Varför radiellt spel och tolerans inte är en och samma

Det finns en viss förvirring kring förhållandet mellan precisionen i bäringen, dess tillverkningstoleranser och nivån på internt spel eller "spel" mellan löpbanorna och kulorna.Här belyser Wu Shizheng, verkställande direktör för experten JITO Bearings på små och miniatyrlager, varför denna myt består och vad ingenjörer bör se upp med.

Under andra världskriget, i en ammunitionsfabrik i Skottland, utvecklade en föga känd man vid namn Stanley Parker konceptet sann position, eller vad vi idag känner som Geometric Dimensioning & Tolerancing (GD&T).Parker märkte att även om vissa av de funktionella delarna som tillverkades för torpeder förkastades efter inspektion, så skickades de fortfarande till produktion.

Vid närmare granskning fann han att det var toleransmätningen som var skyldig.De traditionella XY-koordinattoleranserna skapade en kvadratisk toleranszon, som uteslöt delen även om den upptog en punkt i det böjda cirkulära utrymmet mellan torgets hörn.Han fortsatte med att publicera sina resultat om hur man bestämmer sann position i en bok med titeln Drawings and Dimensions.

* Internt godkännande
Idag hjälper denna förståelse oss att utveckla lager som uppvisar en viss nivå av spel eller löshet, även känt som inre spel eller, mer specifikt, radiellt och axialt spel.Radiellt spel är spelet uppmätt vinkelrätt mot lageraxeln och axiellt spel är spelet uppmätt parallellt med lageraxeln.

Detta spel är designat i lagret från början för att tillåta lagret att stödja belastningar under en mängd olika förhållanden, med hänsyn till faktorer som temperaturexpansion och hur passningen mellan de inre och yttre ringen kommer att påverka lagrets livslängd.

Specifikt kan spelet påverka buller, vibrationer, värmestress, avböjning, lastfördelning och utmattningslivslängd.Högre radiellt spel är önskvärt i situationer där den inre ringen eller axeln förväntas bli varmare och expandera under användning jämfört med den yttre ringen eller huset.I denna situation kommer spelet i lagret att minska.Omvänt kommer spelet att öka om den yttre ringen expanderar mer än den inre ringen.

Högre axiellt spel är önskvärt i system där det finns en felinriktning mellan axel och hus eftersom felinriktning kan göra att ett lager med ett litet inre spel går sönder snabbt.Större spelrum kan också tillåta att lagret klarar något högre axialbelastningar eftersom det introducerar en högre kontaktvinkel.

* Tillbehör
Det är viktigt att ingenjörer hittar rätt balans mellan internt spel i ett lager.Ett alltför snävt lager med otillräckligt spel genererar överskottsvärme och friktion, vilket gör att kulorna sladdar i löpbanan och påskyndar slitaget.På samma sätt kommer för mycket spelrum att öka buller och vibrationer och minska rotationsnoggrannheten.

Frigången kan kontrolleras genom att använda olika passningar.Tekniska passningar avser spelet mellan två matchande delar.Detta brukar beskrivas som en axel i ett hål och representerar graden av täthet eller löshet mellan axeln och den inre ringen och mellan den yttre ringen och huset.Det visar sig vanligtvis i en lös passform med frigång eller en tight interferenspassning.

En tät passning mellan innerringen och axeln är viktig för att hålla den på plats och för att förhindra oönskad krypning eller glidning, vilket kan generera värme och vibrationer och inducera nedbrytning.

En interferenspassning kommer dock att minska spelet i ett kullager när det expanderar den inre ringen.En liknande tät passning mellan huset och den yttre ringen i ett lager med lågt radiellt spel kommer att komprimera den yttre ringen och minska spelet ytterligare.Detta kommer att resultera i ett negativt inre spel – vilket effektivt gör axeln större än hålet – och leda till överdriven friktion och tidigt fel.

Målet är att ha noll glapp när lagret går under normala förhållanden.Det initiala radiella spelet som krävs för att uppnå detta kan dock orsaka problem med att bollar sladdar eller glider, vilket minskar styvheten och rotationsnoggrannheten.Detta initiala radiella spel kan tas bort med förladdning.Förspänning är ett sätt att sätta en permanent axiell belastning på ett lager, när det väl är monterat, genom att använda brickor eller fjädrar som är monterade mot den inre eller yttre ringen.

Ingenjörer måste också beakta det faktum att det är lättare att minska spelet i ett tunt lager eftersom ringarna är tunnare och lättare att deformera.Som tillverkare av små och miniatyrlager råder JITO Bearings sina kunder att mer försiktighet måste iakttas med passningar mellan axel och hus.Axelns och husets rundhet är också viktigare med tunna lager eftersom en axel som inte är rund kommer att deformera de tunna ringarna och öka ljud, vibrationer och vridmoment.

*Toleranser
Missförståndet om rollen av radiellt och axialt spel har fått många att förvirra förhållandet mellan spel och precision, särskilt precisionen som är resultatet av bättre tillverkningstoleranser.

Vissa tycker att ett högprecisionslager nästan inte ska ha något spel och att det ska rotera väldigt exakt.För dem känns ett löst radiellt spel mindre exakt och ger intrycket av låg kvalitet, även om det kan vara ett högprecisionslager avsiktligt utformat med löst spel.Till exempel har vi frågat några av våra kunder tidigare varför de vill ha ett lager med högre precision och de har sagt till oss att de vill "minska spelet".

Det är dock sant att tolerans förbättrar precisionen.Inte långt efter massproduktionens tillkomst insåg ingenjörer att det varken är praktiskt eller ekonomiskt, om det ens är möjligt, att tillverka två produkter som är exakt likadana.Även när alla tillverkningsvariabler hålls desamma, kommer det alltid att finnas små skillnader mellan en enhet och nästa.

Idag har detta kommit att representera en tillåten eller acceptabel tolerans.Toleransklasser för kullager, kända som ISO (metriska) eller ABEC (tum) klassificeringar, reglerar den tillåtna avvikelsen och täckningsmåtten inklusive inre och yttre ringstorlek och rundheten på ringar och löpbanor.Ju högre klass och ju snävare tolerans, desto mer exakt blir lagret när det väl är monterat.

Genom att hitta den rätta balansen mellan montering och radiellt och axialt spel under användning kan ingenjörer uppnå det idealiska nollavståndet och säkerställa lågt ljud och exakt rotation.Genom att göra det kan vi reda ut förvirringen mellan precision och spel och, på samma sätt som Stanley Parker revolutionerade industriell mätning, fundamentalt förändra vårt sätt att se på lager.