Sztywność osiowa łożysk kulkowych zwykłych: praktyczny przewodnik dla inżynierów

Wrzeciono zaczyna pozostawiać delikatny ślad drgań przy 8000 obr./min. Łożysko kulkowe zwykłe spełnia opublikowaną nośność, jednak wał ugina się osiowo znacznie bardziej, niż pozwala na to budżet projektu. Jest to znana sytuacja w maszynach precyzyjnych: sprawdzono liczbę obciążeń, ale nigdy nie określono liczby sztywności. Sztywność osiowa określa, o ile wał porusza się, gdy działa na niego siła osiowa, a w urządzeniach takich jak małe silniki, roboty i urządzenia pomiarowe ruch ten ma równie duże znaczenie, jak trwałość łożyska. W tym artykule wyjaśniono, co oznacza sztywność osiowa, jakie zmienne konstrukcyjne nią rządzą i jak upewnić się, że wybrane łożysko zachowuje się tak sztywno, jak wymaga tego zastosowanie.

Co oznacza sztywność osiowa w łożysku kulkowym zwykłym

Sztywność osiowa to stosunek przyłożonego obciążenia osiowego do powstałego ugięcia osiowego, wyrażony w niutonach na milimetr. W przypadku łożyska kulkowego zwykłego stosunek ten nie jest stały. Ugięcie pomiędzy kulkami a bieżniami odpowiada zachowaniu styku Hertza: wraz ze wzrostem obciążenia zwiększa się powierzchnia styku, ugięcie staje się proporcjonalnie mniejsze, a łożysko wydaje się sztywniejsze. Innymi słowy, sztywność wzrasta wraz z obciążeniem.

Mówiąc liczbowo, małe łożysko kulkowe zwykłe rozmiaru 608 może wykazywać sztywność osiową w zakresie od 30 do 80 N/µm, w zależności od luzu i poziomu obciążenia. Większe łożysko, takie jak 6205, może osiągnąć kilkaset N/µm w tych samych warunkach. Liczby te nie są stałymi ocenami; są to migawki jednego konkretnego punktu obciążenia na nieliniowej krzywej.

Łożysko kulkowe zwykłe jest symetryczne w kierunku osiowym, co oznacza, że ​​może przenosić obciążenia osiowe w obu kierunkach. Jednak ta symetria ma konsekwencje, które inżynierowie projektanci często przeoczają. Łożysko ma wewnętrzny luz promieniowy, dzięki czemu kulki nie stykają się jednocześnie z dwoma odsadzeniami bieżni. Pod wpływem małej siły osiowej wał porusza się prawie swobodnie przez luz, aż kulki osadzą się na jednym ramieniu. Sztywność osiowa w tym obszarze wynosi praktycznie zero i dopiero po zużyciu luzu łożysko zaczyna stawiać opór obciążeniu ze swoją rzeczywistą sztywnością kontaktową.

Dlaczego sztywność osiowa jest ważniejsza niż nośność

Nośność odpowiada na jedno pytanie: jakie obciążenie może wytrzymać łożysko? Sztywność osiowa odpowiada na inne pytanie: z jaką precyzją łożysko będzie trzymać wał? W przypadku wielu produktów drugie pytanie dotyczy tego, co decyduje o jakości. Mały silnik umożliwiający przemieszczanie wirnika generuje wibracje i hałas. Przegub robotyczny z nadmiernym luzem osiowym traci powtarzalność pozycjonowania. Precyzyjne wrzeciono, które ugina się pod wpływem siły skrawania, powoduje drgania i słabe wykończenie powierzchni.

Rozważmy silnik, którego wirnik jest osadzony na dwóch łożyskach kulkowych zwykłych. Jeśli luz osiowy na występie bieżni pozostawia 15 µm swobodnego ruchu, wirnik przesuwa się do przodu i do tyłu przy każdym odwróceniu siły magnetycznej. Powstały ruch osiowy bezpośrednio przekłada się na słyszalny hałas i powtarzające się mikrouderzenia pomiędzy kulkami a kołnierzem bieżni. Łożysko naprężone wstępnie lub łożysko o zmniejszonym luzie eliminuje to zachowanie u źródła.

Żadna z tych awarii nie wymaga, aby łożysko znajdowało się w pobliżu dopuszczalnego obciążenia. Łożysko po prostu nie jest wystarczająco sztywne dla pętli konstrukcyjnej maszyny. Dlatego dane dotyczące sztywności należy traktować jako pierwszorzędną specyfikację, a nie arkusz danych po namyśle. Kiedy zespół jest zaprojektowany tak, aby utrzymywać ruch osiowy w granicach dwóch mikronów, łożysko, które ugina się o dziesięć mikronów pod tą samą siłą, sprawia, że ​​każdy inny precyzyjny element układu staje się bezcelowy.

Kluczowe czynniki kontrolujące sztywność osiową

W poniższej tabeli wymieniono parametry, które najbardziej bezpośrednio wpływają na sztywność osiową łożyska kulkowego zwykłego. Kompromisy są tak samo ważne, jak sama poprawa sztywności.

Problem luzu i sposób, w jaki pomaga napięcie wstępne

Najczęstszą przyczyną słabej sztywności osiowej w praktyce nie jest niewystarczająca średnica kulki; to jest odprawa. Standardowe łożyska kulkowe zwykłe dzielą się na grupy luzu, takie jak C2 (mniejszy niż normalnie), CN (normalny) i C3 (większy niż normalnie). Większy luz ułatwia montaż i toleruje rozszerzalność cieplną, ale jednocześnie poszerza strefę przemieszczeń osiowych. W zastosowaniach, w których sztywność jest krytyczna, luz C2 lub nawet zmniejszony na zamówienie jest często najprostszym sposobem zmniejszenia luzu osiowego bez zmiany geometrii łożyska.

Jeśli aplikacja nie może zaakceptować żadnego swobodnego ruchu osiowego, następnym krokiem jest napięcie wstępne. Sprężyna dociskająca osiowo pierścień zewnętrzny w sposób ciągły dociska kulki do bieżni, dzięki czemu łożysko przez cały czas pracuje na sztywniejszej części krzywej ugięcia. Sztywne napięcie wstępne umożliwia osiągnięcie tego samego rezultatu poprzez zamocowanie obu pierścieni łożyska w taki sposób, że kulki zawsze się stykają. Obydwa podejścia zmniejszają luz osiowy niemal do zera, ale zwiększają tarcie i generują ciepło, dlatego wartości napięcia wstępnego należy dokładnie obliczyć dla oczekiwanej prędkości roboczej i zakresu temperatur.

Sztywność promieniowa a osiowa w praktyce

Łożyska kulkowe zwykłe są czasami opisywane jako łożyska promieniowe dominujące i opis jest rzetelny. Obciążenie promieniowe przenoszone jest wzdłuż linii prostej przez kulki i obie bieżnie, podczas gdy obciążenie osiowe musi przenosić się przez występy bieżni i powodować rosnący kąt zwilżania. Ze względu na tę geometrię sztywność promieniowa łożyska kulkowego zwykłego jest zwykle wyższa niż jego sztywność osiowa przy tym samym obciążeniu. Różnica nie jest wadą; jest to konsekwencja konstrukcji łożyska.

W przypadku wału, który musi być dokładnie umiejscowiony w obu kierunkach, praktycznym rozwiązaniem jest często para łożysk lub łożysko ze zintegrowanym kołnierzem. Warianty kołnierzowe łączą łożysko osiowo z powierzchnią oprawy i ułatwiają montaż w małych silnikach elektrycznych i przekładniach. The Przewodnik po wyborze łożysk kołnierzowych wyjaśnia, w jaki sposób położenie kołnierza i pasowanie oprawy wpływają na położenie osiowe wału. W silnikach o ograniczonej przestrzeni należy zastosować łożysko kołnierzowe ekranowane, np Łożysko kołnierzowe F696ZZ zapewnia zarówno wsparcie osiowe, jak i proste umiejscowienie obudowy bez dodatkowego pierścienia ustalającego.

Hurtownia łożysk kołnierzowych ekranowanych F696ZZ zapewnia płynną pracę małych silników Ningbo Zhenhai Hualei Bearing Co., Ltd. jest hurtownią w Chinach F696ZZ Łożysko kołnierzowe z osłoną zapewnia płynną pracę dostawcy małych silników... Zobacz produkt →

Jak sprawdzić sztywność osiową przed zakupem

Punktem wyjścia są teoretyczne obliczenia sztywności, ale rzeczywista krzywa obciążenia i ugięcia zależy od luzu fabrycznego, profilu bieżni i okrągłości kulki. Test siły ugięcia jest prosty: umieść łożysko na sztywnym wsporniku, stopniowo przykładaj obciążenie osiowe za pomocą skalibrowanej prasy i zmierz przemieszczenie wału za pomocą czujnika przemieszczenia. Wykreślenie obciążenia względem ugięcia daje krzywą, której nachylenie przy obciążeniu eksploatacyjnym jest sztywnością styczną łożyska.

W przypadku łożysk miniaturowych należy również zmniejszyć skalę układu testowego. Ugięcie przy obciążeniu osiowym rzędu kilku niutonów może wynosić zaledwie kilka mikrometrów, zatem rozdzielczość pomiaru jest bardziej wymagająca niż w przypadku dużego łożyska przemysłowego. W tym przypadku dostawca łożysk posiadający możliwości pomiaru w zakładzie robi różnicę, gdy kwalifikujesz nowe łożysko Kompaktowe łożysko miniaturowe 688ZZ do precyzyjnego montażu.

Hurtowe łożysko kulkowe poprzeczne 688ZZ ma zwartą konstrukcję, idealną do Lig Ningbo Zhenhai Hualei Bearing Co., Ltd. jest hurtowym łożyskiem kulkowym 688ZZ w Chinach, ma zwartą konstrukcję, idealną do lekkich... Zobacz produkt →

Należy pamiętać, że statyczny test obciążenia i ugięcia mierzy sztywność statyczną. W pracującej maszynie łożysko reaguje również na efekty dynamiczne: zachowanie filmu olejowego pomiędzy kulkami a bieżniami, siły odśrodkowe działające na kulki przy dużych prędkościach oraz rozszerzalność cieplną pierścieni. W przypadku większości zastosowań poniżej 60 procent prędkości znamionowej łożyska sztywność statyczna stanowi wiarygodną podstawę porównawczą. Zmiękczanie zależne od prędkości nabiera znaczenia głównie we wrzecionach wysokoobrotowych, gdzie wymagane są bezpośrednie badania dynamiczne.

Praktyczne etapy doboru sztywnych łożyskowań

Proces selekcji powinien rozpocząć się od budżetu ugięcia osiowego, a nie obliczenia obciążenia. Zdecyduj, jaki ruch wału może tolerować aplikacja przy maksymalnej sile osiowej. Następnie porównaj opcje łożysk na podstawie ich przewidywanego zachowania przy obciążeniu i ugięciu przy danej sile, a nie na podstawie pojedynczej liczby sztywności wziętej z katalogu. Sztywność nie ma uniwersalnej oceny; jest to funkcja obciążenia, luzu i napięcia wstępnego.

W przypadku małych silników, robotyki i instrumentów medycznych kierunek obciążenia ma takie samo znaczenie, jak jego wielkość. Miniaturowe łożysko ze stali nierdzewnej, takie jak Łożysko ze stali nierdzewnej SMR148-2RS zapewnia odporność na korozję i płynną pracę w środowiskach, w których silnik jest narażony na działanie wilgoci lub środków czyszczących. Tam, gdzie przestrzeń jest bardzo ograniczona, zwarta konstrukcja pozwala na zachowanie niewielkich rozmiarów powłoki łożyska, a jednocześnie zapewnia przewidywalne zachowanie osiowe dzięki starannemu doborowi luzu.

Hurtownia miniaturowych łożysk SMR148-2RS jest idealna do małych silników, robotów i urządzeń mechanicznych Ningbo Zhenhai Hualei Bearing Co., Ltd. to hurtowe chińskie łożysko miniaturowe SMR148-2RS jest idealne do małych silników, robotów i maszyn mechanicznych... Zobacz produkt →

Łożyska wybrane pod kątem sztywności należy również sprawdzić pod kątem rzeczywistego dopasowania oprawy i wału. Pasowania wciskowe zmieniają luz wewnętrzny po montażu, a łożysko, które na stanowisku testowym wydaje się sztywne, może zmięknąć po wciśnięciu w obudowę. Uwzględnij warunki montażu w ocenie sztywności, zamiast traktować łożysko jako izolowany element. Więcej informacji na temat tego, jak małe łożyska wspierają systemy precyzyjne, można znaleźć w naszym przeglądzie jak miniaturowe łożyska napędzają inżynierię precyzyjną i maszyny szybkobieżne .