Pienestä supermarketin kärrystä valtaviin voimalaitoksiin suuri määrä kevyitä ja teollisia laitteita ei voisi toimia ilman laakereita jossakin muodossa.

Laakerit ovat ratkaiseva tribologinen komponentti monissa konetyypeissä, ja niitä on olemassa monissa eri muodoissa ja muodoissa. Ne voidaan määritellä komponentiksi, joka tukee/ sallii vain tietyntyyppisen liikkeen (vapausasteiden rajoittaminen) järjestelmässä, joka voi olla staattisen tai dynaamisen kuormituksen alaisena.

Esimerkki on liukuovi. Ovea ei voi nostaa tai poistaa paikaltaan. Se sallii vain liukumisen sen avaamiseksi. Mahdollinen liike on rajoitettu liukuliikkeeksi laakereiden avulla.

Mikä on laakereiden tarkoitus?

Laakereiden päätarkoitus on estää suora metalli-metalli-kosketus kahden suhteellisen liikkeessä olevan elementin välillä. Näin estetään kitka, lämmönmuodostus ja lopulta osien kuluminen. Se vähentää myös energiankulutusta, kun liukuliike korvataan matalan kitkan rullauksella.

Laakerit myös siirtävät pyörivän elementin kuormituksen koteloon. Tämä kuormitus voi olla radiaalinen, aksiaalinen tai näiden yhdistelmä. Laakeri rajoittaa myös liikkuvien osien liikkumisvapautta ennalta määrättyihin suuntiin, kuten edellä on käsitelty.

Valssielementtilaakerit

Valssielementtilaakerit sisältävät kuulan tai sylinterin muotoisia vierintäelementtejä. Tiedämme, että pyörää on helpompi rullata kuin liu’uttaa sitä maassa, koska vierintäkitkan suuruus on pienempi kuin liukukitkan. Sama periaate toimii myös tässä tapauksessa. Vierintäelementtilaakereita käytetään helpottamaan osien vapaata liikettä pyörimisliikkeessä.

Silloinkin kun sovelluksissa tarvitaan lineaarista liikettä, pyörimisliike on helppo muuttaa liukuliikkeeksi. Ajatellaanpa liukuportaita tai kuljettimia. Vaikka liike on lineaarista, sen voimanlähteenä toimivat moottoreiden käyttämät rullat.

Toinen esimerkki on edestakainen pumppu, joka voi muuntaa moottorin tuottaman rotaatioenergian translatoriseksi liikkeeksi linkkien avulla. Jokaisessa näistä sovelluksista käytetään kuulalaakereita tukemaan moottorin akseleita sekä kokoonpanon muiden rullien akseleita.

Rullaelementit kantavat kuormaa ilman suurta kitkaa, kun liukukitka korvataan vierintäkitkalla. Vierintäelementtilaakerit voidaan jakaa kahteen päätyyppiin: kuulalaakereihin ja rullalaakereihin.

Kuulalaakerit

Kuulalaakerit ovat yksi yleisimmistä käytetyistä laakeriluokista. Se koostuu vierintäelementteinä olevasta pallorivistä. Ne ovat kahden rengasmaisen metallikappaleen välissä. Näitä metallikappaleita kutsutaan juoksuradoiksi. Sisempi juoksupyörä voi vapaasti pyöriä, kun taas ulompi juoksupyörä on paikallaan.

Kuulalaakerit tarjoavat erittäin alhaisen kitkan vierityksen aikana, mutta niillä on rajallinen kuormankantokyky. Tämä johtuu pienestä kosketuspinta-alasta kuulien ja juoksupyörien välillä. Ne kestävät säteittäisten kuormien lisäksi aksiaalisia kuormia kahteen suuntaan.

Kuulalaakereita käytetään värähtelevän ja pyörivän liikkeen ohjaamiseen. Esimerkiksi sähkömoottoreissa, joissa akseli voi vapaasti pyöriä, mutta moottorin kotelo ei, käytetään kuulalaakereita yhdistämään akseli moottorin koteloon.

Sovelluksesta riippuen on valittavissa erityyppisiä kuulalaakereita.

Kuulalaakereiden edut:

• Hyvä kulumiskestävyys
• Eivät tarvitse paljon voitelua
• Tarjoavat alhaisen kitkan, siten vähän energiahäviötä
• Pitkä käyttöikä
• Helppo vaihtaa
• Pienet yleismitat
• Vertailevan halpa
• Kestää työntövoimakuormia

Kuulalaakereiden haitat:

• Voi rikkoutua iskujen takia
• Voi olla melko äänekäs
• Ei kestä suuria painoja

Syväurakuulalaakerit

Tämä on yleisimmin käytetty kuulalaakerityyppi. Kahden juoksupyörän väliin on jäänyt pallorengas, joka siirtää kuorman ja mahdollistaa pyörimisliikkeen kahden juoksupyörän välillä. Kuulat pidetään paikallaan pidikkeellä.

Neissä on erittäin alhainen vierintäkitka, ja ne on optimoitu hiljaisen melun ja vähäisen tärinän aikaansaamiseksi. Tämä tekee niistä ihanteellisia suurnopeussovelluksiin.

Ne ovat verrattain helppoja asentaa ja vaativat vain vähän huoltoa. Asennuksessa on noudatettava varovaisuutta, jotta renkaat eivät kolhiintuisi, koska ne on työnnettävä akseleihin.

Angular Contact Ball Bearings

Tässä kuulalaakerityypissä, sisä- ja ulkokehät ovat siirtyneet toisiinsa nähden laakeriakselin suuntaisesti. Tämä tyyppi on suunniteltu käsittelemään suurempia aksiaalisia kuormia molempiin suuntiin säteittäisten kuormien lisäksi.

Sisä- ja ulkokehien siirtymisen ansiosta aksiaalinen kuormitus voidaan siirtää laakerin kautta koteloon. Tämä laakeri soveltuu sovelluksiin, joissa tarvitaan jäykkää aksiaalista ohjausta.

Karhulaakereita käytetään laajalti maatalouslaitteissa, autoissa, vaihteistoissa, pumpuissa ja muissa suurnopeussovelluksissa.

Itsesuuntaiset kuulalaakerit

Tämä kuulalaakerityyppi on immuuni akselin ja kotelon väliselle kohdistusvirheelle, joka voi johtua akselin taipumisesta tai asennusvirheistä.

Sisäisellä renkaalla on syväuraiset urat, jotka ovat samankaltaiset kuin syväurakuulalaakereissa.Tämän jälkeen seuraa kaksi riviä kuuloja ja ulompi rengas. Ulkorengas on kovera, ja tämä antaa sisärenkaalle jonkin verran vapautta järjestäytyä uudelleen kohdistusvirheestä riippuen.

Puristuskuulalaakerit

Puristuskuulalaakerit ovat erityyppisiä kuulalaakereita, jotka on suunniteltu nimenomaan aksiaalikuormituksiin. Ne eivät kestä lainkaan säteittäisiä kuormituksia.

Thrust-kuulalaakereilla on alhainen melutaso, niiden toiminta on tasaista ja ne soveltuvat nopeisiin sovelluksiin.

Ne ovat saatavana yksisuuntaisina tai kaksisuuntaisina laakereina, ja valinta riippuu siitä, onko kuormitus yksi- vai kaksisuuntainen.

Milloin käytetään kuulalaakereita?

Kuvaillaan siis joitakin työolosuhteita, joissa voidaan tarvita kuulalaakeria.

1. Työntökuormia esiintyy. Kuulalaakerit kestävät rakenteensa ansiosta aksiaalisia kuormia.
2. Ei suuria kuormia. Koska laakereissa on kuulanmuotoisia vierintäelementtejä, laakerit keskittävät kaiken voiman muutamaan kosketuspisteeseen. Tämä voi johtaa ennenaikaiseen vikaantumiseen suurilla kuormilla.
3. Korkeat nopeudet. Kuulalaakerin pieni kosketuspiste merkitsee myös pienempää kitkaa. Voitettavaa vastusta on siis vähemmän, joten tämäntyyppisillä laakereilla on helpompi saavuttaa suuria nopeuksia.

Rullalaakerit

Rullalaakereissa on kuulien sijasta sylinterimäisiä vierintäelementtejä kuormitusta kantavina elementteinä renkaiden välissä. Elementtiä pidetään rullana, jos sen pituus on pidempi kuin sen halkaisija (vaikka vain hieman). Koska ne ovat linjakosketuksessa sisä- ja ulkokehän kanssa (sen sijaan, että ne olisivat pistekosketuksessa, kuten kuulalaakereissa), ne kestävät suurempaa kuormitusta.

Rullalaakereita on saatavana myös erityyppisinä. Sopiva tyyppi voidaan valita sen jälkeen, kun on otettu huomioon muun muassa kuormituksen tyyppi ja suuruus, käyttöolosuhteet ja kohdistusvirheiden mahdollisuus.

Rullalaakereiden edut:

• Helppo huolto
• Matalat kitkat
• Kestävät suuria säteittäisiä kuormia
• Kartiorullalaakerit kestävät suuria aksiaalisia kuormia
• Suuri tarkkuus
• Käytetään aksiaalisen siirtymän säätöön
• Matalat värähtelyt

Rullalaakereiden haitat:

• Meluisa
• Melko kallis

Lieriörullalaakerit

Nämä ovat rullalaakeriperheen yksinkertaisimmat. Nämä laakerit kestävät raskaan säteittäisen kuormituksen ja suuren nopeuden haasteet. Ne tarjoavat myös erinomaisen jäykkyyden, aksiaalisen kuormansiirron, alhaisen kitkan ja pitkän käyttöiän.

Kantavuutta voidaan lisätä entisestään luopumalla häkkien tai pidättimien käytöstä, jotka tavallisesti ovat paikallaan pitämässä lieriörullia. Tämä mahdollistaa useampien rullien asentamisen kuorman kantamiseksi.

Näitä on saatavana yksirivisinä, kaksirivisinä ja nelirivisinä. Niitä on myös jaettuina ja tiivistettyinä muunnoksina.

Jaettuja muunnoksia käytetään vaikeapääsyisiin alueisiin, kuten moottorin kampiakseleihin. Tiivistetyissä muunnoksissa laakerin likaantuminen estyy ja voiteluaine säilyy, mikä tekee siitä huoltovapaan vaihtoehdon.

Pallorullalaakerit

Suuret säteittäis- ja aksiaalikuormat voivat olla suurempi haaste, kun akseli on taipuvainen asentovirheisiin.

Pallorullalaakerit selviytyvät tällaisesta tilanteesta erittäin hyvin. Niillä on suuri kantavuus ja ne pystyvät hallitsemaan akselin ja kotelon välisen vinoutuman. Tämä vähentää huoltokustannuksia ja parantaa käyttöikää.

Sfääristen rullalaakereiden juoksuradat ovat kaltevat kulmassa laakerin akseliin nähden. Suorien sivujen sijasta rullilla on pallomaiset sivut, jotka sopivat pallomaisiin juoksuratoihin ja tasaavat pienet vinoutumat.

Pallomaisilla rullalaakereilla on monenlaisia käyttökohteita. Niitä käytetään sovelluksissa, joissa esiintyy suuria kuormituksia, kohtalaisia tai suuria nopeuksia ja mahdollisia vinoutumia. Esimerkkejä käyttökohteista ovat maastoajoneuvot, pumput, mekaaniset puhaltimet, merenkulun käyttövoimat, tuuliturbiinit ja vaihdelaatikot.

Kartiorullalaakerit

Kartiorullalaakerissa on kuormaa kantavana elementtinä kartion osia. Nämä rullat sopivat kahden juoksupyörän väliin, jotka ovat myös onton kartion osia. Jos juoksupyöriä ja telojen akseleita pidennettäisiin, ne kohtaisivat kaikki yhteisessä pisteessä.

Kartiorullalaakerit on suunniteltu kestämään säteittäisten kuormien lisäksi suurempia aksiaalisia kuormia. Mitä suurempi tämän yhteisen kartion puolikulma on, sitä suuremman aksiaalikuorman se kestää. Siten ne toimivat sekä työntölaakereina että säteittäisen kuormituksen laakereina.

Neula-rullalaakerit

Neula-rullalaakeri on erityinen rullalaakerityyppi, jossa on sylinterimäiset rullat, jotka pienen halkaisijansa vuoksi muistuttavat neuloja.

Normaalisti rullalaakereiden rullien pituus on vain hiukan suurempi kuin niiden halkaisija. Neulalaakereissa rullien pituus ylittää niiden halkaisijan vähintään nelinkertaisesti.

Koska neulalaakereiden halkaisija on pienempi, samaan tilaan mahtuu enemmän rullia, mikä kasvattaa kosketuspinta-alaa renkaiden kanssa. Näin ne pystyvät käsittelemään suuria kuormia. Pieni koko voi myös osoittautua hyödylliseksi sovelluksissa, joissa tila on rajallinen, koska ne vaativat pienemmän välyksen akselin ja kotelon välille.

Neulalaakereita käytetään autojen osissa, kuten vaihteiston ja keinuvivun nivelissä. Niitä käytetään myös kompressoreissa ja pumpuissa.

Milloin käytetään rullalaakereita?

Rullalaakerit ovat yleisin vaihtoehto kuulalaakereille. Määritellään siis, millaisiin työolosuhteisiin tämä laakerityyppi sopii parhaiten.

1. Raskas kuormitus. Rullalaakerit tarjoavat huomattavasti suuremman kosketuspinta-alan, jolloin kuormitus jakautuu tasaisemmin. Näin ollen ne ovat vähemmän vikaantumisalttiita ja kestävät suuria voimia.
2. Matalammat nopeudet. Tämäkin johtuu kosketuspinta-alasta. Kitkaa on enemmän, mikä voi johtaa korkeampaan lämpötilan muodostumiseen ja nopeampaan kulumiseen.

Liukulaakerit

Liukulaakeri on yksinkertaisin laakerityyppi. Se koostuu yleensä vain laakeripinnasta. Siinä ei ole vierintäelementtejä.

Laakeri on periaatteessa holkki, joka on asennettu akselille ja sovitettu uraan. Liukulaakerit ovat edullisia, kompakteja ja kevyitä. Niiden kantavuus on suuri.

Lakalaakereita käytetään pyörivään, liukuvaan, edestakaiseen tai värähtelevään liikkeeseen. Laakeri pysyy paikallaan, kun taas napa liukuu laakerin sisäpinnalla. Sujuvan liikkeen helpottamiseksi valitaan materiaaliparit, joilla on alhainen kitkakerroin. Esimerkiksi erilaiset kupariseokset ovat melko yleisiä.

Tämä laakeri kestää jonkin verran vinoutumia, monisuuntaisia liikkeitä ja soveltuu sekä staattisille että dynaamisille kuormituksille. Sitä käytetään laajalti maataloudessa, autoteollisuudessa, merenkulussa ja rakennusteollisuudessa.

Dieselmoottoreissa männän ja yhdystangon yhdistävä kartiotappi on liitetty liukulaakerin kautta.

Kehälaakeri on niin ikään liukulaakeri, vaikkakin se koostuu kahdesta osasta – sisärenkaasta ja ulkorenkaasta. Vaikka se näyttää lähtökohtaisesti samanlaiselta kuin kuula- ja rullalaakerit, niissä ei ole vierintäelimiä kahden renkaan välissä.

Nestelaakerit

Nestelaakeri on erityyppinen laakeri, joka tukeutuu paineistettuun kaasuun tai nesteeseen kuorman kuljettamisessa ja kitkan poistamisessa. Näitä laakereita käytetään korvaamaan metallilaakereita sovelluksissa, joissa niiden käyttöikä olisi lyhyt korkeiden melu- ja tärinätasojen lisäksi.

Näitä käytetään yhä useammin myös kustannusten vähentämiseksi. Nestelaakereita käytetään koneissa, jotka toimivat suurilla nopeuksilla ja kuormituksilla. Vaikka alkukustannukset ovat korkeammat, pidempi käyttöikä kovissa olosuhteissa korvaa sen pidemmällä aikavälillä.

Koneen ollessa käynnissä kahden elementin välillä ei ole kosketusta (paitsi käynnistyksen ja pysäytyksen aikana), joten nestelaakereilla on mahdollista saavuttaa lähes nollakulutus.

Nestelaakerit luokitellaan kahteen tyyppiin: hydrostaattisiin ja hydrodynaamisiin laakereihin.

Hydrostaattiset laakerit

Tässä tyypissä ulkoisesti paineistettu neste pakotetaan kahden suhteellisessa liikkeessä olevan elementin väliin. Paineistettu neste muodostaa kiilan liikkuvien osien väliin ja pitää ne erillään toisistaan. Nestekerros voi olla hyvin ohut, mutta niin kauan kuin suoraa kosketusta ei ole, kulumista ei tapahdu.

Nestettä kierrätetään pumpun avulla. Ulosmenoaukon halkaisija voi olla säädettävissä, jotta varmistetaan, että neste on aina paineen alaisena kaikilla akselin nopeuksilla ja kuormituksilla. Näin mahdollistetaan tarkka välyksen säätö.

Hydrodynaamiset laakerit

Tässä laakerityypissä hyödynnetään nivelen liikettä pakottamaan neste akselin ja kotelon väliin. Nivelakselin liike imee voitelunesteen liikkuvien osien väliin, jolloin syntyy jatkuva kiila.

Tämä tarkoittaa kuitenkin sitä, että käynnistyksen ja pysäytyksen aikana sekä pienillä kuormituksilla ja nopeuksilla kiilanmuodostus ei välttämättä ole riittävän hyvä estämään kulumista. Vain suunnitelluilla nopeuksilla järjestelmä toimii juuri niin kuin pitääkin.

Magneettiset laakerit

Magneettiset laakerit käyttävät magneettisen leijunnan käsitettä pitämään akselin ilmassa. Koska fyysistä kosketusta ei ole, magneettilaakerit ovat kulumattomia laakereita. Suhteelliselle enimmäisnopeudelle, jota se voi käsitellä, ei myöskään ole rajoituksia.

Magneettiset laakerit pystyvät myös sopeutumaan joihinkin epäsäännöllisyyksiin akselin muotoilussa, sillä akselin asento säätyy automaattisesti sen massakeskipisteen perusteella. Näin ollen se voi olla siirretty toiselle puolelle, mutta se toimii silti yhtä tyydyttävästi.

Ne luokitellaan karkeasti kahteen tyyppiin: Aktiiviset ja passiiviset magneettilaakerit.

Aktiiviset magneettilaakerit

Aktiiviset magneettilaakerit käyttävät akselin ympärillä olevia sähkömagneetteja akselin asennon säilyttämiseksi. Jos anturit havaitsevat asennon muutoksen, järjestelmä säätää järjestelmään syötettävän virran määrää ja palauttaa roottorin alkuperäiseen asentoonsa.

Passiivinen magneettilaakeri

Passiiviset magneettilaakerit käyttävät kestomagneetteja ylläpitämään magneettikenttää akselin ympärillä. Tämä tarkoittaa, että voiman syöttöä ei tarvita. Järjestelmää on kuitenkin vaikea suunnitella rajoitusten vuoksi, koska tämä tekniikka on vasta alkuvaiheessa.

Monissa tapauksissa näitä kahta magneettilaakerityyppiä voidaan käyttää yhdessä, jolloin kestomagneetit hoitavat staattisen kuormituksen, kun taas sähkömagneetteja käytetään aseman ylläpitämiseen suurella tarkkuudella.