Klasy tolerancji wału i oprawy dla łożysk tocznych: jak wybór pasowania decyduje o luzie wewnętrznym

Najpierw ustal, który pierścień obraca się względem obciążenia

Dobór pasowania zaczyna się od jednego pytania: czy kierunek obciążenia obraca się względem pierścienia, czy pierścień pozostaje nieruchomy pod obciążeniem? Pierścień obracający się względem obciążenia ma tendencję do pełzania po swoim gnieździe, jeśli pasowanie go nie trzyma — gniazdo wymaga więc pasowania wciskowego lub przejściowego.

Gdy kierunek obciążenia jest nieruchomy, pierścień może pozostać na miejscu — pasowanie luzowe jest wtedy dopuszczalne i często pożądane, bo pozwala pierścieniowi na przesuw osiowy. Oba gniazda opisują osobne tabele.

Na wale obracające się obciążenie pierścienia wewnętrznego wymaga klas wciośności takich jak h5, js5, js6, k5, k6, m5, m6, n6, p6 lub r6, zależnie od obciążenia i średnicy, podczas gdy nieruchome obciążenie pierścienia wewnętrznego korzysta z g6, gdy pierścień musi poruszać się płynnie, albo z h6, gdy nie musi².

W oprawie nieruchome obciążenie pierścienia zewnętrznego stosuje klasy luzowe H7, H8, G7 lub F7, a obracające się obciążenie pierścienia zewnętrznego — M7, N7 lub P7⁵. Obie tabele są funkcjami rodzaju obciążenia, typu łożyska i wielkości, więc klasy nie da się wybrać na podstawie samego kierunku obciążenia²⁵.

Błąd w tym miejscu kosztuje podwójnie. Luźne gniazdo pozwala bieżni obracać się i tarć o wał lub oprawę (fretting), a gniazdo, które nie podpiera cienkiej bieżni prawidłowo, skraca trwałość eksploatacyjną i może wymusić regenerację wału lub oprawy przed wstawieniem łożyska zamiennego¹¹.

Odczytanie klasy wału z tabeli obciążenie–średnica

Dla obracającego się pierścienia wewnętrznego klasę wału tabelaryzuje się względem wielkości obciążenia i średnicy wału, a pasowanie definiuje się względem tolerancji normalnej otworu łożyska — ta sama klasa literowa oznacza więc inną bezwzględną wciośność przy różnych średnicach²¹².

Poniższa tabela obejmuje przypadek obciążenia lekkiego i normalnego dla łożysk o otworze walcowym w klasach 0, 6X i 6; obciążenie ciężkie lub uderzeniowe przesuwa klasę na n6, p6 lub r6 i wymaga łożyska o większym niż standardowy luzie wewnętrznym². Dwa złagodzenia mają znaczenie.

Tam, gdzie wymagana jest wysoka dokładność, js5, k5 i m5 zastępują js6, k6 i m6². Dla jednorzędowych łożysk wałeczkowych stożkowych i łożysk kulkowych skośnych k5 i m5 można zastąpić k6 i m6, bo redukcji luzu wewnętrznego wynikającej z pasowania nie trzeba tam uwzględniać².

Odczytanie klasy oprawy z tabeli obciążenie–przesuwność

Klasa oprawy zależy od tego, czy pierścień zewnętrzny musi pozostać przesuwny osiowo, od rodzaju obciążenia i od tego, jak gorąco pracują wał i pierścień wewnętrzny. Pojedyncza klasa domyślna jest więc błędna dla obracającego się pierścienia zewnętrznego lub gorącego wału⁵.

Gdy obciążenie pierścienia zewnętrznego jest nieruchome, a pierścień musi łatwo się przemieszczać, zwykłym wyborem jest H7; przy dużym łożysku lub dużej różnicy temperatur między pierścieniem zewnętrznym a oprawą wchodzi w grę G7⁵.

Gdy wał i pierścień wewnętrzny pracują gorąco, klasa oprawy przechodzi na G7, a przy dużym łożysku lub dużej różnicy temperatur — na F7⁵. Obracające się obciążenie pierścienia zewnętrznego nie jest przesuwne i otrzymuje M7, N7 lub P7 zależnie od obciążenia i grubości ścianki oprawy⁵.

Sprawdź, czy wciośność nie zjada luzu wewnętrznego

Pasowanie wciskowe rozszerza pierścień wewnętrzny, a to rozszerzenie redukuje wykonany, czyli warsztatowy luz wewnętrzny łożyska¹⁹. Ciasne pasowanie w oprawie robi to samo od zewnątrz, ściskając pierścień zewnętrzny; obie redukcje się sumują³.

Jeśli redukcji się nie uwzględni, może nie zostać dość warsztatowego luzu, by w ogóle zostawić luz roboczy, i łożysko może zejść w luz ujemny, nadmierne tarcie i wczesną awarię³¹⁹. Redukcja nie jest po prostu równa nominalnej wciośności.

Wciośność skuteczną oblicza się jako dwie trzecie wciośności nominalnej minus wymiar spłaszczenia, zarówno dla pierścienia wewnętrznego, jak i zewnętrznego, a wynikowa zmiana luzu zależy od wciośności skutecznej, współpracującej średnicy wału i grubości ścianki otworu oprawy⁹. Dlatego klasę pasowania i klasę luzu trzeba wybierać razem, a nie po kolei.

Tam, gdzie pasowanie jest mocne, temperatura pracy trwale wysoka albo obroty przekraczają zakres standardowy, właściwym wyborem jest większa klasa luzu, taka jak C3; C4 zarezerwowano dla wyjątkowo wysokich temperatur, znaczącej różnicy termicznej między wałem a oprawą, cienkościennych opraw lub poważnej niewspółosiowości²⁰.

Jeden z dostawców podaje C3 jako zalecenie domyślne dla wielu typowych silników przemysłowych i przekładni — to stanowisko tego dostawcy, a nie reguła dla każdej aplikacji²⁰.

Różnica temperatur i układ ze stroną swobodną

Luz przemieszcza się także wraz z temperaturą. Jeśli pierścień wewnętrzny lub wał będzie pracował goręcej i rozszerzy się bardziej niż pierścień zewnętrzny lub oprawa, luz łożyska w pracy spadnie, więc od początku pożądany jest wyższy luz promieniowy; jeśli bardziej rozszerzy się pierścień zewnętrzny, luz zamiast tego rośnie⁴.

Tą samą logiką rządzi się klasa luzu: C3, gdy temperatura pracy jest trwale wysoka, pasowania mocne albo obroty powyżej standardu, i C4, gdy różnica termiczna między wałem a oprawą jest znacząca²⁰. Łożysko po stronie swobodnej to drugi sposób wchłonięcia tego ruchu.

Kompensuje ono rozszerzenie lub skurczenie wywołane zmianą temperatury pracy, a tam, gdzie po stronie swobodnej pracuje łożysko nierozbieralne, przewiduje się pasowanie luzowe między pierścieniem zewnętrznym a oprawą, w niektórych przypadkach także między wałem a pierścieniem wewnętrznym²¹. To pasowanie luzowe jest przemyślanym zabezpieczeniem termicznym, nie luźniejszą wariantem pasowania strony oporowej.

Ogranicz wciośność z obu stron

Pasowanie musi być na tyle ciasne, by powstrzymać pełzanie pierścienia, i na tyle luźne, by go nie przeciążyć.

Prawidłowe pasowania zapobiegają obrotowi bieżni względem wału lub oprawy wraz z następującym po nim frettingiem i zatarciem oraz podpierają stosunkowo cienkie bieżnie łożyska; dopuszczalne tolerancje wału i oprawy są tylko nieznacznie większe niż tolerancje współpracujących części łożyska¹¹. Wciśnięcie pierścienia wewnętrznego powiększa naprężenie obwodowe w pierścieniu.

Dla konkretnego przypadku — łożysko kulkowe skośne o otworze 120 mm jako łożysko oporowe wału głównego ze stali M50 dla silnika turboodrzutowego — źródło zaleca, aby ta składowa naprężenia obwodowego pochodząca z pasowania nie przekraczała około 140 MPa¹⁷.

Wartość ta pochodzi z pojedynczego wysokoobrotowego zastosowania lotniczego i nie jest ogólną granicą branżową; traktuj ją jako przypomnienie, że maksymalna wciośność jest ograniczona naprężeniem pierścienia, i zapytaj dostawcę łożysk o limit obowiązujący dla Twojego łożyska.

Wybierz metodę montażu, która pozwoli osiągnąć pasowanie

Wciośność z rysunku musi dać się osiągnąć bez uszkodzenia bieżni. Łożyska o otworze walcowym montuje się na ogół przez wciśnięcie albo przez podgrzanie pierścienia wewnętrznego w celu rozszerzenia jego otworu przed zabudową — pasowanie skurczowe²⁶.

Przy większych łożyskach lub większej wciośności montaż na gorąco zmniejsza ryzyko uszkodzenia bieżni przy wciskaniu, a tam, gdzie pierścień zewnętrzny wymaga pasowania wciskowego, łożysko można najpierw schłodzić suchym lodem, z wcześniej nałożonym zabezpieczeniem antykorozyjnym²⁶. Narzędzia znaczą tyle samo co temperatura.

W zależności od typu łożyska i pasowania należy stosować prasy do łożysk, nagrzewnice indukcyjne lub prasy hydrauliczne, a siły nigdy nie wolno przykładać bezpośrednio do elementów tocznych — tylko do montowanego pierścienia¹³.

Co potwierdzić na rysunku przed zamówieniem

Pasowania zapisuje się jako kombinacje litera-plus-cyfra, takie jak m6 i H7, gdzie mała litera oznacza średnicę zewnętrzną wału, a wielka litera otwór oprawy, i każde z nich jest zdefiniowane względem tolerancji normalnej otworu lub średnicy zewnętrznej łożyska¹².

Ponieważ te tolerancje normalne rosną z wielkością łożyska, ta sama klasa daje inne bezwzględne pasowanie na większym łożysku — rysunek jest więc niekompletny bez klasy tolerancji łożyska, względem której jest zdefiniowany¹². Źródła nie podają liczbowych wartości geometrii gniazda ani chropowatości, więc trzeba je zapisać jako punkty weryfikacji, a nie skopiowane liczby.

• ✓Podaj klasę tolerancji łożyska, względem której zdefiniowano pasowanie, w oznaczeniu ISO, DIN, ANSI/ABEC lub JIS, jakim posługuje się dostawca [S12][S14][S25]
• ✓Potwierdź klasę wału względem przypadku obciążenia i rzeczywistego zakresu średnicy wału, a nie klasę domyślną [S2]
• ✓Potwierdź klasę oprawy względem wymogu przesuwności pierścienia zewnętrznego i temperatury wału [S5]
• ✓Podaj klasę luzu wewnętrznego (CN, C3 lub C4) i pasowanie, względem którego ją wybrano [S20]
• ✓Zażądaj, aby produkcja zweryfikowała średnicę wału, otwór oprawy, chropowatość i kształt przed montażem [S11]
• ✓Kazać dostawcy potwierdzić oczekiwaną redukcję luzu dla zadeklarowanego pasowania [S19][S9]
• ✓Nazwij metodę montażu wraz z narzędziami, żeby zadeklarowana wciośność była osiągalna bez uszkodzenia bieżni [S26][S13]

Gdzie źródła się różnią lub milczą

Powyższe tabele pochodzą z przewodników doboru pasowań dostawców i nie wszystkie wskazują ten sam kierunek. Poniższe wiersze utrzymują każde stanowisko osobno; dowody nie rozstrzygają, które dotyczy danej maszyny, więc kupujący weryfikuje względem rzeczywistej aplikacji.

Czego nie ustalają źródła

• Żadne źródło nie podaje liczbowych wartości odchylek otworu i średnicy zewnętrznej Δdmp/ΔDmp dla określonego łożyska, więc rzeczywistego wcisku nie można obliczyć na podstawie tego artykułu.
• Żadne źródło nie podaje liczbowych zakresów promieniowego luzu wewnętrznego dla CN, C3 lub C4 przed montażem.
• Żadne źródło nie podaje pełnego wzoru na współczynnik stosunku pierścieni dla redukcji luzu; podano tylko współczynnik 2/3 i wymiar spłaszczenia G*.
• Żadne źródło nie podaje liczbowych obliczeń rozszerzalności cieplnej ani różnicy temperatur, przy której C3 lub C4 staje się konieczne.
• Żadne źródło nie podaje wzoru na minimalny wcisk zapobiegający poślizgowi lub korozji frettingowej ani ogólnej granicy maksymalnego wcisku dla pęknięć lub naprężeń obwodowych.
• Żadne źródło nie podaje liczbowych wymagań dotyczących chropowatości powierzchni (Ra), walcowości, okrągłości ani prostopadłości czopu.
• Żadne źródło nie podaje osiągalnych lub wymaganych wartości wcisku ani wartości siły montażu dla wcisku, nagrzewania indukcyjnego, wtrysku oleju lub nakrętki hydraulicznej.
• Żadne źródło nie podaje liczbowych tolerancji geometrycznych gniazd wału lub korpusu względem tolerancji łożyska.