Od małego wózka w supermarkecie do ogromnych elektrowni, ogromna liczba urządzeń lekkich i przemysłowych nie mogłaby funkcjonować bez użycia łożysk w jakiejś formie.

Łożyska są kluczowym elementem trybologicznym wielu typów maszyn i istnieją w różnych formach i kształtach. Można je zdefiniować jako komponent, który wspiera/pozwala tylko na określony rodzaj ruchu (ograniczenie stopni swobody) w systemie, który może być poddany obciążeniu statycznemu lub dynamicznemu.

Przykładem są drzwi przesuwne. Drzwi nie mogą być podnoszone ani usuwane ze swojego miejsca. Pozwalają one jedynie na przesuwanie w celu ich otwarcia. Możliwy ruch jest ograniczony do ruchu ślizgowego przez łożyska.

Jaki jest cel łożysk?

Głównym celem łożysk jest zapobieganie bezpośredniemu kontaktowi metal-metal pomiędzy dwoma elementami, które są w ruchu względnym. Zapobiega to tarciu, wytwarzaniu ciepła i ostatecznie zużyciu części. Zmniejsza to również zużycie energii, ponieważ ruch ślizgowy zastępowany jest ruchem tocznym o niskim tarciu.

Przenoszą one również obciążenie elementu obrotowego na obudowę. Obciążenie to może być promieniowe, osiowe lub stanowić kombinację obu. Łożysko ogranicza również swobodę ruchu części ruchomych do wcześniej określonych kierunków, jak omówiono powyżej.

Łożyska z elementami tocznymi

Łożyska z elementami tocznymi zawierają elementy toczne w kształcie kulek lub walców. Wiemy, że łatwiej jest toczyć koło niż przesuwać je po podłożu, ponieważ wielkość tarcia tocznego jest mniejsza niż tarcia ślizgowego. Ta sama zasada działa w tym przypadku. Łożyska toczne są wykorzystywane do ułatwienia swobodnego ruchu części w ruchu obrotowym.

Nawet gdy potrzebujemy ruchu liniowego w zastosowaniach, łatwo jest przekształcić ruch obrotowy w ruch ślizgowy. Weźmy pod uwagę ruchome schody lub przenośnik. Mimo że ruch jest liniowy, jest on napędzany przez rolki napędzane silnikami.

Innym przykładem jest pompa tłokowa, która może przekształcać energię obrotową z silnika w ruch translacyjny za pomocą połączeń. W każdym z tych zastosowań łożyska kulkowe są wykorzystywane do podtrzymywania wałów silnika, jak również wałów innych wałków w zespole.

Elementy toczne przenoszą obciążenia bez większego tarcia, ponieważ tarcie ślizgowe jest zastępowane tarciem tocznym. Łożyska elementów tocznych można podzielić na dwa główne typy: łożyska kulkowe i łożyska wałeczkowe.

Łożyska kulkowe

Łożyska kulkowe są jednym z najczęściej stosowanych typów klas łożysk. Składają się z rzędu kulek jako elementów tocznych. Są one uwięzione pomiędzy dwoma metalowymi elementami w kształcie pierścienia. Te metalowe elementy są znane jako bieżnie. Bieżnia wewnętrzna może się swobodnie obracać, podczas gdy bieżnia zewnętrzna jest nieruchoma.

Łożyska kulkowe zapewniają bardzo niskie tarcie podczas toczenia, ale mają ograniczoną nośność. Dzieje się tak z powodu małej powierzchni styku pomiędzy kulkami a bieżniami. Oprócz obciążeń promieniowych mogą one przenosić obciążenia osiowe w dwóch kierunkach.

Łożyska kulkowe są stosowane do kontroli ruchu oscylacyjnego i obrotowego. Na przykład w silnikach elektrycznych, gdzie wał może się swobodnie obracać, ale obudowa silnika nie, łożyska kulkowe są używane do łączenia wału z obudową silnika.

Zależnie od zastosowania, do wyboru są różne rodzaje łożysk kulkowych.

Wady łożysk kulkowych:

• Dobra odporność na zużycie
• Nie potrzebują dużo smarowania
• Zapewniają niskie tarcie, a więc małe straty energii
• Długa żywotność
• Łatwa wymiana
• Małe wymiary ogólne
• Stosunkowo tanie
• Mogą przenosić obciążenia wzdłużne

Wady łożysk kulkowych:

• Mogą pękać na skutek wstrząsów
• Mogą być dość głośne
• Nie mogą przenosić dużych ciężarów

Łożyska kulkowe zwykłe

Jest to najszerzej stosowany typ łożyska kulkowego. Pomiędzy dwoma bieżniami znajduje się pierścień z kulek, które przenoszą obciążenie i umożliwiają ruch obrotowy pomiędzy dwoma bieżniami. Kulki są utrzymywane w miejscu przez koszyk.

Mają bardzo niskie tarcie toczne i są zoptymalizowane pod kątem niskiego poziomu hałasu i wibracji. Dzięki temu idealnie nadają się do zastosowań wymagających dużych prędkości.

Są stosunkowo łatwe w instalacji i wymagają minimalnej konserwacji. Podczas instalacji należy zachować ostrożność, aby zapobiec wgnieceniu bieżni, ponieważ muszą one być wciskane na wały.

Łożyska kulkowe skośne

W tym typie łożyska kulkowego, pierścienie wewnętrzny i zewnętrzny są przesunięte względem siebie wzdłuż osi łożyska. Ten typ jest przeznaczony do przenoszenia większych ilości obciążeń osiowych w obu kierunkach oprócz obciążeń promieniowych.

Dzięki przesunięciu bieżni wewnętrznej i zewnętrznej obciążenie osiowe może być przenoszone przez łożysko do oprawy. Łożysko to jest odpowiednie do zastosowań, w których wymagane jest sztywne prowadzenie osiowe.

Łożyska skośne są szeroko stosowane w sprzęcie rolniczym, samochodach, skrzyniach biegów, pompach i innych zastosowaniach wymagających dużych prędkości.

Łożyska kulkowe wahliwe

Ten typ łożysk kulkowych jest odporny na niewspółosiowość między wałem a obudową, która może wystąpić z powodu ugięcia wału lub błędów montażowych.

Pierścień wewnętrzny ma głębokie rowki podobne do tych w łożyskach kulkowych poprzecznych, po których następują dwa rzędy kulek i pierścień zewnętrzny. Pierścień zewnętrzny ma kształt wklęsły, co daje pierścieniowi wewnętrznemu pewną swobodę zmiany ułożenia w zależności od niewspółosiowości.

Łożyska kulkowe wzdłużne

Łożyska kulkowe wzdłużne są specjalnym rodzajem łożysk kulkowych zaprojektowanych specjalnie do obciążeń osiowych. Nie mogą one w ogóle przenosić obciążeń promieniowych.

Łożyska kulkowe wzdłużne charakteryzują się niskim poziomem hałasu, płynną pracą i mogą być stosowane przy dużych prędkościach.

Są one dostępne jako łożyska jednokierunkowe lub dwukierunkowe, a ich wybór zależy od tego, czy obciążenie jest jednokierunkowe czy dwukierunkowe.

Kiedy należy stosować łożyska kulkowe?

Przedstawmy zatem niektóre warunki pracy, które mogą wymagać zastosowania łożyska kulkowego.

1. Występują obciążenia wzdłużne. Konstrukcja łożysk kulkowych sprawia, że są one w stanie wytrzymać obciążenia osiowe.
2. Bez dużych obciążeń. Ze względu na posiadanie elementów tocznych w kształcie kuli, łożyska koncentrują całą siłę na kilku punktach styku. Może to prowadzić do wczesnych awarii przy dużych obciążeniach.
3. Wysokie prędkości. Mały punkt styku łożyska kulkowego oznacza również mniejsze tarcie. Jest więc mniejszy opór do pokonania i dlatego łatwiej jest osiągnąć wysokie prędkości przy użyciu tego typu łożysk.

Łożyska toczne

Łożyska toczne zawierają cylindryczne elementy toczne zamiast kulek jako elementy przenoszące obciążenia pomiędzy bieżniami. Element uważa się za wałeczek, jeśli jego długość jest większa niż średnica (nawet jeśli tylko nieznacznie). Ponieważ stykają się one liniowo z bieżnią wewnętrzną i zewnętrzną (a nie punktowo, jak w przypadku łożysk kulkowych), mogą przenosić większe obciążenia.

Łożyska toczne są również dostępne w różnych typach. Odpowiedni typ można wybrać po rozważeniu rodzaju i wielkości obciążenia, warunków użytkowania oraz możliwości niewspółosiowości, między innymi.

Wady łożysk wałeczkowych:

• Łatwa konserwacja
• Niskie tarcie
• Możliwość przenoszenia dużych obciążeń promieniowych
• Łożyska stożkowe wytrzymują duże obciążenia osiowe
• Duża dokładność
• Używane do regulacji przesunięcia osiowego
• Niskie wibracje

Wady łożysk wałeczkowych:

• Hałaśliwe
• Dość drogie

Łożyska walcowe

To najprostsze z rodziny łożysk walcowych. Łożyska te mogą sprostać wyzwaniom związanym z dużym obciążeniem promieniowym i wysoką prędkością. Oferują one również doskonałą sztywność, przenoszenie obciążeń osiowych, niskie tarcie i długi okres użytkowania.

Nośność można jeszcze bardziej zwiększyć poprzez rezygnację z koszyków lub uchwytów, które są zwykle stosowane do utrzymywania wałeczków cylindrycznych. Pozwala to na zamontowanie większej liczby rolek do przenoszenia obciążenia.

Są one dostępne jako jednorzędowe, dwurzędowe i czterorzędowe. Występują również w wariantach dzielonych i uszczelnionych.

Warianty dzielone są stosowane w miejscach trudno dostępnych, takich jak wały korbowe silników. W wariantach uszczelnionych zapobiega się zanieczyszczeniu łożyska i zachowuje się środek smarny, co czyni je opcją bezobsługową.

Łożyska baryłkowe

Duże obciążenia promieniowe i osiowe mogą być większym wyzwaniem, gdy wał jest podatny na niewspółosiowość.

Z taką sytuacją bardzo dobrze radzą sobie łożyska baryłkowe. Mają one wysoką nośność i radzą sobie z niewspółosiowością między wałem a obudową. Zmniejsza to koszty konserwacji i zwiększa trwałość użytkową.

Bieżnie łożysk baryłkowych są nachylone pod kątem do osi łożyska. Zamiast prostych boków, wałeczki mają kuliste boki, które pasują do bieżni kulistych i uwzględniają niewielkie niewspółosiowości.

Łożyska baryłkowe mają szeroki zakres zastosowań. Są one używane w zastosowaniach, w których występują duże obciążenia, umiarkowane do dużych prędkości i możliwe niewspółosiowości. Niektóre przykładowe zastosowania to pojazdy terenowe, pompy, wentylatory mechaniczne, napędy morskie, turbiny wiatrowe i skrzynie biegów.

Łożyska stożkowe

Łożysko stożkowe zawiera sekcje stożka jako elementu przenoszącego obciążenie. Wałeczki te pasują pomiędzy dwiema bieżniami, które również są odcinkami stożka pustego w środku. Gdyby wyścigi i osie wałeczków były wydłużone, spotkałyby się w punkcie wspólnym.

Łożyska stożkowe są przeznaczone do przenoszenia większych obciążeń osiowych oprócz obciążeń promieniowych. Im większy kąt połowy tego wspólnego stożka, tym większe obciążenie osiowe może wytrzymać. Dlatego działają one jako łożyska wzdłużne, a także jako łożyska do obciążeń promieniowych.

Łożyska igiełkowe

Łożyska igiełkowe to specjalny rodzaj łożysk wałeczkowych, które mają wałeczki cylindryczne przypominające igły ze względu na ich małą średnicę.

Normalnie długość wałeczków w łożyskach wałeczkowych jest tylko nieznacznie większa niż ich średnica. Jeśli chodzi o łożyska igiełkowe, długość wałeczków przekracza ich średnicę co najmniej czterokrotnie.

Jako że łożyska igiełkowe mają mniejszą średnicę, w tej samej przestrzeni można zmieścić więcej wałeczków, co zwiększa powierzchnię styku z bieżniami. Dzięki temu są one w stanie przenosić duże obciążenia. Mały rozmiar może również okazać się pomocny w zastosowaniach, w których przestrzeń jest ograniczona, ponieważ wymagają one mniejszych odstępów między osią a obudową.

Łożyska igiełkowe są stosowane w elementach samochodowych, takich jak czopy skrzyni biegów i wahacza. Są one również stosowane w sprężarkach i pompach.

Kiedy używać łożysk wałeczkowych?

Łożyska wałeczkowe są najczęstszą alternatywą dla łożysk kulkowych. Określmy więc, w jakich warunkach pracy najlepiej sprawdzają się tego typu łożyska.

1. Wysokie obciążenia. Łożyska wałeczkowe zapewniają znacznie większą powierzchnię styku, rozkładając obciążenie bardziej równomiernie. Dzięki temu są mniej podatne na awarie i mogą wytrzymać duże siły.
2. Niższe prędkości. To, ponownie, sprowadza się do powierzchni styku. Występuje tu większe tarcie, które może powodować wytwarzanie wyższej temperatury i szybsze zużycie.

Łożyska ślizgowe

Łożysko ślizgowe to najprostszy typ łożyska. Zazwyczaj składa się ono tylko z powierzchni łożyska. Nie ma elementów tocznych.

Łożysko jest w zasadzie tuleją zamontowaną na wale i pasującą do otworu. Łożyska ślizgowe są niedrogie, kompaktowe i lekkie. Mają wysoką nośność.

Łożyska ślizgowe są używane do ruchu obrotowego, ślizgowego, posuwisto-zwrotnego lub oscylacyjnego. Łożysko pozostaje nieruchome, podczas gdy czop ślizga się po jego wewnętrznej powierzchni. Aby ułatwić płynny ruch, wybierane są pary materiałów o niskich współczynnikach tarcia. Różne rodzaje stopów miedzi, na przykład, są dość powszechne.

To łożysko może pomieścić pewną niewspółosiowość, ruchy wielokierunkowe i jest odpowiednie dla obciążeń statycznych, jak i dynamicznych. Jest szeroko stosowane w aplikacjach w rolnictwie, przemyśle samochodowym, morskim i budowlanym.

Sworzeń przegubowy, który łączy tłok z korbowodem w silnikach wysokoprężnych, jest połączony przez łożysko ślizgowe.

Łożysko baryłkowe jest również łożyskiem ślizgowym, chociaż składa się z 2 części – pierścienia wewnętrznego i pierścienia zewnętrznego. Choć z wyglądu jest podobne do łożysk kulkowych i wałeczkowych, nie posiada elementów tocznych pomiędzy dwoma pierścieniami.

Łożyska płynne

Łożysko płynne to specjalny rodzaj łożyska, które opiera się na gazie lub cieczy pod ciśnieniem w celu przeniesienia obciążenia i wyeliminowania tarcia. Łożyska te są używane do zastępowania łożysk metalowych w zastosowaniach, w których miałyby one krótką żywotność oraz wysoki poziom hałasu i drgań.

Są one również coraz częściej używane do obniżania kosztów. Łożyska płynne są stosowane w maszynach pracujących z dużymi prędkościami i obciążeniami. Chociaż początkowe koszty są wyższe, dłuższy okres eksploatacji w trudnych warunkach rekompensuje je w dłuższej perspektywie.

Gdy maszyna pracuje, nie ma żadnego kontaktu między dwoma elementami (z wyjątkiem rozruchu i zatrzymania), a zatem możliwe jest osiągnięcie niemal zerowego zużycia dzięki łożyskom płynnym.

Łożyska płynowe dzieli się na dwa typy: hydrostatyczne i hydrodynamiczne.

Łożyska hydrostatyczne

W tym typie pomiędzy dwa elementy będące w ruchu względnym wtłaczana jest ciecz pod ciśnieniem zewnętrznym. Ciecz pod ciśnieniem tworzy klin pomiędzy ruchomymi częściami i utrzymuje je w odległości od siebie. Warstwa płynu może być bardzo cienka, ale tak długo, jak nie ma bezpośredniego kontaktu, nie będzie żadnego zużycia.

Płyn jest cyrkulowany za pomocą pompy. Średnica kryzy wyjściowej może być regulowana, aby zapewnić, że płyn jest zawsze pod ciśnieniem przy wszystkich prędkościach obrotowych i obciążeniach wału. W ten sposób możliwa jest precyzyjna kontrola szczeliny.

Łożyska hydrodynamiczne

Ten typ łożyska wykorzystuje ruch czopa do wymuszenia przepływu płynu między wałem a obudową. Ruch czopa zasysa płyn smarujący pomiędzy częściami ruchomymi, tworząc stały klin.

Oznacza to jednak, że podczas uruchamiania i zatrzymywania, a także przy niskich obciążeniach i prędkościach, tworzenie klina może nie być wystarczająco dobre, aby zapobiec zużyciu. Tylko przy projektowanych prędkościach system będzie działał dokładnie tak, jak trzeba.

Łożyska magnetyczne

Łożyska magnetyczne wykorzystują koncepcję lewitacji magnetycznej do utrzymywania wału w powietrzu. Ponieważ nie ma kontaktu fizycznego, łożyska magnetyczne są łożyskami o zerowym zużyciu. Nie ma również ograniczenia co do maksymalnej ilości prędkości względnej, jaką mogą obsłużyć.

Łożyska magnetyczne mogą również przyjąć pewne nieprawidłowości w konstrukcji wału, ponieważ położenie wału jest automatycznie dostosowywane na podstawie jego środka masy. Tak więc, może on być przesunięty w jedną stronę, ale nadal będzie działać tak samo zadowalająco.

Są one szeroko klasyfikowane na dwa rodzaje: Aktywne i pasywne łożyska magnetyczne.

Aktywne łożyska magnetyczne

Aktywne łożyska magnetyczne wykorzystują elektromagnesy wokół wału, aby utrzymać jego pozycję. Jeśli zmiana położenia zostanie wykryta przez czujniki, system dostosowuje ilość prądu doprowadzanego do systemu i przywraca wirnik do jego pierwotnej pozycji.

Pasywne łożyska magnetyczne

Pasywne łożyska magnetyczne wykorzystują magnesy stałe do utrzymywania pola magnetycznego wokół wału. Oznacza to, że nie jest potrzebny dopływ energii. System ten jest jednak trudny do zaprojektowania ze względu na ograniczenia, ponieważ technologia ta jest wciąż we wczesnym stadium rozwoju.

W wielu przypadkach dwa typy łożysk magnetycznych mogą być stosowane w tandemie, w którym magnesy stałe obsługują obciążenie statyczne, podczas gdy elektromagnesy są używane do utrzymywania położenia z dużą dokładnością.

.