216
22. ŁOŻYSKA TOCZNE
Łożyska toczne stosowane są powszechnie we wszystkich rodzajach maszyn i urządzeń do podpierania obracających się elementów. To szerokie zastosowanie wynika z zalet łożysk tocznych w stosunku do łożysk ślizgowych. Zalety te, to :
- znacznie mniejsze początkowe opory ruchu i mały wpływ prędkości obrotowej na opory ruchu,
- proste smarowanie bez konieczności nadzoru, małe zużycie smaru,
- większa nośność na jednostkę szerokości łożyska,
- brak potrzeby docierania,
- znormalizowane wymiary, jakość i trwałość,
Łożyska toczne ustępują łożyskom ślizgowym :
- pod względem cichobieżności,
- przy udarowych obciążeniach,
- przy ruchach oscylacyjnych łożysk (nie obracających się);
- przy dużych średnicach i obciążeniach,
- jako łożyska wzdłużne do największych obciążeń,
- przy największych prędkościach obrotowych.
Łożysko toczne (rys.22.1) składa się z pierścienia zewnętrznego /z/ i wewnętrznego /w/, elementów tocznych /t/ i koszyka /ks/. Powierzchnie pierścieni, po których toczą się elementy toczne, nazywamy bieżniami /b/. Koszyk utrzymuje i prowadzi elementy toczne w równych odstępach. Boczne prowadzenie zapewnia bieżnia (w łożyskach kulkowych) lub bieżnia pomocnicza /bp/.
Łożyska toczne dzielą się na dwie grupy - łożyska poprzeczne i wzdłużne, który to podział wynika z kierunku przenoszonego obciążenia.
Rys.22.1. Budowa łożysk tocznych: z - pierścień zewnętrzny, w - pierścień wewnętrzny,
t - elementy toczne, ks - koszyk, b - bieżnia , bp - bieżnia pomocnicza
Elementy toczne mogą mieć postać kulek lub wałeczków. Wałeczki mogą być walcami lub igiełkami, stożkami lub baryłkami.
Elementy toczne i pierścienie wykonuje się z wysokowęglowej stali chromowej (1%C;1,4%Cr), są one hartowane, szlifowane, a bieżnie i elementy toczne polerowane. Łożysko może mieć jeden lub dwa rzędy elementów tocznych, stąd określenie jedno lub dwurzędowe. Niektóre rodzaje łożysk są samonastawne. Samonastawność może być wewnętrzna, uwarunkowana kulistym kształtem jednej z głównych bieżni (rys.21.2 b1, b2, b3, d1, d2, d3, d4), lub zewnętrzna, gdy co najmniej jeden z pierścieni umieszczony jest swą nieaktywną stroną w powierzchni kulistej (rys.21.2. j1, j2, k2, k4). Łożyska samonastawne umożliwiają łożyskowanie wałów, których stan obciążenia powoduje występowanie stosunkowo dużych ugięć na podporach (do 3%), oraz umożliwiają kompensują błędów wykonawczych i montażowych.
Większość łożysk poprzecznych jest także zdolna do przenoszenia wzdłużnych składowych obciążenia.
Najczęściej używanym typem łożyska tocznego jest zwykłe poprzeczne łożysko kulkowe (np. rys.21.2.a1). Składanie tego łożyska odbywa się w mimośrodowym położeniu pierścieni, co pozwala na wprowadzenie kulek. Po ustawieniu kulek w równych odstępach zakłada się dwie części koszyczka, które następnie łączy się w całość. Charakterystyczne cechy tych łożysk, to bardzo dobre przystawanie kulek i bieżni. Mają one stosunkowo dużą nośność przy obciążeniu poprzecznym, jak i ukośnym, nie są wahliwe, wymagają dużej dokładności współosiowego ustawienia czopa i gniazda w osłonie łożyska.
Niektóre postacie łożysk mają w pierścieniu wzdłużne rowki dla zakładania kulek (np. rys.22.2.a2). Pozwala to przy tych samych wymiarach zasadniczych na wprowadzenie większej liczby kulek. Daje to zwiększenie nośności o około 40%, jednak obecność rowków uniemożliwia przenoszenie większych obciążeń wzdłużnych, co ogranicza zakres zastosowania tych łożysk. Inne postacie zwykłych kulkowych łożysk poprzecznych przedstawiono na rys.22.3, w celu pokazania jak wielką rozmaitość postaci mogą mieć łożyska tego samego rodzaju.
Rowki lub kołnierze na pierścieniach zewnętrznych pozwalają na łatwe ustalenie ich w gnieździe. Blaszki ochronne zabezpieczają przed mechanicznym uszkodzeniem kulek i bieżni w czasie montażu oraz przed przedostawaniem się grubych zanieczyszczeń do wnętrza łożyska. Nie chronią one łożyska przed wypływem smaru - do tego służą uszczelki wewnętrzne. Łożyska z dwiema uszczelkami wewnętrznymi są napełniane smarem fabrycznie i w czasie pracy nie wymagają żadnej obsługi. Uszczelnienia te są nierozbieralne.
Łożyska kulkowe skośne (rys.22.2.h1, h2, h3) odznaczają się tym, że siły przenoszone przez elementy toczne tworzą kąt g z płaszczyzną prostopadłą do osi łożyska. Kąt ten, nazywany kątem działania łożyska, nie przekracza 45o. Jednorzędowe (rys.22.2.h1) łożysko skośne może być nierozłączne lub rozłączne. Łożyska te są zdolne do przenoszenia jednokierunkowego, znacznego obciążenia. Dzięki temu łożyska skośne wykazują większą nośność od łożysk zwykłych.
Rys. 3.133. Przykładowe rodzaje łożysk tocznych
Rys.22.3. Odmiany zwykłych łożysk kulkowych
Łożyska skośne montuje się parami skierowanymi w przeciwne strony. Wymagają one stosowania osiowego zacisku wstępnego w celu obciążenia wszystkich elementów tocznych na całym obwodzie łożyska. W przeciwnym razie pierścień wewnętrzny wysuwa się z pierścienia zewnętrznego i całe obciążenie w granicznym przypadku jest przenoszone przez jeden tylko element toczny, co znacznie skraca trwałość łożyska. Wytwarzająca się sytuacja przedstawiona jest na rys.22.4.
Przyjmuje się, że dla prawidłowej pracy łożyska skośnego musi być spełniony warunek:
³ R×tg g.
Warunek ten jest przyjęty za podstawę wyznaczania nośności ruchowej łożysk skośnych.
Łożyska kulkowe skośne dwurzędowe rys.22.2.h2 mają wstępne napięcia wzdłużne uzyskane przez to, że odległość między środkami krzywizn obu bieżni wewnętrznych jest trochę mniejsza niż bieżni zewnętrznych. Zdolne są one do prze-noszenia znacznych sił wzdłużnych w obu kierunkach. Szczególnie duże obciążenie wzdłużne mogą przenosić łożyska skośne dwurzędowe z dwudzielnym pie-rścieniem wewnętrznym o kącie działania g = 45o przedstawione na rys.22.2.h3.
Łożyskiem skośnym jest również łożysko jednorzędowe widoczne na rys.22.2.a3. Dzięki dwudzielnemu pierścieniowi wewnętrznemu i 4-punktowemu podparciu kulek uzyskano kąt działania 35o, co pozwala na przenoszenie znacznych obciążeń wzdłużnych.
Rys.22.4. Wpływ napięcia wstępnego na rozkład obciążenia na poszczególne
kulki łożyska skośnego
Łożyska baryłkowe mogą być jedno i dwurzędowe z baryłkami symetrycznymi (rys.22.2.d1, d2) i niesymetrycznymi (rys.22.2.d3). Bieżnia zewnętrzna jest w nich kulista dzięki czemu łożyska te są samonastawne, podobnie jak łożyska kulkowe dwurzędowe. Łożyska baryłkowe dwurzędowe przenoszą ponadto znaczne obciążenia osiowe i bardzo duże obciążenia poprzeczne.
Łożyska walcowe jednorzędowe pokazano na rys.22.2.c1. W stanie nie-obciążonym wałeczki wykazują liniowy styk z bieżniami. Prowadzone są one przez boczne bieżnie pomocnicze /bp/ wykonane na obrzeżach jednego z pierścieni; drugi pierścień jest "swobodny" bez obrzeży. Pozwala to na dość znaczne względne przesuwy pierścieni. Dodanie jednego obrzeża na pierścieniu swobodnym umożliwia użycie łożyska do jednokierunkowego ustalenia wału. Do ustalenia dwukierunkowego nadaje się łożysko z dostawianym pierścieniem bocznym (rys.22.2.c3). Łożyska te są bardzo czułe na wszelkie błędy współosiowości czopa i gniazda, jak i na giętne odkształcenia wału. Pewną poprawę przynosi lekko wypukłe wykonanie zarysu bieżni pierścienia swobodnego lub zaokrąglenie brzegów wałeczków bardzo dużym promieniem - ma to na celu zmniejszenie wysokich nacisków krawędziowych. Nadają się one szczególnie do łożyskowania wrzecion obrabiarek. Spotyka się je w wykonaniach specjalnych dwu i więcej rzędowych z luzami normalnymi lub specjalnie zmniejszonymi.
Łożyska igiełkowe (rys.22.2.f) są w zasadzie łożyskami walcowymi, zwykle bez koszyczka. Z powodu dużego stosunku długości do średnicy wałeczków trudno jest je wykonać tak dokładnie, jak zwykłe wałeczki. Z tego samego powodu są one bardzo czułe na brak współosiowości czopa i gniazda, powodujący nierównomierny rozkład obciążenia na ich długości. Ze względu na małą średnicę wałeczki nie są skutecznie prowadzone na końcach. Powoduje to, że igiełki mają tendencję do ukosowania się w wąskiej przestrzeni między pierścieniami i ocierając się o nie powodują, że tarcie jest tu znacznie większe niż w łożyskach walcowych. Nadają się dobrze do obciążeń zmiennych i ruchów oscylacyjnych, a więc tam, gdzie wskutek chwilowego odciążenia igiełki mogą przyjąć właściwe położenie. Czasem łożyska te są używane bez pierścienia wewnętrznego, którego rolę pełni czop wału. Wówczas twardość czopa winna wynosić co najmniej 60 HRC jeśli chce się uzyskać pełną nośność. Wad łożysk igiełkowych bez koszyczka nie posiadają nowoczesne łożyska igiełkowe klatkowe.
Analogią do łożysk kulkowych skośnych są łożyska wałeczkowe stożkowe (rys.22.2.e). Stożki wałeczków i bieżni wewnętrznej mają wspólny wierzchołek. Składowa wzdłużna dociska podstawy wałeczków do bieżni pomocniczej /bp/ na pierścieniu wewnętrznym. Uzyskuje się przez to dobre prowadzenie wałeczków. Podstawy wałeczków i bieżnie pomocnicze są wykonane jako powierzchnie kuliste lub płaskie. Dla uniknięcia nadmiernych nacisków krawędziowych bieżnię zewnętrzną wykonuje się lekko wypukłą. Łożyska te mają dużą nośność poprzeczną i wzdłużną. Łożyska normalne mają kąt działania 12o do 16o, zaś o zwiększonej nośności wzdłużnej mają kąt działania od 28o do 30o. Montowane są zwykle parami, przeciwstawnie w układzie rozbieżnym lub zbieżnym. Wstępne napięcie wzdłużne, podobnie jak w łożyskach skośnych kulkowych, winno spełniać warunek:
Łożyska kulkowe wzdłużne budowane są dla jednokierunkowych (rys.22.2.k1,2) lub dwukierunkowych obciążeń (rys.22.2.k3,4). Jeden z pierścieni jest osadzony na wale, pozostałe w gnieździe łożyska. Łożyska te są czułe na błędy współosiowości, powodujące przeciążenie kulek po jednej stronie łożyska. Usiłuje się temu zaradzić przez stosowanie podkładek kulistych, lecz uzyskanie w ten sposób dobrej samonastawności jest niepewne. Tarcie w tych łożyskach jest duże z powodu dodatkowego ślizgania się kulek w czasie toczenia w rowkach. Ślizganie to wynika z różnicy prędkości obwodowych występujących na ich rzeczywistej powierzchni styku. Przy wyższych prędkościach obrotowych działanie siły odśrodkowej na kulki powoduje przesunięcie powierzchni styków na zewnątrz, co z kolei pociąga zwiększenie poślizgów, wzrost tarcia i grzania się łożyska. Łożyska te nie mogą przenosić żadnych obciążeń poprzecznych. Odmianą tych łożysk jest łożysko kulkowe dwurzędowe wzdłużne (rys.22.2.k7). Dla osiągnięcia równomiernego rozkładu obciążenia pierścień zewnętrzny jest dwudzielny i podparty na plastycznej (rys.22.2.k6) lub sprężystej podkładce (rys.22.2.k7).
Najwyższą nośność i dobrą pracę przy wysokich prędkościach obrotowych wykazują łożyska baryłkowe wzdłużne (rys.22.2.e4). Baryłki niesymetryczne mają liniowy styk z pierścieniem wewnętrznym, zaś punktowe, ale o dobrym przystawaniu z pierścieniem zewnętrznym. W odróżnieniu od innych łożysk wzdłużnych mogą przenosić również obciążenie poprzeczne.
Kształty i wymiary łożysk tocznych są znormalizowane w skali światowej, w szczególności ich główne wymiary: d, D, B (rys.22.2). Rozróżnia się;
- typy łożysk - określone ze względu na cechy konstrukcyjne,
- odmiany łożysk - dla określonego typu mogą przy danej średnicy d otworu w pierścieniu wewnętrznym występować rozmaite średnice pierścienia zewnętrznego D, lub przy danych d, i D rozmaite szerokości B w łożyskach poprzecznych i rozmaite wysokości H w łożyskach wzdłużnych. Istnieją zatem: odmiany średnicowe, różniące się lekkością budowy i odmiany szerokościowe, różniące się szerokością, zaś dla łożysk wzdłużnych - odmiany wysokościowe.
Serią łożysk nazywamy grupę łożysk tego samego typu i odmiany. W serii znajdują się łożyska o określonych wymiarach stopniowanych według pewnego ciągu wymiarowego. Wielkość łożyska jest określona trzema zasadniczymi wymiarami: średnicą wewnętrzną d, średnicą zewnętrzną D, szerokością B, w łożyskach wzdłużnych wysokością H. Łożysko jest dokładnie określone, jeśli są znane: typ, seria i wielkość łożyska.
Łożyska są oznaczone na pierścieniach umownymi symbolami, po których można poznać typ, odmianę, serię, wymiar, dokładność wykonania łożyska i stopień luzu. Przykład oznaczenia łożyska kulkowego poprzecznego przedstawiono na rys.22.5. Na podstawie dwóch ostatnich cyfr symbolu, mnożąc je przez pięć, można bezpośrednio określić wielkość średnicy otworu d = (03)×5 = 15 mm.
Rys.22.5. Przykład oznaczenia łożyska
Wszystkie katalogi łożysk tocznych podają te cechy, a każdemu łożysku przypisana jest określona nośność.
22.1. Nośność i trwałość łożysk tocznych
Podstawowymi wielkościami charakteryzującymi zdolność łożyska do przenoszenia obciążeń, przy określonej ilości obrotów na minutę, są: nośność ruchowa w [kN] określana zwykle symbolem C oraz trwałość L w [mln obrotów].
Pojęcie nośności ruchowej łożyska jest ściśle związane z pojęciem trwałości. Zniszczenie łożyska następuje przez zmęczenie powierzchniowe materiału części tocznych tych bieżni. Objawia się to występującymi drobnymi rysami na powierzchni. Następnie smar wchodzi w rysy i pod wpływem nacisku zewnętrznego działając rozsadzająco, powoduje dalsze rozchodzenie się pęknięcia i łuszczenie się powierzchni.
Trwałość łożyska (umowna) jest to liczba obrotów wyrażona w milionach, jaką w tych samych warunkach wykona 90% łożysk badanych, zanim na powierzchniach tocznych ukażą się pierwsze objawy zmęczenia.
Nośność ruchowa łożyska jest to wyrażona w niutonach wielkość obciążenia, przy którym trwałość wynosi 1 mln obrotów.
Nośność ruchowa podawana jest dla czasu pracy =500 godz. przy prędkości obrotowej n=33 1/3 obr/min (łącznie 1mln obrotów). Ponieważ jednak łożyska stosowane powszechnie działają przy zupełnie innych prędkościach, należy stosować poniższe wzory, umożliwiające wyznaczenie nośności łożysk tocznych dla dowolnych warunków.
Nośność ruchowa [daN] (22.1)
gdzie: - współczynnik trwałości, (22.2)
P - obciążenie równoważne [w daN],
- współczynnik prędkości obrotowej, (22.3)
p - wykładnik potęgowy wynoszący: p = 3 dla łożysk kulkowych;
p = 10/3 dla łożysk wałeczkowych,
- współczynnik temperatury uwzględniany dla temperatury pracy powyżej 150oC.
Przekształcając wzór (22.1) otrzymamy zależność:
(22.4)
Wartości C/P dla różnych w godzinach [h] i n [obr/min] oraz łożysk kulkowych i wałeczkowych odczytać można z tabel zamieszczonych w katalogach łożysk tocznych.
W praktyce jednokierunkowe obciążenia P rzadko występują i w związku z tym określa się obciążenie równoważne o takiej wartości, aby jego skutek dla łożyska był taki sam, jak obciążenie rzeczywiste.
Obciążenie równoważne dla łożysk poprzecznych
P = X×Fr + Y×Fa (3.72)
...
nicks0n