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

Analysis of static/dynamic characteristics of journal bearing with asymmetric groove. 2004. 02. 28. 발표자 : 이상훈. 목차. 연구 목적 연구 내용 2.1. Asymmetric groove bearing 의 정 / 동특성 해석 2.2. Bearing 폭 조절에 따른 회전체 거동의 개선 2.3. 고속 스핀들 시스템의 베어링 설계 향후 연구 방향. 1. 연구 배경. 연구 배경

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

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Presentation Transcript

  1. Analysis of static/dynamic characteristics of journal bearing with asymmetric groove 2004. 02. 28. 발표자 : 이상훈

  2. 목차 • 연구 목적 • 연구 내용 2.1. Asymmetric groove bearing의 정/동특성 해석 2.2. Bearing 폭 조절에 따른 회전체 거동의 개선 2.3. 고속 스핀들 시스템의 베어링 설계 • 향후 연구 방향 2004. 02. 28. 이상훈

  3. 1. 연구 배경 • 연구 배경 • HDD의 소음 저감 및 안정성 향상을 위한 FDB 연구가 활성화 • FDB의 장점 • 고체간 직접접촉의 방지 내소음성, 내충격성 • 높은 damping 특성  진동 특성 향상 • FDB의 문제점 • 높은 마찰 토크 • 베어링 면적을 감소: 마찰토크 감소, 강성 및 감쇄 계수 감소 • 마찰토크를 저감시키며 강성 및 감쇄 계수가 증가하는 방법 필요 • Whirling, flying, tilting 거동 2004. 02. 28. 이상훈

  4. 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 tilting의 크기 저감 2004. 02. 28. 이상훈

  5. Groove Ridge < Conventional model > < Asymmetric model > 2. 연구 내용2.1. Asymmetric groove bearing의 정/동특성 해석 • Asymmetric groove bearing • 기존 herringbone journal bearing의 groove 배치를 변경 2004. 02. 28. 이상훈

  6. 해석 모델 45˚ Model 1 – conventional model 67.5˚ 67.5˚ 67.5˚ 45˚ 45˚ 22.5˚ 22.5˚ Model 2 Model 3 112.5˚ 202.5˚ 22.5˚ 22.5˚ Model 4 Model 5 2004. 02. 28. 이상훈

  7. 해석 방법 • FEM을 이용한 Reynolds 방정식 해석 (HYBAP) 베어링 반력, 마찰토크 • 운동방정식과 연계하여 transient 해석  equilibrium point • FEM을 이용한 평형점에서의 perturbation 방정식 해석 (HYBAP) 강성 및 감쇄 계수 • 해석 대상 2004. 02. 28. 이상훈

  8. 과도 해석 • 불평형 질량이 없는 경우 • 1 g-mm의 불평형 질량이 존재하는 경우 < Model 1 > < Model 5 > 2004. 02. 28. 이상훈

  9. 해석 결과 • 불평형 질량이 없는 경우 2004. 02. 28. 이상훈

  10. 해석 결과 • 불평형 질량 1gmm 가 존재하는 경우 2004. 02. 28. 이상훈

  11. M.C. S.C. 2.2. Bearing 폭 조절에따른 회전체 거동의 개선 • 스핀들 모터의 무게중심이 상-하부 journal bearing의 span 중심과 일치하지 않기 때문에 conical 형태의 tilting 운동 발생 • Tilting을 저감하는 시스템 설계를 통해 axial runout 저감 필요 < Mass center와 Span center의 위치> 2004. 02. 28. 이상훈

  12. Bearing 폭 변화에 따른 해석 결과 2004. 02. 28. 이상훈

  13. 2.3. 고속 스핀들 시스템의 베어링 설계 • 스핀들 시스템의 설계조건 • 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 2004. 02. 28. 이상훈

  14. Journal bearing M.C. z Thrust bearing x < Rotating part of FDB spindle motor > < Systemparameters > < Bearingparameters > 2004. 02. 28. 이상훈

  15. 정상상태에서 7200rpm의 symmetric groove bearing의 기준 강성과 비슷한 수준의 강성을 갖도록 상부 베어링 폭 조절 • 베어링 폭을 2.5mm의 85~90%로 두었을 때 최소 변위에서의 강성이 기준 강성과 유사 • 상부 저널 베어링의 폭을 2.1mm, 2.2mm로 제안 • 동적 평형점 추정을 통해 1.4~0.9mm의 폭을 갖는 하부 저널베어링 모델에 대한 동적 경향 파악 < Stiffness and damping coefficients of symmetric groove bearing at 7200 rpm > 2004. 02. 28. 이상훈

  16. Offset angle • Asymmetric groove bearing을 사용하는 경우 tilting의 평균값이 0이 아님 • 저감 방안 : 상하부 저널 베어링의 groove에 위상차를 줌 Upper journal Mass center Offset angle Lower journal < Location of grooves in upper and lowerjournal bearing > < Result of transient analysis > 2004. 02. 28. 이상훈

  17. 베어링 폭 및 groove 위상차에 의한Offset angle 및 tilting angle 추정 * 2.1 – 1.3 하부 저널 베어링 폭 상부 저널 베어링 폭 2.1 – 1.2(shifted by 45°) 2.2 – 1.3(shifted by 45°) 2.2 – 1.2(shifted by 45°) 2004. 02. 28. 이상훈

  18. Transient 해석 • 상하부 베어링 폭이 2.1/1.2, 2.2/1.3, 2.2/1.2 mm인 asymmetric groove bearing을 사용하는 모델의 과도 거동 해석 • Symmetric groove를 사용하는 모델과 비교 2004. 02. 28. 이상훈

  19. Average whirl radius [m] 2004. 02. 28. 이상훈

  20. Average tilting [degree] 2004. 02. 28. 이상훈

  21. 강성 및 감쇄 계수 비교 2004. 02. 28. 이상훈

  22. 베어링 선정 • 상하부 베어링 폭 : 2.2 / 1.2 mm • Groove shift angle : 45 • Symmetric groove에 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 2004. 02. 28. 이상훈

  23. 3. 향후 연구 방향 • 베어링의 강성 및 감쇄 계수에 의한 시스템 고유진동수 변화 고찰 • Asymmetric groove bearing을 사용하는 스핀들 시스템의 충격응답 해석 • Damping이 커졌기 때문에 충격에 둔감하리라 예상 • Proto-type 제작을 위한 설계도 작성 2004. 02. 28. 이상훈

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