Nuevas posibilidades para el diseño constructivo de husillos motorizados.

GLEIT- + WÄLZLAGER

Detalles: Publicado: 30.08.2011; Última actualización: 13.02.2023; Golpea: 40082

Schaeffler Group Industrial ha introducido recientemente soluciones para el cojinete de husillos principales bajo la marca de productos FAG con la serie RS de alto rendimiento y los rodamientos de rodillos cilíndricos TR térmicamente robustos, que en muchos casos también permiten que los rodamientos se ajusten rígidamente para husillos de motor. Como resultado, partes del entorno son parcialmente innecesarias y el ensamblaje de los cojinetes se simplifica enormemente.

Los husillos de motor no solo imponen las más altas exigencias a la velocidad de los rodamientos del husillo. Debido a las altas pérdidas de potencia en el rotor, pueden producirse grandes gradientes de temperatura entre el eje y la carcasa. Por lo tanto, los cojinetes de husillo en husillos principales accionados directamente suelen estar precargados elásticamente para permitir la compensación de diferentes cambios de longitud debidos a cambios de temperatura.

Construcción típica de cojinetes de husillo motor.

Si los husillos principales de una máquina herramienta tienen que satisfacer las más altas exigencias en términos de capacidad de torneado y rendimiento de corte, ahora se suelen diseñar como unidades de accionamiento directo. Dichos husillos se denominan comúnmente husillos de motor. En este diseño, el motor se asienta directamente sobre el eje montado con precisión del eje. Se ha vuelto generalmente aceptado debido a su diseño compacto, alta densidad de potencia y ventajas dinámicas debido a masas bajas y momentos de inercia de masa.

Rodamientos para todos en más de 60 industrias

Los rodamientos, que deben precargarse debido a las altas exigencias de concentricidad y precisión de guiado, generalmente se colocan en ambos lados del motor para optimizar la rigidez estática y dinámica.

Debido a la alta densidad de potencia, las pérdidas eléctricas en el rotor causan temperaturas de hasta 150 ° C durante la operación. Esto conduce a grandes gradientes de temperatura entre el eje y la carcasa, que deben ser compensados por el almacenamiento.

Almacenamiento lateral de trabajo

En el lado de trabajo del rodamiento de un eje principal, el eje debe ser guiado a través de los rodamientos axial y radialmente con la mayor precisión posible. Además, las fuerzas deben ser absorbidas por el procesamiento.

La figura 1 muestra una estructura de montaje típica de un eje de motor en forma de un cojinete de resorte en tándem. Los dos cojinetes delanteros están fijados axialmente tanto en el eje como en la carcasa. El anillo exterior del yunque está montado en un zócalo que se puede deslizar hacia la carcasa.

La tensión de polarización es generada por resortes entre el zócalo y la carcasa. Debido al movimiento deslizante del anillo exterior, se pueden compensar los cambios en la longitud del eje y los cambios en el saliente de los rodamientos debido a la velocidad y las influencias de la temperatura. La precarga en el rodamiento cambia de manera insignificante, ya que la rigidez de los resortes es mucho menor que la de los rodamientos.

Almacenamiento trasero

El rodamiento trasero sirve principalmente para guiar y soportar el eje. En el caso de herramientas que sobresalgan por mucho tiempo, las fuerzas radiales también deben ser absorbidas por el mecanizado.

La figura 2 muestra una estructura típica del montaje trasero de un eje de motor en forma de un cojinete de husillo accionado por resorte. De nuevo, el anillo exterior se fija en un zócalo que se puede desplazar hacia la carcasa.

El cojinete trasero es el cojinete flotante real. Los desplazamientos que se producen son mayores que en el lado de trabajo, ya que se debe compensar todo el cambio de longitud del eje debido a cambios de temperatura. Por esta razón, el casquillo deslizante se encuentra a menudo en un casquillo esférico, lo que permite un movimiento deslizante seguro incluso en distancias largas y con precarga.

Ventajas y desventajas de los rodamientos de resorte

La ventaja de los cojinetes montados sobre muelles radica en la capacidad de compensar las proyecciones y los cambios de longitud sin que se produzcan fuerzas excesivas en los cojinetes. Por otro lado, esta solución también tiene una serie de desventajas:

Los casquillos deslizantes, los cojinetes de bolas y los resortes hacen que el complejo de construcción circundante y el montaje sean complicados. La función de deslizamiento del zócalo puede fallar debido a la inclinación y al espacio libre demasiado pequeño, por ejemplo, debido a las diferencias de temperatura.

La tensión en la dirección efectiva del resorte se puede absorber solo hasta la cantidad de fuerza de empuje del resorte. El eje está suspendido muy suavemente en la dirección efectiva del resorte y, por lo tanto, es susceptible a vibraciones en la dirección axial.

La nueva serie RS de alto rendimiento y el rodamiento de rodillos cilíndricos térmicamente robustos TR combinan la idoneidad de velocidad más alta con una alta capacidad de carga e insensibilidad a las condiciones de operación cambiantes. En suma de sus propiedades, abren nuevas posibilidades para el diseño constructivo de husos de motor.

Rodamientos de husillo RS robustos y duraderos con capacidad de alta velocidad

Los cojinetes del husillo RS son cojinetes esféricos grandes con un ángulo de presión nominal de 20 y una construcción interna optimizada por fricción (Figura 3). Combinan la idoneidad de la velocidad de las series pequeñas de alta velocidad con la robustez y la capacidad de carga de los rodamientos esféricos de gran tamaño.

La figura 4 muestra una comparación del límite de velocidad y la capacidad de carga dinámica de varios diseños de cojinetes de husillo de tamaño 7014.

Los cojinetes de husillo universales se fabrican con un juego radial definido. Esto determina el ángulo de presión. Un sobrenadante definido determina la clase de precarga. Una reducción en el juego radial en el rodamiento debido a las influencias del montaje, la velocidad y la temperatura conduce a un aumento en el sobrenadante. Como resultado, aumenta la precarga en los rodamientos rígidos (Fig. 5).

La construcción interna optimizada, la gran sección transversal de la bola y el ángulo de presión de los grados 20 hacen que los rodamientos RS sean robustos contra los cambios en el juego radial.

La figura 6 compara el aumento en la precarga debido a la reducción del juego radial en los cojinetes grandes esféricos convencionales, los cojinetes de bola pequeña de alta velocidad y la serie RS de alto rendimiento.

En comparación, el cambio relativo en la fuerza de precarga es el más fuerte en el diseño esférico pequeño. Para la serie RS de alto rendimiento, solo tiene la mitad del tamaño.

La imagen 7 muestra las temperaturas operativas medidas de un eje de motor de rotación rápida, donde los rodamientos se realizaron con rodamientos de bolas de cerámica rígidamente fijados. A pesar de la característica de alta velocidad de casi 1,5 millones de mm / min para esta disposición de rodamientos y para la lubricación con grasa, las temperaturas medidas en el anillo exterior permanecen estables por debajo de 60 ° C. En este caso, esto corresponde a un exceso de temperatura de los grados 35 con respecto al medio ambiente.

Rodamientos de rodillos cilíndricos térmicamente robustos N..TR -

Como cojinete flotante ideal, el cojinete de rodillos cilíndricos ha experimentado un desarrollo adicional decisivo en su idoneidad de velocidad. Sin embargo, debido a su sensibilidad a las diferencias de temperatura, rara vez se utiliza en husillos de motor. El nuevo rodamiento de rodillos cilíndricos FAG térmicamente robusto N ..- TR- combina por primera vez la función de rodamiento flotante seguro de los rodamientos de rodillos cilíndricos con la idoneidad para altas velocidades y diferencias de temperatura cambiantes. Por lo tanto, representará el rodamiento flotante ideal para una gran cantidad de aplicaciones de husillos de motor y tendrá una gran influencia en los diseños de allí en el futuro (Fig. 8).

Función flotante segura

Los rodamientos de rodillos cilíndricos de precisión de una hilera son ideales como rodamientos radiales puros, que están diseñados sin collar en el anillo exterior, ideales como rodamientos flotantes. El anillo interior y el anillo giratorio se pueden ajustar libremente en relación con el anillo exterior en su posición. Dado que el desplazamiento relativo tiene lugar dentro del rodamiento entre los elementos rodantes giratorios y el anillo exterior, no es posible un fallo de la función del rodamiento flotante.

Para obtener una guía precisa del eje y para evitar daños por deslizamiento, al montar rodamientos de rodillos cilíndricos en los husillos principales de alta velocidad, el juego radial debe ajustarse de modo que el rodamiento funcione sin juego o con una ligera precarga.

Los cambios de juego radial provocan una tensión radial en el rodamiento de los rodamientos de rodillos cilíndricos. Debido al aumento de la presión superficial, la fricción en el contacto de rodadura aumenta. El elemento rodante se calienta. Esto aumenta la precarga en el rodamiento y permite que la fricción aumente aún más. Si el calor adicional resultante ya no se puede disipar, la tensión radial conduce a la falla del rodamiento.

Sistema radialmente compatible

El rodamiento de rodillos cilíndricos térmicamente robustos está equipado con un anillo exterior flexible, que puede compensar la tensión cambiando el juego radial. El anillo exterior, que todavía tiene dimensiones estándar, tiene dos ranuras (Fig. 9). Entre las punciones, el diámetro exterior se retira ligeramente radialmente. Como resultado, la región central del anillo exterior puede expandirse radialmente con diferencias de temperatura variables.

Debido a la resistencia del anillo exterior, las presiones superficiales aumentan menos cuando el juego radial cambia durante la operación.

La figura 10 muestra la fuerza de contacto y la presión de la superficie en función de la diferencia de temperatura en un cojinete N1011-K-PVPA1-SP montado en espacio libre en diseño estándar y un cojinete correspondiente con el anillo exterior N1011-K-TR-PVPA1-SP.

Debido a la resistencia del anillo exterior, la fuerza de contacto y, por lo tanto, la presión de la superficie en el anillo exterior en el rodamiento de rodillos cilíndricos térmicamente robustos aumentan mucho más lentamente que en el rodamiento de rodillos cilíndricos estándar. Incluso con una diferencia de temperatura de 40 K, la presión superficial todavía está muy por debajo del límite de fatiga de 1500 MPa.

Baja carga de lubricante

Las menores fuerzas de contacto y las presiones superficiales dan como resultado una menor fricción y menos tensión en el lubricante. El cumplimiento del anillo exterior evita un aumento incontrolado de la polarización al calentar el elemento rodante. Los rodamientos de rodillos cilíndricos, térmicamente robustos y sin juego de retroceso, se pueden operar de manera segura incluso con las diferencias de temperatura de 40 K.

Idoneidad para altas velocidades

La velocidad máxima de los rodamientos está limitada principalmente por la fricción generada en el rodamiento. Si el calor generado durante la operación ya no se puede liberar al medio ambiente, la temperatura de almacenamiento continuará aumentando. El fallo del lubricante conduce en última instancia al fallo del rodamiento.

En la EMO 2007, Schaeffler Group Industrial presentó los rodamientos de rodillos cilíndricos de alta velocidad FAG con una capacidad de velocidad 60% más alta que la norma anterior. Estos rodamientos alcanzan características de velocidad con elementos rodantes de acero, que hasta entonces solo eran posibles con elementos rodantes cerámicos. El aumento de velocidad se logró minimizando constantemente la fricción en las dos fuentes de calor principales en el rodamiento, el contacto de rodadura y la fricción de la jaula.

Como estándar, los rodamientos de rodillos cilíndricos de precisión están equipados con una jaula de latón guiada sobre los elementos rodantes. En contraste, los rodamientos de rodillos cilíndricos de alta velocidad cuentan con una jaula PEEK optimizada por fricción guiada en el anillo exterior. Además, la fricción en el contacto de rodadura se redujo mediante una geometría de contacto optimizada en el rodillo y el anillo interior.

En la versión con jaula de PEEK, los rodamientos de rodillos cilíndricos térmicamente robustos tienen la misma optimización de diseño interno que los rodamientos de rodillos cilíndricos de alta velocidad y también alcanzan sus velocidades excepcionales.

La Figura 11 muestra las temperaturas de funcionamiento medidas de un rodamiento de rodillos cilíndricos térmicamente robusto N1011-K-TR-PVPA1-SP. El rodamiento, que según catálogo tiene una velocidad límite de 26.000 rpm con lubricación aceite-aire^-1 pudo operar de manera confiable con 34.000 min^-1 ser operado

Distribución optimizada de lubricantes.

Los rodamientos de rodillos cilíndricos son sensibles a la sobre lubricación. Especialmente con la lubricación con grasa, es importante que la grasa se distribuya rápidamente y que se elimine el exceso de grasa entre los elementos rodantes, de modo que no se produzcan daños debidos al trabajo de flexión alta durante el rodamiento.

Una jaula de PEEK guiada a ambos lados del anillo exterior garantiza una baja fricción durante la operación. Independientemente de la posición del anillo interior, al menos una banda de jaula siempre se guía en el anillo exterior. El posible desplazamiento del anillo interior se caracteriza en ambas direcciones del mismo tamaño y, como en el cojinete de rodillos cilíndricos guiados en la jaula del elemento rodante, está limitado por el ancho de la pista de rodadura en el anillo exterior.

La desventaja de la jaula guiada en ambos lados, sin embargo, es que el exceso de lubricante entre los elementos rodantes solo se puede transportar a través de los pequeños huecos de la guía hacia el exterior. Esto prolonga la distribución de la grasa en los rodamientos lubricados con grasa y existe el riesgo de que el lubricante se dañe debido a la sobrecarga.

En el lado no ubicado de los husillos del motor, el desplazamiento durante la operación siempre tiene lugar en una sola dirección. Debido a las pérdidas de calor del motor y el enfriamiento externo, el eje está más caliente que la carcasa. Como resultado, el anillo interior se aleja del motor. Esto permite el uso de una jaula guiada de un solo lado, ya que el rodamiento de rodillos cilíndricos siempre se monta de manera que el diámetro más grande del orificio interior del anillo en el lado del motor es (Figura 12).

Con una jaula de un solo lado, el exceso de lubricante se puede bombear fuera del almacén mucho más rápido. Esto reduce el tiempo requerido para la distribución de la grasa. El riesgo de daño a la grasa por vuelco se reduce significativamente.

La experiencia del cliente muestra una distribución de grasa más rápida con temperaturas máximas más bajas. Después de la entrada, se obtiene un nivel de temperatura más bajo con menos dispersión.

Nuevas opciones de diseño para cojinetes de husillo motor.

La nueva serie RS de alto rendimiento y el rodamiento de rodillos cilíndricos térmicamente robustos TR abren nuevas posibilidades en el diseño de rodamientos para husillos principales.

Para aplicaciones rígidas, los rodamientos RS son mucho menos sensibles a las influencias de superposición, velocidad y temperatura que los rodamientos de husillo convencionales. Si las pérdidas eléctricas en el rotor se pueden limitar de modo que las diferencias de temperatura que se producen entre el eje y la carcasa permanezcan moderadas, el uso de rodamientos RS junto con la mejora de la velocidad en lugar del ajuste del resorte puede dar lugar a ajustes rígidos estructuralmente más simples (Fig. 13).

Esto simplifica el diseño del husillo y al mismo tiempo aumenta la rigidez. El usuario de cojinetes de husillo recibe así una mayor libertad de diseño. El rodamiento de rodillos cilíndricos térmicamente robustos se puede operar de manera segura incluso a muy altas diferencias de temperatura.

La función segura de no ubicación con una construcción simple, la insensibilidad a los cambios de temperatura y la ejecución segura y rápida de la distribución de la grasa hacen de este rodamiento de rodillos cilíndrico térmicamente robusto en combinación con la idoneidad de las velocidades más altas en la suma de sus propiedades el rodamiento flotante ideal ahora también para husillos de motor (imagen 14).