Tłumaczymy nasz sklep na język polski!
Wymaga to jednak czasu, ponieważ w ofercie mamy dużo artykułów, a na nasz sklep składa się wiele stron. Chwilowo nasz katalog produktów dostępny będzie w języku angielskim. Dziękujemy za cierpliwość!
Łożyska kulkowe – rozkład obciążenia łożysk tocznych
Łożyska kulkowe i inne łożyska toczne są montowane w wielu maszynach. Zainstalowane łożyska przenoszą promieniowe lub osiowe siły, które występują w obudowie maszyny, a tym samym umożliwiają użycie różnych ruchomych elementów. Siły, które występują i wynikające z nich obciążenie łożyska, muszą być już określone podczas procesu projektowania. Rozkład obciążenia w łożysku i geometria styku mają kluczowe znaczenie dla oczekiwanej żywotności, funkcji i wydajności łożyska. W tym artykule przyjrzymy się obciążeniu wywieranemu na łożysko toczne i jak geometria powierzchni styku wpływa na rozkład obciążenia w łożysku tocznym.
Podstawy łożysk wałeczkowych
Łożyska toczne to łożyska obrotowe, które prowadzą ruchome części względem siebie i mocują je do otaczających elementów. Podczas tego procesu pochłaniają siły i przenoszą je jako element łączący uśpione i ruchome elementy. Ich główne funkcje to przenoszenie i kierowanie elementami poruszającymi się względem siebie. W tym przypadku na powierzchnie łożyska tocznego i elementów tocznych wywierane są nieznaczne siły.
Obciążenia wywierane na łożyska toczne w kontakcie z podzespołami
Główne obciążenie łożysk tocznych jest zwykle prostopadłe do płaszczyzny styku. Obciążenie to koncentruje się w łożysku tocznym na stosunkowo małych powierzchniach styku między korpusem tocznym a pierścieniem wewnętrznym lub zewnętrznym. Siły padające prowadzą do kompresji powierzchni, która zależy między innymi od kształtu wyścigu i toczącego się korpusu, a także od kierunku siły i liczby elementów tocznych pod obciążeniem w tym samym czasie. Powstała kompresja powierzchni wpływa na żywotność i zużycie, a także na maksymalną dopuszczalną nośność łożyska. Aby lepiej ocenić, zakres kompresji na powierzchniach nośnych można określić za pomocą równań Hertza.
Kompresja Hertz opisuje lokalny rozkład ciśnienia, który występuje na powierzchni styku dwóch zakrzywionych korpusów pod obciążeniem. Na podstawie obliczeń można określić powierzchnię nośną pod ciśnieniem, deformację i obciążenie powierzchni. Dla idealnego obliczenia przyjmuje się następujące warunki: zachowanie materiału liniowo-elastycznego, powierzchnie styku są stosunkowo małe, kontakt jest wolny od tarcia, a ciśnienie jest wywierane pionowo. W praktyce warunki te nie zawsze są dokładnie spełnione w łożyskach tocznych, ale formuła Hertz nadal zapewnia wystarczająco dokładne wyniki, aby ocenić maksymalną kompresję powierzchni. Na ich podstawie można lepiej zaprojektować łożyska toczne i określić maksymalne obciążenie łożysk kulkowych.
Wpływ geometrii powierzchni styku na rozkład obciążenia
Geometria powierzchni styku zmienia się w zależności od geometrii wyścigu i rodzajów zastosowanych elementów tocznych. Ma bezpośredni wpływ na rozkład obciążenia. Na przykład, tak zwane formy styku punktowego dla kulek, podczas gdy formularz styku liniowego dla cylindrycznych elementów tocznych. Styk punktowy prowadzi do ściskania pod obciążeniem. Zarówno piłka, jak i tor deformują się elastycznie. To odkształcenie tworzy eliptyczną powierzchnię styku o różnym rozkładzie kompresji. Kompresja znajduje się na maksimum (maksymalne odkształcenie) w środku powierzchni styku utworzonej przez odkształcenie, a następnie zmniejsza się na zewnątrz.
Styk punktowy występujący w rowkowanym łożysku kulkowym powoduje stosunkowo wysokie ściskanie powierzchni. Łożyska walcowe lub łożyska walcowe są zatem bardziej zalecane w przypadku dużych obciążeń promieniowych. Styk liniowy cylindrycznych elementów tocznych rozprowadza ciśnienie na większym obszarze. Elementy toczne i bieżnie odkształcają się nawet przy cylindrycznych łożyskach wałeczkowych pod obciążeniem. Ze względu na kształt elementów tocznych obciążenie ściskające kończy się nagle na końcach elementów tocznych, tak że szczyty ciśnienia występują w tych punktach.
Rolki bębna służą na przykład do uniknięcia nagłej nieciągłości obciążenia ściskającego. W przypadku symetrycznych rolek bębna powierzchnia zewnętrzna jest lekko zakrzywiona na długości cylindra, co tworzy eliptyczny rozkład ciśnienia. W przypadku niesymetrycznych łożysk cylindrycznych obciążenie ściskające przesuwa się minimalnie w kierunku większej krzywizny. Pozwala to na przykład na kompensację niewspółosiowości.
Inne typy elementów tocznych ze stykaniem się z linią obejmują wałek stożkowy i element toczny w kształcie igły. Kierunek obciążenia na stożkowej rolce odpowiada kątowi stożka. Obciążenia osiowe i promieniowe mogą zostać dostosowane. Niewspółosiowość umożliwia również pochłanianie szczególnie dużych obciążeń łączonych. W przypadku elementów tocznych w kształcie igły szczyty ciśnienia na końcu są minimalizowane przez wydłużony kontakt liniowy dzięki kształtowi igły.
Instrukcja projektowania łożysk kulkowych
Konstrukcja łożyska znacząco wpływa na funkcjonalność i żywotność łożysk kulkowych. Względny ruch pierścienia łożyskowego może mieć negatywny wpływ na żywotność. Ruch jest często spowodowany nieprawidłowym montażem: Pierścień łożyska nie jest prawidłowo wyrównany lub nie jest prawidłowo zamocowany. Dlatego podczas montażu należy upewnić się, że zamocowanie łożysk wałeczkowych pierścieni (pierścienia wewnętrznego i pierścienia zewnętrznego) oraz podkładek na osi lub otworze obudowy jest prawidłowo zamontowane. Nie dopuścić do ich ześlizgnięcia się pod obciążeniem.
Ale nie tylko zbyt luźna instalacja, ale także zbyt ciasna instalacja może mieć negatywne konsekwencje: Jeśli pierścienie łożyskowe są zbyt ciasne lub odkształcone z powodu nadmiernej siły podczas montażu, prowadzi to do nierównomiernego rozkładu obciążenia. Mogą wystąpić kolce obciążeniowe, które mogą spowodować przedwczesne uszkodzenie materiału i ryzyko pęknięcia. Odkształcony pierścień łożyska może tworzyć nowe powierzchnie styku dla tarcia i wytwarzania ciepła, co również negatywnie wpływa na żywotność.
Oprócz zapewnienia prawidłowego dopasowania, przed instalacją należy również zdefiniować żądany typ obciążenia. Alternatywnie można ocenić, na jaki rodzaj obciążenia będzie narażony pierścień. Typ obciążenia określa sposób mocowania lub przesuwania pierścienia łożyskowego względem źródła obciążenia i gniazda łożyska, które należy wybrać. Występują następujące typy:
- Obciążenie obwodowe: Obciążenie obwodowe łożyska występuje, gdy pierścień pracuje w stosunku do kierunku obciążenia. Cały pierścień jest podkreślany raz podczas rewolucji. Jeśli gniazdo jest luźne, pierścień może migrować, dlatego należy wybrać ciasne gniazdo.
- Punkt obciążenia: Punktowe obciążenie łożyska występuje, gdy pierścień jest ustawiony względem kierunku obciążenia. Ten sam punkt jest stale pod obciążeniem. Nawet jeśli siedzenie jest luźne, pierścień nie migruje.
W poniższej tabeli przedstawiono różne przypadki obciążeń łożysk promieniowych:
| Przypadek obciążenia | Schemat uproszczony | Opis | Regulacja |
|---|---|---|---|
| Pierścień zewnętrzny: Punkt obciążenia |  |
Pierścień wewnętrzny: obwodowy Obudowa i obciążenie: nieruchome |
stałe dopasowanie: pierścień wewnętrzny dopuszczalne luźne dopasowanie: pierścień zewnętrzny |
 |
Pierścień wewnętrzny: nieruchomy Pierścień zewnętrzny: obwodowy |
||
| Pierścień wewnętrzny: Punkt obciążenia |  |
Wał i obciążenie: obwodowe Pierścień zewnętrzny: nieruchomy |
stałe dopasowanie: pierścień zewnętrzny dopuszczalne luźne dopasowanie: pierścień wewnętrzny |
 |
Wał i obciążenie: obwodowe Pierścień zewnętrzny: nieruchomy |
Oba typy obciążeń mają różne zastosowania. Jednak w większości przypadków obciążenie obwodowe będzie zamierzoną równomierną opcją rozkładu obciążenia. Tolerancje dla łożysk i gniazd łożysk w ogóle można znaleźć na naszym blogu o dopasowaniach ISO i tolerancji dla wałów i otworów.
Oparte na projektowaniu rozwiązania dla łożysk pływających i stałych
W przypadku łożysk tocznych występują dwie wspólne konfiguracje łożysk: Łożyska swobodne i łożyska stałe. Łożyska stałe są przeznaczone do pochłaniania sił promieniowych, a także osiowych. Blokowanie wału w kierunku osiowym zapobiega jego przemieszczaniu się. Odpowiednie łożyska stałe obejmują dwurzędowe skośne łożyska kulkowe. Łożyska pływające służą wyłącznie do pochłaniania sił promieniowych. Oba typy łożysk są zazwyczaj rozmieszczone w taki sposób, aby mogły idealnie absorbować te obciążenia i kompensować zmiany termiczne długości wspartego wału lub obudowy. Odpowiednie łożyska pływające obejmują łożyska walcowe i łożyska igiełkowe. Koło łańcuchowe rolki może poruszać się wzdłuż bieżni bezżebrowego pierścienia łożyska.
Poniższe dwa rysunki przedstawiają różne rozkłady obciążenia podczas montażu łożyska kulkowego z rowkiem o różnym obciążeniu wstępnym (zamontowanym):
Do podparcia wału należy użyć co najmniej dwóch łożysk. Tak wiele łożysk składa się z łożyska stałego i dowolnej liczby łożysk pływających. Łożyska pływające wału obrotowego są zaprojektowane tak, aby pochłaniać siły promieniowe, umożliwiając jednocześnie ruch osiowy. Rozszerzalność termiczna wału i obudowy może być zatem zrównoważona.
Podczas projektowania łożyska i jego montażu zastosowanie mają następujące instrukcje:
- Sprawdzenie wyrównania wału: W przypadku przesunięcia wału, łożyska oscylacyjne są opcją (w zakresie kompensacji łożyska oscylacyjnego).
- Zapewnić optymalny rozkład obciążenia i równomierne rozłożenie na elementach tocznych (pierścienie nie mogą ślizgać się w kierunku obwodowym, biorąc pod uwagę łożyska stałe i pływające).
- Zapewnić bicie i planarność.
Wpływ czynników na wydajność i żywotność łożysk tocznych
Oprócz prawidłowego montażu inne parametry wpływają na wydajność i żywotność łożysk kulkowych i tocznych. Jak już wspomniano, dynamiczny rozkład obciążenia łożyska również ma wpływ. Poniżej szczegółowo przyjrzymy się dynamiczną znamionową obciążalnością łożysk i łożysk kulkowych, a także statyczną znamionową obciążalnością. Pokażemy również, jak obliczyć dynamiczną i statyczną wartość znamionową obciążenia dla łożysk. Następnie pokrótce rozważymy temperaturę jako przykład dalszych czynników wpływających.
Wpływ obciążenia dynamicznego i statycznego
Łożyska kulkowe można opisać dynamicznym i statycznym obciążeniem znamionowym. Wartość znamionowa obciążenia dynamicznego C służy do obliczania nominalnego okresu eksploatacji łożyska pod wpływem obciążenia X. Norma ISO 281 mówi, że łożysko jest używane przez co najmniej 1 milion obrotów. Współczynnik obciążenia statycznego C0 z kolei wskazuje maksymalne obciążenie, jakie można wywierać na łożysko w spoczynku bez trwałego odkształcenia (lub maksymalnego odkształcenia 1/10000). Im wyższa nośność dynamiczna, tym większe obciążenia, które mogą oddziaływać na pracujące łożysko. Im wyższa nośność statyczna, tym lepiej łożysko jest chronione przed odkształceniami pod dużym obciążeniem.
Współczynnik obciążenia dynamicznego jest zwykle określany przez producenta. Oblicza się dynamiczne obciążenie łożyska, które następnie porównuje się z dynamicznym obciążeniem znamionowym. Dynamiczne obciążenie łożyska oblicza się w następujący sposób:
P = X \times F_{r} \times F_{a} \times Y
- P = dynamiczne obciążenie łożyska w N
- Fr = siła promieniowa w N
- Fa = siła osiowa w N
- X = współczynnik obciążenia promieniowego
- Y = współczynnik obciążenia osiowego
- Współczynniki obciążenia X i Y zależą od wybranego typu łożyska i stosunku Fr i Fa (zazwyczaj specyfikacje producenta)
Obciążenie dynamiczne C powinno być większe lub równe określonemu obciążeniu dynamicznemu P, w przeciwnym razie istnieje ryzyko przeciążenia łożyska. Znamionowe obciążenie statyczne C0 można obliczyć w następujący sposób:
C_{0} = P_{0} \times S_{0}
- C0 = Obciążenie statyczne w N
- P0 = Równoważne statyczne obciążenie łożyska
- S0 = Współczynnik bezpieczeństwa obciążenia statycznego, w zależności od trybu pracy i wymagań dotyczących gładkości
Na obciążenie łożyska mają wpływ różne temperatury. Wysokie temperatury zmniejszają wytrzymałość materiałową elementów tocznych i bieżni. W tym celu istnieją czynniki obniżające, które należy uwzględnić przy projektowaniu łożysk tocznych w warunkach wyższej temperatury.
