Probleme bei der Verwendung von Wellenfedern in Motorlagern

Was ist eine Wellenfeder?

In Motorlagersystemen werden häufig Federn verwendet, um einige Lager vorzuspannen. Für große Motoren werden im Allgemeinen Säulenfedern verwendet. Für kleinere Motoren werden meist Wellenfedern oder Schmetterlingsfedern verwendet.
Wellenfeders sind, wie der Name schon sagt, Federelemente, die eine wellenförmige Form haben. In der Regel werden sie in Anwendungen eingesetzt, bei denen die Belastung und Verformung gering, die Federsteifigkeit klein und die aufgebrachte Axialkraft gering ist. Durch ihr geringes Gewicht und ihre geringe Größe eignen sie sich zur Gewichtsreduzierung und für Arbeitsplätze, an denen der Platz begrenzt ist.

In Motorlagersystemen dient es dazu, axiale Lasten auf die Lager aufzubringen, um Lagergeräusche zu minimieren und Pseudo-Brinell-Eindrücke zu vermeiden.

• Reduzierte Arbeitshöhe

In space-constrained applications, they save up to 50% space compared to traditional round wire springs. Space savings can be realized through the use of flat Material and sinusoidal waveforms. As a result, fewer material requirements are needed for production, the spring is more compact, and the total weight of the spring and components can be reduced.

• Designflexibilität

Auf der Grundlage einer Reihe einzigartiger Verfahren kann jeder Aspekt der Feder speziell auf die Anforderungen der Anwendung zugeschnitten werden. Die Anzahl der Windungen, die Dicke, die Art der Enden, die Wellenformverteilung und die Art des Materials können alle an die Bedürfnisse des Benutzers angepasst werden.

• Kosten sparen

Sie ermöglicht eine geringere Arbeitshöhe im Vergleich zu herkömmlichen Runddrahtfedern. Ermöglicht eine Verkleinerung der gesamten Baugruppe, wodurch weniger Material zur Herstellung benötigt wird, was die Herstellung wirtschaftlicher und schneller macht. Bei Anwendungen mit Gussteilen oder maschinell bearbeiteten Teilen am Außenrand können erhebliche Kosteneinsparungen bei Wellenfedern erzielt werden.

• Gleichmäßige Kraftverteilung

Häufige Anwendungen, die eine gleichmäßige Kraftverteilung erfordern, sind weiche Materialien wie Kunststoffe, die in Dichtungen, Ventilen und Bauteilen verwendet werden. Im Gegensatz zu Runddrahtfedern ermöglichen sie eine gleichmäßigere Kraftverteilung. Beim Zusammendrücken können sich Runddrahtfedern unerwartet verbiegen oder verformen. Die geringere Höhe der Produkte reduziert ähnliche Fehler. Die Kraftverteilung ist ein wichtiges Thema bei der Anwendung, und sie kann so gestaltet werden, dass sie an einem oder beiden Enden eine flache Form hat. Mit 360 Grad von KontaktDurch die flachen Enden wird die Federkraft gleichmäßiger auf die angrenzenden Bauteile verteilt.

• Vielseitigkeit

Sie können in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt werden und eignen sich für fast alle Anwendungen. Beispiel:

Stromventile: Federn auf der Gegenseite steuern präzise die lineare Verschiebung des Kolbens bei steigendem Flüssigkeitsdruck.

Druckbegrenzungsventile: Der Luftdruck unter der Baugruppe führt zu einer Erhöhung der Federkraft, wodurch die Platte von der Dichtungsfläche weggedrückt wird, wodurch ein Mechanismus zur Druckreduzierung entsteht. Sobald der Druck abgebaut ist, kehrt die Feder auf ihre ursprüngliche Arbeitshöhe zurück, so dass die Einheit wieder abdichten kann.

Dichtungsoberflächen: Sie üben Druck aus, um die zusammenpassenden Oberflächen genau zu belasten und die Flüssigkeit richtig abzudichten.

Schwingungsisolatoren: Bei konstanter Belastung dämpfen Isolatoren die Schwingungen während des Betriebs des Geräts. Sie werden eingesetzt, um eine genaue und vorhersehbare Last-/Durchbiegungskurve zu erhalten.

Wellenfedernormen

Die Produkte werden hauptsächlich zum Aufbringen einer axialen Kraft in einem Wellensystem verwendet. Die Verformung dieser Feder ist die elastische Kraft, die durch axiale Kompression erzeugt wird. Die daraus resultierende elastische Kraft ist eigentlich der innere Widerstand der Feder gegen Biegeverformung.

Die spezifischen Parameter sind in JB/T7590 "Technical Conditions of Steel Wave Springs for Electric Machines" (Technische Bedingungen für Wellenfedern aus Stahl für elektrische Maschinen) zu finden oder bei den Lieferanten von Wellenfedern erhältlich.
Das Material der Produkte ist Federstahl, die Qualität ist 65Mn, nach der Oberflächenoxidationsbehandlung liegt die Härte zwischen 45-52HRC.
Der Größenbereich der nationalen Norm ist D16-D240, und ihre Innendurchmesser reichen von 11,7 mm bis 204 mm. Größen, die diesen Bereich überschreiten, erfordern zusätzliche Überlegungen oder den Einsatz alternativer Methoden.

Elastizität der Wellenfedern

Aus der Norm ist leicht ersichtlich, dass Wellenfedern eine freie Höhe H haben. Gleichzeitig gibt es bei der Normprüfung eine Prüfhöhe h. Das heißt, wenn die Feder von der freien Höhe H auf die Prüfhöhe h verformt wird, sollte die Federkraft innerhalb des von der Norm vorgegebenen Bereichs liegen.
Wenn die Verformung der Feder diesen Bereich unter tatsächlichen Arbeitsbedingungen überschreitet, liegt die Federkraft nicht in diesem Bereich. Dies ist ein häufiges Problem, das bei vielen Motorherstellern auftritt. Manchmal ist die Federverformung zu groß, manchmal zu klein. Die so genannte zu große oder zu kleine Verformung erreicht nicht die in der Norm angegebene Prüfhöhe.
Auf der anderen Seite sind die Spannung nach der Prüfung und die Zähigkeit der Produkte in der Norm festgelegt. Die Größe der Elastizität der Feder darf nicht weniger als 90% des Mindestwertes nach der Prüfung in der oben genannten Norm sein. Ebenso sollte nach einer gewissen Biegung keine Beschädigung auftreten.
Daher sollte eine einfache Druckausübung auf die Feder nicht zu einem Bruch oder einer großen Veränderung der Elastizität führen, solange sie sich innerhalb des Verformungsbereichs befindet.

Vorspannung von Wellenfedern und Motorlagern

Da die Funktion der Wellenfeder im Motorlagersystem darin besteht, eine axiale Belastung aufzubringen, sollte die Federkraft dieser Feder gleich dem Wert der aufzubringenden Vorspannung sein. Das heißt, die Federkraft in der Prüfhöhe (d. h. in der Höhe nach der Verformung) sollte innerhalb des Bereichs des für das Lager erforderlichen axialen Vorspannungswerts liegen.

Anwendungen der Wellenfeder

• Elektrische Steckverbinder für die Luft- und Raumfahrt

Die beiden einlagigen Kupplungsprodukte dieses Geräts üben beim Zusammendrücken eine konstante Kraft auf die Verbindung aus und sorgen so für eine durchgehende Verbindung.

• Stromventil-Anwendungen

Wenn der Flüssigkeitsdruck steigt, steuert die Feder präzise die lineare Verschiebung des Kolbens, der die Flüssigkeitsöffnung so positioniert, dass ein ordnungsgemäßer Flüssigkeitsdurchfluss möglich ist.

• Mehrzahnige Schneidwerkzeuge

Das Schneidewerkzeug verwendet ein speziell entwickeltes Produkt, das mit einer Fixierspitze hergestellt wird. Die Wellenfeder übt Druck auf die beiden Hälften des Schneidewerkzeugs aus und verbindet sie miteinander, während sie gleichzeitig oszillieren können.

• Clique

Wenn Druckluft durch das Ventil strömt, wird die Wellenfeder zusammengedrückt, um einen bestimmten Druck aufrechtzuerhalten, der den Durchfluss aus dem Ventil präzise reguliert.

• Druckbegrenzungs-Schaltventil

Mit dieser Feder wird ein exakter Druck erreicht. Der Luftdruck unter dieser Vorrichtung bewirkt, dass die Federkraft zunimmt und die Platte von der Dichtungsfläche weggedrückt wird, wodurch ein Druckentlastungsmechanismus entsteht. Wenn die auf die Feder ausgeübte Kraft nachlässt, ist die Einheit wieder bereit zum Abdichten.

• Wasserventil

Wellenfedern, auch bekannt als Flachdraht-Druckfedern, verhindern die Drehung des Ventilgriffs, indem sie eine konstante Last aufrechterhalten und in die Gewinde der Spindel eingreifen. Wenn sich der Griff gegen den Uhrzeigersinn dreht, erhöht sich der Widerstand der Feder, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer weiteren Drehung verringert wird.

• Gleitringdichtung

Sie üben Druck aus, um Flüssigkeiten ordnungsgemäß abzudichten, indem sie eine präzise Kraft auf Kohlenstoffstahloberflächen ausüben, die sich aneinander anpassen. Die Produkte arbeiten über einen festen Betriebsbereich und bieten eine exakte Kraft. Sie ersetzen gestanzte Wellenunterlegscheiben, die nicht das erforderliche Elastizitätsverhältnis aufweisen. Es muss ein exakter Druck von der Kohlenstoffstahloberfläche auf die von der Feder bereitgestellte Dichtungsfläche ausgeübt werden, um übermäßigen Verschleiß zu vermeiden und gleichzeitig eine ordnungsgemäße Abdichtung zu gewährleisten.

Häufig auftretende Probleme beim Aufbringen von Vorspannungen mit Spulen

• Verschleiß der Wellenfeder

Einige Ingenieure sind der Meinung, dass die Federoberflächen wärmebehandelt sind und daher Verschleiß an den Lageroberflächen auftreten wird. Ist dies wirklich der Fall? Die Härte des Außenrings von Rillenkugellagern beträgt etwa 56 HRC, während die Härte von Wellenfedern, wie bereits erwähnt, bei 45-52 HRC liegt, so dass die Federn bei Verschleiß stärker beansprucht werden.
Ein solcher Verschleiß ist jedoch nachteilig für die Wellenfeder und damit auf die Vorspannung des Lagers. Warum also tritt ein solcher Verschleiß auf, nachdem die Feder zusammengedrückt und verformt worden ist? Theoretisch sollte sich auch der Außenring des Lagers nicht drehen, und selbst wenn es zu einem leichten Kriechen kommt, sollte ein solch starker Verschleiß nicht auftreten. (Mit Ausnahme des laufenden Außenrings)
Dies lässt darauf schließen, dass das Lagersystem während des Betriebs vibriert, und die Richtung dieser Vibration kann radiale und axiale Komponenten haben. Infolgedessen ist es zu einer Kontaktreibung zwischen der Lagerstirnfläche und der Feder gekommen, die zu einem solchen Verschleiß geführt hat.
Es besteht natürlich auch die Möglichkeit, dass der Außenring des Lagers stark gelaufen ist, aber dieser Faktor lässt sich leicht durch Beobachtung des Außenrings feststellen.

• Bruch der Wellenfeder

Aus den Normen für die Produkte wissen wir, dass Wellenfedern eine gewisse Zähigkeit aufweisen. Wenn eine axiale Kraft auf eine Feder in einem Motor ausgeübt wird, beeinträchtigt die Verformung der Feder innerhalb eines angemessenen Bereichs nicht die Fähigkeit der Feder. Selbst wenn der Verformungsbereich überschritten wird und die Feder ihre elastische Kapazität verliert, bricht sie aufgrund der Elastizität des Metalls nicht.

Brüche in Metallen werden zunächst durch Ermüdung verursacht, und zwar aus demselben Grund wie die Ermüdung von Lagern. Oft werden Scherbelastungen eine bestimmte Anzahl von Malen wiederholt, was zu Ermüdung führt.
Dabei spielen zwei Faktoren eine Rolle, zum einen die Scherspannung und zum anderen die Wiederholung. Wenn die Wellenform nur bei einer Scherspannung federt, ist es schwierig, einen Ermüdungsbruch zu erzeugen. Das muss das Ergebnis des wechselseitigen Auftretens von Scherspannungen sein. Bei Motoren besteht die größte Möglichkeit darin, dass der Motor in einer Vibrationssituation arbeitet und die Feder immer wieder zusammendrückt, zurückfedert, erneut zusammendrückt und erneut zurückfedert.

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