Często podstawowym czynnikiem wpływającym na dobór rodzaju łożyska jest przestrzeń, którą dysponuje konstrukcja urządzenia. Gdy przestrzeń jest ograniczona w kierunku poprzecznym – można zastosować łożysko ślizgowe lub toczne igiełkowe.
Dobierając łożysko, należy mieć na uwadze kilka cech, które różnią łożyska ślizgowe od tocznych. Przede wszystkim są odmienne pod względem geometrycznym.
Ogólnie przyjmuje się, że łożyska ślizgowe są szerokie w stosunku do swojej średnicy. Przeważnie stosunek ich długości do średnicy jest w zakresie 1÷2. Z kolei łożyska toczne są węższe, a ich średnica jest większa. Łożyska ślizgowe muszą być intensywnie smarowane w sposób ciągły różnego rodzaju olejami, zaś toczne są pierwszy raz smarowane przez producenta lub podczas montażu urządzenia. Mogą być smarowane np. smarami plastycznymi lub mgłami olejowymi, dzięki czemu są wygodniejsze w eksploatacji, ponieważ nie przysparzają kłopotów ze smarowaniem. Kolejnym czynnikiem decydującym o doborze łożyska jest charakterystyka pracy – łożyska ślizgowe powinny pracować z dużymi prędkościami. Nie stosuje się ich dla wolnych obrotów, poniżej ok.100 obr./min. Natomiast łożyska toczne mogą być stosowane w dowolnym zakresie obrotów. Wynika to z różnicy wartości siły, jaka musi zostać przyłożona do pokonania oporu ruchu. Można założyć z pewnym przybliżeniem, że przejście ze stanu spoczynku do ruchu w łożysku tocznym odbywa się bez wzrostu siły oporu ruchu, zatem tarcie toczne nie zależy od prędkości ruchu. Inaczej z kolei jest w łożyskach ślizgowych – przejście ze stanu spoczynku do ruchu wymaga przyłożenia siły do pokonania oporu ruchu. Z tego powodu w urządzeniach, w których łożyskowany element wolno się obraca, należy stosować łożyskowanie toczne (pozwala to uniknąć zjawiska slip-stick).
Łożyska ślizgowe są precyzyjniej wykonane, zatem można uzyskać większą dokładność łożyskowania, ponadto są cichobieżne, nie generują żadnych szumów. Łożyska toczne w zależności od spasowania elementów tocznych, dokładności wykonania, mogą generować niewielki hałas. W związku z tym w urządzeniach elektronicznych, jak np. odtwarzacz CD, z powodzeniem znajdują zastosowanie łożyska ślizgowe.
Łożyska igiełkowe to takie, które mają charakter łożysk tocznych, natomiast wymiarami geometrycznymi odpowiadają łożyskom ślizgowym. Ich wymiary mogą być niewielkie, a ze względu na brak miejsca najczęściej stosuje się łożyska bez pierścienia wewnętrznego, gdzie element toczny w postaci igiełki bezpośrednio toczy się po czopie wału. Łożyska igiełkowe są stosowane do łożyskowania elementów maszyn i urządzeń w przypadkach, gdzie występuje niewielka przestrzeń przeznaczona do łożyskowania, a wymagana jest stosunkowo duża nośność.
Cechy łożysk igiełkowych
Główną cechą charakterystyczną łożysk igiełkowych jest to, że mają one wałeczki walcowe o małym stosunku średnicy do długości, nazywane igiełkami. Ze względu na ich niewielki przekrój poprzeczny najlepiej nadają się do zastosowań o ograniczonej przestrzeni poprzecznej. Kolejną cechą łożysk igiełkowych jest to, że służą wyłącznie do przenoszenia sił poprzecznych, zapewniając przy tym dużą nośność, natomiast w ogóle nie przenoszą sił wzdłużnych. Jednak gdy konstrukcja wymaga przeniesienia zarówno sił poprzecznych, jak i wzdłużnych, rozwiązaniem będzie zestaw łożysk, tzw. łożysko kombinowane, gdzie skojarzone są ze sobą łożysko igiełkowe i kulkowe.
Czy jest zatem w ogóle sens stosowania łożyska igiełkowego? Otóż należy pamiętać, że niekwestionowaną przewagą łożysk igiełkowych jest możliwość przeniesienia dużych obciążeń ze względu na dużą powierzchnię (linię) styku elementów tocznych (w przypadku łożysk kulkowych styk jest punktowy). A czym różni się łożysko igiełkowe od wałeczkowego? To, czy nazwiemy łożysko igiełkowym, czy wałeczkowym definiuje wielkość igiełki. Średnica igiełki nie przekracza wartości ø = 6 mm i jednocześnie długość igiełki jest większa niż trzy średnice. Igiełki są na końcach odpowiednio zaokrąglane, aby uniemożliwić ich zaklinowanie pomiędzy płaszczyznami, między którymi się znajdują. W przypadku zastosowania łożyska igiełkowego bez bieżni wewnętrznej element toczny obraca się bezpośrednio po czopie wału. Taka sytuacja może mieć miejsce, gdy istnieje możliwość hartowania i szlifowania wału dla otrzymania bieżni o odpowiednich właściwościach. Czop wymaga odpowiedniego przygotowania, ponieważ staje się częścią łożyska – powinien np. w drodze obróbki cieplnej uzyskać parametry charakteryzujące stal łożyskową ŁH15 (czop powinien spełniać wymagania twardości, cech strukturalnych oraz mieć odpowiednią chropowatość).
Przy czym należy pamiętać, że w porównaniu z łożyskami kulkowymi, łożyska niemające pierścienia wewnętrznego charakteryzują się mniejszą sztywnością. Po zamontowaniu łożyska w innym elemencie, np. w korpusie, zwiększa się jego sztywność. Można również zwiększyć średnicę wału, poprawiając jego sztywność i wytrzymałość. Węzły łożyskowe podwyższonej dokładności można osiągnąć, jeżeli wał jest obrobiony odpowiednio dokładnie.
Trwałość łożysk igiełkowych
W konstrukcji maszyn dla łożysk określa się trwałość (najczęściej w godzinach lub milionach obrotów). Konstruktor przy użyciu algorytmu podanego przez producenta dla danego typu łożyska jest w stanie z pewnym prawdopodobieństwem oszacować dolny kres trwałości łożyska. W praktyce jednak często można spotkać łożyska nieawaryjne, które pracują np. dwukrotnie dłużej, niż wynikałoby to z obliczonej trwałości. Wynika to między innymi z rozbieżności w obróbce cieplnej materiałów oraz tolerancji pasowań. Zależność między trwałością nominalną, nośnością ruchową i obciążeniem dla pojedynczego łożyska wyrażona jest równaniem:
gdzie L jest nominalną trwałością łożyska wyrażoną w godzinach pracy, n – prędkość obrotowa w obr./min, C – nośność ruchowa łożyska podawana przez producenta wyrażona w N, P – obciążenie równoważne (zastępcze) wyrażone w N, q – wykładnik potęgi, dla łożysk igiełkowych jego wartość wynosi 10/3.
Katalogowa wartość obciążenia dynamicznego jest wartością porównawczą i wartością wyjściową do obliczeń konstrukcyjnych. Łożysko obciążone katalogową wartością obciążenia dynamicznego nie będzie pracować zbyt długo. Konstruktor powinien wyjść od założonej trwałości (czasu pracy) łożyska i za pomocą dostępnych wzorów lub programów obliczeniowych uwzględniających warunki pracy danej aplikacji (obroty, czas pracy, obciążenia, współczynniki bezpieczeństwa, rodzaj urządzenia itd.) wybrać łożysko spełniające założone parametry. Jest bardzo małe prawdopodobieństwo, że tak dobrane łożysko ulegnie awarii przedwcześnie, choć taki przypadek może się zdarzyć. Należy używać łożysk renomowanych producentów i przestrzegać zasad prawidłowego montażu, smarowania i eksploatacji łożysk.
Smarowanie
Łożyska igiełkowe uszczelnione, zarówno cienkościenne i z obrabianymi pierścieniami, są nasmarowane fabrycznie. Do smarowania używany jest smar plastyczny na bazie oleju mineralnego w zagęszczaczu złożonego mydła litowego, o klasie konsystencji NLGI 2 do 3. Temperatury pracy łożysk nasmarowanych uszczelnionych są ograniczone przez materiał uszczelnienia od -20 do +100°C. Fabryczne smarowanie łożysk jest bardzo dobrym rozwiązaniem, ułatwiającym montaż i eksploatację łożysk. Ważne jest również zapewnienie w ten sposób ochrony antykorozyjnej łożyska w czasie przechowywania. Ciekawe, a ciągle mało znane jest rozwiązanie łożyska igiełkowego, w którym wewnętrzna przestrzeń wypełniona jest tworzywem polimerowym nasyconym olejem smarującym.
Tworzywo polimerowe ma strukturę z milionami mikroporów, które utrzymują olej w materiale poprzez napięcie powierzchniowe. Olej stanowi przeciętnie 70% wagi materiału. Dzięki temu zapas środka smarującego w łożysku jest dużo większy niż w przypadku tradycyjnego smaru plastycznego. Dodatkowo do wypełnionego polimerem łożyska nie wnikają zanieczyszczenia i woda, dzięki czemu jego trwałość jest dużo większa i nie wymaga ono dodatkowego smarowania. Takie rozwiązanie stosuje w swoich łożyskach igiełkowych między innymi SKF (Solid-Oil) i IKO (Capilube). Dostawcą tych łożysk jest FIN Grupa Brammer.
Zastosowanie
Najczęściej łożyska igiełkowe można spotkać w samochodach. W większości aut w ten sposób łożyskowany jest wirnik alternatora, ale również przegub Cardana. Części widlaste przegubów łączone są za pomocą krzyżaków osadzonych na łożyskach igiełkowych (lub wałeczkowych). W starszych samochodach łożyska te były stosowane w konstrukcji zawieszenia – ruchy wahaczy odbywały się w oparciu o łożyska igiełkowe. W latach 60. zaczęto stosować w samochodach bezobsługową budowę podwozia, co wyeliminowało tego typu elementy, zastępując je silentblockami. Wraz ze zwiększaniem wymiarów łożyska rośnie ryzyko pojawienia się większych luzów, dlatego łożysk igiełkowych nie stosuje się do rozwiązań specjalnych, np. w dużych maszynach, za to z powodzeniem można je stosować w ręcznych urządzeniach lub w aparaturze pomiarowej. Wadą tego łożyska zastosowanego w alternatorze jest to, że wymienić należy łożysko z czopem, który również ulega zużyciu – jego powierzchnia się wyrabia. Jednak niekwestionowaną zaletą tych łożysk jest możliwość przeniesienia dużych obciążeń w stosunku do swoich niewielkich wymiarów przy dużej prędkości obrotowej – przy 3 tys. obr./min silnika alternator ma ok. 12 tys. obr./min. Łożyska igiełkowe znalazły bardzo szerokie zastosowanie w wielu urządzeniach przemysłowych i użytkowych. Służą do łożyskowania wałów w maszynach drukarskich, dziewiarskich, kompresorach, w przemyśle stalowym do łożyskowania rolek w odlewarkach ciągłych, w kolejnictwie w mechanizmach hamulców, w przegubach wałów napędowych. Bardzo szerokie zastosowanie mają w budowie narzędzi elektrycznych, pneumatycznych i spalinowych. Na bazie łożysk igiełkowych budowane są również rolki toczne.
O rosnącej popularności łożysk igiełkowych decydują dwa czynniki:
- dążenie do budowy coraz bardziej zwartych i lekkich maszyn, a łożyska igiełkowe zapewniają taką możliwość. Takie rozwiązania pozwalają na oszczędności materiałów i energii. Dynamicznie rozwijający się rynek elektronarzędzi najczęściej wykorzystuje właśnie łożyska igiełkowe.
- coraz lepsza jakość, trwałość i nośność łożysk igiełkowych powoduje, że stosowane są tam, gdzie jeszcze niedawno takie aplikacje były niemożliwe.
Między innymi w motoryzacji, gdzie łożyska igiełkowe stosuje się do łożyskowania korbowodów nie tylko w silnikach dwusuwowych, ale również w czterosuwowych małej mocy, stosowanych w narzędziach ogrodniczych, piłach spalinowych itp. Łożyska takie stosuje się też w łożyskowaniu układów rozrządu.
Asortyment na rynku
Niemal każdy producent łożysk ma w ofercie różne typy łożysk igiełkowych: z pierścieniem wewnętrznym i bez, z pierścieniami cienkościennymi, jedno- i dwurzędowe, a także kombinowane – igiełkowo-kulkowe. Większą popularnością cieszą się łożyska igiełkowe z obrzeżami niż bez obrzeży. Pierścień zewnętrzny wraz ze złożeniem igiełkowym tworzą nierozłączną część. Pierścienie zewnętrzne mają dwa obrzeża lub obrzeża wkładane w rowki na pierścieniu zewnętrznym. Łożyska o średnicy zewnętrznej większej niż 20 mm mają na pierścieniu zewnętrznym rowek i otwór smarowniczy. Ułatwieniem w montażu może być zastosowanie łożysk bez obrzeży na pierścieniu zewnętrznym, przy czym w tym przypadku należy zapewnić właściwe usytuowanie złożenia igiełkowego w kierunku wzdłużnym innymi elementami konstrukcji.
Łożyska igiełkowe z pierścieniem wewnętrznym są łożyskami rozłącznymi, więc oba pierścienie mogą być montowane niezależnie. Łożyska igiełkowe z pierścieniem zewnętrznym cienkościennym mają pierścień wytłoczony z blachy stalowej. Łożyska te są rozwiązaniem w sytuacjach, w których oprócz dużej nośności wymagany jest niewielki przekrój łożyska. Najczęściej stosowane są łożyska bez pierścienia wewnętrznego. Pierścienie wewnętrzne stosowane są tylko wtedy, gdy czop nie może być odpowiednio przygotowany.
W materiałach katalogowych SKF można znaleźć informacje dotyczące niewspółosiowości – łożyska igiełkowe wzdłużne nie dopuszczają żadnej niewspółosiowości kątowej między wałem i oprawą ani żadnej niewspółosiowości między wałem a powierzchniami oparcia osiowego w oprawie. Odpowiednio skorygowany styk igiełki z bieżnią minimalizuje powodujące uszkodzenia naprężenia krawędziowe. Łożyska igiełkowe są dostarczane głównie z koszykami stalowymi. Koszyki wykonane są zwykle z blachy stalowej metodą tłoczenia.
Łożyska SKF oznaczone przyrostkiem TN mają koszyk z poliamindu 66, mogą pracować w temperaturze do 120°C. Ponieważ wysokość promieniowa odpowiada wyłącznie średnicy igiełek, złożenia umożliwiają tworzenie łożyskowania o najmniejszych wymiarach w kierunku promieniowym, a do tego są bardzo łatwe w montażu. Złożenia igiełkowe mogą być zastosowane, jeżeli bieżnie na wale i w obudowie są hartowane i szlifowane. W przypadku dokładnego wykonania bieżni osiąga się łożyska o wysokiej dokładności bicia promieniowego. Na wielkość luzu promieniowego łożyska wpływa zarówno selekcja igiełek, jak i tolerancja wału i obudowy.
SKF nie podaje tolerancji dla łożysk igiełkowych cienkościennych przed ich zabudowaniem, ponieważ pierścień zewnętrzny tłoczony z blachy w wyniku procesu technologicznego ma zazwyczaj kształt nieco owalny. Wymagana tolerancja jest osiągana po wciśnięciu łożyska w oprawę, która zapewnia konieczny kształt i dokładność wymiarową. Tolerancja szerokości dla łożysk SKF wynosi 0÷0,2 mm. Tolerancje zalecane dla łożysk walcowych mają zastosowanie do łożysk igiełkowych z pierścieniem wewnętrznym. Dla łożysk igiełkowych bez pierścienia wewnętrznego odpowiedni luz można otrzymać przez dobór właściwej tolerancji wykonania bieżni na wale.
Na specjalne zamówienie producenci – oprócz łożysk igiełkowych zamieszczonych w katalogach – są w stanie dostarczyć łożyska innego typu, o wyższych klasach dokładności, z luzem większym lub mniejszym niż normalny oraz o nietypowych wymiarach.
Nowe technologie
Firma Schaeffler Polska wprowadziła na rynek łożyska X-life. Dotyczy to produktów Premium marki INA i FAG i daje inżynierom ds. rozwoju zupełnie nowe perspektywy konstrukcyjne. Najnowocześniejsze techniki produkcyjne umożliwiły uzyskanie lepszej i równomierniejszej powierzchni w całej strefie styku elementów tocznych i bieżni. Dzięki temu przy jednakowych obciążeniach zmniejszają się naciski powierzchniowe na elementach tocznych i powierzchniach bieżni. Przekłada się to na: zmniejszone tarcie i obniżoną temperaturę w łożysku, zmniejszenie zużycia środków smarnych, podwyższenie nośności dynamicznej, podniesienie nominalnego okresu żywotności. Zatem przy jednakowych warunkach pracy czas pracy łożysk X-life jest wyraźnie dłuższy. A z drugiej strony przy dotychczasowych okresach żywotności mogą być bardziej obciążane. Łożyska X-life poprzez zoptymalizowane własności umożliwiają na przykład zmniejszanie wymiarów węzła łożyskowego. Dzięki lepszemu stosunkowi ceny do sprawności wzrasta ekonomiczność łożyskowania.
Do produkcji łożysk igiełkowych stosowane są stale stopowe łożyskowe wg ISO683-17. Do produkcji łożysk igiełkowych cienkościennych Grupa Schaeffler wykorzystuje stale w postaci taśm wg EN10139, SAEJ403, które zapewniają bardzo dobre własności plastyczne przy głębokim tłoczeniu i potem pozwalają osiągnąć wysokie twardości powierzchni bieżni.
Autor: Ewa Zbierajewska
