Vi håller på att översätta vår butik till svenska!
Men eftersom vi har många produkter och sidor tar det tid. Under tiden finns vår produktkatalog på engelska. Tack för ditt tålamod!
Kullager – Lastfördelning för rullningslager
Kullager och andra rullningslager installeras i många maskiner. De installerade lagren överför de radiella eller axiella krafter som uppstår till maskinhuset och tillåter därmed användning av olika rörliga komponenter. De krafter som uppstår och den resulterande belastningen i lagret måste redan fastställas under konstruktionsprocessen. Lastfördelningen i lagret och den matchande kontaktpunktsgeometrin är avgörande för lagrets förväntade livslängd, funktion och effektivitet. I den här artikeln kommer vi att titta på belastningen som utövas på ett rullningslager och hur kontaktytans geometri påverkar belastningsfördelningen i rullningslagret.
Grunder för rullager
Rullande lager är roterande lager som styr rörliga delar i förhållande till varandra och håller dem mot de omgivande komponenterna. Under denna process absorberar de krafter och överför dem som ett anslutande element mellan vilande och rörliga komponenter. Deras huvudsakliga funktioner är att bära och styra komponenterna som rör sig i förhållande till varandra. Inte obetydliga krafter utövas i detta fall på rullningslagrets och rullningsorganens ytor.
Belastningar på rullningslager vid komponentkontakt
Huvudbelastningen på rullningslager är vanligtvis vinkelrät mot kontaktplanet. Denna last koncentrerar sig i rullningslagret på jämförelsevis små kontaktytor mellan rullningskroppen och den inre eller yttre ringen. Infallande krafter leder till en ytkompression, som bland annat beror på loppets och rullkroppens form och även på kraftriktningen och antalet rullande element under belastning samtidigt. Den resulterande ytkompressionen påverkar livslängden och slitaget, och även lagrets maximala tillåtna lastkapacitet. För bättre uppskattning kan omfattningen av kompressionen i de tryckbärande ytorna bestämmas med Hertz-ekvationerna.
Hertzkompression beskriver den lokala tryckfördelningen som sker vid kontaktytan på två böjda kroppar under belastning. Med hjälp av beräkningarna kan den tryckbärande ytan, deformationen och ytbelastningen bestämmas. För den ideala beräkningen antas följande förhållanden: ett linjärt-elastiskt materialbeteende, kontaktytorna är jämförelsevis små, kontakten är friktionsfri och trycket utövas vertikalt. I praktiken uppfylls dessa villkor inte alltid exakt i rullningslager, men Hertz-formeln ger fortfarande tillräckligt exakta resultat för att bedöma maximal ytkompression. På grundval av dessa kan rullningslager utformas bättre och den maximala belastningen för kullager kan också bestämmas.
Inverkan av kontaktytans geometri på lastfördelningen
Kontaktytans geometri ändras beroende på löpbanans geometri och de typer av rullande element som används. Det har en direkt inverkan på lastfördelningen. Exempelvis bildas en så kallad punktkontakt för bollar, medan en linjekontakt bildas för cylindriska rullande element. Punktkontakten leder till en kompression under belastning. Både bollen och banan deformeras elastiskt. Denna deformation skapar en elliptisk kontaktyta med olika kompressionsfördelning. Kompressionen är på sitt maximala (maximal deformation) i mitten av kontaktytan som skapas av deformationen och minskar sedan utåt.
Den punktkontakt som uppstår i det räfflade kullagret skapar en jämförelsevis hög ytkompression. Cylindriska rullager eller tunnlager rekommenderas därför mer för höga radiella belastningar. Linjekontakten hos cylindriska rullande element fördelar trycket över ett större område. Rullelementen och löpbanorna deformeras även med cylindriska rullager under belastning. På grund av rullelementens form slutar den tryckbärande lasten abrupt vid ändarna av rullelementen, så att trycktoppar uppträder vid dessa punkter.
Trumrullar används till exempel för att undvika abrupt diskontinuitet hos den tryckande lasten. För symmetriska trumrullar är den yttre ytan något böjd över cylinderns längd, vilket skapar en elliptisk tryckfördelning. För icke-symmetriska tunnlager växlar tryckbelastningen minimalt mot den större krökningen. Detta tillåter till exempel kompensation för feljusteringar.
Andra typer av rullande element med linjekontakt inkluderar den avsmalnande rullen och det nålformade rullande elementet. Lastriktningen på en avsmalnande rulle motsvarar den avsmalnande vinkeln. Både axiella och radiella laster kan rymmas. Feljusteringen gör det också möjligt att absorbera särskilt höga kombinerade laster. För nålformade rullande element minimeras trycktopparna i slutet av den förlängda linjekontakten tack vare nålformen.
Instruktioner för utformning av kullager
Lagrets utformning påverkar väsentligt kullagrens funktion och livslängd. Den relativa rörelsen hos en lagerring kan ha en negativ effekt på livslängden. Rörelsen orsakas ofta av felaktig montering: Lagerringen är inte korrekt inriktad eller är inte ordentligt fastsatt. Under installationen är det därför viktigt att se till att rulllagerfästet på ringarna (inre och yttre ring) och även brickorna på axeln eller höljets hål är korrekt installerade. Låt inte dessa glida under belastning.
Men inte bara en alltför lös installation, men också en alltför tät installation kan få negativa konsekvenser: Om lagerringarna är för snäva eller deformerade på grund av överdriven kraft under monteringen leder detta till en ojämn lastfördelning. Lasttoppar kan uppstå, vilket kan leda till att materialet går sönder i förtid och risken för sprickbildning. En deformerad lagerring kan skapa nya kontaktytor för friktion och värmegenerering, vilket också påverkar livslängden negativt.
Förutom att säkerställa korrekt passform bör den önskade lasttypen också definieras före installation. Alternativt kan man bedöma vilken typ av last ringen kommer att utsättas för. Lasttypen definierar hur lagerringen säkras eller flyttas i förhållande till lastkällan och vilket lagersäte som ska väljas. Det finns följande typer:
- Omkretsbelastning: En omkretsbelastning på lagret uppstår när ringen körs i förhållande till belastningsriktningen. Hela ringen stressas en gång under vridningen. Om sätet är löst kan ringen migrera, så ett tätt säte bör väljas.
- Punktbelastning: En punktbelastning på lagret uppstår när ringen är placerad i förhållande till lastriktningen. Samma punkt är konsekvent under belastning. Även när sätet är löst migrerar inte ringen.
Följande tabell visar olika belastningsfall för radiallager:
| Lastfall | Förenklat schema | Beskrivning | Justering |
|---|---|---|---|
| Yttre ring: Punktbelastning |  |
Inre ring: omkrets Hölje och last: stationär |
fast passform: inre ring lös passform tillåten: yttre ring |
 |
Inre ring: stationär Yttre ring: Hölje och last: omkrets |
||
| Inre ring: Punktbelastning |  |
Axel och last: stationär Yttre ring omkrets |
fast passform: yttre ring lös passform tillåten: inre ring |
 |
Axel och last: omkrets Yttre ring: stationär |
Båda lasttyperna har olika tillämpningar. I de flesta fall är dock omkretsbelastningen det avsedda enhetliga lastdelningsalternativet. Toleranser för lager och lagersäten i allmänhet finns på vår blogg om ISO-passformer och toleranser för axlar och borrhål.
Designbaserade lösningar för flytande och fasta lager
För rullningslager finns det två gemensamma lagerkonfigurationer: Flytande lager och fasta lager. Fasta lager är utformade för att absorbera radiella och även axiella krafter. Låsning av axeln i axiell riktning förhindrar att den rör sig. Lämpliga fasta lager inkluderar dubbla vinkelkontaktkullager. Flytande lager används uteslutande för att absorbera radiella krafter. Båda lagertyperna är vanligtvis anordnade så att de idealiskt kan absorbera dessa belastningar och kompensera för termiska förändringar i längden på den stödda axeln eller huset. Lämpliga flytande lager inkluderar cylindriska rullager och nållager. Rullklingan kan röra sig längs den ribbfria lagerringens löpbana.
Följande två figurer visar den olika belastningsfördelningen vid montering av ett spårkullager med olika förspänningar (passning):
Minst två lager ska användas för att stödja en axel. Sådana multipla lager består av ett fast lager och valfritt antal flytande lager. De flytande lagren på en roterande axel är utformade för att absorbera radiella krafter samtidigt som de tillåter axiell rörelse. Därmed kan den termiska expansionen av axeln och höljet balanseras.
Följande instruktioner gäller vid utformning av lager och passning:
- Kontrollera axelns inriktning: För en axelförskjutning är oscillerande lager ett alternativ (i kompensationsområdet för det oscillerande lagret).
- Säkerställ optimal lastfördelning och jämn fördelning på rullelementen (ringarna får inte glida i omkretsriktningen, ta hänsyn till fasta och flytande lager).
- Säkerställ runout och planaritet.
Påverkan på rullningslagers prestanda och livslängd
Förutom korrekt installation påverkar andra parametrar prestanda och livslängd för kullager och rullningslager. Som redan nämnts har lagrets dynamiska belastningsfördelning också ett inflytande. Nedan kommer vi att titta på den dynamiska belastningsklassificeringen för lager och kullager samt den statiska belastningsklassificeringen i detalj. Vi kommer också att visa hur man beräknar den dynamiska och statiska belastningen för lager. Vi kommer då också kortfattat att betrakta temperatur som ett exempel på ytterligare påverkansfaktorer.
Påverkan av dynamisk och statisk belastningsklassificering
Kullager kan beskrivas med den dynamiska och statiska belastningen. Den dynamiska belastningsklassningen C används för att beräkna ett lagers nominella livslängd under påverkan av en belastning X. Standarden enligt ISO 281 är att lagret används i minst 1 miljon varv. Den statiska belastningen C0 anger i sin tur den maximala belastning som kan utövas på lagret i vila utan permanent deformation (eller en maximal deformation på 1/10000). Ju högre dynamisk belastning, desto högre belastningar kan verka på lagret i drift. Ju högre statisk belastning, desto bättre är lagret skyddat från deformation under tunga belastningar.
Den dynamiska belastningen anges vanligtvis av tillverkaren. Den dynamiska lagerbelastningen beräknas, vilket sedan jämförs med den dynamiska belastningsklassen. Den dynamiska lagerbelastningen beräknas enligt följande:
P = X \times F_{r} \times F_{a} \times Y
- P = Dynamisk lagerbelastning i N
- Fr = radiell kraft i N
- Fa = axiell kraft i N
- X = radiell belastningsfaktor
- Y = axiell belastningsfaktor
- Belastningsfaktorerna X och Y beror på den valda lagertypen och förhållandet mellan Fr och Fa (vanligtvis tillverkarens specifikationer)
Den dynamiska belastningsklassningen C ska vara större än eller lika med den fastställda dynamiska belastningen P, annars finns det risk för överbelastning av lagret. Den statiska belastningen C0 kan beräknas enligt följande:
C_{0} = P_{0} \times S_{0}
- C0 = Statisk belastning i N
- P0 = Motsvarande statisk lagerbelastning
- S0 = Statisk lastbärande säkerhetsfaktor, beroende på driftläge och krav på jämnhet
Lagerbelastningen påverkas av olika temperaturer. Höga temperaturer minskar materialstyrkan hos rullande element och löpbanor. För detta ändamål finns det nedgraderingsfaktorer som måste beaktas vid användning vid högre temperaturförhållanden vid konstruktion av rullningslager.
