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研究生:張家旗
研究生(外文):Jia-Chyi Cheung
論文名稱:硬碟機滾珠軸承轉軸系統之模態分析
論文名稱(外文):The Modal Analysis of Hard Disk Drive Spindle System with Ball Bearings
指導教授:王宜明
指導教授(外文):Yi-Ming Wang
學位類別:碩士
校院名稱:國立彰化師範大學
系所名稱:機電工程學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
中文關鍵詞:硬碟機轉軸系統有限元素分析模態分析滾珠軸承
外文關鍵詞:Hard Disk Drive Spindle SystemFinite Element AnalysisModal AnalysisBall Bearings
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[中文摘要]
目前硬碟機(HDD)發展的主流是使得碟片的磁軌與磁軌之間的距離縮
短,資料儲存記錄密度因而提升,使得硬碟容量提高。相對地,也增加了
制動臂定軌誤差控制的困難度。本文主要係藉由有限元素分析軟體Pro/Mechanica,來進行碟機滾珠軸承轉軸系統模態與動態分析之模擬。
第一部份,假設先不考慮滾珠軸承外環徑向偏移擺動的問題,分析的範圍:(1)探討鋁質基板碟片與改變碟片基板材質時對轉軸系統自然頻率的影響。(2)探討軸承剛性的增加對轉軸系統自然頻率的影響。(3)探討轉軸系統轉速的增加對自然頻率之影響。(4)探討轉軸系統在高速旋轉時,讀寫頭與碟片之間因空氣軸承效應而產生昇力對轉軸系統動態反映的影響。
第二部份則在於探討當滾珠軸承外環旋轉時,對徑向偏移擺動的影響。因滾珠軸承旋轉時會產生週期性之激振,因此,在分析模式中係以簡諧力來模擬週期性之激振。
本論文的結果顯示減少碟片軸向位移可以降低讀寫頭與碟片間距離的變化,此可由增加軸承的支撐剛性與改變碟片基板材質來達成。另外,採用雙列滾珠軸承的設計則可降低轉軸系統徑向位移的變化。
[Abstract]
With the increase of the demanding of larger track density capability and faster spindle rotating speed in hard disk drives(HDD), higher positioning accuracy of R/W heads to read and write data is required in the design of HDD. Any unexpected vibration will cause the data being written to wrong tracks, even if the amplitude of vibration is very small. Therefore, the dynamic behaviors of HDD spindle systems must be understood and investigated thoroughly. Hence, the main purpose of this study is to apply Finite Element Method to analyze the dynamic characteristics of HDD with ball-bearing spindle system.
There are two parts in this thesis. In the first part, it is assumed that the ball-bearing outer raceway defect oscillation is ignored and the following topics are studied:(1)The variation of static responses of HDD ball-bearing spindle systems due to the change of material properties of aluminum substrates.(2)The effect produced by the increase of axial supporting rigidity of ball-bearings to the natural frequency of the spindle systems.(3)The dynamic responses of the spindle systems due to the change of rotating speed.(4)The effect produced by the lift force of the air bearing between the flying head and disk to the dynamic responses of the HDD ball-bearing spindle systems.
The second part is to analyze radical defect oscillations of a HDD spindle system due to the rotation of outer raceway of ball bearings. In the modeling, a harmonic excitation force is assumed to simulate the periodic excitation produced by the motion of ball bearings.
The result of this study shows that the variation of flying distance between the R/W head and recording disks can be reduced by reducing the axial displacement of disks. This can be achieved by the increase of supporting rigidity of ball bearings and changing the stiffness of recording disks. In addition, the amplitudes of radical oscillations of the spindle system can be reduced by using double-row bearing model.
[論文目次]
中文摘要......................................................Ⅰ
英文摘要......................................................Ⅱ
謝誌..........................................................Ⅳ
目錄..........................................................Ⅴ
表目錄........................................................Ⅷ
圖目錄........................................................Ⅸ
第一章 緒論
1-1 研究動機與背景...........................................1
1-2 研究目的.................................................2
1-3 文獻回顧.................................................3
1-4 論文架構.................................................6
第二章 相關理論與Pro/Mechanica-Structure軟體之簡介
2-1 模態分析之基本理論.......................................8
2-2 滾珠軸承外環之徑向偏移擺動..............................11
2-3 Pro/Mechanica-Structure軟體之簡介.......................16
2-4 P-Version收斂性分析之簡介...............................20
2-5 Pro/Mechanica-Structure軟體有限元素分析之流程...........22
2-5-1 模態分析(modal)分析流程...........................27
2-5-2 預應力模態(prestress modal)分析流程...............28
2-5-3 動態時間(Dynamic Time)分析流程....................30
第三章 硬碟機簡介與滾珠軸承轉軸系統之實體建模
3-1 硬碟機之簡介............................................33
3-2 滾珠軸承轉軸系統之簡介..................................36
3-3 滾珠軸承轉軸系統之實體建模..............................40
3-4 相關設定與說明..........................................42
第四章 轉軸系統之模態分析
4-1 滾珠軸承剛性之影響......................................51
4-2 不同碟片基板材質之影響..................................58
4-3 分析結果比較............................................65
第五章 動態分析與雙列滾珠軸承轉軸系統之設計
5-1 動態分析之項目..........................................67
5-2 轉速之影響..............................................68
5-3 分析結果比較............................................83
5-4 昇力作用之軸向位移變化..................................85
5-4-1 碟片基板材質與軸向位移變化之關係....................86
5-4-2 軸承剛性與軸向位移變化之關係........................91
5-5 雙列滾珠軸承轉軸系統之設計..............................97
第六章 結論與未來研究方向
6-1 結論...................................................113
6-2 未來研究方向...........................................114
參考文獻.....................................................116
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