A rulment cu contact unghiular cu două rânduri este un rulment cu element de rulare care conține două rânduri de bile dispuse una lângă alta într-un singur inel exterior, ambele rânduri făcând contact cu canalele lor la un unghi de contact definit - de obicei 25° sau 30° — mai degrabă decât la 90° față de axa lagărului. Această geometrie de contact unghiular permite rulmentului să suporte simultan sarcini radiale (perpendiculare pe arbore) și sarcini axiale (de-a lungul axei arborelui) în ambele direcții, în timp ce aranjamentul cu două rânduri oferă o capacitate de încărcare semnificativ mai mare și o rigiditate mai mare împotriva momentelor de înclinare decât un rulment de contact unghiular cu un singur rând de același diametru exterior.
În termeni practic de inginerie, un rulment de contact unghiular cu două rânduri înlocuiește ceea ce altfel ar necesita doi rulmenți de contact unghiular cu un singur rând montați față în față sau spate, făcând acest lucru într-un spațiu axial mai îngust și fără a fi nevoie de preîncărcare potrivită în timpul asamblarii. Acest lucru îl face o soluție de rulmenți extrem de eficientă pentru aplicațiile care combină sarcini mari combinate cu constrângeri de spațiu - în special axuri de mașini-unelte, butuci de roți pentru automobile, cutii de viteze și pompe.
Principiul contactului unghiular: de ce contează unghiul de contact
Caracteristica definitorie a oricărui rulment de contact unghiular – un rând sau dublu – este unghiul de contact: unghiul dintre linia care leagă punctele de contact ale bilei cu canalele interioare și exterioare și un plan perpendicular pe axa rulmentului. Într-un rulment adânc cu bile, acest unghi este efectiv zero în condiții de gol; într-un rulment de contact unghiular, este o geometrie proiectată, fixă.
Cum afectează unghiul de contact capacitatea de încărcare
Unghiul de contact determină raportul dintre capacitatea de încărcare axială și radială. Un unghi de contact mai mare crește capacitatea de încărcare axială în raport cu capacitatea radială; un unghi de contact mai mic face opusul. Relația este aproximativ liniară în domeniul practic al unghiurilor de contact utilizate în rulmenții comerciali:
- Unghi de contact de 15° — capacitate radială relativ mare, capacitate axială moderată; utilizat acolo unde domină sarcinile radiale și este nevoie de un anumit suport de sarcină axială
- Unghi de contact de 25° — capacitatea radială și axială echilibrată; cel mai comun unghi la rulmenții cu contact unghiular cu două rânduri pentru aplicații generale de mașini-unelte și pompe
- Unghi de contact de 30° — capacitate axială mai mare; utilizat în aplicații cu forțe axiale susținute semnificative, cum ar fi unele aranjamente cutie de viteze și compresoare
- Unghi de contact de 40° sau 45° — capacitate axială foarte mare; se găsesc în aplicații specializate cu dominanță de împingere; mai puțin frecvente în configurația cu două rânduri
Efectul sarcinii axiale induse
Un rulment de contact unghiular cu un singur rând încărcat radial generează o componentă de forță axială internă ca o consecință a unghiului său de contact - aceasta este sarcina axială indusă. Când doi rulmenți cu contact unghiular cu un singur rând sunt împerecheați, aceștia sunt aranjați astfel încât sarcinile lor axiale induse să se opună și să se anuleze. Într-un rulment cu contact unghiular cu două rânduri, acest echilibru este realizat în interiorul unității de rulment simplu, deoarece cele două rânduri au unghiurile de contact opuse: un rând transportă forța axială într-o direcție, celălalt rând transportă forța axială în direcția opusă. Rezultatul este un rulment care este echilibrat în mod inerent pentru sarcina axială bidirecțională fără nici un aranjament special de montare.
Structura și geometria internă a unui rulment de contact unghiular cu două rânduri
Înțelegerea construcției interne a unui rulment cu contact unghiular cu două rânduri explică atât avantajele sale de performanță, cât și cerințele sale operaționale specifice.
Inelul exterior
Inelul exterior este o componentă dintr-o singură piesă, cu două caneluri de cale de rulare prelucrate la curbura precisă necesară pentru dimensiunea bilei și unghiul de contact specificate. Construcția dintr-o singură piesă asigură concentricitatea perfectă între cele două căi de rulare și asigură rigiditatea structurală care conferă rulmentului cu două rânduri rezistența la momentul de înclinare - o capacitate absentă din aranjamentele cu un singur rând, în care cele două inele sunt componente independente.
Inel interior: One Piece sau Split
Inelul interior al unui rulment cu contact unghiular cu două rânduri poate fi fie dintr-o singură piesă, fie dintr-o construcție divizată (din două piese). Un inel interior dintr-o singură piesă oferă rigiditate maximă și este utilizat în majoritatea modelelor standard cu două rânduri. Un inel interior despicat – în care inelul interior este format din două jumătăți care pot fi separate – permite asamblarea unor complemente de bile mai mari, crescând capacitatea de încărcare; totuși, articulația despicată introduce o sursă potențială de concentrare a tensiunilor și limitează viteza maximă la care rulmentul poate funcționa în mod fiabil.
Complement de minge și cușcă
Fiecare rând al unui rulment de contact unghiular cu două rânduri conține o gamă completă de bile - numărul maxim de bile care pot fi găzduite, menținând în același timp separarea minimă necesară între bile adiacente. Cușca (reținerea) menține o distanță uniformă a bilelor în fiecare rând, previne contactul bilă la bilă și ghidează bilele prin zona descărcată pe măsură ce rulmentul se rotește. Cuștile pentru rulmenți cu contact unghiular cu două rânduri sunt de obicei fabricate din oțel presat, poliamidă (nailon) sau alamă prelucrată, în funcție de viteza de funcționare, temperatură și condițiile de lubrifiere.
Preîncărcare
Rulmenți cu contact unghiular cu două rânduri sunt fabricate cu o preîncărcare internă definită - o precompresie aplicată bilelor dintre căile de rulare a inelului interior și exterior în timpul fabricării, înainte de aplicarea oricărei sarcini externe. Această preîncărcare elimină jocul intern, mărește rigiditatea rulmentului și îmbunătățește semnificativ precizia de rulare. Preîncărcarea este specificată ca ușoară (C), medie (CA) sau grea (CB) și este un parametru critic pentru aplicațiile cu axul mașinii-unelte în care este necesară o precizie sub-micrometrică. Un rulment cu preîncărcare excesivă se va supraîncălzi și se va defecta prematur; preîncărcare insuficientă produce vibrații și precizie redusă sub sarcină.
Caracteristici de performanță: capacitate de încărcare, rigiditate și viteză
Caracteristicile de performanță ale rulmenților cu contact unghiular cu două rânduri sunt determinate de geometria, dimensiunile și materialul și calitatea componentelor acestora. Următoarele relații cantitative sunt esențiale pentru a înțelege când și de ce să specificați acest tip de rulment.
Capacitate de încărcare dinamică și statică
Capacitatea de sarcină dinamică (C) a unui rulment cu contact unghiular cu două rânduri - sarcina la care rulmentul are o durată nominală de viață nominală teoretică de un milion de rotații - este de aproximativ de 1,6 până la 1,8 ori sarcina dinamică a unui rulment de contact unghiular comparabil cu un singur rând, cu același diametru al alezajului și aceeași serie. Această creștere reflectă rândul suplimentar de bile care împarte sarcina aplicată. Nivelul de sarcină statică (C₀), care definește sarcina maximă la care rulmentul o poate suporta fără a provoca deformarea permanentă a căilor de rulare sau bile, arată o creștere proporțională similară față de echivalentele cu un singur rând.
Rigiditatea și capacitatea momentului de înclinare
Rigiditatea lagărului – rezistența la deformarea elastică sub sarcină – este un parametru critic în arborele mașinilor-unelte, unde deformarea se traduce direct în eroare dimensională a piesei prelucrate. Inelul exterior dintr-o singură piesă al unui rulment de contact unghiular cu două rânduri asigură o distanță fixă, cunoscută, între punctele de contact ale celor două rânduri, creând un braț de moment stabil care rezistă la înclinarea arborelui sub sarcinile sculele în sus sau forțele excentrice ale piesei de prelucrat. Această rezistență la moment de înclinare este unul dintre motivele principale pentru care rulmenții cu contact unghiular cu două rânduri sunt alegerea standard în arborele de mașini-unelte atât pentru echipamentele de strunjire, frezare și șlefuire manuale, cât și CNC.
Limite de viteză
Viteza maximă de funcționare a unui rulment cu contact unghiular cu două rânduri este mai mică decât cea a unui rulment cu contact unghiular cu un rând comparabil, datorită generării mai mari de căldură din două rânduri de elemente de rulare și solicitărilor interne mai mari asociate cu funcționarea preîncărcată. Cataloagele de rulmenți specifică de obicei două limite de viteză:
- Limita de viteza termica — viteza cu care generarea și disiparea căldurii ajung la echilibru în condiții de lubrifiere de referință; depășirea acestei limite determină creșterea progresivă a temperaturii care degradează lubrifiantul și accelerează uzura rulmenților
- Limita mecanica de viteza — viteza cu care forțele centrifuge cuști și bile ating limitele structurale ale materialului cuștii; de obicei, mai mare decât limita termică pentru majoritatea rulmenților unsați
Pentru un rulment tipic de contact unghiular cu două rânduri cu diametrul alezajului de 70 mm, limitele de viteză în intervalul de 5.000 până la 12.000 rpm sunt comune în funcție de serie, materialul cuștii, metoda de lubrifiere și nivelul de preîncărcare. Ceața de ulei sau lubrifierea cu jet extind vitezele realizabile dincolo de limita termică lubrifiată cu grăsime.
Rulmenți cu contact unghiular cu două rânduri vs. Aranjamentele alternative ale rulmenților
Pentru a înțelege unde sunt cei mai adecvați rulmenții cu contact unghiular cu două rânduri, compararea acestora cu cele mai comune alternative clarifică avantajele și limitările specifice ale acestora.
Comparație între rulmenți cu contact unghiular cu două rânduri cu aranjamente echivalente ale rulmenților în funcție de criteriile cheie de performanță | Criteriu | Contact unghiular cu două rânduri | Contact unghiular cu un singur rând pereche | Rulment adânc cu bile | Rulment cu role conice (pereche) |
| Capacitate de încărcare radială | Înalt | Înalt | Moderat | Foarte sus |
| Capacitate axială bidirecțională | Înalt | Înalt | Scăzut-Moderat | Înalt |
| Rezistența momentului de înclinare | Foarte bine | Bun (depinde de distanță) | Sărac | Bun |
| Este necesar spațiu axial | Compact | Mai lat (doi rulmenti separati) | Îngustă | Lat |
| Capacitate de viteza maxima | Moderat–High | Înalt | Foarte sus | Moderat |
| Precizie de rulare | Foarte sus (precision classes available) | Înalt (matched pair required) | Moderat | Moderat |
| Simplitatea asamblarii | Simplu (o singură unitate, preîncărcat) | Complex (preîncărcarea necesită o pereche potrivită) | Simplu | Moderat (preload adjustment needed) |
Aplicații primare ale rulmenților cu contact unghiular cu două rânduri
Combinația specifică de proprietăți oferită de rulmenții cu contact unghiular cu două rânduri îi face să fie optimi proiectați pentru mai multe aplicații solicitante în care alternativele sunt fie inadecvate, fie mai puțin eficiente.
Axe de mașini-unelte
Fusoarele de mașini-unelte — în strunguri, mașini de frezat, mașini de șlefuit și centre de prelucrare — necesită rulmenți care sunt în același timp foarte rigidi, foarte precisi, capabili să suporte forțele combinate de tăiere radiale și axiale și suficient de compacti pentru a se potrivi în cartușul axului. Rulmenții cu contact unghiular cu două rânduri, specificați în clasele de precizie ISO P5, P4 sau P2 (echivalent cu ABEC 5, 7 sau 9), ating valori de deformare radială de până la 1 până la 3 micrometri în cele mai înalte clase de precizie, permițând finisări ale suprafețelor și toleranțe dimensionale în piesele prelucrate prelucrate care sunt imposibile cu aranjamente de rulmenți cu precizie redusă.
Butuci de roți pentru automobile
Ansamblurile moderne ale butucului roții din față neacționate pentru automobile (și în unele modele, ansamblurile roților din spate) folosesc rulmenți cu contact unghiular cu două rânduri ca element central de transport a sarcinii. Greutatea vehiculului acționează ca o sarcină radială mare, forțele de viraj adaugă o componentă axială bidirecțională, iar frânarea și accelerația creează momente de înclinare la butucul roții - o combinație care face ca rulmentul de contact unghiular cu două rânduri să fie alegerea naturală. Rulmenții butucului de roată cu specificații pentru automobile sunt de obicei unități etanșate pe viață, cu flanșe integrate pentru atașarea roților și a discului de frână, care nu necesită ajustare a lubrifierii pe teren pe toată durata de viață a acestora, de obicei 150.000 până la 250.000 km .
Pompe, compresoare și ventilatoare
Pompele centrifuge și ventilatoarele generează sarcini radiale semnificative din greutatea rotorului și forțe hidraulice/aerodinamice, combinate cu sarcini axiale din diferențele de presiune și dezalinierea curelei sau a cuplajului. Rulmenții cu contact unghiular cu două rânduri din carcasele lagărelor acestor mașini gestionează eficient aceste sarcini combinate, oferind în același timp precizia de funcționare necesară pentru etanșarea fiabilă a arborelui - o cerință critică, deoarece defecțiunile etanșării arborelui sunt cauza principală a opririi pompei în majoritatea înregistrărilor de întreținere a instalației.
Cutii de viteze și reductoare
În treptele angrenajului conic și angrenajului elicoidal, geometria angrenajului generează simultan forțe radiale și axiale pe arbore. Un rulment de contact unghiular cu un singur rând dublu poate suporta aceste sarcini combinate la arborele angrenajului, înlocuind ceea ce altfel ar necesita doi rulmenți cu un singur rând într-un aranjament de deschidere. Acest lucru simplifică designul carcasei cutiei de viteze, reduce numărul de piese și scade timpul de asamblare - toate acestea contribuind la reducerea costurilor de producție pentru proiectantul cutiei de viteze.
Robotică și articulații rotative de precizie
Îmbinările roboților industriali și etapele de poziționare rotativă de precizie necesită rulmenți cu rigiditate foarte mare, deformare redusă și capacitatea de a suporta sarcini de moment de la brațul în consolă și sarcina utilă. Rulmenții de contact unghiular cu secțiune subțire, cu două rânduri, caracterizați printr-o secțiune transversală foarte subțire în raport cu diametrul alezajului, sunt utilizați în îmbinările robotului în care fiecare milimetru de spațiu axial este critic, iar rulmentul trebuie să asigure capacitatea de încărcare completă a unui rulment convențional cu secțiune adâncă într-o fracțiune din lățimea axială.
Denumire și specificație: citirea codurilor rulmenților
Rulmenții cu contact unghiular cu două rânduri sunt identificați prin coduri de desemnare standardizate care codifică parametrii cheie ai rulmentului. Înțelegerea acestor coduri permite inginerilor să specifice, să surprindă și să facă referințe încrucișate lagăre de la diferiți producători.
O desemnare tipică a rulmentului cu contact unghiular cu două rânduri urmează această structură:
- Denumirea tipului — prefixul sau numărul de plumb care identifică rulmentul ca tip de contact unghiular cu două rânduri (de exemplu, 32, 33, 52, 53 în sistemele de desemnare ISO/DIN, unde 52 și 53 indică rulmenți cu contact unghiular cu două rânduri cu un inel interior dintr-o singură piesă)
- Cod alezat — două cifre care indică diametrul alezajului (de exemplu, 08 = 40 mm, 10 = 50 mm, 12 = 60 mm în sistemul 5× pentru codurile alezajului 04 și mai sus)
- Seria latime — o cifră care indică lățimea axială în raport cu diametrul alezajului
- Codurile sufixelor — litere care indică unghiul de contact (A = 30°), nivelul de preîncărcare (C, CA, CB), clasa de precizie (P5, P4, P2), etanșarea (RS, 2RS) și tipul cuștii (M = alamă, TN = poliamidă)
De exemplu, un rulment desemnat 3206 A-2RS este un rulment de contact unghiular cu două rânduri, cu alezaj de 30 mm, unghi de contact de 30° și garnituri de cauciuc pe două fețe pentru reținerea grăsimii și excluderea contaminanților în aplicațiile sigilate pe viață.
Considerații privind lubrifierea, etanșarea și întreținerea
Ungerea corectă este esențială pentru atingerea duratei de viață nominale a oricărui rulment cu elemente de rulare, iar rulmenții cu contact unghiular cu două rânduri prezintă cerințe specifice care diferă de tipurile de rulmenți mai simple.
Lubrifiere cu grăsime pentru aplicații standard
Majoritatea rulmenților cu contact unghiular cu două rânduri din aplicațiile industriale generale sunt lubrifiați cu grăsime. Cavitatea rulmentului este umplută cu grăsime în timpul asamblarii până la aproximativ 30 până la 50% din volumul spațiului liber — umplerea excesivă generează căldură din agitare și poate cauza defecțiuni premature ale rulmentului. Pentru rulmenții care funcționează la viteze și temperaturi moderate, este adecvată o unsoare cu complex de litiu de înaltă calitate, cu o consistență de NLGI 2 și un interval de temperatură de la -30°C la 120°C. Pentru funcționarea cu viteză mai mare, sunt specificate unsori cu vâscozitate redusă, cu pierderi reduse de agitare.
Lubrifiere cu ulei pentru aplicații de mașini-unelte de mare viteză
La arborele mașinilor-unelte care funcționează în apropierea sau la limita de viteză a rulmentului, în loc de grăsime pot fi utilizate lubrifiere cu ceață de ulei, lubrifiere ulei-aer sau lubrifiere cu jet de ulei. Aceste metode asigură reumplerea continuă cu lubrifiant și răcirea activă a rulmentului, permițând funcționarea la viteze cu 20 până la 50% mai mari decât limita de viteză termică lubrifiată cu grăsime. Vâscozitatea lubrifiantului este selectată pe baza parametrului vitezei de funcționare a rulmentului (n·dm, unde n este viteza în rpm și dm este diametrul mediu al rulmentului în mm), cu uleiuri cu vâscozitate mai mică utilizate la parametrii de viteză mai mari.
Rulmenți etanșați vs
Rulmenții cu contact unghiular cu două rânduri sunt disponibili în configurații deschise (neecranat), ecranat (protecții metalice, desemnarea 2Z) și etanșați (etanșări din cauciuc, desemnarea 2RS). Rulmenții etanșați sunt pre-umpluți cu grăsime pe viață și nu necesită relubrifiere – sunt alegerea standard pentru butuci de roți auto și pentru aplicații industriale în medii contaminate în care înlocuirea rulmenților este mai practică decât lubrifierea periodică. Rulmenții deschisi sunt utilizați în fusurile mașinilor-unelte și în alte aplicații de precizie în care sistemul de lubrifiere face parte din proiectarea mașinii și contaminarea este controlată prin alte mijloace (etanșări labirint, presiune pozitivă a aerului).
