04 6.07E-04

Kxx 7.38E+06 7.39E+06 7.23E+06 7.64E+06 6.55E+06 6.92E+06 6.55E+06 8.43E+06 1.08E+07 1.30E+07

Kxy 7.21E+06 7.22E+06 7.78E+06 7.87E+06 8.18E+06 8.40E+06 1.17E+07 1.28E+07 1.34E+07 1.45E+07

Cxx 1.35E+04 1.35E+04 1.47E+04 1.51E+04 1.67E+04 1.75E+04 2.42E+04 2.65E+04 2.69E+04 2.97E+04

Cxy -1.22E+01 -5.21E+00 1.63E+01 8.12E+01 1.43E+03 1.35E+03 1.76E+03 9.73E+02 -4.01E+03 -3.34E+03

Whirl radius [nm]

109.2 104.0 98.9 83.8 75.3

해석 결과

– 불평형 질량 1gmm 가 존재하는 경우

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스핀들 모터의 무게중심이 상 - 하부 journal bearing 의 span 중심과 일치하지 않기 때문에 conical 형태의 tilting 운동 발생

Tilting 을 저감하는 시스템 설계를 통해 axial runout 저감 필요

Mass center [m] 8.373e-003

Span center [m] 6.475e-003

Bearing2 journals

(conventional)2 thrusts

Type herringbone herringbone

# of grooves 8 16

Radius [m] 1.995e-003 1.3 to 2.6e-003

Clearance [m] 2.5e-006 18e-006

Groove to groove-ridge ratio

0.25 0.5

< Mass center< Mass center 와 와 Span centerSpan center 의 위치의 위치 >>

M.C.S.C.

2.2. Bearing 폭 조절에 따른 회전체 거동의 개선

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Bearing 폭 변화에 따른 해석 결과

Case 1 Case 2 Case 3

Rotor mass [g] 48.011 48.011 48.011

Width [mm]Upper J

Lower J

2

2

2.4

2

2.4

1.6

Friction torque [Nm] 1.801e-003 1.919e-003 1.801e-003

Whirl radius [nm] 29.35 20.09 20.72 (-29.4%)

Tilting angle [degree] 2.581e-004 1.417e-004 7.172e-005 (-72.6%)

Axial displ. at the end of disk due to tilting angle [nm]

213.9 117.5 59.46 (-72.2%)

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스핀들 시스템의 설계 조건– Rotating-shaft type

– 회전 속도 10krpm, 1 disk 장착– 베어링 : Herringbone, Full-filled type

– 기준 모델 : Samsung P120

– Asymmetric groove bearing 사용 강성 및 감쇄 계수 증가– 베어링 폭 최적화 tilting 거동 저감

2.3. 고속 스핀들 시스템의 베어링 설계

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< Rotating part of FDB spindle motor >< Rotating part of FDB spindle motor >

x

z

M.C.

Journal bearing

Thrust bearing

Rotor mass [g] 27.72

Mass unbalance (1 disk)[gmm] 0.506

Location along z

direction

[mm]

Mass center 8.240

Upper journal 9.325

Lower journal 2.985

Upper thrust 2.235

Lower thrust 0.000

Journal Thrust

# of grooves [EA] 8 12

Clearance [um] 3.15 18

Groove angle [deg.] 26 25

Viscosity [Pa-s] 0.018 0.018

< System< System parameters >parameters >

< Bearing< Bearing parameters >parameters >

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폭 ecc Kxx Kxy Cxx Cxy

Upper 2.4 0.01 5.1657e+06 6.2415e+06 1.5801e+04 8.1419e-01

Lower 1.5 0.006 2.1261e+06 1.6659e+06 4.3376e+03 1.1624e-01

< Stiffness and damping coefficients of symmetric groove bearing at 7200 rpm >< Stiffness and damping coefficients of symmetric groove bearing at 7200 rpm >

정상상태에서 7200rpm 의 symmetric groove bearing 의 기준 강성과 비슷한 수준의 강성을 갖도록 상부 베어링 폭 조절 – 베어링 폭을 2.5mm 의 85~90% 로 두었을 때 최소 변위에서의

강성이 기준 강성과 유사– 상부 저널 베어링의 폭을 2.1mm, 2.2mm 로 제안– 동적 평형점 추정을 통해 1.4~0.9mm 의 폭을 갖는 하부 저널베어링

모델에 대한 동적 경향 파악

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Offset angle– Asymmetric groove bearing 을 사용하는 경우 tilting 의 평균값이 0

이 아님– 저감 방안 : 상하부 저널 베어링의 groove 에 위상차를 줌

< Result of transient analysis >< Result of transient analysis >

< Location of grooves in upper and lower< Location of grooves in upper and lowerjournal bearing >journal bearing >

Upper journal

Mass center

Lower journal

Offset angle

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* 2.1 – 1.3

상부 저널 베어링 폭

하부 저널 베어링 폭

베어링 폭 및 groove 위상차에 의한 Offset angle 및 tilting angle 추정

2.1 – 1.2(shifted by 452.1 – 1.2(shifted by 45°)°)2.2 – 1.3(shifted by 45°)2.2 – 1.3(shifted by 45°)2.2 – 1.2(shifted by 45°)2.2 – 1.2(shifted by 45°)

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Transient 해석– 상하부 베어링 폭이 2.1/1.2, 2.2/1.3, 2.2/1.2 mm 인 asymmetric groove

bearing 을 사용하는 모델의 과도 거동 해석

– Symmetric groove 를 사용하는 모델과 비교

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Average whirl radius [m]

2.1/1.2 - sym 2.2/1.2 - sym 2.1/1.2 - asym 2.2/1.3 - asym 2.2/1.2 - asym

5.6305e-008 5.1470e-008 4.2880e-008 3.7876e-008 3.8932e-008

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2.1/1.2 - sym 2.2/1.2 - sym 2.1/1.2 - asym 2.2/1.3 - asym 2.2/1.2 - asym

1.7321e-004 1.3725e-004 1.3782e-004 1.4756e-004 1.0370e-004

Average tilting [degree]

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강성 및 감쇄 계수 비교

Symmetric model Asymmetric model

Upper

(7200)

Lower

(7200)

Upper

(10k)

Lower

(10k)Upper Lower

Width 2.4 1.5 2.2 1.2 2.2 1.2

ecc 0.01 0.006 0.02 0.01 0.2 0.27

Kxx 5.17E+06 2.13E+06 6.16E+06 1.81E+06 7.93E+06 1.77E+06

Kxy 6.24E+06 1.67E+06 6.87E+06 1.20E+06 1.10E+07 2.71E+06

Kyy 5.17E+06 2.13E+06 6.16E+06 1.81E+06 5.99E+06 2.13E+06

Cxx 1.58E+04 4.34E+03 1.25E+04 2.31E+03 2.11E+04 5.54E+03

Cxy 8.14E-01 1.16E-01 2.51E+00 2.54E-01 -1.29E+03 7.73E+02

Cyy 1.58E+04 4.34E+03 1.25E+04 2.31E+03 1.58E+04 3.61E+03

Tf 4.62E-04 2.89E-04 5.89E-04 3.22E-04 5.93E-04 3.33E-04

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베어링 선정– 상하부 베어링 폭 : 2.2 / 1.2 mm

– Groove shift angle : 45

– Symmetric groove 에 비하여• 강성 및 감쇄 약 20~30% 증가 예상 • Whirl 크기 약 20% 감소 예상• Tilting 크기 약 20% 감소 예상• 마찰토크 약 1.6% 증가 예상

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3. 향후 연구 방향

베어링의 강성 및 감쇄 계수에 의한 시스템 고유진동수 변화 고찰

Asymmetric groove bearing 을 사용하는 스핀들 시스템의 충격응답 해석 – Damping 이 커졌기 때문에 충격에 둔감하리라 예상

Proto-type 제작을 위한 설계도 작성