Wiadomości ogólne

Łożyska są to elementy maszyn służące do usadowienia wałów i osi w podporach (umożliwiają zachowanie jednego stopnia swobody - ruchu obrotowego wału lub osi).

Łożyska pośredniczą w transmisji ruchu między czynnymi i biernymi elementami maszyn. Przejmują siły uogólnione (siły i momenty sił) działające na element czynny (wał, oś) i w postaci reakcji przekazują je na statyczne konstrukcje wsporcze maszyn (podpory).

W łożyskach tocznych powierzchnie czopa i gniazda są rozdzielone częściami tocznymi, które umożliwiają ruch obrotowy czopa bez poślizgu względem oprawy dzięki przetaczaniu się.

Zastosowanie łożysk tocznych

• przy zmiennych prędkościach obrotowych wału,
• przy częstym zatrzymywaniu i uruchamianiu maszyny,
• w układach gdzie wymagana jest duża niezawodność pracy i duża trwałość łożyska,
• w budowie małych i zwartych konstrukcji (np. ze względu na wymiary korpusu maszyny),
• w układach z dużym obciążeniem spoczynkowym

Zalety łożysk tocznych

(w stosunku do łożysk ślizgowych)

• podstawowe wymiary łożysk tocznych są znormalizowane co zapewnia ich pełną zamienialność np. podczas remontów,
• charakteryzują się niższymi oporami ruchu (tarcia), mniej zależnymi od prędkości obrotowej, zwłaszcza w stanach nieustalonych (rozruch, hamowanie),
• brak zjawiska „stick-slip” (niestabilność ruchu o charakterze drgającym, występująca przy małych prędkościach),
• generują mniejsze ilości ciepła niż(nie wymagają monitoringu w cyklu ciągłym),
• węzły kinematyczne z łożyskami tocznymi są konstrukcjami bardziej zwartymi
• wymagają znacznie mniejszych ilości środka smarnego - na ogół są to łożyska bezobsługowe
• materiał wału, nie ma istotnego wpływu na funkcjonalność oraz trwałość łożysk tocznych (zwłaszcza właściwości jego warstwy wierzchniej).

Wady łożysk tocznych

(w stosunku do łożysk ślizgowych)

• są źródłem pobudzania układu (wału) do drgań mechanicznych(są generatorami drgań układu mechanicznego na skutek struktury geometryczno-materiałowej oraz impulsowego (punktowego) charakteru styku ciernego elementów tocznych z bieżniami),
• przy dużych prędkościach obrotowych, mogą ze względu na pobudzanie układu do drgań, być przyczyną pojawiania się znacznych obciążeń dynamicznych (może to powodować wystąpienie niekorzystnych poślizgów pomiędzy elementami tocznymi i bieżniami) dlatego w katalogach łożysk producenci podają maksymalna dopuszczalna prędkość obrotowa łożyska (tzw. graniczna prędkość obrotowa). Prędkość ta jest określana przez producentów dla danego łożyska - oddzielnie dla przypadku smarowania olejem i oddzielnie dla smarowania smarem plastycznym,
• elementy łożysk tocznych wykonane są z wysokojakościowych stali, co sprawia że są one podatne na tzw. kruche pękanie. Stąd łożyska toczne są wrażliwe na obciążenia udarowe (impulsowe), które należy w miarę możliwości wykluczyć (a przynajmniej zminimalizować) zarówno w procesie montażu, jak i użytkowania,
• węzły kinematyczne wymagają szczególnie precyzyjnego montażu przez wyspecjalizowane zespoły,
• wymagają szczególnie skutecznych uszczelnień uniemożliwiających wnikanie zanieczyszczeń z otoczenia do łożyska,
• łożyska toczne wymagają zachowania w całym okresie użytkowania wysokiej czystości smaru, a zwłaszcza nieobecności małych (o średnicy poniżej 5μm) twardych cząstek ściernych. Ze wzgledu na małe luzy konstrukcyjne obecność tych cząstek (zwłaszcza korundu - Al₂O₃ oraz krzemionki - Si0₂) może spowodować zakłócenie ruchu elementów tocznych, a nawet ruchu obrotowego łożyska, co zwykle prowadzi do awarii, strat natury technicznej, ekonomicznych oraz zagrożenia bezpieczeństwa (wskutek nagłego wzrostu temperatury),
• zanieczyszczenia środka smarnego (oleju, smaru plastycznego) są przyczyną znaczącego (nawet dziesięciokrotnego) obniżenia trwałości eksploatacyjnej łożysk tocznych.

Obciążenie promieniowe

Do przenoszenia jako głównych, obciążeń promieniowych stosuje się łożyska poprzeczne, dla których nominalny kąt działania α ≤ 45°.
Łożyska wałeczkowe nadają się do większych obciążeń promieniowych niż łożyska kulkowe o tej samej wielkości.
Łożyska walcowe typu N i NU są obciążalne tylko promieniowo. Łożyska poprzeczne pozostałych rodzajów przejmują zarówno obciążenia promieniowe, jak i osiowe.

Rysunek: Łożyska poprzeczne przenoszące głównie obciążenie promieniowe

α0 = 0°	α0 ≤ 45°	α0 = 0°	α0 ≤ 45°	α0 ≤ 45°
kulkowe zwykłe	kulkowe skośne	walcowe	stożkowe	baryłkowe

Obciążenie wzdłużne

Do przenoszenia jako głównego, obciążenia osiowego służą łożyska wzdłużne, których kąt działania α > 45°.
Łożyska kulkowe zwykłe wzdłużne i łożyska kulkowe skośne wzdłużne mogą przejmować siły osiowe, zależnie od wykonania, w jednym lub w obu kierunkach.
Przy szczególnie dużych obciążeniach osiowych stosuje się łożyska walcowe wzdłużne i baryłkowe wzdłużne.
Łożyska baryłkowe wzdłużne i łożyska kulkowe skośne wzdłużne jednokierunkowe przenoszą obciążenia złożone (osiowe i promieniowe).
Pozostałe rodzaje łożysk wzdłużnych przenoszą tylko obciążenie osiowe.

Rysunek: Łożyska wzdłużne przenoszące głównie obciążenie osiowe

α0 = 90°	α0 ≥ 45°	α0 = 90°	α0 ≥ 45°
kulkowe wzdłużne jednokierunkowe	kulkowe skośne wzdłużne dwukierunkowe	walcowe wzdłużne	baryłkowe wzdłużne

Kąt działania łożyska α

Kąt działania łożyska α to kąt zawarty pomiędzy osią poprzeczną O-O łożyska (prostopadłą do osi wzdłużnej – osi obrotu łożyska oraz kierunkiem nazywanym linią działania, uzyskanym przez połączenie punktu A styku elementu tocznego z bieżnią pierścienia zewnętrznego z punktem B styku tego elementu z bieżnią pierścienia wewnętrznego.

Wartość tego kąta zależy od postaci konstrukcyjnej łożyska i może stanowić kryterium podziału łożysk.

Nominalny kąt działania łożysk kulkowych jest zawarty między prostą łączącą punkty styku kulki z bieżniami w nieobciążonym łożysku a płaszczyzną prostopadłą do osi łożyska.
W łożyskach wałeczkowych mieści się on między prostą prostopadła do tworzącej bieżni zewnętrznej a płaszczyzną prostopadła do osi łożyska.

Rysunek: Kąt działania łożysk

łożysko kulkowe skośne	łożysko stożkowe	łożysko baryłkowe

Luzy wewnętrzne w łożyskach

Luzy wewnętrzne w łożyskach wpływają istotnie na ich trwałość i funkcjonalność. W łożyskach tocznych można wyróżnić wewnętrrzne luzy konstrukcyjne promieniowy s_r i osiowy s_a. Wartości tych luzów są określane przez producentów i zależą głównie od postaci konstrukcyjnej i wielkości łożyska tocznego.

Konstrukcyjny luz wewnętrzny po osadzeniu łożyska na wale ulega zmniejszeniu i jest wtedy określany mianem luzu eksploatacyjnego (zazwyczaj w granicach 0,3÷0,5μm wartości luzu konstrukcyjnego, czyli zwykle w granicach 0÷5μm).

Ze względu na wymagania eksploatacyjne (ze względu na luz) producenci łożysk promieniowych wyodrębniają 3 grupy łożysk:

• łożyska o luzie normalnym, oznaczone symbolem literowym i cyfrowym jako C0,
• łożyska o luzie zmniejszonym względem normalnego, oznaczone jako C1 lub C2,
• łożyska o luzie zwiększonym względem normalnego, oznaczone jako C3, C4 lub C5.

Wzrastające cyfry po symbolu literowym C wskazują na wzrost luzu, czyli dla C1 luz jest najmniejszy, a dla C5 - luz największy.

Łożyska o luzie normalnym (C0) - stosowane w węzłach kinematycznych maszyn pracujących w przeciętnych temperaturach roboczych (zazwyczaj od 40°C do 80°C) i dla ogólnie stosowanych pasowań.

Łożyska o zmniejszonym luzie (C1, C2) - zalecane, gdy pierścień zewnętrzny posiada wyższą temperaturę roboczą niż pierścień wewnętrzny oraz wymagana jest duża stabilność i równomierność ruchu, a także wysoka nośność (trwałość) łożysk.

Łożyska o luzie zwiększonym względem normalnego (C3,C4,C5) - zalecane, gdy robocza temperatura pierścienia wewnętrznego jest wyższa od temperatury pierścienia zewnętrznego, łożysko jest ciasno pasowane na wale i w obudowie, gdy pożądane są zminimalizowane opory tarcia.

Graniczny kąt przekosu

Wartość tego kąta powinna być większa od wielkości kąta osi ugiętej wału w punkcie podparcia (łożyska), w celu uzyskania optymalnego rozkładu obciążenia na elementy toczne łożyska.

Tablica: Dopuszczalne kąty ugięcia osi wału dla różnych rodzajów łożysk

Rodzaj łożyska	Dopuszczalny kąt ugięcia osi wału [rad]
Kulkowe jednorzędowe	≤0,005
Kulkowe wahliwe	≤0,07
Wałeczkowe i stożkowe	≤(0,0006÷0,0016)
Baryłkowe jednorzędowe	≤(0,035÷0,07)