Łożyska zwykłe a łożyska zwykłe: różnice i kiedy stosować każde z nich

Łożyska kulkowe zwykłe nie stanowią specjalnej kategorii, odrębnej od „normalnych” łożysk — są to najpopularniejszy typ łożysk kulkowych i w większości kontekstów to właśnie je inżynierowie mają na myśli, mówiąc „normalne łożysko”. Kluczowe rozróżnienie dotyczy łożysk kulkowych zwykłych (DGBB) i innych typów łożysk, takich jak łożyska skośne, łożyska walcowe, łożyska igiełkowe i łożyska stożkowe. Łożysko zwykłe ma głębokość rowka bieżni znacznie większą niż w przypadku konstrukcji płytkiej lub konstrukcji „Conrad-lite” — ten głębszy rowek umożliwia łożysku jednoczesne wytrzymywanie zarówno obciążeń promieniowych, jak i umiarkowanych obciążeń osiowych (wzdłużnych), co czyni je domyślnym wyborem dla zdecydowanej większości maszyn wirujących. Praktyczną decyzją inżynierską, której dotyczy to porównanie, jest zrozumienie, kiedy wystarczy łożysko zwykłe, a kiedy wymagany jest inny typ.

Czym są łożyska kulkowe poprzeczne i dlaczego dominują

Łożysko kulkowe zwykłe składa się z pierścienia wewnętrznego, pierścienia zewnętrznego, zestawu stalowych kulek i koszyka — wszystko to jest precyzyjnie szlifowane z zachowaniem wąskich tolerancji. Cechą charakterystyczną jest rowek bieżni: kanał wycięty w obu pierścieniach, który prowadzi kulki, ma zazwyczaj głębokość równą 25–32% średnicy kuli . Głębokość ta jest większa niż w konkurencyjnych konstrukcjach i tworzy zgodną geometrię styku, która pozwala łożysku przeciwstawić się siłom działającym w wielu kierunkach.

Łożyska kulkowe zwykłe stanowią około 30–40% całej produkcji łożysk na świecie objętościowo, według szacunków głównych producentów, w tym SKF, NSK i FAG/Schaeffler. Są stosowane w silnikach elektrycznych, skrzyniach biegów, pompach, wentylatorach, przenośnikach, piastach kół samochodowych, sprzęcie gospodarstwa domowego, elektronarzędziach i tysiącach innych zastosowań, ponieważ oferują kombinację możliwości, których nie dorównuje innym pojedynczym typom łożysk: umiarkowana nośność promieniowa, dwukierunkowa nośność osiowa, duża prędkość, niskie tarcie, niski poziom hałasu i dostępność w konfiguracjach uszczelnionych/smarowanych, które nie wymagają konserwacji w terenie.

Łożyska kulkowe poprzeczne a łożyska kulkowe skośne

Łożyska skośne są najbardziej bezpośrednim porównaniem z łożyskami poprzecznymi i stanowią najczęstszą alternatywę w zastosowaniach wymagających dużego ciągu lub precyzyjnych.

Różnica strukturalna

W łożysku zwykłym linia siły nacisku pomiędzy kulką a bieżnią jest w przybliżeniu prostopadła do osi łożyska (kąt działania 0°) pod czystym obciążeniem promieniowym. W łożysku skośnym bieżnie są przesunięte w taki sposób, że siła nacisku działa pod określonym kątem – zazwyczaj 15°, 25° lub 40° do osi łożyska. Ten zamierzony kąt działania sprawia, że ​​łożyska skośne znacznie lepiej przenoszą obciążenia osiowe (wzdłużne), ale oznacza, że ​​mogą one wytrzymywać obciążenia osiowe tylko z jednego kierunku na łożysko. Dlatego też pojedyncze łożyska skośne są prawie zawsze używane parami, montowane twarzą w twarz (układ O) lub tyłem do siebie (układ X).

Wydajność obciążenia i prędkości

Dla danego rozmiaru powłoki łożyska, łożysko skośne o a Kąt zwilżania 40° niesie około 2–3× obciążenie osiowe równoważnego łożyska poprzecznego. Jednakże łożysko zwykłe wytrzymuje dwukierunkowe obciążenia osiowe bez konieczności stosowania łożyska współpracującego i pracuje z większymi prędkościami — łożyska skośne przy kącie działania 40° mają znacznie niższe prędkości znamionowe niż łożyska zwykłe tego samego rozmiaru ze względu na zwiększone ślizganie się kulek przy większym kącie działania. Na przykład łożysko zwykłe SKF 6208 ma prędkość graniczną wynoszącą 9500 obr./min , podczas gdy porównywalne łożysko skośne 7208 przy 40° ma wartość w przybliżeniu 6300 obr./min .

Kiedy używać każdego z nich

• Głęboki rowek: silniki elektryczne, wentylatory, pompy, przenośniki, urządzenia — dowolne zastosowanie z głównie obciążeniem promieniowym i niewielkim, dwukierunkowym obciążeniem osiowym
• Kontakt kątowy: wrzeciona obrabiarek, wały wyjściowe skrzyń biegów z przekładniami śrubowymi, piasty kół samochodowych, sprężarki osiowe – zastosowania z utrzymującym się dużym obciążeniem osiowym w określonym kierunku

Łożyska poprzeczne a łożyska walcowe

Łożyska walcowe zastępują kulki DGBB rolkami cylindrycznymi, które stykają się z bieżniami liniowo, a nie punktowo. Ta podstawowa różnica w geometrii pozwala uzyskać łożysko o znacznie większej nośności promieniowej, ale ograniczonej lub zerowej nośności osiowej.

Kontakt liniowy rolek cylindrycznych rozkłada obciążenie promieniowe na znacznie większą powierzchnię niż kontakt punktowy kulek. Zwykle łożysko walcowe znajduje się w tej samej obudowie, co łożysko kulkowe zwykłe 3–5 × obciążenie promieniowe . Wadą jest to, że większość konstrukcji łożysk walcowych (typu NU i N) w ogóle nie jest w stanie przenosić obciążeń osiowych. Typy NJ i NUP przenoszą obciążenie osiowe tylko w jednym kierunku. To sprawia, że ​​łożyska walcowe stanowią doskonały wybór w przypadku dużych obciążeń promieniowych — dużych silników elektrycznych, przekładni, walcarek, osi kolejowych — gdzie obciążenia osiowe przenoszone są oddzielnie przez łożysko wzdłużne lub skośne na drugim wsporniku wału.

Natomiast łożyska zwykłe obsługują oba kierunki w jednym zespole. W zastosowaniach, w których łączne obciążenie promieniowe i osiowe jest niewielkie, łożysko zwykłe całkowicie eliminuje potrzebę stosowania drugiego łożyska.

Łożyska poprzeczne a łożyska stożkowe

Łożyska stożkowe wykorzystują rolki stożkowe pomiędzy stożkowymi pierścieniami wewnętrznymi i zewnętrznymi. Geometria oznacza, że ​​linie styku wszystkich rolek zbiegają się w jednym punkcie na osi łożyska, tworząc łożysko, które wytrzymuje jednocześnie połączone obciążenia promieniowe i osiowe, w zasadzie podobne do łożysk poprzecznych, ale o znacznie większej nośności.

Łożysko stożkowe o danym rozmiarze wału przenosi 2–4× łączne obciążenie równoważnego łożyska kulkowego zwykłego. Stanowią one standard w łożyskach kół samochodowych, osiach samochodów ciężarowych, wałach napędowych z przekładniami stożkowymi lub hipoidalnymi oraz ciężkich przemysłowych skrzyniach biegów, w których obciążenia przekraczają nośność każdego praktycznego łożyska kulkowego. Ograniczeniami są większe tarcie (spowodowane ślizgiem na styku rolka-kołnierz), wyższa temperatura pracy, wymóg precyzyjnej regulacji osiowego napięcia wstępnego podczas montażu i niższa prędkość maksymalna w porównaniu z łożyskami poprzecznymi.

Podobnie jak łożyska skośne, łożyska stożkowe są zwykle stosowane w dopasowanych parach, ponieważ każde łożysko wytrzymuje obciążenie osiowe tylko w jednym kierunku. Układ łożyskowy musi być starannie zaprojektowany, aby ustawić prawidłowe napięcie wstępne — niewystarczające napięcie wstępne powoduje poślizg i szybką awarię zmęczeniową, natomiast nadmierne napięcie wstępne generuje ciepło i zmniejsza trwałość łożyska poniżej obliczonych wartości.

Łożyska poprzeczne a łożyska igiełkowe

W łożyskach igiełkowych stosuje się rolki o bardzo wysokim stosunku długości do średnicy (zazwyczaj 3:1 do 10:1 ), umożliwiając wykonanie łożyska o bardzo cienkim przekroju poprzecznym i dużej nośności promieniowej w minimalnej przestrzeni promieniowej. Stosuje się je tam, gdzie średnica wału jest duża w stosunku do dostępnej przestrzeni promieniowej – łożyska korbowodu w silnikach tłokowych, czopy wahaczy, krzyżaki przegubów uniwersalnych i popychacze krzywki.

Łożyska kulkowe zwykłe wymagają znacznie większego przekroju poprzecznego dla równoważnej średnicy wewnętrznej. Łożysko igiełkowe do wału o średnicy 30 mm może mieć średnicę zewnętrzną wynoszącą tylko 38–40 mm , podczas gdy równoważne łożysko zwykłe (6006) ma średnicę zewnętrzną wynoszącą 55mm . Gdy przestrzeń promieniowa jest ograniczona, jedynym praktycznym wyborem są łożyska igiełkowe — łożyska zwykłe po prostu nie pasują. Wadą jest to, że większość łożysk igiełkowych nie przenosi obciążenia osiowego, wymaga utwardzanej i szlifowanej powierzchni wału jako bieżni wewnętrznej (co zwiększa koszty produkcji) i ma bardzo ograniczone prędkości znamionowe.

Kompleksowe porównanie typów łożysk

Zaleta głębokości rowka: dlaczego „głębokość” ma znaczenie

Specyficzną zaletę techniczną głębszego rowka w DGBB można wyliczyć. W łożysku z płytkim rowkiem (czasami nazywanym konstrukcją „szczeliny wypełniającej”, w której szczelina w pierścieniu umożliwia załadowanie większej liczby kulek, ale zmniejsza głębokość rowka), powierzchnia styku kulki ze ściankami rowka jest zmniejszona. Przy obciążeniu osiowym ten płytki kontakt oznacza, że ​​obciążenie koncentruje się na krawędzi rowka, a nie jest rozłożone na ściance rowka – jest to stan, który powoduje powstawanie wysokiego hertza naprężenia kontaktowego i przyspiesza zmęczenie.

W prawidłowo zaprojektowanym łożysku poprzecznym promień krzywizny rowka jest typowy 51,5–53% średnicy kuli (zwany współczynnikiem zgodności lub oskulacją). Ta ścisła zgodność maksymalizuje powierzchnię styku pomiędzy kulką a bieżnią, zmniejszając maksymalne naprężenie kontaktowe. Na przykład łożysko zwykłe ISO 6208 z otworem 40 mm ma statyczne obciążenie osiowe wynoszące około 6550 N — nośność, której osiągnięcie przy porównywalnym rozmiarze w przypadku łożyska o płytkim rowku lub łożyska skośnego wymagałoby znacznego kąta działania.

Uszczelnione i ekranowane łożyska poprzeczne a konstrukcje otwarte

W samej rodzinie łożysk poprzecznych istnieją ważne warianty definiowane przez sposób zamknięcia boków łożyska:

• Łożyska otwarte (przyrostek: brak) — obie strony są otwarte; wymaga zewnętrznego smarowania (smarem lub olejem) i uszczelnionej obudowy, aby wykluczyć zanieczyszczenie; stosowany w skrzyniach biegów i zastosowaniach ze smarowaniem w kąpieli olejowej; umożliwia dosmarowanie podczas pracy
• Łożyska ekranowane (przyrostek: Z lub ZZ) — z jednej lub obu stron wyposażona w tłoczoną osłonę stalową, która nie styka się z pierścieniem wewnętrznym; niski opór, ale nie w pełni uszczelniony; nadaje się do średnio czystych środowisk; zapewnia podstawową ochronę przed zanieczyszczeniami bez znacznego wzrostu tarcia
• Łożyska uszczelnione (przyrostek: RS, 2RS lub RZ) — z jednej lub obu stron wyposażona w gumową uszczelkę stykową, która przylega do pierścienia wewnętrznego; całkowicie wypełnione smarem na całe życie ; doskonałe wyeliminowanie zanieczyszczeń i wilgoci; umiarkowany wzrost tarcia przy dużych prędkościach; dominujący wybór w przypadku silników, urządzeń i maszyn ogólnych, w których dostęp do konserwacji jest ograniczony; gumowa uszczelka ulega degradacji powyżej około 120°C , wymagające łożysk otwartych lub uszczelnionych w wysokiej temperaturze do zastosowań w podwyższonych temperaturach

Żaden inny popularny typ łożysk nie oferuje takiego samego zakresu wstępnie nasmarowanych, uszczelnionych konfiguracji w różnych rozmiarach i przedziałach cenowych dostępnych w przypadku łożysk kulkowych zwykłych — ta dostępność jest głównym praktycznym powodem ich dominacji.

Obliczanie trwałości łożyska: wpływ rodzaju obciążenia na trwałość L10

Wzór na trwałość łożyska ISO 281 oblicza trwałość L10 — liczbę obrotów, przy której 90% populacji identycznych łożysk będzie nadal działać — jako:

L10 = (C/P)³ × 10⁶ obrotów (dla łożysk kulkowych)

Gdzie C jest nośnością dynamiczną, a P jest równoważnym obciążeniem dynamicznym łożyska (połączeniem sił promieniowych i osiowych). W przypadku łożyska kulkowego zwykłego równoważne obciążenie dynamiczne P oblicza się przy użyciu współczynników uwzględniających zarówno obciążenie promieniowe (Fr), jak i obciążenie osiowe (Fa). Kiedy Fa/Fr przekracza wartość progową (zwykle zwaną współczynnikiem e 0,19–0,44 w zależności od serii łożyska) stosuje się współczynnik kary, który zmniejsza nośność efektywną.

Oznacza to, że łożysko zwykłe pracujące przy umiarkowanym obciążeniu osiowym (Fa/Fr poniżej progu e) przenosi je zasadniczo za darmo – bez zmniejszenia trwałości. Kiedy jednak dominuje obciążenie osiowe, żywotność gwałtownie spada, a wtedy przejście na łożysko skośne lub stożkowe zapewnia znaczącą przewagę inżynieryjną. Praktyczne wytyczne inżynierii zastosowań SKF i NSK brzmią: jeśli obciążenie osiowe przekracza 50–60% obciążenia promieniowego , oceń, czy łożyska skośne zapewnią znacznie lepszą trwałość eksploatacyjną, zanim zaczną stosować łożyska z głębokimi rowkami.

Typowe błędy przy błędnym wyborze i jak ich unikać

• Stosowanie łożyska zwykłego, gdy głównym czynnikiem jest duże obciążenie osiowe: Najczęstszy błąd. Jeśli w aplikacji występuje obciążenie osiowe znacznie przekraczające obciążenie promieniowe – na przykład wentylator z naprężeniem paska i osiowym ciągiem przepływu powietrza – łożysko skośne lub sparowany układ z głębokimi rowkami zapewnia znacznie dłuższą żywotność. Pojedyncze łożysko zwykłe poddane dużemu, długotrwałemu obciążeniu osiowemu wykazuje charakterystyczne uszkodzenie zmęczeniowe bieżni na jednym ramieniu rowka.
• Stosowanie łożyska zwykłego, gdy ekstremalne obciążenie promieniowe wymaga zastosowania łożyska wałeczkowego: Hertzowski kontakt punktowy łożysk kulkowych ogranicza nośność promieniową w porównaniu do łożysk tocznych liniowych. Duże obciążenia promieniowe w łożysku kulkowym powodują szybkie zmęczenie podpowierzchniowe. Jeśli obliczenia obciążenia wykażą, że trwałość L10 jest poniżej akceptowalnych granic w przypadku DGBB, problem zazwyczaj rozwiąże łożysko walcowe lub baryłkowe w tej samej obudowie.
• Wymiana łożyska ekranowanego na łożysko uszczelnione w zastosowaniach wymagających dużych prędkości: Uszczelnienie stykowe łożyska 2RS zwiększa moment tarcia, który podnosi temperaturę roboczą i zmniejsza prędkość znamionową. W zastosowaniach silników o dużej prędkości (powyżej 10 000 obr./min w przypadku małych łożysk) zastąpienie tarczy ZZ lub otwartego łożyska 2RS może spowodować przegrzanie nawet wtedy, gdy prędkość mieści się w zakresie maksymalnej wartości katalogowej.
• Traktowanie wszystkich łożysk „serii 6000” jako równoważnych niezależnie od klasy tolerancji producenta: Łożyska standardowe produkowane są w klasie tolerancji ISO Normal (PN). W przypadku wrzecion precyzyjnych łożyska poprzeczne z tolerancją ABEC 5 (P5) lub ABEC 7 (P7) zapewniają znacznie zmniejszone bicie promieniowe — P5 ogranicza bicie do ≤5 mikronów w porównaniu do ≤18 mikronów dla PN — co ma kluczowe znaczenie w zastosowaniach w obrabiarkach i instrumentach precyzyjnych.
• Ignorowanie wyboru luzu wewnętrznego: Łożyska zwykłe są dostępne w klasach luzu C2 (mniejszego niż normalne), CN (normalnego), C3 (większego niż normalne) i C4. Zastosowania wysokotemperaturowe wymagają C3 lub C4, aby zapobiec wstępnemu obciążeniu termicznemu. Instalacje na wcisk wymagają C3, aby skompensować zamknięcie na wcisk. Stosowanie standardowego luzu CN w obu sytuacjach prowadzi do zatarcia (zbyt ciasny) lub nadmiernych wibracji (zbyt luźny).

Praktyczny przewodnik po wyborze: kiedy łożyska poprzeczne są właściwym wyborem

Użyj łożysk kulkowych zwykłych jako opcji domyślnej, jeśli spełnione są następujące warunki:

1. Obciążenie promieniowe jest najważniejsze — obciążenie jest przeważnie prostopadłe do osi wału, przy czym obciążenia osiowe nie przekraczają około 50% obciążenia promieniowego w eksploatacji.
2. Obciążenie osiowe jest dwukierunkowe — łożysko musi wytrzymywać siły osiowe z obu kierunków bez sparowanego układu łożyskowego; głęboki rowek radzi sobie z tym w jednym łożysku.
3. Wymagana jest duża prędkość — aplikacja działa z prędkościami bliskimi lub przekraczającymi ograniczenia prędkości alternatywnych łożysk tocznych; Łożyska zwykłe charakteryzują się najwyższymi prędkościami znamionowymi spośród wszystkich standardowych typów łożysk dla danego rozmiaru otworu.
4. Ważny jest niski poziom hałasu i niskich wibracji — silniki elektryczne, urządzenia i produkty konsumenckie charakteryzują się cichą i płynną pracą, jaką można osiągnąć dzięki wysokiej jakości łożyskom poprzecznym (np. o oznaczeniach klas niskiego poziomu hałasu, takich jak specyfikacje akustyczne „E” firmy SKF lub „P6Q” firmy FAG).
5. Preferowana jest praca bezobsługowa — uszczelnione, wstępnie nasmarowane łożyska zwykłe nie wymagają smarowania w terenie i są dostępne w praktycznie każdym rozmiarze otworu 3mm do 200mm .
6. Efektywność kosztowa ma znaczenie — łożyska poprzeczne są najtańszym rodzajem łożysk precyzyjnych w przeliczeniu na jednostkę nośności ze względu na ich dużą wielkość produkcji; w przypadku zastosowań wrażliwych na koszty, spełniających wymagania dotyczące obciążenia i prędkości, żaden inny typ łożyska nie zapewnia porównywalnej wartości.