Łożyska toczne,budowa,rodzaje i dobór

Łożyska toczne, ich budowa, podział i dobór.
Podstawowymi elementami łożyska tocznego są:
· części toczne,
· koszyk
· pierścienie z bieżniami.

Rys. 3.1. Części składowe łożyska tocznego
Bieżnie przenoszące obciążenie w głównym kierunku działania łożyska nazywane są bieżniami głównymi, prowadzące zaś element toczny lub przenoszące obciążenie w kierunku innym niż główny nazywane są bieżniami pomocniczymi (rys 3.1). Pierścień zewnętrzny osadzony jest w oprawie, a wewnętrzny na wale maszyny.
Między pierścieniami znajdują się ujęte koszykiem elementy toczne. Zadaniem koszyka jest oddzielenie elementów tocznych w celu uniknięcia ich wzajemnego tarcia, równomierne ich rozmieszczenie na obwodzie łożyska oraz ewentualne prowadzenie (rys. 3.2). Innym bardzo ważnym jego zadaniem jest utrzymanie łożyska jako zwartej całości, z wyjątkiem łożysk rozłącznych, jak np. stożkowe i walcowe. Jednak nawet w tych przypadkach koszyk utrzymuje części toczne i jeden pierścień jako nierozłączny zespół.

Rys. 3.2. Przykładowe koszyki łożysk

Nazwy poszczególnych rodzajów łożysk tocznych wynikają z ich klasyfikacji według następujących kryteriów:
· nominalnego kąta działania a (promieniowe i osiowe),
· kształtu części tocznych (kulkowe, walcowe, igiełkowe stożkowe, baryłkowe),
· możliwości wzajemnego wychylanie się pierścieni (zwykłe, wahliwe i samonastawne),
· uzupełniających cech konstrukcyjnych, jak np. liczby rzędów części tocznych, rozmieszczenia bieżni pomocniczych, uszczelek, blaszek ochronnych, kształtu powierzchni osadczych itp.
Nominalny kąt działania łożysk kulkowych jest zawarty między prostą łączącą punkty styku kulki z bieżniami w nieobciążonym łożysku a płaszczyzną prostopadłą do osi łożyska (rys. 3.3a). W łożyskach wałeczkowych mieści się on między prostą prostopadła do tworzącej bieżni zewnętrznej a płaszczyzną prostopadła do osi łożyska (rys. 3.3b i c).

a b c
Rys. 3.3. Kąt działania łożyska
Łożyska ze względu na wartość nominalnego kąta działania a (rys. 3.4) można podzielić na:
· promieniowe (poprzeczne) o kącie działania 0 ≤ a < 45
· osiowe (wzdłużne) o kącie działania 45 ≤ a < 90
· skośne, są to łożyska promieniowe, które do poprawnej pracy wymagają osiowego podparcia pierścieni.

promieniowe(poprzeczne) osiowe(wzdłużne) skośne
Rys. 3.4. Rodzaje łożysk ze względu na wartość nominalnego kąta działania łożyska
Łożyska ze względu na kształt części tocznych (rys. 3.5 i 3.6) można podzielić na:
· kulkowe,
· wałeczkowe:
o walcowe,
o igiełkowe,
o stożkowe,
o baryłkowe i inne.

kulka wałeczek walcowy igiełka wałeczek stożkowy baryłka
Rys. 3.5. Rodzaje części tocznych

kulkowe walcowe igiełkowe stożkowe baryłkowe
Rys. 3.6. Rodzaje łożysk tocznych ze względu na kształt części tocznych
Łożyska ze względu na możliwość wzajemnego wychylenia się pierścieni (rys. 3.7) można podzielić na:
· zwykłe,
· wahliwe,
· samonastawne.

zwykłe wahliwe samonastawne
Rys. 3.7. Rodzaje łożysk ze względu na wartość nominalnego kąta działania łożyska

Rys. 3.8. Demonstracja pracy łożyska wahliwego
Łożyska ze względu na ilość rzędów części tocznych (rys. 3.9) można podzielić na:
· jednorzędowe,
· dwurzędowe,
· wielorzędowe.

jednorzędowe dwurzędowe wielorzędowe
Rys. 3.9. Rodzaje łożysk tocznych ze względu na ilość rzędów części tocznych



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.