Кольца допусков: устранение жестких допусков при сборке

Cтандарты допусков для подшипников разработаны в начале 1900-х годов. В дополнение к подшипникам стандарты также охватывают размеры вала и корпуса. Допуски варьируются в зависимости от размера и серии подшипника, вращения вала и корпуса и условий нагрузки. Важно точно обрабатывать валы и корпуса оборудования, чтобы получить эти проектные допуски.

В приведенных ниже таблицах показаны допуски для подшипника средней серии ABEC 1 с диаметром отверстия 25 мм, при котором выполняется одно из следующих условий:

Вращающийся вал, стационарный корпус и стационарная нагрузка
Стационарный вал, вращающийся корпус и вращающаяся нагрузка

В Таблице 1 спецификация диаметра вала предназначена для создания небольшой взаимной посадки с внутренним даметром подшипника, поскольку допуски гарантируют,
что диаметр вала всегда будет больше, чем диаметр подшипника. Это гарантирует, что подшипник не будет скользить на валу под нагрузкой.

Таблица 1: Допуски на отверстия подшипника и вала; Источник данных: Timken

Для приведенных выше условий в Таблице 2 показано, что спецификации корпуса требуют слегка ослабленной посадки наружного диаметра подшипника с корпусом. В этом случае наибольший наружный диаметр подшипника и наименьшее отверстие в корпусе создадут прямую посадку.

Таблица 2: Наружный диаметр подшипника и допуски на корпус; Источник данных: Timken

Размеры также доступны для других размеров подшипников, серии, классов допуска и условий нагрузки.
Производители публикуют таблицы для всех этих переменных, чтобы помочь инженерам-проектировщикам.
Механическая обработка валов и корпусов с этими допусками увеличивает стоимость изготовления. Как правило, чем жестче допуски, тем дороже изготавливать деталь. Что если бы был альтернативный, более рентабельный вариант?

Кольцо допусков

Кольца допусков предлагают альтернативу точным допускам обработки. Кольца допусков - это детали точного механического крепления, изготовленные из пружинной / углеродистой стали и сплавов или из нержавеющей стали.
Они используются для соединения сопряженных цилиндрических компонентов, таких как подшипники, зубчатые колеса, звездочки и шкивы. Кольца допусков могут использоваться для осевого удержания, передачи крутящего момента и радиальной нагрузки между сопряженными деталями.

Вместо допусков вала .0004”, указанных в Таблице 1, допуски вала или корпуса могут быть увеличены до 0,002” или более при больших диаметрах. Это представляет собой значительное снижение сложности и производственных затрат.

Кольца допусков также являтся идеальным решением для поврежденного или изношенного вала или корпуса,
а также для отверстий, которые случайно обработаны негабаритными.

Принцип работы

Кольца допусков изготавливаются с серией осциллограмм, которые устанавливаются в качестве радиальных пружин для создания взаимной посадки между сопряженными компонентами. В собранном виде осциллограммы прижимаются к корпусу или валу, фиксируя компоненты. Кольцо допусков скрепляет компоненты друг с другом, не требуя инструментов, клея или других компонентов крепления. Разборка компонентов также проста и может быть выполнена без риска повреждения сопряженных деталей.

Таблица 3: Определение допуска колец; Источник: Ренкол

Основными принципами работы колец допусков являются физические свойства пружин и трение.

Формула пружины: F = Kx, где

F = сила, чтобы сжать пружину (фунты или Н)
K = скорость пружины (фунты / дюйм или Н / м)
х = расстояние, на которое пружина сжимается (в дюймах или м)

Формула трения: F 1 = сН, где

F 1 = сила трения, противодействующая движению (фунты или Н)
с = коэффициент трения
N = сила, перпендикулярная поверхности (фунты или N)

монтаж

Крепление вала; Источник: Кольцо допусков

Различные кольца допусков предназначены для установки на вал или в корпус. Если кольцо должно быть установлено на валу, формы волны направлены радиально наружу,
а диаметр в свободном положении меньше диаметра вала. При установке на вал кольцо соответствует и становится самофиксирующимся на валу.
Если кольцо должно быть установлено в корпусе, формы волны направлены радиально внутрь, и кольцо соответствует отверстию корпуса, в котором оно находится.

Крепление кольца допуска можно разделить на три основных типа.

По центру - кольца допусков собраны в паз, врезанный в вал или корпус. Канавки захвата и местонахождение допуска кольца в осевом направлении с обеих сторон,
что упрощает сборку. Это создает улучшенное выравнивание деталей, улучшенную концентричность и учитывает избыточные радиальные или ударные нагрузки.
Пилотируемый - пилотный, или полуцентрированный, монтаж подобен центрированному, но с меньшими производственными затратами.
Пилотируемые валы или корпуса имеют одно плечо, которое можно использовать для осевого расположения допускного кольца.
Свободный - Допускное кольцо монтируется в сквозной корпус или прямой вал.
Такой монтаж не обеспечивает осевую опору для кольца допуска в любом направлении и подвергает кольцо допуска всей радиальной нагрузке.
Кольцо должно поддерживаться в осевом направлении во время сборки сопрягаемых частей.

Монтаж корпуса: Источник: Кольцо допусков США

Преимущества колец допуска

Кольца допусков предлагают много преимуществ, в том числе:

• Более широкие радиальные допуски
• Улучшенные вибрационные характеристики
• Надежный монтаж в широком диапазоне температур
• Сокращение времени и затрат на сборку
• Устранение шпилек, ключей, клеев, резьбы и шлицев
• Компенсация за небольшие перекосы и устранение люфта
• Свободное расположение компонентов перед сборкой
• Защита от перегрузки крутящим моментом для таких изделий, как зубчатые колеса

Дополнительным преимуществом колец допусков является то, что они могут использоваться в легком весе, что является растущей тенденцией для автомобильной и других отраслей промышленности. Производители заменяют тяжелые стальные корпуса на алюминий и другие более легкие материалы. Одним из последствий является то, что эти материалы демонстрируют различные скорости теплового расширения, что может вызвать проблемы. Если стальной подшипник установлен в алюминиевом корпусе, отверстие в корпусе будет расти за счет теплового расширения с большей скоростью,
чем внешний диаметр подшипника. Кольца допусков работают в пределах этого диапазона упругости и будут поддерживать пресс-посадку подшипника.

Приложения

Подшипники крепления подшипниковых колец используются во многих приложениях для сборки различных компонентов.

Блок передачи шара; Источник: Omitrack

Автомобильная индустрия

• Кольца ABS
• Противоугонные устройства на рулевой колонке
• Соединение распределительного вала звездочки ГРМ
• Подшипники генератора
• Подшипники двигателя вентилятора

Электродвигатели

• Подшипники в корпусах
• Подшипники на валах
• Держатель щеток
• Роторные тахометры на валах
• Вентиляторы

Электроника

• Жесткие диски

Насосы

• Керамические подшипники и гильзы
• Крыльчатки
• Подшипники

Независимо от того, используется ли данный узел для ремонта посадочного места в поврежденном корпусе или в новом узле для крепления стального подшипника
к алюминиевому корпусу, допускные кольца предлагают уникальное, простое и недорогое решение для множества применений.