Aksel- og hus toleranseklasser for rullelagre: Hvordan valg av passning setter det interne spillet

Først må det avklares: Hvilken ring roterer i forhold til belastningen?

Valget av passning begynner med ett spørsmål: Roterer belastningsretningen i forhold til ringen, eller står ringen i ro under belastningen? En ring som roterer i forhold til belastningen, har en tendens til å krype rundt på sitt sete hvis passningen ikke holder den; setet trenger derfor en presse- eller overgangspassning.

Er belastningsretningen stillestående, kan ringen bli der den er — en spillpassning er da tillatt og ofte ønsket, fordi den lar ringen forskyves aksialt. De to setene tabelleres separat.

På akselen krever en roterende inderringsbelastning overmålsklasser som h5, js5, js6, k5, k6, m5, m6, n6, p6 eller r6 avhengig av belastning og diameter, mens en stillestående inderringsbelastning bruker g6 når ringen må bevege seg friksjonsfritt, og h6 når det ikke er nødvendig².

I lagerhuset bruker stillestående yderringsbelastninger spillpassningsklassene H7, H8, G7 eller F7, mens roterende yderringsbelastninger tar M7, N7 eller P7⁵. Begge tabellene er funksjoner av belastningstype, lagertype og størrelse, så klassen kan ikke utledes av belastningsretningen alene²⁵.

En feil her koster dobbelt. Et løst sete lar løpebanen rotere og skride mot akselen eller lagerhuset (passningskorrosjon), og et sete som ikke støtter den tynne ringen ordentlig, forkorter levetiden og kan tvinge akselen eller lagerhuset til etterbearbeiding før erstattingslageret monteres¹¹.

Akselklassen leses fra belastnings- og diametertabellen

For en roterende indre ring tabelleres akselklassen mot belastningsstørrelse og akseldiameter, og passningen er definert i forhold til lagerboringens normaltoleranse — samme bokstavklasse betyr derfor forskelligt absolutt overmål ved forskellige diametre²¹².

Tabellen nedenfor viser lett- og normalbelastningstilfellet for lagre med sylindrisk boring i klassene 0, 6X og 6; tung- eller støtbelastning flytter klassen til n6, p6 eller r6 og krever et lager med større internt spill enn standard². To lempelser er relevante.

Der høy nøyaktighet ønskes, erstatter js5, k5 og m5 js6, k6 og m6². For enkeltradede kegleformede rullelagre og vinkelkontakt kulelagre kan k5 og m5 erstattes av k6 og m6, fordi spilreduksjonen på grunn av passningen ikke trenger å tas i betraktning der².

Husklassen leses fra belastnings- og forskyvningstabellen

Husklassen avhenger av om den ytre ringen må kunne forskyves aksialt, av belastningstypen og av hvor varme akselen og den indre ringen løper. Én standardklasse er derfor feil for en roterende ytre ring eller en varm aksel⁵.

Er yderringsbelastningen stillestående og ringen skal kunne forskyves lett, er H7 det vanlige valget; ved store lagre eller stor temperaturforskjell mellom ytre ring og lagerhus kan G7 brukes⁵. Løper akselen og den indre ringen varmt, flytter husklassen seg til G7, med F7 ved store lagre eller stor temperaturforskjell⁵.

En roterende yderringsbelastning kan ikke forskyves og får M7, N7 eller P7 avhengig av belastning og husets veggtykkelse⁵.

Kontroller om overmålet spiser opp det interne spillet

En innpressepassning utvider den indre ringen, og den utvidelsen reduserer lagrets tilvirkede, altså benkmessige, interne spill¹⁹. En stram huspassning gjør det samme utenfra ved å presse den ytre ringen sammen; de to reduksjonene legger seg sammen³.

Blir reduksjonen ikke regnet med, kan det hende det ikke er nok benkspill igjen til å etterlate noe driftsspill i det hele tatt, og lageret kan gli over i negativt spill, overdreven friksjon og tidlig svikt³¹⁹. Reduksjonen er ikke enkelt og slett det nominelle overmålet.

Det effektive overmålet beregnes som to tredjedeler av det nominelle overmålet minus et avflatingsmål, for både den indre og den ytre ringen, og den resulterende spillendringen avhenger av det effektive overmålet, den samvirkende akseldiameteren og lagerhusboringens veggtykkelse⁹. Derfor må passningsklasse og spillklasse velges sammen og ikke i rekkefølge.

Der passningen er stram, driftstemperaturen er vedvarende høy, eller hastighetene overskrider standardområdet, er en større spillklasse som C3 det riktige valget; C4 er forbeholdt eksepsjonelt høye temperaturer, betydelig termisk forskjell mellom aksel og lagerhus, tynnveggede lagerhus eller alvorlig feilinnretning²⁰.

Én leverandør oppgir C3 som standardanbefaling for mange vanlige elektriske motorer og girkasser — det er leverandørens posisjon, ikke en regel for enhver anvendelse²⁰.

Temperaturforskjell og oppstillingen med fri lagerside

Spillet flytter seg også med temperaturen. Løper den indre ringen eller akselen forventet varmere og utvider seg mer enn den ytre ringen eller lagerhuset, faller spillet i drift, derfor ønskes et høyere radielt spill fra starten av; utvider den ytre ringen seg mer enn den indre, øker spillet i stedet⁴.

Samme mekanisme gjenspeiles i spillklassen: C3 når driftstemperaturen er vedvarende høy, passningene er stramme eller hastighetene ligger over standard, og C4 når den termiske forskjellen mellom aksel og lagerhus er betydelig²⁰. Et lager på den frie siden er den andre måten å ta opp den bevegelsen på.

Det kompenserer for ekspansjon eller sammentrekning forårsaket av driftstemperaturendring, og der et ikke-adskillelig lager brukes på den frie siden, er det innrettet en spillpassning mellom ytre ring og lagerhus, i noen tilfeller også mellom aksel og indre ring²¹. Denne spillpassningen er en bevisst termisk foranstaltning, ikke en variant med større spill av fastsidepassningen.

Avgrens overmålet fra begge ender

Passningen må være stram nok til å stoppe ringen fra å krype, og løs nok til ikke å overbelaste den.

Korrekte passninger forhindrer løpebanens rotasjon i forhold til aksel eller lagerhus og den påfølgende passningskorrosjonen og festingen, og de støtter de forholdsvis tynne lagerringene; de tillatte aksel- og hustoleransene er bare litt større enn de tilhørende lagerkomponentenes¹¹. Innpressingen av den indre ringen øker ringens ringspenningskomponent.

For ett konkret tilfelle — et vinkelkontakt kulelager med 120 mm boring som aksiallager for en hovedaksel i M50-stål til en turbojetmotor — anbefaler kilden at denne pressningsbetingede del av ringspenningen ikke bør overstige ca. 140 MPa¹⁷.

Denne verdien stammer fra én enkelt høyhastighetsluftfartsanvendelse og er ingen generell bransjegrense; forstå den som en påminnelse om at maksimalt overmål begrenses av ringspenningen, og spør lagerleverandøren om grensen som gjelder for ditt lager.

Velg en monteringsmetode som kan oppnå passningen

Overmålet på tegningen må kunne oppnås uten skade på løpebanen. Lagre med sylindrisk boring monteres generelt ved innpressing eller ved å varme opp den indre ringen for å utvide boringen før montering — en krympemontering²⁶.

Ved større lagre eller høyere overmål reduserer varmemontering risikoen for skade på løpebanen under pressing, og der den ytre ringen krever innpressepassning, kan lageret først kjøles med tørris, etter at rustbeskyttelse er påført på forhånd²⁶. Verktøyet teller like mye som temperaturen.

Lagerpresser, induksjonsvarmeapparater eller hydrauliske presser skal brukes etter lagertype og passning, og kraft må aldri påføres rulleelementene direkte — bare på ringen som monteres¹³.

Hva som skal bekreftes på tegningen før bestilling

Passninger skrives som kombinasjoner av bokstav og siffer som m6 og H7, der en liten bokstav er en aksels ytre diameter og en versal er en lagerhusboring, og hver av dem er definert i forhold til lagerboringens henholdsvis lagerets ytre diameters normaltoleranse¹².

Fordi disse normaltoleransene vokser med lagerstørrelsen, gir samme klasse et annet absolutt mål på et større lager; tegningen er derfor ufullstendig uten den lagertoleranseklassen den er definert mot¹². Kildene gir ingen numeriske setegeometri- eller overflateverdier, så de må formuleres som kontrollpunkter, ikke som kopierte tall.

• ✓Oppgi lagertoleranseklassen passningen er definert mot, i den betegnelsen leverandøren arbeider etter: ISO, DIN, ANSI/ABEC eller JIS [S12][S14][S25]
• ✓Bekreft akselklassen mot belastningstilfellet og det faktiske akseldiameterintervallet, ikke mot en standardklasse [S2]
• ✓Bekreft husklassen mot den ytre ringens forskyvningsbehov og akseltemperaturen [S5]
• ✓Oppgi spillklassen (CN, C3 eller C4) og passningen den er valgt sammen med [S20]
• ✓Krev av verkstedet at akseldiameter, lagerhusboring, overflateruhet og form kontrolleres før montering [S11]
• ✓Få leverandøren til å bekrefte den forventede spilreduksjonen for den spesifiserte passningen [S19][S9]
• ✓Navngi monteringsmetoden og verktøyet, slik at det spesifiserte overmålet kan oppnås uten skade på løpebanen [S26][S13]

Der kildene motsier hverandre eller tier

Tabellene ovenfor stammer fra leverandørenes passningsvalgveiledninger, og de peker ikke alle i samme retning. Radene nedenfor holder hver posisjon adskilt; evidensen avklarer ikke hvilken som gjelder for en gitt maskin, så innkjøeren verifiserer mot den faktiske anvendelsen.

Hva kildene ikke fastslår

• Ingen kilde gir numeriske verdier for Δdmp/ΔDmp-avvik i hul og ytterdiameter for et bestemt lager, slik at den faktiske overmaaten ikke kan beregnes fra artikkelen.
• Ingen kilde gir numeriske intervaller for den radielle indre klaringen for CN, C3 eller C4 før montering.
• Ingen kilde gir en komplett formel for ringforholdsfaktoren for klaringreduksjon; bare faktoren 2/3 og avflatningsmålet G* er angitt.
• Ingen kilde gir numeriske beregninger av termisk utvidelse eller den temperaturforskjellen der C3 eller C4 blir nødvendig.
• Ingen kilde gir en formel for minimumsovermaat for å forhindre glipping eller fretting, eller en generell grense for maksimal overmaat for sprekker eller tangensiell spenning.
• Ingen kilde gir numeriske krav til overflateruhet (Ra), sylindrisitet, rundhet eller skuldrens vinkelrettethet.
• Ingen kilde gir oppnåelige eller påkrevde overmaatverdier, eller monteringskraftverdier, for presspassning, induksjonsvarme, oljeinnsprøyting eller hydraulisk mutter.
• Ingen kilde gir numeriske geometriske toleranser for aksel- eller husseter i forhold til lagertoleransene.