Voorgespannen glijlagers
In (snellopende) dieselmotoren (1970)
Lagerschalen
| Tabel 1. Door de lagerschaal-fabrikant gegeven afmetingen (een kleine selectie) | ||||||
| nominaal | ||||||
| d (mm) | D (mm) | ws (mm) | D (mm) | wd (mm) | bovenwaarde (μm) | onderwaarde (μm) |
| 15 | 17,6 | 1,3 | 20,0 | 2,5 | +11 | 0 |
| 20 | 22,6 | 1,3 | 25,0 | 2,5 | +13 | 0 |
| 25 | 27,6 | 1,3 | 30,0 | 2,5 | +13 | 0 |
| 30 | 33,6 | 1,8 | 36,0 | 3,0 | +13 | 0 |
| 40 | 43,6 | 1,8 | 46,0 | 3,0 | +16 | 0 |
| 50 | 53,6 | 1,8 | 56,0 | 3,0 | +16 | 0 |
| 60 | 64,6 | 2,3 | 67,0 | 3,5 | +19 | 0 |
| 70 | 74,6 | 2,3 | 77,0 | 3,5 | +19 | 0 |
| 80 | 84,6 | 2,3 | 87,0 | 3,5 | +19 | 0 |
| 90 | 94,6 | 2,3 | 97,0 | 3,5 | +22 | 0 |
| 100 | 104,6 | 2,3 | 107,0 | 3,5 | +22 | 0 |
| 150 | 155,6 | 2,8 | 158,0 | 4,0 | +25 | 0 |
| 200 | 206,6 | 3,3 | 209,0 | 4,5 | +29 | 0 |
| 250 | 257,6 | 3,8 | 260,0 | 5,0 | +29 | 0 |
| 300 | 308,6 | 4,3 | 311,0 | 5,5 | +32 | 0 |
Een fabrikant van voorgespannen lagerschalen biedt deze aan in een grote serie langzaam in diameter oplopende standaardmaten. Deze serie is ingedeeld naar de nominale astap-diameter d . Dus NIET naar de buitendiameter D .
Het is verstandig om de te gebruiken lagerschalen uit deze standaardserie te kiezen. Dergelijke standaardlagerschalen zijn uit voorraad leverbaar, hebben dus korte levertijden, zijn relatief goedkoop en ze zijn bij revisie snel te vervangen, want er is ook een bijbehorende serie standaard-overmaten direct beschikbaar.
De standaard-diameters zijn in enkele groepen samengenomen. Binnen elke groep hebben alle schalen dezelfde standaard-wanddikte ws . Opvolgende groepen hebben steeds een wat grotere wanddikte.De fabrikant voert naast de serie "standaard" nog een parallelle serie "extra dik", met dezelfde diameters en een wat grotere wanddikte wd die speciaal bedoeld is voor gevallen waarin ruime oliegroeven gewenst zijn.
Dimensionering
Uitgangspunt is de krukas-berekening op sterkte en vermoeiing. De berekening geeft een minimale waarde voor de astap-diameter d . Uit het brede aanbod van de lagerschaal-fabrikant kies je de eerste nominale diameter boven de noodzakelijke minimale maat. Ik schreef hierboven al, dat je er verstandig aan doet, met standaardmaten te werken.
Bij de gekozen nominale astap-diameter d hoort automatisch een standaard wanddikte ws en daarmede is automatisch ook de nominale diameter van de grondboring bekend:
D = d + 2.w
De verhouding axiale lengte vs diameter L / D kan naar eigen inzicht worden gekozen. De fabrikant is in het algemeen in staat, de lagerschalen in elke gewenste axiale lengte te leveren, tot een maximum van L = D . Bij de grootste astap-diameters is de axiale lengte op maximaal 0,7 . D begrensd.
De optimale L / D is 0,4...0,6. Een grotere verhouding heeft het nadeel van de randeffecten, geeft dus plaatselijk zeer hoge vlaktedrukken. terwijl de maximaal toelaatbare last in kN niet lineair maar slechts regressief toeneemt.
Toleranties en passingbeeld
Zoals blijkt uit Tabel 1 hanteert de fabrikant op de buitendiameter D van de lagerschalen tolerantieklasse 6. De onderwaarde (de kleinst toegelaten diameter) is steeds gelijk aan de nominale D en de bovenwaarde (de grootst toegelaten diameter) varieert lichtjes met de diameter. Op deze wijze wordt voorkomen dat de voorspanning op de lagerschalen onverhoopt te laag uitvalt.
Een voorbeeld. Neem een nominale astap van 80 mm, in standaard-voorgespannen lagerschalen, in een gietijzeren carter.
| d | 80 | (mm) |
| ws | 2,3 | |
| D | 84,6 | |
| optimale overmaat δ/D (zie Tabel 4 hier) | 6.10-4 | (-) |
| fysieke overmaat δ | 50 | (μm) |
| tolerantie lagerschaal | -0 ... +19 | |
| tolerantie grondboring (zie Tabel 1 hier) | -19 ... +0 | |
| theoretisch maximaal mogelijke variatie in de overmaat | +50 ... +88 | |
| theoretisch maximaal mogelijke variatie in de voorspanning | 10 ... 18 | (kN/cm2) |
Zou het niet om een gietijzeren, maar om een gegoten aluminium carter gaan, dan zag de zaak er zo uit:
| optimale overmaat δ/D (zie Tabel 4 hier) | 13.10-4 | (-) |
| fysieke overmaat δ | 110 | (μm) |
| tolerantie lagerschaal | -0 ... +19 | |
| tolerantie grondboring (zie Tabel 1 hier) | -19 ... +0 | |
| theoretisch maximaal mogelijke variatie in de overmaat | +110 ... +148 | |
| theoretisch maximaal mogelijke variatie in de voorspanning | 20 ... 27 | (kN/cm2) |
Afwerking
Het loopvlak van de lagerschaal is door de fabrikant afgewerkt op ruwheidsklasse R4. De hierbij maximaal toegestane ruwheid, op standaardmanier gemeten, is Ra = 0,4-0,8 μm.
Lagermaterialen
Voorgespannen lagerschalen hebben een dragerschaal (altijd staal) met daarop een relatief dunne laag van loodbrons of aluminium-tin. Op het loodbrons kan nog een (zeer dunne) derde zogenoemde looplaag van witmetaal zijn aangebracht. De tweede laag wordt op de stalen schaal gegoten; de derde (witmetaal) looplaag wordt als laatste stap in het produktieproces galvanisch gedeponeerd.
Elk van deze uitvoeringen heeft zijn specifieke eigenschappen en daarmee ook zijn specifieke toepassingsgebied. Bij de keuze van de - voor een gegeven toepassing - meest geschikte materiaalcombinatie spelen deze specifieke eigenschappen de hoofdrol.
- Lagerbrons (loodbrons) is vanouds een vrijwel perfect lagermateriaal. Het heeft goede droogloopeigenschappen, het is hard en vorm- en slijtvast. Het is zeer goed warmtegeleidend. Het vergt wel een zeer harde astap - oppervlakteharding daarvan (inzetten) is nodig. Het aanpassend vermogen is - juist door de hardheid - gering. Aanvankelijk werden voorgespannen lagerschalen wel gebruikt zonder de zeer dunne toplaag. Dat werkte vanuit het oogpunt van belastbaarheid uitstekend. Maar qua aanpassend vermogen voldeden zulke 2-laags schalen minderr goed. Vooral abrasieve deeltjes konden veel schade aanrichten. Ook de tolerantie voor uitlijnfouten bleek erg klein.
- De combinatie van loodbrons met een derde (zeer dunne) laag van witmetaal verbetert de overall performance. Het aanpassend vermogen neemt toe, een geharde astap is niet persé nodig. De belastbaarheid en de warmtegeleiding gaan nauwelijks achteruit. In deze vorm zijn voorgespannen bronsbeklede lagers een uitstekende oplossing voor machines met vaste bedrijfscondities, weinig wisselende maar hoge belastingen, zeer lange draaiperiodes zonder stops, goede en regelmatie smering, goed onderhoud en toezicht. Samenvattend: voor grote scheepsdiesels.
- Aluminium-tin is zachter dan loodbrons. Voor die toepassingen waarbij groot aanpassend vermogen zwaarder telt dan maximale belastbaarheid, komt die geringere hardheid goed van pas. Denk bijvoorbeeld aan kortdurende piekbelastingen, sterk wisselend bedrijf, ongunstige werk- en omgevingscondities, het risico van vermoeiing. Typische toepassingsgebieden: de auto/vrachtwagen-dieselmotor, grondverzetmachines, landbouwwerktuigen.
De gebruikelijke werkcondities
In de praktijk zijn de werkomstandigheden voor lagers in (snellopende) dieselmotoren vrijwel altijd zodanig, dat volkomen (hydrodynamische) smering onhaalbaar is. Het hoogst bereikbare is meestal grenssmering, dat wil zeggen: incidenteel stuiterend metalliek contact tussen astap en lagerschaal, een groot deel van de tijd lopen op een dunne oliefilm, die echter redelijk frequent doorbroken wordt. Bepalend voor dit gedrag zijn vooral: fikse wisselingen in toerental en belasting, frequent aanlopen vanuit stilstand, minder gunstige olietoevoer. Langzamer lopende scheepsdiesels hebben van dit soort problemen weinig last; de flexibel ingezette motoren met korte draaisessies des te meer.
Specifieke constructieve details van voorgespannen lagerschalen
Smeervoorzieningen
Voorgespannen lagers zijn altijd olie-gesmeerd. De olietoevoer naar het loopvlak loopt via een in de grondboring uitgespaard ringkanaal en een of meer ronde gaten in de lagerschalen. Het kanaal ligt (axiaal gezien) op L / 2 , dus in het midden van de lagerschaal. Soms gebruik je (bij axiaal lange lagerschalen, zeg L / D = 0,7) axiale verdeelgroeven in het loopvlak van de lagerschaal. Dit is zelden echt nodig.
Ringvormige groeven in het loopvlak van de lagerschalen worden wél vaker toegepast. Deze dienen om via de tap olietoevoer aan andere lagers mogelijk te maken (bijvoorbeeld vanuit een hoofdlager via de krukas naar het kruklager in de drijfstang). In zo'n geval wordt de doorsnede van de oliegroef bepaald door de benodigde oliestroom. Omdat de wanddikte van de standaard-lagerschaal zeer beperkt is, kom je al gauw op een brede groef uit. De groef kan echter niet te breed worden, om voldoende lagervlak over te houden om de maximale werklast te kunnen dragen.
Wanneer daardoor geen standaardschaal (met standaard-wanddikte) kan worden gekozen, kun je met een schaal uit de parallelle serie "extra diK" mogelijk wel uitkomen. Zie Tabel 1 hierboven.
| Tabel 2. Diameter olietoevoergaten in een lagerschaal | |||||||
| Astap-diameter d (mm) | < 35 | 35-75 | 75-120 | 120-150 | 150-200 | 200-250 | 250-300 |
| Gatdiameter a (mm) | 3 | 4 | 5 | 6 | 9 | 12 | 16 |
Nokken
Het met de astap meedraaien van de lagerschaal in de grondboring wordt primair voorkomen door het inklemmen van de lagerschalen in de grondboring. Door de overmaat van de lagerschalen ontstaan immers tangentiele en radiale spanningen in de lagerschaal en de grondboring. De radiale spanning, samen met het contactoppervlak en de wrijvingscoeëfficiënt, balanceert het meeneemkoppel dat de wrijving van de astap in de lagerschaal veroorzaakt.
Als extra zekerheid heeft de lagerschaal één of twee nokken. Deze worden tijdens de fabricage door persen uit de lagerschaal gevormd. Bij schalen met een grote diameter en een kleine axiale lengte brengt men, om wringen onder belasting te voorkomen. aan elk uiteinde van de schaal een nok aan. In alle andere gevallen volstaat één nok.
In de grondboring moeten overeenkomende uitsparingen worden gefreesd waar de nokken inpassen. Je ziet deze in bovenstaande tekening ter weerszijde van het ringvormige oliekanaal.
| Tabel 3. Afmetingen van de nokken in een lagerschaal | |||||||
| Astap-diameter d (mm) | < 35 | 35-75 | 75-120 | 120-150 | 150-200 | 200-250 | 250-300 |
| a (mm) | 3 | 4,5 | 6 | 6 | 8 | 10 | 16 |
| b (mm) | 3 | 4,5 | 6 | 6 | 8 | 10 | 16 |
| c (mm) | 1 | 1 | 1,5 | 1,5 | 2 | 2 | 2,5 |
Afschuiningen
Op de in nevenstaande figuur getekende plaatsen is de looplaag van de schaal over de gehele lengte enigszins afgeschuind. De afmetingen van deze afschuiningen vind je in tabel 4. Wanneer echter een belasting kan optreden in de richting van de afschuining, zal men die verkleinen of zelfs weglaten.
| Tabel 4. Afmetingen van de afschuiningen van een lagerschaal | |||||||
| Astap-diameter d (mm) | < 35 | 35-75 | 75-120 | 120-150 | 150-200 | 200-250 | 250-300 |
| a (mm) | 4 | 6 | 6 | 8 | 10 | 15 | 25 |
| b (mm) | 0,025 | 0,025 | 0,025 | 0,025 | 0,025 | 0,050 | 0,050 |
Fabricage en kwaliteitscontrole
De lagerschalen voor voorgespannen lagers worden in een continuproces gefabriceerd. Het uitgangsprodukt is staalband op rol. In een profileerwals worden de randen omgezet tot een ondiep gootprofiel. Dit wordt blankgegloeid, waarna het gesmolten lagermetaal in een continu-gietmachine wordt opgegoten. In een koeltraject wordt de staalrug snel gekoeld (afgeschrikt). Vervolgens vinden een aantal machinale (koude) bewerkingen plaats: voorfrezen, randen afsnijden, nafrezen, walsen, vlakslijpen, uitstansen van strippen op de juiste maat, rondzetten van de strippen. In het geval er een derde laag moet worden aangebracht, gebeurt dat als laatste bewerking, in een galvanisch bad.
Het hele proces wordt centraal aangestuurd en geregeld en continu gemonitored door de afdeling Kwaliteitscontrole. De eindprodukten worden streng gekeurd. Tolerantieklasse 6 stelt nu eenmaal zeer hoge eisen aan de procesbeheersing.
De eindcontrole op overmaat is interessant. Want hoe check je op dit soort halfrond gezette flexibele schaaltjes eigenlijk de diameter die ze straks, in een grondboring gelegen, zullen hebben? We hebben al eerder gezien, dat de overmaat niet diametraal wordt bekeken (zoals je misschien zou verwachten) maar op de (halve) omtrek.
De berekende c.q. gewenste overmaat wordt verkregen door de lagerschalen een halve buitenomtrek te geven die de uitsteek l langer is dan de halve binnenomtrek van de grondboring. Dit biedt gelijk ook een goede mogelijkheid om de nauwkeurigheid van de lagerschaal na te gaan.
Op een speciaalmeetbank wordt de schaal in een stijf meetblok met nauwkeurig uitgespaarde halve grondboring gelegd. De ene zijde van de schaal rust tegen een aanslag, de andere zijde wordt belast met een (per diameter varierende) vaste voorspankracht F . De uitsteek l wordt onder deze belasting gemeten. Hij moet binnen nauwe toleranties liggen.