Ágyazások, Gördülőcsapágyak (Vázlat) Összeállította: Dr. Kerényi György Molnár László, Dr. Marosfalvi János, Dr. Horák Péter, előadásai alapján
Ágyazások, ágyazástechnika Az ágyazások kvázi egyenletes mozgásokat megvalósító, jellegzetesen egyszabadságfokú szerkezetek. Osztályozásuk: 1. mozgástípus szerint: forgó (rotációs) csapágyazás; haladó (transzlációs) vezetékágyazás. 2. működésmód szerint: elmozduló csúszó (sikló) (v rel 0) pl.: hidrodinamikus / hidrosztatikus csapágy, csukló, vezeték; gördülő (v rel 0) pl.: gördülőcsapágyak, golyósorsók; kombinált pl.: csuklós egyenesbevezetők; alakváltozó (korlátozott mozgás) pl.: rugózott gépalap, hajlékony csukó
Csapágyazások Alapelvek 1. A csapágyakat nyomaték ne terhelje. Külső nyomaték ne terhelje ( egy csapágy nem csapágyazás ). Kivétel pl. kerékgörgő. Belső nyomaték ne terhelje. Beálló csapágyak kellenek, ha a deformációk nagyok; vagy a szöghibák nagyok; vagy az excentricitási hibák nagyok. Egyéb esetekben szögmerev csapágyak alkalmazhatók.
Csapágyazások 2. Statikailag határozott radiális támaszrendszer kell. két független radiális támasz kell (kettőnél több radiális támasztás általában kerülendő). statikailag határozatlan rendszer esetén a bizonytalan csapágyterhelés miatt a csapágy élettartama is bizonytalan. Kivétel: hosszú, hajlékony tengely, motor fő és vezérmű tengely. 3. Kétirányú axiális támasz kell. (Az axiális kényszer egyirányú, ha az egyik irányban a kényszert a terhelés, pl. súlyerő is fenntarthatja). 4. Az axiális és radiális támasztást célszerű összevonni. Forgórészek ágyazására két megoldás van: vezetőcsapágyas ágyazás; oldalról támasztott ágyazás: X elrendezésű O elrendezésű
Vezetőcsapágyas ágyazás Vezetőcsapágyazás A forgórész egyik végén lévő csapágy csak radiális terhelést vesz fel, a másik csapágy(ak) radiális és axiális irányú terhelést is felvesz(nek). Alkalmazási terület: Hosszabb, karcsúbb tengelyek esetén, ha jelentősebb hődilatációval kell számolni.
Oldalról támasztott ágyazás Oldalról támasztott ágyazás: A forgórész mindkét végére beépített csapágy a radiális terhelésen kívül egyirányú axiális terhelés felvételére is alkalmas úgy, hogy az egyik csapágy az egyik irányú, a másik csapágy pedig a másik irányú terhelést veszi fel. Alkalmazási terület: Rövidebb, merev tengelyek esetén, ha a hőtágulás számottevően nem befolyásolja a csapágyak hézagát.
Forgórészek ágyazása Az olyan szerkezeti kapcsolatot, ahol két géprész egymáshoz képest terhelés alatt elfordul, forgó ágyazásnak nevezzük. A forgó alkatrészek megtámasztására szolgáló gépelem neve: csapágy. A csapágyak csoportosítása: Gördülőcsapágyak: golyós; görgős; Siklócsapágyak: csúszócsapágyak; hidrodinamikus csapágyak; hidrosztatikus csapágyak;
A gördülésről Ha 0 0, három eset lehetséges: a) egyensúly; b) csúszás; c) gördülés; A gördülés feltétele: F T c > mgl és F T < 0 mg 0 mgc > mgl 0 > l/c
A gördülésről Ideálisan merev testek esetén a gördülési ellenállás 0. A gördülési ellenállási tényező értelmezése a súrlódási tényező mintájára: FT g F N F a R T F N A gördülési ellenállás alapvető oka az érintkező testek rugalmas alakváltozása.
A gördülőcsapágyak felépítése
A csapágyak anyaga (MSZ EN ISO 683-17:2000) Nagytisztaságú krómacél acél (C 1%), jele: 100Cr6 (GO3) vagy 100CrMnSi6-4 (GO4) A fő ötvözők: Mn, Si, Cr ( 1,5%). Nagy tisztaság vákuumos ömlesztés, esetleg 2-szer, 3-szor a) normál; b) vákuumban; c) vákuumban 2-szer; d) vákuumban 5-ször Edzés: 820 850 C, megeresztés: 150 170 C 58 65 HRc Kosár: sajtolt lágy acél, bronz, sárgaréz, poliamid, textilbakelit, stb.
A gördülőcsapágyak méretei A csapágyak méreteit, a méretek tűrésértékeit ISO szabványok rögzítik. A csapágyak főméreteit főméret táblázatok adják meg. E szerint minden szabványos furatátmérőhöz tartozik egy palástátmérő-sorozat, és egy szélesség-sorozat. Átmérő-sorozat: 8, 9, 0, 1, 2, 3, 4 Szélesség-sorozat: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6
A gördülőcsapágyak méretei Példa a csapágy jelölésére: 30205 Első szám: csapágy típusa: 3 = kúpgörgős csapágy; Második szám: 0 = szélesség sorozat; Harmadik szám: 2 = átmérő sorozat; A két utolsó szám ötszöröse a csapágy furatátmérője: 05 = 25 mm
[Prof. Dr.-Ing. B. Sauer, TU Kaiserslautern, MEGT] Csapágykosár kialakítások A kosár feladatai: - tömegerők továbbítása; - gördülőelemek érintkezésének megakadályozása; - gördülőelemek egyenletes elosztása; - gördülőelemek vezetése Ferdehatásvonalú golyóscsapágyhoz kosár Hengergörgős csapágyhoz kosár
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.
Gördülőcsapágyak csoportosítása Az érintkezés jellege és a gördülőelemek alakja szerint: pontszerű - gömb golyóscsapágyak vonalszerű - henger - kúp görgőscsapágyak - tórusz (hordó) Hatásszög (terhelhetőség iránya) szerint: = 0 - radiális gyűrűs, hordozó csapágyak 0 - ferdehatásvonalú gyűrűs csapágyak = 90 - axiális tárcsás, támasztó csapágyak
Golyóscsapágyak Mélyhornyú golyóscsapágy: Radiális erővel jól terhelhető, alkalmas kis axiális terhelés felvételére. Az axiális terhelés mindkét irányú lehet. Mélyhornyú golyóscsapágyaknál a golyók száma szerelési okokból korlátozott.
Tömített csapágyak a) Porvédő lemezes: -Z -2Z b) Porvédő tárcsás: -RS -2RS
A ferdehatásvonalú csapágyak választéka
Ferdehatásvonalú golyóscsapágy = 25 40 A ferdehatásvonalú csapágyak beépítésekor járulékos axiális terheléssel kell számolni, ezért párosával kell beépíteni. Az egyik csapágy járulékos terhelését ilyenkor a másik csapágy veszi fel.
Járulékos axiális erők számítás
Ferdehatásvonalú csapágyak beépítése a) nagy szögmerevségű, vagy O elrendezés; b) kis szögmerevségű, vagy X elrendezés; c) egyirányú beépítés, vagy tandem elrendezés.
Kúpgörgős csapágy Nagy radiális és egyirányú nagy axiális terhelés felvételére alkalmas. A gördülési viszonyok rendben vannak. Állítható hézagú csapágy.
Négypont érintkezésű csapágyak Az osztott gyűrű miatt a golyók száma nagyobb lehet, mint a mélyhornyú golyóscsapágyak szerelhetőségi feltétele miatti golyószám.
Hengergörgős csapágy Az érintkezés vonal mentén történik ezért nagyobb a csapágy terhelhetősége. A csapágy axiális erővel nem terhelhető, egytengelyűségi hibára nagyon érzékeny. A nyomáseloszlás a hengergörgő hossza mentén
Henger- és tűgörgős csapágyak jelölése
Speciális tűgörgős csapágyak A tűgörgős csapágyak speciális típusa a fésűs csapágy A tűgörgők pontos vezetésére fejlesztette ki az INA cég az ún. M profilú kosarat. Rugógörgős csapágy
Beálló csapágyak: A szerelési hibák és a rugalmas alakváltozások a szögmerev csapágyak gyűrűit befeszítik, a csapágyak belső járulékos terhelést kapnak. Elkerülhető beálló csapágyakkal.
Sven Wingquist Sven Wingquist az SKF cég (Svenska Kullager Fabriken) főmérnöke (1907).
Beálló csapágyak választéka a) beálló golyóscsapágy kis terhelhetőség, nagy fordulatszám b) egysorú beálló görgőscsapágy nagy terhelhetőség, kis fordulatszám; c) beálló görgőscsapágy nagy terhelhetőség, kis fordulatszám;
Beálló csapágy
Y csapágy
Axiális csapágyak
Axiális csapágy
Speciális axiális csapágyak Keresztgörgős csapágy Kombinált csapágyak
CARB csapágy Radiális és axiális beállást biztosít
Gördülőcsapágyak kinematikája A tiszta gördülés kinematikai feltételei: a) a gördülőelemnek a gyűrűvel való érintkezési pontjában nincs a gyűrűhöz képest sebessége; t gördülés n fúrómozgás b) a gördülőelem érintkezési pontján átmenő pillanatnyi forgástengely a két test közös érintő síkjában fekszik.
Gördülőcsapágyak kinematikája A gördülőelem tiszta gördülést végez: A gördülőelem csúszva gördül:
Gördülőcsapágyak terhelhetősége HERTZ-féle feszültségek a futópályában A gördülőcsapágyak jellegzetes tönkremeneteli módja a felszíni kifáradás. Tünete a gödrösödés, vagy közismert nevén a pitting. Oka: felszín alatt periódkusan kialakuló nyírófeszültség.
A felszíni kifáradás okozta károsodás Mélyhornyú golyóscsapágy belső gyűrűje Kúpgörgős csapágy belső gyűrűje
Gördülőcsapágyak élettartama A gördülőcsapágy élettartamán a kifáradási tünetek jelentkezéséig megtett körülfordulások számát értjük. A csapágyélettartamok nagy szórást mutatnak még azonos üzemviszonyok esetén is. Ezért az élet-tartam valószínűségi változó. Ha N darab csapágy közül egy L S élettartamot N S számú csapágy éri el, illetve éli túl: N S S Túlélési valószínűség: Meghibásodási valószínűség: N N N F S 1 S N A gördülőcsapágy kifáradási élettartama és a túlélési valószínűség közötti kapcsolat Weibull-eloszlással írható le: 1 ln S LS L e ln 1 0,9 ahol e a Weibull-féle kitevő: golyóscsapágy esetén e = 10/9 görgőscsapágy esetén e = 9/8
Gördülőcsapágyak élettartama Statisztikai kifáradási élettartam alatt a továbbiakban azt az élettartamot értjük amelyet a csapágysokaság 90 %-a elér, illetve túlél. A csapágyak 10 %-a viszont helyes méretezés, beépítés és üzemeltetési viszonyok között is az élettartam elérése előtt tönkremegy.
A terhelés és az élettartam közötti összefüggés A C dinamikus alapteherbírás: a radiális, illetve axiális gördülőcsapágyak dinamikus alapteherbírása az a radiális, illetve axiális terhelés, amely mellett a csapágyak 90%-a eléri, illetve túléli az 1 millió körülfordulást. (P u alatt nincs kifáradás.)
A terhelés és az élettartam közötti összefüggés L C P p 10 6 L L h 60n ahol L : a csapágy élettartama millió körülfordulásban; P : egyenértékű terhelés p : élettartam kitevő: Az élettartam üzemórában kifejezve: p = 3 golyóscsapágyakra; p = 10/3 görgős csapágyakra ahol n : a csapágy fordulatszáma [1/perc] Az egyenértékű csapágyterhelés radiális csapágyaknál az a radiális irányú, axiális csapágyaknál pedig axiális irányú, egyenletesen ható képzelt terhelés, amelynek hatására a csapágy névleges élettartama ugyanakkora, mint az üzemközben ható, irányban és időben változó terhelés esetén. A ténylegesen ható radiális (F r ) és axiális (F r ) terhelés esetén. P = F r ha F a / F r e P = XF r + YF a ha F a / F r > e ahol: X, Y, radiális és axiális terhelési tényező, e terhelési határszám.
Az X és Y tényezők mélyhornyú golyóscsapágyakra f 0, C 0r (vagy C 0 ) a kiválasztott csapágyhoz tartozó adat a katalógusban. Figyelem! e értékének pontos meghatározásához lineáris interpolációt kell alkalmazni. F a / F r > e esetén Y meghatározására is.
Időben változó terhelés Az átlagos csapágyterhelés radiális csapágyaknál az a képzeletbeli radiális, axiális csapágyak esetén pedig az az képzeletbeli axiális terhelés, amely mellett a csapágy névleges élettartama ugyan akkora, mint a ténylegesen ható, időben változó terhelés esetén. A lineáris halmozódó károsodások elmélete alapján: F p N állandó F p m N 0 N 0 F N 0 p dn
Átlagos terhelés F m 2 min F max F 3 Lineárisan változó terhelés Lépcsősen változó terhelés: F m p F p 1 N 1 N 1 F p 2 N N 2 2 N F 3 p 3 N... 3...
A csapágy élettartamát befolyásoló tényezők: A csapágy kifáradási élettartama függ minden olyan hatástól, amely a legnagyobb gördülőelem-terhelést befolyásolja, módosítja. Az élettartam függ: a csapágyhézagtól, a csapágyház rugalmas alakváltozásától, a csapágy fordulatszámától, a tengely szerelési hibájától, a kenéstől.
Ellenőrzés statikus teherbírásra A csapágy C 0 statikus alapteherbírása radiális csapágyak esetén az a radiális, axiális csapágyak esetén pedig az a központosan ható axiális terhelés, amelynek hatására a legjobban terhelt gördülőelem és csapágygyűrű érintkezési helyén az együttes maradó alakváltozás a gördülőelem átmérőjének 0,000l-szerese.
Ellenőrzés statikus teherbírásra ahol s 0 = 1 Az ellenőrzésre szolgáló összefüggés: C s 0 0P0 normál csapágyak esetén; s 0 = 0,5 kis fordulatszámú, vagy lengő mozgást végző csapágyak esetén; s 0 = 2 nagy fordulatszámú csapágyak esetén; P 0 = X 0 F r + Y 0 F a a statikus egyenértékű terhelés. Statikus terhelésre kell ellenőrizni a csapágyakat, ha - jelentős terhelés van a csapágy álló helyzetében is; - a csapágy üzemi fordulatszáma 10 /perc alatt van; - a csapágy csak lengő mozgást végez; - a csapágyra dinamikus terhelés hat.
Brinneleződés (Rezgési benyomódás) Ok: a csapágyat álló helyzetben külső rezgések érik. Födém; szállítás; raktározás. Elkerülési módok.
Gördülőcsapágyak határfordulatszáma A gördülőcsapágyakban fellépő veszteségek a csapágy melegedését okozzák. A fordulatszám növelésének gyakran a megengedhető üzemi hőmérséklet szab határt. Ehhez a megengedhető üzemi hőmérséklethez tartozó fordulatszám a határfordulatszám. A határfordulatszám függ a csapágy típusától, méretétől, a terhelés módjától, a kenésétől, a kosár anyagától, a csapágyhézagtól és a pontosságtól is. Olajkenés esetén magasabb a határfordulatszám, mint zsírkenéskor.
Csapágykatalógus adatok
Csapágykatalógus adatok
Gördülőcsapágyak illesztése Forgási feltétel: Azt a csapágygyűrűt kell szorosabban illeszteni, amelyik a terhelés irányához képest forog. Terhelési feltétel: Minél nagyobb a terhelés, annál szorosabb illesztést kell választani. Csapágytípus: A görgőscsapágyat szorosabban kell illeszteni, mint a golyóscsapágyat, a nagyobb csapágyat szorosabban illesztjük, mint a kisebbet. Hőmérséklet: Magasabb hőmérsékleten szorosabb illesztést kell választani. Futáspontosság: A nagy futáspontosságú csapágyakat szorosabban kell illeszteni. Beépítési környezet: Csőtengely, vékonyfalú vagy könnyűfém csapágyház esetén szorosabb illesztés kell. Szerelési szempontok: Minél lazább illesztést kell választani. Szerkezeti szempontok: A szabad csapágyat lazán kell illeszteni. Gyártástechnológiai szempontok: Normál futáspontosság esetén a furat IT7-es, a csap IT6-os pontosságú. Az illesztés megválasztása egymásnak ellentmondó szempontok mérlegelését igényli.
[Prof. Dr.-Ing. B. Sauer, TU Kaiserslautern, MEGT] Csapágyhézag beépítés előtt / után Szerelés előtt Gyártási csapágyhézag Szerelés után Beépítési csapágyhézag Szoros illesztés: Laza illesztés:
Helytelen illesztés következményei A megengedettnél lazább illesztés gyűrűvándorlás A megengedettnél szorosabb illesztés gyűrűrepedés (törés) A leggyakrabban alkalmazott illesztéseket a csapágykatalógusok tartalmazzák.
Tengely és ház csapágy ülékének alak- és helyzettűrése (SKF)
Példa alaktűrésekre
Kenési módok Zsírkenés (A legtöbb gördülőcsapágy zsírkenésű) hosszú ideig gondozás nélküli üzemelés; egyszerű tömítő szerkezet; a zsír fokozza a csapágy tömítettségét; csökkenti a csapágyzajt. Olajkenést használunk nagy fordulatszámú csapágyak esetén; nagy üzemi hőmérséklet esetén, amikor is a cirkulációs olajozással a csapágy hűtése is megoldható; ha a csapágyazás súrlódási veszteségének csökkentése fokozott követelmény; ha a szerkezetben más gépelemek kenésére már olajat használunk. Kenés szilárd kenőanyaggal Szilárd halmazállapotú kenés használható: kis fordulatszámú, nagy terhelésű, nagy hőmérsékletű csapágyak esetén.
Zsírkenés A leginkább alkalmazott kenőzsírok ásványolajból és szerves konzisztencia növelő anyagból állnak, és esetenként különböző adalékanyagokat tartalmaznak. Kálcium alapú zsírok: állaguk sima, vajszerű, néhány % vizet is tartalmaznak. Vízállóak, víztaszítók, előnyösen alkalmazhatók nedves környezetben. Használható: 0 80 C. Nátrium alapú zsírok: szálas szerkezetűek, nedves környezetben nem alkalmazhatók. Használható: -30 80 C. Lítium alapú zsírok: leggyakrabban alkalmazott zsír típus, nedves környezetben is alkalmazható. Használható: -30 120 C.
Konstrukciós kialakítások zsírkenésre
Az utánkenési időköz meghatározása (SKF) A fordulatszám tényező (A) és a megfelelő b f csapágy tényező szorzata, ahol A = n d m n = fordulatszám, ford/min d m = csapágy középátmérő = 0,5 (d + D), mm b f = a csapágy típusától és a terhelési viszonyoktól függő csapágytényező terhelési viszony C/P
Az utánkenési időköz meghatározása (NTN)
Olajkenés Merülőolajozás Szórótárcsás olajozás Laza kenőgyűrűs olajozás
Olajkenés Cirkulációs olajozás Olajköd kenés Olajbefecskendezéses kenés
Kenés szilárd kenőanyaggal A száraz kenőnyagokat speciális üzemviszonyok esetén alkalmazzák: kis fordulatszám, magas üzemi hőmérséklet (500 600 C), nagy terhelés. Szilárd kenőanyagok: grafit molibdéndiszulfid (MoS 2 ) Mindkét kenőanyag közös jellemzője, hogy réteges szerkezetű (a MoS 2 esetén m vastagságban kb. 1600 réteg helyezkedik el), és ezeknek a rétegeknek rendkívül kicsi a nyírással szembeni ellenállásuk. A grafit 600 C-ig, a MoS 2 450 C-ig használható. A MoS 2 súrlódási tényezője kisebb, ideális esetben = 0,01 0,02. A szilárd kenőanyagot galvanikus úton (1 2 m vastagságban), vagy katódporlasztásos eljárással (0,2 0,6 m vastagságban) viszik fel a csapágyra.
Meghibásodási módok futópálya kifáradás: dinamikus teherbírás maradó alakváltozás: statikus teherbírás gyűrűtörés: illesztés, hézag gyűrűvándorlás: illesztés, hézag besülés : határfordulatszám kopás (bővített élettartamelméletek) egyéb: pl. villamos, vegyi
Irodalom: Képek jegyzéke: Tóth S. Nagy A. Marosfalvi J.: Gépelemek I., Műegyetemi Kiadó 2005 Molnár László: Gépelemek 10 - Gördülőcsapágyak és gördülővezetékek, TK, Bp., 1991, sz: J4-1082 www.gszi.bme.hu www.skf.hu