optimoinnissa valtavasti energiansäästöpotentiaalia
optimoinnissa valtavasti energiansäästöpotentiaalia
optimoinnissa valtavasti energiansäästöpotentiaalia
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
laiteteKniiKKa<br />
Tuomo Jauhiainen<br />
neuvontainsinööri<br />
schaeffler Finland oy<br />
tuomo.jauhiainen@<br />
schaeffler.com<br />
VIerIntälaaKerIt<br />
ja enerGIansäästö<br />
<strong>optimoinnissa</strong> <strong>valtavasti</strong><br />
<strong>energiansäästöpotentiaalia</strong><br />
Vierintälaakerit ja energiansäästö – käsitteitä voitaisiin käyttää lähes synonyymeinä,<br />
sillä laakerin tehtävä on vähentää kitkaa ja siten säästää energiaa. Energiatehokkaat<br />
ratkaisut eivät rajoitu kuitenkaan mahdollisimman vähäkitkaisten laakereiden<br />
suunnitteluun ja valmistukseen, vaan edellyttävät myös simulointi- ja laskentatyökalujen<br />
kehittämistä ja käyttöä sekä laakeroitavan sovelluksen analysointia ja kokonaistilanteen<br />
ymmärtämistä. Laakereissa on merkittävä energiansäästöpotentiaali, sillä vuosittain<br />
vierintälaakereita valmistetaan arviolta 15 miljardia kappaletta.<br />
entistä suorituskykyisempien ja vähäkitkaisempien<br />
vierintälaakereiden<br />
tuotanto perustuu pitkäjänteiseen panostukseen<br />
laakeriteknologian ja tribologian<br />
tutkimuksessa sekä tuote- ja valmistusteknologian<br />
kehittämisessä. Jatkuva tuotekehitys<br />
edellyttää laskenta- ja simulointi-ohjelmistojen<br />
aktiivista kehittämistä ja<br />
hyödyntämistä sekä uusimpaan tuotantotekniikkaan<br />
investoimista.<br />
Tietokoneavusteisen laakerilaskennan<br />
standardisointi on tuonut kehittyneet laskentamenetelmät<br />
myös konesuunnittelijoiden,<br />
suunnittelutoimistojen ja oppilaitosten<br />
käyttöön. Edistyneillä laskenta- ja simulointiohjelmilla<br />
voidaan laskea myös eri laakerointivaihtoehtojen<br />
energiatehokkuus. Näin<br />
sovelluksen maksimaalinen säästöpotentiaali<br />
saadaan selville jo suunnitteluvaiheessa.<br />
Työkalut ja tuotteet kustannus- ja energiatehokkaaseen<br />
ja samalla luotettavaan laakerivalintaan<br />
ovat siten olemassa.<br />
40 Promaint 1 • 2010<br />
vierintälaakerin<br />
historiaa ja nykypäivää<br />
Vierintälaakereiden teollisen tuotannon katsotaan<br />
alkaneen 1800-luvun lopulla suursar-<br />
Kuulahiomakone (FAG 1883).<br />
jatuotantoon soveltuvan kuulahiomakoneen<br />
keksimisen myötä. Tätä seurasivat nopeasti<br />
kartiorullalaakerin, pallomaisen kuulalaakerin<br />
ja neulalaakerin valmistuksen ja koko
Vaihteiston laskentaa Bearinx ® -laskentaohjelmalla.<br />
Kuva 3. Hydraulipumppu (Sauer-Danfoss).<br />
laakeriteollisuuden synnyn mahdollistavat<br />
keksinnöt ja standardisoinnit.<br />
Vierintälaakerihistorian merk -<br />
kipaaluja ovat<br />
• 1883: kuulahiomakone<br />
mahdollisti teollisen kuulalaakerituotannon<br />
(FAG)<br />
• 1898: kartiorullalaakeri<br />
(TIMKEN)<br />
• 1907: pallomainen kuulalaakeri<br />
(SKF)<br />
• 1936: (Palmgren-Lundgren)väsymiselinikäteo-<br />
ria ja Lh10-luettelolaskenta<br />
• 1949: pitimellä varustettu<br />
neulalaakeri (INA)<br />
• 1982: laajennettu elinikälaskenta<br />
(FAG)<br />
• 2007: laajennetun elinikälaskennanstandardisointi<br />
(ISO 281)<br />
• 2008: tietokoneavusteisen<br />
laakerilaskennan standardisointi<br />
(ISO 16281)<br />
• 2009: kuularullalaakeri<br />
(Schaeffler).<br />
laakerin<br />
elinikälaskennan kehitys<br />
Geometrialtaan erilaisten laakereiden<br />
väsymiseliniän laskennan<br />
ja vertailun mahdollistava likimääräinen<br />
laskenta tuli mahdolliseksi<br />
1930-luvun lopulla väsymiselinikätutkimuksiinpohjautuvan<br />
ns. Lh10-luettelolaskennan<br />
myötä. Tämä alkeellinen<br />
laskentamenetelmä on edelleen<br />
laajalti konesuunnittelijoiden<br />
käytössä.<br />
Vuosisadan puolivälin jälkeen<br />
tutkimuksen painopiste<br />
siirtyi voitelun ja epäpuhtauksien<br />
vaikutukseen. 1980-luvulta<br />
alkaen laakerivalmistajat esittelivät<br />
samankaltaisia, mutta<br />
standardisoimattomia luettelolaskentaan<br />
pohjautuvia voitelu-,<br />
puhtaus- ja pintapainetekijöitä<br />
huomioivia laajennuksia elinikälaskentateoriaan.<br />
Vuonna 2007 laajennettu<br />
elinikälaskenta vihdoin standardisoitiin<br />
sen moninaisista likimääräisyyksistä<br />
ja puutteellisuuksista<br />
huolimatta. Tämä oli<br />
välttämätöntä, koska standardissa<br />
tulee olla myös mahdollisuus<br />
käsin tapahtuvaan laskentaan.<br />
Historiallisesti merkittävä askel<br />
laakerilaskennassa tapahtui,<br />
kun johtavat laakerivalmistajat<br />
ISO-standardivaliokunnassa sopivat<br />
tietokoneavusteisen laakerilaskennan<br />
standardisoinnista.<br />
Tämä tarkoitti käytännössä laakerivalmistajien<br />
sisäisessä käytössä<br />
olleiden asiantuntijaohjelmistojen<br />
asiakasversioiden tuloa<br />
markkinoille.<br />
Vuonna 2008 julkaistu ISO<br />
16281 -laskentastandardi ottaa<br />
huomioon laakerin todellisen<br />
kuormitusjakauman laskien<br />
laakerin väsymiseliniän maksimipintapaineen<br />
perusteella voitelu-<br />
ja puhtaustekijät huomioiden.<br />
Tietokoneavusteisessa laskennassa<br />
voidaan ottaa huomioon<br />
laakerin epälineaariset<br />
joustot, välysten vaikutus ja esimerkiksi<br />
akselitaipuman tai pesäsovitesijojen<br />
sijainti- tai suuntavirheiden<br />
aiheuttamat kippa-<br />
ukset sekä niistä johtuva pintapaineiden<br />
kasvu ja mahdolliset<br />
reunakuormitukset.<br />
laakerikitkan laskenta<br />
Kirjallisuudessa esitetyt laakerikitkan<br />
laskentakaavat ja käyrästöt<br />
on johdettu empiiristen<br />
käyntivastusmittausten avulla.<br />
Menetelmä on hidas käsin laskettaessa,<br />
mutta yksinkertaisen<br />
tietokoneohjelman avulla laskenta<br />
tapahtuu alle sekunnissa.<br />
Nopea numeerinen laskentatulos<br />
voi antaa käyttäjälleen virheellisen<br />
vaikutelman laskennan tarkkuudesta.<br />
Johdetut kaavat eivät<br />
kuitenkaan pysty ottamaan huomioonkitkavaikutusparametrien<br />
moninaisuutta, eivätkä pidä<br />
paikkaansa nykyisillä vierintälaakereilla<br />
edes kaavojen johtopisteissä.<br />
Uusinta alalla on Schaefflerin<br />
kehittämä vierintälaakerikitkan<br />
laskentaan tarkoitettu analyyttinen<br />
malli, joka on integroitu<br />
vuosia käytössä olleeseen<br />
Bearinx ® -asiantuntijaohjelmaan.<br />
Laskentamenetelmä tarjoaa lyhyet<br />
laskenta-ajat ja hyvän vaikutusparametrivastaavuuden.<br />
Samalla ohjelmalla voidaan laskea<br />
laakerin ISO 16281 -mukaisen<br />
väsymiskäyttöiän lisäksi vierintälaakereiden<br />
kitkamomentit<br />
ja siten kokonaisten akselijärjestelmien<br />
tai vaihteistojen hukkateho.<br />
Kitkaoptimoitu laakerointikonsepti<br />
voidaan näin valita<br />
jo tuotesuunnittelun alkumetreillä.<br />
Laakerikitkan laskeminen perustuu<br />
voitelutilanteen ja elastisen<br />
jouston huomioivaan elastohydrodynaamiseen<br />
teoriaan<br />
(EHD). Vierintä- ja liukukitkan<br />
vaikutus vierintälaakereiden kitkamomenttiin<br />
lasketaan analysoimalla<br />
jokainen yksittäinen<br />
kosketuspiste erikseen.<br />
Paikallisten lämpötilojen vaikuttaessa<br />
voiteluaineen viskositeettiin<br />
ja kitkavoimaan laskenta<br />
tapahtuu iteroimalla. Laskenta-aika<br />
on sekunneista minuutteihin.<br />
Promaint 1 • 2010<br />
41
Kuva 4. Hydraulimoottori (Sauer-Danfoss).<br />
Käyttöesimerkkejä laakerikitkan<br />
ja energiankulutuksen<br />
pienentämisestä<br />
Laite- ja laakerivalmistajien intensiivisellä<br />
yhteistyöllä voidaan<br />
saavuttaa merkittäviä tuloksia.<br />
Oheiset esimerkit ovat hyvin<br />
tavallisia. Vastaavia optimointimahdollisuuksia<br />
löytyy lähes<br />
kaikkialta koneenrakennuksesta<br />
ja autoteollisuudesta.<br />
Pyöräkuormaajassa, jossa on<br />
uusi hydraulipumppu ja kaksi<br />
140 kW:n käyttöteholla toimivaa<br />
hydraulimoottoria (Sauer-Danfoss),<br />
tehontarve vähenee yhteensä<br />
noin 9 kW lähes yksinomaan<br />
laakerointioptimoinnin ansioista.<br />
Vuosittainen säästöpotentiaali<br />
tuhannella kuormaajalla 8/24 h<br />
käytössä on n. 26 000 MWh. Tämä<br />
vastaa yli 6 500 kolmihenkisen<br />
kotitalouden vuotuista energiankulutusta.<br />
Säästö on n. 5 miljoonaa<br />
euroa (0,21 €/kWh) ja n.<br />
16 000 tonnia hiilidioksidia, mikä<br />
vastaa n. 4 200 alemman keskiluokan<br />
henkilöauton vuosittaisia<br />
päästöjä laskettuna 25 000 km/v<br />
ajokilometreillä.<br />
Toisessa esimerkissä erään<br />
kompressorivalmistajan laakeroinnin<br />
optimointitarkastelussa<br />
todettiin laakeroinnin hukkatehon<br />
vähennyspotentiaalia ole-<br />
42 Promaint 1 • 2010<br />
van yli 60 %, vaikka reunaehdot<br />
koskien laakeroinnin käyttöikää,<br />
jäykkyyttä ja asennustilaa<br />
säilytettäisiin.<br />
Kolmannessa esimerkissä tehtiin<br />
yhteistyössä Porschen kanssa<br />
CO2ncept-10%-kehitysprojekti,<br />
jossa polttoaineen kulutusta ja<br />
hiilidioksidipäästöjä voitiin pienentää<br />
10 % auton komponentteja<br />
optimoimalla. Esimerkiksi<br />
korvaamalla etu- ja taka-akselin<br />
tasauspyörästön kartiorullalaakerit<br />
kaksirivisillä viistokuulalaakereilla<br />
kitkavastusta saatiin<br />
pienennettyä etuvedossa 35 % ja<br />
takavedossa 42 %.<br />
esimerkkejä<br />
vierintälaakereiden<br />
kitkaoptimoinnista<br />
Seuraavassa on muutamia valmistajakohtaisia<br />
esimerkkejä laakerikitkan<br />
optimoinnin vaikutuksesta<br />
energiatehokkuuteen.<br />
Uusimman tuotantotekniikan<br />
käyttöönoton ja kosketuspintojen<br />
optimoinnin myötä esimerkiksi<br />
uusien FAG-kuulalaakereiden<br />
(Generation C) laakerikitkaa<br />
saatiin pienennettyä 35 %.<br />
Samalla kun laakereiden energiankulutus<br />
pieneni huomattavasti,<br />
niiden käyttöikä ja suorituskyky<br />
kasvoivat.<br />
Kuva 5. Porschen CO2ncept-10% -prototyyppi.<br />
Kuva 6. X-life lieriörullalaakeri optimoidulla olakekosketuksella.<br />
Olakkeellisia lieriörullalaakereita<br />
voidaan kuormittaa<br />
myös aksiaalisesti. Aksiaalikuorma<br />
siirtyy tällöin vierintäelinten<br />
otsapintojen ja laakerirenkaan<br />
olakkeiden välityksellä.<br />
Nykyaikaisten, kehittyneiden<br />
laskentamenetelmien ja valmistustekniikan<br />
ansiosta X-life*lieriörullalaakereidenkitkamomenttia<br />
saatiin pienennettyä aksiaalikuormitettuna<br />
noin 50 %.<br />
Laakerin aksiaalikuormituksen<br />
osuudeksi sallitaan nyt 60 % säteiskuormasta<br />
(aiemmin 40 %).<br />
Laakerityypin käytettävyys ja<br />
energiatehokkuus ovat parantuneet<br />
merkittävästi.<br />
Olakekosketuksen optimoinnilla<br />
on suuri merkitys myös<br />
kartiorullalaakereiden suunnittelussa.<br />
Korkeilla aksiaalikuormituksilla<br />
perinteisten kartiorullalaakereidenkitkamomentti<br />
nousee olakeliukupinnoilla<br />
voimakkaasti. X-life-kartiorullalaakereidenkokonaisvaltaisessa<br />
<strong>optimoinnissa</strong> laakereiden dynaamista<br />
kantolukua pystyttiin<br />
nostamaan 20 %. Laakereiden<br />
käyttöikä kasvoi 70 % samalla<br />
kun niiden kitkamomentti laski<br />
jopa 75 % perinteisiin laakereihin<br />
verrattuna.<br />
* X-life on Schaeffler Groupin<br />
merkintä vakiolaakereita
Kuva 7. Vakiolieriörullalaakerin pintarakenne.<br />
Kuva 8. X-life lieriörullalaakerin optimoitu pintarakenne.<br />
suorituskykyisemmille ja pitkäikäisemmille<br />
laakereille.<br />
downsizing lisää<br />
energiatehokkuutta<br />
Vakiolaakereita pienemmän<br />
asennustilan tarvitsevat laakerit<br />
mahdollistavat tuotteiden ja laitteistojen<br />
kompaktimman ja kevyemmän<br />
rakenteen. Näin voidaan<br />
säästää sekä primääri- että<br />
sekundäärienergiaa. Edellytyksenä<br />
ovat hyötysuhteeltaan paremmat<br />
laakerit, joiden kantokyky<br />
on suurempi kuin vastaavanmittaisilla<br />
vakiolaakereilla.<br />
Hyvä esimerkki downsizing-mahdollisuuksista<br />
on uusi<br />
vierintälaakerityyppi, kuularullalaakeri,<br />
jonka kantokykyä<br />
ja käyttöikää ei olisi voitu saavuttaa<br />
perinteisillä tuotteilla ja<br />
valmistusmenetelmillä. Kuularullalaakeri<br />
perustuu täysin uudenlaiseen<br />
vierintäelimeen ja innovatiiviseen<br />
laakerin kokoonpanomenetelmään.Perinteisestä<br />
vierintäelimestä kuulasta on<br />
poistettu kuormittamattomalta<br />
alueelta 15 % materiaalia kuulan<br />
molemmin puolin. Näin syntyy<br />
kavennettu kuula, ns. kuularulla,<br />
joka on 30 % perinteistä<br />
kuulaa kapeampi.<br />
Perinteisen kuulalaakerin<br />
kantokykyä rajoittaa sen kuulatäyttöaste.<br />
Esimerkiksi kuulalaakerin<br />
6207 täyttöaste on n.<br />
60 % eli 9 kuulaa, mutta vastaavankokoisessakuularullalaakerissa<br />
se on n. 90 % eli 14<br />
kuularullaa, mikä mahdollistaa<br />
2,4-kertaisen käyttöiän. Kestovoidellun<br />
laakerin käyttöiän<br />
kannalta tärkeää on myös vierintäelimien<br />
sivuilla oleva rasvatila,<br />
joka on kuularullalaakerissa<br />
noin 50 % suurempi.<br />
Päämitoiltaan 62-poikkileikkaussarjaa<br />
olevan kuularullalaakerin<br />
kantoluku vastaa tilatarpeeltaan<br />
huomattavasti suurempaa<br />
63-sarjan kuulalaakeria.<br />
Edullisemman kuormitusjakauman<br />
ansiosta kuularullalaakerin<br />
käyntivastus on kuitenkin kuu-<br />
Kuva 9. Kuularulla – uusi vierintäelintyyppi.<br />
Kuva 10. Downsizing kuularullalaakereilla. Vasemmalla<br />
BXRE207-kuularullalaakeri, keskellä kuulalaakeri 6207 ja oikealla<br />
kuulalaakeri 6307.<br />
lalaakeria alhaisempi. Kuularullalaakerin<br />
parempi hyötysuhde<br />
mahdollistaa kompaktimmat<br />
lopputuotteet vähentäen sekä<br />
lopputuotteen raaka-ainetarvetta<br />
että hukkanergiaa.<br />
Kuularullalaakerit ovat tulevaisuuden<br />
mahdollisuus säästää<br />
energiaa teollisuuden eri aloilla.<br />
Yksiriviset kuularullalaakerit soveltuvat<br />
esimerkiksi sähkömoottoreihin<br />
ja yleiseen koneenrakennukseen.<br />
Kaksiriviset viistokuularullalaakerit<br />
soveltuvat mm.<br />
ajoneuvovaihteistoihin. Kaksirivisettandem-kuularullalaakerit<br />
pienentävät laakerikitkaa ajoneuvojen<br />
tasauspyörästöissä korvaten<br />
kartiorullalaakereita. Laakerit<br />
soveltuvat myös esimerkiksi<br />
hydraulimoottoreihin ja -pumppuihin.<br />
Ajoneuvojen pyörälaakerikitkaa<br />
ja polttoaineen kulutusta<br />
pienennetään nelirivisillä kuularullalaakereilla.<br />
yhteenveto<br />
Vierintälaakerille ei ole näkyvissä<br />
tulevaisuudessa korvaajaa.<br />
Laakereiden ja laskentamenetelmien<br />
viimeaikainen kehitys<br />
antaa konesuunnittelijoille mahdollisuuden<br />
laakerointien kustannus-<br />
ja energiatehokkaaseen<br />
optimointiin.<br />
Laakerivalintaa ei kuitenkaan<br />
voida tehdä pelkästään käyntivastuksen<br />
perusteella. Laakerointien<br />
suunnittelussa tarvitaan<br />
järjestelmän ymmärtämistä<br />
ja insinööritaitoa.<br />
Nykyaikaiset, kehittyneet laskentaohjelmat<br />
eivät ole pelkkiä<br />
laakereiden elinikälaskureita,<br />
vaan auttavat suunnittelijaa<br />
myös tarkastelemaan ja ymmärtämään<br />
laakeroitavaa kohdetta<br />
kokonaisuutena, arvioimaan toimintaedellytyksiä,käyttövarmuutta<br />
sekä optimointimahdollisuuksia.<br />
Promaint 1 • 2010<br />
43
Change language