Varför radiellt spel och tolerans inte är samma sak

Det finns viss förvirring kring förhållandet mellan lagrets precision, dess tillverkningstoleranser och nivån på det inre spelrummet eller "spelet" mellan racerbanorna och kulorna. Här belyser Wu Shizheng, vd för små och miniatyrlager experter JITO Bearings, varför denna myt kvarstår och vad ingenjörer bör se upp för.

Under andra världskriget, i en ammunitionsfabrik i Skottland, utvecklade en lite känd man med namnet Stanley Parker begreppet verklig position, eller det vi känner idag som Geometric Dimensioning & Tolerancing (GD&T). Parker märkte att även om några av de funktionella delarna som tillverkas för torpeder avvisades efter inspektion, skickades de fortfarande till produktion.

Vid närmare granskning fann han att det var toleransmätningen som var skyldig. De traditionella XY-koordinatoleranserna skapade en kvadratisk toleranszon, som utesluter delen trots att den upptagit en punkt i det böjda cirkulära utrymmet mellan kvadratens hörn. Han fortsatte med att publicera sina resultat om hur man bestämmer den verkliga positionen i en bok med titeln Drawings and Dimensions.

* Internt godkännande
Idag hjälper denna förståelse oss att utveckla lager som uppvisar viss nivå av spel eller löshet, annars känd som inre spelrum eller, mer specifikt, radiellt och axiellt spel. Radiellt spel är det spel som är uppmätt vinkelrätt mot lageraxeln och axiellt spel är det spel som mäts parallellt med lageraxeln.

Detta spel är utformat in i lagret från början så att lagret kan stödja belastningar under olika förhållanden, med beaktande av faktorer som temperaturutvidgning och hur monteringen mellan de inre och yttre ringarna kommer att påverka lagrets livslängd.

Specifikt kan spelrummet påverka buller, vibrationer, värmestress, avböjning, belastningsfördelning och utmattningsliv. 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 lagerspelet 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 axeln och huset, eftersom felinriktning kan orsaka att ett lager med ett litet inre spelrum misslyckas snabbt. Större spelrum kan också göra det möjligt för lagret att klara av något högre tryckbelastningar eftersom det ger en högre kontaktvinkel.

* Inredning
Det är viktigt att ingenjörer hittar rätt balans mellan inre spelrum i ett lager. Ett alltför tätt lager med otillräckligt spel kommer att generera överskott av värme och friktion, vilket kommer att få kulorna att glida i banan och påskynda slitage. På samma sätt ökar för mycket spelrum buller och vibrationer och minskar rotationsnoggrannheten.

Clearance kan kontrolleras med olika passningar. Tekniska passningar avser avståndet mellan två passande delar. Detta beskrivs vanligtvis 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 manifesterar sig vanligtvis i en lös passform, fri passform eller en snäva passning.

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 störningspassning minskar emellertid spelrummet i ett kullager när det expanderar innerringen. 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 spelrummet ytterligare. Detta kommer att resultera i ett negativt inre spelrum - vilket effektivt gör axeln större än hålet - och leder till överdriven friktion och tidigt fel.

Målet är att ha noll operativt spel när lagret går under normala förhållanden. Det initiala radiella spelet som krävs för att uppnå detta kan emellertid orsaka problem med kulor som glider eller glider, vilket minskar styvheten och rotationsnoggrannheten. Detta inledande radiella spel kan tas bort med förladdning. Förbelastning är ett sätt att sätta en permanent axiell belastning på ett lager, när det är monterat, med hjälp av brickor eller fjädrar som är monterade mot den inre eller yttre ringen.

Ingenjörer måste också överväga det faktum att det är lättare att minska spelrummet i ett tunt lager, eftersom ringarna är tunnare och lättare att deformera. Som tillverkare av små och miniatyrlager rekommenderar JITO Bearings sina kunder att man måste vara mer försiktig med axel-till-hus-passningar. Axel- och husrundhet är också viktigare med tunna lager eftersom en out-of-round axel kommer att deformera de tunna ringarna och öka buller, vibrationer och vridmoment.

* Toleranser
Missförståelsen om rollen för radiellt och axiellt spel har lett till att många har förvirrat förhållandet mellan spel och precision, speciellt den precision som är resultatet av bättre tillverkningstoleranser.

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

Det är dock sant att tolerans förbättrar precisionen. Inte långt efter tillkomsten av massproduktion insåg ingenjörerna att det varken är praktiskt eller ekonomiskt, om det ens är möjligt, att tillverka två produkter som är exakt lika. 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, så kallade ISO (metriska) eller ABEC (tum), reglerar den tillåtna avvikelsen och täckmåtten inklusive ringens inre och yttre storlek och ringens och banarnas rundhet. Ju högre klass och ju strammare tolerans, desto mer exakt blir lagret när det är monterat.

Genom att hitta den rätta balansen mellan montering och radiellt och axiellt spel under användning kan ingenjörer uppnå den perfekta nolloperationsavståndet och säkerställa låg ljudnivå och exakt rotation. Genom att göra detta kan vi rensa förvirringen mellan precision och spel och på samma sätt som Stanley Parker revolutionerade industriell mätning, fundamentalt förändra vårt betraktande av lager.


Inläggstid: Mar-04-2021