Luentojen viikko-ohjelma periodi viikko aihe opettaja 1 35,36 Johdanto, historiaa, suunnittelu, CE -merkki, kuormitus, kestävyys, materiaalit, valmistus Yrjö Louhisalmi 1 37,38,39 liitososat ja liitokset: ruuvit, hitsaus Yrjö Louhisalmi 1 39,40,41 laakerit, ketjuvälitykset Yrjö Louhisalmi 1 42,(43) hihnavälitykset Yrjö Louhisalmi 2 44,45 laakereiden voitelu, jouset, liimaus, niittaus, liitosesimerkkejä, laakerointi ja tiivistys 45 1. välikoe Yrjö Louhisalmi 2 46,47,48 akselit ja niiden liittäminen Tapio Korpela 2 48,49 kytkimet ja jarrut Tapio Korpela 2 49,50 hammasvälitykset Tapio Korpela 2. välikoe
Laakerit Laakerit ovat koneiden ydintä. Ne ohjaavat ja tukevat osien rotaatio- tai lineaariliikettä. Liikenopeus voi vaihdella 0 r/min. 100.000 r/min. Laakerien kuormitus voi olla radiaalista ja/tai aksiaalista. Kaksi vaihtoehtoa: liukulaakerit tai vierintälaakerit. Mitoitus alkaa yleensä akselin halkaisijan mitoituksesta. Laakerointi = 2 laakeria samalla akselilla. Laakerit tuetaan ja kiinnitetään akseliin ja runkoon. Asennus vaatii huolellisuutta ja puhtautta. Laakeroinneissa on aina pieni välys tai jousto. Voitelun suunnittelu: pieni voiteluainemäärä riittää, kun se on oikeassa paikassa, oikeaa laatua ja uudistettavissa. Laakerit suunnitellaan vaihdettaviksi.
Paperikoneen huovanjohtotelan kartiorullalaakerointi. [Prof. J.Tuomaala]
laakeroinnin valinta liukulaakerit hydrodynaamiset laakerit hydrostaattiset laakerit kaasulaakerit voitelemattomana toimivat itsevoitelevat laakerit vierintälaakerit kuulalaakerit lieriörullalaakerit, neulalaakerit kartiorullalaakerit
Esimerkkejä liukulaakeriholkeista [D&E Trading Oy]
Liukulaakerit Osat liukuvat toistensa suhteen. Liukulaakerissa pitää olla aina välystä. Kova akseli ja pehmeä laakeriholkki suhteessa 3:1... 5:1. Tyypillisiä materiaaleja ovat: Akseli: teräs Laakeriholkki: Pb-Sn-seokset, Cu-seokset, Alseokset, muovi Lämmön johtuminen laakerista pois on tärkeää. Aksiaali- ja radiaalilaakerit.
erilaisia liukulaakerirakenteita [Hamrock BJ, Schmid SR, Jacobson BO, Fundamentals of fluid film lubrication / 2nd, rev. Ed., 2004.]
kitkakertoimia terästä vasten [Kivioja S, Kivivuori S, Salonen P, Tribologia: kitka, kuluminen ja voitelu, 2 korj. p. Otatieto, 1998.]
hydrodynaaminen laakeri [Kivioja S, Kivivuori S, Salonen P, Tribologia: kitka, kuluminen ja voitelu, 2 korj. p. Otatieto, 1998.] teoreettinen tarkastelu perustuu Reynoldsin yhtälöön x h 3 p x z h 3 p z 6U h x toimii säteittäisenä ja aksiaalisena laakerina kapeneva kiilamainen rako imee voiteluainetta liikettä oltava osa voiteluaineesta pusertuu ulos kun pinnat lähestyvät voiteluaineena kaasu tai neste
hydrostaattinen laakeri [Kivioja S, Kivivuori S, Salonen P, Tribologia: kitka, kuluminen ja voitelu, 2 korj. p. Otatieto, 1998.] ei tarvitse liikettä voiteluainepumpun tuottama paine erottaa liikkuvat osat toisistaan kuluttaa energiaa voiteluaineena kaasu tai neste toimii säteittäisenä ja aksiaalisena laakerina
Hydrodynaamisen laakeroinnin suunnittelu Suunniteltava Laakerin pituus L ja halkaisija d Laakerin käyntivälys D-d Öljyn viskositeetti (dynaaminen viskositeetti ) Suurilla nopeuksilla lämpeneminen on ongelmallista ohut öljy pienille kuormille paksumpi öljy ja suurempi välys suurilla kuormilla Suunnittelu tehdään Sommerfieldin S o luvun ja sallitun pintapaineen avulla. Myös käyntilämpötila on tarkistettava. Laakeripinnan karheus < 1m Laakerivälys 0,1... 0,25 % halkaisijasta, pienillä nopeuksilla pienempi, suurilla suurempi. Rasvavoideltuna 2...3 kertaa suurempi kuin öljyvoideltuna.
Sommerfieldin S o luku S o p 2 S o < 1 nopeakäyntinen laakeri S o > 1 raskaasti kuormitettu laakeri S o = 0,5...7 käyttövarma laakeri p = keskimääräinen pintapaine =F/(d L). Ohje: enintään 0,5x heikomman materiaalin pintapaine. = laakerivälyksen suhde akselin halkaisijaan =(D-d)/d, alustava ohje: 3 [ =psi] 4 0,8 v 10 = voiteluaineen dynaaminen viskositeetti (yksikkö Pa s) = kulmanopeus v = liukunopeus [Decker KH, Maschinenelemente, 1985] [ =eta]
Liukulaakerin kitkakerroin =3/S o kun S 0 < 1 =3/S o kun S 0 > 1 Kitkateho P R P R =F v Laakerin lämpötila t P R t * A 0 * =lämmön johtumiskerroin, yleensä 20 W/(Km 2 ) t o = ympäristön lämpötila, yleensä 20 o C A G =K d L =lämmönjohtumispinta-ala d= 30 50 80 100 150 200 300 400 mm K= 55 52 45 42 36 30 23 20 t G
Esimerkki liukulaakereista Hydrodynaaminen radiaalilaakeri d=300mm, L=240mm, n=180 r/min., F=160 kn ja voiteluaineen =0,06 Pa s (40 o C) p=f/a=2,22 10 6 N/m 2, =18,85 1/s, v=2,83 m/s, =1,04 10-3 (D=300,312 mm eli 0,104%) S o =2,12 =0,00214, P R =969 W, t=49,3 o C Voiteluaineen viskositeetin perusteella sopiva öljy on ISO VG 68 luokan öljy, jonka kinemaattinen viskositeetti on =68 mm 2 /s.
Vierintälaakerit Laakereiden sisällä vieriviä osia. Vierivinä osina kuulat, rullat tai kartiorullat. Aksiaali- ja radiaalilaakerit. Kitkakerroin luokkaa 0,012. Tiivisteet lisäävät kitkaa huomattavasti. Standardoituja vaihtokelpoisia osia, mutta eri valmistajilla on eroja yksityiskohdissa.
[FAG Rolling bearings, 2008]
Vierintälaakeroinnin suunnittelu Laakerin sisähalkaisija d, ulkohalkaisija D ja leveys B Staattinen kantoluku C o ja dynaaminen kantoluku C Laakerin kestoikä L 10 Puhtaan voiteluaineen, käyttölämpötilan ja muiden lisätietojen huomioiminen kestoiässä Kierroslukurajat rasva- tai öljyvoideltuna Laakereiden tuenta ja kiinnitys Voitelu ja tiivistys
Laakeri- mitat d D B asennusmitat d a D a kuormitusrajat C C o väsymisraja C u nopeusraja n tyyppi
Staattinen kuormitus vierintälaakerin staattinen varmuuskerroin f s = C o / P o f s = staattinen varmuuskerroin C o = staattinen kantokyky [kn] P o = yhdistetty st. kuormitus [kn] Normaalisti f s =1 1,5, vaativa laakerointi f s =1,5 2,5 ja helppo laakerointi f s =0,7 1. P o = X o F r + Y o F a X o = säteiskerroin F r = säteiskuormitus [kn] Y o = aksiaalikerroin F a = aksiaalikuormitus [kn]
Dynaaminen kuormitus - vierintälaakerin kestoikä L 10 = (C / P) p [10 6 kierrosta] L 10 = nimellinen kestoikä C = dyn. kantoluku [kn] P = yhdistetty dyn. kuormitus [kn] p = kestoikäkerroin (rullat 10/3, kuulat 3) 90% laakereista kestää tämän kierroslukumäärän. P = X F r + Y F a X = säteiskerroin F r = säteiskuormitus [kn] Y = aksiaalikerroin F a = aksiaalikuormitus [kn]
Vierintälaakerin dynaaminen tunnusluku f L = f n C / P f L = dynaaminen tunnusluku f n = kierroslukutekijä C = dyn. kantoluku [kn] P = yhdistetty dyn. kuormitus [kn] Esimerkiksi moottoriajoneuvoille f L Moottoripyörä 0,9 1,6 Kevyt henkilöauto 1,4 1,8 Raskas henkilöauto 1 1,6 Kevyt kuorma-auto 1,8 2,4 Raskas kuorma-auto 2 3 Linja-auto 1,8 2,8
Urakuulalaakereiden kertoimet X ja Y (X o ja Y o ) F a /C o e F a /F r <e F a /F r >e X Y X Y 0,025 0,22 1 0 0,56 2 0,04 0,24 1 0 0,56 1,8 0,07 0,27 1 0 0,56 1,6 0,13 0,31 1 0 0,56 1,4 0,25 0,37 1 0 0,56 1,2 0,5 0,44 1 0 0,56 1
Muuttuva kuormitus P i ja kierrosluku n i P n m 3 n P 1 3 1 n n 1 m q1 n 100 q1 100 2 P 3 2 n n 2 m q2...[ kn] 100 q2...[1/ min.] 100 q i = kuormituksen P i vaikutusaika pyörimisnopeudella n i n m =keskimääräinen kierrosluku
Laajennettu kestoikälaskelma L 10 = (C / P) p [10 6 kierrosta] L 10 = nimellinen kestoikä C = dyn. kantoluku [kn] P = yhdistetty dyn. kuormitus [kn] p = kestoikäkerroin (rullat 10/3, kuulat 3) L na = a 1 a 2 a 3 f t L 10 = laajennettu kestoikä a 1 = rikkoontumistodennäköisyyttä alentava kerroin a 2 = raaka-ainekerroin a 3 = käyttöolosuhdekerroin f t = käyntilämpötilan huomioiva kerroin Kertoimia voidaan yhdistää: L na = a 23 L 10
Esimerkki vierintälaakereista Akseli d=70mm laakeroidaan toisesta päästään urakuulalaakerilla 6214. Sen aksiaalikuormitus on F a =3,4 kn, radiaalikuormitus on F r =4,4 kn ja pyörimisnopeus on n=900 r/min. Mikä on laakerin kestoikä? Laakerivalmistaja: C=62kN, C o =44kN, e=0,27, P=0,56 *4,4 + 1,6 *3,4 kn=7,9 kn L 10 =(C/P) 3 =483 *10 6 kierrosta. Kestoikä tunteina: L 10h =L 10 *10 6 /(60 * 900) = 8900 tuntia. Muista myös akselin toisen pään laakerilaskenta!!
Laakerivalmistajan ohjeet Peruskestoikälaskelma Likaisuus - Contamination Laajennettu kestoikälaskelma Yhdistetty kuormitus P Esimerkiksi http://webtools3.skf.com/bearingcalc/