TENGELYEK, GÖRDÜLŐCSAPÁGYAK (Vázlat)

Gépészeti rendszerek

TENGELYEK, GÖRDÜLŐCSAPÁGYAK (Vázlat)

Dr. Kerényi György

Tengelyek fogalma, csoportosítása Gépészeti rendszerek

Azokat a gépelemeket, amelyek forgó alkatrészeket hordoznak vagy csapágyakon támaszkodva forognak, tengelyeknek nevezzük. A tengelyeket a rászerelt tárcsákkal, dobokkal, görgőkkel együtt forgórészeknek nevezzük. Szerkezeti kialakítás szerint a tengelyeknek két fő típusa van: • Hordozó tengelyek • álló hordozó tengely (a tengelyre szerelt alkatrészek forognak, pl. gépjárművek) • forgó hordozó tengely (a tengely együtt forog a rászerelt alkatrésszel) • Közlő tengelyek • a közlő tengelyek feladata a forgó szerkezeti elemek hordozása mellett forgatónyomaték továbbítása is. A forgatónyomatékot fogaskerékkel, csigával, lánckerékkel, szíjtárcsával, kötéltárcsával stb. lehet a tengellyel közölni, vagy onnan elvezetni. Dr. Kerényi György

1

Tengelyek Gépészeti rendszerek

A nagy teherbírás és merevség érdekében a tengelyek anyaga rendszerint: szerkezeti acél, nemesített acél, edzett vagy betétedzett acél (ritkán gömbgrafitos vasöntvény, öntöttvas, bronz, alumínium) Az egyszerűbb tengelyek melegen hengerelt vagy hidegen húzott rúdacélból készülnek; Az alakos, nagy sorozatban gyártott tengelyeket kovácsolják, ritkán öntik. A nagy igénybevételű tengelyeket a nagy szilárdság érdekében kovácsolni kell.


Tengelyek csoportosítása Gépészeti rendszerek

Álló hordozó tengely kialakítása (Csillekerék csapágyazás) Dr. Kerényi György

2


Nem kör keresztmetszetű álló hordozó tengely kialakítása (Gépjárművek mellső kerekeinek ágyazása)



Forgó hordozó tengely kialakítása (Csillekerék csapágyazás)


3

Közlőtengelyek Gépészeti rendszerek

Közlő tengelyek (Fogaskerék hajtómű) Dr. Kerényi György

Forgattyús tengely Gépészeti rendszerek

Belsőégésű motor főtengely Dr. Kerényi György

4

Turbina tengely Gépészeti rendszerek

Gázturbina tengely a járókerékkel (két változat) Dr. Kerényi György

Tengelyek ellenőrzése Gépészeti rendszerek

A tengelyeket ellenőrizni kell: 1) statikus igénybevételre; 2) kifáradásra; 3) alakváltozásra; 4) kritikus fordulatszámra.


5

Tengelyek ellenőrzése összetett statikus igénybevételre a) húzás

Gépészeti rendszerek

F  A

ahol F a húzóerő, A pedig a keresztmetszet. T b) csavarás



Kp

ahol T a csavarónyomaték, Kp pedig a poláris keresztmetszeti tényező, amelynek értéke tömör tengely esetén: D 3 Kp  16 ( D 4  d 4 ) 2 Kp   csőtengely esetén:

32

D

ahol D a cső külső, míg d a cső belső átmérője. M d) hajlítás   h h

K

ahol Mh a hajlítónyomaték, K pedig a keresztmetszeti tényező, amelynek értéke D 3 tömör tengely esetén: csőtengely esetén:

( D 4  d 4 ) 2 Kp   64 D

Redukált (egyenértékű) feszültség:

K 

32

 r  (   h )2  4 2 Dr. Kerényi György

Tengelyek ellenőrzése alakváltozásra Gépészeti rendszerek

A tengelyek rugalmas lehajlásának, elcsavarodásának mértéke egyes esetekben az üzemvitel szempontjából fontos lehet. Pl.: fogaskerék kapcsolódásoknál a lehajlás helytelen kapcsolódást eredményez; villanymotoroknál, szivattyú vagy turbina járókerekeknél a forgórész deformációja a radiális rés nagyságát befolyásolja; tengelytömítések, csapágyak működését, élettartamát befolyásolja.. A tengelyek megengedhető rugalmas alakváltozására általános érvényű előírások nincsenek. Az általános gépgyártásban a szokásos rugalmas lehajlás megengedett értéke:

f  0,00035l ahol l a csapágyazás távolsága.


6

Tengelyek ellenőrzése alakváltozásra Gépészeti rendszerek

További feltétel a rugalmas alakváltozások korlátozására, hogy a keresztmetszet szögelfordulása a csapágyak alatt

  0, 05 ami a szokásos csapágyazások üzemét még nem zavarja. Az elcsavarodás mértékére a következő előírás a szokásos:

[]  0,005l[mm] ahol a  elcsavarodási szög fokban értendő, az l hosszt pedig mm-ben kell behelyettesíteni. A rugalmas deformációk meghatározására a rugalmasságtanban tanult elméletek és módszerek alkalmazhatók! Dr. Kerényi György

A tengelyek ellenőrzése kritikus fordulatszámra Gépészeti rendszerek

Rugalmasságuk következtében a forgórészek lengőrendszerek, amelyeket a centrifugális erők, és/vagy a külső erőhatások, nyomatékingadozások gerjesztenek. Ha a gerjesztő hatás lengésszáma megegyezik a tengely sajátfrekvenciájával, fellép a rezonancia jelensége. A sajátfrekvenciának megfelelő fordulatszámot kritikus fordulatszámnak nevezzük. Az üzemi fordulatszámnak nem szabad a kritikus fordulatszám környezetébe esnie, mert a fellépő erős rezgések károsíthatják a berendezést, sőt az egyes szerkezeti elemek töréséhez is vezethetnek. A gerjesztés és az alakváltozás jellegétől függően hajlítólengésekről csavarólengésekről valamint a hozzájuk tartozó kritikus fordulatszámokról beszélhetünk.


7

Forgórészek kiegyensúlyozása Gépészeti rendszerek

Statikus kiegyensúlyozatlanság

Dinamikus kiegyensúlyozatlanság


Tengelyek ellenőrzése kifáradásra Gépészeti rendszerek

Évszázados tapasztalat, hogy az acél alkatrészekben bizonyos feszültségszint fölött, noha statikus igénybevételre megfeleltek, ismétlődő igénybevétel hatására repedések jelennek meg, majd a repedések a keresztmetszet mentén növekednek, és végső stádiumban, amikor a megmaradó keresztmetszet lecsökken a statikus szilárdság határára, az alkatrészek eltörnek. A repedés terjedési felülete sima, kagylós jellegű (a statikus törésé porózus képet mutat). A repedések általában egy feszültséggyűjtő helytől indulnak ki, helyi anyaghibából. A keletkezett repedés terjedési sebessége az anyag érzékenységétől, a feszültség gradienstől, az alkatrész életciklusától és még számos egyéb tényezőtől függ


8

Tengelyek ellenőrzése kifáradásra Gépészeti rendszerek

Forgó hajtogatás Feszültséggyűjtő hely: körhorony

Forgó hajtogatás Feszültséggyűjtő hely: reteszpálya


A kifáradás statisztikus szemlélete Gépészeti rendszerek

A repedés megjelenési idejének bizonytalansága és a terjedési sebesség eltérései miatt az alkatrészek, de még a laboratóriumi fárasztóvizsgálat céljára készített acél próbatestek élettartama is nagy szóródást mutat. Tegyük fel, hogy nagyszámú próbadarabot ugyanakkora, törést okozó ismétlődő terheléssel terhelünk. Ábrázoljuk, hogy adott igénybevételi szám-tartományban hány próbadarab tört el. gyakoriság

N


9


Az alábbi diagram a 10 %-os törési valószínűséghez tartozó terhelési ciklusszámok függvényében ábrázolja tiszta lengő igénybevételnél a törési keresztmetszetben ébredő feszültség-amplitúdókat az St50 jelũ DIN szabvány szerinti acél (Fe490-2 jelű MSz acél) esetén: [MPa]

A diagramnak 3 jellegzetes szakasza van: a = kisciklusú szakasz, b = élettartam szakasz, c = kifáradási határ.

a

b

700 600 500 400

c

300 200 N

100 1

10 2

10 4

10 6

10 8

10 10

A Wöhler-görbe Dr. Kerényi György


Megjegyzések: 1. A bemutatott görbe az ún. Wöhler görbe. Wöhler végzett kifáradási vizsgálatokat vasúti kocsi tengelyeken 1866-ban. 2. A kisciklusú szakaszt, amely a szakító szilárdságból indul, a gépészeti gyakorlatban nem használjuk. Ezen a szakaszon statikus terhelésre méretezünk. 3. A kifáradási határ (σv) elsősorban acélokra jellemző. Más fémeknek nincs jellegzetes kifáradási határa. A kifáradási határ jellemzője, hogy az alatta lévő feszültségszinten az alkatrészek gyakorlatilag korlátlan élettartamúak. 4. Ennek megfelelően két alapvető méretezési eljárást használunk: méretezés élettartamra; méretezés kifáradási határra.


10

A feszültséggyűjtő-hatás csökkentése Gépészeti rendszerek

A feszültséggyűjtő hatás csökkenthető: - helyi méretnöveléssel; - jó átmenet kialakításával; - árnyékolással; - maradó nyomófeszültség bevitelével.




11


Keresztfurat okozta feszültségcsúcsok csökkentésének lehetőségei Dr. Kerényi György

Csapágyazások Gépészeti rendszerek

A csapágyazások feladata a forgó tengelyek • megtámasztása, • vezetése, • a rájuk ható terhelések felvétele és állványszerkezetének.

átadása

a

gép

Alapvetően kétféle csapágyazást különböztetünk meg: gördülő csapágyazást, ahol a forgó elemek között gördülősúrlódás alakul ki, és siklócsapágyazást, ahol a csapágyazás elemei csúsznak egymáson.


12

A gördülőcsapágyak felépítése Gépészeti rendszerek


Hatásvonal, hatásszög Gépészeti rendszerek

A hatásvonal az az egyenes, amelynek irányában a gördülőelem a terhelést az egyik gyűrűről a másik gyűrűre átviszi. A hatásszög a csapágy tengelyére merőleges sík és a hatásvonal által bezárt szög.


13

Gördülőcsapágyak Gépészeti rendszerek

A gördülőcsapágyak elemei: csapágygyűrűk, gördülő testek kosárszerkezet esetleg kiegészítő elemek: porvédő tárcsa, tömítő tárcsa, sarokgyűrű stb.) A gördülőtest alakjától függően: golyós vagy görgős csapágyak A terhelőerő irányától függően radiális és axiális csapágyak. Dr. Kerényi György


Radiális csapágyak: • mély hornyú golyós, • beálló golyós, • ferde hatásvonalú golyós, • a négypont-érintkezésű golyós csapágyak, • hengergörgős, • tűgörgős, • kúpgörgős, • beálló görgőscsapágyak. Axiális csapágyak az • axiális golyós csapágyak, • axiális beálló görgős, • axiális hengergörgős, • axiális tűgörgős.


14

Golyóscsapágyak Gépészeti rendszerek


Kúpgörgőscsapágy Gépészeti rendszerek


15

Hengergörgőscsapágyak Gépészeti rendszerek


GÖRGŐS CSAPÁGYAK Gépészeti rendszerek


16

Axiális gördülőcsapágyak Gépészeti rendszerek


GÖRDÜLŐCSAPÁGYAK Gépészeti rendszerek

A tűgörgős és a hengergörgős csapágy csak radiális vagy csak axiális terhelésre. A többi radiális csapágy axiális erővel is terhelhető. A sarokgyűrűs hengergörgős radiális csapágyak csak kis axiális erők felvételére is alkalmasak. Az axiális csapágyak kizárólag a tengelyirányú erők felvételére szolgálnak, kivéve az axiális beálló görgőscsapágyat, amely bizonyos határig radiális erővel is terhelhető. A gördülőcsapágyak méretei (átmérőik és szélességük) szabványosak. Mindegyik típushoz több méretsorozat tartozik, amelyek teherbírása eltérő. A fokozottabb üzemi követelmények kielégítésére a normál kivitelű gördülőcsapágyak mellett fokozott pontosságú és szűkített illetve bővített hézagú csapágyakat is készítenek. A gördülőcsapágyak anyaga általában speciális gördülőcsapágy acél, amit teljes keresztmetszetükben átedzenek. Ritkán, különleges követelmények kielégítésére, készülnek gördülőcsapágy elemek rozsdamentes acélból, műanyagból, sőt kerámiából is. Dr. Kerényi György

17

Gördülőcsapágyak teherbírása Gépészeti rendszerek

A terhelés hatására a gördülőelemek és a futópálya érintkezési pontjában ismétlődő érintkezési feszültség (Hertz feszültség) alakul ki, ami felszíni kifáradást okoz. A gördülőcsapágyak kifáradási teherbírását a C dinamikus alapterhelés jellemzi. A C dinamikus alapteherbírás radiális csapágyaknál az a radiális, axiális csapágyak esetén pedig az az axiális terhelés, amely mellett a csapágyak 90%-a eléri, illetve túléli az 1 millió körülfordulást Kis fordulatszámon nem a felületi kifáradás, hanem a maradó alakváltozás korlátozza a gördülőcsapágy teherbírását, amit a Co statikus alapterhelés jellemez A C0 statikus alapteherbírás radiális csapágyaknál az a radiális-, axiális csapágyak esetén pedig az az axiális terhelés, amelynek hatására a legjobban terhelt gördülőelem és csapágygyűrű érintkezési helyén az együttes maradó alakváltozás a gördülőelem átmérőjének 0,0001-szerese. Dr. Kerényi György


A mélyhornyú, a beálló, a ferde hatásvonalú, a négypont-érintkezésű golyóscsapágyak, a beálló- és a kúpgörgős csapágyak egyidejűleg radiális és axiális terhelés felvételére is alkalmasak. Az egy időben ható kétirányú terhelés a következőképpen számítható egyenértékű terhelésekkel vehető figyelembe: Dinamikus egyenértékű terhelés:

,

P  XFr  YFa Az X és Y tényezők a csapágy típustól és mérettől függnek, és a katalógusokban megtalálhatók.


18


A statikus egyenértékű terhelés:

.

Po  X o Fr  Yo Fa Az Xo, és Yo tényezők a csapágy típustól és mérettől függnek, és a katalógusokban megtalálhatók. A tűgörgős, a hengergörgős csapágyak egy része csak radiális erővel, az axiális csapágyak (a beálló görgős kivételével) csak axiális erővel terhelhetők, ezért ezeknél a csapágyaknál P = Po = Fr,

illetve

P = Po = Fa.



A P egyenértékű terhelés és a csapágy C dinamikus teherbírása, valamint n fordulatszáma ismeretében következőképpen számítható a csapágy L, illetve Lh élettartama: . p

C  L    x10 6 körülfordu lás, illetve P

p

C  6   x10 P Lh    üzemóra 60 n

Golyóscsapágyakra p=3, görgőscsapágyakra p=10/3. Az elérendő élettartam a gép típusától függ, és rendszerint néhány órától 105 üzemóráig terjed.


19


A gördülő csapágyak statikus teherbírásának ellenőrzésékor az so=Co/Po tényezőt határozzák meg, és az üzemi viszonyokat figyelembe véve az alapján értékelik a csapágyat. Normális körülmények között so=0,8-1,2. Erős dinamikus terhelésnél so>2-3 érték szükséges. A gördülő csapágyak a fellépő tömegerők miatt csak meghatározott határfordulatszámnál kisebb fordulatszámon üzemeltethetők. A határfordulatszám függ pontosságától és kenésétől.

a

csapágy

kialakításától,

méretétől,

Az olajkenésű, csapágyak határfordulatszáma magasabb, mint a zsírkenésűeké.



A gördülő csapágyakat a súrlódás és a kopás csökkentése, a károsodások megakadályozása érdekében kenni kell. Főleg zsírkenést használnak (70%-ban), de magasabb fordulatszámon, vagy ha az olaj más elemek kenése miatt egyébként is rendelkezésre áll, az olajkenést választják. A nagy fordulatú gördülőcsapágyakat a kenőolaj átáramoltatásával hűtik, hogy megakadályozzák a kedvezőtlenül magas hőmérséklet kialakulását. Vannak gyártáskor zsírral feltöltött, mindkét oldalukon tömítéssel ellátott gördülő csapágyak, amelyek utánkenésére nincs lehetőség, a betöltött zsír a csapágy teljes élettartama alatt gondoskodik a kenésről (élettartam kenés).


20


A gördülő csapágyazások szerkezeti kialakítása rendkívül változatos. Hosszú tengelyeknél vezető csapágyakat választanak, amelyek a tengelyeket mindkét axiális irányban megtámasztják, és a tengelyirányú terheléseket felveszik. Ebben az esetben a többi csapágy nem gátolhatja a tengely axiális irányú elmozdulását, mert befeszülés alakulhat ki, a csapágyazás károsodhat. Rövid tengelyeket oldalról támasztott ágyazással alakítják ki, ahol a tengely axiális helyzetét az egyik irányban az egyik csapágy, a másik irányban a másik csapágy korlátozza, miközben a rá ható tengelyirányú terhelést is felveszi. A ferde hatásvonalú és a kúpgörgős csapágyak gyakran párban kerülnek beépítésre „X”, „O” vagy tandem elrendezésben.




21


Oldalról támasztott ágyazás „O” elrendezés Dr. Kerényi György


Oldalról támasztott ágyazás „X” elrendezés


22

TENGELYEK, GÖRDÜLŐCSAPÁGYAK (Vázlat)

Recommend Documents