De Schaeffler Group Industrial heeft onlangs onder het productmerk FAG oplossingen voor de lagering van hoofdspillen geïntroduceerd met de krachtige RS-serie en de thermisch robuuste TR-cilinderrollagers, waarmee in veel gevallen ook de lagers star kunnen worden afgesteld voor motorspindels. Hierdoor zijn delen van de omgeving gedeeltelijk overbodig en wordt de montage van de lagers sterk vereenvoudigd.

Motorspillen stellen niet alleen de hoogste eisen aan het toerental van spillagers. Door de hoge vermogensverliezen in de rotor kunnen er grote temperatuurgradiënten optreden tussen de as en het huis. Spillagers in direct aangedreven hoofdspillen zijn daarom typisch elastisch voorgespannen om verschillende lengteveranderingen als gevolg van temperatuurschommelingen te kunnen compenseren.

Typische constructie van motoraslagers

Als de hoofdspillen van een werktuigmachine aan de hoogste eisen moeten voldoen op het gebied van draaicapaciteit en snijvermogen, worden deze nu meestal uitgevoerd als direct aangedreven units. Dergelijke spillen worden gewoonlijk motorspillen genoemd. Bij dit ontwerp zit de motor direct op de nauwkeurig gemonteerde as van de spil. Het is algemeen aanvaard geworden vanwege het compacte ontwerp, de hoge vermogensdichtheid en de dynamische voordelen vanwege de lage massa's en massatraagheidsmomenten.

Lagers voor iedereen in meer dan 60 branches

De lagers, die vooraf moeten worden geladen vanwege de hoge eisen aan concentriciteit en geleidingsnauwkeurigheid, zitten meestal aan beide zijden van de motor om statische en dynamische stijfheid te optimaliseren.

Vanwege de hoge vermogensdichtheid veroorzaken elektrische verliezen in de rotor temperaturen tot 150 ° C tijdens bedrijf. Deze leiden tot grote temperatuurgradiënten tussen as en behuizing, die door de opslag moeten worden gecompenseerd.

Opslag aan de werkzijde

Aan de werkzijde van het lager van een hoofdspil moet de as zo nauwkeurig mogelijk axiaal en radiaal door de lagers worden geleid. Bovendien moeten de krachten worden geabsorbeerd uit de verwerking.

Figuur 1 toont een typische montagestructuur van een motorspil in de vorm van een veer-tandem O-lager. De twee voorste lagers zijn axiaal bevestigd, zowel op de as als in de behuizing. De buitenste ring van het aambeeld is gemonteerd in een sok die verschuifbaar is naar de behuizing.

De voorspanning wordt gegenereerd door veren tussen de mof en de behuizing. Door de glijdende beweging van de buitenring kunnen veranderingen in de lengte van de as alsmede veranderingen in de overhang van de lagers als gevolg van snelheids- en temperatuurinvloeden worden gecompenseerd. De voorspanning in het lager verandert slechts onbeduidend, omdat de stijfheid van de veren veel lager is dan die van de lagers.

Back-opslag

Het achterste lager dient hoofdzakelijk om de as te geleiden en te ondersteunen. Bij lang uitspringende gereedschappen moeten ook radiale krachten uit de bewerking worden geabsorbeerd.

Figuur 2 toont een typische structuur van de achterste bevestiging van een motorspil in de vorm van een veerbelaste spillager. Wederom is de buitenring gefixeerd in een bus die verplaatsbaar is naar de behuizing.

Het achterste lager is het eigenlijke zwevende lager. De optredende verschuivingen zijn groter dan aan de werkzijde, aangezien de gehele lengteverandering van de schacht door temperatuurveranderingen moet worden gecompenseerd. Om deze reden bevindt de glijbus zich vaak in een bolvormige bus, die een veilige glijbeweging ook over lange afstanden en onder voorspanning mogelijk maakt.

Voor- en nadelen van veerbelaste lagers

Het voordeel van verende lagers ligt dus in het vermogen om te compenseren voor uitsteeksels en lengteveranderingen zonder dat excessieve krachten op de lagers optreden. Aan de andere kant heeft deze oplossing ook een aantal nadelen:

Glijbussen, kogelbussen en veren maken de omringende constructie complex en het samenstel gecompliceerd. De glijdende functie van de contactdoos kan mislukken door kanteling en te weinig speling, bijvoorbeeld door temperatuurverschillen.

Spanningen in de effectieve richting van de veer kunnen slechts worden geabsorbeerd tot de mate van voorspankracht van de veer. De as is zeer zacht opgehangen in de effectieve richting van de veer en dus gevoelig voor trillingen in de axiale richting.

De nieuwe high-performance serie RS en het thermisch robuuste cilindrische rollager TR combineren de hoogste snelheidsgeschiktheid met een hoge belastbaarheid en ongevoeligheid voor veranderende bedrijfsomstandigheden. Samengevat openen ze nieuwe mogelijkheden voor een constructief ontwerp van motorspindels.

Robuuste en duurzame RS-spillagers met hoge snelheidsgeschiktheid

RS-spillagers zijn grote sferische lagers met een nominale drukhoek van 20-graden en een voor wrijving geoptimaliseerde interne constructie (afbeelding 3). Ze combineren de snelheidsgeschiktheid van kleine hogesnelheidsseries met de robuustheid en belastbaarheid van grote sferische lagers.

Figuur 4 toont een vergelijking van de snelheidslimiet en de dynamische belastingswaarde van verschillende spillagerontwerpen van maat 7014.

Universele spillagers zijn vervaardigd met een gedefinieerde radiale speling. Dit bepaalt de drukhoek. Een gedefinieerde supernatant bepaalt de preloadklasse. Een vermindering van de radiale speling in het lager als gevolg van invloeden van montage, snelheid en temperatuur leidt tot een toename van het supernatant. Als gevolg hiervan neemt de voorspanning toe in star ingestelde lagers (afbeelding 5).

De geoptimaliseerde interne constructie, de grote kogeldoorsnede en de drukhoek van 20-graden maken RS-lagers robuust tegen veranderingen in de radiale speling.

Afbeelding 6 vergelijkt de toename van de voorspanning als gevolg van de vermindering in radiale speling in conventionele grote sferische lagers, kleine kogeltandwiellagers en de krachtige RS-serie.

Ter vergelijking: de relatieve verandering in de voorspankracht is de sterkste in het kleinbolvormige ontwerp. Voor de krachtige RS-serie is hij slechts ongeveer half zo groot.

Image 7 toont gemeten bedrijfstemperaturen van een snel draaiende motorspil, waarbij lagers werden gemaakt met starre vaste keramische kogellagers. Ondanks de hoge snelheidskarakteristiek van bijna 1,5 miljoen mm / min voor deze lagering en voor de vetsmering, blijven de gemeten temperaturen aan de buitenring stabiel onder 60 ° C. In dit geval komt dit overeen met een overtemperatuur van 35-graden met betrekking tot de omgeving.

Thermisch robuuste cilindrische rollagers N..TR -

Als ideaal zwevend lager heeft het cilinderrollager een beslissende verdere ontwikkeling doorgemaakt in termen van snelheid. Vanwege de gevoeligheid voor temperatuurverschillen wordt het echter zelden gebruikt in motorspindels. Het nieuwe thermisch robuuste FAG cilinderrollager N ..- TR- combineert voor het eerst de veilige zwevende lagerfunctie van cilinderrollagers met de geschiktheid voor hoge snelheden en wisselende temperatuurverschillen. Het zal daarom het ideale zwevende lager zijn voor een groot aantal toepassingen van motorspillen en zal een sterke invloed hebben op de ontwerpen daar in de toekomst (Fig. 8).

Veilige zwevende functie

Precisiecilindrische rollagers met enkele rij zijn ideaal als zuivere radiale lagers, die zijn ontworpen zonder kraag op de buitenring, ideaal als zwevend lager. De binnenring en de rollende ring kunnen in hun positie vrij worden aangepast ten opzichte van de buitenste ring. Omdat de relatieve verplaatsing plaatsvindt binnen het lager tussen de roterende rollende elementen en de buitenring, is falen van de zwevende lagerfunctie niet mogelijk.

Voor een nauwkeurige geleiding van de as en om slippen schade te voorkomen dient de radiale speling kan zodanig worden ingesteld met hoge snelheid main spindels bij montage cilinderlager, dat het lager loopspeling of met een lichte voorspanning.

De radiale speling verandert een radiale spanning in het lager van cilindrische rollagers. Door de verhoogde vlaktedruk neemt de wrijving in het rolcontact toe. Het rolelement warmt op. Dit verhoogt de voorspanning in het lager en zorgt ervoor dat de wrijving verder kan toenemen. Als de resulterende extra warmte niet langer kan worden afgevoerd, leidt de radiale spanning tot lagerfalen.

Radiaal conform systeem

Het thermisch robuuste cilinderlager is uitgerust met een flexibele buitenring, die de spanning kan compenseren door de radiale speling te veranderen. De buitenring, die nog standaard afmetingen heeft, heeft twee groeven (Fig. 9). Tussen de perforaties door wordt de buitendiameter radiaal teruggetrokken. Dientengevolge kan het centrale gebied van de buitenring radiaal expanderen met variabele temperatuurverschillen.

Vanwege de veerkracht van de buitenring nemen de oppervlaktedrukken minder toe wanneer de radiale speling verandert tijdens het gebruik.

Afbeelding 10 toont contactkracht en oppervlaktedrukken afhankelijk van het temperatuurverschil in een spelingsvrij gelagerde N1011-K-PVPA1-SP in standaarduitvoering en een overeenkomstig lager met compatibele buitenring N1011-K-TR-SP-PVPA1.

Door de veerkracht van de buitenring neemt de contactkracht en daarmee de vlaktedruk op de buitenring in het thermisch robuuste cilinderlager veel langzamer toe dan in het standaard cilindrische rollager. Zelfs bij een temperatuurverschil van 40 K ligt de oppervlaktedruk nog steeds ruim onder de vermoeidheidslimiet van 1500 MPa.

Lagere smeermiddelbelasting

De lagere contactkrachten en oppervlaktedrukken resulteren in lagere wrijving en minder spanning op het smeermiddel. De conformiteit van de buitenring voorkomt ongecontroleerde toename van de voorspanning door het rolelement te verwarmen. Op niet-speling gemonteerde thermisch robuuste cilindrische rollagers kunnen dus veilig worden gebruikt, zelfs met temperatuurverschillen van 40 K.

Geschikt voor hoge snelheden

De maximale snelheid van lagers wordt voornamelijk beperkt door de wrijving die in het lager wordt gegenereerd. Als de tijdens bedrijf geproduceerde warmte niet meer kan worden vrijgegeven voor het milieu, zal de opslagtemperatuur blijven stijgen. Het falen van het smeermiddel leidt uiteindelijk tot lagerfalen.

Op de EMO 2007 introduceerde de Schaeffler Group Industrial FAG hoge snelheids cilindrische rollagers met een snelheidsmogelijkheid die 60% hoger was dan de vorige norm. Deze lagers bereiken snelheidskenmerken met stalen rolelementen, die tot dan toe alleen mogelijk waren met keramische rolelementen. De snelheidsverhoging werd bereikt door de wrijving bij de twee belangrijkste warmtebronnen in het lager, het rolcontact en de kooiwrijving consequent tot een minimum te beperken.

Standaard zijn precisiekogellagers voorzien van een op de wentelelementen geleide messing kooi. Daarentegen bevatten de cilindrische rollagers met hoge snelheid een wrijving-geoptimaliseerde PEEK-kooi geleid op de buitenring. Verder werd de wrijving in het rolcontact verminderd door een geoptimaliseerde contactgeometrie op de rol en de binnenring.

In de versie met PEEK-kooi hebben thermisch robuuste cilindrische rollagers dezelfde interne ontwerpoptimalisatie als cilindrische rollagers met hoge snelheid en bereiken ze ook hun uitstekende snelheden.

Figuur 11 toont de gemeten bedrijfstemperaturen van een thermisch robuust cilinderrollager N1011-K-TR-PVPA1-SP. Het lager, dat volgens de catalogus een limiettoerental heeft van 26.000 omw / min met olieluchtsmering^-1 kon betrouwbaar werken met 34.000 min^-1 worden gebruikt.

Geoptimaliseerde smeermiddelverdeling

Cilinderrollagers zijn gevoelig voor over-smering. Vooral bij vetsmering is het belangrijk dat het vet snel wordt verdeeld en dat overtollig vet tussen de wentelelementen wordt verwijderd, zodat er geen schade door hoge buigwerkzaamheden tijdens het rollen optreedt.

Een PEEK-kooi geleid aan beide zijden van de buitenring zorgt voor lage wrijving tijdens bedrijf. Ongeacht de positie van de binnenring, wordt ten minste één kooimedier altijd op de buitenring geleid. De mogelijke verplaatsing van de binnenring wordt in beide richtingen dezelfde grootte gekenmerkt en is - zoals in het cilindrische rollager geleid op de kooi van het rollend element - beperkt door de breedte van de loopring op de buitenring.

Nadeel van de aan beide zijden geleide kooi is echter dat overtollig smeermiddel tussen de wentelelementen alleen door de kleine geleiders naar buiten kan worden getransporteerd. Dit verlengt de vetverdelingsrun in vetgesmeerde lagers en er is een risico op smeerbeschadiging door overrollen.

Aan de niet-positionerende zijde van motorspillen vindt de verplaatsing tijdens bedrijf altijd in slechts één richting plaats. Door het warmteverlies van de motor en de externe koeling is de as warmer dan de behuizing. Dientengevolge, de binnenste ring beweegt weg van de motor. Dit maakt het gebruik van een enkelzijdige geleide kooi mogelijk, omdat het cilindrische rollager altijd zo is gemonteerd dat de grotere diameter van de binnenste ringboring aan de motorzijde (figuur 12) is.

Met een eenzijdige kooi kan overtollig smeermiddel veel sneller uit het magazijn worden gepompt. Dit vermindert de tijd die nodig is voor de vetverdelingsrun. Het risico van beschadiging van het vet door omrollen wordt aanzienlijk verminderd.

Klantervaring toont een snellere vetdistributierun met lagere maximumtemperaturen. Na de inlaat resulteert dit in een lager temperatuurniveau met minder verstrooiing.

Nieuwe ontwerpopties voor motoraslagers

De nieuwe krachtige RS-serie en het thermisch robuuste cilinderlager TR openen nieuwe mogelijkheden bij het ontwerp van hoofdspillagers.

Voor starre toepassingen zijn RS-lagers veel minder gevoelig voor invloeden van overlap, snelheid en temperatuur dan conventionele spillagers. Als het mogelijk is om de elektrische verliezen van de rotor begrenzen, zodat de temperatuurverschillen die tussen de schacht en behuizing gematigd blijven, kunnen worden gerealiseerd (Bild13) onder toepassing van RS lagers in verband met de toegenomen snelheden in plaats van veerbelasting constructief eenvoudiger onbuigzaamheid.

Dit vereenvoudigt het ontwerp van de spil en verhoogt tegelijkertijd de stijfheid. De gebruiker van spindellagers krijgt zo een grotere ontwerpvrijheid. Het thermisch robuuste cilindrische rollager kan zelfs bij zeer hoge temperatuurverschillen veilig worden bediend.

De betrouwbare non-lokalisatie met eenvoudige aansluitconstructie, de ongevoeligheid voor temperatuurveranderingen en de veilige en snelle vet distributie run maken nu de thermisch robuust cilinderlagers met geschiktheid voor zeer hoge snelheden van de som van zijn eigenschappen een ideaal zwevende lagers motorspindel (Picture 14).

Misschien ben je ook geïnteresseerd in...

Profielrailgeleiding met behulp van moderne gieterijtechnologie van Laempe

Korte cyclustijden, robuustheid en finesse kenmerken de kernschietmachine LHL300-1700 van Laempe Mössner Sinto GmbH...

Kunstmatige intelligentie | trends en ontwikkelingen

Kunstmatige intelligentie (AI) zal ons leven veranderen op manieren die we nooit voor mogelijk hadden gehouden. Het...

Planetaire tandwieloverbrenging + spanningsgolfoverbrengingsprecisie van Schaeffler

Precisietandwielen hebben een grote invloed op de dynamiek, positionering en herhalingsnauwkeurigheid of de...

Spindellager | De krachtige Vacrodur-elementen

Ontdek de wereld van spindellagers van Schaeffler, de marktleider in lagertechnologie. Of het nu voor...

lineaire gids | Nauwkeurig, licht, duurzaam

Met een lineaire geleiding kunnen lineaire of rechtlijnige bewegingen in machines en...

Additive manufacturing op multi-materiaal 3D-printers

Op Automatica 2023 presenteerde de Schaeffler Group een nieuw type additive manufacturing-systeem voor...