A kis szupermarket kocsijától a hatalmas erőművekig számos könnyű és ipari berendezés nem működhetne csapágyak használata nélkül.

A csapágyak számos géptípus alapvető tribológiai elemei, és számos formában és alakban léteznek. Olyan alkatrészként definiálhatók, amely csak egy meghatározott típusú mozgást (a szabadságfokok korlátozását) támogatja/engedélyezi egy rendszerben, amely statikus vagy dinamikus terhelés alatt állhat.

Egy példa erre a tolóajtó. Az ajtót nem lehet felemelni vagy eltávolítani a helyéről. Csak a kinyitásához engedi meg a csúsztatást. A lehetséges mozgást a csapágyak csúszó mozgásra korlátozzák.

Mire szolgálnak a csapágyak?

A csapágyak fő célja, hogy megakadályozzák két egymáshoz képest mozgásban lévő elem közvetlen fém-fém érintkezését. Ez megakadályozza a súrlódást, a hőtermelést és végső soron az alkatrészek elhasználódását. Emellett csökkenti az energiafogyasztást, mivel a csúszó mozgást alacsony súrlódású gördülés váltja fel.

A forgó elem terhelését is átadják a háznak. Ez a terhelés lehet radiális, axiális vagy a kettő kombinációja. A csapágy a mozgó alkatrészek mozgási szabadságát is előre meghatározott irányokra korlátozza a fentiekben tárgyaltak szerint.

Gördülőelemes csapágyak

A gördülőelemes csapágyak golyó vagy henger alakú gördülőelemeket tartalmaznak. Tudjuk, hogy egy kereket könnyebb gördíteni, mint csúsztatni a talajon, mivel a gördülési súrlódás nagysága kisebb, mint a csúszási súrlódásé. Ugyanez az elv működik itt is. A gördülőelemes csapágyakat arra használják, hogy megkönnyítsék a forgó mozgásban lévő alkatrészek szabad mozgását.

Még ha lineáris mozgásra van is szükségünk az alkalmazásokban, a forgó mozgást könnyen át lehet alakítani csúszó mozgásra. Gondoljunk csak egy mozgólépcsőre vagy egy szállítószalagra. Bár a mozgás lineáris, mégis görgők hajtják, amelyeket motorok hajtanak.

Egy másik példa a dugattyús szivattyú, amely a motorból származó forgási energiát át tudja alakítani transzlációs mozgássá a tengelykapcsolatok segítségével. Mindegyik alkalmazásban golyóscsapágyakat használnak a motortengelyek, valamint a szerelvényben lévő egyéb görgők tengelyeinek alátámasztására.

A gördülőelemek nagy súrlódás nélkül viselik a terhelést, mivel a csúszó súrlódást gördülési súrlódás váltja fel. A gördülőelemes csapágyak két fő típusra oszthatók: golyóscsapágyak és görgőscsapágyak.

Golyóscsapágyak

A golyóscsapágyak az egyik leggyakrabban használt csapágyosztály. Gördülőelemként egy sor golyóból áll. Ezek két gyűrű alakú fémdarab közé vannak beszorítva. Ezeket a fémdarabokat futófutóknak nevezik. A belső futófelület szabadon forog, míg a külső futófelület mozdulatlan.

A golyóscsapágyak nagyon alacsony súrlódást biztosítanak a gördülés során, de korlátozott teherbírással rendelkeznek. Ennek oka a golyók és a futófelületek közötti kis érintkezési felület. A radiális terhelések mellett két irányú axiális terhelést is elviselnek.

A golyóscsapágyakat oszcillációs és rotációs mozgás szabályozására használják. Például az elektromos motorokban, ahol a tengely szabadon foroghat, de a motorház nem, golyóscsapágyakat használnak a tengely és a motorház összekötésére.

Az alkalmazástól függően különböző típusú golyóscsapágyak közül lehet választani.

A golyóscsapágyak előnyei:

• Jó kopásállóság
• Nem igényel sok kenést
• Kis súrlódást biztosít, ezáltal kis energiaveszteség
• Hosszú élettartam
• Egyszerűen cserélhető
• Kis általános méretek
• Viszonylag olcsó
• Tolóerőkkel is megbirkózik

A golyóscsapágyak hátrányai:

• Sokkok hatására eltörhet
• Meglehetősen hangos lehet
• Nem bírja a nagy súlyokat

Mélyhornyú golyóscsapágyak

Ez a legszélesebb körben használt golyóscsapágy típus. A két futófelület között egy golyókból álló gyűrű reked, amely átadja a terhelést, és lehetővé teszi a két futófelület közötti forgó mozgást. A golyókat egy rögzítőelem tartja a helyén.

Ezeknek nagyon alacsony a gördülési súrlódása, és alacsony zajra és rezgésre optimalizáltak. Ezáltal ideálisak nagy sebességű alkalmazásokhoz.

Viszonylag könnyen felszerelhetőek és minimális karbantartást igényelnek. A beszerelés során ügyelni kell a futóművek horpadásának elkerülésére, mivel azokat a tengelyekre kell felnyomni.

Golyóscsapágyak

Ebben a golyóscsapágy típusban, a belső és a külső futófelület a csapágytengely mentén egymáshoz képest elmozdul. Ezt a típust úgy tervezték, hogy a radiális terhelések mellett mindkét irányban nagyobb mértékű axiális terhelést is elbírjon.

A belső és a külső futófelület eltolódása miatt a tengelyirányú terhelés a csapágyon keresztül átvihető a házra. Ez a csapágy alkalmas olyan alkalmazásokhoz, ahol merev axiális vezetésre van szükség.

A gyűrűs csapágyakat széles körben használják mezőgazdasági berendezésekben, gépjárművekben, sebességváltókban, szivattyúkban és más nagy sebességű alkalmazásokban.

Önbeálló golyóscsapágyak

Ez a golyóscsapágytípus immunis a tengely és a ház közötti eltérésre, amely a tengely elhajlása vagy szerelési hibák miatt következhet be.

A belső gyűrű a mélyhornyos golyóscsapágyakhoz hasonlóan mély hornyokkal rendelkezik, amelyet két sor golyó és a külső gyűrű követ. A külső gyűrű homorú alakú, és ez némi szabadságot biztosít a belső gyűrűnek, hogy átrendeződjön az eltolás függvényében.

Tológolyós csapágyak

A tológolyós csapágyak a golyóscsapágyak egy speciális típusa, amelyet kifejezetten axiális terhelésre terveztek. Radiális terhelést egyáltalán nem tudnak elviselni.

A tológolyós csapágyak alacsony zajszintet és sima működést mutatnak, és nagy sebességű alkalmazásokra alkalmasak.

Egyirányú vagy kétirányú csapágyként kaphatók, és a választás attól függ, hogy a terhelés egyirányú vagy kétirányú.

Mikor használjunk golyóscsapágyat?

Vázoljunk tehát néhány olyan munkakörülményt, amelyeknél szükség lehet golyóscsapágyra.

1. Torlódási terhelés van jelen. A golyóscsapágyak a kialakításuknak köszönhetően képesek elviselni a tengelyirányú terhelést.
2. Nincsenek nagy terhelések. A golyós gördülőelemek miatt a csapágyak az összes erőt néhány érintkezési pontra koncentrálják. Ez nagy terhelés esetén korai meghibásodáshoz vezethet.
3. Nagy sebességek. A golyóscsapágy kis érintkezési pontjai kisebb súrlódást is jelentenek. Így kisebb ellenállást kell leküzdeni, és így könnyebb nagy sebességeket elérni ezekkel a csapágytípusokkal.

Gördülőcsapágyak

A gördülőcsapágyak a golyók helyett hengeres gördülőelemeket tartalmaznak teherhordó elemként a futófelületek között. Egy elem akkor tekinthető görgőnek, ha a hossza hosszabb, mint az átmérője (még ha csak kis mértékben is). Mivel a belső és a külső futófelülettel vonalasan érintkeznek (a golyóscsapágyakhoz hasonló pontszerű érintkezés helyett), nagyobb terhelést képesek elviselni.

A gördülőcsapágyak többféle típusban is kaphatók. A megfelelő típust többek között a terhelés típusának és nagyságának, az üzemi körülményeknek, valamint az illesztési hiba lehetőségének figyelembevétele után lehet kiválasztani.

A görgőscsapágyak előnyei:

• Egyszerű karbantartás
• alacsony súrlódás
• Magas radiális terheléseket képes elviselni
• A kúpos görgős csapágyak nagy axiális terhelést képesek elviselni
• Nagy pontosság
• A tengelyirányú elmozdulás beállítására használják
• alacsony rezgések

A görgős csapágyak hátrányai:

• Zajos
• Meglehetősen drága

Hengeres görgőscsapágyak

Ezek a legegyszerűbbek a görgőscsapágyak családjából. Ezek a csapágyak képesek szembenézni a nagy radiális terhelés és a nagy sebesség kihívásaival. Emellett kiváló merevséget, axiális teherátvitelt, alacsony súrlódást és hosszú élettartamot biztosítanak.

A teherbírás tovább növelhető a hengeres görgők megtartására általában alkalmazott ketrecek vagy rögzítők használatának mellőzésével. Ez lehetővé teszi több görgő felszerelését a terhelés elviseléséhez.

Egysoros, kétsoros és négysoros típusokban kaphatók. Léteznek osztott és tömített változatok is.

A osztott változatokat olyan nehezen hozzáférhető területeken használják, mint például a motorok forgattyútengelyei. A tömített változatoknál a csapágy szennyeződését megakadályozzák, a kenőanyag pedig megmarad, így karbantartásmentes megoldást jelentenek.

Gömbgörgős csapágyak

A nagy radiális és axiális terhelések nagyobb kihívást jelenthetnek, ha a tengely hajlamos az elhajlásra.

Ezt a helyzetet a gömbgörgős csapágyak nagyon jól kezelik. Ezek nagy teherbírásúak, és képesek kezelni a tengely és a ház közötti ferdeséget. Ez csökkenti a karbantartási költségeket és javítja az élettartamot.

A görgős görgős csapágy futópályái a csapágytengelyhez képest ferde szögben állnak. Az egyenes oldalak helyett a görgők gömbölyű oldalakkal rendelkeznek, amelyek illeszkednek a gömb alakú futópályákhoz, és elviselik a kis eltéréseket.

A gömbgörgős csapágyak felhasználási területe széles körű. Olyan alkalmazásokban használják őket, ahol nagy terhelések, közepes vagy nagy sebességek és esetleges ferdeségek fordulnak elő. Néhány alkalmazási példa: terepjárók, szivattyúk, mechanikus ventilátorok, tengeri meghajtás, szélturbinák és sebességváltók.

Kúpos görgőscsapágyak

A kúpos görgőscsapágy teherhordó elemként kúp alakú részeket tartalmaz. Ezek a görgők a két futófelület közé illeszkednek, amelyek szintén egy üreges kúp szakaszai. Ha a futófelületek és a görgők tengelyei meghosszabbodnának, akkor egy közös pontban találkoznának.

A kúpos görgőscsapágyakat úgy tervezték, hogy a radiális terhelések mellett nagyobb axiális terheléseket is elbírjanak. Minél nagyobb ennek a közös kúpnak a félszöge, annál nagyobb axiális terhelést képes elviselni. Így toló- és radiális terhelésű csapágyként is működnek.

Tűgörgős csapágyak

A tűgörgős csapágy a görgős csapágyak egy speciális típusa, amelynek hengeres görgői kis átmérőjük miatt tűkre hasonlítanak.

A görgős csapágyakban a görgők hossza általában csak kicsivel több, mint az átmérője. A tűcsapágyak esetében a görgők hossza legalább négyszeresen meghaladja az átmérőjüket.

Mivel a tűcsapágyak átmérője kisebb, több görgő fér el ugyanabban a térben, ami növeli a futófelülettel érintkező felületet. Így nagy terheléseket képesek kezelni. A kis méret olyan alkalmazásokban is hasznos lehet, ahol a hely korlátozott, mivel kisebb hézagokat igényelnek a tengely és a ház között.

A tűcsapágyakat olyan autóalkatrészekben használják, mint a sebességváltó és a lengőkarok forgáspontjai. Kompresszorokban és szivattyúkban is használják őket.

Mikor használjunk görgős csapágyakat?

A görgős csapágyak a golyóscsapágyak leggyakoribb alternatívája. Határozzuk meg tehát, hogy milyen munkakörülmények között a legalkalmasabb ez a csapágytípus.

1. Nehéz terhelések. A görgőscsapágyak lényegesen nagyobb érintkezési felületet biztosítanak, így a terhelés egyenletesebben oszlik el. Így kevésbé hajlamosak a meghibásodásra, és nagy erőkkel szemben is ellenállnak.
2. Kisebb fordulatszámok. Ez ismét az érintkezési felületen múlik. Nagyobb a súrlódás, ami nagyobb hőmérséklet kialakulását és gyorsabb kopást eredményezhet.

Siklócsapágyak

A siklócsapágy a legegyszerűbb csapágytípus. Általában csak egy csapágyfelületből áll. Nincsenek gördülőelemek.

A csapágy alapvetően egy, a tengelyre szerelt és a furatba illeszkedő hüvely. A siklócsapágyak olcsók, kompaktak és könnyűek. Nagy teherbírásúak.

A siklócsapágyakat forgó, csúszó, oda-vissza mozgó vagy oszcilláló mozgásra használják. A csapágy rögzített marad, míg a csapágycsap a csapágy belső felületén csúszik. A sima mozgás elősegítése érdekében alacsony súrlódási együtthatóval rendelkező anyagpárokat választanak. Elég gyakoriak például a különböző típusú rézötvözetek.

Ez a csapágy némi eltolásra, többirányú mozgásra is képes, és statikus, valamint dinamikus terhelésre is alkalmas. Széles körben alkalmazzák a mezőgazdaságban, az autóiparban, a hajózásban és az építőiparban.

A dízelmotorokban a dugattyút a csatlakozó rúddal összekötő csapszeg egy siklócsapágyon keresztül kapcsolódik.

A gömbcsapágy szintén siklócsapágy, bár 2 részből – a belső és a külső gyűrűből – áll. Bár eleve hasonlít a golyós- és görgőscsapágyakra, a két gyűrű között nincsenek gördülőelemek.

Folyadékcsapágyak

A folyadékcsapágy olyan speciális csapágytípus, amely nyomás alatt lévő gázra vagy folyadékra támaszkodik a terhelés átviteléhez és a súrlódás kiküszöböléséhez. Ezeket a csapágyakat a fémcsapágyak helyettesítésére használják olyan alkalmazásokban, ahol azok élettartama rövid lenne a magas zaj- és rezgésszint mellett.

A költségcsökkentés érdekében is egyre gyakrabban alkalmazzák őket. A folyadékcsapágyakat olyan gépekben használják, amelyek nagy sebességgel és terheléssel dolgoznak. Bár a kezdeti költségek magasabbak, a hosszabb élettartam kemény körülmények között hosszabb távon kárpótol ezért.

A gép működése közben a két elem között nincs érintkezés (kivéve az indítás és leállítás során), ezért a folyadékcsapágyakkal közel nulla kopás érhető el.

A folyadékcsapágyakat két típusba sorolják: hidrosztatikus és hidrodinamikus csapágyak.

Hidrosztatikus csapágyak

Ebben a típusban egy külső nyomás alatt álló folyadékot kényszerítenek két, egymáshoz képest mozgásban lévő elem közé. A nyomás alatt álló folyadék éket képez a mozgó alkatrészek között, és távol tartja őket egymástól. A folyadékréteg nagyon vékony lehet, de amíg nincs közvetlen érintkezés, addig nem keletkezik kopás.

A folyadékot egy szivattyú segítségével keringetik. A kilépőnyílás átmérője állítható, hogy a folyadék mindig nyomás alatt legyen minden tengelyfordulatszám és terhelés esetén. Így pontos hézagszabályozás lehetséges.

Hidrodinamikus csapágyak

Ez a csapágytípus a tengely és a ház közötti folyadék kényszerítésére használja a tengely mozgását. A tengely mozgása beszívja a kenőfolyadékot a mozgó alkatrészek közé, így egy állandó éket hoz létre.

Ez azonban azt jelenti, hogy indítás-stop, valamint alacsony terhelés és sebesség esetén az ékképződés nem biztos, hogy elég jó a kopás megakadályozásához. Csak a tervezett sebességeknél fog a rendszer pontosan úgy működni, ahogyan szükséges.

Mágneses csapágyak

A mágneses csapágyak a mágneses lebegés fogalmát használják a tengely levegőben tartására. Mivel nincs fizikai érintkezés, a mágneses csapágyak kopásmentes csapágyak. A maximális relatív sebességet sem korlátozza semmi.

A mágneses csapágyak a tengely kialakításának bizonyos szabálytalanságaihoz is alkalmazkodnak, mivel a tengely pozíciója automatikusan beáll a tömegközéppontja alapján. Így az egyik oldalra eltolódhat, de ettől még ugyanolyan kielégítően fog működni.

Tágan két típusba sorolhatók: Aktív és passzív mágneses csapágyak.

Aktív mágneses csapágyak

Az aktív mágneses csapágyak a tengely körül elektromágneseket használnak a tengely pozíciójának fenntartására. Ha a helyzetváltozást érzékelők érzékelik, a rendszer beállítja a betáplált áram mennyiségét, és a forgórészt visszaállítja eredeti helyzetébe.

Passzív mágneses csapágy

A passzív mágneses csapágyak állandó mágneseket használnak a tengely körüli mágneses mező fenntartására. Ez azt jelenti, hogy nincs szükség teljesítménybevitelre. A rendszert azonban nehéz megtervezni a korlátok miatt, mivel ez a technológia még korai stádiumban van.

A kétféle mágneses csapágy sok esetben tandemben is használható, ahol az állandó mágnesek kezelik a statikus terhelést, míg az elektromágneseket a pozíció nagyfokú pontosságú fenntartására használják.