专利名称:精密心轴的制作方法
本发明涉及精密心轴总承，并特别涉及耦合到轴承总承的心轴。
数据盘驱动装置的心轴总承装有数据盘并以与读写数据相容的相当高速度旋转数据盘，以减小存取数据的时间。由于数据轨道密度及线性位密度日益增加，要求精密心轴总承能精确地旋转数据盘。当这些数据密度继续增大时，以可重复的径向摆动的大小来测量的心轴性能特别重要。如果摆动量大则当数据盘旋转时，数据读写头需要随着数据轨道的变动在径向上运动。使该头随数据轨道作径向运动变得非常复杂是因为数据密度越大则要求的精度越高。造成摆动的最大因素之一是心轴的外径与轴承总承的内座圈之间存在间隙。
减小摆动的已有方法包括在轴承总承与轴之间使用压入配合，使用填隙片或当在精密安装中定向时使用粘合剂将轴承粘接到轴上。然后使数据盘格式化。进一步减少摆动的努力包括选配技术如使用匹配成对的轴承总承。这些程序是昂贵且费时的。
在英国专利548，690号、美国专利3，776.651号(发明人彼得等)，及美国专利608，178号(发明人科恩)中，可以看到将套筒膨胀以便分别卡紧工件、轮毂及轨道。在发明人为福勒的美国专利3，670，315号中将装在心轴上的可胀的夹套胀开以便将存贮盘总承安装到心轴上。用膨胀技术将心轴固定到轴承总承的内座圈上则尚未为人们所知。
精密心轴总承有一心轴配置在两个隔得较远的轴承总承之间。心轴的直径略小于轴承总承内座圈的直径。心轴上的径向可胀的轴段位于装配时心轴与轴承总承的内座圈的接触处。心轴的可胀的轴段在其弹性范围内均匀地胀开并与轴承总承的内座圈作摩擦接触。心轴均匀而可重复的膨胀实际上可使由于心轴和内座圈连接所产生的径向可重复摆动量为零。
心轴的可胀的轴段是轴上通孔的一部分，且其形状为圆锥形。可胀的轴段最好与心轴的外表面及从孔向外向着心轴的各端的开口同心。利用固定螺钉将球面如一个便宜的滚珠轴承压入圆锥段，该固定螺钉的螺纹部分与位于孔的每一端的孔内带螺纹部分相啮合。每个固定螺钉有一个平面作用在球上，以便使从螺钉传给球的旋转力变得最小。将球压入圆锥段使得心轴均匀地膨胀与轴承总承的内座圈相接触。加到固定螺钉上的力矩足以在胀开的心轴及轴承总承的内座圈之间产生轴向及径向保持力。这些保持力全都是将心轴保持在轴承总承内所要的位置上所需要的。
在一最佳的实施例中，将数据盘耦合到心轴总承上。然而将心轴总承经心轴的可胀的轴段耦合到轴承总承。因为心轴围绕其旋转轴均匀膨涨，且由轴和内座圈连接所引起的径向摆动量实际为零，故在心轴总承装进轴承总承前进行数据盘的格式化及平衡。将轴承总承耦合到底座铸件上，其上装有读写头，用于格式化活动。格式化活动迄今是制造数据盘驱动期间最费时的任务，因为读写头及使该头运动的臂要适合于顾客使用，但是在生产上用时只有快速才能实用。在心轴总承装入底座铸件内之前，平行于主生产线使用较快速的写入装置使心轴总承上的数据盘格式化，则数据盘驱动装置的制造时间可大为缩短，且是生产线的生产能力增加。
除去使径向可重复的摆动大为减少的优点之外，通过消除因心轴固装到轴承上所产生的不平衡，心轴的均匀且可重复的膨胀可减少心轴总承中的旋转不平衡，轴膨胀的均匀性保证了旋转轴与心轴上胀开的外表面同心。故当检查步骤较容易时，在心轴总承装入底座铸件内之前要采取措施减小振动如使数据盘平衡。
由于心轴膨胀所带来的另一优点是可去掉在轴承总承中起作用的轴承偏置弹簧。在轴承总承的外座圈之间放有圆柱形隔圈和在内座圈上加有预加载力。然后使可胀的轴段膨胀与轴承总承的内座圈成有保持力的接触，不用弹簧就可有效地在轴承总承中起作用。
附图是轴承总承上精密心轴的垂直轴向剖面图，上述心轴的在轴向隔开的可胀的轴段与轴承总承相连。
在图中盘驱动装置一般以(12)指示。心轴总承[12]配置在盘驱动总承[10]之内，其心轴[14]的第一端为[15]，而第二端为[16]。心轴[14]上有钻穿的孔[18]，其第一圆锥段[20]轴向上与第二圆锥段[22]隔开。圆锥段[20]及[22]从孔[18]分别向第一端[15]及第二端开口。
将第一轴膨胀装置如与固定螺钉[25]相连工作的球[24]定位在第一圆锥段[20]上，以便使轴的外表面在圆锥段[20]的区域附近膨胀。将第二轴膨胀装置如与固定螺钉[27]相连工作的球[26]定位在第二圆锥段[22]，以便使轴的外表面在圆锥段[22]的区域附近膨胀。第一及第二固定螺钉[25]及[27]的螺纹与在轴[14]的每一端附近的孔[18]内的相应螺纹[29]及[31]相互作用。第一及第二固定螺钉[25]及[27]是从第一及第二球[24]及[26]分别向轴[14]的第一及第二端就位。固定螺钉[25]及[27]的拧紧(如用方孔螺钉头用板手拧紧)使第一及第二球[24]及[26]在轴向被压入到其各自的圆锥段[20]及[22]的较狭部分，以便均匀地在圆锥段附近在轴的弹性范围内在径向上使心轴[14]膨胀。球[24]及[26]还可用作阻止球，用以防止空气经孔[18]流动。
心轴[14]插入到第一轴承总承[30]及在轴向上隔开的第二轴承总承[32]内。第一及第二轴承总承[30]及[32]分别包括第一内座圈[34]及第二内座圈[36]。将圆锥段[20]及[22]膨胀成与第一内座圈[34]及第二内座圈[36]作摩擦接触。在适当方向上拧各自的固定螺钉[25]及[27]将球[24]及[26]压入到圆锥段[20]及[22]内会造成膨胀。内座圈[34]及[36]在其膨胀部分附近在圆周上直接与心轴[14]接触。心轴[14]的直径仅仅略小于轴承总承[30]及[32]的内座圈[34]及[36]的直径，因而当在心轴的弹性极限之内膨胀时心轴[14]保持轴向及径向保持力。螺母[37]经带螺纹的部分[31]耦合到轴[14]，以便提供与电动机的连接面[39]，该电动机可将旋转能量提供给心轴总承[12]。
轴承总承具有第一及第二外座圈[38]及[40]他们最好在插入心轴[14]之前用粘接剂或压入耦合到底座铸件[50]。用多个在轴承总承的内座圈及外座圈之间伸展的环形密封件[51]将轴承总承[30]及[32]密封。外座圈[38]及[40]在装于底座铸件[50]上的圆柱形底座铸件塔[52]的内表面上与底座铸件[50]相耦合。圆柱形隔圈[54]被定位在邻近底座铸件塔[52]的内表面处及在轴承总承[30]及[32]的外座圈[38]及[40]之间，以便保持在轴承总承[30]及[32]之间所要求的间隔及平行度。
在心轴[14]膨胀期间，带螺纹部分[31]将心轴[14]拉向其第二端[16]，此时在第二轴承总承[32]的内座圈[36]上加有方向指向第一端而大小相等的力。这些力是利用第一空心圆柱体(图中未画出)及较大的第二空心圆柱体加上的，其中第一空心圆柱体的外螺纹与螺纹部分[31]相啮合，较大的第二空圆柱体与第一圆柱体同心并且一端与内座圈[36]相配合。这些圆柱体用弹簧耦合，因而当内圆柱体拧入带螺纹部分[31]时，第二圆柱体在第二轴承[32]上加有所需要的力，力的方向指向轴[14]的第一端。
心轴[14]有一凸缘[60]经环形隔圈[62]与第一轴承总承[30]的内座圈[34]相接触。当将第二轴承总承[32]推向第一端[15]时拉心轴[14]朝着它的第二端[16]会迫使第一轴承总承[30]及第二轴承总承[32]到一起。当心轴[14]膨胀成与内座圈[34]及[36]作轴向及径向有保持力的接触时，轴承总承[30]及[32]处于预加载状态，轴承总承内的松动处被拉紧，不用弹簧就减少轴向摆动。
由于有隔圈[54]作用在轴承总承[30]及[32]的外座圈[38]及[40]上，不是作用在内座圈[34]及[36]上，轴承总承[30]及[32]的垂直度提高。当隔圈与内座圈接触时，隔圈的尺寸与标称尺寸之差值显示出几乎为外座圈处差值的两倍。将隔圈[54]运动到与外座圈[38]及[40]相接触的能力导致隔圈[54]的尺寸与标称尺寸的差值的1∶1变换。轴承总承[30]及[32]的精确垂直度还进一步减少摆动量。
在一最佳的实施例中，心轴总承[12]支持多个由隔圈[72]分开的数据盘[70]。数据盘[70]及隔圈[72]用夹紧环[74]固定到心轴总承[12]。最好在心轴总承[12]用轴承总承[30]及[32]耦合到底座铸件[50]之前使数据盘表面格式化。在心轴总承[12]装配到底座铸件[50]上之前进行数据盘[70]的格式化是可能的，因为心轴总承[14]是均匀地膨胀到轴承总承[30]及[32]的内座圈[34]及[36]的。利用心轴[14]的外边缘作为精密孔的参考或数据，就可使用高速数据传感器或数据头实行数据盘[70]的格式化。使用在心轴[14]两端并在[76]及[78]处有倒角的孔[18]作为使数据盘[70]格式化的数据也是可能的。在此情况下，将直径比孔[18]两端的直径较大的精密空气轴承部分地插在倒角[76]及[78]内使心轴总承[12]围绕孔[18]的轴与数据盘[70]一起旋转，该孔最好基本上与心轴的外表面同心。
第一圆锥部分[20]最好有一个不会将球[24]锁住的总夹角。已发现总夹角为30度就不会锁住，此外足够平缓变化可对由固定螺钉[25]加到球[24]上的轴向力提供足够大的径向放大。
第二圆锥部分[22]的总夹角小到足以将球[22]锁住。已发现总夹角为10度就可锁住，且还对由固定螺丝[27]加到球[26]上的轴向力提供足够大的径向放大倍数。由球[24]及[26]所引起的径向膨胀是由加到固定螺钉[25]及[27]上的力矩的可以接受的强度所产生。因为第二圆锥段[22]的总夹角较小，故在第二圆锥段[22]内产生的每个单位的加到固定螺钉[27]上的力矩所产生的径向力较大。在第二圆锥段[22]处较大的保持力与凸缘[60]作用可保持轴承总承的预加载状态。提供膨胀所需要的力矩越小越好，因为一些力矩被传送到轴上企图使轴扭曲而造成径向摆动。
固定螺钉[25]和[27]及球[24]和[26]的设计应使实际传送到心轴的力矩最小。固定螺钉[25]及[27]的平坦表面作用在球[24]及[26]上。固定螺钉的平坦表面传送很小的旋转力或力矩到球的曲面上，因为他们在一很小的表面面积上与球接触，几乎在一点上接触，这种情况与平面的作用相反，此时摩擦力很容易传递力矩。球与圆锥段的壁相互作用还在轴向上提供比一配对的插头所产生的摩擦力较小的摩擦力。因为球[24]及[26]上的一小环形截面与圆锥段[20]及[22]的壁相接触，心轴[14]的局部化环形膨胀由将球[24]及[26]进一步压入圆锥段[20]及[22]所产生。因而轴向力越小则产生所要的向外径向力及产生由球[24]及[26]所提供的心轴[14]的局部化膨胀所需要的力矩越小。
因为心轴[14]没有处在高强度的轴向应力或不均匀的应力的情况下，故心轴的曲率最小。呈曲线的轴导致可重复摆动大，这种摆动在数据盘表面被放大。
为了从轴承总承[30]及[32]中拆卸膨胀的心轴[14]，拧松并拆掉第一螺钉[25]，没有锁住的球[24]掉出来，或者用小的真空装置拉出。然后拧松并卸掉第二固定螺钉[27]，从轴[14]的第一端[15]经孔[18]插一根杆将球[26]推出。该杆利用螺纹[29]产生对球[26]的轴向力以便防止轴承总承损坏。因为轴[14]是在其弹性极限之内膨胀的，该极限对于300系列不锈钢约为0.2%，该轴回到其原来的尺寸并从轴承总承内卸出。
在轴承总承[30]及[32]的内座圈[34]及[36]之间的间隙最好足以很容易地装拆轴[14]，且应小得足以使轴[14]在其弹性极限之内膨胀得很好，以便获得所要的轴向及径向保持力。在最佳实施例中，所需的最大膨胀率为0.16%。
在另一最佳实施例中，轴承总承[30]及[32]包括美国向心轴承工程师委员会(ABEC)7级滚珠轴承，其可重复的径向摆动量规定为最大100微英寸。实际测得的轴承总承单独摆动在20到80微英寸范围内。当测量装在轴承总承[30]及[32]上的轴[14]的摆动时未发现附加的不对称性。向轴[14]的第二端[16]所进行的测量其分辩率为1英寸的百万分之五。测出的轴[14]的摆动为20-80微英寸，与轴承总承的摆动相同，此结果指出未探测出由于轴与轴承内座圈的连接所产生的摆动。
本发明进一步的优点在于轴[14]均匀膨胀。由于使轴[14]均匀膨胀，故对装入底座铸件[50]的心轴总承的不平衡所产生的影响最小。因而当高速旋转时，由于心轴总承对轴承作用所造成的振动如果有的话也是很小的。
一旦心轴总承[12]装到底座铸件[50]上而在该处接近数据盘是受限制的则不需要对心轴总承[12]进行平衡。通过交替配准数据盘和隔圈，在装配到底座铸件[50]之前进行数据盘的格式化及平衡，，这在和本申请一样转让给同一受让人的同时待批的申请中已有说明，该申请的发明名称为“交替同轴磁盘组装件及其组装方法”，其申请号为685，433，申请日为1984年12月24日。这样做的一些好处是能早期探测故障，易于自动化，在格式化期间排除底座铸件谐振，因为不需要用数据盘驱动电动机故暴露的磁污染很小，及容易适合于新盘文档格式化或随动写程序。
在心轴总承[12]装入底座[50]后进行数据盘的格式化需要利用数据盘驱动总承的写入能力。这是在制造数据盘驱动总承时是化时间最多的操作。这类写入能力与先进的及较昂贵的写入装置相比是低的。因为由于轴[14]根据本发明进行膨胀时有可重复性及均匀性现在在将心轴总承[12]装到底座铸件[50]之前就实现心轴总承上的数据盘的格式化，故在装配线上可与其他装配操作平行进行格式化。利用先进的写入装置的较快速的读写能力可大大减少用来使数据盘[70]格式化所需的时间，因而增大了生产线的生产能力。这还使远离主数据盘驱动[10]装配线进行心轴总承[12]的制造及数据盘[70]的格式化成为可能。
当发明已经表明并已参照其最佳实施例进行说明时有关专业技术人员应懂得不偏离本发明的精神和范围可在形式上及细节上作不同的变化。
权利要求
1.一种心轴总承，由轴向隔开的轴承总承的内座圈旋转地支持，其特征在于配置在轴承总承的内座圈之间以便在轴承总承内旋转的轴装置，上述轴装置具有邻近轴承总承的内座圈的可膨胀的心轴段；及耦合到轴装置以便将轴装置膨胀与轴承总承的内座圈作有保持力的接触的膨胀装置。
2.如权利要求
1的心轴总承，其进一步特征在于可膨胀的心轴段均匀地在轴承总承的内座圈附近膨胀。
3.如权利要求
1的心轴总承，其进一步特征在于当可膨胀的心轴段膨胀与轴承总承的内座圈接触时，可膨胀的心轴段相对于心轴总承提供轴向保持力。
4.如权利要求
3的心轴总承，其进一步特征在于可膨胀的心轴段的直径略小于轴承总承内座圈的直径，因而由膨胀装置使可膨胀的心轴段在可膨胀的心轴段膨胀的弹性范围内膨胀以提供所要的保持力。
5.如权利要求
1的心轴总承，其进一步特征在于至少一个数据盘与该轴相耦合并与轴一起旋转。
6.如权利要求
5的心轴总承，其进一步特征在于在可膨胀的心轴段膨胀并与轴承总承的内座圈相接触之前使数据盘格式化。
专利摘要
一种心轴总承，其轴上至少有两个轴向隔开的可膨胀轴段。可膨胀段用来将心轴耦合到具有内座圈的轴承总承。可膨胀轴段弹性地及均匀地膨胀并与内座圈作有保持力的接触，以便对心轴总承提供径向及轴向支持。
文档编号G11B19/20GK86100281SQ86100281
公开日1986年8月20日 申请日期1986年1月15日
发明者莱尔·里克·塔夫蒂 申请人:国际商业机器公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan