Großwälzlager-Innenverzahnung in Schwerlastmaschinen

Autor:Iker Heras

Er wurde 1986 in Barakaldo geboren und erwarb den Titel eines Wirtschaftsingenieurs an der Ingenieurschule von Bilbao. Nachdem er vier Jahre lang als Forscher in einem privaten Unternehmen (ITP und IK4-Ikerlan) gearbeitet hatte, kehrte er an seine Alma Mater zurück, um zu promovieren.

Seitdem ist er Teil der ADM-Gruppe, wo er an der Modellierung des strukturellen Verhaltens von Maschinenkomponenten arbeitet und Experte für Großwälzlager ist. Außerdem ist er als Dozent tätig und hält Vorlesungen zu Themen im Zusammenhang mit der Berechnung und Konstruktion von Maschinen und der Untersuchung ihrer Komponenten.

Was ist ein Drehkranz-Innenzahnrad?

Wie wir alle wissen, ist das Großwälzlager eine wichtige Übertragungskomponente, um die Rotation zwischen zwei sich relativ zueinander bewegenden Teilen zu realisieren und verschiedene Belastungen (Axialkraft, Radialkraft, Kippmoment) aufzunehmen. Bei der "Innenverzahnungs-Drehverbindung" befindet sich, wie der Name schon sagt, der Zahnkranz im Inneren des Innenrings.

Strukturell gesehen besteht er hauptsächlich aus Innen- und Außenringen, Wälzkörpern (das können Stahlkugeln oder -rollen sein), Abstandhaltern, Dichtungen und dem Innenzahnkranz des Kerns. Sie fragen sich vielleicht, was daran so besonders ist? Der Unterschied liegt in diesem Innenzahnkranz. Wenn es in das äußere Ritzel eingreift, erfolgt die Kraftübertragung über den inneren Zahnkranz und treibt so die Rotation der äußeren Struktur oder Maschine an.

Der größte Vorteil der Innenverzahnung im Vergleich zur Außenverzahnung ist die kompaktere Bauweise. Stellen Sie sich vor, dass bei einem außenverzahnten Drehkranz die Außenabmessungen der gesamten Maschine um ein Vielfaches zunehmen, was bei platzbeschränkten Konstruktionen eine Katastrophe ist. Obwohl die Struktur des zahnlosen Großwälzlagers übersichtlicher ist, erfordert es zusätzliche Antriebsmethoden, wie z. B. den Reibungsantrieb, der unzureichend ist, wenn eine präzise Synchronisierung und eine Übertragung großer Drehmomente erforderlich sind.

Der einzigartige Vorteil des Großwälzlagers mit Innenverzahnung besteht darin, dass es die Tragfähigkeit und die Übertragungsfunktion perfekt berücksichtigt und den Antriebsmechanismus im Inneren des Trägers verbirgt, wodurch der Einbauraum erheblich verringert wird. Dies ist besonders wichtig für Hafenmaschinen, Baumaschinen, Windkraftanlagen und andere Bereiche.

Konstruktionsprinzip und konstruktive Vorteile eines Innenzahn-Drehgestells

Kernstruktur und Arbeitsmechanismus

Bei den vielen Projekten, an denen ich gearbeitet habe, war ich immer von der Kernstruktur der Innenverzahnungs-Drehverbindung beeindruckt. Vereinfacht gesagt, ist sie wie ein großes Lager, aber nicht ganz.

Lassen Sie uns zunächst über die Art des Rollkörpers sprechen. In der Regel werden Kugeln oder Rollen als Wälzkörper verwendet. Das Kugeldrehkranzlager eignet sich gut für leichte oder mittlere Belastungen und bestimmte Anforderungen an die Geschwindigkeit. Durch die punktuellen Kontakteigenschaften ist die Reibung relativ gering, aber die Tragfähigkeit ist begrenzt. Der Rollentyp, egal ob es sich um eine Zylinderrolle oder eine Kreuzrolle handelt, hat aufgrund des Linienkontakts eine viel höhere Tragfähigkeit als der Kugeltyp und eignet sich besonders für Anwendungen, die großen radialen und axialen Belastungen standhalten müssen.

Ich persönlich bevorzuge Kreuzrollen in schweren Baumaschinen, weil sie Belastungen in mehreren Richtungen gleichzeitig standhalten und eine höhere Steifigkeit bieten können.

Die Materialauswahl ist ein weiterer Aspekt, der mich nachdenklich macht. Als Material für den Innen- und Außenring wählen wir in der Regel einen hochfesten legierten Stahl wie 42CrMo oder 50Mn. Aufgrund seiner hervorragenden mechanischen Eigenschaften und seiner guten Härtbarkeit eignet sich 42CrMo gut für schwere Lasten und Stoßbelastungen. Und 50Mn ist einzigartig in Bezug auf Härte und Verschleißfestigkeit. Nach der Auswahl des Werkstoffs ist der nächste Wärmebehandlungsprozess sehr wichtig. Das Vergüten kann die Härte und Verschleißfestigkeit der Oberfläche erheblich verbessern und gleichzeitig eine ausreichende Zähigkeit des Kerns gewährleisten, um Sprödbrüche zu vermeiden.

Ich habe einen Fall begegnet, ist, weil die Wärmebehandlung Parameter nicht richtig kontrolliert werden, was zu einem frühen Ausfall, so dass dieses Stück kann nicht tolerieren die geringste schlampig.

Und schließlich das Design der Dichtung. Sie ist so etwas wie die "Haut" des Großwälzlagers, insbesondere in der rauen Arbeitsumgebung, der Maschinen oft ausgesetzt sind, wie z. B. staubige, feuchte und sogar korrosive Medien. Labyrinthdichtungen beruhen auf mehrlagigen Spalten, die das Eindringen von Verunreinigungen berührungslos verhindern, und sind für Hochgeschwindigkeits- oder reibungsempfindliche Anwendungen geeignet.

Die berührende Dichtung, wie z. B. Lippendichtung, die Dichtwirkung ist zuverlässiger, kann wirksam verhindern, dass Fett Leckage und externe Verunreinigungen Eindringen, obwohl die Reibung wird leicht erhöht werden, aber meiner Meinung nach für den Schutz der Lebensdauer des Lagers, ist dieses Opfer völlig wert.

Einzigartige Vorteile des Innenzahnkranzes

Der Grund, warum ich das innenverzahnte Großwälzlager für eine geniale Konstruktion halte, liegt vor allem in den vielen Vorteilen, die die Innenverzahnung mit sich bringt.

Platzausnutzung: Das ist mein Hauptanliegen. Der Zahnkranz ist auf der Innenseite des Großwälzlagers angeordnet, wodurch der gesamte Übertragungsmechanismus kompakter ist. Stellen Sie sich vor, dass die Gesamtabmessungen des Geräts um eine Umdrehung größer wären, wenn sich der Zahnkranz außen befände, was bei einer mechanischen Konstruktion mit begrenztem Platzangebot zweifelsohne ein Problem darstellen würde. Der Innenzahnkranz löst dieses Problem perfekt und ermöglicht eine kompakte Kraftübertragung auf kleinem Raum.

Schutz des Getriebes: Das äußere Zahnrad ist anfällig für Schäden durch Sand, Staub, Steine oder sogar versehentliche Stöße, während das innere Zahnrad geschickt im Inneren der Struktur "versteckt" ist und weniger anfällig für Verschmutzung und physische Schäden durch die äußere Umgebung ist. Dadurch wird die Lebensdauer des Getriebes erheblich verlängert und die Wartungshäufigkeit verringert, was unter dem Gesichtspunkt der Wartungskosten ein offensichtlicher Vorteil ist.

Übertragungsgenauigkeit: Meiner Meinung nach ist die Übertragungsgenauigkeit ein zentraler Indikator für die Bewertung eines Getriebes. Die Bearbeitungsgenauigkeit der Innenverzahnung wirkt sich direkt auf die Leichtgängigkeit der Rotation und die endgültige Positionierungsgenauigkeit aus. Hochpräzise Innenverzahnungen können das Getriebespiel wirksam verringern und Vibrationen und Geräusche reduzieren, was für einige Geräte, die eine präzise Steuerung erfordern, wie z. B. Hubarbeitsbühnen oder Präzisionskräne, von entscheidender Bedeutung ist.

Tragfähigkeit: Die integrierte Konstruktion von Zahnrädern und Lagern ist keine einfache Stapelung, sondern eine Optimierung der Struktur. Durch diese Integration kann die Last gleichmäßiger auf die gesamte Struktur verteilt werden, was die strukturelle Gesamtfestigkeit und Tragfähigkeit erhöht.

Gemeinsame Zahnradparameter und Überlegungen zur geometrischen Gestaltung

Bei der Konstruktion eines Innenzahnkranzes berücksichtige ich stets sorgfältig das Prinzip der Auswahl der grundlegenden Parameter wie Modul, Zähnezahl, Eingriffswinkel usw. Der Modul bestimmt die Größe und Tragfähigkeit des Zahnrads, die Anzahl der Zähne steht in engem Zusammenhang mit dem Übersetzungsverhältnis, und der Eingriffswinkel wirkt sich auf die Eingriffsleistung und die Zahnfußfestigkeit des Zahnrads aus. Diese Parameter stehen nicht isoliert, sondern sind miteinander verknüpft und müssen unter der Prämisse der Einhaltung von Festigkeits-, Steifigkeits- und Platzvorgaben umfassend optimiert werden.

Darüber hinaus sind die Modifizierung der Zahnform und die Verdrängungskonstruktion "fortgeschrittene Fähigkeiten" zur Verbesserung der Getriebeleistung. Durch eine angemessene Korrektur der Zahnform kann die Eingriffswirkung des Zahnrads verbessert, der Lärm reduziert und die Lebensdauer verlängert werden.

Durch die Verschiebungsauslegung können die Festigkeit und die Verschleißfestigkeit des Zahnrads angepasst werden, ohne den Achsabstand zu verändern, oder Unterschneidungen vermieden und die Eingriffsleistung und Übertragungsstabilität des Zahnrads optimiert werden. Für die Simulationsanalyse verwende ich in der Regel eine professionelle Software für die Getriebeauslegung, um sicherzustellen, dass diese Korrekturen und Änderungen den gewünschten Effekt erzielen können.

Fallanalyse der Anwendung eines Innenzahn-Drehkranzes in der praktischen Technik

Baumaschinen

Im Bereich der Baumaschinen sind innenverzahnte Großwälzlager fast unverzichtbare "Gelenke" für schwere Geräte wie Bagger und Kräne. Ich erinnere mich, als unser Team einmal einen großen Bagger konstruierte, bestand die größte Herausforderung darin, den Drehmechanismus bei häufigem An- und Abfahren und hohen Stoßbelastungen zuverlässig zu halten. Schließlich wird die Baggerschaufel einmal ausgehoben und einmal entladen, und die Auswirkungen dieses Moments sind enorm.

Die konstruktiven Vorteile der Drehverbindung mit Innenverzahnung spiegeln sich in dieser Zeit wider: Die Drehverbindung befindet sich im Inneren, wo sie besser geschützt werden kann, wodurch der Verschleiß und die Beschädigung durch die äußere Umgebung verringert werden, und die Innenverzahnung kann ein größeres Übersetzungsverhältnis erreichen, wodurch das Antriebsdrehmoment effizienter übertragen wird. Um hohe Stoßbelastungen zu bewältigen, verwenden wir in der Regel Zahnkränze und Laufbahnen, die einer speziellen Wärmebehandlung und Oberflächenverfestigung unterzogen wurden, und berechnen bei der Konstruktion sorgfältig die Ermüdungslebensdauer und die Bruchlast der Lager.

Häufiges Starten und Stoppen stellt höhere Anforderungen an das Schmiersystem. Daher werden wir uns auch auf die Auswahl des Schmierfetts und die Konstruktion der Dichtungsstruktur konzentrieren, um sicherzustellen, dass die Schmierung auch bei intermittierendem Betrieb gewährleistet werden kann.

Hafenmaschinen und Windkraftanlagen

Hafenmaschinen, wie die riesigen Containerkräne an den Kais und die Windkraftanlagen, die am Meer stehen, befinden sich zweifellos in einer rauen Arbeitsumgebung. Ich habe an einem Hafenkranprojekt mitgewirkt. Das größte Problem ist die Korrosion, die durch die Meeresumwelt verursacht wird. Die salzige und feuchte Luft und die Erosion durch die Meeresbrise stellen die Metallteile ständig auf eine harte Probe.

Daher ist bei diesen Anwendungen der Korrosionsschutz der Innenverzahnung des Großwälzlagers am wichtigsten. Wir werden Materialien mit besserer Korrosionsbeständigkeit wählen, wie z. B. Edelstahl oder legierter Stahl mit spezieller Oberflächenbeschichtung, und die Dichtungsstruktur muss ebenfalls extrem sein, um das Eindringen von Meerwasser und Salzsprühnebel in das Lager zu verhindern.

Darüber hinaus muss das Großwälzlager von Windkraftanlagen auch die komplexen Wechselbeanspruchungen durch die Windlast aushalten, was eine hervorragende Ermüdungsfestigkeit der Lagerung erfordert. In der Entwurfsphase werden umfangreiche Finite-Elemente-Analysen und Ermüdungstests durchgeführt, um sicherzustellen, dass das Lager über einen Zeitraum von mehreren Jahrzehnten stabil bleibt.

Solar-Nachführsystem und Industrieroboter

Wenn es um Positioniergenauigkeit und langfristige Wartungsfreiheit geht, sind Solar-Nachführsysteme und Industrieroboter zwei typische Anwendungsszenarien. Ich persönlich bin der Meinung, dass diese beiden Bereiche der Drehverbindung mehr Raffinesse erfordern. Solarpaneele müssen der Sonne rund um die Uhr genau nachgeführt werden, und selbst die kleinste Winkelabweichung kann die Effizienz der Stromerzeugung beeinträchtigen.

Das bedeutet, dass die Drehgenauigkeit des Großwälzlagers sehr hoch sein muss und diese Genauigkeit über einen langen Zeitraum beibehalten werden muss. Wir verwenden in der Regel eine Vorspannkonstruktion, um den Spalt zu verringern, und wählen hochpräzise Wälzkörper und Laufbahnverarbeitungstechnologie.

In ähnlicher Weise stellen Industrieroboter extrem hohe Anforderungen an die Positioniergenauigkeit, und sie müssen jede Aktion präzise ausführen. In diesen Fällen sind die Stabilität des Reibungsmoments, die Steifigkeit und die Wartungsfreiheit des Großwälzlagers im Langzeitbetrieb die wichtigsten Faktoren. Die Reduzierung des Wartungsaufwands kann die Betriebskosten erheblich senken, was vor allem bei automatisierten Produktionslinien wichtig ist. Deshalb geben wir abgedichteten Großwälzlagern mit Selbstschmierfunktion oder Langzeitfett den Vorzug und verlängern ihre Lebensdauer durch Optimierung der Konstruktion.