Inzicht in speling in tandwielen en koppelingen
Verzet (ook wel speling of speling genoemd) is de speling of opening tussen in elkaar grijpende onderdelen in mechanische aandrijvingen — meestal de tangentiële speling tussen in elkaar grijpende tandwieltanden wanneer één tandwiel stil wordt gehouden en het andere tandwiel heen en weer wordt bewogen. Het is de mate van „verloren beweging“ of speling in het systeem: de afstand die het aandrijftandwiel kan afleggen voordat het in tegengestelde richting in het aangedreven tandwiel grijpt. Een kleine, opzettelijk aangebrachte speling is essentieel voor een goede werking tandwielbediening, maar wanneer het door slijtage uitrekt, leidt dit tot stootbelastingen, geluid, positioneringsfouten en trillingen.
1. Definitie: Wat is terugslag?
Bij een tandwielpaar wordt de speling het meest nauwkeurig gedefinieerd als de opening gemeten langs de werklijn — of, wat op hetzelfde neerkomt, de tangentiële speling op de steeklijn — waardoor één tand iets kan bewegen binnen de ruimte van de tegenoverliggende tand voordat er contact ontstaat. Houd het ene tandwiel vast en beweeg het andere heen en weer; de hoek die het vrij kan afleggen voordat de flanken elkaar raken, geeft direct de aanwezige speling weer.
Dit principe geldt niet alleen voor tandwielen. Koppelingen, spiebanen, spindels, tandheugelaandrijvingen en alle andere verbindingen met tanden of spiebanen hebben een zekere speling. Het cruciale punt is dat een zekere mate van tegenreactie is noodzakelijk en bewust: het biedt ruimte voor de vorming van een smeerfilm, compenseert de thermische uitzetting van de tanden, vangt fabricagetoleranties op en voorkomt dat de tanden onder belasting aan elkaar vastlopen. Speling wordt pas een defect wanneer deze groter wordt dan de ontwerpwaarde — op dat moment gedraagt het zich als een plaatselijke vorm van mechanische losheid binnenin het tandwielstelsel.
2. Doel en typische waarden
Waarom er rekening is gehouden met tegenreacties
- Smeerniveau: zorgt ervoor dat er zich een oliefilm vormt tussen de belaste en onbelaste tandflanken.
- Thermische uitzetting: zorgt ervoor dat de tanden langer worden naarmate de tandwielkast op bedrijfstemperatuur komt.
- Productietoleranties: zorgt ervoor dat de tandwielen op elkaar kunnen worden gemonteerd, ondanks kleine verschillen in tanddikte en tandafstand.
- Voorkomt vastlopen: zorgt ervoor dat de tanden nooit vastlopen onder belasting of door thermische uitzetting, wat zou leiden tot een sterke toename van wrijving en warmte.
Typische spelingwaarden
- Precisietandwielen: 0,05–0,15 mm (0,002–0,006 inch).
- Industriële tandwielen: 0,2–0,8 mm (0,008–0,030 inch).
- Zware machines: 1,0–3,0 mm (0,040–0,120 inch).
- Vuistregel: ongeveer 0,04–0,08% van de hartafstand bij tandwielen voor algemeen industrieel gebruik.
Dit zijn uitgangspunten, geen vaste waarden — het juiste getal hangt af van de module, de nauwkeurigheidsklasse, het materiaal en de toepassing. Bij het ontwerpen of controleren van een nieuw paar loont het de moeite om de tandgeometrie te toetsen aan een nauwkeurigheidsnorm; een tandwielcalculator en de bijbehorende nauwkeurigheidsklasse van tandwielen met deze tool kunt u de hartafstand en de tolerantie eenvoudig koppelen aan een zinvolle spelingband.
3. Meetmethoden
Directe meting
- De voelermaatmethode: plaats voelerbladen tussen de tanden ter hoogte van de steeklijn om de speling direct af te lezen.
- Methode met meetklok: Zet één tandwiel vast, beweeg het andere heen en weer en meet de vrije slag bij de steekradius.
- Coördinatenmeting: meet beide tandwielen nauwkeurig op en bereken de theoretische speling op basis van de tanddikte en de hartafstand.
- Spelingmeter: speciaal ontworpen gereedschappen voor productiecontroles of inspecties in het veld.
Operationele beoordeling
- Let op ratelende of kloppende geluiden, die wijzen op te veel speling.
- Let op de beweging van de as wanneer de belasting wordt omgekeerd — een zichtbare schok duidt op speling.
- Meet de positioneringsfout in servo- of indexeersystemen.
- Gebruik trillingsanalyse om de patronen bloot te leggen die het gevolg zijn van de overmatige zwaai.
4. Problemen als gevolg van te grote speling
Impactbelasting en trillingen
- Wanneer de belasting omslaat, gaan de tanden uit elkaar en slaan ze vervolgens weer met een klap tegen elkaar.
- Dit veroorzaakt schokbelastingen en impulsmatige trillingen telkens wanneer het contact weer tot stand komt.
- De schok treedt op bij de snelheid waarmee de belasting omslaat, niet noodzakelijkerwijs bij het toerental van de as.
- Herhaalde stoten versnellen tandverlies vermoeidheid en dragen.
- Het resultaat is een kenmerkend kloppend of bonkend geluid.
Positioneringsfouten
- In servosystemen en positioneringsapparatuur ontstaat door speling een „dode zone“ rond elk omslagpunt.
- De uitgaande as reageert niet op kleine veranderingen in de ingangssignalen totdat de speling is opgeheven.
- De positioneringsfout is gelijk aan de speling.
- Dit is van cruciaal belang voor CNC-bewerkingsmachines, robotica en precisie-instrumenten.
Geluid en verminderde stijfheid
- Lawaai: een ratelend geluid dat ontstaat doordat de tanden tegen elkaar stoten bij schommelingen in de belasting; dit is vooral hinderlijk bij aandrijvingen met variabele belasting en wordt erger naarmate de speling door slijtage toeneemt.
- Verminderde stijfheid van het systeem: speling zorgt voor speling in de aandrijflijn, waardoor de effectieve torsie stijfheid, verslechtering van de prestaties van de regelkring, en in terugkoppelingssystemen kan dit zelfs leiden tot instabiliteit in de grenscyclus.
5. Oorzaken van overmatige speling
Normale slijtage
- De flanken van de tanden slijten door het glijdende contact dat inherent is aan het in elkaar grijpen van tandwielen.
- De terugslag neemt in de loop van de jaren geleidelijk toe.
- Dit is de normale slijtage bij alle tandwieloverbrengingen.
- De snelheid is afhankelijk van de belasting, de kwaliteit van de smering en de zuiverheid van de olie.
Versnelde slijtage
- Verontreiniging door schuurmiddelen: harde deeltjes werken als een slijpmiddel en slijpen de flanken.
- Onvoldoende smering: Contact tussen metalen oppervlakken versnelt slijtage.
- Overbelasting: Overmatige belasting van de tanden leidt tot sneller slijtage van het tandoppervlak.
- Verkeerde uitlijning: randbelasting vanaf aswringing de slijtage concentreert zich aan één kant van de tanden.
Ontwerp- of installatiefouten
- Onjuiste specificatie van de hartafstand.
- Verkeerde tandwielcombinatie met niet-overeenkomende tandprofielen.
- Er is onvoldoende rekening gehouden met thermische uitzetting.
- De productietoleranties zijn te ruim vastgesteld.
6. Het vaststellen van speling door middel van trillingsanalyse
Trillingssignatuur
- Impact op: scherpe impulsen in de tijdgolfvorm bij elke omkering van de belasting.
- Meerdere harmonischen: de impactbelasting wekt een brede reeks harmonischen in plaats van één enkele zuivere klank.
- Belastingafhankelijk: de trilling neemt toe en af naarmate het koppel toeneemt.
- Snelheidsonafhankelijke component: het slagfrequentie volgt de belastingcyclus, niet het toerental van de as.
Het onderscheid tussen speling en andere storingen
- vs. algemene slijtage van de uitrusting: terugslag veroorzaakt schokken, terwijl gelijkmatige slijtage een glad maar verhoogd oppervlak oplevert tandwielingrijpfrequentie (GMF) met zijbanden.
- vs. tandbreuk: Een afgebroken tand veroorzaakt één schok per omwenteling, terwijl speling meerdere schokken per belastingscyclus veroorzaakt.
- versus losheid: de speling zit in de tandwielen; losheid zitten in de lagers, behuizingen of bevestigingen.
Omdat de kenmerkende signalen van speling, slijtage van de tandwielen en loszitten elkaar overlappen, is een analysator die zowel het spectrum als de tijdgolfvorm met fase registreert van onschatbare waarde. In de praktijk is een draagbaar tweekanaalsinstrument zoals de Balans-1a Hiermee kan een technicus de tijdgolfvorm op het lagerhuis van een tandwielkast registreren, de impulsmatige omkeringen opsporen die wijzen op overmatige speling, en onbalans al dan niet uitsluiten voordat de tandwielkast wordt geopend. Het lokaliseren van de overbrenging en de bijbehorende zijbanden gaat nog sneller met een speciale berekenaar voor de tandwielingrijpfrequentie.
7. Correctie en beheer
Aanpassingsmethoden
- Vermindering van de hartafstand: zet de tandwielen iets dichter bij elkaar, voor zover de bevestiging dat toelaat.
- Afstelling van de vulplaat: gebruik vulplaatjes om de tandwielen zo te verplaatsen dat ze goed in elkaar grijpen.
- Tandwielen met spelingbeperking: gesplitste, veerbelaste tandwielen die de speling continu opvangen.
- Vooraf laden: oefen een lichte druk uit om de tandflanken voortdurend in contact te houden (zie lagervoorspanning (zie het vergelijkbare principe bij lagers).
Vervanging
- Vervang versleten tandwielen zodra de speling de voorgeschreven waarde overschrijdt.
- Vervang beide tandwielen tegelijk, aangezien ze als een set slijten.
- Overweeg het gebruik van hoogwaardigere materialen of oppervlaktecoatings voor een betere slijtvastheid.
Operationele aanpassingen
- Vermijd, voor zover het proces dit toelaat, veelvuldige ompolingen.
- Regel de snelheid waarmee de belasting wordt uitgeoefend om de impact te verzachten.
- Beschouw enige weerstand als normaal — trek het gaas niet te strak aan, want dat kan leiden tot vastlopen en oververhitting.
- Compenseer in servosystemen de dode zone in de besturingssoftware.
Speling is een onvermijdelijk kenmerk van tandwielaandrijvingen dat pas een probleem vormt wanneer het te groot wordt. Door inzicht te krijgen in de juiste specificaties, de juiste meettechnieken en de trillingsverschijnselen die bij te veel speling optreden, kunt u tandwielkasten effectief onderhouden, vervangingen op het juiste moment plannen en een gestructureerde aanpak hanteren probleemoplossing en conditiebewaking aan de terugkerende geluids- en trillingsproblemen bij machines met tandwielaandrijving.
