2. 온도 상승에 따른 볼 베어링 특성 해석
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Transcript 2. 온도 상승에 따른 볼 베어링 특성 해석
온도 상승에 따른 HDD 회전축계 NRRO 해석
한양대학교 기계공학부 초정밀 회전기기 연구실
2003년 9월 20일
김동균
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연구배경
Shaft
Hub
Disk
Base
Ball Bearing
하드 디스크 드라이브 회전축계
Flange
▶ HDD 회전축계 회전부 열변형률 > 회전지지부 열변형률 → HDD 작동으로 인해 온도가
상승하면 베어링 내륜과 외륜의 열변형률 차이로 베어링 특성이 변화
▶ 베어링 특성 변화 → HDD 회전축계 동특성 변화 → 회전 정밀도에 영향
▶ 베어링 강성 변화, 베어링 가진 주파수 변화 → HDD에서 발생하는 NRRO에 직접적 영향
→ HDD 자료 저장 밀도 제한
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연구 목적 및 연구 내용
연구 목적
온도 상승에 의해 발생하는 볼 베어링의 특성 변화 해석하고, 볼 베어링의 특성
변화가 NRRO에 미치는 영향을 분석
연구 내용
1. 온도 상승에 따른 볼 베어링 특성 해석
2. 온도 상승에 따른 NRRO 변화 측정
3. 온도 상승에 따른 볼 베어링 특성이 NRRO에 미치는 영향 분석
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1. 온도 상승에 따른 볼 베어링 특성 해석 - 해석 방법
온도 상승에 따른 베어링 위치 변화 (1)
(a) 회전지지부
(b) 회전부
HDD 회전축계 열변형 해석을 위한 유한요소모델 및 해석 결과
온도 상승에 따른 베어링 열변형량 계산
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1. 온도 상승에 따른 볼 베어링 특성 해석 - 해석 방법
온도 상승에 따른 베어링 위치 변화 (2)
F U
F L
상하 베어링 열변형 차이로 인한 허브의 이동
허브의 축 방향 변위 계산을 위한 상하 베어링 축 방향 힘 평형 방정식
F n F
A
L
sin L n F U sin U 0
solved numerically by Secant method
온도 상승에 따른 베어링 위치 변화
=베어링 열변형량 + 허브 축 방향 변위
-5-
1
1. 온도 상승에 따른 볼 베어링 특성 해석 - 해석 방법
온도 상승에 따른 베어링 특성 변화
베어링 내륜
베어링 외륜
B
B
B
hO hI
A
B
rO rI
A
rI
hO
hI
A, A
rO
(a)
온도 상승에 따른 베어링 위치 변화
AB sin hO hI
접촉각 : tan
AB cos rO rI
1
베어링 변형량 : AB AB d B
-6-
(b)
2
3
2. 온도 상승에 따른 볼 베어링 특성 해석 - 해석 결과
볼 베어링 주요 사양
rI
Pd 4
rO
dP
dB
Pd: 지름 틈새
ri: 내륜 곡률 반경
ro: 외륜 곡률 반경
dB: 볼 지름
dP: 피치 지름
볼 갯수
10
예압 [N]
13.72
볼 지름 [mm]
1.588
내륜 conformity
0.529
피치 지름 [mm]
9.1
외륜 conformity
0.535
접촉각 [degree]
24.51
지름 틈새 [㎛]
13∼20
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2. 온도 상승에 따른 볼 베어링 특성 해석 - 해석 결과
온도 상승에 따른 볼 베어링 특성 변화
고 온 (+40°C)
상 온
하부 베어링
접촉각
변형량
피치지름
볼지름
[degree]
[㎛]
d P[mm]
d B[mm]
반경방향 강성 kRR [kN/mm]
축방향 강성
k AA[kN/mm]
케이지 회전속도
볼 구름속도
f C [Hz]
f R [Hz]
상부 베어링
24.510
25.450 (+0.940)
26.903 (+2.393)
0.951
0.582 (-0.369)
0.563 (-0.388)
9.100
9.105 (+0.005)
9.107 (+0.007)
1.588
1.589 (+0.001)
1.589 (+0.001)
21.428
16.559 (-4.869)
15.878 (-5.550)
9.159
7.621 (-1.538)
8.285 (-0.874)
52.145
52.090 (-0.055)
52.001 (-0.144)
251.370
251.490 (+0.120)
251.682 (+0.312)
-8-
2. 온도 상승에 따른 NRRO 변화 측정 – 측정 방법
-9-
2. 온도 상승에 따른 NRRO 변화 측정 – 측정 방법
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2. 온도 상승에 따른 NRRO 변화 측정 – 측정 결과
상 온 (28°C)
고 온 (69°C)
상 온 (28°C)
고 온 (69°C)
변화율 [%]
TIR (peak-to-peak) [㎛]
13.022
13.824
+6.16
RRO (peak-to-peak) [㎛]
12.651
13.365
+5.64
0.455
0.392
-13.85
NRRO (±3σ) [㎛]
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2. 온도 상승에 따른 NRRO 변화 측정 – 측정 결과
상 온 (28°C)
고 온 (69°C)
▶ 시간 영역: 온도 상승에 따라 RRO는 6% 증가하고 NRRO는 14% 감소한다.
▶ 주파수 영역: 온도 상승에 따른 RRO 변화는 작고 NRRO 주파수 분포는 현저히 달라짐
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3. 온도 상승에 따른 NRRO 변화 해석
④
①
②
③
④
①
③
②
실 험
가진원
상 온
해 석
고 온
상 온
고 온
상부 베어링
하부 베어링
52.0
52.0(---)
52.15
52.09(-0.06)
52.00 (-0.15)
289.0
289.7(+0.7)
288.55
289.10(+0.55)
289.99(+1.44)
③
fC
10 fO fC fO
2 f R fC
452.1
452.1(---)
450.60
450.89(+0.29)
451.36(+0.76)
④
10 fC
521.7
520.0(-0.7)
521.45
520.90(-0.55)
520.01(-1.44)
①
②
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3. 온도 상승에 따른 NRRO 변화 해석
④
①
①
②
②
③
ⓐ
④
ⓐ
③
ⓑ
ⓑ
ⓒ
ⓓ
ⓒ ⓓ
▶ 온도 상승에 따른 베어링 가진 주파수 변화에 따라 NRRO 주파수도 변화하였다.(②④)
▶ 온도 상승에 따른 베어링 가진 주파수 변화는 크지 않다.
⇒ 미소한 주파수 변화(①③)와 상하 베어링 가진 주파수 차이는 측정되지 않음
▶ 온도 상승에 따른 HDD 고유 진동수 감소에 의한 공진 영역 변화
⇒ NRRO 크기 변화 (③④), NRRO 주파수 이동(ⓐⓑⓒⓓ)
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3. 온도 상승에 따른 NRRO 변화 해석 – HDD 고유 진동수 측정
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3. 온도 상승에 따른 NRRO 변화 해석 – HDD 고유 진동수 측정
ⓐ
ⓑ
ⓒ ⓓ
Index
Mode
Room Temperature
ⓔ
Elevated Temperature
Shift
ⓐ
Backward Rocking
500
481
-19
ⓑ
Forward Rocking
658
641
-17
ⓒ
Axial
860
841
-19
ⓓ
Disk(0,2) Backward
945
914
-31
ⓔ
Disk(0,2) Forward
1299
1263
-36
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3. 온도 상승에 따른 NRRO 변화 해석 – HDD 고유 진동수 측정
④
④
③
③
상 온 (28°C)
고 온 (69°C)
▶ 온도 상승에 따른 베어링 강성 감소와 디스크 잔류 응력 변화로 HDD 회전축계 고유 진동
수가 감소
▶ 온도 상승에 따른 고유 진동수 감소에 의한 공진 영역 변화로 NRRO 주파수가 이동하였고
(연두색 실선) ③번 주파수 NRRO는 증가하고 ④번 주파수 NRRO는 감소하였다.
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결론 및 향후 과제
결 론
• HDD 온도 상승에 따라 발생하는 볼 베어링의 강성 감소는 HDD 고유 진동
수를 변화시켜 NRRO 크기와 주파수를 변화시킨다.
• HDD 온도 상승에 따라 볼 베어링 특성이 변화하여 베어링 가진 주파수가
달라짐으로써 NRRO 주파수도 변화하지만 그 크기가 작기 때문에 NRRO에
미치는 영향은 미미하다.
향후과제
원심력과 자이로스코픽 모멘트를 고려한 볼 베어링 특성 해석
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