Пресс для ступичных подшипников на пневмоусилителе: расчёт

Краткий ответ: пресс для ступичных подшипников на пневмогидравлическом цилиндре подбирают по усилию запрессовки наружного кольца в гнездо корпуса ступицы (кулака). Усилие F = π × d × l × f × p, где p находят по натягу; затем диаметр и исполнение цилиндра берут по таблице F = K × p.

Чем ступичный подшипник отличается от обычного?

В обычном случае подшипник садится на вал или в простую втулку, и приложить усилие к нужному кольцу просто. Ступичный узел устроен иначе: во многих автомобилях в поворотный кулак запрессовывают готовый двухрядный подшипник, у которого наружное и внутренние кольца уже связаны через тела качения, а ступицу (фланец) вдавливают в него после. Поэтому у такого узла есть правило, которое важнее любой цифры усилия: нагрузку при запрессовке в кулак передают только через наружное кольцо. Если нажать на внутреннее кольцо или на уплотнение, сила пойдёт через шарики или ролики, на дорожках появятся вмятины, и узел позже гудит. Для пресса это означает две вещи: оправка с торцом по наружному кольцу и ровная опора корпуса, чтобы деталь шла по оси, а не перекашивалась.

Общий вывод формулы посадки с натягом мы здесь не повторяем, он разобран в статье про пресс для запрессовки подшипников и втулок. Ниже только то, что меняется для ступицы: гнездо в корпусе, полое наружное кольцо и схема опор. Выпрессовку старого подшипника, где нужен больший запас, мы рассмотрели в статье про пресс для выпрессовки.

Как посчитать усилие запрессовки в гнездо корпуса?

Учебная методика связывает осевую силу, давление на контактных поверхностях и коэффициент трения формулой p = P / (π × d × l × f), где d — диаметр соединения, l — длина, f — коэффициент трения. Для запрессовки та же связь читается как F = π × d × l × f × p. Давление p находят по натягу: N = p × d × (C1/E1 + C2/E2). Для нашего случая отличие от сплошного вала в том, что наружное кольцо полое: C1 = (1 + (d1/d)²) / (1 − (d1/d)²) − μ1, где d1 — внутренний диаметр кольца, d — посадочный диаметр. Корпус считаем массивным, тогда C2 = 1 + μ2. Натяг берите из допуска вашего посадочного места на чертеже узла. Если чертежа нет, помните, что для посадок средней точности ориентир в методике — (0,0002…0,0006) × d. И ещё: часть натяга «съедается» смятием микронеровностей, поэтому в расчёт берут эффективный натяг, а не номинальный.

Пример: подшипник с наружным диаметром 65 мм и посадочной длиной 33 мм

Исходные данные условные. За ориентир взят ступичный подшипник SKF VKBA 3496: в двух описаниях магазинов его наружный диаметр 65 мм, а ширина указана то 33, то 35 мм. Мы приняли d = 65 мм, l = 33 мм, внутренний диаметр наружного кольца d1 = 55 мм (допущение примера) и стальной корпус. Коэффициент трения f = 0,15 (значение из учебного варианта), эффективный натяг N = 0,0004 × d = 26 мкм. Для своей детали подставьте паспортные размеры и допуск гнезда.

1. Коэффициенты. d1/d = 55/65 = 0,846; (d1/d)² = 0,716; C1 = (1 + 0,716) / (1 − 0,716) − 0,3 ≈ 5,74; C2 = 1 + 0,3 = 1,3; сумма ≈ 7,04.
2. Давление в посадке. p = N × E / (d × (C1 + C2)) = 26·10⁻⁶ × 2·10¹¹ / (0,065 × 7,04) ≈ 11,4·10⁶ Н/м², то есть около 11 МПа.
3. Усилие запрессовки. F = π × 0,065 × 0,033 × 0,15 × 11,4·10⁶ ≈ 11 480 Н ≈ 11,5 кН ≈ 1 170 кгс (1 кН ≈ 102 кгс).
4. Запас 30 % — наш инженерный выбор на разброс натяга и состояние поверхностей: 1 170 × 1,3 ≈ 1 520 кгс.
5. Исполнение. Формула цилиндра на ходе усиления F = K × p, K — кгс на 1 кгс/см² давления воздуха; для Ø63 исполнения 3T K = 500 по таблице усилий каталога SNS (у WAALPC такой таблицы нет, для наших MPT и MPTD это оценка). Давление p = 1 520 / 500 ≈ 3,0 кгс/см² ≈ 0,30 МПа. Максимум Ø63 3T при 7 кгс/см² — 3 500 кгс, запас по усилию более чем двукратный.
6. Ход. Посадочная длина 33 мм больше наибольшего хода усиления 20 мм (в прайсе WAALPC у MPT и MPTD — 5–20 мм). Сила натяга растёт вместе с длиной, на которую кольцо уже вошло в гнездо, а подвод у Ø63 при 0,3 МПа даёт по нашей оценке около 94 кгс (давление × площадь поршня Ø63, 31,2 см²). Этого хватает лишь на первые 2–3 мм посадки, остальные ≈30 мм длиннее одного хода усиления. Поэтому запрессовку ведут в два хода: первый ход усиления, возврат, под оправку кладут проставочное кольцо толщиной 15–20 мм и повторяют ход до упора кольца в уступ гнезда. Это наш инженерный выбор; конечную глубину проверьте пробной запрессовкой на вашем корпусе.

Цифры привязаны к допущениям примера: условные размеры, стальной корпус, натяг 26 мкм, сталь по стали. Кулак в автомобиле бывает из чугуна или алюминиевого сплава, модуль упругости и коэффициент Пуассона у них другие; пересчитайте со своими материалами и сделайте пробную запрессовку на образце.

Оправка и опора корпуса

Оправка — стальной стакан или кольцо, которое касается торца наружного кольца по всей окружности. Её наружный диаметр чуть меньше посадочного диаметра гнезда, внутренний больше наружного диаметра ступицы и уплотнения, чтобы они не касались оправки. Тогда сила идёт только на наружное кольцо, как требует руководство SKF. Опора — ровная плита или кольцо, на которое кладут корпус торцом вокруг гнезда; ступицу и тормозной диск через неё нагружать нельзя. Центровку держат пальцами или конусом: перекос в начале хода приведёт к тому, что кольцо встанет в гнездо косо. После посадки ставят стопорное кольцо, если оно предусмотрено конструкцией узла.

Граница применения: гидравлические прессы на 20–50 т, которые держат в сервисах для всех работ подряд, в наш диапазон не входят. Наши усилители — это точный станок с ограниченным усилием под одну операцию; ряд исполнений MPT в прайсе WAALPC идёт от 1 до 40 т.

Что поставить в пневмосистему пресса

Станок для ступиц обычно обслуживает несколько узлов разной высоты, поэтому берите MPTD: полный ход регулируется, глубину посадки выставляют упором. Размер из примера — MPTD-63-1~100, 357 900 ₸. Для одного типоразмера достаточно MPT-63-1~100, 243 240 ₸. Исполнение по усилию (3T) в артикуле не кодируется, его называют при заказе; цена в реестре посчитана от столбца 1T, для 3T её уточняет инженер. Чем отличаются быстрая и стандартная серии, читайте в разборе MPTF и MPT, как устроен усилитель — в статье про пневмогидравлический цилиндр.

Давление для каждого узла фиксируют регулятором ARG с манометром, от 20 520 ₸: для узла записывают давление, при котором кольцо дошло до уступа, и повторяют его на следующих. Подвод и возврат ведёт распределитель 5/2 4V, от 4 920 ₸, а усиление включает 3/2 3V, от 3 600 ₸, когда оправка коснулась кольца. На портах цилиндра стоит дроссель с обратным клапаном AS, от 1 080 ₸: мягкий подход не бьёт кольцо о гнездо. Выхлоп гасит глушитель PSL, от 180 ₸. У распределителей и регуляторов присоединительная резьба внутренняя G.

Две стадии одной операции: сначала корпус на подшипник (давление на наружное кольцо), затем ступицу или фланец вдавливают во внутреннее кольцо, и опору в этот момент переставляют под внутреннее кольцо. Усилие второй стадии считают отдельно по своему натягу. У пресса нужны двухкнопочный пуск и ограждение зоны; поведение цилиндра при пропадании воздуха определите заранее и проверьте на стенде.

Типичные ошибки

• Давят через ступицу или внутреннее кольцо. Сила идёт через тела качения, на дорожках остаются вмятины, узел гудит.
• Опирают корпус не вокруг гнезда. Деталь перекашивается, кольцо встаёт косо, в подшипник попадает вода.
• Берут размеры гнезда с чужого узла. Ширина и посадка у разных модификаций различаются; в примере выше ширина 33 и 35 мм у одного кода.
• Нет упора по глубине. Кольцо уходит дальше посадочного уступа.
• Не учли материал кулака. Алюминий и чугун дают другое давление в посадке, расчёт для стали им не подходит.

Рубрики каталога

• Пневмоприводы — цилиндры и усилители;
• Пневмоцилиндр MPTD — регулируемый ход;
• Калькулятор усилия цилиндра.

Частые вопросы

Можно ли запрессовывать ступичные подшипники пневмогидравлическим цилиндром?

Да, если усилие цилиндра перекрывает расчётное усилие запрессовки наружного кольца в гнездо, а оправка передаёт силу только на наружное кольцо. Диаметр и исполнение цилиндра подбирают по таблице F = K × p.

На какое кольцо давить при запрессовке в кулак?

Только на наружное, перпендикулярно оси. Давление на внутреннее кольцо или уплотнение повреждает тела качения и приводит к шуму.

Как посчитать усилие?

F = π × d × l × f × p, где p — контактное давление, найденное по натягу; для полого наружного кольца в формуле Ламе учитывают внутренний диаметр кольца. Затем добавляют запас и проверяют пробной запрессовкой.

Подойдёт ли гидравлический пресс на 20–50 т?

Он нужен для другого класса работ и в наш диапазон не входит. Для одной операции с известным усилием удобнее станок на усилителе с регулируемым давлением.

Что делать, если посадка длиннее хода усиления?

Сила натяга растёт с вошедшей длиной, и подвода хватает лишь на первые миллиметры. Запрессовку ведут в два хода усиления с проставочным кольцом под оправкой, глубину проверяют пробной запрессовкой на образце корпуса.

Нужно ли считать вторую стадию?

Да: ступицу вдавливают во внутреннее кольцо с другим натягом, давят только на внутреннее кольцо, и усилие считают отдельно.