Łożyska

W celu zapewnienia prawidłowej pracy elementów maszyn poruszających się ruchem obrotowym powinno być zachowane stałe położenie osi obrotu wałów względem nieruchomej podstawy. Zadanie to spełniają łożyska, a ustalanie położenia osi i wałów względem korpusów maszyn i urządzeń nazywa się łożyskowaniem.
Łożyska są obciążone siłami wynikającymi z ciężaru wałów i osadzonych
na nich elementów oraz siłami pochodzącymi od obciążenia wałów i osi. Łożyska wywierają na wal reakcje równe co do wartości siłom obciążającym łożysko i przeciwnie zwrócone. Łożyska dzieli się na ślizgowe i toczne. W łożyskach ślizgowych powierzchnia czopa wału ślizga się po powierzchni panewki (części łożyska współpracującej z czopem) lub bezpośrednio po powierzchni otworu łożyska, zatem w czasie pracy występuje tarcie ślizgowe. W łożyskach tocznych między współpracującymi powierzchniami pierścieni łożyska są umieszczone elementy toczne (np. kulki) i wówczas zamiast tarcia ślizgowego występuje tarcie toczne,
Łożyska ślizgowe na ogół stosuje się:
• przy przenoszeniu bardzo dużych obciążeń (nawet do kilku MN — w przypadku łożysk o średnicy powyżej l m), a także przy obciążeniach udarowych,
• gdy konieczne jest, aby łożyska tłumiły drgania wału,
• przy dużych prędkościach obrotowych i możliwości uzyskania tarcia płynnego,
• w razie konieczności stosowania łożysk (lub panwi) dzielonych,
· gdy wymagana jest cichobieżność łożyska,
· gdy osiągnięcie bardzo dużej dokładności montażu (koniecznej przy łożyskach tocznych) jest utrudnione,
· w drobnych konstrukcjach o bardzo małych obciążeniach (m.in. w urządzeniach mechaniki precyzyjnej).
Łożyska toczne najczęściej są stosowane:
· gdy zależy nam na uzyskaniu bardzo małych oporów ruchu w czasie pracy, a zwłaszcza podczas rozruchu,
· przy zmiennych prędkościach obrotowych wału (ponieważ współczynnik tarcia łożysk tocznych w bardzo małym stopniu zależy od prędkości obrotowej),
· przy dużych i bardzo dużych prędkościach obrotowych,
przy częstszym zatrzymywaniu i uruchamianiu maszyny,
· gdy wymagana jest duża niezawodność pracy i duża trwałość łożyska,
· gdy ze względu na wymiary korpusu maszyny konieczne jest stosowanie łożysk o małych wymiarach wzdłużnych.
Klasyfikacja i charakterystyka łożysk ślizgowych w zależności od kierunku obciążeń, działających na łożysko, istnieją łożyska ślizgowe:
· poprzeczne, przeznaczone do przejmowania obciążeń prostopadłych
· do osi obrotu wału (rys. 10.1a),
wzdłużne, obciążone siłami działającymi zgodnie z kierunkiem osi obrotu wału (rys. 10.1b),
• poprzeczno-wzdłużne, przeznaczone do przejmowania obciążeń zarówno prostopadłych, jak i zgodnych z kierunkiem osi obrotu.
W celu zmniejszenia oporów ruchu pomiędzy powierzchniami ślizgowymi panwi i czopa powinna być wytworzona warstwa nośna smaru lub gazu (najczęściej powietrza). W zależności od sposobu podawania smaru rozróżnia się łożyska:

• hydrostatyczne (aerostatyczne), w których warstwa nośna smaru
(gazu) jest podawana pod ciśnieniem,
• hydrodynamiczne (aerodynamiczne), w których warstwa nośna
smaru (gazu) powstaje na skutek ruchu obrotowego czopa względem
panwi i wzajemnego poślizgu między ich powierzchniami ślizgowymi.
Smarowanie łożysk ślizgowych powietrzem stosuje się w urządzeniach
o niewielkiej nośności, ale o bardzo dużych prędkościach obrotowych — od 40000 do 360000 obr/min, np.: wiertarkach dentystycznych i chirurgicznych.
Tarcie w łożyskach ślizgowych. Tarcie ślizgowe, występujące pomiędzy panwią łożyska a czopem wału, zależy od materiałów współpracujących elementów, od stanu (chropowatości) ich powierzchni, od rodzaju smarowania oraz od sił nacisku (jest do nich proporcjonalne). Ciepło wydzielające się podczas tarcia może spowodować nagrzanie się łożyska do zbyt wysokiej temperatury i szybkie jego zużycie, dlatego należy dążyć do osiągnięcia możliwie małego tarcia.
Rozróżnia się tarcie:
• suche, przy którym współpracujące powierzchnie nie są smarowane,
• płynne, gdy między powierzchniami czopa i panwi stale występuje
warstewka smaru,
• mieszane, przy którym powierzchnie współpracujące częściowo stykają
się (głównie na wierzchołkach nierówności), na pozostałym zaś obszarze
są rozdzielone warstewką smaru.
W łożyskach ślizgowych dąży się zawsze do uzyskania tarcia płynnego, ale w praktyce najczęściej występuje tarcie mieszane. Praca łożysk ślizgowych w warunkach tarcia suchego (bez smarowania) nie jest stosowana. Uzyskanie tarcia płynnego jest możliwe przy zapewnieniu takich warunków pracy, aby smar stale znajdował się w szczelinie między czopem i panewką. Warunek ten jest spełniony, gdy ciśnienie smaru w szczelinie jest większe niż naciski jednostkowe czopa na panewkę. Pożądane jest również, aby pracująca część panwi była pozbawiona rowków smarowych.
Utrzymanie niezbędnego ciśnienia wymaga stałego obfitego dopływu smaru o odpowiedniej lepkości i smarności. W warunkach hydrostatycznej zasady smarowania dopływ smaru do szczeliny jest zapewniony przez wtłaczanie smaru pod ciśnieniem. Częściej jest stosowana hydrodynamiczna zasada smarowania polegająca na tym, że pod wpływem ruchu obrotowego czopa względem panwi i ich wzajemnych poślizgów powstaje tzw. klin smarowy, unoszący czop nad powierzchnię panwi. Klin smarowy powstaje przy dostatecznie dużej prędkości obrotowej wału, obfitym dopływie smaru o odpowiedniej lepkości oraz niewielkiej chropowatości powierzchni czopa i panewki. Ważny jest też dobór luzu łożyskowego, uwzględniający warunki pracy danego łożyska.
Jeśli choćby jeden z wymienionych czynników nie jest spełniony, wówczas łożysko pracuje w warunkach tarcia mieszanego. Podczas projektowania łożysk ślizgowych, w których niezbędne jest uzyskanie tarcia płynnego, prowadzi się skomplikowane obliczenia, uwzględniające wpływ wszystkich podanych czynników. Zasady tych obliczeń są ujęte w hydrodynamicznej teorii smarowania.
Smary i smarowanie. Podstawowym zadaniem smarów jest zmniejszenie tarcia między współpracującymi powierzchniami, a tym samym zmniejszenie ich zużycia. Smary często odgrywają również rolę czynnika chłodzącego.
Podstawowe cechy smarów są określane przez:
• lepkość dynamiczną, charakteryzującą opór smaru, występujący podczas przesuwania równoległych powierzchni; jednostką lepkości dynamicznej
w układzie SI jest Pa • s;
• lepkość kinematyczną, tj. stosunek lepkości dynamicznej do gęstości płynu (oleju), mierzoną w m2/s',
• smarność, czyli zdolność do trwałego przylegania do powierzchni ciał stałych;
• temperaturę krzepnięcia i temperaturę zapłonu;
• temperaturę kropienia (dla smarów plastycznych), w której smar zaczyna
topnieć;
• odporność na starzenie, decydującą o częstości wymiany smaru.
Rozróżnia się smary stałe, plastyczne i ciekłe, a ze względu na pochodzenie — roślinne, zwierzęce, mineralne i syntetyczne.
Do smarów stałych zalicza się ciała stałe, jak np. grafit, dwusiarczek molibdenu, talk. Stosuje się je dość rzadko, głównie do pracy w wysokich temperaturach.
Smary plastyczne (potocznie zwane stałymi) powstają przez zagęszczanie olejów mineralnych mydłami wapniowymi, sodowymi, potasowymi itp. Stosowane są w łożyskach trudno dostępnych i rzadko kontrolowanych.
Do łożysk ślizgowych najczęściej stosuje się smary ciekłe, a zwłaszcza
oleje mineralne. Ze względu na lepkość dzieli się je na oleje wrzecionowe, maszynowe i cylindrowe. Oleje o tak dużej lepkości umożliwiają powstanie większego ciśnienia w warstwie smaru, nadają się zatem do łożysk o większych obciążeniach. Własność olejów można polepszyć przez stosowanie dodatków, np. przeciwkorozyjnych, polepszających smarność, przeciwdziałających starzeniu się oleju itp. W łożyskach o dużych prędkościach kątowych wału i niewielkich obciążeniach stosuje się panewki wykonywane z materiałów źle odprowadzających ciepło, np. z tworzyw sztucznych. Jako czynnik smarujący stosuje się wówczas wodę, co równocześnie ułatwia chłodzenie łożyska.
Przy doborze smarów należy posługiwać się normami PN (np. PN-85/C-96070. Oleje maszynowe) lub katalogami koncernów naftowych.
Zależnie od rodzaju i ilości smaru doprowadzanego do łożyska stosuje się
różne sposoby smarowania i rozmaite urządzenia smarownicze. Ze względu na sposób smarowania rozróżnia się smarowanie przelotowe, obiegowe oraz zanurzeniowe. Przy smarowaniu obiegowym smar znajduje się stale w obiegu, tzn. po wypłynięciu z łożyska wpływa do niego z powrotem, natomiast przy smarowaniu przelotowym — spływa do zbiornika użytego smaru. Smarowanie zanurzeniowe występuje w przypadku, gdy czop i panewka są stale zalane smarem (najczęściej w łożyskach wzdłużnych). Urządzenia smarownicze. Do smarów plastycznych (tzw. stałych) stosuje się zbiorniczki, z których smar wypływa na powierzchnię czopa po przekroczeniu temperatury kropienia (rys. 10.3a, b). W okresie rozruchu
urządzenia (gdy smar jest nierozgrzany) lub w razie innej potrzeby można
zwiększyć wypływ smaru przez pokręcenie kapturka (rys. 10.3a) lub śruby (rys.10.3b).Do smarowania przelotowego (smarem ciekłym) stosuje się m.in.
smarownice knotowe (rys. 10.3c) lub igłowe z regulacją wypływu(rys. 10.3d).

W smarownicy knotowej jest wykorzystane zjawisko włoskowatości. Ze względu na pożądany stały poziom smaru w zbiorniku korzystniejsze są zbiorniczki niższe i o większej średnicy, tj. o proporcjach jak na dolnym.
Smarownica igłowa umożliwia regulację i przerywanie wypływu smaru oraz kontrolę wzrokową zarówno poziomu smaru, jak i jego wypływu.
Smarowanie obiegowe można uzyskać, stosując pierścienie smarujące luźne lub stałe (w obu przypadkach pierścienie są częściowo zanurzone w smarze) albo smarowanie obiegowe ciśnieniowe.

Zasadę smarowania pierścieniem luźnym przedstawia rys. 10.4. Smar spływa na czop z wewnętrznej lub z bocznej powierzchni pierścienia. Pierścienie luźne stosuje się przy prędkościach obrotowych powyżej 60 obr/min.
Pierścienie stałe mogą być wykonane w formie kołnierza na czopie lub
też nakładane na wał i mocowane w różny sposób. W górnej części pierścienia znajduje się zgarniacz, zbierający smar z zewnętrznej powierzchni
pierścienia i kierujący go do zbiorniczka w korpusie łożyska, skąd smar
wpływa do otworów smarowniczych. Smarowanie obiegowe ciśnieniowe stosuje się w maszynach, w których konieczny jest nieprzerwany dopływ dużych ilości smaru do punktów smarowniczych, np. w łożyskach silników spalinowych, turbin parowych itp. Smar wypływający z łożysk zbiera się w zbiorniku oleju, skąd — po oczyszczeniu w filtrach i po ochłodzeniu — jest pompowany z powrotem do łożysk i innych punktów smarowniczych.
Materiały na panwie łożysk. Praca łożyska ślizgowego zależy w dużym
stopniu od własności pary materiałów: czopa i panwi łożyska. Ponieważ
czopy wałów są najczęściej stalowe o dość zbliżonych własnościach zatem w celu uzyskania możliwie najkorzystniejszych warunków pracy łożyska należy dobierać odpowiednie materiały na panwie łożysk (materiały łożyskowe).
Od materiałów łożyskowych wymaga się wysokiej wytrzymałości mechanicznej na obciążenia statyczne i dynamiczne, odporności na zatarcie, odporności na korozję, małego współczynnika tarcia, odpowiedniej rozszerzalności cieplnej, dobrego przewodzenia ciepła, dobrej odkształcalności, dobrej obrabialności, a także niskiej ceny. Mimo że istnieje bardzo dużo różnych materiałów łożyskowych, żaden z nich nie spełnia wszystkich wymagań. Przy doborze materiałów łożyskowych należy więc kierować się tymi ich cechami, które są najbardziej istotne dla pracy określonych łożysk.
Do najczęściej stosowanych materiałów należą stopy łożyskowe,
np. stopy cynowe, zwane babbitami, o składzie 89% Sn, 8% Sb i 3% Cu
lub zbliżonym (np. krajowy stop Ł 83 zawiera 83% Sn, 11% Sb i 6% Cu).
Stopy te odznaczają się bardzo dobrymi własnościami ślizgowymi, dobrą
odkształcalnością, odpornością na zatarcie i odpornością na korozję. Stosuje
się je w postaci warstwy wylewanej na podłożu stalowym. Podobne własności mają stopy ołowiowe, np. Ł 16 (16% Sb, 2% Cu, 16% Sn, reszta Pb). Są one nieco miększe, ale tańsze. Stopy łożyskowe cyny i ołowiu zestawiono w normie PN-ISO 4381:1997 i PN-ISO 4381/Ak:1997.
Do materiałów często stosowanych należą brązy odlewnicze cynowe i ołowiowe o dużej twardości i wytrzymałości. Używane są do pracy w najcięższych warunkach, m.in. przy obciążeniach zmiennych i uderzeniowych, gdzie własności wytrzymałościowe są ważniejsze od własności ślizgowych.
Mosiądze mają niższą wytrzymałość, ale lepszą odporność na pracę
w podwyższonej temperaturze. Dobre własności antykorozyjne mają stopy aluminium z miedzią, niklem i krzemem. Ich wadą jest duża rozszerzalność cieplna. Żeliwo jest rzadziej stosowane ze względu na dość dużą twardość i małą odkształcalność.
Do celów specjalnych stosuje się panewki wielowarstwowe, np. panewki stalowe pokryte warstwą srebra o grubości 0,5—0,75 mm i następnie warstwą ołowiu (ok. 0,05mm) z dodatkiem indu. Materiały wielowarstwowe dobiera się drogą prób do warunków pracy łożysk — np. do łożysk w tłokowych silnikach lotniczych.
Jeżeli smarowanie łożysk jest bardzo utrudnione lub ze względu na warunki pracy należy go uniknąć (w tradycyjnej formie), stosuje się panewki z materiałów porowatych. Najczęściej są to tuleje prasowane, spiekane i nasycane olejem. Po rozgrzaniu łożyska smar wypływa na powierzchnię panwi, a po obniżeniu temperatury cofa się w głąb porów. Tuleje samosmarujące objęte są normami
PN-68/M-87200 oraz PN-92/M-87201.
Poza stopami metali na panewki łożysk stosuje się również inne materiały, jak twarde drewno (gwajak, dąb), tworzywa sztuczne (głównie żywice fenolowe, poliamidy, teflon itp.), gumę oraz grafit. W mechanizmach precyzyjnych na łożyska są stosowane kamienie szlachetne (rubin, szafir), szkło i inne materiały.
Budowa łożysk ślizgowych. Łożyska poprzeczne. Podstawową częścią łożysk ślizgowych jest korpus, w którym czop jest osadzony bezpośrednio lub pośrednio. Bezpośrednie osadzenie czopa w korpusie jest stosowane rzadko (głównie przy bardzo małych obciążeniach), ponieważ powierzchnia ślizgowa łożyska zużywa się szybciej niż czop wału, a częsta wymiana całego korpusu łożyska jest niepożądana. Elementem pośrednim jest najczęściej osadzona w korpusie tuleja, której powierzchnia wewnętrzna stanowi panew łożyska. Tuleja może być wylana warstwą stopu łożyskowego.

Korpusy łożysk ślizgowych poprzecznych są wykonywane jako oddzielne
elementy maszyn i urządzeń, a ich główne rodzaje są objęte normami od
PN-83/M-87006 do PN-74/M-87011. Na rysunku 10.5 pokazano przykładowo korpus oczkowy kołnierzowy lekki (PN-83/M-87006), a na rys.
10.6— korpus dzielony ciężki (PN-84/M-87010). Korpusy oczkowe są
stosowane w mniejszych łożyskach. Umożliwiają one zachowanie prostej
konstrukcji korpusu maszyny, nie wymagają np. nadlewów w miejscu łożyskowania, natomiast ze względu na montaż i demontaż wału są dość niewygodne. Korpusy dzielone stosuje się w większych łożyskach. Ułatwiają one montaż i demontaż wału.


Stosuje się również rozwiązania konstrukcyjne, w których korpus łożyska stanowi fragment
korpusu maszyny — w tym przypadku panew łożyska zawsze jest wykonana jako osobna tu-
leja. Tuleje łożyskowe stanowią wymienne części łożysk, przy czym mogą być one jednolite lub dwudzielne. Tuleje dwudzielne są stosowane przede wszystkim w łożyskach dzielonych. Niektóre rodzaje tulei są znormalizowane. Jedną z nich pokazano na rys. 10.7.
Ze względu na ugięcie wału w czasie pracy naciski czopa na panewkę rozkładają się nierównomiernie (rys. 10.8a). Przy niewielkich ugięciach można uniknąć spiętrzenia naprężeń przez zastosowanie materiałów łożyskowych o dobrej odkształcalności. Przy dużych ugięciach stosuje się różne rodzaje panwi wahliwych (samonastawnych). Schemat takiej panwi wraz z rozkładem nacisków jest podany na rys. 10.8&, a na rys. 10.9 — rozwiązanie konstrukcyjne, w którym zastosowano panew wahliwą. Tuleje łożyskowe powinny być zabezpieczone przed obrotem i przed przesunięciem wzdłuż osi, przy czym element zabezpieczający (np. kołek) nie powinien utrudniać montażu i demontażu. Przykładowo w łożysku z rys.10.9, dzięki umieszczeniu kołka w górnej części korpusu łożyska, uzyskuje się możliwość wymiany panewek bez demontażu wału.
Dokładność wykonania łożysk. Luzy łożyskowe. Zagadnienie ustalenia właściwych luzów łożyskowych stanowi bardzo trudny problem, zwłaszcza w przypadku, gdy konieczne jest uzyskanie tarcia płynnego. Ustalając wartość luzu należy, m.in., uwzględnić chropowatość powierzchni, różnice rozszerzalności cieplnej materiału łożyskowego i materiału czopa, maksymalną temperaturę nagrzania łożyska, konieczność uzyskania stabilnej pracy wału w różnych temperaturach (np. w okresie rozruchu i po nagrzaniu łożyska), własności smaru itd. Wymaga to bardzo skomplikowanych obliczeń, często związanych z konkretnym łożyskiem, i dlatego w praktyce nie stosuje się ścisłych zaleceń (np. w formie tablic) odnośnie wartości luzów łożyskowych, tolerancji i pasowań oraz chropowatości powierzchni.
Orientacyjnie można podać, że jako maksymalne wysokości nierówności na powierzchniach czopa i panwi należy przyjmować wartości od l do 6 m, rzadziej do 16 m. Do wstępnych obliczeń oraz w przypadkach, gdy nie jest niezbędne uzyskanie tarcia płynnego, w łożyskach ślizgowych można przyjmować następujące pasowania: H7/g6, H7/f7, H7/e8, H7/d8. W ten sposób — w zależności od średnicy czopa — określa się równocześnie luz łożyskowy w fazie montażu łożyska; jeśli materiały współpracujące mają zbliżone wartości współczynników rozszerzalności cieplnej, to luz montażowy jest równy luzowi w czasie pracy. Łożyska wzdłużne. Łożyska poprzeczne mogą przenosić również niewielkie obciążenia wzdłużne. Na przykład w łożysku z rys. 10.1a kołnierz może przenieść niewielką siłę wzdłużną. Zastosowanie łożyska kołnierzowego zabezpiecza również przed przypadkowymi przesunięciami poosiowymi. Podstawowe łożyska wzdłużne służą do przenoszenia obciążeń, gdy wały pracują w położeniu pionowym. Proste łożysko tego typu przedstawia rys.10.10. Panewka łożyska w postaci płytki jest umieszczona w korpusie łożyska oraz zabezpieczona przed obrotem za pomocą kołka. Łożyska te są smarowane pod ciśnieniem. W większych łożyskach stosuje się m.in. panewki segmentowe (rys. 10.11). Powierzchnie oporowe segmentów są tak ukształtowane, aby umożliwić wytwarzanie klina smarowego, a tym samym uzyskanie tarcia płynnego.

Obliczanie łożysk ślizgowych. Obliczanie łożysk ślizgowych polega na ustaleniu ich wymiarów z warunków wytrzymałościowych i sprawdzeniu, czy łożyska nie będą ulegały nadmiernemu rozgrzewaniu w czasie pracy. Obliczenia głównych wymiarów, to jest średnicy czopa d i długości czynnej łożyska /, są prowadzone w sposób przybliżony, gdyż nie wszystkie czynniki decydujące o warunkach pracy łożyska mogą być uwzględnione w ścisły sposób.
Czop łożyska z rys. 10.12 jest narażony na zginanie, przy czym obciążenie ciągłe czopa (przy założonych równomiernych naciskach) jest zastąpione siłą skupioną F, przyłożoną w połowie czynnej długości czopa. Średnica czopa jest zwykle wyznaczona podczas obliczeń wału, ale naprężenia zginające w czopie zależą również od jego długości, co wymaga przeprowadzenia powtórnych obliczeń. Naprężenia zginające w niebezpiecznym przekroju można obliczyć wg wzoru:

Zakładając równomierne naciski między powierzchnią panwi i czopa, określa się wytrzymałość panwi z warunku na naciski jednostkowe

Orientacyjne wartości nacisków dopuszczalnych przyjmuje się wg tablicy 10.1.
Orientacyjne wartości nacisków dopuszczalnych w łożyskach ślizgowych [5]

Zakładając, że wartości rzeczywistych naprężeń zginających oraz nacisków będą bliskie wartościom dopuszczalnym, można nierówności 10.1 i 10.2 zastąpić równaniami i dzieląc je stronami otrzymać zależność:


Z zależności 10.3 wynika, że najkorzystniejszą wartość ustala się na podstawie własności materiałów czopa i panwi. Ponieważ wartości kgo i ko są określane w sposób przybliżony, praktyczne wartości można przyjmować w szerszych granicach. Należy zwrócić uwagę na to, że wartość może być zależna również od konstrukcji łożyska.
Na podstawie wzorów 10.2 i 10.3 można obliczyć średnicę czopa
Obliczone wymiary zaokrągla się do wymiarów normalnych, uwzględniając
znaki nierówności.
Jeżeli średnica czopa otrzymana z obliczeń wału różni się od obliczonej
ze wzoru 10.4, należy do dalszych obliczeń przyjąć większą z tych wartości.
Sprawdzenie łożyska na rozgrzewanie wykonuje się przez sprawdzenie wartości iloczynu: pśr • v. Iloczyn ten jest określany jako umowna miara ciepła, wytwarzanego w łożysku przez tarcie, ponieważ przy danym współczynniku tarcia (znanym dla konkretnego łożyska) jednostkowa ilość ciepła jest proporcjonalna do iloczynu p • v. Zakładając ograniczenie temp. pracy łożyska do około 60C, można określić dopuszczalne wartości iloczynu (pśr • v)dop . Można wówczas zapisać warunek:

Orientacyjne wartości (pśr • v)dop są podane w tablicy 10.2. Jeżeli podany warunek nie jest spełniony, należy zwiększyć wymiary czopa lub przewidzieć polepszenie chłodzenia łożyska. W przypadku zmiany wymiarów czopa konieczne jest sprawdzenie warunku wytrzymałościowego na zginanie. Dla większości łożysk, zwłaszcza o tarciu mieszanym, podane obliczenia są wystarczające.

Obliczanie łożysk ślizgowych wzdłużnych polega na obliczeniu średnic
czopa z warunku na naciski oraz sprawdzeniu na rozgrzewanie. Ponieważ
powierzchnią pracującą łożyska wzdłużnego jest powierzchnia pierścieniowa,
zatem warunek na naciski przyjmuje postać

Przy sprawdzaniu łożyska na rozgrzewanie wartość prędkości obwodowej
v oblicza się na średniej średnicy powierzchni pracującej (np. rys. 10.11)
Najczęściej zakłada się średnicę wewnętrzną dw, z warunków technologiczno-konstrukcyjnych i oblicza się wartość średnicy zewnętrznej wg wzoru
10.7. Budowa i podział łożysk tocznych (PN-86/M-86401 i PN-ISO 15:2002). Praca łożyska tocznego charakteryzuje się tym, że wskutek toczenia się elementów tocznych względem pierścieni pomiędzy powierzchniami tych pierścieni a kulkami (lub wałeczkami) występuje tarcie toczne.
Łożysko toczne składa się z pierścieni — zewnętrznego i wewnętrznego, elementów tocznych oraz koszyczka. Powierzchnie pierścieni, po których toczą się elementy toczne, są nazywane bieżniami. Budowę łożyska, w którym elementami tocznymi są kulki, przedstawia rys. 10.13.


Rys. 10.13. Budowa łożyska kulkowego
l — pierścień zewnętrzny, 2 — pierścień wewnętrzny, 3 — kulka, 4 — koszyk, 5 — bieżnia wewnętrzna, 6 — bieżnia zewnętrzna, 7 — nit[16]
Istnieją również nieliczne odmiany łożysk walcowych i igiełkowych bez koszyczka lub bez pierścienia wewnętrznego (w tym ostatnim przypadku bieżnią jest powierzchnia czopa wału).
Na specjalne zamówienia są także wykonywane łożyska walcowe bez pierścienia zewnętrznego. Pierścień zewnętrzny łożyska jest osadzony w gnieździe korpusu maszyny lub w gnieździe oprawy łożyska, a pierścień wewnętrzny — na czopie wału.
Koszyczek służy do zapewnienia równomiernego rozmieszczenia elementów tocznych na obwodzie bieżni łożyska. Ze względu na prawie punktowy lub liniowy styk elementów tocznych z bieżniami, w czasie pracy łożyska występują bardzo duże naciski jednostkowe, a pod ich wpływem — znaczne naprężenia tzw. stykowe). Wymaga to wykonywania pierścieni i elementów tocznych ze stali o specjalnych własnościach, głównie o dużej twardości i odporności na ścieranie. W Polsce stosuje się na łożyska stale ŁH15 i ŁH15SG. W łożyskach bez pierścienia wewnętrznego powierzchnia czopa (odgrywająca rolę bieżni) musi być odpowiednio utwardzona. Koszyczki są wykonywane z blach (metodą tłoczenia) lub jako tzw. masywne (pełne), przy czym ich kształty są różne, zależne od rodzaju łożyska, kształtu elementów tocznych itp.
Mogą być one jedno- lub dwuczęściowe. Koszyczki są wykonywane ze stali, brązu, mosiądzu lub tworzyw sztucznych. Łożyska toczne dzieli się — podobnie jak łożyska ślizgowe — na promieniowe (poprzeczne) i osiowe (wzdłużne), zdolne do przenoszenia obciążeń prostopadłych do osi obrotu wału lub działających wzdłuż jego osi obrotu (rys. 10.14a i b). W rzeczywistości większość łożysk poprzecznych może przenosić także dość duże obciążenia wzdłużne.
Łożyska specjalne przeznaczone do przenoszenia obu rodzajów obciążeń nazywa się łożyskami skośnymi, przy czym kąt a działania tych łożysk jest mniejszy od 45 (rys. 10.14c). Łożyska o kącie α>45 są stosowane bardzo rzadko i zaliczane do łożysk wzdłużnych.


W zależności od kształtu elementów tocznych rozróżnia się łożyska kulkowe i walcowe. Wałeczki mogą być kształtu walcowego, stożkowego lub baryłkowego. Wałeczki walcowe o średnicy d≤5 mm i stosunku długości do średnicy większym od 2,5 nazywa się igiełkami.
Rodzaje łożysk tocznych, wybrane na podstawie głównych cech konstrukcyjnych, przedstawiono na rys. 10.15.






Normalizacja łożysk tocznych i ich oznaczanie. Podstawowe wymiary łożysk: średnice otworów d, średnice zewnętrzne D oraz szerokości łożysk B, lub ich wysokości H w łożyskach wzdłużnych (rys.10.14), są znormalizowane w skali światowej ISO i ujęte w normie PN-ISO 15:2002. Normalizacji podlegają również inne szczegóły konstrukcyjne, oznaczenia, metody obliczeń, wymagania i badania techniczne itp.
Normalizacja łożysk tocznych wymaga ujednolicenia zasad ich oznaczania.
Omówione poniżej zasady są powszechnie obowiązujące w Polsce, natomiast
producenci zagraniczni stosują odrębne zasady oznaczeń — o czym należy pamiętać przy korzystaniu z katalogów innych producentów niż fabryki krajowe.
Podstawą naszego systemu oznaczania łożysk tocznych jest ich podział wg głównych cech konstrukcyjnych (tabl. 10.3). Każde łożysko jest oznaczone symbolem cyfrowym lub literowo-cyfrowym, w którym wyróżnia się: oznaczenie serii (w tym odmiany średnicowej) oznaczenie wymiaru średnicy otworu (d) łożyska oraz inne informacje. Ostatnie cyfry symbolu cyfrowego określają średnicę d otworu łożyska:00-oznacza d = 10 mm,
01—12 mm, 02—15 mm oraz 03—17 mm, wyższe liczby (0496) mnoży się przez 5, otrzymując w wyniku średnicę otworu łożyska. Przy d≥ 500 mm wymiar otworu podaje się bezpośrednio za kreską ułamkową (po znaku serii), np. 60/500. Dla średnic d<10 mm, stosowanych w łożyskach kulkowych zwykłych i wahliwych, wymiar ten podaje się pojedynczą cyfrą, równą średnicy otworu; dla d = 1 mm oznaczenie jest np. 607. Pozostała część symbolu — przed cyframi określającymi średnicę d— określa serię łożysk oraz podstawowe cechy konstrukcyjne, w tym głównie odmianę średnicową. Symbolem odmian średnicowej jest cyfra bezpośrednio poprzedzająca wymiar łożysk (dla łożysk o d≥10 mm jest to trzecia cyfra od końca, dla łożysk o d < 10 mm — druga od końca symbolu).
Rodzaje odmian łożysk i ich symbole podano w tabl. 10.3. Sposób tworzenia odmian średnicowych (wg ciągu średnic) i odmian szerokości (wg ciągu szerokości) pokazano na rys. 10.16; należy podkreślić, że bazą dla poszczególnych odmian jest jednakowa średnica otworu łożyska. Przykład odmian w łożysku stożkowym podany jest na rys. 10.17.



Symbol literowy podany przed numerem serii (w łożyskach kulkowych skośnych dwukierunkowych, w łożyskach walcowych oraz igiełkowych) określa ich główne cechy konstrukcyjne.
Oznaczenia literowe umieszczone na końcu oznaczenia (po cyfrach) określają różne szczegóły konstrukcyjne, np.:
w łożyskach kulkowych zwykłych:
Z (2Z) — jedna (dwie) blaszka ochronna;
RS (2RS) — jedna (dwie) uszczelka gumowa;
w łożyskach kulkowych skośnych jednorzędowych:
C, A, B — kąt działania α = 15, 25, 40;
w łożyskach kulkowych wahliwych oraz baryłkowych:
K — łożysko z otworem stożkowym (zbieżność otworu 1:12);
w łożyskach walcowych jednorzędowych:
E — łożysko o wyższej nośności przy tych samych wymiarach.
Objaśnienia wszystkich symboli stosowanych przy oznaczaniu łożysk tocznych są podane w katalogu. Dobór i obliczanie łożysk tocznych. Łożyska toczne należą do elementów maszyn, których konstrukcją zajmują się specjalne biura konstrukcyjne (w Polsce — CBKŁT), produkcją zaś — wyspecjalizowane zakłady produkcyjne według danych zawartych w katalogu wytwórcy łożysk.
Czynniki decydujące o doborze łożyska można podzielić na dwie podstawowe grupy. Jedną z nich stanowi wybór typu łożyska, uzależniony od konstrukcji i przeznaczenia maszyny, warunków pracy łożyska, warunków montażu i obsługi itp. Wybór odpowiedniego typu łożyska w tym zakresie należy od konstruktora maszyn. Ogólne wytyczne, ułatwiające to zadanie, są podane w katalogu.
Drugą grupę stanowią czynniki decydujące o wymiarach łożyska. Należą do nich: wartość obciążenia, przy którym łożysko przepracuje określony okres bez zniszczenia, oraz maksymalna prędkość obrotowa (ngr) dla danego łożyska. Obciążenie łożyska określa się w czasie ruchu (nośność dynamiczna), tj. w przypadku, gdy pierścienie obracają się względem siebie z prędkością obrotową n>10 obr/min, oraz w czasie spoczynku (nośność statyczna) — tj. przy n≤10 obr/min. Wartość nośności dynamicznej (symbol C), podawana w katalogu, określa obciążenie, które łożysko może przenieść przy minimalnej trwałości równej l min obrotów, natomiast wartość nośności statycznej, Co, wyrażona w jednostkach siły, jest to zdolność do przenoszenia obciążeń przez łożysko będące w spoczynku lub obracające się z prędkością n≤10 obr/min.Za trwałość łożyska przy danej prędkości obrotowej przyjmuje się czas pracy łożyska w milionach obrotów lub godzinach, obliczany do chwili wystąpienia pierwszych oznak zmęczenia materiału, którymi są rysy i mikropęknięcia na powierzchniach tocznych; dalszym ich następstwem jest łuszczenie powierzchni tocznych i zniszczenie łożyska. Nośność dynamiczna podana w katalogu dla poszczególnych łożysk jest wyznaczana przy założeniu niewielkiej trwałości (l min obrotów określa trwałość odpowiadającą 500 godzinom pracy przy n = 33 1/3 obr/min), natomiast w rzeczywistości przeważnie jest wymagane uzyskanie znacznie większej trwałości (tabl. 10.4), przy stosowanych większych prędkościach obrotowych.

W związku z tym przy doborze łożysk należy przyjmować łożysko o odpowiednio wyższej nośności C, co pozwoli na uzyskanie żądanej trwałości łożyska przy obciążeniu rzeczywistym niższym od nośności. Zależność między żądaną trwałością, nośnością dynamiczną i rzeczywistym obciążeniem łożyska określa wzór:


Dla ułatwienia obliczeń trwałości Lh można posługiwać się tablicą 10.5 lub
tablicami w katalogu. Podane zasady doboru łożysk tocznych odnoszą się do przypadków, gdy łożysko jest obciążone tylko siłą poprzeczną (łożysko poprzeczne) lub tylko siłą wzdłużną (łożyska wzdłużne), tzn. zgodnie z założeniami, wg których ustalona jest nośność ruchowa C w katalogu. W praktyce prawie zawsze łożyska obciążone są jednocześnie siłą wzdłużna i poprzeczną. Jest to spowodowane m.in. ugięciem wału, wywołującym zmiana kierunku reakcji w łożysku. Ponadto na wał często działają obciążenia ukośne i (np. przy przekładniach zębatych z kołami o uzębieniu skośnym — rys. 9.4c i przekładniach ślimakowych), które rozkładają się na siły składowe poprzeczne i wzdłużne w stosunku do osi wału, a tym samym powodują poprzeczne (promieniowe) i wzdłużne (osiowe) obciążenie łożysk. Powoduje to konieczność wyznaczenia obciążenia równoważnego (poprzednie określenie: obciążenie zastępcze), którego wartość będzie podstawą doboru łożysk według dotychczas poznanych zasad.
Obciążenia równoważne oblicza się wg ogólnego wzoru:

F = X∙Fr +Y∙Fa
w którym:
F – obciążenie równoważne w daN (wartość podstawiana do wzoru 10.9 lub 10.10)
Fr – składowa promieniowa obciążenia,
Fa - składowa osiowa obciążenia,
X – współczynnik obciążenia promieniowego,
Y - współczynnik obciążenia osiowego.
Wartości współczynników X i Y zależą od rodzaju łożyska oraz od stosunku Fa/Fr. Poszczególne łożyska poprzeczne mają różną zdolność przenoszenia dodatkowo obciążeń wzdłużnych, a łożyska wzdłużne — do przenoszenia obciążeń poprzecznych. Dlatego podczas obliczania obciążenia równoważnego należy najpierw sprawdzić, w jakim stopniu dane łożysko jest zdolne do przenoszenia innych obciążeń, niż podstawowe. W katalogu są podane wartości współczynnika e, który charakteryzuje konstrukcje łożyska w zakresie zdolności do przeniesienia dodatkowych obciążeń.
Dla łożysk kulkowych zwykłych wartość e zależy od stosunku Fa/Co; przy Fa/Co = 0,014—0,56 wartość e wynosi 0,27—0,53. Znając stosunek obciążeń F/F,, należy porównać go z wartością e. Gdy Fa/Fr ≤e, wówczas wartości współczynników obciążeń wynoszą: X = l; Y= O, co oznacza, że w obliczeniach pomija się wpływ obciążenia osiowego. W tym przypadku F = Fr. Gdy Fa/Fr > e, wówczas obciążenie równoważne F oblicza się z wzoru 10.11, przyjmując:
X = 0,56; 0,46 lub 0,44 — zależnie od wielkości luzu (mniejsze wartości przy luzach powiększonych),
Y— zależne od stosunku Fa/Co i wielkości luzu.
Jeżeli obliczona wartość obciążenia równoważnego będzie mniejsza od wartości Fr, należy przyjąć, że F = Fr.
Łożyska toczne mogą być stosowane do pracy w temperaturze do +120C. Nawet jednorazowe nagrzanie łożyska do wyższej temperatury powoduje częściową stratę nośności wskutek odpuszczenia pierścieni lub elementów tocznych i zmniejszenia ich twardości. Dla łożysk narażonych na działanie wyższej temperatury przyjmuje się obniżoną nośność łożyska wg zależności
Ce=C-ft (10.12)
przyjmując dla temperatury łożyska 150C: ft = 1,00; dla 200C: ft = 0,9; dla
250C: ft = 0,75 oraz dla 300C: ft = 0,6. Ze względu na różne wartości współczynników (X, Y, e) dla poszczególnych łożysk, obliczanie obciążeń równoważnych F należy oprzeć na odpowiednich tablicach podanych w katalogu (lub niektórych tablicach podanych w zbiorze
zadań). Dla łożysk obracających się bardzo wolno (przy n ≤ 10 obr/min) nośność statyczna Co zależy od trwałego odkształcenia w punktach styku bieżni i elementów tocznych. Przy doborze tych łożysk wystarcza spełnienie warunku, aby maksymalne obciążenie łożyska było mniejsze od nośności statycznej Co. Jeśli obciążenia działają skośnie, oblicza się obciążenie zastępcze wg wzoru
Fo=Xo∙Fr+Yo∙Fa (10.13)
w którym:
Fo — równoważne obciążenie statyczne,
Fr , Fa — składowe obciążenia (promieniowa i osiowa),
Xo , Yo — współczynniki obciążenia promieniowego i osiowego. ;
Dla łożysk kulkowych zwykłych Xo = 0,6, a Yo= 0,5.
Podane zasady doboru łożysk tocznych oparto na przykładzie łożysk kulkowych zwykłych (poprzecznych), ponieważ są one najbardziej rozpowszechnione oraz mają zdolność do jednoczesnego przenoszenia sił poprzecznych i wzdłużnych, nawet przy dużych prędkościach obrotowych. Inne rodzaje łożysk tocznych dobiera się wg podobnych zasad, różniących się
głównie wartościami współczynników X, Y, e (lub Xo , Yo przy nośności spoczynkowej). Ze względu na konieczność ustalania wartości tych współczynników dla konkretnych łożysk (zarówno pod względem rodzaju, jak i wielkości łożyska), obliczanie i dobór łożysk należy wykonywać z użyciem odpowiednich tablic z katalogu.
Osadzanie łożysk tocznych na wałach i w korpusach maszyn. Pełne wykorzystanie zalet łożysk tocznych zależy zarówno od dobrania łożysk odpowiednich dla danych warunków pracy, jak i od właściwego osadzenia i łożysk na wale i w korpusie maszyny. Osadzanie łożysk tocznych powinno zapewnić ustalenie wzdłużne wału i łożysk oraz uzyskanie właściwego luzu łożyskowego w czasie pracy łożyska. Prawidłowe ustalenie wzdłużne polega na tym, że jedno łożysko ustala wał w kierunku wzdłużnym, tzn. zapewnia stałe położenie jednego czopa wału względem korpusu maszyny, natomiast drugie łożysko powinno mieć możliwość wzdłużnego przesuwu względem korpusu, aby nie krępować odkształceń cieplnych wału oraz dla zabezpieczenia przed nadmiernym wzrostem naprężeń, np. w wyniku usterek montażu. Najczęściej stosowany sposób ustalania wzdłużnego pokazano na rys.10.18. Pierścienie wewnętrzne obu łożysk są osadzone wciskowe na czopach wału i opierają się o odsądzenia, a ponadto są zabezpieczone przed przesunięciami za pomocą pierścienia osadczego lub nakrętki. Pierścień zewnętrzny łożyska prawego (wg rys. 10.18) jest osadzony sztywno między powierzchnią specjalnej tulei a pokrywą, natomiast pierścień zewnętrzny lewego łożyska może się przesuwać względem korpusu, np. przy odkształceniach wzdłużnych (cieplnych) wału. Na rysunku 10.19a, b, c pokazano mocowanie łożysk na wale za pomocą nakrętek łożyskowych (rys. 10.20) i podkładek zębatych (rys. 10.21). Wewnętrzny ząb o szerokości E jest osadzony w rowku i unieruchamia podkładkę zębatą względem wału. Po dociśnięciu pierścienia nakrętką jeden z ząbków zewnętrznych podkładki zagina się w głąb odpowiedniego rowka nakrętki, zabezpieczając ją przed samoczynnym odkręcaniem się. Nakrętki łożyskowe o 4 lub 8 rowkach są objęte normą PN-82/M-86478, zaś podkładki zębate normą PN-82/M-86482.



Pierścienie łożysk są ustalane wzdłużnie również za pomocą pierścieni sprężynujących
(rys. 10.22), osadzanych w kanałkach wału lub korpusu łożyska (rys. 10.19J) albo w rowku pierścienia zewnętrznego łożysk serii 60, 62, 63, 64 typu N lub NR (rys. 10.19e). Omówiona zasada ustalania wzdłużnego jest stosowana dla prawie wszystkich łożysk kulkowych i walcowych. Nieprzestrzeganie tej zasady może doprowadzić do zakleszczenia elementów tocznych i zniszczenia łożyska, przy czym zakleszczenie może wystąpić przy montażu lub w czasie pracy w wyniku wydłużenia wału. W przypadku łożysk skośnych jednorzędowych lub łożysk stożkowych (rys. 10.19c) podczas ustalania wzdłużnego jednocześnie reguluje się wielkość luzu wzdłużnego, stosując odpowiedni zacisk wstępny. O prawidłowej pracy łożysk tocznych decydują również pasowania pierścieni łożyska z wałem i oprawą. Przy doborze pasowań w szczególności należy przestrzegać, aby:
t w czasie pracy łożyska istniał właściwy luz poprzeczny, zabezpieczający przed zakleszczeniem się elementów tocznych między bieżniami;
• nie wystąpiło obracanie się pierścieni łożyska względem wału i oprawy.
W czasie pracy łożysk tocznych (poza łożyskami wzdłużnymi) po obciążonej stronie elementy toczne stykają się z bieżniami obu pierścieni. Najkorzystniejsze warunki pracy istniałyby wówczas, gdyby elementy toczne stykały się z bieżniami również po stronie nie obciążonej, między innymi ze względu na rozłożenie siły nacisku na prawie wszystkie elementy toczne. Taki stan jest jednak bardzo trudny do osiągnięcia, dlatego w łożyskach tocznych występuje najczęściej minimalny luz roboczy. Rozpatrując warunki pracy łożyska wyróżnia się trzy podstawowe przypadki obciążenia łożyska:
1) obciążenie wirujące pierścienia wewnętrznego przy jednoczesnym obciążeniu miejscowym pierścienia zewnętrznego (pierścień wewnętrzny obraca się względem nie obracającego się obciążenia i pierścienia zewnętrznego), np. w skrzyniach przekładniowych; jest to przypadek najczęściej występujący w praktyce (tzw. ruchomy wałek);
2) obciążenie miejscowe pierścienia wewnętrznego, natomiast obciążenie
wirujące pierścienia zewnętrznego (tzw. ruchoma oprawa); przykładem tego rodzaju obciążenia może być łożysko nie napędzanego koła samochodu;
3) kierunek obciążenia obu pierścieni zmienia się, np. gdy na oba pierścienie działają obciążenia wirujące i oscylujące; przykładem mogą być sita, maszyny wibracyjne itp.
W pierwszym przypadku pierścień wewnętrzny jest osadzany ciasno, a zewnętrzny z niewielkim luzem, a w drugim — odwrotnie. W trzecim przypadku należy ciasno osadzać oba pierścienie.
W podanych przypadkach podczas montażu (wciskania) pierścienia powstają w materiale pierścienia odkształcenia sprężyste, powodujące zmniejszenie wstępnego luzu łożyskowego (istniejącego przed jego zamontowaniem), co przy zbyt ciasnym pasowaniu może doprowadzić do zakleszczenia elementów tocznych.
Tolerancje otworów w pierścieniach wewnętrznych i średnic pierścieni zewnętrznych są jednakowe dla tych samych wymiarów nominalnych. Przy kojarzeniu otworu w łożysku z normalnymi wałkami nie wystąpi pasowanie normalne, gdyż wartości odchyłek dla łożysk tocznych są inne niż przyjęte w układzie pasowań wg ISO dla wałków i otworów.
Normy dokładności wykonania łożysk tocznych (PN-89/M-86406) obejmują 4 klasy dokładności: PO, P6, P5, P4, przy czym klasa PO jest określona jako normalna, a największą dokładność wykonania mają łożyska klasy P4. Dla łożysk poprzecznych w każdej klasie są określone wartości odchyłek (i tolerancje) dla otworu w pierścieniu wewnętrznym, średnicy pierścienia zewnętrznego i szerokości pierścieni, a także maksymalne bicie poprzeczne i maksymalna nierównoległość czół. Tolerancje dla średnicy czopa wału i średnicy otworu w oprawie dobiera się wg PN, przy czym czopy wałów wykonuje się najczęściej z tolerancjami od g6 do r6, otwory zaś w korpusach (oprawach) — od J7 do P7 (gdzie 6 i 7 oznaczają klasy dokładności wykonania). Ze względu na odrębność norm dokładności dla łożysk tocznych podane symbole nie charakteryzują rodzaju pasowania. Szczegółowe dane dla doboru pasowań w zależności od rodzaju łożysk i charakteru jego pracy są zawarte w katalogu łożysk tocznych. Ogólnie można określić, że ciaśniejsze pasowania stosuje się przy osadzaniu łożysk tocznych pracujących w cięższych warunkach.
Zakładanie i zdejmowanie łożysk. Prawidłowy montaż jest jednym z czynników decydujących o poprawnej pracy łożysk tocznych. Przed przystąpieniem do zakładania łożysk należy usunąć ewentualne drobne uszkodzenia powierzchni osadczych, stępić ostre krawędzie, a następnie dokładnie oczyścić wszystkie części. Po sprawdzeniu współosiowości gniazd, prostoliniowości wału i dokładności wymiarów należy lekko naoliwić powierzchnie montażowe wału i oprawy. Łożyska toczne wyjmuje się z opakowania bezpośrednio przed montażem. Mniejsze łożyska wtłacza się najczęściej za pomocą tulei i młotka lub za pomocą prasy, zwracając uwagę na współosiowość otworu łożyska i czopa wału. W celu ułatwienia montażu można podgrzać łożyska w oleju do temperatury 8090C; ten sposób stosuje się głównie do łożysk o średnicy otworu powyżej 60mm. Przy zakładaniu (lub zdejmowaniu) łożyska należy przestrzegać zasady, aby siły użyte do zakładania (zdejmowania) łożysk nie działały na elementy toczne. Po założeniu łożysk należy sprawdzić prawidłowość ich pracy w ruchu.
Łożyska toczne zdejmuje się w celu:
— wymiany łożyska zużytego;
— umożliwienia wymiany innych elementów osadzonych na wale
— przewidując ponowne jego założenie.
W obu przypadkach łożyska zdejmuje się za pomocą specjalnych ściągaczy:
do łożysk tocznych lub za pomocą prasy. Najprostsze przykłady zdejmowania
łożysk przedstawiono na rys. 10.23. Niedopuszczalne jest zdejmowanie łożysk
przez bezpośrednie uderzenia młotkiem.
Po zdjęciu łożysk należy zbadać zarówno łożysko, jak i całe ułożyskowanie, aby ustalić ewentualne wady dotychczasowego łożyskowania, np.:
• wyciekanie smaru spod pokrywy świadczy o wadliwym uszczelnieniu
łożyska lub jego uszkodzeniu,

• oznaki nierównomiernego łuszczenia po jednej strome bieżni zużytego
łożyska wzdłużnego świadczą, że łożysko było wadliwie ustawione względem osi wału; zaobserwowanie tych objawów umożliwia uniknięcie tego samego błędu przy montażu nowego łożyska. Łożyska przewidziane do ponownego użycia powinny być zdejmowane
szczególnie ostrożnie, następnie umyte np. w nafcie lub zmywaczu „Antykor"
i po zbadaniu przydatności zakonserwowane w odpowiednim smarze do czasu ponownego montażu.
Smarowanie i uszczelnianie. W łożyskach tocznych smar spełnia następujące zadania:
• zmniejsza zużycie powierzchni bieżni i elementów tocznych,
• odprowadza ciepło,
• chroni łożysko przed zanieczyszczeniami i wilgocią.
Łożyska toczne wymagają na ogół niewielkich ilości smaru, zwłaszcza że jego nadmiar zwiększa opory tarcia. W łożyskach pracujących w temperaturze do +70C stosuje się smary plastyczne; w temperaturze wyższej od 80C lepsze wyniki osiąga się przy stosowaniu olejów mineralnych. Dobór odpowiedniego smaru i systemu smarowania zależy od rodzaju łożyska i jego warunków pracy. W zależności od rodzaju smaru i systemu smarowania konieczne jest
odpowiednie uszczelnienie łożyska, zabezpieczające przed wyciekaniem smaru. Uszczelnienie zabezpiecza również przed przenikaniem z zewnątrz ciał obcych, np. pyłu lub wilgoci. Uszczelnienia mogą być nie związane z łożyskiem (np. między pokrywą i wałem) lub też mogą występować bezpośrednio w łożysku. Wśród uszczelnień nie związanych z łożyskiem rozróżnia się uszczelnienia: pierścieniem filcowym (rys. 10.24a), kołnierzowe (rys. 10.24&) i labiryntowe (rys. 10.24c). Rodzaj uszczelnienia zależy od prędkości obwodowej wału i od zakresu temperatury nagrzania smaru. Uszczelnienia kołnierzowe są objęte normami: PN-81/M-86960 oraz PN-72/M-86964 i 86965.

Wśród łożysk z uszczelnieniem rozróżnia się m.in. łożyska z blaszkami ochronnymi, oznaczone (po numerze łożyska) literami Z lub ZZ oraz łożyska z uszczelkami gumowymi, oznaczone podobnie literami RS lub 2RS. Łożyska te mają blaszki lub uszczelki wciśnięte w podtoczenie w pierścieniu zewnętrznym. Łożyska z obustronnym uszczelnieniem (zakryte) odmian ZZ i 2RS są napełniane przez wytwórcę specjalnym smarem, którego zapas wystarcza na cały okres pracy łożyska. Łożysk tych nie wolno myć ani podgrzewać w gorącym oleju przed montażem.
Tribologia jest to nauka i wiedza o procesach zachodzących w ruchomym styku ciał stałych. W jej zakres wchodzą badania nad tarciem, zużyciem i smarowaniem zespołów ruchowych maszyn. Badania nad tarciem prowadzili tacy uczeni, jak Leonardo da Vinci, Euler, Newton i wielu, innych. Dla mechaników tribologia stanowi równie ważną naukę, jak mechanika, wytrzymałość materiałów i materiałoznawstwo, a jej znajomość jest niezbędna przy konstruowaniu i eksploatacji ruchowych węzłów maszyn, takich jak: łożyska, przekładnie, sprzęgła, hamulce itp. Stosowanie tej wiedzy w praktyce pozwala osiągnąć polepszenie sprawności, niezawodności i trwałości różnych urządzeń. Niektóre wiadomości o tarciu i smarowaniu są także podane w innych rozdziałach podręcznika. W tym rozdziale ujęto niektóre informacje z zakresu tribologii w sposób bardziej usystematyzowany. Teoria tarcia. Leonardo da Vinci po raz pierwszy wprowadził nazwę siła tarcia oraz sformułował dwa prawa dotyczące tego zjawiska:
1. Siła tarcia jest wprost proporcjonalna do obciążenia.
2. Siła tarcia jest niezależna od powierzchni tarcia.
Pojęcie powierzchnia tarcia nie jest jednoznaczne dla rozpatrywania zagadnień z zakresu teorii tarcia. Dlatego w tribologii rozróżnia się:
— nominalną powierzchnię styku, określoną wymiarami nominalnymi styku
ciał, między którymi zachodzi tarcie;
— rzeczywistą powierzchnię styku, która jest sumą mikrostyków w obszarze
powierzchni nominalnej.
Rzeczywistą powierzchnię styku można zobrazować następująco: pod wpływem obciążenia początkowo stykają się wierzchołki nierówności. W miarę zwiększania nacisku następują odkształcenia plastyczne mikronierówności, powodując zwiększanie powierzchni styku. Stan taki trwa aż do chwili, gdy rzeczywista powierzchnia styku jest wystarczająco duża, aby przenieść obciążenie zewnętrzne. Należy podkreślić, że współcześnie prowadzone badania nad tarciem wykazują, iż zjawisko to jest bardzo złożone, co uniemożliwia opracowanie jednoznacznej, uniwersalnej teorii tarcia.
Rodzaje tarcia. Tarcie jest zjawiskiem najczęściej spotykanym zarówno w przyrodzie, jak i w technice. Tarcie może być oceniane jako negatywne (opory ruchu ślizgania lub toczenia w łożyskach, przekładniach zębatych itp.) lub pozytywne (w sprzęgłach ciernych, w hamulcach itp.). Rozróżnia się tarcie suche (między powierzchniami nie smarowanymi), mieszane i płynne (gdy powierzchnie są rozdzielone warstewką środka smarnego). Stan przejścia ze stanu spoczynku do ruchu określa się jako tarcie statyczne (spoczynkowe); w czasie ruchu występuje tzw. tarcie kinetyczne (ślizgowe lub toczne) i ponownie — przy przejściu w stan spoczynku — tarcie statyczne.
Tarcie ślizgowe stanowi opór przesuwających się elementów i występuje w ruchu postępowym, postępowo-zwrotnym, obrotowym i wahadłowym. Tarcie toczne występuje przy toczeniu się kulki po powierzchni — wówczas tocząca się sztywna kulka powoduje odkształcenia sprężyste podłoża. Procesom tarcia towarzyszą straty energetyczne oraz — wywołane zużyciem — straty materiałowe i ekonomiczne. Szacunkowo ocenia się, że ok. 1/3 światowej produkcji energii zużywa się na pokonanie oporów tarcia — zatem wdrażanie wyników badań tribologicznych ma istotne znaczenie dla poprawy bilansu energetycznego i ekonomicznego.
Obliczanie siły tarcia. Klasyczne prawo tarcia brzmi: siła F równoważąca siłę tarcia, składając się z siłą normalną Fn, daje wypadkową Fr (rys. 10.25). Kąt zawarty między tą wypadkową a siłą normalną nazywa się kątem tarcia. Jeśli więc F = |FT|, to

a więc tangens kąta tarcia stanowi wartość współczynnika tarcia ślizgowego.

Współczesne badania nad tarciem charakteryzują się tym, że od pomiarów sił F, i F„ (w celu obliczenia ^) przechodzi się do prób zapisu tego procesu w postaci zależności p, od parametrów styku i warunków ruchu. Prowadzone badania tribologiczne wykazują, że opory tarcia suchego i mieszanego są spowodowane również: ścinaniem styków nierówności współpracujących powierzchni, twardością warstwy wierzchniej, wytrzymałością na ścinanie itd. Coraz wnikliwsze dociekania nad naturą procesu tarcia pozwalają na przewidywanie jakości i wartości tarcia — co uznaje się za podstawowy cel tribologii w aspekcie jej znaczenia dla konstrukcji i eksploatacji maszyn. Na podstawie wyników badań tribologicznych, prowadzonych przez różnych uczonych, wyprowadzane są prawa tarcia w innej postaci, np.:


gdzie μd— mechaniczny współczynnik tarcia, K — współczynnik zależny
od rodzaju styku (sprężysty czy plastyczny), h — głębokość zagłębienia
pojedynczej nierówności, r — promień zaokrąglenia nierówności.
W innych zależnościach uwzględnia się w jeszcze szerszym stopniu wpływ oddziaływania kształtu, wielkości nierówności, adhezji (zjawiska łączenia się dwóch różnych ciał na granicy zetknięcia) oraz innych czynników na wielkość oporów tarcia. Wzory 10.1510.18 podano w celu ogólnego zapoznania czytelników z tendencjami badań tribologicznych. Zużywanie. Zużywaniem elementów maszyn nazywa się ubytek masy lub trwałe odkształcenie powierzchni ciała stałego. Skutkiem zużywania jest zużycie, które występuje z przyczyn:
— nietribologicznych (nie związanych z tarciem),
— tribologicznych (związanych z tarciem).
Do przyczyn nietribologicznych zalicza się głównie korozję chemiczną, tj. niszczenie elementów pod wpływem czynników chemicznych, najczęściej gazów, które reagując na metale tworzą na ich powierzchni warstewkę stałej zgorzeliny. Do scharakteryzowania procesu zużywania najczęściej stosuje się pojęcie szybkości zużywania, czyli odniesienie ubytku (objętościowego, masowego lub liniowego) do jednostki czasu, drogi tarcia itp. Zużywanie tribologiczne. W elementach maszyn występuje na ogół zużywanie ustabilizowane: po okresie wstępnego docierania współpracujących elementów (przy malejącej intensywności zużywania) następuje okres normalnej eksploatacji (przy stałej intensywności zużywania). Po tym okresie mogą wystąpić zaburzenia w pracy wskutek zwiększenia luzów, zużycia utwardzonej warstwy wierzchniej itp. Pod koniec tego okresu zespół tribomechaniczny (zespół dwóch współpracujących elementów maszyn oraz smar jako czynnik pośredniczący w ich styku) powinien być wymieniony, aby nie dopuścić do zużycia awaryjnego. Rozpatrując procesy zużywania zespołu części maszyn należy zawsze mieć na uwadze zużycie obydwóch współpracujących elementów. Należy także zwrócić uwagę, że omówione poniżej procesy mogą występować równocześnie — i wówczas trzeba wyróżnić proces wiodący, najbardziej wpływający na zużycie. Rodzaje procesów zużywania tribologicznego podano w tablicy 10.6.Ścieranie (zużycie ścierne) jest najpowszechniejszym rodzajem zużycia, występującym wszędzie tam, gdzie luźne ścierniwo przesuwa się po powierzchni ciała stałego. W elementach maszyn zużycie ścierne powodują głównie twarde zanieczyszczenia (np. produkty zużycia współpracujących materiałów), przedostające się do środków smarnych lub do szczeliny smarowej.

Zużycie zmęczeniowe wywołane jest tarciem tocznym i występuje podczas toczenia lub toczenia z poślizgiem. Typowymi rodzajami tego zużycia jest łuszczenie i wykruszanie. Zużycie przez łuszczenie (spalling) występuje w styku suchym lub też w styku słabo smarowanym i polega na oddzielaniu się materiału w postaci łusek (na powierzchniach zużytych występują obszerne, ale płytkie ubytki). W częściach maszyn zużycie tego rodzaju występuje w słabo smarowanych łożyskach tocznych i przekładniach zębatych.
Zużycie przez wykruszanie (pitting) występuje w smarowanym styku a jego przyczyną jest głównie zmęczenie warstwy wierzchniej. Proces wykruszania składa się jakby z trzech faz: I — tworzenie się mikroszczelin pod wpływem zmęczenia, II — rozklinowywanie mikroszczelin pod wpływem wtłaczanego oleju podczas przetaczania elementów po sobie i III — wyrywanie cząstek materiału z warstwy wierzchniej (powierzchnie zużyte są gęsto usiane drobnymi jamkami i wyglądają jak „po ospie"). W zespołach maszynowych pitting występuje w łożyskach tocznych, przekładniach zębatych, napędach krzywkowych itp. Zużycie adhezyjne zachodzi najczęściej przy małych prędkościach i dużych naciskach — w warunkach niedostatecznego smarowania (lub jego braku). Występy nierówności powierzchni są wówczas sczepiane, a następnie ścinane. Podczas współpracy materiałów o różnej wytrzymałości (np. przy tarciu cyny po stali) zużycie to jest minimalne. Podczas współpracy materiałów o zbliżonej wytrzymałości występuje głębokie wyrywanie cząstek z jednej powierzchni; cząstki wyrywane i przywarte do trących się powierzchni bruzdują je, przyspieszając proces zużywania — co jest niedopuszczalne w eksploatacji maszyn. Zużywanie adhezyjne może zachodzić w wolnobieżnych łożyskach ślizgowych, a czasami w przekładniach ślimakowych — zwłaszcza gdy wymienione węzły maszyn są niedostatecznie smarowane, a materiały zespołu — źle dobrane. Zużycie cieplne występuje przy dużych prędkościach tarcia i dużych naciskach w zespołach tribomechanicznych. W tych warunkach pracy wytwarza się dużo ciepła i może wystąpić nawet nadtapianie metalu; proces ten
w konsekwencji wywołuje nawet zatarcie, a więc awarię zespołu. Zużycie takie jest niedopuszczalne. Uogólniając przedstawione informacje należy stwierdzić, że na zużycie
ruchowych węzłów maszyn wpływają głównie: rodzaj współpracujących materiałów i ich smarowanie, obciążenie, prędkość współpracujących elementów oraz temperatura na powierzchniach styku. Przeciwdziałanie zużyciu rozpoczyna się już na etapie konstruowania.
Konstruktor powinien dążyć do takiego zaprojektowania zespołu tribomechanicznego, aby wyeliminować możliwe zużycie lub co najmniej sprowadzić je do minimum. Znając założone warunki pracy danego węzła tarcia (łożyska ślizgowego, przekładni itd.), należy dobrać odpowiednie materiały na współpracujące elementy. W świetle wyników badań tribologicznych można przykładowo na panewki łożyska ślizgowego zastosować bimetal. Bimetale mają twarde podłoże (głównie stal o dużej Re) z naniesioną cienką warstewką
miękkiego metalu (stop łożyskowy, małe Rt). Stosowane obecnie stopy łożyskowe (np. babbity) są grubowarstwowe i w przypadku tarcia mieszanego nie zapewniają uzyskania małego współczynnika tarcia, natomiast zastosowanie bimetalu daje zmniejszenie oporów tarcia oraz znaczne oszczędności drogich materiałów. Ogólnie można podać, że współpracująca para materiałów powinna wykazywać małe tarcie; materiały te powinny charakteryzować się odpowiednią docieralnością, odpornością na zużycie, zwłaszcza na zatarcie, oraz niską wartością współczynnika tarcia w funkcji parametrów ruchowych (obciążenia, prędkości i temperatury). Ponieważ na ogół nie ma materiałów spełniających
wszystkie wymagania jednocześnie, dlatego przy ich doborze należy zastosować pewien kompromis tak, aby z punktu widzenia tribologii materiały te były możliwie najkorzystniej dobrane. Na etapie konstruowania narzuca się też założenia technologiczne i eksploatacyjne, które w procesie produkcyjnym powinny być ściśle przestrzegane.
Smarowanie. Konstruując poszczególne węzły tarcia, należy przewidzieć odpowiednie smarowanie. Jak wiadomo, głównymi celami smarowania są: zmniejszenie tarcia oraz wyeliminowanie lub zmniejszenie zużycia; odpowiednie smarowanie polepsza także odprowadzanie ciepła z obszarów styku i odprowadzanie z nich zanieczyszczeń. Radykalnie cele te można osiągnąć jedynie w procesie tarcia płynnego, tj. wtedy, gdy powierzchnie trących się ciał są całkowicie rozdzielone warstewką środka smarnego (tzw. lilmu smarowego). Tarcie płynne można uzyskać, stosując jako środki smarne: ciecze (oleje), gaz (np. powietrze) lub smary stałe (np. grafit). O znaczeniu zamiany tarcia suchego na płynne świadczy porównanie: przeciętny współczynnik tarcia przy tarciu suchym wynosi 0,10,3, a przy tarciu płynnym — 0,0020,005 (przy tarciu mieszanym występują wartości pośrednie), co oznacza uzyskanie wielokrotnego zmniejszenia strat tarcia oraz strat spowodowanych zużyciem. Z podanego porównania wynika, że w miarę możności należy zawsze dążyć do uzyskania tarcia płynnego. Tarcie płynne uzyskuje się przy stosowaniu smarowania hydrodynamicznego lub hydrostatycznego; w obu przypadkach następuje rozdzielenie współpracujących powierzchni przez wytworzenie w szczelinie smarowej odpowiedniego ciśnienia. Przy smarowaniu hydrodynamicznym w czasie rozruchu tworzy się klinowo zwężająca się szczelina smarowa (w kierunku ruchu), a następnie, dzięki ruchowi względnemu trących się ciał oraz lepkości środka smarnego i jego przyczepności do powierzchni trących, uzyskuje się tarcie płynne. Przy smarowaniu hydrostatycznym ciśnienie w szczelinie smarowej wytwarzane jest za pomocą pompy umieszczonej poza układem tribomechanicznym. Tarcie płynne uzyskuje się w wyniku występowania tzw. poduszki olejowej lub powietrznej, m.in. przy bardzo małych prędkościach roboczych. Wadą tego smarowania jest konieczność stosowania specjalnych układów smarowniczych z pompami wysokiego ciśnienia itd., co ogranicza jego zastosowanie do niezbędnych przypadków. Podsumowując podane tu wybrane informacje z zakresu tribologii, należy stwierdzić, że prowadząc odpowiednie badania i wprowadzając ich wyniki w praktyce, można osiągnąć bardzo duże oszczędności, zarówno w zużyciu energii, jak i w wyniku zmniejszenia zużycia elementów pracujących w węzłach trących.