Superpräzisions-Schrägkugellager Vorspannung, Spiel und Steifigkeit

Ein einzelnes Hochpräzisions-Schrägkugellager kann erst vorgespannt werden, wenn ein zweites Lager die Position in der entgegengesetzten Richtung vorgibt.
Nach dem Einbau können Sätze von universell paarbaren Lagern und gepaarte Lagersätze eine höhere Vorspannung aufweisen als die voreingestellte Vorspannung, die während der Herstellung festgelegt wurde. Die Erhöhung der Vorspannung hängt hauptsächlich von den tatsächlichen Toleranzen für die Wellen- und Gehäusesitze ab und davon, ob diese zu einer Presspassung mit den Lagerringen führen.

Eine Erhöhung der Vorspannung kann auch durch Abweichungen von der geometrischen Form der zugehörigen Bauteile verursacht werden, wie z. B. Zylindrizität, Rechtwinkligkeit oder Konzentrizität der Lagersitze.

Während des Betriebs kann eine zusätzliche Erhöhung der Vorspannung auch verursacht werden durch:

  •  Die durch die Drehzahl der Welle verursachte Zentrifugalkraft, bei Anordnungen mit fester Position
  •  Eine Temperaturdifferenz zwischen Innenring, Außenring und Kugeln
  •  Unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten für die Wellen- und Gehäusewerkstoffe im Vergleich zu Lagerstahl

Wenn die Lager spielfrei auf einer Stahlwelle und in einem dickwandigen Stahl- oder Gusseisengehäuse montiert sind, kann die Vorspannung mit ausreichender Genauigkeit bestimmt werden aus
tcm 12 129561.png?t=1785195506

Wobei

Gm        Vorspannung im eingebauten Lagersatz [N]
GA,B,C,D    Voreingestellte Vorspannung im Lagersatz vor dem Einbau [N] Produkttabelle
f        PBearing-Faktor abhängig von der Lagerreihe und -größe Produkttabelle
f1        Korrekturfaktor abhängig vom Kontaktwinkel Produkttabelle
f2        Korrekturfaktor abhängig von der Vorspannungsklasse Produkttabelle
fHC       Korrekturfaktor für Produkttabelle von Hybridlagern

Deutlich festere Passungen können erforderlich sein, beispielsweise für sehr hochtourige Spindeln, bei denen Fliehkräfte den Festsitz des Innenrings auf seinem Wellensitz lockern können. Diese Lageranordnungen müssen sorgfältig beurteilt werden. Wenden Sie sich in diesen Fällen an den anwendungstechnischen Beratungsdienst.

Für die Vorspannung in einem eingebauten Lagersatz (Gm) der Lager der Reihe S70 .. W wenden Sie sich bitte an den anwendungstechnischen Beratungsdienst.

Berechnungsbeispiel

Wie hoch ist die Vorspannung in einem gepaarten Lagersatz 71924 CD/P4ADBC nach dem Einbau?

Die voreingestellte Vorspannung für den Satz von zwei Lagern der Baureihe 719 CD, vor dem Einbau, Vorspannungsklasse C, Größe 24 beträgt GC = 1 160 N, siehe Produkttabelle.

Mit dem Lagerfaktor f = 1,26 und den Korrekturfaktoren f1= 1 und f2= 1,09, siehe Produkttabelle, beträgt die Vorspannung des eingebauten Lagersatzes:

= 1,26 x 1 x 1,09 x 1 160 ≈ 1 590 N
In Präzisionsanwendungen mit hohen Drehzahlen ist eine konstante, gleichmäßige Vorspannung wichtig. Um die korrekte Vorspannung aufrechtzuerhalten, werden typischerweise kalibrierte lineare Federn zwischen dem Lageraußenring und der Gehäuseschulter verwendet. Mit Federn beeinflusst das kinematische Verhalten des Lagers die Vorspannung unter normalen Betriebsbedingungen nicht. Eine federbelastete Lageranordnung hat jedoch eine geringere Steifigkeit als eine Anordnung, bei der die axiale Verschiebung zur Einstellung der Vorspannung verwendet wird. Die Federvorspannungsmethode ist Standard für Spindeln, die in Innenschleifmaschinen verwendet werden.

Richtwerte für die gängigsten federbelasteten Lageranordnungen sind aufgeführt in: Tabelle 3. Die Werte gelten für einzelne Lager der Bauart CE und ACE. Bei Lagerungen in Tandemanordnung sind die Werte mit einem Faktor zu multiplizieren, der der Anzahl der mit der Federkraft vorgespannten Lager entspricht. Die angegebenen Federvorspannkräfte sind ein Kompromiss zwischen minimalem Unterschied im Betriebskontaktwinkel an den Laufbahnen des Innen- und Außenrings und axialer Steifigkeit bei hohen Drehzahlen. Höhere Vorspannungen führen zu höheren Betriebstemperaturen.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an den anwendungstechnischen Dienst.

Für Bearbeitungszentren, Fräsmaschinen, Drehmaschinen und Bohrmaschinen sind Steifigkeit und präzise axiale Führung kritische Parameter, insbesondere bei wechselnden axialen Belastungen. Für diese Anwendungen wird die Vorspannung in den Lagern üblicherweise durch die relative axiale Einstellung der Lagerringe zueinander erreicht.

Diese Vorspannmethode bietet erhebliche Vorteile hinsichtlich der Systemsteifigkeit. Abhängig von der internen Lagerkonstruktion und dem Kugelmaterial steigt die Vorspannung jedoch aufgrund von Zentrifugalkräften mit der Drehzahl erheblich an.

Universell paarweise zusammenpassbare Lager oder Lagersätze werden so gefertigt, dass sie bei korrekter Montage ihre vorbestimmte axiale Verschiebung und die korrekten Vorspannwerte erreichen.

Bei Einzellagern müssen präzisionsgefertigte Distanzringe verwendet werden.
In Fällen, in denen universell paarweise zusammenpassbare Lager oder Lagersätze verwendet werden, wird die Vorspannung werkseitig während der Produktion festgelegt. In einigen Fällen kann es jedoch erforderlich sein, die Vorspannung zu optimieren, um den jeweiligen Betriebsbedingungen Rechnung zu tragen. In diesen Fällen sollten die Lager nicht modifiziert werden, da dies spezielle Werkzeuge und Kenntnisse erfordert und die Lager irreparabel beschädigt werden könnten. Die Lagermodifikation sollte ausschließlich Spindel-Service-Centern für die Überholung von Werkzeugmaschinenspindeln anvertraut werden.

Es ist jedoch möglich, die Vorspannung zu erhöhen oder zu verringern, indem Distanzringe zwischen zwei Rücken an Rücken oder Stirn an Stirn angeordneten Lagern verwendet werden, wenn diese in Sätzen von zwei oder mehr Lagern eingesetzt werden. Es ist nicht erforderlich, Distanzstücke zwischen in Tandem angeordneten Lagern einzusetzen.

Durch Schleifen der Stirnfläche des Innen- oder Außenrings kann die Vorspannung im Lagersatz verändert werden.
Tabelle 4 gibt Auskunft darüber, welche der gleichbreiten Distanzring-Stirnflächen geschliffen werden muss und welche Auswirkung dies hat. Die notwendige Maßabweichung für die Gesamtbreite der Distanzringe ist in den folgenden Tabellen aufgeführt.:

  •  Tabelle 5 für Lager der Baureihe 718 .. D
  •  Tabelle 6 für Lager der Baureihen 719 .. D und 70 .. D
  •  Tabelle 7 für Lager der Baureihen 719 .. E und 70 .. E
  •  Tabelle 8 für Lager der Reihen 719 .. B und 70 .. B
  •  Tabelle 9 für Lager der Reihen 72 .. D

Distanzringe

In der Regel ist die Verwendung von Distanzringen bei Schrägkugellager-Sätzen vorteilhaft, wenn:

  •  Die Vorspannung im Lagersatz eingestellt werden muss
  •  Die Momentensteifigkeit und Momentbelastbarkeit erhöht werden sollen
  •  Düsen für die Ölschmierung müssen so nah wie möglich an den Lagerlaufbahnen angeordnet sein.
  •  Es wird ausreichend Platz für überschüssiges Fett benötigt, um die Reibungswärme im Lager zu reduzieren.
  •  Bei sehr hohen Betriebsgeschwindigkeiten ist eine verbesserte Wärmeableitung über das Gehäuse erforderlich.

Um eine optimale Lagerleistung zu erzielen, dürfen sich Distanzringe unter Last nicht verformen, da Formabweichungen sonst die Vorspannung im Lagersatz beeinflussen können. Daher sollten immer die Richtwerte für die Wellen- und Gehäusetoleranzen verwendet werden.

Distanzringe sollten aus hochwertigem Stahl gefertigt sein, der je nach Anwendung auf 45 bis 60 HRC gehärtet werden kann. Die Planparallelität der Stirnflächen ist besonders wichtig. Die zulässige Abweichung darf 1 bis 2 μm nicht überschreiten.

Sofern die Vorspannung nicht angepasst werden soll, sollte die Gesamtbreite der inneren und äußeren Distanzringe identisch sein. Die genaueste Methode hierfür ist die Bearbeitung der Breite der konzentrischen inneren und äußeren Distanzringe in einem Arbeitsgang.
Mithilfe von Dehnungsmessstreifen wurde festgestellt, dass sich die Vorspannung mit der Drehzahl ändert und dass es bei sehr hohen Drehzahlen zu einem deutlichen Anstieg der Vorspannung kommt. Dies ist hauptsächlich auf die hohen Zentrifugalkräfte auf die Kugeln zurückzuführen, die dazu führen, dass diese ihre Position in den Laufbahnen verändern.

Im Vergleich zu einem Lager mit Stahlkugeln kann ein Hybridlager (Lager mit Keramikkugeln) aufgrund der geringeren Masse der Kugeln deutlich höhere Drehzahlen erreichen, ohne die Vorspannung wesentlich zu erhöhen.
Die axiale Steifigkeit hängt von der elastischen Verformung (Durchbiegung) des Lagers unter Last ab und kann als Verhältnis von Last zu Durchbiegung ausgedrückt werden. Da die Beziehung zwischen Durchbiegung und Last jedoch nicht linear ist, können nur Richtwerte in der Produkttabelle angegeben werden.

Diese Werte gelten für Lagerpaare, die mit einer nahezu spielfreien Presspassung auf einer Stahlwelle montiert sind, unter statischen Bedingungen und bei mäßigen Belastungen.

Genauere Werte für die axiale Steifigkeit können mit Hilfe moderner Computerverfahren berechnet werden. Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an den anwendungstechnischen Service.

Beim Vergleich von Lagern gleicher Größe bieten Lagersätze, die aus drei oder mehr Lagern bestehen, eine höhere axiale Steifigkeit als Sätze mit zwei Lagern. Die Richtwerte für die axiale Steifigkeit für diese Sätze können berechnet werden, indem die in der Produkttabelle aufgeführten Werte mit einem Faktor multipliziert werden, der in Tabelle 10.

Für Hybridlager können die Richtwerte für die axiale Steifigkeit auf die gleiche Weise wie für Lager mit Stahlkugeln ermittelt werden. Der berechnete Wert sollte dann jedoch mit einem Faktor von 1,11 multipliziert werden (für alle Anordnungen und Vorspannungsklassen).
Superpräzisions-Schrägkugellager werden typischerweise axial auf Wellen oder in Gehäusen entweder mit Präzisions-Nutmuttern oder Stirnplatten positioniert. Diese Komponenten erfordern eine hohe geometrische Präzision und gute mechanische Festigkeit, um eine angemessene Unterstützung und Positionierung zu gewährleisten.

Das Anzugsmoment Mt für Präzisions-Nutmuttern oder Schrauben der Stirnplatte muss ausreichend sein, um alle Komponenten, einschließlich der Lager, an Ort und Stelle zu halten, ohne Verformungen oder andere Schäden zu verursachen.

Informationen zu Präzisions-Nutmuttern finden Sie unter Präzisions-Nutmuttern.

Berechnung des erforderlichen Anzugsmoments

Aufgrund der Anzahl der Variablen (Reibung zwischen den zusammenpassenden Komponenten, Grad der Presspassung, erhöhte Vorspannung aufgrund der Presspassung usw.) ist es nicht möglich, das erforderliche Anzugsmoment Mt für eine Präzisions-Nutmutter oder die Schrauben in einer Stirnplatte genau zu berechnen. Die folgenden Formeln können verwendet werden, um Mt abzuschätzen, aber die Ergebnisse sollten während des Betriebs überprüft werden.

Die erforderliche axiale Spannkraft für eine Präzisions-Nutmutter oder die Schrauben in einer Stirnplatte kann geschätzt werden aus
Required%20tightening%20torque tcm 12 129563.png?t=1785195506
Das erforderliche Anzugsmoment für eine Präzisions-Nutmutter kann geschätzt werden aus
Tightening%20torque%20precision%20lock%20nut tcm 12 129564.png?t=1785195506
Das erforderliche Anzugsmoment für Stirnplatten-Schrauben kann geschätzt werden aus
Tightening%20torque%20end%20plate%20bolts tcm 12 129565.png?t=1785195506
Wobei

Mt        Erforderliches Anzugsmoment [Nmm]
Pa       Erforderliche axiale Anpresskraft [N]
Fc        Axiale Einpresskraft [N]
  •  Für Lager der Baureihen 718 .. D, 719 .. D, 70 .. D und 72 .. D (Tabelle 11)
  •  Für Lager der Baureihen 719 .. E, 70 .. E und S70 .. W (Tabelle 12)
  •  für Lager der Reihen 719 .. B und 70 .. B (Tabelle 13)
Fc        Minimale axiale Anpresskraft [N]
  •  Für Lager der Baureihen 718 .. D, 719 .. D, 70 .. D und 72 .. D (Tabelle 11)
  •  Für Lager der Baureihen 719 .. E, 70 .. E und S70 .. W (Tabelle 12)
  •  für Lager der Reihen 719 .. B und 70 .. B (Tabelle 13)
GA,B,C,D    Voreingestellte Lagervorspannung vor der Montage [N] Produkttabelle
K        Berechnungsfaktor abhängig vom Gewinde Tabelle 14
Ncp       Anzahl der Lager in der gleichen Ausrichtung wie das Lager, mit dem die Präzisions-Sicherungsmutter oder die Endplatte in direktem Kontakt steht1)
Nb       Anzahl der Endplattenbolzen

1 Dies ist nicht die Gesamtanzahl der Lager in der Anordnung, sondern nur diejenigen, die bewegt werden müssen, um Lücken zwischen den Ringen zu schließen, um die voreingestellte Vorspannung zu erreichen. Beachten Sie auch die Verriegelungsprozedur.

Verriegelungsvorgang

Bei der axialen Fixierung von Hochpräzisions-Schrägkugellagern mit einer Präzisions-Nutmutter oder einer Stirnplatte sollte das folgende Verfahren angewendet werden, um sicherzustellen, dass alle Lager vollständig sitzen und die Spannkraft auf das geschätzte erforderliche Niveau zurückgesetzt wird.

  • 1 Ziehen Sie die Nutmutter / die Schrauben der Stirnplatte 2 bis 3 Mal fester an als der Wert für Mt.
  • 2 Lösen Sie die Nutmutter / die Schrauben der Stirnplatte.
  • 3 Ziehen Sie die Nutmutter / die Schrauben der Stirnplatte mit dem Wert von Mt wieder fest.
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