four-point_contact_ball_bearing

Fyrpunktskontakt-
kullager – två i ett

Tänk ett lager som tar upp belastningar i båda axiella riktningarna och samtidigt styr axeln axiellt med mycket snäv tolerans. Fyrpunktskontaktkullager i QJ serien är unika till sin konstruktion och erbjuder allt detta – samtidigt som de är utpräglat kompakta i axiell led.

Författare: Thomas Forster, chef för utvecklingskontoret, SKF Austria, Steyr, Österrike

Kontaktkullager Övrig industri Övriga tjänster

Sammandrag

Fyrpunktskontaktkullager (QJ-lager) är en särskild typ av vinkelkontaktkullager. I många tillämpningar är ett QJ-lager ett intressant alternativ till en parad sats enradiga vinkelkontaktkullager. Faktum är att lagertypens utrymmessnålhet, varvtalskapacitet och bärförmåga är anmärkningsvärda. Den används därför ofta i applikationer som kompressorer, pumpar och retarders.

Relaterade länkar

Four-point contact ball bearings

Ett fyrpunktskontaktkullager (fig. 1) kan ta upp axiella belastningar i båda riktningarna, ta upp radiella belastningar upp till en viss nivå och ger samtidigt mycket precis axiell axelstyrning. Lagret sparar utrymme, eftersom det kan betraktas som en kombination av två enradiga vinkelkontaktkullager. Detta gör lagret till ett utmärkt val i applikationer som industriväxlar, järnvägstraktionssystem, kompressorer, etcetera.

Konstruktionsdetaljer och tekniska egenskaper
Standardmässiga SKF fyrpunktskontaktkullager – även kallade QJ-lager – består av en odelad ytterring, en radiellt delad innerring, en kulsats och en ytterringscentrerad hållare. Ringkonstruktionerna uppvisar några anmärkningsvärda detaljer (fig. 2). Ytterringen liknar den på ett spårkullager, men löpbane­profilen är en helt annan. Ett spårkullager har en cirkulär löpbana.

Ytterringen på ett fyrpunktskontaktkullager har två symmetriska löpbanor. Var och en av dem har cirkulär profil. De två löpbanorna korsar varandra vid en singulär punkt i ringens mitt. Profilen kallas även ”gotisk båge”. Centrum i respektive löpbanas cirkel uppvisar en liten förskjutning i axiell riktning (fig. 2). Innerringen är delad och har samma principiella utformning som ytterringen. Detta ger en fördel jämfört med spårkullagerformen. Konstruktionen hos ytterringens löpbanor gör det möjligt att definiera kontaktvinkeln (standard 35°) och det axiella glappet oberoende av varandra. Med andra ord är det möjligt att definiera ett specifikt axiellt glapp, utan att ändra oskulationen (förhållandet mellan löpbanans krökning och kuldiametern).

Ett lager med en 35° kontaktvinkel kräver höga löpbaneskuldror och ett sådant lager med en odelad innerring kan inte monteras med ett rimligt antal kulor. Fyrpunktskontaktkullagrets konstruktion med delad innerring gör det möjligt att montera så många kulor som hållaren har plats för.

Monteringsproceduren består typiskt av tre steg:

  • hållaren förs in i ytterringen
  • kulorna pressas in i hållaren
  • innerringshalvorna förs in från var sin sida. Innerringarna är inte självsammanhållande. För att undvika att lagret faller isär under transport och hantering sitter det en plastinsats i hålet.

Teoretiskt har en kula fyra olika kontaktpunkter med ringarna (fig. 3). Så är fallet om endast radiell belastning appliceras. Detta lastfall får inte förekomma i verkliga applikationer. Mest relevant är lastfall med rent axiell belastning (fig. 4a). I dessa fall är det endast två kontaktpunkter, diagonalt motstående varandra, som överför belastningen. Om axialbelastningen ändrar riktning flyttar sig de båda kontaktpunkterna till den andra diagonalen. Detta förklarar varför denna lagertyp kan ta upp axiella belastningar i båda riktningarna. Det förekommer även applikationer med kombinerad belastning där den axiella dominerar (fig. 4b). Om samma funktionalitet ska uppnås med enradiga vinkelkontaktkullager måste två identiska lager i O- eller X-anordning paras. Detta innebär att fyrpunktskontaktkullager kan spara utrymme i lagringen. Två enradiga vinkelkontaktkullager kan ersättas av ett fyrpunktskontaktkullager. En viktig förutsättning är att fyrpunktskontaktkullager behöver en dominerande axiell belastning för korrekt funktion – SKF rekommenderar att kvoten Fa/Fr överstiger 1,27.

SKFs fyrpunktskontaktkullager är som standard utrustade antingen med massiva mässingshållare av fönstertyp (efterbeteckning MA) (fig. 1a) eller formsprutade hållare av fönstertyp i polyeter-eterketon (PEEK) (efterbeteckning PHAS) (fig. 1b). Båda hållartyperna är ytterringscentrerade. Detta ger mycket god styrning vilket möjliggör högre varvtal. Den mycket specifika utformningen av den symmetriska hållaren gör det möjligt att använda stora kulor och så många som hållaren tillåter.

Fig. 5 visar en sammanfattning av de viktigaste egenskaperna hos SKFs lager i QJ-serien.

Belastning, nominell livslängd och basvarvtal
Den mycket kompakta konstruktionen hos ett fyrpunktskontaktkullager kan leda till oro för att bärighetstalet skulle vara lägre än för en parad sats av två enradiga vinkelkontaktkullager. Fig. 6 visar en jämförelse av bärighetstalen för QJ-lager i diameterserierna 2 och 3, och motsvarande parade satser vinkelkontaktkullager i serierna 72 B respektive 73 B. Jämförelsen visar att det nästan inte är någon skillnad mellan bärighetstalen hos ett fyrpunktskontaktkullager och motsvarande parade sats vinkelkontaktkullager. Sammantaget kan det axiella utrymmesbehovet minskas med 50 procent med ett fyrpunktskontaktkullager.

Man bör dock också beakta den nominella livslängden. Den viktigaste faktorn i detta sammanhang är den ekvivalenta dynamiska belastningen, beräknad från de förekommande belastningarna enligt följande:

P = 0,60×Fr + 1,07×Fa
för ett fyrpunktskontaktkullager (kontaktvinkel 35°)

P = 0,57×Fr + 0,93×Fa
för en parad sats vinkelkontaktkullager (kontaktvinkel 40°)

Det är tydligt att den ekvivalenta dynamiska belastningen på fyrpunktskontaktkullagret blir något större, främst på grund av den mindre kontaktvinkeln, men den därav följande lägre nominella livslängden uppvägs i hög grad av det sparade utrymmet.

Fig. 7 visar en jämförelse av varvtalen mellan lagren i QJ 2-serien och QJ 3-serien samt parade enheter av lager i serierna 72 B respektive 73 B. Här ser vi tydligt cirka 70 procent högre basvarvtal. Detta kan förklaras av den mindre kontaktvinkeln (35° kontra 40°), det högkvalitativa hållarmaterialet (massiv mässing eller PEEK), den ytterringscentrerade hållaren och särskilda smörjfickor i hållarna.

Konstruktion hos angränsande komponenter
I många inbyggnader kombineras fyrpunktskontaktkullagret med ett radiallager, som ett cylindriskt rullager. Här är det viktigt att fyrpunktskontaktkullagret endast överför axiell belastning. Därför bör ytterringen på fyrpunktskontaktkullager inte styras vare sig axiellt eller radiellt, utan monteras radiellt frigående i huset med ett spel på 1 till 2 mm (fig. 8). Annars kan ytterringen inte kompensera för termiska rörelser, vilka annars skulle orsaka oönskad ytterligare kraft i lagret. För att undvika att ytterringen försätts i rotation levereras de flesta lager med två låsurtag i ytterringen. Detta gör det möjligt att förbinda ytterringen och huset med en kil (fig. 8). Om axiell styrning av ytterringen inte kan undvikas måste ytterringen åtminstone centreras noggrant vid monteringen.

Kom ihåg att de två innerringshalvorna alltid måste hållas samman axiellt.

Applikationer
Om utrymmet för lagringen är begränsat, om stora axiella belastningar ska överföras i båda riktningarna eller om varvtalen är höga, då är det värt att överväga fyrpunktskontaktkullager. Sådana förhållanden kan bli aktuella i applikationer som pumpar, retarders, kompressorer, industriväxlar, fordonsväxellådor, traktionsmotorer och rattstänger. Här följer några exempel på utrustning försedd med fyrpunktskontaktkullager:

Skruvkompressorer (fig. 9a) används inom hela industrin för att komprimera olika gaser till relativt högt tryck. Det kan vara frågan om luft, aggressiva gaser, syre, kylgaser, etcetera. Kompressionsprocessen realiseras genom kontinuerlig rotation av två spiralskruvar. Tryckskillnaden mellan skruvändarna orsakar axiella krafter som ofta tas upp av fyrpunktskontaktkullager. Den smala spalten mellan de två skruvarna och mellan skruvarna och kompressorhuset kräver styva lagringar med litet axialglapp.

Turboretarders (fig. 9b) konverterar överskott på rörelseenergi hos lastbilar till värme. Denna applikation kräver lager med höga basvarvtal och som accepterar snabba varvtalsändringar – en typisk uppgift för fyrpunktskontaktkullager.

Flerfasiga pumpar (fig. 9c) används för att utvinna mera kolväten från oljefält än vad som är möjligt med konventionella metoder. Pumparna placeras på havets botten och ökar trycket på den passerande olje-/gasblandningen.

Tillförlitlighetskraven är därför mycket höga. De axiella belastningarna bärs typiskt av fyrpunktskontaktkullager.

Vindturbinväxlar (fig. 9d) överför den mycket långsamma roterande rörelsen hos huvudaxeln (cirka 18 r/min) till generatorn, vars varvtal är ungefär 100 gånger högre. På högvarvsaxelns snedskurna kugghjul uppstår stora axiella belastningar som måste absorberas. Här används en kombination av cylindriska rullager och fyrpunktskontaktkullager.

På järnvägssidan (fig. 9e) finns det två huvudsakliga applikationer. Växlar och traktionsmotorer har ofta en kombination av cylindriska rullager och fyrpunktskontaktkullager. Traktionsmotorlager måste skyddas mot skador på grund av strömpassage. En vanlig lösning är att välja lager med isolerande beläggning (INSOCOAT). För fyrpunktskontaktkullager med låsurtag gäller att innerringshalvorna förses med beläggning.

INSOCOAT är ett registrerat varumärke som tillhör SKF-koncernen

Fig. 1: Fyrpunktskontaktkullager – QJ. Fig. 2: Ytterringens löpbanor förskjutna.Fig. 3: Teoretisk lastöverföring i ett fyrpunktskontaktkullager. Fig. 4: Möjlig lastöverföring i ett fyrpunktskontaktkullager. Fig. 5: Sprängskiss och primära egenskaper. Fig. 6: Jämförelse av dynamisk bärförmåga: Lager i serierna QJ 2 och QJ 3 jämförda med parade satser av lager i serierna 72 B respektive 73 B. Fig. 7: Jämförelse av basvarvtal: Lager i serierna QJ 2 och QJ 3 jämförda med parade satser av lager i serierna 72 B respektive 73 B.Fig. 8: Lagringskonstruktion. Fyrpunktskontaktkullager (radiellt frigående) tar upp axiella belastningar, medan det cylindriska rullagret tar upp radiella.Fig. 9a: Skruvkompressor. Fig. 9b: Turboretarder.  Fig. 9c: Flerfasig pump.Fig. 9d: Vindturbinväxel. Fig. 9e: Järnvägsapplikationer – transmission och traktionsmotorer.

Relaterat innehåll