Nuove possibilità per la progettazione costruttiva dei mandrini del motore

GLEIT- + WÄLZLAGER

Dettagli: Rilasciato: 30.08.2011; Ultimo aggiornamento: 13.02.2023; Hits: 40126

Schaeffler Group Industrial ha recentemente introdotto soluzioni per il cuscinetto dei mandrini principali con il marchio di prodotto FAG con la serie RS ad alte prestazioni e i cuscinetti a rulli cilindrici TR termicamente robusti, che in molti casi consentono anche una regolazione rigida dei cuscinetti per i mandrini motore. Di conseguenza, parti dell'ambiente circostante sono parzialmente inutili e l'assemblaggio dei cuscinetti è notevolmente semplificato.

Gli elettromandrini non solo pongono le massime esigenze in termini di velocità dei cuscinetti per mandrini. A causa dell'elevata dissipazione di potenza nel rotore, possono verificarsi grandi gradienti di temperatura tra l'albero e l'alloggiamento. I cuscinetti dei mandrini nei mandrini principali ad azionamento diretto sono quindi tipicamente precaricati elasticamente per consentire la compensazione di diverse variazioni di lunghezza dovute alle variazioni di temperatura.

Costruzione tipica dei cuscinetti del mandrino del motore

Se i mandrini principali di una macchina utensile devono soddisfare le massime esigenze in termini di capacità di tornitura e prestazioni di taglio, questi sono ora solitamente progettati come unità azionate direttamente. Tali mandrini sono comunemente indicati come mandrini motore. In questo design, il motore si trova direttamente sull'albero montato con precisione del mandrino. È diventato generalmente accettato grazie al suo design compatto, all'elevata densità di potenza e ai vantaggi dinamici dovuti a masse ridotte e momenti di inerzia di massa.

Cuscinetti per tutti in oltre 60 settori

I cuscinetti, che devono essere precaricati a causa delle elevate esigenze di concentricità e precisione di guida, si trovano in genere su entrambi i lati del motore per ottimizzare la rigidità statica e dinamica.

A causa dell'elevata densità di potenza, le perdite elettriche nel rotore causano temperature fino a 150 ° C durante il funzionamento. Ciò porta a grandi gradienti di temperatura tra l'albero e l'alloggiamento, che devono essere compensati dallo stoccaggio.

Archiviazione sul lato di lavoro

Sul lato di lavoro del cuscinetto di un mandrino principale, l'albero deve essere guidato dai cuscinetti assialmente e radialmente il più accuratamente possibile. Inoltre, le forze devono essere assorbite dalla lavorazione.

La Figura 1 mostra una tipica struttura di montaggio di un mandrino motore sotto forma di un cuscinetto a O in tandem a molla. I due cuscinetti anteriori sono fissati assialmente sia sull'albero che nell'alloggiamento. L'anello esterno dell'incudine è montato in una presa che è scorrevole all'alloggiamento.

La tensione di polarizzazione è generata da molle tra la presa e l'alloggiamento. A causa del movimento di scorrimento dell'anello esterno, è possibile compensare le variazioni della lunghezza dell'albero e le variazioni dello sbalzo dei cuscinetti dovute a influenze di velocità e temperatura. Il precarico nei cuscinetti cambia solo in modo insignificante, poiché la rigidità delle molle è molto inferiore a quella dei cuscinetti.

Back storage

Il cuscinetto posteriore serve principalmente a guidare e sostenere l'albero. Nel caso di utensili a lunga sporgenza, anche le forze radiali devono essere assorbite dalla lavorazione.

La Figura 2 mostra una struttura tipica del montaggio posteriore di un mandrino motore sotto forma di un cuscinetto mandrino sollecitato a molla. Ancora una volta, l'anello esterno è fissato in una presa che è spostabile all'alloggiamento.

Il cuscinetto posteriore è il cuscinetto flottante effettivo. Gli spostamenti che si verificano sono maggiori rispetto al lato di lavoro, in quanto deve essere compensata l'intera variazione di lunghezza dell'albero dovuta alle variazioni di temperatura. Per questo motivo, la boccola di scorrimento è spesso collocata in una boccola sferica, che consente uno scorrimento sicuro anche su lunghe distanze e sotto precarico.

Vantaggi e svantaggi dei cuscinetti a molla

Il vantaggio dei cuscinetti montati a molla risiede quindi nella capacità di compensare sporgenze e variazioni di lunghezza senza che si verifichino forze eccessive sui cuscinetti. D'altra parte, questa soluzione presenta anche una serie di svantaggi:

Boccole scorrevoli, boccole a sfera e molle rendono complicato il complesso costruttivo circostante e il montaggio. La funzione di scorrimento della presa può fallire a causa dell'inclinazione e del gioco insufficiente, ad esempio a causa delle differenze di temperatura.

Lo stress nella direzione effettiva della molla può essere assorbito solo fino alla forza di sollecitazione della molla. L'albero è sospeso molto dolcemente nella direzione effettiva della molla e quindi sensibile alle vibrazioni nella direzione assiale.

La nuova serie ad alte prestazioni RS e il cuscinetto a rulli cilindrici termicamente robusti combinano l'idoneità della massima velocità con un'elevata capacità di carico e insensibilità alle mutevoli condizioni operative. In somma delle loro proprietà, aprono nuove possibilità per la progettazione costruttiva dei mandrini del motore.

Cuscinetti mandrino RS robusti e durevoli con idoneità ad alta velocità

I cuscinetti del mandrino RS sono cuscinetti sferici di grandi dimensioni con un angolo di pressione nominale di 20 gradi e costruzione interna ottimizzata per attrito (Fig. 3). Combinano l'idoneità alla velocità delle serie ad alta velocità di piccole dimensioni con la robustezza e la capacità di carico dei cuscinetti sferici di grandi dimensioni.

La Figura 4 mostra un confronto tra il limite di velocità e la valutazione dinamica del carico di vari tipi di cuscinetti del mandrino di dimensioni 7014.

I cuscinetti dei mandrini universali sono realizzati con un gioco radiale definito. Questo determina l'angolo di pressione. Una proiezione definita determina la classe di precarico. Una riduzione del gioco radiale nel cuscinetto a causa delle influenze del montaggio, della velocità e della temperatura porta ad un aumento del surnatante. Di conseguenza, il precarico aumenta in cuscinetti fissi (Fig. 5).

La costruzione interna ottimizzata, l'ampia sezione trasversale della sfera e l'angolo di pressione di 20 gradi rendono i cuscinetti RS robusti contro le variazioni del gioco radiale.

La Figura 6 confronta l'aumento del precarico dovuto alla riduzione del gioco radiale nei cuscinetti sferici tradizionali di grandi dimensioni, cuscinetti ad alta velocità a sfere piccole e serie RS ad alte prestazioni.

In confronto, il cambiamento relativo nella forza di precarico è il più forte nel design a piccola sferica. Per la serie RS ad alte prestazioni, è solo circa la metà delle dimensioni.

L'immagine 7 mostra le temperature di esercizio misurate di un mandrino motore a rotazione rapida, in cui i cuscinetti sono stati realizzati con cuscinetti a sfere in ceramica rigidamente fissati. Nonostante la caratteristica di alta velocità di quasi 1,5 milioni di mm / min per questa disposizione dei cuscinetti e per la lubrificazione a grasso, le temperature misurate sull'anello esterno rimangono stabili sotto 60 ° C. In questo caso, ciò corrisponde a una temperatura eccessiva di 35 gradi rispetto all'ambiente.

Cuscinetti a rulli cilindrici termicamente robusti N..TR -

Come cuscinetto flottante ideale, il cuscinetto a rulli cilindrici ha subito un ulteriore sviluppo decisivo in termini di idoneità alla velocità. Tuttavia, a causa della sua sensibilità alle differenze di temperatura, è usato raramente negli elettromandrini. Il nuovo cuscinetto a rulli cilindrici FAG termicamente robusto N ..- TR- combina per la prima volta la sicura funzione di cuscinetto flottante dei cuscinetti a rulli cilindrici con l'idoneità per alte velocità e variazioni di temperatura variabili. Rappresenterà quindi il cuscinetto flottante ideale per un gran numero di applicazioni di elettromandrini e avrà una forte influenza sui progetti lì in futuro (Fig. 8).

Funzione galleggiante sicura

I cuscinetti a rulli cilindrici di precisione a una corona sono ideali come cuscinetti radiali puri, progettati senza collare sull'anello esterno, ideali come cuscinetti flottanti. L'anello interno e l'anello a rulli possono essere regolati liberamente rispetto all'anello esterno nella loro posizione. Poiché lo spostamento relativo avviene all'interno del cuscinetto tra gli elementi rotanti rotanti e l'anello esterno, non è possibile un guasto della funzione di cuscinetto flottante.

Per una guida precisa dell'albero e per evitare danni da slittamento, quando si montano cuscinetti a rulli cilindrici in mandrini principali ad alta velocità, il gioco radiale deve essere regolato in modo che il cuscinetto funzioni senza gioco o con un leggero precarico.

Le variazioni del gioco radiale causano una tensione radiale nel cuscinetto dei cuscinetti a rulli cilindrici. A causa della maggiore pressione superficiale, aumenta l'attrito nel contatto di rotolamento. L'elemento rotolante si riscalda. Ciò aumenta il precarico nel cuscinetto e aumenta ulteriormente l'attrito. Se il calore aggiuntivo risultante non può più essere dissipato, la tensione radiale porta al cedimento del cuscinetto.

Sistema radialmente conforme

Il cuscinetto a rulli cilindrici termicamente robusto è dotato di un anello esterno flessibile, che può compensare la tensione modificando il gioco radiale. L'anello esterno, che ha ancora dimensioni standard, ha due scanalature (Fig. 9). Tra le forature, il diametro esterno è leggermente ritirato radialmente. Di conseguenza, la regione centrale dell'anello esterno può espandersi radialmente con differenze di temperatura variabili.

A causa della resilienza dell'anello esterno, le pressioni superficiali aumentano di meno quando il gioco radiale cambia durante il funzionamento.

La Figura 10 mostra la forza di contatto e la pressione superficiale in funzione della differenza di temperatura in un cuscinetto N1011-K-PVPA1-SP montato in gioco nel design standard e un cuscinetto corrispondente con anello esterno cedevole N1011-K-TR-PVPA1-SP.

A causa della resilienza dell'anello esterno, la forza di contatto e quindi la pressione superficiale sull'anello esterno nel cuscinetto a rulli cilindrici termicamente robusto aumentano molto più lentamente rispetto al cuscinetto a rulli cilindrici standard. Anche con una differenza di temperatura di 40 K, la pressione superficiale è ancora ben al di sotto del limite di fatica di 1500 MPa.

Minore carico di lubrificante

Le forze di contatto e le pressioni superficiali inferiori provocano un attrito inferiore e una minore sollecitazione sul lubrificante. La conformità dell'anello esterno impedisce un aumento incontrollato della polarizzazione riscaldando l'elemento di rotolamento. I cuscinetti a rulli cilindrici termicamente robusti montati senza gioco possono quindi funzionare in sicurezza anche con differenze di temperatura di 40 K.

Idoneità per alte velocità

La velocità massima dei cuscinetti è limitata principalmente dall'attrito generato nel cuscinetto. Se il calore generato durante il funzionamento non può più essere rilasciato nell'ambiente, la temperatura di conservazione continuerà ad aumentare. Il guasto del lubrificante alla fine porta al guasto del cuscinetto.

Alla EMO 2007, Schaeffler Group Industrial ha introdotto i cuscinetti a rulli cilindrici ad alta velocità FAG con una velocità che era 60% superiore rispetto allo standard precedente. Questi cuscinetti raggiungono le caratteristiche di velocità con gli elementi volventi in acciaio, che fino ad allora erano possibili solo con gli elementi volventi in ceramica. L'aumento della velocità è stato ottenuto minimizzando costantemente l'attrito sulle due principali fonti di calore nel cuscinetto, il contatto di rotolamento e l'attrito della gabbia.

Di serie, i cuscinetti a rulli cilindrici di precisione sono dotati di una gabbia in ottone guidata sugli elementi volventi. Al contrario, i cuscinetti a rulli cilindrici ad alta velocità presentano una gabbia in PEEK ottimizzata per attrito guidata sull'anello esterno. Inoltre, l'attrito nel contatto di rotolamento è stato ridotto da una geometria di contatto ottimizzata sul rullo e sull'anello interno.

Nella versione con gabbia PEEK, i cuscinetti a rulli cilindrici termicamente robusti hanno la stessa ottimizzazione del design interno dei cuscinetti a rulli cilindrici ad alta velocità e raggiungono anche le loro velocità eccezionali.

La Figura 11 mostra le temperature di esercizio misurate di un cuscinetto a rulli cilindrici termicamente robusto N1011-K-TR-PVPA1-SP. Il cuscinetto, che, secondo il catalogo, ha una velocità limite di 26.000 giri / min con lubrificazione olio-aria^-1 è stato in grado di funzionare in modo affidabile con 34.000 min^-1 essere gestito.

Distribuzione ottimizzata del lubrificante

I cuscinetti a rulli cilindrici sono sensibili alla lubrificazione eccessiva. Soprattutto con la lubrificazione a grasso, è importante che il grasso venga distribuito rapidamente e che venga rimosso il grasso in eccesso tra gli elementi volventi, in modo che non si verifichino danni dovuti all'elevata flessibilità durante il rotolamento.

Una gabbia in PEEK guidata su entrambi i lati dell'anello esterno garantisce un basso attrito durante il funzionamento. Indipendentemente dalla posizione dell'anello interno, almeno un nastro di gabbia è sempre guidato sull'anello esterno. Il possibile spostamento dell'anello interno è caratterizzato in entrambe le direzioni delle stesse dimensioni ed è - come nel cuscinetto a rulli cilindrici guidato sulla gabbia dell'elemento rotante - limitato dalla larghezza della pista sull'anello esterno.

Lo svantaggio della gabbia guidata su entrambi i lati, tuttavia, è che il lubrificante in eccesso tra gli elementi volventi può essere trasportato solo attraverso i piccoli spazi guida verso l'esterno. Ciò prolunga la corsa di distribuzione del grasso nei cuscinetti lubrificati a grasso e vi è il rischio di danni al lubrificante a causa del sovraccarico.

Sul lato non posizionato dei mandrini del motore, lo spostamento durante il funzionamento avviene sempre in una sola direzione. A causa delle perdite di calore del motore e del raffreddamento esterno, l'albero è più caldo dell'alloggiamento. Di conseguenza, l'anello interno si allontana dal motore. Ciò consente l'uso di una gabbia guidata su un lato, poiché il cuscinetto a rulli cilindrici è sempre montato in modo che il diametro maggiore del foro dell'anello interno sul lato motore sia (Figura 12).

Con una gabbia guidata da un lato, il lubrificante in eccesso può essere trasportato molto più velocemente dal cuscinetto. Ciò riduce il tempo necessario per la corsa di distribuzione del grasso. Il rischio di danni al grasso attraverso il rotolamento è significativamente ridotto.

L'esperienza del cliente mostra una corsa più rapida della distribuzione del grasso con temperature massime più basse. Dopo l'ingresso si ottiene un livello di temperatura inferiore con minore dispersione.

Nuove opzioni di progettazione per i cuscinetti del mandrino del motore

La nuova serie ad alte prestazioni RS e il robusto cuscinetto a rulli cilindrici TR aprono nuove possibilità nella progettazione dei cuscinetti principali del mandrino.

Per applicazioni rigide, i cuscinetti RS sono molto meno sensibili alle influenze di sovrapposizione, velocità e temperatura rispetto ai cuscinetti tradizionali del mandrino. Se le perdite elettriche sul rotore possono essere limitate in modo tale che le differenze di temperatura che si verificano tra l'albero e l'alloggiamento rimangano moderate, l'uso di cuscinetti RS in combinazione con l'idoneità della velocità migliorata invece della regolazione della molla può comportare impostazioni rigide strutturalmente più semplici (Fig. 13).

Ciò semplifica il design del mandrino e allo stesso tempo aumenta la rigidità. L'utilizzatore dei cuscinetti del mandrino riceve quindi una maggiore libertà di progettazione. Il cuscinetto a rulli cilindrici termicamente robusto può essere azionato in sicurezza anche con differenze di temperatura molto elevate.

La funzione sicura di non localizzazione con costruzione semplice, l'insensibilità alle variazioni di temperatura e la corsa di distribuzione del grasso sicura e veloce rendono il cuscinetto a rulli cilindrici termicamente robusto in combinazione con l'idoneità per le massime velocità nella somma delle sue proprietà il cuscinetto flottante ideale ora anche per i mandrini dei motori (figura 14).