TENGELYEK, GÖRDÜLŐCSAPÁGYAK (Vázlat)

TENGELYEK, GÖRDÜLŐCSAPÁGYAK (Vázlat) Tengelyek fogalma, csoportosítása Azokat a gépelemeket, amelyek forgó alkatrészeket hordoznak vagy csapágyakon támaszkodva forognak, tengelyeknek nevezzük. A tengelyeket a rászerelt tárcsákkal, dobokkal, görgőkkel együtt forgórészeknek nevezzük. Szerkezeti kialakítás szerint a tengelyeknek két fő típusa van: Hordozó tengelyek álló hordozó tengely (a tengelyre szerelt alkatrészek forognak, pl. gépjárművek) forgó hordozó tengely (a tengely együtt forog a rászerelt alkatrésszel) Közlő tengelyek a közlő tengelyek feladata a forgó szerkezeti elemek hordozása mellett forgatónyomaték továbbítása is. A forgatónyomatékot fogaskerékkel, csigával, lánckerékkel, szíjtárcsával, kötéltárcsával stb. lehet a tengellyel közölni, vagy onnan elvezetni. 1

Tengelyek A nagy teherbírás és merevség érdekében a tengelyek anyaga rendszerint: szerkezeti acél, nemesített acél, edzett vagy betétedzett acél (ritkán gömbgrafitos vasöntvény, öntöttvas, bronz, alumínium) Az egyszerűbb tengelyek melegen hengerelt vagy hidegen húzott rúdacélból készülnek; Az alakos, nagy sorozatban gyártott tengelyeket kovácsolják, ritkán öntik. A nagy igénybevételű tengelyeket a nagy szilárdság érdekében kovácsolni kell. Tengelyek csoportosítása Álló hordozó tengely kialakítása (Csillekerék csapágyazás) 2

Tengelyek csoportosítása Nem kör keresztmetszetű álló hordozó tengely kialakítása (Gépjárművek mellső kerekeinek ágyazása) Tengelyek csoportosítása Forgó hordozó tengely kialakítása (Csillekerék csapágyazás) 3

Közlőtengelyek Közlő tengelyek (Fogaskerék hajtómű) Forgattyús tengely Belsőégésű motor főtengely 4

Turbina tengely Gázturbina tengely a járókerékkel (két változat) Tengelyek ellenőrzése A tengelyeket ellenőrizni kell: 1) statikus igénybevételre; 2) kifáradásra; 3) alakváltozásra; 4) kritikus fordulatszámra. 5

Tengelyek ellenőrzése összetett statikus igénybevételre a) húzás F A ahol F a húzóerő, A pedig a keresztmetszet. b) csavarás T K p ahol T a csavarónyomaték, K p pedig a poláris keresztmetszeti tényező, 3 amelynek értéke tömör tengely esetén: D K p ( D 4 d 4 ) 2 16 csőtengely esetén: K p 32 D ahol D a cső külső, míg d a cső belső átmérője. M d) hajlítás h h ahol M h a hajlítónyomaték, K pedig a keresztmetszeti tényező, amelynek értéke 3 tömör tengely esetén: D K 4 4 32 ( D d ) csőtengely esetén: Redukált (egyenértékű) feszültség: K 2 K p 64 D r 2 2 ( h ) 4 Tengelyek ellenőrzése alakváltozásra A tengelyek rugalmas lehajlásának, elcsavarodásának mértéke egyes esetekben az üzemvitel szempontjából fontos lehet. Pl.: fogaskerék kapcsolódásoknál a lehajlás helytelen kapcsolódást eredményez; villanymotoroknál, szivattyú vagy turbina járókerekeknél a forgórész deformációja a radiális rés nagyságát befolyásolja; tengelytömítések, csapágyak működését, élettartamát befolyásolja.. A tengelyek megengedhető rugalmas alakváltozására általános érvényű előírások nincsenek. Az általános gépgyártásban a szokásos rugalmas lehajlás megengedett értéke: f 0, 00035l ahol l a csapágyazás távolsága. 6

Tengelyek ellenőrzése alakváltozásra További feltétel a rugalmas alakváltozások korlátozására, hogy a keresztmetszet szögelfordulása a csapágyak alatt 0,05 ami a szokásos csapágyazások üzemét még nem zavarja. Az elcsavarodás mértékére a következő előírás a szokásos: [ ] 0,005l[ mm] ahol a elcsavarodási szög fokban értendő, az l hosszt pedig mm-ben kell behelyettesíteni. A rugalmas deformációk meghatározására a rugalmasságtanban tanult elméletek és módszerek alkalmazhatók! A tengelyek ellenőrzése kritikus fordulatszámra Rugalmasságuk következtében a forgórészek lengőrendszerek, amelyeket a centrifugális erők, és/vagy a külső erőhatások, nyomatékingadozások gerjesztenek. Ha a gerjesztő hatás lengésszáma megegyezik a tengely sajátfrekvenciájával, fellép a rezonancia jelensége. A sajátfrekvenciának megfelelő fordulatszámot kritikus fordulatszámnak nevezzük. Az üzemi fordulatszámnak nem szabad a kritikus fordulatszám környezetébe esnie, mert a fellépő erős rezgések károsíthatják a berendezést, sőt az egyes szerkezeti elemek töréséhez is vezethetnek. A gerjesztés és az alakváltozás jellegétől függően hajlítólengésekről csavarólengésekről valamint a hozzájuk tartozó kritikus fordulatszámokról beszélhetünk. 7

Forgórészek kiegyensúlyozása Statikus kiegyensúlyozatlanság Dinamikus kiegyensúlyozatlanság Tengelyek ellenőrzése kifáradásra Évszázados tapasztalat, hogy az acél alkatrészekben bizonyos feszültségszint fölött, noha statikus igénybevételre megfeleltek, ismétlődő igénybevétel hatására repedések jelennek meg, majd a repedések a keresztmetszet mentén növekednek, és végső stádiumban, amikor a megmaradó keresztmetszet lecsökken a statikus szilárdság határára, az alkatrészek eltörnek. A repedés terjedési felülete sima, kagylós jellegű (a statikus törésé porózus képet mutat). A repedések általában egy feszültséggyűjtő helytől indulnak ki, helyi anyaghibából. A keletkezett repedés terjedési sebessége az anyag érzékenységétől, a feszültség gradienstől, az alkatrész életciklusától és még számos egyéb tényezőtől függ 8

Tengelyek ellenőrzése kifáradásra Forgó hajtogatás Feszültséggyűjtő hely: körhorony Forgó hajtogatás Feszültséggyűjtő hely: reteszpálya A kifáradás statisztikus szemlélete A repedés megjelenési idejének bizonytalansága és a terjedési sebesség eltérései miatt az alkatrészek, de még a laboratóriumi fárasztóvizsgálat céljára készített acél próbatestek élettartama is nagy szóródást mutat. Tegyük fel, hogy nagyszámú próbadarabot ugyanakkora, törést okozó ismétlődő terheléssel terhelünk. Ábrázoljuk, hogy adott igénybevételi szám-tartományban hány próbadarab tört el. gyakoriság N 9

A kifáradás statisztikus szemlélete Az alábbi diagram a 10 %-os törési valószínűséghez tartozó terhelési ciklusszámok függvényében ábrázolja tiszta lengő igénybevételnél a törési keresztmetszetben ébredő feszültség-amplitúdókat az St50 jelũ DIN szabvány szerinti acél (Fe490-2 jelű MSz acél) esetén: A diagramnak 3 jellegzetes szakasza van: a = kisciklusú szakasz, b = élettartam szakasz, c = kifáradási határ. 700 600 500 400 300 200 [MPa] a b c N 100 1 10 2 10 4 10 6 10 8 10 10 A Wöhler-görbe A kifáradás statisztikus szemlélete Megjegyzések: 1. A bemutatott görbe az ún. Wöhler görbe. Wöhler végzett kifáradási vizsgálatokat vasúti kocsi tengelyeken 1866-ban. 2. A kisciklusú szakaszt, amely a szakító szilárdságból indul, a gépészeti gyakorlatban nem használjuk. Ezen a szakaszon statikus terhelésre méretezünk. 3. A kifáradási határ (σ v )elsősorban acélokra jellemző. Más fémeknek nincs jellegzetes kifáradási határa. A kifáradási határ jellemzője, hogy az alatta lévő feszültségszinten az alkatrészek gyakorlatilag korlátlan élettartamúak. 4. Ennek megfelelően két alapvető méretezési eljárást használunk: méretezés élettartamra; méretezés kifáradási határra. 10

A feszültséggyűjtő-hatás csökkentése A feszültséggyűjtő hatás csökkenthető: - helyi méretnöveléssel; - jó átmenet kialakításával; - árnyékolással; - maradó nyomófeszültség bevitelével. A feszültséggyűjtő-hatás csökkentése 11

A feszültséggyűjtő-hatás csökkentése Keresztfurat okozta feszültségcsúcsok csökkentésének lehetőségei Csapágyazások A csapágyazások feladata a forgó tengelyek megtámasztása, vezetése, a rájuk ható terhelések felvétele és átadása a gép állványszerkezetének. Alapvetően kétféle csapágyazást különböztetünk meg: gördülő csapágyazást, ahol a forgó elemek között gördülősúrlódás alakul ki, és siklócsapágyazást, ahol a csapágyazás elemei csúsznak egymáson. 12

A gördülőcsapágyak felépítése Hatásvonal, hatásszög A hatásvonal az az egyenes, amelynek irányában a gördülőelem a terhelést az egyik gyűrűről a másik gyűrűre átviszi. A hatásszög a csapágy tengelyére merőleges sík és a hatásvonal által bezárt szög. 13

Gördülőcsapágyak A gördülőcsapágyak elemei: csapágygyűrűk, gördülő testek kosárszerkezet esetleg kiegészítő elemek: porvédő tárcsa, tömítő tárcsa, sarokgyűrű stb.) A gördülőtest alakjától függően: golyós vagy görgős csapágyak A terhelőerő irányától függően radiális és axiális csapágyak. Gördülőcsapágyak Radiális csapágyak: mély hornyú golyós, beálló golyós, ferde hatásvonalú golyós, a négypont-érintkezésű golyós csapágyak, hengergörgős, tűgörgős, kúpgörgős, beálló görgőscsapágyak. Axiális csapágyak az axiális golyós csapágyak, axiális beálló görgős, axiális hengergörgős, axiális tűgörgős. 14

Golyóscsapágyak Kúpgörgőscsapágy 15

Hengergörgőscsapágyak GÖRGŐS CSAPÁGYAK 16

Axiális gördülőcsapágyak GÖRDÜLŐCSAPÁGYAK A tűgörgős és a hengergörgős csapágy csak radiális vagy csak axiális terhelésre. A többi radiális csapágy axiális erővel is terhelhető. A sarokgyűrűs hengergörgős radiális csapágyak csak kis axiális erők felvételére is alkalmasak. Az axiális csapágyak kizárólag a tengelyirányú erők felvételére szolgálnak, kivéve az axiális beálló görgőscsapágyat, amely bizonyos határig radiális erővel is terhelhető. A gördülőcsapágyak méretei (átmérőik és szélességük) szabványosak. Mindegyik típushoz több méretsorozat tartozik, amelyek teherbírása eltérő. A fokozottabb üzemi követelmények kielégítésére a normál kivitelű gördülőcsapágyak mellett fokozott pontosságú és szűkített illetve bővített hézagú csapágyakat is készítenek. A gördülőcsapágyak anyaga általában speciális gördülőcsapágy acél, amit teljes keresztmetszetükben átedzenek. Ritkán, különleges követelmények kielégítésére, készülnek gördülőcsapágy elemek rozsdamentes acélból, műanyagból, sőt kerámiából is. 17

Gördülőcsapágyak teherbírása A terhelés hatására a gördülőelemek és a futópálya érintkezési pontjában ismétlődő érintkezési feszültség (Hertz feszültség) alakul ki, ami felszíni kifáradást okoz. A gördülőcsapágyak kifáradási teherbírását a C dinamikus alapterhelés jellemzi. A C dinamikus alapteherbírás radiális csapágyaknál az a radiális, axiális csapágyak esetén pedig az az axiális terhelés, amely mellett a csapágyak 90%-a eléri, illetve túléli az 1 millió körülfordulást Kis fordulatszámon nem a felületi kifáradás, hanem a maradó alakváltozás korlátozza a gördülőcsapágy teherbírását, amit a C o statikus alapterhelés jellemez A C 0 statikus alapteherbírás radiális csapágyaknál az a radiális-, axiális csapágyak esetén pedig az az axiális terhelés, amelynek hatására a legjobban terhelt gördülőelem és csapágygyűrű érintkezési helyén az együttes maradó alakváltozás a gördülőelem átmérőjének 0,0001-szerese. Gördülőcsapágyak teherbírása A mélyhornyú, a beálló, a ferde hatásvonalú, a négypont-érintkezésű golyóscsapágyak, a beálló- és a kúpgörgős csapágyak egyidejűleg radiális és axiális terhelés felvételére is alkalmasak. Az egy időben ható kétirányú terhelés a következőképpen számítható egyenértékű terhelésekkel vehető figyelembe: Dinamikus egyenértékű terhelés:, P XF r YF a Az X és Y tényezők a csapágy típustól és mérettől függnek, és a katalógusokban megtalálhatók. 18

Gördülőcsapágyak teherbírása A statikus egyenértékű terhelés:. P o X o F r Y o F Az X o,ésy o tényezők a csapágy típustól és mérettől függnek, és a katalógusokban megtalálhatók. a A tűgörgős, a hengergörgős csapágyak egy része csak radiális erővel, az axiális csapágyak (a beálló görgős kivételével) csak axiális erővel terhelhetők, ezért ezeknél a csapágyaknál P=P o =F r, illetve P=P o =F a. Gördülőcsapágyak A P egyenértékű terhelés és a csapágy C dinamikus teherbírása, valamint n fordulatszáma ismeretében következőképpen számítható a csapágy L, illetve L h élettartama:. p p C L P x10 6 körülfordulás, illetve L h C x10 P 60n 6 üzemóra Golyóscsapágyakra p=3, görgőscsapágyakra p=10/3. Az elérendő élettartam a gép típusától függ, és rendszerint néhány órától 10 5 üzemóráig terjed. 19

Gördülőcsapágyak A gördülő csapágyak statikus teherbírásának ellenőrzésékor az s o =C o /P o tényezőt határozzák meg, és az üzemi viszonyokat figyelembe véve az alapján értékelik a csapágyat. Normális körülmények között s o =0,8-1,2. Erős dinamikus terhelésnél s o >2-3 érték szükséges. A gördülő csapágyak a fellépő tömegerők miatt csak meghatározott határfordulatszámnál kisebb fordulatszámon üzemeltethetők. A határfordulatszám függ a csapágy kialakításától, méretétől, pontosságától és kenésétől. Az olajkenésű, csapágyak határfordulatszáma magasabb, mint a zsírkenésűeké. Gördülőcsapágyak A gördülő csapágyakat a súrlódás és a kopás csökkentése, a károsodások megakadályozása érdekében kenni kell. Főleg zsírkenést használnak (70%-ban), de magasabb fordulatszámon, vagy ha az olaj más elemek kenése miatt egyébként is rendelkezésre áll, az olajkenést választják. A nagy fordulatú gördülőcsapágyakat a kenőolaj átáramoltatásával hűtik, hogy megakadályozzák a kedvezőtlenül magas hőmérséklet kialakulását. Vannak gyártáskor zsírral feltöltött, mindkét oldalukon tömítéssel ellátott gördülő csapágyak, amelyek utánkenésére nincs lehetőség, a betöltött zsír a csapágy teljes élettartama alatt gondoskodik a kenésről (élettartam kenés). 20

Csapágyazások A gördülő csapágyazások szerkezeti kialakítása rendkívül változatos. Hosszú tengelyeknél vezető csapágyakat választanak, amelyek a tengelyeket mindkét axiális irányban megtámasztják, és a tengelyirányú terheléseket felveszik. Ebben az esetben a többi csapágy nem gátolhatja a tengely axiális irányú elmozdulását, mert befeszülés alakulhat ki, a csapágyazás károsodhat. Rövid tengelyeket oldalról támasztott ágyazással alakítják ki, ahol a tengely axiális helyzetét az egyik irányban az egyik csapágy, a másik irányban a másik csapágy korlátozza, miközben a rá ható tengelyirányú terhelést is felveszi. A ferde hatásvonalú és a kúpgörgős csapágyak gyakran párban kerülnek beépítésre X, O vagy tandem elrendezésben. Csapágyazások 21

Csapágyazások Oldalról támasztott ágyazás O elrendezés Csapágyazások Oldalról támasztott ágyazás X elrendezés 22