Łożyska

Wiadomości ogólne o łożyskach

W celu zapewnienia prawidłowej pracy elementów maszyn poruszających się ruchem obrotowym (osi, wałów oraz części maszyn na nich osadzonych) powinno być zachowane stałe położenie osi obrotu wałów względem nieruchomej podstawy (np. korpusu obrabiarki).

Zadanie to spełniają łożyska, a ustalanie położenia osi i wałów względem korpusu maszyn i urządzeń nazywa się łożyskowaniem.

Łożyska są obciążone siłami wynikającymi z ciężaru wałów i osadzonych na nich elementów (kół zębatych i pasowych, sprzęgieł itd.) oraz siłami pochodzącymi od obciążenia wałów i osi. Łożyska wywierają na wał reakcje równe co do wartości siłom obciążającym łożysko i przeciwnie zwrócone (podobnie jak reakcje podpór w belkach).

Aby łożyska spełniały podane zadania, tzn. zapewniały ruch obrotowy wału i utrzymanie stałego położenia jego osi obrotu oraz przenosiły obciążenia, powinny się one charakteryzować małymi oporami ruchu, stabilną pracą, niezawodnością działania oraz odpornością na zużycie, czyli dużą trwałością. Powinny też spełniać określone wymagania technologiczno- konstrukcyjne.

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 czopa i łożyska są umieszczone elementy toczne (np. kulki) i wówczas zamiast tarcia ślizgowego występuje tarcie toczne. Poniżej podane przykłady stosowania obu rodzajów łożysk określają pośrednio również ich zalety i wady.

Łożyska ślizgowe na ogół stosuje się:

- przy przenoszeniu bardzo dużych obciążeń (nawet do kilku MN- w
- przypadku łożysk o średnicy 1m), 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 osiąganie 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 są najczęściej stosowane:

- gdy zależy nam na uzyskaniu bardzo małych oporów 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 częstszym zatrzymywaniu i uruchamianiu maszyn (gdyż w takich warunkach pracy łożyska ślizgowe zbyt szybko ulegają zużyciu),
- 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.

Wybór rodzaju łożysk (ślizgowych i tocznych) może być uzależniony również od szeregu innych czynników: od warunków pracy, konstrukcji wału, od sposobu smarowania (zależnego m. in. od możliwości doprowadzenia smaru do łożyska), od względów technologicznych związanych z naprawą i wymianą łożysk itd.

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.
- Wzdłużne, obciążone siłami działającymi zgodnie z kierunkiem osi obrotu wału.
- Poprzeczno-wzdłużne, przeznaczone do przejmowania obciążeń zarówno prostopadłych, jak i zgodnych z kierunkiem osi obrotu.


W celu zmniejszenia oporów ruch 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,

- Hydrodynamiczna (aerodynamiczne), w których warstwa nośna smaru(gazu) powstaje na skutek ruchu obrotowego czopa względem panwi i wzajemnego poślizgu miedzy powierzchniami ślizgowymi.

Smarowanie łożysk ślizgowych powietrzem stosuje się w urządzeniach o niewielkiej nośności, ale o bardzo dużych prędkościach obrotowych – od 40 000 do 360 000 obr/min, np. w mikroturbinach wrzecion szlifierskich, 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 trzeba dążyć do osiągnięcia możliwie małego tarcia.


Rozróżnia się tarcie:

- Suche, przy którym współpracujące części 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), zaś na pozostałym obszarze są rozdzielone warstewką smaru.


W łożyskach ślizgowych dąży się do uzyskania tarcia płynnego, ale w praktyce najczęściej występuje tarcie mieszane. Praca łożysk ślizgowych w warunkach tarcia suchego(bez smarowania) nie jest stosowana. Uzyskania tarcia płynnego jest możliwe przy zapewnieniu takich warunków pracy, aby ten smar stale znajdował się w szczelinie między czopem i panewką. Warunek ten jest spełniony gdy ciśnienie smaru w szczelinie nie jest większe niż naciski jednostkowe czopa na panewkę. Pożądane jest również, aby pracująca część panwi była pozbawiona rowków smarowych.


Smary i smarowanie

Podstawowym zadaniem smarów jest zmniejszenie tarcia między współpracującymi powierzchniami , a tym samym zmniejszenie ich zużycie. Smary często odgrywają 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 kinetyczna, tj. stosunek lepkości dynamicznej do gęstości płynu (oleju), mierzonej w m²/s;
- Smarność, czyli zdolność do trwałego przylegania do powierzchni ciał stałych;
- Temperaturą krzepnięcia i zapłonu;
- Temperaturą kroplenia (dla smarów plastycznych), przy której smar zaczyna topnieć;
- Odporność na starzenie, decyduje o częstości wymiany smaru.

Rozróżnia się smary: stałe, plastyczne i ciekłe, a ze względu na pochodzenie :

roślinne zwierzęce mineralne

Do smarów stałych zalicza się ciała stałe, jak np. grafit, dwusiarczek molibdenu, talk. Stosuje się je (zwykle w postaci proszkowej) dość rzadko, głównie do pracy w wysokich temperaturach.

Smary plastyczne (potocznie zwanymi stałymi) powstają przez zagęszczenie 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 dzielą się one na oleje wrzecionowe, maszynowe, cylindryczne.

Ze względu na sposób smarowania wyróżnia się smarowanie przelotowe, obiegowe oraz zanurzeniowe.

Do smarów plastycznych stosuje się zbiorniczki, z których smar wypływa na powierzchnię czopa po przekroczeniu temperatury kroplenia.

Do smarowania przelotowego (smarem ciekłym) stosuje się m.in. smarownice knotowe lub igłowe z regulacją wypływu.

Przyrządy służące do smarowania:

Smarowanie obiegowe można uzyskać, stosując pierścienie smarujące luźne lub stałe (w obu przypadkach pierścienie są częściowo zanurzone w smarze) albo obiegowe ciśnieniowe.

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 odpowiednio dobrać materiały na panwie łożysk (materiały łożyskowe).

Przy doborze materiałów łożyskowych należy więc kierować się tymi ich cechami, które są najbardziej istotne dla pracy określonych łożysk.

Od materiałów łożyskowych wymaga się zatem wysokiej wytrzymałości mechanicznej na obciążenia statyczne i dynamiczne, odporności na zatarcie, odporność na korozję, małego współczynnika tarcia, odpowiedniej rozszerzalności cieplnej, dobrego przewodzenia ciepła, dobrej odkształcalności, dobrej obrabialności, a także niskiej ceny. Mimo że istnieje bardzo dużo materiałów łożyskowych, żaden z nich nie spełnia wszystkich wymagań.

Do materiałów często stosowanych należą: brązy odlewnicze cynowe i ołowiowe o dużej twardości i wytrzymałości, mosiądze mają niższą wytrzymałość, ale lepszą odporność na pracę w podwyższonych temperaturze.

Do celów specjalistycznych stosuje się panewki wielo warstwowe, np. panewki stalowe pokryte warstwą srebra o grubości 0,50,75 mm i następnie warstwę ołowiu (ok. 0,05 mm)z dodatkiem idu.

Jeżeli smarowanie łożysk jest bardzo utrudnione lub ze względu na warunki pracy należy go unikać (w tradycyjnej formie ), stosuje się panewki z materiałów porowatych. Najczęściej są to tuleję prasowane, spiekane i nasycone olejem.

Poza stopami metali na panewki łożysk stosuje się inne materiały, jak twarde drewno (gwajak lub 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.

Elementem pośrednim jest najczęściej osadzona w korpusie tuleja, której powierzchnia wewnętrzna stanowi panew łożyska. Tuleja może być wylana warstwą stopu łożyskowego. tuleje łożyskowe stanowią wymienne części łożysk, przy czym mogą być one jednolite lub dwudzielne.

Przy dużych ugięciach wały stosuje się różne rodzaje panwi wahliwych (samonastawnych).

Tuleje łożyskowe powinny zabezpieczone przed obrotem i przed przesunięciem wzdłuż osi, przy czym element zabezpieczający (np. kołek) nie powinien utrudniać montażu i demontażu.

Korpus łożysk ślizgowych poprzecznych są wykonane jako oddzielne elementy maszyn i urządzeń.

Dokładność wykonania łożysk - luzy łożyskowe.

Ustalając wartości 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.

Łożyska wzdłużne

Podstawowe łożyska wzdłużne służą do przenoszenia obciążeń, gdy wały pracują w położeniu pionowym. Łożyska te są smarowane pod ciśnieniem. W większych łożyskach stosuje się m.in. panewki segmentowe. Powierzchnie oporowe segmentów są tak ukształtowane, aby umożliwić wytwarzanie klina smarowego, a tym uzyskanie tarcia płynnego.

Łożyska toczne

Budowa i podział:

Praca łożyska tocznego charakteryzuje się tym, że w skutek toczenia się elementów tocznych względem pierścienia między powierzchniami tych pierścieni a kulkami występuje tarcie zwane tocznym.


Istnieją także inne odmiany łożysk walcowych i igiełkowych bez koszyczka lub bez pierścienia wewnętrznego, oraz również 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 zapewniania równomiernego rozmieszczania elementów tocznych na obwodzie łożyska.

W łożyskach tych występują naprężenia stykowe ze względu na prawie punktowy lub liniowy styk elementów tocznych z bieżniami, dlatego wykonuje się je ze stali o specjalnych własnościach, głównie dużej twardości i odporności na ścieranie.

Łożyska toczne dzielimy na: poprzeczne, wzdłużne i skośne, zdolne do przenoszenia obciążeń prostopadłych do osi obrotu wału lub działających wzdłuż jego osi obrotu, lub zdolne do przenoszenia obu rodzajów obciążeń.

W zależności od kształtu elementów tocznych rozróżnia się łożyska kulkowe i walcowe. Wałeczki mogą być kształtu walcowego, stożkowego lub baryłkowego.

Rodzaje łożysk tocznych

Podział łożysk tocznych wg głównych cech konstrukcyjnych oraz oznaczenia łożysk

Osadzanie łożysk tocznych na wałach i w korpusach maszyn

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 wzg. maszyny, natomiast drugie łożysko powinno mieć możliwość wzdłużnego przesuwu wzg. korpusu, aby nie krępować odkształceń cieplnych wału oraz dla zabezpieczenia przed nadmiernym wzrostem naprężeń np. w wyniku usterek montażu.

Najczęściej stosowany sposób ustalania wzdłużnego:

Jednak również stosuje się mocowanie łożysk na wale za pomocą nakrętek łożyskowych i podkładek zębatych. Pierścienie łożysk są ustalanie wzdłużne również za pomocą pierścieni sprężynujących.

Nie przestrzeganie zasady wzdłużnego ustalania może doprowadzić do zakleszczenia elementów tocznych i zniszczenia łożyska.

Praca łożysk

Rozpatrując warunki pracy łożyska wyróżniamy dwa podstawowe przypadki obciążenia łożysk:

- gdy ruchomy jest wałek (przypadek najczęściej stosowany w praktyce)
- gdy ruchoma jest oprawa

W pierwszym przypadku pierścień wewnętrzny jest osadzony ciasno, a zewnętrzny z niewielkim luzem, a w drugim jest odwrotnie

Dokładność wykonania łożysk.

Ustalając wartości luzu należy, m.in. uwzględnić chropowatość powierzchni, różnice rozszerzalności cieplnej materiału łożyskowego, maksymalną temperaturę nagrzania łożyska, konieczność uzyskania stabilnej pracy wału w różnych temperaturach.

Zakładanie i zdejmowanie łożysk

Mniejsze łożyska wtłacza się najczęściej za pomocą młotka i tulei lub za pomocą prasy , zwracając uwagę na współosiowość otworu łożyska i czopa wału. W celu ułatwienia montażu można podgrzać łożyska w oleju do temp 80 – 90 C . Przy zakładaniu lub zdejmowaniu łożyska należy przestrzegać by siły użyte do zakładania lub zdejmowania nie działały na elementy toczne.

Łożyska toczne zdejmuje się w celu:

- wymiany łożyska zużytego
- umożliwienia wymiany innych elementów osadzonych na wale

Mechaniczne sposoby zdejmowania łożysk:

Smarowanie i uszczelnianie

W łożyskach tocznych smar spełnia następujące zadania:

- zmniejsza zużycie powierzchni bieżni i elementów tocznych
- odprowadza ciepło
- chroni łożysk przed zanieczyszczeniami i wilgocią

W zależności od rodzaju smaru i systemu smarowania konieczne jest odpowiednie uszczelnienie łożysk, zabezpieczające je przed wyciekiem smaru.

Wśród łożysk z uszczelnieniem rozróżnia się m.in. łożyska z blaszkami ochronnymi, łożyska z uszczelkami gumowymi oraz łożyska uszczelnione obustronnie ( zakryte ) – które są napełniane smarem, który wystarcza na cały okres pracy łożyska