بلبرینگ و صنعت - بار اولیه
بار اولیه Bearing preload
همانگونه که در مبحث لقی Clearance صحبت شد، برینگ ها در اکثر موارد باید دارای لقی باشند (لقی مثبت)، اما این مسئله جامعیت ندارد، چون وجود فاصله بین اجزاء برینگ موجب عدم دقت لازم در چرخش برینگ و شافت می گردد و در مواردی نظیر ماشینهای افزار که صلبیت سیستم چرخنده و دقت آن اهمیت زیادی دارد، مجاز به استفاده از لقی مثبت در برینگ نبوده، بلکه برینگ باید دارای لقی منفی یعنی عدم هر گونه فاصله بین اجزاء غلتشی و حلقه های بیرونی و داخلی باشد که این امر منجر به ایجاد فشار در برینگ می شود. این فشار به بار اولیه اطلاق می گردد.
همانگونه که قبلاً ذکر شد، برینگ همیشه باید تحت یک بار حداقل قرار داشته باشد. بنابراین در مواردی که بار خارجی بر برینگ وارد نمی شود و یا اندازه آن خیلی کم است استفاده از وسیله ای نظیر فنر برای ایجاد بار اولیه توصیه شده است. این بار به عنوان یک بار حداقل لازم برای جلوگیری از لغزش اجزاء غلتشی در داخل برینگ عمل می کند.
انواع بار اولیه Types of preload
بسته به نوع برینگ، بار اولیه ممکن است به صورت شعاعی یا محوری اعمال شود.
مثلاً در مورد رولبرینگ های استوانه ای این بار به صورت شعاعی و در بلبرینگ های کف گرد به صورت محوری است.
در بلبرینگ های تماس زاویه ای و رولبرینگ های مخروطی که به صورت روبرو یا پشت به پشت جفت شده باشند، بار اولیه به صورت محوری اعمال می شود.
بلبرینگ های شیار عمیق نیز باید در امتداد محوری بار اولیه داشته باشند که در صورت داشتن یک لقی داخلی C3 (بزرگتر از نرمال) حالت بلبرینگ تماس زاویه ای را پیدا می کنند.
تأثیر بار اولیه Effect of bearing preload
افزایش صلبیت To enhance stiffness
صلبیت برینگ عبارت است از نسبت بار اعمال شده به برینگ به تغییر شکل الاستیکی آن (mµ/N) این مقدار در برینگ های با بار اولیه، کمتر از برینگ هایی است که بار اولیه ندارند.
کاهش صدا To reduce running noise
هر قدر لقی داخلی کمتر باشد مقدار صدای حاصل از چرخش برینگ کمتر خواهد بود.
افزایش دقت کارکرد شافت To enhance the accuracy of shaft guidance
یک برینگ با بار اولیه، تکیه گاه مناسب تری برای یک شافت خواهد بود زیرا در این حالت ارتعاش و نوسان شافت محدود می شود.
جبران اثرات سایش در برینگ To compensate for wear and setting
سایش در برینگ، لقی داخلی را افزایش می دهد. وجود بار اولیه تا حدودی این عیب را تعدیل می کند.
افزایش عمر برینگ Long service life
بار اولیه موجب توزیع یکنواخت بار بر روی برینگ شده، بدین ترتیب عمر برینگ طولانی تر می شود.
محاسبه نیروی بار اولیه Determination of preload force
بار اولیه به صورت نیرو یا فاصله بیان می شود. بار اولیه همچنین به ممان اصطکاکی مرتبط است. یک بار اولیه مناسب در دمای کاری بستگی به بار خارجی اعمال شونده بر برینگ دارد.
در برینگ های زاویه دار نظیر بلبرینگ های تماس زاویه ای و رولبرینگ های مخروطی که بارهای شعاعی و محوری را همزمان متحمل می شوند اعمال بار شعاعی منجر به ایجاد یک نیروی محوری نیز می شود که باید توسط یک برینگ ثانویه که جهت زاویه آن خلاف برینگ اولیه است مهار شود .
مقدار این نیرو برابر است با:
برای بلبرینگ های با تماس زاویه ای Fa=eFr
برای رولبرینگ های مخروطی Fa=0.5 Fr/y
Fr نیروی شعاعی وارده بر برینگ بوده و e ضریبی است که بستگی به زاویه تماس داشته و مقدار آن در بلبرینگ های با زاویه تماس 40 (طراحی با پسوند B) 1.14 است. مقادیر y در جداول اطلاعات رولبرینگها ارائه می گردند.
وقتی بر برینگ های فوق الذکر که به صورت دو تایی نصب شده اند یک نیروی محوری خارجی اعمال شود، استفاده از بار اولیه به منظور جبران حرکتهای ناشی از تغییر شکل الاستیکی در برینگ و توزیع یکنواخت تر بار بین برینگ ها ضروریست.
اگر بین برجهندگی یک برینگ با نیروی وارده بر آن، یک رابطه خطی وجود داشته باشد(نظیر ثابت فنر)، مقایسه نشان خواهد داد که جابجایی محوری در برینگ با بار اولیه کمتر از حالت بدون بار خواهد بود.
به عنوان مثال سیستم پینیون یک اتومبیل با دو رولبرینگ مخروطی را در نظر بگیرید که ضریب ارتجاعی هر یک از برینگ ها CB,CA می باشد. جابه جایی محوری با داشتن بار اولیه کمتر از حالت بدون بار خواهد بود.
اگر بار محوری خارجی از مقدار: (K نیروی محوری خارجی است) تجاوز کند، جابجایی محوری افزوده خواهد شد. (به اندازه حالت بدون بار). و برینگ B (دومی) بدون بار خواهد ماند.
جهت اجتناب از این امر، وقتی برینگ A تحت بار Ka قرار دارد یک بار اولیه با مقدار ذیل ضروری خواهد بود:
روشهای تنظیم Adjustment procedures
منظور از این عبارت، مشخص کردن مقدار بار اولیه یا لقی در یک برینگ است.
یکی از این روشهای ایجاد بار اولیه مثلاً در رولبرینگ های استوانه ای استفاده از انطباقی است که لقی داخلی را به صفر برساند. این لقی در حین چرخش و کارکرد برینگ، منفی شده (در اثر انبساط حرارتی) موجب ایجاد بار اولیه در برینگ می شود.
در برینگ هایی که سوراخ داخلی آنها مخروطی است، ایجاد بار اولیه به صورت شعاعی راحت تر است، زیرا امکان جابجایی آن بر روی شافت تا رسیدن به انطباق و بار اولیه مورد نظر امکان پذیر است.
در رولبرینگ های مخروطی، بلبرینگ های تماس زاویه ای و شیار عمیق که بار اولیه باید به صورت محوری ایجاد شود، از روش جابجایی یک حلقه نسبت به حلقه دیگر استفاده می کنند. در این حالت دو روش وجود دارد: روش مجزا و روش جمعی.
روش مجزا Individual adjustment
در این روش هر جفت برینگ در محل نصب خود با استفاده از مهره، ورقه های فاصله پرکن، بوشهای فاصله دهنده مقدار بار اولیه مورد نظر را پیدا می کنند. برای تصحیح و تنظیم این بار اولیه روشهای زیر پیشنهاد می شود:
تنظیم با استفاده از روش مسیر بار اولیه Adjustment using preload path
ایجاد بار اولیه در این نوع با روشهای ذیل:
- ایجاد حلقه های فاصله گذار بین حلقه های داخلی و بیرونی دو برینگ .
- ایجاد ورقه ای فاصله گذار بین قسمت پله ای یک محفظه و حلقه بیرونی یا بین بدنه و محفظه.
- ایجاد حلقه فاصله گذار بین پله یک شافت و یکی از حلقه های برینگ یا بین حلقه های داخلی دو برینگ.
ضخامت این حلقه های فاصله گذار و نظایر آن به پارامترهایی نظیر فاصله بین شافت و پله های محفظه و مجموع پهنای دو برینگ بستگی دارد.
تنظیم با استفاده از ممان اصطحکاکی Adjustment using friction torque
در تولیدات انبوه معمولاً از این روش استفاده می شود. از آنجائیکه بین بار وارده بر برینگ و ممان اصطکاکی آن رابطه مشخصی وجود دارد؛ تنظیم، می تواند تا زمان رسیدن برینگ به ممان اصطکاکی مشخص و در نتیجه کسب بار اولیه مورد نیاز، ادامه داشته و سپس متوقف شود.
روش انبوه Collective adjustment
در این روش، برینگ ها، شافت، محفظه، حلقه ها و بوشهای فاصله گذار به تعداد مورد نیاز تولید شده و به طور تصادفی مونتاژ می شوند، قطعات نامبرده شده کاملاً قابل جابجایی و تعویض هستند و این روش به تست مجدد احتیاجی ندارد.
ایجاد بار اولیه با استفاده از فنر Preloading by springs
با ایجاد بار اولیه در برینگ موتورهای کوچک الکتریکی، می توان از مقدار صدای تولیدی آنها کاست. این کار با استفاده از یک فنر امکان پذیر است.
نیروی فنر بر حلقه بیرونی یکی از دو برینگی که معمولاً در این موتورها استفاده می شود، اعمال می شود و این حلقه باید امکان جابجایی محوری داشته باشد.
این نیرو همیشه ثابت مانده و مقدار مورد نیاز آن از این رابطه بدست می آید:
F=Kd
نیروی بار اولیه، نیوتن F=(N)
ضریب ثابت – بسته به طراحی موتور بین 5 تا 10 =K
در صورتیکه بخواهیم برینگ را از اثرات ناشی از ارتعاش محافظت کنیم مقدار آن را 20 انتخاب می کنیم.
قطر داخلی برینگ، میلیمتر d=(mm)
در هنگام انتخاب نیروی بار اولیه، باید توجه داشت که صلبیت سیستم برینگ ها با بالا رفتن بار اولیه افزایش می یابد، و از طرف دیگر با افزایش بار اولیه، اصطکاک و نتیجتاً گرما افزایش یافته از عمر برینگ کاسته می گردد.
برینگها و مجموعه با بار اولیه Bearings and bearing sets for preloaded bearing arrangements
برینگهای مخصوصی جهت کاربردهای ویژه به گونه ای ساخته شده اند که بعد از نصب، بار اولیه محاسبه شده حاصل می شود. نظیر رولبرینگ های مخروطی که با پسوندهای CL7A , CL7C مشخص شده و در پینیون خودروها بکار می روند.
در بلبرینگ های تماس زاویه ای و رولبرینگ های مخروطی دوتایی بار اولیه در امتداد محوری ایجاد می شود.
ایجاد بار اولیه در بلبرینگ شیار عمیق با لقی بالاتر از نرمال موجب می شود بلبرینگ حالت تماس زاویه ای پیدا کند.
اعمال بار شعاعی بر رولبرینگ مخروطی یا بلبرینگ تماس زاویه ای منجر به ایجاد یک نیروی محوری نیز می شود که باید توسط یک برینگ ثانویه خنثی شود.
اعمال بار شعاعی منجر به ایجاد یک بار محوری در برینگ های تماس زاویه ای می شود که در صورت خنثی نشدن موجب جدایی حلقه های برینگ از یکدیگر می شود.
جابجایی محوری در برینگ های بدون بار اولیه از نوعی که بار اولیه دارند بیشتر است.
نصب حلقه های فاصله گذار بین حلقه های داخلی و خارجی دو برینگ جهت ایجاد بار اولیه.
نصب حلقه فاصله گذار بین محفظه و بدنه جهت ایجاد بار اولیه.
نصب حلقه فاصله گذار بین پله شافت و حلقه داخلی برینگ برای ایجاد بار اولیه.
استفاده از فنر جهت ایجاد بار اولیه.
رابطه بین طول عمر برینگ با بار اولیه/ لقی.