Bicie promieniowe i osiowe wału - czym się różnią, skąd się biorą i jak je zmierzyć?

Wał może wyglądać na idealnie prosty, a mimo to podczas obrotu jego powierzchnia nie porusza się dokładnie względem założonej osi. Czujnik zegarowy ustawiony przy takim elemencie zaczyna wtedy "pracować", pokazując cykliczną zmianę położenia. W zależności od kierunku pomiaru mówimy o biciu promieniowym albo osiowym. Oba zjawiska są często wrzucane do jednego worka, choć mogą mieć inne przyczyny i prowadzić do innych problemów. Co więcej, samo wychylenie wskazówki czujnika nie oznacza jeszcze, że wał jest krzywy. Równie dobrze przyczyną może być mimośrodowe osadzenie elementu, zabrudzenie powierzchni, niewłaściwe mocowanie albo luz w łożyskowaniu.

Co właściwie oznacza bicie wału?

Najprościej mówiąc, bicie opisuje zmianę położenia mierzonej powierzchni podczas obrotu elementu względem przyjętej osi odniesienia. Jeżeli wał obraca się idealnie, a jego powierzchnia jest odpowiednio wykonana i ustawiona względem osi, końcówka czujnika powinna pozostawać praktycznie w tej samej pozycji.

W rzeczywistym elemencie pojawiają się jednak odchyłki geometryczne. Środek powierzchni walcowej może nie pokrywać się z osią obrotu, wał może być lekko wygięty, czoło kołnierza może nie być ustawione prostopadle do osi albo sam sposób zamocowania może wprowadzać błąd.

W metrologii bicie jest wielkością związaną z obrotem części względem określonej osi bazowej. Właśnie dlatego sam pomiar średnicy wału nie mówi jeszcze, czy element ma małe bicie. Można wykonać bardzo dokładną powierzchnię walcową, która zostanie mimośrodowo osadzona względem rzeczywistej osi obrotu.

Co to jest bicie promieniowe?

Bicie promieniowe mierzy się w kierunku prostopadłym do osi wału. Końcówka czujnika opiera się więc o jego powierzchnię walcową, a następnie element wykonuje pełny obrót.

Jeżeli odległość powierzchni od czujnika podczas obrotu się zmienia, wskazówka będzie wychylała się w obie strony. Różnica pomiędzy największym i najmniejszym wskazaniem pokazuje całkowitą zmianę mierzoną w danym przekroju.

Bicie promieniowe może pojawić się przykładowo wtedy, gdy:

• oś powierzchni wału nie pokrywa się z osią jego obrotu,
• wał jest wygięty,
• element został mimośrodowo zamocowany,
• powierzchnia nie jest idealnie okrągła,
• łożyskowanie lub mocowanie pozwala na niepożądany ruch promieniowy.

Typowym przykładem jest wał zamocowany w uchwycie tokarskim. Nawet poprawnie wykonana część może wykazywać bicie, jeżeli zostanie źle zamocowana albo pomiędzy powierzchnię bazową i szczękę dostanie się niewielkie zanieczyszczenie.

Co to jest bicie osiowe?

Bicie osiowe mierzy zmianę położenia powierzchni w kierunku równoległym do osi obrotu. Czujnika nie ustawia się więc na walcowej części wału, lecz najczęściej na powierzchni czołowej kołnierza, tarczy, piasty albo innego elementu obracającego się razem z wałem.

Jeżeli taka powierzchnia nie jest idealnie prostopadła do osi obrotu, podczas pełnego obrotu będzie raz zbliżała się do końcówki pomiarowej, a po połowie obrotu od niej oddalała.

Można to łatwo wyobrazić sobie na przykładzie talerza zamontowanego lekko pod kątem. Sam środek może pozostawać w jednym miejscu, ale jego krawędź podczas obrotu będzie wykonywała ruch w przód i w tył.

Bicie osiowe spotyka się m.in. przy pomiarze kołnierzy, tarcz, kół zamachowych, piast, tarcz hamulcowych i powierzchni oporowych. Mitutoyo w materiałach dotyczących tolerancji geometrycznych rozróżnia właśnie promieniowy i osiowy sposób kontroli bicia podczas obrotu części.

Bicie promieniowe a osiowe - najważniejsze różnice

Najłatwiej zapamiętać tę różnicę patrząc na kierunek ruchu końcówki czujnika. Przy biciu promieniowym czujnik "patrzy" na bok wału. Przy osiowym - na jego czoło lub czołową powierzchnię obracającego się elementu.

Bicie, mimośrodowość, luz i niewspółosiowość - nie są tym samym

W praktyce warsztatowej pojęcie bicia bywa używane bardzo szeroko. Jeżeli wskazówka czujnika się porusza, łatwo powiedzieć, że "wał bije". Taki wniosek może być jednak przedwczesny.

Mimośrodowość oznacza przesunięcie środka jednej geometrii względem innej osi odniesienia. Może powodować bicie, ale nie jest z nim dokładnie tożsama.

Luz oznacza możliwość przemieszczenia elementu pomiędzy współpracującymi częściami. Wał może być geometrycznie poprawny, a mimo to czujnik pokaże zmianę położenia, jeśli podczas pomiaru przesuwa się on w zużytym łożysku.

Niewspółosiowość dotyczy wzajemnego ustawienia osi współpracujących elementów, np. wału silnika i wału przekładni. Dwa wały mogą mieć niewielkie własne bicie, ale być źle ustawione względem siebie.

Z kolei nieokrągłość jest błędem kształtu przekroju. Powierzchnia może być owalna albo mieć lokalne odchyłki. Czujnik podczas obrotu również zarejestruje zmianę wskazania, ale jej źródłem nie będzie samo przesunięcie osi.

Właśnie dlatego interpretacja pomiaru jest równie ważna jak jego wykonanie.

Skąd bierze się bicie wału?

Przyczyn może być wiele i nie wszystkie oznaczają uszkodzenie samego wału. Warto rozpatrywać cały łańcuch pomiarowy - od powierzchni części aż po sposób jej podparcia.

Wygięcie wału. Jeżeli jego oś geometryczna nie jest linią prostą, wraz z obrotem poszczególne miejsca powierzchni będą zmieniały swoje położenie względem nieruchomego czujnika.

Mimośrodowe wykonanie lub osadzenie. Powierzchnia może być okrągła, lecz jej środek nie musi znajdować się dokładnie na osi obrotu.

Błąd powierzchni czołowej. Nieprostopadłe czoło kołnierza lub piasty będzie źródłem bicia osiowego.

Zabrudzenie podczas montażu. Wiór, rdza, resztka uszczelnienia czy niewielki nalot pomiędzy współpracującymi powierzchniami mogą ustawić element pod kątem.

Uszkodzenie łożyskowania. Luz lub uszkodzenie elementów podpierających wał może powodować jego przemieszczanie niezależnie od dokładności wykonania samej powierzchni.

Błąd zamocowania podczas pomiaru. Niewłaściwe podparcie może spowodować, że sprawdzamy nie tylko geometrię części, ale również odkształcenie lub ruch całego układu.

Jak zmierzyć bicie promieniowe czujnikiem zegarowym?

Najbardziej klasyczny pomiar można wykonać czujnikiem zegarowym zamocowanym na stabilnym statywie. Takie przyrządy należą do podstawowego wyposażenia stosowanego przez mechanika podczas kontroli i diagnostyki części maszyn.

Procedura wygląda następująco:

1. Oczyścić mierzoną powierzchnię i miejsca podparcia elementu.
2. Ustawić wał na odpowiednim podparciu lub pozostawić go w układzie, którego pracę chcemy ocenić.
3. Stabilnie zamocować czujnik, tak aby jego statyw nie przemieszczał się podczas badania.
4. Końcówkę pomiarową ustawić na powierzchni walcowej mniej więcej prostopadle do osi wału.
5. Wprowadzić niewielkie wstępne ugięcie trzpienia czujnika.
6. Ustawić wskazanie odniesienia.
7. Powoli wykonać wałem pełny obrót.
8. Zanotować największe i najmniejsze wskazanie.

W klasycznym pomiarze warsztatowym element obraca się powoli ręcznie, przy zabezpieczonej maszynie. Pomiar na szybko obracającym się urządzeniu wymaga odpowiedniej metody i często czujników bezkontaktowych - nie należy zbliżać ręcznego czujnika do pracującego układu tylko po to, aby wykonać odczyt.

Sam pomiar w jednym miejscu nie zawsze wystarcza. Jeżeli podejrzewamy wygięcie długiego wału, warto sprawdzić kilka przekrojów na jego długości. Zmiana wartości wraz z położeniem czujnika może dostarczyć znacznie więcej informacji niż pojedynczy odczyt.

Jak zmierzyć bicie osiowe?

Przy kontroli bicia osiowego czujnik ustawia się na powierzchni czołowej obracającego się elementu. Jego trzpień powinien reagować na przemieszczenie równoległe do osi obrotu.

Istotne jest miejsce styku końcówki. Jeżeli mierzymy duży kołnierz, pomiar wykonany blisko osi może wykazać niewielkie wychylenie nawet wtedy, gdy zewnętrzna krawędź porusza się już wyraźnie. Im dalej od osi znajduje się punkt pomiaru, tym bardziej widoczny staje się wpływ pochylenia powierzchni.

Przy porównywaniu wyników trzeba więc zachować to samo położenie promieniowe czujnika. Wyniki zarejestrowane 10 mm i 100 mm od osi nie są bezpośrednio równoważne.

Pomiar osiowy jest szczególnie czuły na zabrudzenia powierzchni montażowych. Kołnierz osadzony na jednym niewielkim zanieczyszczeniu może ustawić się pod kątem i wykazywać wyraźne bicie, mimo że sam element został wykonany prawidłowo.

Jak prawidłowo odczytać wynik pomiaru?

Załóżmy, że podczas pełnego obrotu czujnik osiągnął najniższe wskazanie 0,02 mm, a najwyższe 0,09 mm. Zakres zmiany wynosi:

0,09 mm - 0,02 mm = 0,07 mm

W praktyce właśnie różnica pomiędzy wartością maksymalną i minimalną jest podstawową informacją o całkowitej zmianie wskazania podczas jednego obrotu.

Nie należy natomiast automatycznie dzielić wyniku przez dwa i uznawać otrzymanej wartości za "rzeczywiste przesunięcie osi". Taka interpretacja jest poprawna tylko w określonych, uproszczonych przypadkach. Odczyt czujnika może zawierać jednocześnie wpływ mimośrodowości, błędu kształtu, ugięcia i sposobu zamocowania części.

Definicje tolerancji bicia odnoszą wynik właśnie do zmiany wskazania obserwowanej podczas obrotu części względem określonej osi bazowej.

Kiedy czujnik pokazuje bicie, którego naprawdę nie ma?

To jeden z najbardziej praktycznych problemów podczas pomiarów. Czujnik nie wie, co się poruszyło. Rejestruje jedynie zmianę położenia końcówki. Jeśli przesunął się wał, statyw, łożysko albo całe mocowanie, wskazówka zareaguje podobnie.

Typowe źródła fałszywego lub zawyżonego wyniku to:

• niestabilny statyw czujnika,
• brud pod podstawą magnetyczną,
• luz w przegubach statywu,
• zbyt duży luz łożyskowy,
• przesuwanie wału podczas ręcznego obracania,
• chropowata albo uszkodzona powierzchnia pomiarowa,
• zanieczyszczenie powierzchni wału,
• pomiar na rowku, rysie lub innym lokalnym uszkodzeniu,
• niewłaściwy kąt ustawienia trzpienia czujnika.

Dobrym testem jest powtórzenie pomiaru. Jeżeli za każdym obrotem maksimum pojawia się dokładnie w tym samym miejscu kątowym, istnieje duże prawdopodobieństwo, że obserwujemy rzeczywistą cechę obracającego się elementu. Jeżeli wskazania zmieniają się przypadkowo, warto najpierw sprawdzić sam układ pomiarowy.

Jakie skutki może powodować nadmierne bicie?

Niewielkie odchyłki są nieodłączną częścią rzeczywistych układów mechanicznych. Problem zaczyna się wtedy, gdy wartość bicia przestaje odpowiadać wymaganiom konkretnej maszyny.

Nadmierne bicie promieniowe może powodować okresową zmianę położenia wału i współpracujących z nim elementów. Przy większych prędkościach obrotowych może sprzyjać drganiom, nierównomiernej pracy oraz zmiennym obciążeniom łożysk.

W przypadku uszczelnień wału problemem może być zmieniające się położenie powierzchni roboczej. Przy elementach obrabianych maszynowo bicie uchwytu lub wrzeciona może z kolei wpływać na dokładność wykonywanej części.

Bicie osiowe może prowadzić do okresowego przemieszczania czołowej powierzchni tarczy lub kołnierza. W zależności od konstrukcji może to mieć znaczenie dla sprzęgieł, powierzchni ciernych, uszczelnień czołowych oraz innych elementów wymagających stabilnego położenia osiowego.

W układach wirujących pomiar bicia jest więc nie tylko kontrolą jakości wykonania części. Może stanowić jeden z etapów szukania przyczyny drgań i nietypowego zużycia maszyny. KEYENCE wskazuje pomiar runout jako jedno z zastosowań systemów kontroli przemieszczenia w obracających się układach mechanicznych.

Jakie bicie wału jest dopuszczalne?

Nie istnieje jedna uniwersalna wartość, po przekroczeniu której każdy wał należy uznać za uszkodzony. To jedna z najważniejszych rzeczy przy interpretowaniu wyniku.

Dopuszczalne bicie zależy między innymi od:

• średnicy i długości wału,
• prędkości obrotowej,
• rodzaju łożyskowania,
• funkcji powierzchni,
• dokładności współpracujących elementów,
• wymagań uszczelnienia,
• konstrukcji sprzęgła,
• technologii urządzenia,
• tolerancji podanej na rysunku technicznym lub przez producenta.

Ta sama wartość może być nieistotna w wolnoobrotowym mechanizmie pomocniczym, a niedopuszczalna w precyzyjnym wrzecionie pracującym z dużą prędkością.

Dlatego pytanie "czy 0,05 mm bicia to dużo?" bez informacji o konkretnym elemencie nie ma jednoznacznej odpowiedzi. Wynik zawsze trzeba porównać z wymaganiami dla danej konstrukcji.

Co można wywnioskować z zachowania wskazówki?

Sam kształt zmian wskazania może być wskazówką diagnostyczną. Nie zastępuje pełnego pomiaru geometrycznego, ale pomaga zdecydować, czego szukać dalej.

Najcenniejszy pomiar nie zawsze jest więc tym, który daje jedną wartość z największą liczbą miejsc po przecinku. W diagnostyce dużo mówi również to, gdzie wykonano pomiar, jak zmienia się on wzdłuż wału oraz czy rezultat powtarza się po każdym obrocie.

Bicie promieniowe i osiowe są prostymi pojęciami dopiero wtedy, gdy patrzymy na nie na rysunku. W rzeczywistej maszynie wskazanie czujnika jest wynikiem pracy całego układu - geometrii wału, łożysk, powierzchni bazowych, mocowania i samego przyrządu pomiarowego. Dlatego dobry pomiar zaczyna się nie od ustawienia wskazówki na zero, ale od odpowiedzi na pytanie: względem jakiej osi i jakiego elementu chcemy rzeczywiście ocenić bicie?