Wstęp

Łożyska to podstawowy element mechaniczny, który dzięki swojej budowie pozwala na zmniejszenie tarcia między częściami ruchomymi i uzyskanie pożądanego ruchu w maszynie. Podstawowa klasyfikacja łożysk dzieli je na obrotowe – wykorzystywane do przeniesienia ruchu obrotowego pomiędzy ruchomymi częściami oraz liniowe – które przenoszą ruch liniowy wzdłuż danej osi.

W tym miejscu należy zaznaczyć, że artykuł poświęcony jest łożyskom obrotowym a w szczególności tocznym. Przedstawi ich historię, podział, rodzaje konstrukcji, oznaczenia i kryteria doboru.

Mam nadzieje, że ten artykuł wprowadzi Państwa w tematykę łożysk i pozwoli na „ugryzienie” tematu choć w małym stopniu.

Historia

Jeśli potraktujemy drewniane rolki, podkładane pod przesuwany obiekt, jako przykład wczesnego łożyska to można wysunąć hipotezę, że pierwsze łożysko jest starsze od koła, a sam koncept łożyskowania obiektów wprawianych w ruch sięga czasów starożytności. Takiemu mechanizmowi jednak daleko, do tego co według dzisiejszych standardów traktujemy jako łożysko.

Najstarszy przykład zastosowania metalowych kul jeszcze wtedy w drewnianej obudowie, pochodzi z Włoch i jest datowany na pierwsze stulecie naszej ery. Mechanizm ten został odnaleziony na wraku rzymskiego statku w jeziorze Nemi. Natomiast pierwszy znany rysunek łożyska, przypominającego dzisiejsze konstrukcje, został utworzony przez nikogo innego jak słynnego Leonarda da Vinci około 1500 roku. Szkic ten pokazuje dwa pierścienie, zewnętrzny i wewnętrzny, pomiędzy którymi znajdują się kule jako elementy toczne. Niestety da Vinci nie uwzględnił zastosowania koszyka łożyskowego, który zapobiega ocieraniu się elementów tocznych między sobą dlatego wymyślone przez niego łożysko posiadało poważną wadę. Koszyk taki został zdefiniowany około 100 lat później na przełomie XVI i XVII wieku, przez innego słynnego myśliciela Galileusza, astronoma, matematyka, fizyka i filozofa.

Pierwszy znany patent na łożysko należy do angielskiego hutnika i pochodzi z 1794 roku. Patent opisuje sposób montażu kół wozu do osi poprzez łożysko z kulkami poruszającymi się po metalowej głębokiej bieżni. Kolejne wynalazki i odkrycia w dziedzinie łożysk, ściśle związane z kolejnymi rewolucjami przemysłowymi, następowały po sobie bardzo szybko. W historii należy jednak wyróżnić wynalazek Friedricha Fischer’a, założyciela marki FAG, z 1883 roku, który pozwolił na produkcję kulek łożyskowych na masową skalę z dużą precyzją, co znacząco przyczyniło się do rozwoju przemysłu łożyskowego.

Klasyfikacja i podstawowe informacje

W katalogach producentów możemy spotkać się z różnym na pierwszy rzut oka, podstawowym podziałem łożysk mechanicznych, jednak wchodząc w szczegóły każda systematyka wyróżnia mniej więcej te same typy konstrukcyjne.

Podstawową różnicą między łożyskami, jest sposób przenoszenia ruchu obrotowego pomiędzy ruchomymi częściami, a podział według tej właściwości wyróżnia:

  • łożyska toczne – ruch przenoszony jest przez elementy toczne umieszczone wewnątrz łożyska
  • łożyska ślizgowe – nie posiadają elementów tocznych a ruch obrotowy przenoszony jest przez tarcie dwóch części.

Te dwa typy konstrukcyjne łożysk są zupełnie odmienne. Różni je nie tylko budowa, ale też zupełnie odmienny zakres zastosowania, sposób konserwacji, obsługa i metody obliczeń przy projektowaniu, w konsekwencji czego, rzadko kiedy występują w tych samych katalogach łożyskowych. Również nie wszyscy producenci łożysk tocznych produkują łożyska ślizgowe.

Łożysko ślizgowe

Ponieważ łożysko ślizgowe jest znacznie prostsze w budowie od łożyska tocznego, skupmy się na nim w pierwszej kolejności. Takie łożysko składa się z dwóch pierścieni o kulistej powierzchni styku, które ślizgają się bezpośrednio po sobie. Nie ma w nim elementów tocznych. Jest ono używane głównie w przypadkach, gdzie łożyska nie rozwijają stałych prędkości obrotowych, ale występują na przykład duże siły nacisku.

Wśród łożysk ślizgowych możemy wyróżnić bezobsługowe i wymagające obsługi.

  • W łożysku bezobsługowym, na powierzchni styku dwóch pierścieni stosowane są różne materiały w celu zmniejszenia tarcia, w tym te o właściwościach samosmarnych. Przykładowo, możemy wyróżnić pary ślizgowe stal/PTFE i stal/brąz.
  • Łożyska ślizgowe wymagające obsługi to takie, które nie mogą pracować bez smaru i muszą być okresowo dosmarowywane. W takim łożysku pierścienie nie mają dodatkowego pokrycia i mówimy wtedy o parze ślizgowej stal/stal. Konieczność dosmarowywania łożyska jest zdecydowanie wadą takiego rozwiązania. Jednak konstrukcja ta ma też szereg korzyści. Takie łożysko jest bardziej wytrzymałe na obciążenie, może pracować w wyższych temperaturach i jest odporniejsze na zewnętrzne zanieczyszczenia.

Łożyska ślizgowe dzielimy ze względu na konstrukcje i zdolność przenoszenia obciążeń:

  • promieniowe,
  • skośne,
  • wzdłużne,
  • główki cięgieł,
  • tulejki ślizgowe – które zwykło się klasyfikować wraz z łożyskami ślizgowymi, pomimo tego, że jest to tylko jeden element.

Łożysko toczne

Jak już wcześniej zostało wspomniane, łożyska toczne posiadają elementy toczne. Te elementy odpowiedzialne są za minimalizowanie tarcia, a zasadę ich działania można porównać do koła samochodowego, które pozwala na jego ruch niwelując siłę tarcia pomiędzy jezdnią a kołem. Standardowe materiały do produkcji łożysk to stal chromowa wysokowęglowa lub nawęglana. Podlega ona także obróbce termicznej, dzięki której uzyskuje właściwą twardość. Powierzchnie łożysk szlifowane są z dużą precyzją, co pozwala na maksymalną redukcje oporów wewnętrznych. Łożysko toczne składa się z czterech podstawowych elementów:

  • Pierścienia wewnętrznego – mocowanego na wale, który posiada tak zwaną bieżnie od wewnętrznej strony łożyska, czyli po stronie z większą średnicą. Bieżenia to integralna część pierścienia, po której przetaczają się elementy toczne. Możemy wyróżnić bieżnie główną (zasadniczą), która przenosi większość obciążenia oraz bieżnie pomocniczą, przenoszącą mniejsze poboczne obciążenia z innych kierunków niż główny, do którego przystosowana jest dana konstrukcja łożyska.
  • Pierścienia zewnętrznego – mocowanego w obudowie, który posiada bieżnie również od wewnętrznej strony łożyska, ale w tym przypadku jest to strona pierścienia o mniejszej średnicy. Na pierścieniu zewnętrznym także możemy wyróżnić bieżnię główną i pomocniczą w zależności od rodzaju łożyska.
  • Elementów tocznych – czyli części toczących się po bieżniach pierścienia wewnętrznego i zewnętrznego, i przenoszących obciążenie między nimi. Elementy toczne to bryły obrotowe, które mogą się swobodnie toczyć takie jak kula, stożek ścięty, walec lub tak zwana baryłka.
  • Koszyka łożyskowego – czyli elementu utrzymującego elementy toczne w stałych odległościach od siebie. Jego zastosowanie zapewnia równomierny rozkład sił w łożysku oraz eliminuje tacie pomiędzy elementami tocznymi, które bez zastosowania koszyka ocierałyby się o siebie. (Istnieje specjalna konstrukcja łożysk bez koszyka łożyskowego. Są to tak zwane łożyska z pełną ilością elementów tocznych, które ze względu na jego brak nie mogą pracować z dużymi prędkościami obrotowymi, ale dzięki zwiększonej liczbie elementów tocznych mogą przenosić większe obciążenia)

Obecnie łożyska produkowane są w bardzo szerokiej gamie rodzajów, mimo to bez względu na konstrukcje wszystkie łożyska toczne charakteryzuje stosunkowo niski opór ruchu bez względu na prędkość obrotową. Dzięki temu, że łożyska produkowane są według norm międzynarodowych, standardowe łożyska różnych producentów można z powodzeniem zamieniać między sobą, bez obaw przed różnicami wymiarowymi. To natomiast przekłada się na ich powszechność i łatwą dostępność. Łożyska toczne są także dużo tańsze w konserwacji od łożysk ślizgowych i znacznie mniej podane na zużycie.

Łożyska toczne możemy dzielić ze względu na właściwości i konstrukcje:

  • Kierunku obciążalności łożyska:
    • poprzeczne – gdzie mamy do czynienia głównie z obciążeniem promieniowym,
    • wzdłużne – gdzie mamy do czynienia głównie z obciążeniem osiowym.
  • Rodzaju zastosowanych elementów tocznych:
    • kulkowe,
    • wałeczkowe
    • walcowe,
    • stożkowe,
    • baryłkowe,
    • igiełkowe.
  • Liczby rzędów:
    • jednorzędowe,
    • dwurzędowe,
    • czterorzędowe.
  • Wielokierunkowości obciążenia:
    • jednokierunkowe,
    • dwukierunkowe.
  • Specyficznego zastosowania
    • do pojazdów szynowych,
    • do sprzęgieł samochodowych,
    • do przenośników,
    • i wielu innych.

Należy przy tym jednak pamiętać, że występują także jeszcze głębsze i bardziej zaawansowane podziały.

Głównym podziałem w katalogach producentów i stosowanym w pierwszej kolejności, jest rozróżnienie na łożyska poprzeczne i wzdłużne. Dalsza systematyka może się już nieznacznie różnić. Poniżej (rys. 1) zamieszczona jest klasyfikacja łożysk, pomijająca specyficzne konstrukcje, ale całkowicie wystarczająca do naszych celów.


Rys. 1 – Klasyfikacja łożysk

Łożyska pozostałe

Poza łożyskami ślizgowymi i tocznymi istnieją również inny typy takie jak: łożyska biżuteryjne, łożyska hydrauliczne lub na przykład łożyska magnetyczne. Jednak tego rodzaju konstrukcje są bardzo specyficzne, a ich sposób działania jest zupełnie inny. Tego rodzaju łożyska nie zostaną omówione szerzej w tym wpisie.

Omówienie podstawowych typów łożysk

Poniżej omówimy podstawowe typy łożysk z uwzględnieniem ich budowy oraz przeznaczenia.

Łożyska kulkowe

W łożysku kulkowym elementem tocznym są kulki. Liczba kulek w łożysku związana jest ściśle z wielkością łożyska i relacją pomiędzy jego trzema podstawowymi wymiarami: średnicą wewnętrzną, zewnętrzną i wysokością (szerokością). Kulki w łożysku rozłożone są równomiernie pomiędzy bieżniami, a ich stałą odległość między sobą zapewnia kosz łożyskowy. Łożyska te charakteryzuje styk punkowy kulek i bieżni. Ten rodzaj styku zapewnia małe tarcie, jednak ze względu na małą powierzchnie kontaktu elementów tocznych z bieżniami, nie mogą być one używane do wysokich obciążeń. Sprawdzają się za to bardzo dobrze do wysokich prędkości.

Łożyska kulkowe poprzeczne

Jest to zdecydowanie najbardziej popularny typ łożyska, który ma najwięcej zastosowań. Łożysko kulkowe poprzeczne charakteryzuje prosta i łatwa budowa, co z kolei przekłada się na jego trwałość. Konstrukcja ta przeznaczona jest do przenoszenia obciążeń mieszanych. Przede wszystkim obciążenia promieniowego, czyli działającego pod kątem prostym do osi obrotu, ale radzi sobie także z mniejszymi obciążeniami osiowymi, czyli tymi które są skierowane równolegle do osi obrotu.

Łożyska kulkowe produkowane są w bardzo różnych wymiarach. Począwszy od miniatur, których średnica zewnętrzna wynosi 4mm (łożysko o oznaczeniu 681), do prawdziwie wielkogabarytowych, których średnica może przekraczać nawet metr.

Najpowszechniejsze są wykonania jednorzędowe, ale można spotkać także dwurzędowe.

Łożyska kulkowe skośne

W tym typie głównym parametrem charakteryzującym łożysko jest kąt działania. Określa on pod jakim nachyleniem są przenoszone siły z bieżni zewnętrznej na wewnętrzną (bądź na odwrót). W praktyce przekłada się on na pochylenie bieżni w środku łożyska o ściśle określony kąt, którego dobór wynika z stosunku obciążenia promieniowego do osiowego. Mierzony jest jako odchylenie od osi prostopadłej do osi obrotu.

Ze względu na pochylenie bieżni, łożyska skośne w wykonaniu jednorzędowym mogą pracować pod obciążeniem promieniowym i osiowym – mieszanym, jednak obciążenie to może działać tylko w jednym kierunku. Obciążenie o zmiennym kierunku dopuszczalne jest dla wykonania dwurzędowego, gdzie sąsiadujące ze sobą bieżnie mają przeciwne kąty działania. Niestety takie rozwiązanie ma mniejszą zdolność przenoszenia obciążeń ze względu na mniejszą liczbę kulek przypadającą na jeden rząd. Aby uzyskać jak najlepsze parametry, łożyska te często są łączone w układy, składające się z dwóch, trzech a nawet czterech łożysk montowanych w ściśle ustalonym porządku jedno po drugim. Istnieją trzy sposoby parowania łożysk: tył z tyłem (kąty działania tworzą wtedy kąt ostry /\), lico z licem (gdzie kąty działania tworzą kąt rozwarty \/) lub tandem (gdzie kąty są równoległe //). W przypadku parowania tył z tyłem i lico z licem grupa taka może przenosić także dwukierunkowe obciążenie osiowe.

Należy także wspomnieć o łożyskach jednorzędowych skośnych dwukierunkowych, które mimo posiadania jednego rzędu kulek i pochylenia bieżni są w stanie przenosić obciążenia o zmiennym kierunku działania. Takie łożyska mają rozłączny pierścień wewnętrzny, a jedno takie łożysko jest w stanie zastąpić kombinacje łożysk kulkowych skośnych w układzie /\ lub \/.

Łożyska kulkowe wahliwe

Łożysko kulkowe wahliwe zawdzięcza swoją nazwę możliwości wychylania się pierścienia wewnętrznego względem zewnętrznego i jest tak dzięki jego specjalnej budowie. Łożysko tego typu posiada dwa rzędy kulek osadzonych w koszu i poruszających się w dwóch równoległych bieżniach na pierścieniu wewnętrznym. Natomiast pierścień zewnętrzny posiada tylko jedną specjalną bieżnie sferyczną na całej swojej szerokości. Taka konstrukcja pozwala na eliminacje małych błędów współosiowości. Niestety to rozwiązanie ma też swoje wady. Ze względu na budowę bieżni pierścienia zewnętrznego łożyska te nie radzą sobie z obciążeniami osiowymi. Mogą przenosić tylko niewielkie ich wartości.

Łożyska kulkowe wahliwe najczęściej stosowane są jako podpory długich wałów, gdzie trudno wyeliminować błędy współosiowości.

Łożyska kulkowe samonastawne i oprawy łożyskowe

Łożysko kulkowe samonastawne stosowane jest najczęściej w parze z oprawą łożyskową. Oprawa łożyskowa to element, który posiada gotowy otwór na łożysko i zewnętrzne otwory montażowe pozwalające na szybkie mocowanie w maszynie. Złożenie takie nazywany zespołem łożyskowym. Co więcej oprawy i łożyska do nich dedykowane konstruowane są tak, że łożysko może ustawiać się w oprawie podczas pracy. Działanie to przypomina znane nam z łożysk kulkowych wahliwych, jednak jest realizowane w inny sposób. Łożyska kulkowe samonastawne mają sferyczną powierzchnie zewnętrzną pierścienia zewnętrznego, która pasuje do również sferycznego otworu montażowego w oprawie. Takie połączenie działa na wzór tego znanego nam z łożysk ślizgowych.

Zespoły łożyskowe stosowane są często do różnego rodzaju wałów, gdzie mogą istnieć błędy współosiowości. Konstruowane są tak, aby były jak najbardziej odporne na ciężkie warunki pracy.

Oprawy łożyskowe produkowane są w bardzo różnych kształtach i wielkościach. Łatwo jest znaleźć oprawę odpowiadającą do naszego zastosowania. Oprawy dzieli się na:

  • stojące – montowane poprzez otwory u podstawy oprawy, prostopadłe do osi łożyska, tak zwane łapy,
  • kołnierzowe– montowane poprzez otwory rozmieszone na około łożyska, równoległe do osi łożyska.

Wyróżnia się także oprawy stojące dzielone o rozłącznej konstrukcji.

Oprawy najczęściej to odlewy żeliwne, ale mogą być zrobione również blachy i tworzywa.

Łożyska kulkowe wzdłużne i skośne wzdłużne

Analogicznie do łożysk kulkowych poprzecznych i skośnych istnieją także łożyska wzdłużne i wzdłużne skośne. Te konstrukcje przeznaczone są do pracy głównie pod obciążeniami osiowymi. W łożysku tego typu zamiast wyróżniać pierścień zewnętrzny i wewnętrzny mówi raczej o podkładkach wału i obudowy. Można też powiedzieć, ze ich konstrukcja jest odwrócona o kąt 90 stopni, w stosunku do „normalnych” łożysk.

Łożyska kulkowe wzdłużne w wykonaniu dwupierścieniowym mogą przenosić obciążenie tylko w jednym kierunku. Aby łożysko takie było w stanie pracować pod obciążeniem o zmiennym kierunku niezbędne jest zastosowanie trzech podkładek. Wtedy, dla celów montażowych, podkładka środkowa – wału ma pomniejszoną średnicę wewnętrzną w stosunku do pozostałych.

Łożyska te nie powinny pracować z dużymi prędkościami obrotowymi, ponieważ może wystąpić efekt gubienia smaru.

Łożyska wałeczkowe

W łożyskach wałeczkowych elementami tocznymi są tak zwane wałeczki. Wyróżnia się cztery typu wałeczków:

  • walce – bryły obrotowe o przekroju prostokątnym,
  • stożki – bryły obrotowe o przekroju stożka ściętego,
  • baryłki – bryły obrotowe o kształcie beczki,
  • igiełki – brył obrotowe również o przekroju prostokątnym, ale których długość jest od 3 do 10 razy większa od ich średnicy.

Dzięki zastosowaniu niesferycznych elementów tocznych powierzchnia kontaktu pomiędzy bieżniami a wałeczkami jest znacznie większa w porównaniu do łożysk kulkowych. Ze względu na to, że naprężenia to relacja pomiędzy siłą i powierzchnią na którą oddziałuje, to zwiększając pole kontaktu pomiędzy ruchomymi elementami w łożysku, jesteśmy w stanie znacznie zwiększyć jego wytrzymałość na duże obciążenia. Niestety także i w tym przypadku, polepszenie jednego parametru wpływa negatywnie na inne. Zwiększona powierzchnia styku ogranicza prędkość graniczną ze względu na zwiększone tarcie.

Łożyska walcowe

Jak sama nazwa wskazuje w tego typu łożysku elementem tocznym są walce. Łożyska te charakteryzują się zdolnością do przenoszenia bardzo dużego obciążenia promieniowego, oraz są odpowiednie do wysokich prędkości obrotowych.

W łożysku walcowym pierścień wewnętrzny i zewnętrzny są rozdzielne. Występują one w wersjach z żebrami stałymi i swobodnymi. Żebra to elementy konstrukcyjne ustalające walce w osi łożyska. Wykonania, które nie posiadają żeber na pierścieniu wewnętrznym bądź zewnętrznym nie mogą przenosić obciążenia osiowego. Te z żebrami na obu pierścieniach są odporne na nieznaczne obciążenia osiowe. Trzeba pamiętać jednak, że ze względu na to, że obciążenie osiowe wspierane jest ślizgiem walca po żebrze, obciążalność w tym kierunku jest ograniczona.

Łożyska walcowe występują także w wykonaniu dwurzędowym. Taka konstrukcja jest przeznaczone do pracy wysokoobrotowej pod dużym obciążeniem, na przykład w tokarkach czy frezarkach.

Łożyska stożkowe

Konstrukcja łożysk stożkowych pozwala na pracę pod złożonym obciążeniem promieniowo-osiowym. W tego typu łożysku wyróżnia się dwie części:

  • stożek – czyli zespół elementów tocznych i pierścienia wewnętrznego wraz z koszem,
  • kubek – czyli pierścień zewnętrzny, rozłączny od reszty.

Charakterystyczną cechą takiego łożyska jest to, że płaszczyzny bieżni oraz osie stożkowych elementów tocznych zwężają się ku sobie i spotykają w jednym punkcie.

Pojedyncze łożysko jednorzędowe stożkowe może pracować pod obciążeniem jednokierunkowym. Z tego względu najczęściej występują w parach, montowanych podobniej jak w przypadku łożysk skośnych kulkowych, lico z licem lub tył z tyłem. Produkuje się także konstrukcje dwu- i cztero-rzędowe znakomicie przenoszą wysokie obciążenia o zmiennym wypadkowym kierunku. Również tak jak w przypadku łożysk skośnych możemy mieć do czynienia z różnym kątem działania i z tego względu możemy dzielić je na trzy typy:

  • z normalnym kątem działania,
  • z średnim kątem działania,
  • z stromym kątem działania.

Ze względu na wytrzymałość stosowane są np. w walcarkach.

Łożyska baryłkowe

Podstawową cechą wyróżniającą łożyska baryłkowe na tle pozostałych konstrukcji z wałeczkami, jest ich zdolność do wychylania pierścienia wewnętrznego w stosunku do zewnętrznego. Pod tym względem ich budowa przypomina budowę łożyska kulkowego wahliwego, jednak z zastosowaniem elementów tocznych o kształcie baryłek. Takie łożysko ma dwie bieżnie na pierścieniu wewnętrznym, na którym osadzone są baryłki w odpowiednich koszach łożyskowych. Natomiast bieżnia pierścienia zewnętrznego to wycinek sfery ograniczony dwoma równoległymi płaszczyznami.

Ze względu na możliwość wychyleń łożysko to stosowane jest wszędzie tam, gdzie istnieje możliwość wychylenia (ugięcia) wału lub błędu montażowego. Dzięki wysokiej wytrzymałości na obciążenia promieniowe ten typ często jest stosowany w przemyśle ciężkim i papierniczym oraz w taborze kolejowym. Nadaje się również do przenoszenia umiarkowanych obciążeń osiowych.

Łożyska igiełkowe

Można powiedzieć, że łożysko igiełkowe to nic innego jak łożysko walcowe, z znacznie wydłużonymi elementami tocznymi. Jako łożyska igiełkowe klasyfikujemy te, dla których długość wałków jest od 3 do 10 razy większa od ich średnicy. Takie rozwiązanie pozwala na znaczne zwiększenie powierzchni styku elementów tocznych do bieżni. Przekłada się to na zdolność do przenoszenia wysokich obciążeń promieniowych.

Można wyróżnić wiele typów łożysk igiełkowych:

  • cienkościenne – z bieżnią wykonaną z tłoczonej stali,
  • z masywnym obrzeżem,
  • bez pierścienia wewnętrznego (bardzo często spotykane),
  • złożenia igiełkowe – które nie posiadają bieżni a elementy toczne zamknięte są w koszu ustalającym ich pozycje.
  • bez kosza łożyskowego.

Łożyska wałeczkowe wzdłużne

W przypadku łożysk wałeczkowych wzdłużnych, tak jak i w przypadku łożysk wałeczkowych poprzecznych mamy do czynienia z konstrukcjami z różnym kształtem elementów tocznych. Właściwości tych łożysk są zbliżone do ich odpowiedników w wykonaniu poprzecznym, oczywiście z tą różnicą, że zamiast przenosić głównie obciążenia promieniowe, przenoszą obciążenia których kierunek jest równoległy do osi obrotu.

Oznaczenia łożysk

Znamy już podstawowe typy łożysk. Skupmy się zatem teraz na ich oznaczeniach, które są w większości uniwersalne, to znaczy wymienne między różnymi producentami. Jest tak z uwagi na fakt, że łożyska w większości produkowane są według ściśle określonych norm takich jak DIN, ISO, ANSI.

Standardowo w oznaczeniu możemy wyodrębnić dwie sekcje (rys. 2). Sekcje oznaczenia podstawowego i sekcje oznaczeń uzupełniających, które mogą występować w postaci sufiksów, lub rzadziej prefiksów. Z kolei oznaczenie podstawowe dzieli się na trzy człony: rodzaj łożyska, kod grupy wymiarowej i kod średnicy wewnętrznej. Weźmy za przykład łożysko SKF.


Rys. 2 – Ogólny schemat symbolu łożyska

  • Oznaczenie podstawowe – to zbiór informacji o typie i wymiarach łożyska zawartych w symbolu alfanumerycznym. Wyróżniamy w nim:
    • rodzaj łożyska – wskazujący na typ – kulkowe, kulkowe skośne itd.
    • kod grupy wymiarowej – wskazujący na wielkość łożyska,
    • kod średnicy wewnętrznej – wskazujący na wielkość otworu montażowego po stronie wałka.
  • Prefiks/sufiks – to elementy oznaczenia charakteryzujące jego szczegółowe typy budowy, takie jak rodzaj zabudowy, materiał kosza elementów tocznych, kąt działania itp…Te elementy zostaną omówione szerzej w dalszej części wpisu.

Oznaczenie podstawowe

Ponieważ każda grupa charakteryzuje się swoimi oznaczeniami dość łatwo połączyć symbol z danym typem łożyska. Zazwyczaj dokonuje się klasyfikacji typów ze względu na rodzaj łożyska połączony z grupą wymiarową. Najlepiej przedstawić te dane w tabeli 1, jednak pamiętajmy, że tabela nie zawiera wszystkich możliwych oznaczeń. Często też, pomiędzy producentami, mogą występować różnice w oznaczeniach. Taką sytuacje bardzo dobrze widać np. w łożyskach samonastawnych do opraw.


Tabela 1 – Oznaczenia

Oznaczenie uzupełniające

Oznaczenie uzupełniające, w przeciwieństwie do podstawowego, jest już kwestią bardziej indywidualną dla każdego z producentów. Głównym problemem związanym z oznaczeniami łożysk jest ciągła pogoń producentów za coraz to nowszymi i lepszymi rozwiązaniami konstrukcyjnymi, co z kolei prowadzi do wprowadzania nowych oznaczeń, z którymi coraz trudniej być na bieżąco. Na szczęście wiele oznaczeń wciąż jest wspólnych dla różnych marek i to właśnie na nich skupimy się poniżej.

Jak już wcześniej zostało wspomniane, oznaczenie uzupełniające może pojawiać się przed lub po oznaczeniu podstawowym. W prefiksie najczęściej znajdziemy informacje o niestandardowym materiale łożyska lub w przypadku, kiedy mamy do czynienia z tylko podzespołem łożyska, odpowiednie jego oznaczenie. Zdarza się też, że producenci umieszczają w prefiksie symbol wyspecjalizowanej serii danego łożyska, np. do wysokoobrotowych wrzecion.

Sufiksy potrafią nieść znacznie więcej informacji, co niekiedy przekłada się na ich bardzo skomplikowaną strukturę. Najbardziej rozbudowane oznaczenia uzupełniające mają łożyska kulkowe skośne. Omówmy zatem podstawowe możliwe parametry. Pamiętajmy jednak, że aby mieć stu procentową pewność w znaczeniu symbolu, należy zasięgnąć informacji z katalogu danego producenta. W oznaczeniach kryją się też często pułapki, ponieważ dana cyfra lub litera może oznaczać zupełnie coś innego w zależności od serii konstrukcyjnej i wymiarowej. Są to na szczęście rzadkie przypadki.

Oznaczenia otworu montażowego

Standardowo łożyska obrotowe mają walcowy otwór na wałek. Istnieją także konstrukcje o stożkowym otworze, który może mieć zbieżność:

  • K – 1:12
  • K30 – 1:30

Montaż łożysk z otworem stożkowym daje możliwość regulacji luzu i jest zależny od tego jak pierścień wewnętrzny jest mocno wciśnięty na wał. Ta możliwość często jest przyczyną stosowania właśnie takiego rodzaju montażu.

Oznaczenia zabudowy – rodzaje uszczelnień

Zabudowa łożyska to nic innego jak uszczelnienia boczne, chroniące przed dostawaniem się zanieczyszczeń zewnętrznych pomiędzy bieżnie a elementy toczne oraz zapobiegające wydostawaniu się smaru z środka łożyska, który gwarantuje lepszą jego pracę. Uszczelnienia przede wszystkim dobiera się ze względu na środowisko pracy. Mogą one być montowane jedno lub dwu stronie. Dla montażu obustronnego charakterystyczne jest cyfra 2 w tym elemencie oznaczenia:

  • Z, 2Z – uszczelnienia wykonane z blachy. Charakteryzuje je brak kontaktu pomiędzy pierścieniem wewnętrznym a zewnętrznym. Z tego względu nie chronią idealnie przed drobnymi zanieczyszczeniami, lecz nie występuje tu opór ruchu między uszczelnieniem a pierścieniami. Ze względu wykonanie całkowicie metalowe, mogą pracować w wyższych temperaturach.
  • RS, 2RS – wykonane z blaszek powleczonych gumą. Zapewniają dobrą ochronę przed zanieczyszczeniami, ponieważ w tym przypadku występuje styk z oba pierścieniami. Nie mogą być stosowane w wysokich temperaturach. Występują w bardzo wielu wariantach i odmianach, przez co ten typ osłon, może mieć dość różne oznaczenia.
  • RZ, 2RZ – jest to typ rzadziej występujący i łączący cechy dwóch powyższych. W zabudowie 2RZ mamy do czynienia z wykonaniem gumowym, ale bezstykowym na powierzchni pierścienia wewnętrznego.

Oznaczenie materiału kosza

Kosze łożyskowe wykonuje się z różnych materiałów w zależności od czynników takich jak obciążenie, prędkość obrotowa, temperatura pracy. Wyróżniamy trzy podstawowe rodzaje kosztów:

  • ST – stalowe
  • TW – z tworzywa
  • MO – z mosiądzu

Oznaczenie kąta działania

Ten parametr dotyczy głównie łożysk kulkowych skośnych jednorzędowych i określa kąt nachylenia bieżni. Kąt ten wpływa na zdolność przenoszenia obciążenia osiowego w stosunku do promieniowego. Symbole odpowiadające kątom, mogą różnić się między katalogami danych producentów, co nie rzadko potrafi wprowadzić użytkownika w błąd. Poniżej rozpatrzymy symbole marki SKF i FAG:

  • CC – kąt działania 12º, tylko dla SKF,
  • C – kąt działania 15º, dla SKF i FAG tak samo,
  • E – kąt działania 25º dla FAG – dla SKF symbol to AC
  • B – kąt działania 40º, dla SKF i FAG tak samo.

Oznaczenie dokładności wykonania

Łożyska mogą charakteryzować się różną dokładnością wykonania. Standardowo ten parametr nie jest wymieniany w oznaczeniu łożyska. Chyba, że łożysko ma podwyższoną klasę. Im wyższa klasa dokładności wykonania tym łożysko pracuje lepiej. To oznacza, że drgania są mniejsze, praca cichsza i opory wewnętrze mniejsze. Łożyska o podwyższonej klasie wykonania stosuje się często do aparatury pomiarowej, ale też do wrzecion obrabiarek.

  • P0 – klasa normalna nieoznaczana,
  • P6 – klasa wyższa niż P0,
  • P5 – klasa wyższa niż P6,
  • P4 – klasa wyższa niż P5,
  • P2 – klasa wyższa nić P4.

Oznaczenie luzu wewnętrznego promieniowego i zacisku wstępnego

Luz promieniowy to nic innego jak odległość między elementami tocznymi a bieżnią łożyska mierzona w momencie maksymalnego przesunięcia jednego pierścienia względem drugiego, bez przykładania sił zewnętrznych. Wyróżnia się luzy większe i mniejsze od normalnego, a ich wartość mierzy się w mikrometrach.

  • C0 – luz promieniowy normalny standardowo nieoznaczany,
  • C2 – luz promieniowy mniejszy niż normalny,
  • C3 – luz promieniowy większy niż normalny,
  • C4 – luz promieniowy większy niż C3,
  • C5 – luz promieniowy większy niż C4,

Występują także symbole łączące oznaczenie dokładności wykonania i luzu promieniowego. Przykładowo P4 + C2 = P42

Wymienione wyżej luzy promieniowe przyjmują wartości dodatnie. Istnieje jednak również coś takiego luz ujemny, zwany zwykle zaciskiem wstępnym. Można przyjąć, że zacisk wstępny to siła oddziaływania pomiędzy elementami tocznymi a bieżniami łożyska. Może on przyjmować różne wartości, a stosuje się go do uzyskania jak najsztywniejszych połączeń obrotowych z wykorzystaniem łożysk kulkowych skośnych.

  • A – mały zacisk wstępny,
  • L – lekki zacisk wstępny,
  • M – średni zacisk wstępny,
  • H – ciężki zacisk wstępny.

Powyższe oznaczenia mają zastosowanie do produktów marki FAG.

Oznaczenie układu do parowania

Łożyska skośne dla uzyskania najlepszych większej sztywności i lepszych parametrów łożyskowania łączy się w zestawy. Najczęściej kupuje się je już jako komplet z zdefiniowanym sposobem parowania. Istnieją trzy główne sposoby parowania:

  • Układ O – tak zwany tył z tyłem, oznaczany często za pomocą znaków „<>” lub „/\”, w symbolice FAG oznaczany symbolem DB
  • Układ X – tak zwany lico z licem, oznaczany często za pomocą znaków „><” lub „\/”, w symbolice FAG oznaczany symbolem DF
  • Układ T – tak zwany tandem, oznaczany często za pomocą znaków „>>” lub „\\”, w symbolice FAG oznaczany symbolem DT.

Oznaczenia rowków na pierścieniu zewnętrznym

Na pierścieniu zewnętrznym mogą występować modyfikacje konstrukcyjne w postaci różnego rodzaju nacięć – rowków:

  • N – rowek osadczy na pierścieniu zewnętrznym,
  • NR – rowek osadczy na pierścieniu zewnętrznym i pierścień osadczy sprężynujący,
  • N2 – dwa wycięcia ustalające na pierścieniu zewnętrznym,
  • W33 – rowek z trzema otworami smarowymi na pierścieniu zewnętrznym.

Oznaczenia smaru

Zwykle nie podaje się jaki smar jest użyty w łożysku. Jednak dla zastosowań specjalnych, na przykład wysokotemperaturowych lub do zastosowań w przemyśle spożywczym, mogą występować specjalne smary, których oznaczenie jest podawane w symbolu łożyska. Przykładowo:

  • HT200 – smar przystosowany do wysokich temperatur max. 200°C,
  • LHT23 – zakres temp. od -50 do +150°C,

Oznaczenia pozostałe

Przedstawione wyżej oznaczenia to tylko fragment całego spektrum symboliki, z jaką można się spotkać w nazewnictwie łożysk. Należy pamiętać, aby zawsze sprawdzać znaczenie poszczególnych symboli w katalogu producenta danego łożyska.

Kryteria wyboru łożysk

Odpowiedni dobór łożyska do aplikacji jest kluczowy dla jej sprawnego i długotrwałego działania. Niestety nie istnieje coś takiego jak „znormalizowana” instrukcja doboru. W katalogach producentów można znaleźć różne schematy w tej kwestii, mniej lub bardziej skomplikowane. Sami producenci wskazują, na ten fakt i zaznaczają, że najważniejsze jest doświadczenie w tej kwestii i opieranie się na wcześniej stosowanych i sprawdzonych rozwiązaniach. Mimo to, oczywiście da się wyróżnić podstawowe kryteria doboru, co też spróbuję zrobić poniżej. Pamiętajmy też, że w trakcie doboru łożyska, należy zawsze odwoływać się do tabel przedstawiających różne parametry graniczne jak obciążalność i prędkość obrotowa w stosunku to typu i wielkości danego łożyska.

Obciążenie

Obciążenie to podstawowe kryterium doboru. W pierwszej kolejności nie jest nawet najważniejsza jego wartość sama w sobie, a rodzaj. Trzeba wziąć pod uwagę z jakim typem obciążenia będziemy mieli do czynienia. Czy to będzie ono promieniowe, osiowe, a może mieszane. Jeśli mieszane to jaki będzie jego rozkład – stosunek sił działających promieniowo i osiowo. W przypadku obciążeń mieszanych i osiowych, musimy również wiedzieć jaki będzie jego wypadkowy kierunek i czy nie będzie on zmienny w czasie pracy. Ważna jest też jego stałość. Obciążenia udarowe są znacznie bardziej wymagające dla łożyska. Określenie tych parametrów pozwala nam na wstępne wybranie typu konstrukcji łożyska, bo to od niej zależy głównie zdolność do pracy pod naporem sił działających z różnych kierunków.

Dopiero w drugiej kolejności ważna jest wartość obciążenia, bo wpływa ona bezpośrednio na wielkość łożyska. Trzeba także zaznaczyć, że łożyska wałeczkowe będą miały większą zdolność przenoszenia obciążeń od kulkowych przy zbliżonych wymiarach zewnętrznych.

Prędkość obrotowa

Drugim ważnym kryterium jest prędkość obrotowa. Na ten parametr wpływa wiele szczegółów konstrukcyjnych: typ łożyska, wymiary łożyska, precyzja, materiał kosza, smarowanie, a nawet typ uszczelnienia. w tej kwestii Łożyska kulkowe wykazują lepsze właściwości od łożysk wałeczkowych.

Wielkość łożyska

Oczywiście na wybór łożyska ma również wpływ wielkość obszaru, który jest dostępny w maszynie, a ten zazwyczaj jest ograniczony. Najczęściej w pierwszej kolejności uwzględnia się wielkość wałka.

Współosiowość

To kolejna ważna cecha napędu, która wpływa na wybór typu konstrukcji łożyska. Jak wiemy, niektóre konstrukcje radzą sobie z niewspółosiowością, a inne nie i mogą pracować tylko w wąskim jej zakresie mieszczącym się w ustawionego luzu. Błędy współosiowości najczęściej dotyczą wałów, które ulegają ugięciu pod obciążeniem. Wtedy stosuje typy łożysk, które cechuje możliwość wychyleń pierścienia wewnętrznego: łożyska kulkowe wahliwe i łożyska baryłkowe. Należy jednak pamiętać, że maksymalny kąt wychyleń jest ograniczony i ściśle zdefiniowany dla każdego typu, a jego przekroczenie może doprowadzić do uszkodzenia łożyska.

Z błędami współosiowości radzą sobie również zespoły łożyskowe, w których mogą być stosowane tak zwane łożyska samonastawne z kulistym pierścieniem zewnętrznym, pozwalającym na swobodne ustawianie się łożyska w oprawie.

Sztywność

Sztywność bardzo ważna cecha napędu szczególnie w przypadku niektórych zastosowań, przykładowo takich jak wrzeciona narzędziowe, które muszą uzyskiwać wysoką dokładność prowadzenia narzędzia.

Podczas pracy pod obciążeniem, na powierzchni styku elementu tocznego i bieżni powstają elastyczne odkształcenia, a ich wielkość przekłada się na sztywność. Sztywność zależy od typu łożyska i jego rozmiarów. Z reguły pod tym względem lepiej radzą sobie łożyska wałeczkowe. Dla uzyskania maksymalnej sztywności stosuje się łożyska z zaciskiem wstępnym.

Montaż i demontaż

Kiedy maszyna wymaga częstych przeglądów, a co za tym idzie, łożyska wału musza być demontowane i montowane, zaleca się stosowanie łożysk rozłącznych, czyli takich gdzie istnieje możliwość łatwego oddzielania od siebie pierścieni.

Pozostałe kryteria

Istnieje oczywiście więcej kryteriów doboru. Może wśród nich wyróżnić takie jak: głośność pracy, prace pod napięcie, pracę w zwiększonym zakresie temperatur, pracę w urządzeniach wibracyjnych. Każde zastosowanie wymaga sporej wiedzy i ze względu na mnogość rozwiązań dostępnych w katalogach różnych producentów należy kontaktować się z nimi i konsultować aplikacje.

Autor: Tomasz Ropelewski