Od malého vozíku v supermarketu až po obrovské elektrárny, velké množství lehkých i průmyslových zařízení by nemohlo fungovat bez použití ložisek v nějaké formě.

Ložiska jsou důležitou tribologickou součástí mnoha typů strojů a existují v různých formách a tvarech. Lze je definovat jako součást, která podporuje/umožňuje pouze určitý typ pohybu (omezení stupňů volnosti) v systému, který může být staticky nebo dynamicky zatížen.

Příkladem jsou posuvné dveře. Dveře nelze zvednout ani odstranit z jejich místa. Umožňuje pouze jejich posunutí za účelem otevření. Možný pohyb je omezen na posuvný pohyb pomocí ložisek.

Jaký je účel ložisek?

Hlavním účelem ložisek je zabránit přímému kontaktu kovu na kov mezi dvěma prvky, které jsou v relativním pohybu. Tím se zabraňuje tření, vzniku tepla a v konečném důsledku i opotřebení součástí. Snižuje se také spotřeba energie, protože posuvný pohyb je nahrazen valivým pohybem s nízkým třením.

Ložiska také přenášejí zatížení rotujícího prvku na pouzdro. Toto zatížení může být radiální, axiální nebo kombinace obou. Ložisko také omezuje volnost pohybu pohyblivých částí na předem definované směry, jak bylo uvedeno výše.

Ložiska s valivými tělesy

Ložiska s valivými tělesy obsahují valivá tělesa ve tvaru kuliček nebo válců. Víme, že je snazší odvalovat kolo než ho posouvat po zemi, protože velikost valivého tření je menší než tření kluzné. Stejný princip funguje i zde. Valivá ložiska se používají k usnadnění volného pohybu součástí při rotačním pohybu.

I když v aplikacích potřebujeme lineární pohyb, je snadné převést rotační pohyb na posuvný. Uvažujme eskalátor nebo dopravník. Přestože se jedná o lineární pohyb, je poháněn válečky, které jsou poháněny motory.

Dalším příkladem je pístové čerpadlo, které může pomocí vazeb přeměnit rotační energii z motoru na translační pohyb. V každé z těchto aplikací se k uložení hřídelí motoru i hřídelí ostatních válečků v sestavě používají kuličková ložiska.

Válečkové prvky přenášejí zatížení bez velkého tření, protože kluzné tření je nahrazeno třením valivým. Ložiska s valivými tělesy lze rozdělit na dva hlavní typy: kuličková ložiska a válečková ložiska.

Kuličková ložiska

Kuličková ložiska jsou jedním z nejběžnějších typů používaných tříd ložisek. Skládají se z řady kuliček jako valivých těles. Ty jsou zachyceny mezi dvěma kovovými díly ve tvaru prstence. Tyto kovové kusy se označují jako oběžná kola. Vnitřní oběžná dráha se může volně otáčet, zatímco vnější oběžná dráha je nehybná.

Kulíková ložiska poskytují velmi nízké tření při valení, ale mají omezenou nosnost. Důvodem je malá styčná plocha mezi kuličkami a oběžnými dráhami. Kromě radiálních zatížení mohou přenášet i axiální zatížení ve dvou směrech.

Kulová ložiska se používají k řízení kmitavého a rotačního pohybu. Například v elektromotorech, kde se hřídel může volně otáčet, ale pouzdro motoru nikoli, se kuličková ložiska používají ke spojení hřídele s pouzdrem motoru.

V závislosti na aplikaci lze vybírat z různých typů kuličkových ložisek.

Výhody kuličkových ložisek:

• Dobrá odolnost proti opotřebení
• Nepotřebují mnoho mazání
• Zajišťují nízké tření, tedy malé energetické ztráty
• Dlouhá životnost
• Snadná výměna
• Malé celkové rozměry
• Poměrně levné
• Snesou axiální zatížení

Nevýhody kuličkových ložisek:

• Mohou se zlomit v důsledku nárazů
• Mohou být poměrně hlučná
• Nesnesou velká závaží

Kulová ložiska s hlubokou drážkou

Jedná se o nejpoužívanější typ kuličkových ložisek. Mezi oběma drahami je zachycen kroužek kuliček, který přenáší zatížení a umožňuje otáčivý pohyb mezi oběma drahami. Kuličky jsou drženy na svém místě pomocí držáku.

Mají velmi nízké valivé tření a jsou optimalizována pro nízkou hlučnost a nízké vibrace. Díky tomu jsou ideální pro vysokorychlostní aplikace.

Jsou poměrně snadno instalovatelné a vyžadují minimální údržbu. Při instalaci je třeba dbát na to, aby nedošlo k promáčknutí ozubených kol, protože je třeba je na hřídele nasunout.

Kulová ložiska s kosoúhlým stykem

U tohoto typu kuličkových ložisek, jsou vnitřní a vnější kluzné plochy vůči sobě vzájemně posunuty podél osy ložiska. Tento typ je navržen tak, aby kromě radiálních zatížení zvládal i větší axiální zatížení v obou směrech.

Díky posunu vnitřní a vnější dráhy se axiální zatížení může přenášet přes ložisko na těleso. Toto ložisko je vhodné pro aplikace, kde je vyžadováno tuhé axiální vedení.

Ložiska s kosoúhlým stykem se široce používají v zemědělských zařízeních, automobilech, převodovkách, čerpadlech a dalších rychloběžných aplikacích.

Samonivelační kuličková ložiska

Tento typ kuličkového ložiska je imunní vůči nesouososti mezi hřídelem a tělesem, ke které může dojít v důsledku vychýlení hřídele nebo montážních chyb.

Vnitřní kroužek má hluboké drážky podobné kuličkovým ložiskům s hlubokou drážkou, následují dvě řady kuliček a vnější kroužek. Vnější kroužek má konkávní tvar, což poskytuje vnitřnímu kroužku určitou volnost při přestavování v závislosti na vychýlení.

Kulová ložiska axiální

Kulová ložiska axiální jsou zvláštním typem kuličkových ložisek určených speciálně pro axiální zatížení. Nemohou vůbec přenášet radiální zatížení.

Přítlačná kuličková ložiska vykazují nízkou hlučnost, hladký chod a jsou schopna vysokorychlostního použití.

Jsou k dispozici jako jednosměrná nebo obousměrná ložiska a jejich výběr závisí na tom, zda je zatížení jednosměrné nebo obousměrné.

Kdy použít kuličková ložiska?“

Nastíníme si tedy některé pracovní podmínky, které mohou vyžadovat použití kuličkových ložisek.

1. Jsou přítomna axiální zatížení. Díky své konstrukci jsou kuličková ložiska schopna odolávat axiálním zatížením.
2. Nejsou zatížena těžkými břemeny. Díky tomu, že mají kuličková valivá tělesa, soustřeďují ložiska veškerou sílu do několika málo styčných bodů. To může mít při vysokém zatížení za následek brzké selhání.
3. Vysoké otáčky. Malé styčné body kuličkového ložiska znamenají také menší tření. Je tedy třeba překonávat menší odpor, a proto je u těchto typů ložisek snazší dosáhnout vysokých otáček.

Válečková ložiska

Válečková ložiska obsahují místo kuliček jako nosné prvky mezi drahami válcové valivé prvky. Prvek je považován za váleček, pokud je jeho délka větší než průměr (i když jen nepatrně). Vzhledem k tomu, že mají s vnitřními a vnějšími oběžnými drahami liniový styk (namísto bodového styku jako v případě kuličkových ložisek), mohou snášet větší zatížení.

Válečková ložiska jsou také k dispozici v různých typech. Vhodný typ lze zvolit mimo jiné po zvážení druhu a velikosti zatížení, provozních podmínek a možnosti nesouososti.

Výhody válečkových ložisek:

• Snadná údržba
• Malé tření
• Snesou vysoká radiální zatížení
• Kuželíková ložiska snesou vysoká axiální zatížení
• Velká přesnost
• Používají se k nastavení axiálního posunu
• Malé vibrace

Nevýhody válečkových ložisek:

• Hlučná
• Dost drahá

Válečková ložiska

Jsou nejjednodušší z rodiny válečkových ložisek. Tato ložiska mohou čelit výzvám velkého radiálního zatížení a vysokých otáček. Nabízejí také vynikající tuhost, přenos axiálního zatížení, nízké tření a dlouhou životnost.

Zatížitelnost lze dále zvýšit tím, že odpadá použití klecí nebo držáků, které obvykle slouží k uchycení válečků. To umožňuje montáž většího počtu válečků pro přenášení zatížení.

Dodávají se jako jednořadé, dvouřadé a čtyřřadé typy. Dodávají se také v dělené a uzavřené variantě.

Dělené varianty se používají pro obtížně přístupná místa, jako jsou například klikové hřídele motoru. U utěsněných variant je zabráněno znečištění ložiska a mazivo zůstává zachováno, takže se jedná o bezúdržbovou variantu.

Soudečková ložiska

Velká radiální a axiální zatížení mohou být větším problémem, pokud je hřídel náchylný k nesouososti.

Tuto situaci velmi dobře zvládají soudečková ložiska. Mají vysokou únosnost a dokážou si poradit s nesouosostí mezi hřídelem a pouzdrem. To snižuje náklady na údržbu a zvyšuje životnost.

Oběžné dráhy soudečkových ložisek jsou skloněny pod úhlem k ose ložiska. Místo rovných stran mají válečky kulové strany, které dosedají na kulové oběžná dráhy a vyrovnávají se s malými nesouosostmi.

Kulová ložiska mají široký rozsah použití. Používají se v aplikacích, kde se vyskytují velká zatížení, střední až vysoké rychlosti a možné nesouososti. Příkladem použití jsou terénní vozidla, čerpadla, mechanické ventilátory, lodní pohon, větrné turbíny a převodovky.

Kuželíková ložiska

Kuželíkové ložisko obsahuje části kužele jako nosný prvek. Tyto válečky zapadají mezi dvě závodní dráhy, které jsou rovněž úseky dutého kužele. Kdyby se oběžné dráhy a osy válečků prodloužily, všechny by se setkaly ve společném bodě.

Kuželíková ložiska jsou kromě radiálních zatížení určena i pro větší axiální zatížení. Čím větší je poloviční úhel tohoto společného kužele, tím větší axiální zatížení vydrží. Pracují tedy jako axiální i radiální ložiska.

Jednová válečková ložiska

Jednová válečková ložiska jsou zvláštním typem válečkových ložisek, která mají válcové válečky připomínající svým malým průměrem jehly.

Obvykle je délka válečků ve válečkových ložiscích jen o málo větší než jejich průměr. Pokud jde o jehlová ložiska, délka válečků převyšuje jejich průměr nejméně čtyřikrát.

Jelikož mají jehlová ložiska menší průměr, vejde se do stejného prostoru více válečků, čímž se zvětší styčná plocha s oběžnými drahami. Jsou tedy schopna přenášet vysoká zatížení. Malé rozměry se také mohou ukázat jako užitečné v aplikacích, kde je omezený prostor, protože vyžadují menší vůle mezi osou a pouzdrem.

Jednová ložiska se používají v automobilových komponentech, jako jsou čepy převodovek a vahadel. Používají se také v kompresorech a čerpadlech.

Kdy použít válečková ložiska?

Válečková ložiska jsou nejběžnější alternativou kuličkových ložisek. Pojďme si tedy určit, do jakých pracovních podmínek se tento typ ložisek nejlépe hodí.

1. Těžká zatížení. Válečková ložiska poskytují podstatně větší styčnou plochu a rovnoměrněji rozkládají zatížení. Jsou tedy méně náchylná k poruchám a vydrží vysoké síly.
2. Nízké rychlosti. To opět souvisí s kontaktní plochou. Je zde větší tření, což může mít za následek vyšší tvorbu teploty a rychlejší opotřebení.

Kluzná ložiska

Kluzné ložisko je nejjednodušší typ ložiska. Obvykle se skládá pouze z ložiskové plochy. Neobsahuje žádná valivá tělesa.

Ložisko je v podstatě pouzdro nasazené na hřídeli a zapadající do otvoru. Kluzná ložiska jsou levná, kompaktní a lehká. Mají vysokou únosnost.

Kluzná ložiska se používají pro rotační, posuvný, vratný nebo kmitavý pohyb. Ložisko zůstává pevné, zatímco čep klouže po vnitřním povrchu ložiska. Pro usnadnění plynulého pohybu se volí dvojice materiálů s nízkými koeficienty tření. Poměrně běžné jsou například různé typy slitin mědi.

Tato ložiska mohou snášet určitou nesouosost, vícesměrné pohyby a jsou vhodná pro statické i dynamické zatížení. Používá se hojně v aplikacích v zemědělství, automobilovém, námořním a stavebním průmyslu.

Kloubový čep, který spojuje píst s ojnicí ve vznětových motorech, je spojen přes kluzné ložisko.

Kloubové ložisko je také kluzné ložisko, i když se skládá ze dvou částí – vnitřního a vnějšího kroužku. Přestože zpočátku vypadá podobně jako kuličková a válečková ložiska, nemají mezi oběma kroužky valivá tělesa.

Tekutá ložiska

Tekutá ložiska jsou zvláštním typem ložisek, která se spoléhají na to, že zatížení přenáší stlačený plyn nebo kapalina a eliminují tření. Tato ložiska se používají jako náhrada kovových ložisek v aplikacích, kde by kromě vysoké hladiny hluku a vibrací měla i krátkou životnost.

Stále častěji se také používají ke snížení nákladů. Kapalinová ložiska se používají ve strojích, které pracují při vysokých rychlostech a zatíženích. Počáteční náklady jsou sice vyšší, ale delší životnost v náročných podmínkách to dlouhodobě vynahrazuje.

Při chodu stroje dochází k nulovému kontaktu mezi oběma prvky (s výjimkou rozběhu a zastavení), a proto je možné u kapalinových ložisek dosáhnout téměř nulového opotřebení.

Kapalinová ložiska se dělí na dva typy: hydrostatická a hydrodynamická ložiska.

Hydrostatická ložiska

U tohoto typu je mezi dva prvky, které jsou v relativním pohybu, vháněna kapalina pod vnějším tlakem. Tlaková kapalina vytváří mezi pohybujícími se částmi klín a udržuje je od sebe. Vrstva kapaliny může být velmi tenká, ale pokud nedochází k přímému kontaktu, nedochází k opotřebení.

Kapalina cirkuluje pomocí čerpadla. Průměr výstupního otvoru může být nastavitelný, aby byla kapalina vždy pod tlakem při všech otáčkách a zatíženích hřídele. Je tak možné přesně regulovat mezeru.

Hydrodynamická ložiska

Tento typ ložisek využívá pohybu čepu k protlačení kapaliny mezi hřídelí a tělesem. Pohyb čepu nasává mazací kapalinu mezi pohyblivé části a vytváří stálý klín.

To však znamená, že při rozběhu a zastavení, jakož i při nízkém zatížení a otáčkách nemusí být vytvoření klínu dostatečně dobré, aby se zabránilo opotřebení. Pouze při navržených otáčkách bude systém fungovat přesně tak, jak je potřeba.

Magnetická ložiska

Magnetická ložiska využívají koncepci magnetické levitace k udržení hřídele ve vzduchu. Protože nedochází k fyzickému kontaktu, jsou magnetická ložiska ložisky s nulovým opotřebením. Neexistuje také žádné omezení maximální relativní rychlosti, kterou mohou zvládnout.

Magnetická ložiska se také mohou přizpůsobit některým nepravidelnostem v konstrukci hřídele, protože poloha hřídele se automaticky upravuje na základě jeho středu hmotnosti. Může být tedy posunutý na jednu stranu, ale přesto bude fungovat stejně uspokojivě.

V zásadě se dělí na dva typy: Aktivní a pasivní magnetická ložiska.

Aktivní magnetická ložiska

Aktivní magnetická ložiska používají elektromagnety kolem hřídele k udržení jeho polohy. Pokud snímače zachytí změnu polohy, systém upraví množství proudu přiváděného do systému a vrátí rotor do původní polohy.

Pasivní magnetická ložiska

Pasivní magnetická ložiska používají k udržování magnetického pole kolem hřídele permanentní magnety. To znamená, že není potřeba žádný příkon. Systém je však obtížné navrhnout kvůli omezením, protože tato technologie je stále v počátečním stadiu.

V mnoha případech lze oba typy magnetických ložisek použít v tandemu, kdy permanentní magnety zvládnou statické zatížení, zatímco elektromagnety se používají k udržování polohy s vysokou přesností.

.