Różnice między łożyskami kulkowymi i ślizgowymi – który typ łożyska jest odpowiedni dla użytkownika?
Łożyska kulkowe i łożyska ślizgowe to dwa podstawowe typy łożysk stosowanych w różnych układach mechanicznych w inżynierii mechanicznej. Głównym zadaniem łożysk jest umożliwienie określonych ruchów komponentów, a tym samym maksymalne zmniejszenie tarcia. Chociaż oba typy łożysk mają wspólny cel, istnieją zasadnicze różnice w konstrukcji, funkcjonalności i zastosowaniu. W tym artykule na blogu opisano najważniejsze różnice między łożyskami kulkowymi a łożyskami ślizgowymi.
Łożyska kulkowe jako rodzaj łożysk tocznych
Łożyska toczne należą do najczęstszych typów łożysk. Stosuje się w nich elementy toczne do kompensacji sił pomiędzy powierzchniami łożysk. Elementy toczne są umieszczone pomiędzy pierścieniem wewnętrznym i zewnętrznym. Łożyska toczne są często używane do podparcia wałów i osi, ponieważ mogą przenosić zarówno obciążenia osiowe, jak i promieniowe, w zależności od ich konstrukcji, umożliwiając obrót zamontowanego wału.
Łożyska kulkowe są podzbiorem łożysk tocznych i wspomagają ruch obrotowy przy najniższym możliwym tarciu. Składają się one z pierścieni wewnętrznych i zewnętrznych, pomiędzy którymi znajdują się kulki pełniące rolę ciał tocznych. Taka konstrukcja znacznie zmniejsza tarcie między ruchomymi częściami maszyny lub systemu. Podczas pracy wbudowane kulki rozkładają występujące obciążenia, umożliwiając płynny i wydajny obrót.
Rodzaje łożysk kulkowych
Rowkowane łożyska kulkowe
Łożyska kulkowe rowkowane są powszechnie stosowanym typem łożysk kulkowych, które charakteryzują się wgłębionymi bieżniami dla kulek. Taka konstrukcja pozwala im absorbować zarówno obciążenia promieniowe, jak i niewielkie obciążenia osiowe. Są one szeroko stosowane w wielu aplikacjach przemysłowych i mechanicznych ze względu na ich prostą konstrukcję i wydajność. Charakteryzują się one wysoką nośnością i trwałością.
Wahliwe łożyska kulkowe
Łożyska kulkowe wahliwe mają właściwości podobne do łożysk kulkowych rowkowanych, ale posiadają pierścień wewnętrzny z dwoma rzędami kulek prowadzonych w rowkach. Bieżnia pierścienia zewnętrznego ma kształt wydrążonej kuli. Taka konstrukcja umożliwia samonastawnemu łożysku kulkowemu dostosowanie się do niewielkich niewspółosiowości między pierścieniem wewnętrznym i zewnętrznym. Wynikająca z tego mobilność kątowa może być wykorzystana do kompensacji przekrzywionych pozycji lub błędów wyrównania.
Kątowe łożyska kulkowe
Łożyska kulkowe skośne to łożyska kulkowe specjalnego przeznaczenia, które – w przeciwieństwie do łożysk kulkowych rowkowanych – nie mają symetrycznej konstrukcji patrząc z boku. Pierścień zewnętrzny i pierścień wewnętrzny są wyposażone w odpowiednio przeciwległe jednostronne ramię, które umożliwia ukośny profil siły.
Oprócz obciążeń promieniowych mogą one zatem przenosić większe obciążenia osiowe niż na przykład łożyska kulkowe z rowkami. Łożyska kulkowe skośne jednorzędowe mogą być obciążane osiowo tylko z jednej strony, podczas gdy łożyska kulkowe skośne dwurzędowe mogą przyjmować obciążenia z obu kierunków.
Osiowe łożysko kulkowe
Osiowe łożyska kulkowe charakteryzują się zdolnością do wytrzymywania szczególnie dużych obciążeń w kierunku wału. Są one szczególnie przydatne w zastosowaniach, w których występują tylko siły osiowe. W zależności od konstrukcji łożyska osiowego, może ono absorbować jednostronne siły osiowe (jednostronne łożysko osiowe), zmieniające się siły osiowe (dwustronne łożysko osiowe), siły osiowe i umiarkowane siły promieniowe (osiowe łożysko kulkowe skośne). Łożyska kulkowe osiowe składają się z podkładek wału, podkładek obudowy i zestawów kulek.
Łożyska zwykłe
Łożyska zwykłe to łożyska, które nie wymagają elementów tocznych, takich jak kulki. Jednym z ich najczęstszych zastosowań jest prowadzenie i bezpieczne pozycjonowanie wałów pracujących z niskimi prędkościami lub wykonujących niepełne ruchy okrężne. Ruch obrotowy wału nie jest możliwy dzięki ciałom tocznym, ale poprzez przesuwanie powierzchni wału po powierzchni styku łożyska ślizgowego. Płyty ślizgowe są używane do przesuwania ruchów liniowych.
Aby zminimalizować tarcie między powierzchniami, stosuje się łożyska ślizgowe z samosmarowaniem lub zewnętrznym zasilaniem smarem. Zastosowane smary mogą ułatwić ruch między dwiema powierzchniami i zminimalizować tarcie.
Rodzaje łożysk ślizgowych
Tuleje łożysk ślizgowych
Tuleje łożysk ślizgowych lub tuleje ślizgowe to łożyska, które umożliwiają ruch o niskim współczynniku tarcia i tłumienia drgań między dwoma komponentami. Zapewniają one liniowy lub obrotowy ruch między komponentami.
Tuleje łożysk ślizgowych są podzielone na podstawie ich konstrukcji na tuleje łożysk ślizgowych z kołnierzem i tuleje łożysk ślizgowych bez kołnierza, zwane również cylindrycznymi tulejami łożysk ślizgowych. Ze względu na mechaniczny ogranicznik, tuleja łożyska ślizgowego z kołnierzem może absorbować umiarkowane siły osiowe.
Tuleje łożysk ślizgowych wyróżniają się ponadto sposobem smarowania.
- Proste łożyska ślizgowe nie wymagają konserwacji i nie są smarowane lub są smarowane smarem stałym.
- Łożyskowanie hydrostatyczne jest pochłaniane przy stałym smarowaniu. Łożyskowanie jest smarowane przez cały czas, o ile cyrkulacja jest zapewniona przez pompę. Łożyskowania hydrostatyczne muszą być dokładnie monitorowane i są kosztowne. Zaletami są niskie tarcie i niskie zużycie łożysk, nawet przy różnych obciążeniach.
- Łożyska hydrodynamiczne osiągają stan smarowania tylko przy określonej prędkości obrotowej, ponieważ smar jest rozprowadzany przez efekty hydrodynamiczne. Ponieważ efekty te nie mają miejsca w stanie hydrostatycznym, łożysko ślizga się przy niskich prędkościach pod wpływem tarcia suchego i przy przejściach w tarcie mieszane.
Podkładki oporowe
Podkładki oporowe, a także podkładki łożysk ślizgowych, to łożyska w kształcie tarczy, które działają jako łożyska osiowe wału. Podkładki łożysk ślizgowych są wkładane lub mocowane z jednej strony w zależności od zastosowania.
Różne układy łożysk
Łożysko stałe/pływające
Układ łożyska stałego/pływającego składa się zazwyczaj z dwóch łożysk. Łożyska stałe zabezpieczają wał w kierunku promieniowym i osiowym, co oznacza, że muszą być w stanie absorbować siły promieniowe i osiowe po obu stronach. Z kolei łożyska pływające mogą absorbować jedynie siły promieniowe w celu kompensacji ruchu osiowego lub przemieszczenia spowodowanego rozszerzalnością cieplną, tolerancjami produkcyjnymi itp.
Układ łożysk podporowych
Układ łożyska podporowego również składa się z dwóch łożysk, z których oba pochłaniają siłę promieniową. W przeciwieństwie do łożysk stałych/pływających, te układy łożysk mogą absorbować siły osiowe tylko w jednym kierunku. Łożyska podporowe dzielą się na dwie wersje: łożyska regulowane i łożyska pływające.
W przypadku łożysk regulowanych, dwa łożyska są ustawione naprzeciwko siebie – można również powiedzieć, że w lustrzanym odbiciu. Wał jest osiowo zamocowany w jednym kierunku przez jedno z łożysk, a w przeciwnym kierunku przez drugie łożysko. Ten układ łożysk jest często używany do prowadzenia wału pod naprężeniem wstępnym i precyzyjnego obrotu. Łożyska skośne lub łożyska stożkowe są często stosowane jako łożyska regulowane. W zależności od rozmieszczenia łożysk, rozszerzalność cieplna zastosowanych materiałów prowadzi do zmian naprężenia wstępnego łożysk, co może spowodować ich znaczne naprężenie i zniszczenie.
Łożysko pływające ma wiele podobieństw do łożyska regulowanego. Łożysko pływające pozwala jednak na pewien luz osiowy s, tzn. wał może poruszać się – lub pływać – osiowo na pewną odległość. Łożyska pływające są stosowane, gdy nie ma szczelnej prowadnicy osiowej. Typami łożysk odpowiednimi dla łożysk pływających są łożyska kulkowe zwykłe lub łożyska kulkowe sferyczne.
Kryteria wyboru łożysk ślizgowych i kulkowych
Podstawowa różnica między tymi dwoma rodzajami łożysk polega na ich strukturze i funkcjonalności. Decydując się na jeden z tych typów łożysk, warto wziąć pod uwagę następujące cechy wyróżniające:
- Tarcie i wydajność: Łożyska kulkowe wykorzystują elementy toczne, zwykle kulki, które toczą się między pierścieniami wewnętrznymi i zewnętrznymi, umożliwiając w ten sposób ruch o niskim współczynniku tarcia. Ponieważ kulki pochłaniają dużą część obciążenia, tarcie w łożyskach kulkowych jest generalnie niskie, co z kolei prowadzi do wydajnego przenoszenia momentów obrotowych i umożliwia osiąganie wyższych prędkości. Łożyska ślizgowe wykorzystują zasadę bezpośredniego tarcia między dwiema powierzchniami. W tym przypadku między wałem a łożyskiem ślizgowym powstaje warstwa ślizgowa, zwykle wykonana ze smaru. Ponieważ ruch odbywa się na powierzchni ze środkiem smarnym jako medium ślizgowym, tarcie w łożyskach ślizgowych jest generalnie wyższe niż w łożyskach kulkowych.
- Wrażliwość na naprężenia i wstrząsy: Łożyska ślizgowe są korzystne w zastosowaniach z niższymi prędkościami obrotowymi i dużymi siłami promieniowymi, ale łożyska kulkowe są odpowiednie do wyższych prędkości obrotowych. Ponieważ łożyska kulkowe generalnie mają niższe momenty tarcia niż łożyska ślizgowe, wytwarzają mniej ciepła, więc nie jest wymagane dodatkowe chłodzenie. Jeśli chodzi o obciążenie udarowe, łożyska ślizgowe są korzystne, ponieważ obciążenie materiału jest większe w łożyskach kulkowych ze względu na mniejszą powierzchnię łożyska korpusów wałeczkowych, a łożyska kulkowe są bardziej wrażliwe na obciążenia udarowe. Nawet drgania w spoczynku mogą z łatwością uszkodzić łożyska kulkowe, a niskiemu tłumieniu drgań łożysk kulkowych towarzyszy szeroki zakres drgań, hałasu i oscylacji. Z kolei łożyska ślizgowe są w stanie tłumić drgania spowodowane wibracjami.
- Żywotność i nakłady na konserwację: Łożyska ślizgowe mają stosunkowo długą żywotność, podczas gdy łożyska kulkowe są zwykle zaprojektowane tylko na ograniczony okres użytkowania. W porównaniu z łożyskami kulkowymi, łożyska ślizgowe wymagają mniej konserwacji, ponieważ ich zużycie jest raczej niewielkie nawet przy najwyższych obciążeniach. Są one również bardziej odporne na zabrudzenia niż łożyska kulkowe i dlatego lepiej nadają się do użytku w trudnych warunkach. Łożyska kulkowe musiałyby być starannie uszczelnione, aby zapobiec wnikaniu kurzu i brudu. Z drugiej strony, łożyska kulkowe mogą być integrowane z zespołami przy mniejszym wysiłku, ponieważ są to komponenty znormalizowane międzynarodowo. Łożyska kulkowe są generalnie lepsze niż łożyska ślizgowe, szczególnie przy wysokich prędkościach obrotowych, podczas gdy łożyska ślizgowe lepiej nadają się do ruchów obrotowych.
- Instalacja i koszty: Podczas gdy łożyska kulkowe wymagają stosunkowo dużej przestrzeni montażowej, łożyska ślizgowe są jednoczęściowe i kompaktowe, a zatem wymagają minimalnej przestrzeni. Są również łatwiejsze w montażu. Kolejną różnicą jest czynnik kosztów. Łożyska ślizgowe są nieco tańszym wariantem w porównaniu z łożyskami kulkowymi, ponieważ łożyska kulkowe powodują wyższe koszty projektowe, w tym samego łożyska, a także obudowy, powierzchni montażowych i elementów złącznych.
Przykład zastosowania
Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej tym zastosowaniu.
Przykładem zastosowania jest przenośnik szklanych płytek drukowanych. Łożyskowanie rolek jest realizowane za pomocą łożysk kulkowych. Odpowiednie komponenty do zaprojektowania łożyska można znaleźć w sklepie MISUMI:
