Berechnung der Passung zwischen Lagern, Lagergehäusen und Wellen

Die Passung zwischen Lagern, Wellen und Lagergehäusen ist ein kritischer Aspekt bei Lageranwendungen und ein Thema von großem Interesse für die Anwender von Lagern. In der Praxis kann das Standardauswahlprinzip für die Passung die Anforderungen der Anwendung erfüllen.

Viele Ingenieure sind jedoch neugierig darauf, wie dieses Prinzip der Passungsauswahl berechnet wird, und einige ziehen es sogar vor, die Berechnungen selbst durchzuführen.

Die grundlegende Berechnungsmethode für die Auswahl der Passung zwischen Lagern, Wellen und Lagergehäusen kann durch eine Neukombination des bisherigen Wissens unter dem Gesichtspunkt, wie sich die Passung auf den Lagerbetrieb auswirkt, durchgeführt werden.

I. Randbedingungen für die Berechnung der Passung von Lagern, Wellen und Lagergehäusen

Bevor die Berechnung zur Auswahl der Passung zwischen Lagern, Wellen und Lagergehäusen durchgeführt wird, ist es entscheidend, den eigentlichen Zweck dieser Berechnung zu verstehen, der eine klare Definition der Berechnungsmethode und der Randbedingungen liefert.

Zweck der Anpassung

Das Gesamtziel der Passung zwischen dem Innenring des Lagers und der Welle sowie dem Außenring des Lagers und dem Lagergehäuse ist es, sicherzustellen, dass es keine Relativbewegung zwischen dem Lager und der Welle sowie zwischen dem Lagergehäuse und dem Außenring des Lagers gibt.

Relativbewegungen sowohl in Umfangsrichtung als auch in axialer Richtung sollten vermieden werden. Es ist wichtig zu verstehen, dass es schwierig ist, Relativbewegungen allein durch die Passung zu verhindern, so dass andere externe Konstruktionselemente verwendet werden müssen, um dies zu gewährleisten.

So werden zum Beispiel Wellenschultern und Lagergehäusestufen zur Begrenzung der axialen Bewegung verwendet; Konstruktionen mit Sperrschlitzen oder O-Ringen verhindern Relativbewegungen in Umfangsrichtung. Diese Methoden dienen in der Regel als Ergänzung, wenn die Passung allein ihre Funktion nicht erfüllen kann, um Relativbewegungen zu verhindern und ein gewisses Maß an Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

Passende Grenzen

Aus der obigen Diskussion wissen wir, dass es eine minimale Grenze für den Einbau von Lagern und zugehörigen Komponenten gibt. Wenn die Montagekraft zu gering ist, führt sie zu einer Relativbewegung zwischen dem Lager und der Montagefläche, wodurch die Befestigungsfunktion nicht mehr erfüllt wird. Diese Situation erhöht die Wahrscheinlichkeit einer Lagerverschiebung.

Aus der Sicht der Theorie der Konstruktion mechanischer Teile gilt: Je fester die Passung, desto größer ist die Passkraft und desto größer ist folglich der "Befestigungseffekt". Es gibt jedoch einen Grad von "loser" und "fester" Passung.

Wenn die Passung zu fest ist, kann sie zwar die relative Fixierung der Passfläche gewährleisten, aber andere Abmessungen innerhalb des Lagers und die Stahlwerkstoff des Lagers selbst beeinträchtigt wird. Daher kann eine Fixierung nicht allein durch eine Erhöhung der Passung erreicht werden.

Andererseits schwankt bei manchen Anwendungen die zwischen den beiden Passflächen erzeugte "Passkraft" (z. B. bei bestimmten Vibrationen). Wenn die Tendenz zur Relativbewegung der Passfläche während der oben genannten Kraftschwankungen auftritt, muss die erforderliche "Passkraft" daher größer sein.

Warum sollte sie größer sein? Weil wir sicherstellen müssen, dass diese Montagekraft sowohl in der "starken" als auch in der "schwachen" Phase der Relativbewegung keine Relativbewegung der Montageflächen verursacht. Wenn wir zum Beispiel die "Montagekraft" entsprechend der "starken" Stufe der Relativbewegung wählen, wird diese "Montagekraft" zu groß erscheinen, wenn die Schwingung in die "schwache" Stufe übergeht.

Wählt man dagegen die "Montagekraft" entsprechend der "schwachen" Stufe, so stellt man bei der "starken" Schwingung fest, dass diese Kraft nicht ausreicht, und es kommt zu einer Relativbewegung der Montageflächen. Um die Spitze zu erreichen, muss also zwangsläufig eine größere Montagekraft eingesetzt werden.

Aus diesem Grund wird im Allgemeinen empfohlen, bei schwingenden Bedingungen eine festere Passung für das entsprechende Lager zu verwenden.

Das ist es, was wir diskutieren müssen: Es gibt eine maximale Grenze für den Einbau von Lagern und zugehörigen Komponenten. Wenn die Montagekraft zu groß ist, führt sie zu Veränderungen anderer Lagereigenschaften und damit zu Problemen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das oberste Ziel bei der Auswahl von Lagertoleranzpassungen die Passkraft zwischen den Passflächen der Lager ist. Ist diese Passungskraft zu gering, kann es leicht zu einer Relativbewegung (Verschiebung) zwischen dem Lager und den Passungselementen kommen; ist die Passungskraft zu groß, kann sie die innere Leistung des Lagers beeinträchtigen (zu geringes Spiel, erhöhte Vorspannung).

Dies ist die grundlegende Grenze und Berechnungsrichtung für die Auswahl von Lager-Wellen- und Lager-Gehäuse-Toleranzpassungen.

II. Minimale Passkraft zwischen Lager, Welle und Lagergehäuse

Beispiel: Allgemeines horizontales Motorlager mit Innenrotation.

Das Wellensystem eines herkömmlichen horizontalen Innenläufermotors weist die einfachste Lagerkonfiguration auf. Andere Arten von Wellensystemen können auf der Grundlage dieses Modells abgeleitet werden.

Wenn ein horizontaler Motor mit Innenrotation läuft, dreht sich die Drehwelle des Motors mit dem Innenring des Lagers. Die "Drehung" wird also vom Rotor des Motors auf den Innenring des Lagers übertragen, was bedeutet, dass sich der Innenring des Lagers passiv dreht. Da dies der Fall ist, ist eine erhebliche Antriebskraft erforderlich.

Diese Antriebskraft umfasst die Kraft, die der Innenring des Lagers zusammen mit dem Wälzkörper und dem Käfig benötigt, um sich zu drehen. Die anspruchsvollste Betriebsbedingung für den Antrieb des Innenrings des Lagers zum Drehen ist daher der Anlauf oder die Drehzahländerung. Zu diesem Zeitpunkt ist die minimale Antriebskraft die Zentrifugalbeschleunigung multipliziert mit der Masse des Innenrings des Lagers.

Etwas anders sieht es aus, wenn sich das Lager mit gleichmäßiger Geschwindigkeit dreht.

Wenn sich ein Lager mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, ist die erforderliche Antriebskraft minimal, hauptsächlich um die Reibung zwischen den inneren Wälzkörpern und den Laufbahnen zu überwinden. Daher ist die erforderliche "Montagekraft" viel einfacher als in dem vorgenannten Szenario.

Betrachtet man zwei unterschiedliche Anwendungen, so zeigt sich, dass Motoren, die häufig ihre Drehzahl ändern oder anlaufen, eine wesentlich höhere "Passkraft" erfordern als Motoren, die mit konstanter Drehzahl laufen. Dies erklärt, warum die zuvor empfohlenen Passungstabellen bei variablen Drehzahlen oder häufigem Anfahren oft eine festere Passung erfordern.

Bisher haben wir über den "rotierenden Ring" - den inneren Ring - gesprochen. Aber was ist mit dem Außenring? Bei horizontalen Innenläufermotoren ist der Außenring des Lagers in der Regel feststehend, und auch das Lagergehäuse ist feststehend.

Die einzige Kraft, die dazu neigt, den Außenring des Lagers zu drehen, ist das Rollen der Lagerrollen im Außenring. Unter normalen Umständen besteht nur Rollreibung zwischen den Lagerrollen und dem Außenring, so dass die Montagekraft nur diese Rollreibung überschreiten muss, um die Tendenz des Lageraußenrings zur Drehung zu überwinden.

Da die Rollreibung sehr gering ist, ist auch die Montagekraft, die das Lager zur Überwindung der Rollreibung benötigt, sehr gering. Allerdings gibt es eine Gleitreibung zwischen dem Lagergehäuse und dem Außenring des Lagers.

Gleichzeitig kann die Radiallast zwischen dem Außenring des Lagers und dem Lagergehäuse als dieselbe wie die innere Radiallast des Lagers angesehen werden. Außerdem befindet sich in der Lagerlaufbahn ein Schmiermittel, um die Reibung zu verringern, während zwischen dem Außenring des Lagers und dem Lagergehäuse kein Schmiermittel vorhanden ist.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass durch eine sichere Positionierung des Lageraußenrings im Lagergehäuse die Tendenz zur Relativbewegung durch Gleitreibung überwunden werden kann. Es ist daher leicht zu verstehen, warum der Außenring des Lagers in einem horizontalen, innen drehenden Motor im Allgemeinen lose montiert ist.

Um auf das Hauptthema zurückzukommen: Es ist recht einfach, die Reibungskraft zu berechnen, die von den Wälzkörpern auf den Außenring eines Lagers ausgeübt wird. Nach meiner persönlichen Erfahrung als Ingenieur sind solche Berechnungen in der Praxis in der Regel nicht erforderlich, da die Standardtabellen für die Auswahl der Passungen normalerweise ausreichen. Für wissbegierige Ingenieure ist es jedoch interessant, es zu versuchen.

Hier sind einige zusätzliche Fragen, die Ingenieure in Betracht ziehen sollten (der Gedankengang wurde bereits oben skizziert, folgen Sie ihm einfach):

1. Warum muss die Passung unter Vibrationsbedingungen fest sein, und muss der Außenring fest sein?

2. Wie sollte die Toleranzpassung für einen Vertikalmotor gewählt werden?

3. Wie sollte die Toleranzpassung für einen außen drehenden Motor gewählt werden?

Der obige Inhalt gibt keine Antworten auf die oben gestellten Fragen. Jeder ist aufgefordert, selbst darüber nachzudenken, und ich glaube, jeder kann die Antworten ableiten. (Ein kleiner Hinweis: Denken Sie an die Elastizität).

Würde der oben erwähnte Außenringbeschlag bei gleichmäßiger Bewegung zu einer Kreisbewegung führen?

III. Die maximale Presspassung zwischen dem Lager, der Welle und dem Lagergehäuse.

Wir haben die Grenze der maximalen Presspassung erwähnt. Wenn das Übermaß zu groß ist, kann es zu Veränderungen bei anderen Lagerleistungen führen.

Der wichtigste Faktor ist erstens die Veränderung der Lagerabmessungen. Wenn das Lager fest eingebaut ist, verringert sich die Lagerluft des Lagers. Wenn die Lagerspiel zu klein ist, kann sich das Lager festsetzen. Daher ist die erste Voraussetzung für einen möglichst festen Lagersitz die Erfüllung der Anforderung an das Restlagerspiel.

Diese Methoden werden in bestimmten Bereichen, z. B. bei der Anwendung von Getriebelagern, häufig eingesetzt.

Zweitens sind die Faktoren, die von der festen Passung betroffen sind, die Lagerwerkstoffe, wie z. B. die Rissbildung des Innenrings. Dieser Fall ist in der Praxis tatsächlich eingetreten. Im Allgemeinen treten die Auswirkungen des Lagerwerkstoffs jedoch erst nach dem Spieleffekt auf.

II. Schlussfolgerung

In diesem Artikel werden in erster Linie die grundlegenden Methoden zur Berechnung von Lager- und zugehörigen Bauteilpassungen behandelt.

Es ist jedoch wichtig zu verstehen, dass für Motorlagersysteme solche komplexen Berechnungen in der Regel unnötig sind. Dies liegt daran, dass die täglich empfohlenen Passungstabellen die oben genannten Faktoren bereits berücksichtigt haben. Eine direkte Auswahl nach diesen Grundsätzen ist in der Regel ausreichend. Wir schreiben diesen Inhalt, um Sie darüber zu informieren, wie diese von uns täglich verwendeten Referenzergebnisse zustande kommen.

Es sei denn, es handelt sich um eine sehr spezifische Anwendung oder Sie sind besonders begeistert davon, den theoretischen Prozess zu verstehen, empfehlen wir nicht, jede Auswahl von Passungen einer solch komplexen Betrachtung zu unterziehen.

Für Getriebeingenieure, insbesondere bei der Berechnung der Vorspannung von Kegelrollenlagern und Schrägkugellagern, sind solche Überlegungen natürlich unvermeidlich und erfordern ein sorgfältiges Verständnis.