Пресс для запрессовки подшипников и втулок: расчёт усилия и цилиндр-усилитель

Краткий ответ: пресс для запрессовки подшипников и втулок на пневмогидравлическом цилиндре подбирают в три шага. Сначала по натягу находят контактное давление в посадке, затем усилие запрессовки F = π × d × l × f × p, затем диаметр и исполнение цилиндра по таблице F = K × p.

Подобрать и купить пневмоцилиндры в каталоге →

Чем запрессовка подшипника отличается от опрессовки или штамповки?

Усилие здесь не «ударное» и не короткое: деталь нужно провести через всю длину посадки с почти постоянной силой, остановиться в нужной точке и не пойти дальше. Отсюда два требования к станку. Первое — управляемое усилие: оно задаётся давлением воздуха, а не рукой. Второе — управляемая глубина: подшипник упирается в буртик или заходит на заданную величину, и нужен упор, а не «до упора цилиндра».

Посадки с натягом нужны для неподвижных неразъёмных соединений: деталь держится на напряжениях, которые возникают в материале из-за деформации контактных поверхностей. Чем больше натяг, тем больше сила, которой надо запрессовывать; чем длиннее посадочный поясок, тем больше площадь трения.

Как посчитать усилие запрессовки?

Учебная методика расчёта посадки с натягом связывает осевую силу, давление на контактных поверхностях и коэффициент трения формулой p = P / (π × d × l × f), где d — диаметр соединения, l — длина соединения, f — коэффициент трения. Для запрессовки та же связь читается в обратную сторону: F = π × d × l × f × p. Остаётся найти p через натяг. Для сплошного вала и ступицы это делает формула Ламе: N = p × d × (C1/E1 + C2/E2), где C1 = 1 − μ1 (для сплошного вала), C2 = (1 + (d/d2)²) / (1 − (d/d2)²) + μ2, d2 — наружный диаметр ступицы, E — модуль упругости (для стали 2·10¹¹ Н/м²), μ — коэффициент Пуассона (для стали 0,3).

Натяг для расчёта берите из допуска вашей посадки (поле допуска вала и отверстия по ГОСТ 25346). Для ориентира в том же источнике сказано, что посадки средней точности для запрессовки втулок и тяжёлых нагрузок имеют натяги порядка (0,0002…0,0006) × d. И ещё одно: часть натяга «съедается» смятием микронеровностей, поэтому для расчёта усилия берите не номинальный, а эффективный натяг, а в расчёте самой посадки в методике сделана поправка 1,2 × (Rz1 + Rz2).

Пример: вал Ø50 в стальную ступицу, длина посадки 20 мм

Исходные данные: сплошной стальной вал d = 50 мм, стальная ступица с наружным диаметром d2 = 100 мм, длина посадки l = 20 мм, коэффициент трения f = 0,15 (значение из варианта учебного задания в том же источнике), эффективный натяг (уже за вычетом смятия микронеровностей) берём в середине диапазона «средних» посадок: N = 0,0004 × d = 20 мкм. Сеть 10 бар.

1. Коэффициенты Ламе. C1 = 1 − 0,3 = 0,7. C2: d/d2 = 0,5, (d/d2)² = 0,25, (1 + 0,25) / (1 − 0,25) = 1,667, плюс 0,3 даёт 1,967.
2. Давление в посадке. p = N / (d × (C1 + C2) / E) = 20·10⁻⁶ / (0,05 × 2,667 / 2·10¹¹) = 30·10⁶ Н/м², то есть около 30 МПа.
3. Усилие запрессовки. F = π × 0,05 × 0,02 × 0,15 × 30·10⁶ ≈ 14 140 Н ≈ 14,1 кН ≈ 1 440 кгс (1 кН ≈ 102 кгс).
4. Запас 30 % — наш инженерный выбор на разброс натяга и состояние поверхностей: 1 440 × 1,3 ≈ 1 870 кгс.
5. Исполнение. Формула цилиндра на ходе усиления F = K × p, где K — кгс на 1 кгс/см² давления воздуха из таблицы усилий каталога SNS для этого семейства усилителей (у WAALPC таблицы усилий нет). Для Ø63 исполнения 3T K = 500, откуда p = 1 870 / 500 ≈ 3,75 кгс/см² ≈ 0,37 МПа. Максимум Ø63 3T при 7 кгс/см² — 3 500 кгс, запас по усилию почти двукратный.
6. Ход. Длина посадки 20 мм равна наибольшему ходу усиления серии (5, 10, 15 или 20 мм). Если посадочный поясок длиннее 20 мм, всё, что выходит за ход усиления, цилиндр делает на малом усилии подвода, и запрессовку придётся вести двумя ступенями или брать деталь с более короткой посадкой.

Цифры привязаны к допущениям примера: натяг 20 мкм, f = 0,15, сталь по стали. Для вашей детали подставьте свой натяг и материалы, пересчитайте и сделайте пробную запрессовку на образце: коэффициент трения при движении деталей зависит от смазки и шероховатости.

Какой цилиндр взять и зачем регулируемый ход?

Для станка запрессовки удобнее всего серия MPTD с регулируемым полным ходом (прайс WAALPC, стр. 102): деталей с разной высотой посадки на одном станке много, и глубину задают упором, а не переделкой оснастки. Для примера — MPTD-63-1~100, 357 900 ₸. Если станок делает один типоразмер, достаточно стандартной MPT-63-1~100, 243 240 ₸. Исполнение по усилию (3T) в артикуле WAALPC не кодируется — назовите его при заказе. Цена MPTD выше указана для исполнения 1T, у 3T она немного выше (прайс WAALPC, стр. 102); у MPT цена 1T и 3T одинаковая. Если нужен быстрый цикл на конвейере, смотрите статью про отличия MPTF от MPT. Подробности про принцип работы — в статье про пневмогидравлический цилиндр.

Рабочий диапазон наших серий — 0,2–0,8 МПа, таблица усилий в каталоге доведена до 0,7 МПа, поэтому выше этого давления усилия не приводим. Сеть 10 бар подают через регулятор.

Как управлять усилием и защитить подшипник?

Усилие прямо пропорционально давлению (F = K × p), поэтому его настраивают регулятором с манометром — наш ARG, цена от 20 520 ₸: видно, на каком давлении пошла посадка, и для каждой детали записывают своё число. Подвод и возврат ведёт распределитель 5/2 серии 4V, от 4 920 ₸. Узел усиления включает распределитель 3/2 3V, от 3 600 ₸, в момент касания детали. Скорость подвода и возврата гасится дросселем с обратным клапаном AS на выхлопе, от 1 080 ₸, а шум выхлопа убирает пластиковый глушитель PSL, от 180 ₸. У распределителей 4V, 3V и регулятора ARG присоединительная резьба внутренняя G; дроссель AS выбирают по карточке — по резьбе порта и диаметру трубки.

Запрессовывая подшипник, передавайте усилие только на то кольцо, которое садится с натягом: на внутреннее при посадке на вал и на наружное при посадке в корпус. Силу через тела качения пропускать нельзя: это повреждает дорожки качения. Для этого нужна оправка с торцом по размеру кольца. При этом у пресса должна быть защита рук: пуск двумя кнопками одновременно и ограждение зоны. Поведение цилиндра при пропадании воздуха определяйте заранее и проверяйте на стенде.

Типичные ошибки

• Считают усилие по «тоннам» из каталога. Номинал 3T достигается при давлении около 0,6 МПа; при 0,37 МПа тот же цилиндр даёт около 1,9 т, и это именно то, что нужно в примере.
• Длина посадки больше хода усиления. Цилиндр делает часть пути на малом усилии, деталь «встаёт» на полдороге.
• Нет упора по глубине. Деталь уходит глубже заданного, а при посадке до буртика цилиндр дожимает кольцо в буртик полным усилием. Упор делают механическим, регулируемый ход MPTD это облегчает.
• Давят через наружное кольцо на вал. Усилие идёт через шарики, дорожки получают вмятины.
• Подают сеть 10 бар напрямую. Рабочий предел серий — 0,8 МПа; нужен регулятор.

Рубрики каталога

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

Частые вопросы

Можно ли запрессовывать подшипники пневмогидравлическим цилиндром?

Да, если усилие цилиндра перекрывает расчётное усилие запрессовки, а длина посадки укладывается в ход усиления. Усилие считают по натягу, диаметр и исполнение цилиндра подбирают по таблице F = K × p.

Как посчитать усилие запрессовки?

F = π × d × l × f × p, где p — контактное давление, найденное по натягу формулой Ламе. Затем добавляют запас и проверяют пробной запрессовкой.

Какой ход усиления бывает?

По каталогу семейства — 5, 10, 15 или 20 мм. Если посадка длиннее, запрессовку ведут ступенями.

Зачем нужен MPTD?

У MPTD регулируемый полный ход: глубину запрессовки задают упором, не меняя оснастку при смене детали.

Какое давление воздуха подавать?

Рабочий диапазон наших серий — 0,2–0,8 МПа; таблица усилий в каталоге — до 0,7 МПа. Сеть 10 бар подают через регулятор.

Через какое кольцо давить на подшипник?

Через то, что садится с натягом: внутреннее при посадке на вал, наружное при посадке в корпус. Через тела качения усилие не передают.