Nya möjligheter för konstruktiv design av motorspindlar

GLEIT- + WÄLZLAGER

Detaljer: Släppt: 30.08.2011; Senast uppdaterad: 13.02.2023; Träffar: 40116

Schaeffler Group Industrial har nyligen introducerat lösningar för lagring av huvudspindlar under produktmärket FAG med den högpresterande RS-serien och de termiskt robusta TR-cylindriska rullagerna, som i många fall också gör det möjligt att justera lagren för motorspindlar. Som ett resultat är delar av omgivningen delvis onödiga och monteringen av lagren förenklas kraftigt.

Motorspindlar ställer inte bara de högsta kraven på spindellager vad gäller hastighet. På grund av de höga effektförlusterna i rotorn kan stora temperaturgradienter uppstå mellan axeln och huset. Spindellager i direktdrivna huvudspindlar är därför vanligtvis elastiskt förspända för att tillåta att olika längdförändringar på grund av ändrade temperaturer kompenseras.

Typisk struktur för motorspindellager

Om huvudspindlarna i en verktygsmaskin måste uppfylla de högsta kraven vad gäller svarvkapacitet och skärprestanda är dessa vanligtvis utformade som direktdrivna enheter. Sådana spindlar kallas vanligtvis motorspindlar. Med denna design sitter motorn direkt på spindelns exakt monterade axel. Den har blivit allmänt accepterad på grund av dess kompakta design, höga effekttäthet och dynamiska fördelar på grund av låga massor och tröghetsmoment.

Kullager för alla i över 60 branscher

Lagren, som måste förspännas på grund av de höga kraven på koncentricitet och styrnoggrannhet, är vanligtvis placerade på båda sidor av motorn för att optimera statisk och dynamisk styvhet.

På grund av den höga effekttätheten uppstår temperaturer på upp till 150 °C under drift på grund av elektriska förluster i rotorn. Dessa leder till stora temperaturgradienter mellan axeln och huset, som måste kompenseras för av lagren.

Fungerande sidoförvaring

På arbetssidan av lagret på en huvudspindel måste axeln styras så exakt som möjligt axiellt och radiellt av lagren. Dessutom måste krafterna från bearbetningen absorberas.

Figur 1 visar en typisk lagerstruktur för en motorspindel i form av ett fjäderbelastat tandem O-lager. De två främre lagren är axiellt fixerade både på axeln och i huset. Axiallagrets yttre ring är monterad i en bussning som kan skjutas mot huset.

Förspänningen genereras av fjädrar mellan bussningen och huset. Den yttre ringens glidrörelse kan kompensera för förändringar i axelns längd och förändringar i lagrens utsprång till följd av hastighets- och temperaturpåverkan. Förspänningen i lagret ändras endast obetydligt eftersom fjädrarnas styvhet är mycket lägre än lagrets.

Bakförvaring

Det bakre lagret används huvudsakligen för att styra och stödja axeln. Vid långa överhängande verktyg måste även radiella krafter från bearbetningen tas upp.

Figur 2 visar en typisk utformning av det bakre lagret på en motorspindel i form av ett fjäderbelastat spindellager. Även här är ytterringen fäst i en bussning som kan skjutas mot huset.

Det bakre lagret är det faktiska flytande lagret. De förskjutningar som uppstår är större än på arbetssidan, eftersom hela längdförändringen av axeln på grund av temperaturförändringar måste kompenseras. Av denna anledning är växelbussningen ofta placerad i en kulbussning, vilket möjliggör en säker växlingsrörelse även över stora avstånd och under förspänning.

För- och nackdelar med fjäderbelastade lager

Fördelen med fjäderbelastade lager är möjligheten att kompensera för förändringar i utsprång och längd utan att alltför stora krafter verkar på lagren. Å andra sidan har denna lösning också ett antal nackdelar:

Glidbussningar, kulbussningar och fjädrar gör den omgivande konstruktionen komplicerad och komplicerad. Bussningens glidfunktion kan misslyckas till följd av lutning och otillräckligt spel, till exempel på grund av temperaturskillnader.

Belastningar i fjäderns effektiva riktning kan endast absorberas upp till nivån för fjäderns förspänningskraft. Axeln är mycket mjukt upphängd i fjäderns effektiva riktning och är därför känslig för vibrationer i axiell riktning.

Den nya högpresterande RS-serien och det termiskt robusta cylindriska rullagret TR kombinerar högsta hastighetslämplighet med hög belastningskapacitet och okänslighet för förändrade driftsförhållanden. I summan av deras egenskaper öppnar de upp för nya möjligheter för design av motorspindlar.

Kraftiga och robusta RS spindellager med hög hastighet lämplighet

RS spindellager är stora kullager med en nominell kontaktvinkel på 20 grader och en friktionsoptimerad inre design (Figur 3). De kombinerar hastighetslämpligheten hos höghastighetsserien med små kulor med robustheten och lastkapaciteten hos stora kullager.

Figur 4 visar en jämförelse av begränsningshastigheten och den dynamiska belastningen för olika spindellagerkonstruktioner av storlek 7014.

Universalspindellager tillverkas med ett definierat radiellt spel. Detta bestämmer tryckvinkeln. Ett definierat överhäng bestämmer förspänningsklassen. En minskning av det radiella inre spelet i lagret på grund av påverkan från montering, hastighet och temperatur leder till en ökning av överhänget. I fallet med styvt justerade lager ökar detta förspänningen (Figur 5).

Den optimerade interna konstruktionen, kulans stora tvärsnitt och kontaktvinkeln på 20 grader gör RS-lager robusta mot förändringar i det radiella inre spelet.

Figur 6 visar en jämförelse av ökningen av förspänningen som ett resultat av minskningen av det radiella inre spelet i konventionella stora kullager, småkuliga höghastighetslager och högpresterande RS-serien.

I jämförelse är den relativa förändringen i förspänningskraften starkast för designen med små bollar. När det gäller den högpresterande RS-serien är den bara ungefär hälften så stor.

Figur 7 visar de uppmätta driftstemperaturerna för en höghastighetsmotorspindel som var monterad med styva RS-lager med keramiska kulor. Trots det höga hastighetsvärdet på nästan 1,5 miljoner mm/min för detta lagerarrangemang och för fettsmörjningen förblir temperaturerna uppmätta på den yttre ringen stabila under 60 °C. I det här fallet motsvarar det en övertemperatur på 35 grader jämfört med omgivningen.

Termiskt robust cylindriskt rullager N..TR –

Det cylindriska rullagret som det ideala icke-placerande lagret har under de senaste åren genomgått en betydande vidareutveckling när det gäller sin hastighetslämplighet. Men på grund av dess känslighet för temperaturskillnader används den sällan i motorspindlar. Det nya, termiskt robusta FAG cylindriska rullagret N..-TR- kombinerar för första gången den säkra flytande funktionen hos cylindriska rullager med lämplighet för höga hastigheter och varierande temperaturskillnader. Det kommer därför att representera det idealiska flytande lagret för ett stort antal motorspindelapplikationer och kommer att ha stor inverkan på konstruktioner där i framtiden (Figur 8).

Säker flytande lagerfunktion

Enradiga precisionscylindriska rullager är lämpliga som rena radiallager som är utformade utan krage på ytterringen, idealiska som flytande lager. Placeringen av den inre ringen och rullen och hållaren kan justeras fritt i förhållande till den yttre ringen. Eftersom den relativa förskjutningen sker inom lagret mellan de roterande rullande elementen och den yttre ringen, är det inte möjligt att fel på den flytande lagerfunktionen.

För exakt styrning av axeln och för att undvika glidskador, vid montering av cylindriska rullager i höghastighetshuvudspindlar, måste det radiella spelet ställas in så att lagret går utan spel eller med en liten förspänning.

Med cylindriska rullager orsakar förändringen i radiellt inre spel radiell spänning i lagret. Som ett resultat av det ökade yttrycket ökar friktionen i rullkontakten. Rullelementet värms upp. Detta ökar förspänningen i lagret och ökar friktionen ytterligare. Om den resulterande tillskottsvärmen inte längre kan avledas leder den radiella distorsionen till lagerbrott.

Radiellt kompatibelt system

Det termiskt robusta cylindriska rullagret är utrustat med en flexibel yttre ring som kan kompensera för spänningen genom att ändra det radiella inre spelet. Den yttre ringen, som fortfarande har standardmått, har två fördjupningar (Figur 9). Ytterdiametern är något reducerad radiellt mellan spåren. Som ett resultat kan mittområdet av den yttre ringen expandera radiellt med förändrade temperaturskillnader.

På grund av den yttre ringens flexibilitet ökar yttrycken mindre när det radiella inre spelet ändras under drift.

Figur 10 visar kontaktkraften och yttrycket som funktion av temperaturskillnaden för ett standardlager N1011-K-PVPA1-SP monterat utan spel och ett motsvarande N1011-K-TR-PVPA1-SP-lager med en flexibel ytterring.

På grund av den yttre ringens flexibilitet ökar kontaktkraften och därmed yttrycket på ytterringen av det termiskt robusta cylindriska rullagret mycket långsammare än det för standard cylindriska rullager. Även med en temperaturskillnad på 40 K ligger yttrycket fortfarande långt under uthållighetsgränsen på 1500 MPa.

Lägre smörjmedelsbelastning

De lägre kontaktkrafterna och yttrycken resulterar i lägre friktion och mindre påfrestning på smörjmedlet. Den yttre ringens flexibilitet förhindrar en okontrollerad ökning av förspänningen på grund av uppvärmning av rullelementet. Glappfria, termiskt robusta cylindriska rullager kan därför fortfarande köras säkert även vid temperaturskillnader på 40 K.

Lämplighet för höga hastigheter

Den maximala hastigheten på lagren begränsas i första hand av friktionen som genereras i lagret. Om värmen som genereras under drift inte längre kan avledas till omgivningen kommer lagertemperaturen att fortsätta att stiga. Fel i smörjmedlet leder i slutändan till lagerbrott.

Vid EMO 2007 presenterade Schaeffler Group Industrial FAG höghastighetscylindriska rullager med en hastighetskapacitet som var 60 % högre än den tidigare standarden. Med stålrullelement uppnår dessa lager hastighetsvärden som tidigare endast var möjliga med keramiska rullelement. Hastighetsökningen uppnåddes genom att konsekvent minimera friktionen vid de två huvudvärmekällorna i lagret, rullkontakten och burfriktionen.

Precisionscylindriska rullager är som standard utrustade med en mässingshållare styrd på rullelementen. Däremot har höghastighetscylindriska rullager en friktionsoptimerad PEEK-hållare styrd på den yttre ringen. Dessutom reducerades friktionen i rullkontakten genom en optimerad kontaktgeometri på rullen och innerringen.

I versionen med PEEK-hållare har termiskt robusta cylindriska rullager samma optimering av den interna designen som höghastighetscylindriska rullager och uppnår dessutom sina enastående hastigheter.

Figur 11 visar uppmätta driftstemperaturer för ett termiskt robust N1011-K-TR-PVPA1-SP cylindriskt rullager. Lagret, som enligt katalogen har en gränshastighet på 26.000 XNUMX rpm med olje-luftsmörjning^-1 i denna applikation kunde man tillförlitligt köra vid 34.000 XNUMX min^-1 manövreras.

Optimerad smörjmedelsfördelning

Cylindriska rullager är känsliga för översmörjning. Speciellt vid fettsmörjning är det viktigt att fettet fördelas snabbt och att överskottsfett avlägsnas mellan rullelementen så att inga skador uppstår till följd av högt böjningsarbete när hjulen välter.

En PEEK-bur styrd på båda sidor av den yttre ringen säkerställer låg friktion under drift. Oavsett placeringen av den inre ringen styrs alltid minst en burstång på den yttre ringen. Den inre ringens möjliga förskjutningsbana är därför densamma i båda riktningarna och begränsas av löpbanans bredd på den yttre ringen, vilket är fallet med cylindriska rullager med en hållare styrd på rullelementet.

Nackdelen med buren styrd på båda sidor är dock att överskott av smörjmedel mellan rullelementen endast med svårighet kan transporteras utåt genom de små styrspalterna. Vid fettsmorda lager förlänger detta fettfördelningskörningen och det finns risk för skador på smörjmedlet på grund av överrullning.

På den flytande lagersidan av motorspindlarna är förskjutningen under drift alltid i en riktning. På grund av värmeförlusterna från motorn och den externa kylningen blir axeln varmare än huset. Detta flyttar den inre ringen bort från motorn. Detta möjliggör användningen av en hållare som är styrd på ena sidan, eftersom det cylindriska rullagret alltid är monterat på ett sådant sätt att den större diametern på det inre ringhålet är på motorsidan (fig. 12).

Med en hållare som är styrd på ena sidan kan överflödigt smörjmedel pumpas ut ur lagret mycket snabbare. Detta minskar tiden som krävs för fettfördelningskörningen. Risken för skador på fettet vid vältning minskar avsevärt.

Kundupplevelser visar en snabbare fettdistribution med lägre maxtemperaturer. Efter inkörning är det en lägre temperaturnivå med mindre spridning.

Nya designalternativ för motorspindellager

Den nya högpresterande RS-serien och det termiskt robusta cylindriska rullagret TR öppnar upp för nya möjligheter i designen av huvudspindellager.

Med en stel justering reagerar RS-lager mycket mindre känsligt för påverkan av överlappning, hastighet och temperatur än konventionella spindellager. Om det är möjligt att begränsa de elektriska förlusterna på rotorn så att temperaturskillnaderna som uppstår mellan axeln och huset förblir måttliga, kan användningen av RS-lager i samband med den förbättrade varvtalslämpligheten användas för att genomföra strukturellt enklare stela justeringar istället fjäderjustering (Figur 13).

Detta förenklar spindeldesignen samtidigt som styvheten ökar. Användaren av spindellager har därmed större designfrihet. Det termiskt robusta cylindriska rullagret kan även köras säkert vid mycket höga temperaturskillnader.

Den säkra flytande lagerfunktionen med en enkel omgivande design, okänsligheten för temperaturförändringar och den säkra och snabba fettfördelningskörningen gör det termiskt robusta cylindriska rullagret i samband med lämpligheten för de högsta hastigheterna i summan av sina egenskaper till det ideala flytande lagret nu även för motorspindlar (Figur 14).