Podstawy Projektowania Inżynierskiego Łożyska toczne P o l i t e c h n i k a O p o l s k a Wydział Zarządzania i Inżynierii Produkcji Instytut Inżynierii Produkcji Podstawy Projektowania Inżynierskiego Łożyska toczne Prowadzący: dr inż. Piotr Chwastyk e-mail: chwastyk@po.opole.pl www.chwastyk.po.opole.pl

Definicja łożysk Aby zapewnić prawidłową pracę elementu, jakim jest wał, należy zachować stałe położenie osi jego obrotu względem nieruchomej podstawy. Zadanie to spełniają łożyska, a ustalenie położenia osi i wałów względem korpusów nazywa się łożyskowaniem. Łożysko - część urządzenia technicznego np. maszyny lub mechanizmu, podtrzymująca (łożyskująca) inną jego część (łożyskowaną) w sposób umożliwiający jej względny ruch obrotowy (np. wał, oś). Cechy materiału łożyskowego: dobra odkształcalność, odporność na zatarcie, mały współczynnik tarcia suchego, odporność na zużycie, odporność na korozję, wytrzymałość na nacisk w temperaturze pracy, wytrzymałość zmęczeniowa, dobra przewodność cieplna, stabilność geometryczna, dobra obrabialność.

Łożyska toczne Łożysko toczne - łożysko, w którym ruch jest zapewniony przez toczne elementy umieszczone pomiędzy dwoma pierścieniami łożyska. Pierścień wewnętrzny (2) osadzony jest z pasowaniem ciasnym na czopie wału lub innym elemencie. Pierścień zewnętrzny (1) umieszczony jest także nieruchomo w oprawie lub w innym elemencie nośnym. Elementy toczne (3) umieszczone są pomiędzy pierścieniami i stykają się z ich bieżniami, wewnętrzną (5) i zewnętrzną (6), zapewniając obrót pierścieni względem siebie. Dodatkowymi elementami łożyska tocznego mogą być koszyczki (4) utrzymujące elementy toczne w stałym do siebie oddaleniu, blaszki zabezpieczające, uszczelki itp.

Podział łożysk tocznych Łożyska dzielimy ze względu na kierunek obciążenia na: poprzeczne (a); wzdłużne (b); skośne (c)  < 45o. W zależności od kształtu elementu tocznego: kulkowe; wałeczkowe: walcowe; stożkowe; baryłkowe. Wałeczki walcowe o średnicy do 5 mm i stosunku ich długości do średnicy większej lub równej 2,5 są nazywane igiełkami.

Podział łożysk tocznych Podział łożysk tocznych ze względu na główne cechy konstrukcyjne 1. KULKOWE zwykłe a (serie: 618, 619, 160, 60, 62, 63, 64); skośne jednorzędowe c (serie: 70, 72, 73); skośne dwurzędowe d (serie: 32, 33); wzdłużne jednorzędowe-dwukierunkowe j; wahliwe b (serie: 12, 13, 22, 23). 2. WALCOWE poprzeczne jednorzędowe e, f (serie: 2, 3, 4, 10, 22, 23); poprzeczne dwurzędowe; wzdłużne jednokierunkowe; wzdłużne dwukierunkowe. 3. IGIEŁKOWE poprzeczne jednorzędowe g; poprzeczne dwurzędowe; wzdłużne. 4. STOŻKOWE poprzeczne jednokierunkowe; poprzeczne dwukierunkowe h. 5. BARYŁKOWE poprzeczne i; wzdłużne l.

Podstawowe wymiary łożysk tocznych Podstawowe wymiary łożysk tocznych to: średnica otworu d; średnica zewnętrzna D; szerokość łożyska B; wysokość łożyska H.

Oznaczenia łożysk tocznych Łożyska są znormalizowane w skali światowej (ISO). Każde łożysko jest oznaczone symbolem cyfrowym lub literowo – cyfrowym, w którym wyróżnia się oznaczenia serii (w tym odmiany średnicowej), oznaczenie średnicy otworu d, oraz inne informacje. Ostatnie dwie cyfry symbolu cyfrowego określają średnicę łożyska. Gdy mamy 00, oznacza to d = 10 mm, 01 – d = 12 mm, 02 – d = 15 mm, 03 – d = 17 mm. Wyższe liczby (04  96) mnoży się przez pięć, otrzymując w wyniku średnicę otworu łożyska. Przy d > 500 mm wymiar otworu podaje się bezpośrednio za kreską ułamkową (po znaku serii) np. 60/500. Dla średnic d < 10 mm wymiar średnicy podaje się pojedynczą cyfrą, równą średnicy otworu np. dla d = 7 mm – 607. Pozostała część symbolu określa serię łożyska, podstawowe cechy konstrukcyjne, w tym głównie odmianę średnicową.

Oznaczenia łożysk tocznych Odmiany łożysk Odmiana średnicowa 7 8 9 1 2 3 4 5 szczególnie lekka bardzo lekka lżejsza lekka średnia ciężka bardzo ciężka Odmiana szerokości 6 bardzo wąska wąska normalna szeroka bardzo szeroka

Dobór łożysk tocznych Zasady doboru łożysk tocznych, rodzaje łożysk, materiały z których są wykonane, znajdują się w katalogu łożysk tocznych. Czynniki decydujące o doborze łożyska: Pierwsza grupa decyduje o doborze typu łożyska. Zależna jest od warunków konstrukcyjnych, przeznaczenia maszyny, warunków pracy łożyska, warunków montażu i obsługi. Zależy ona od konstruktora (wytyczne ułatwiające to zadanie znajdują się w katalogach). Druga grupa to czynniki decydujące o wymiarach łożyska (wartość obciążenia przy którym łożysko przepracuje określony czas bez zniszczenia oraz maksymalna prędkość obrotowa ngr).

Dobór łożysk tocznych Obciążenie łożyska określa się w czasie ruchu łożyska. Podstawowe parametry służące doborowi łożysk to: Nośność ruchowa – gdy pierścienie obracają się względem siebie z prędkością obrotową n > 10 obr/min. Nośność spoczynkowa – w czasie spoczynku gdy n  10 obr/min. Wartość nośności ruchowej (C) – określa obciążenie, przy którym łożysko osiągnie trwałość 1 mln obr. Wartość nośności spoczynkowej (Co)– obciążenie wywołujące odkształcenia plastyczne współpracujących elementów, równe 0,0001 średnicy części toczonej. Trwałość łożyska – przy dowolnym obciążeniu, czas pracy łożyska do chwili wystąpienia pierwszych oznak zniszczenia, którymi będą rysy lub mikropęknięcia na powierzchniach tocznych, potem łuszczenie powierzchni tocznych, w rezultacie zniszczenie łożyska. Nośność ruchowa dla poszczególnych łożysk wyznaczona jest przy założeniu niewielkiej trwałości odpowiadającej 500 h pracy przy n = 331/3 obr/min. W rzeczywistości wymagamy znacznie większej ilości godzin pracy (Lh) oraz stosowanie większych obrotów (n). Dobrać łożysko to przyjąć większe C niż wyznaczone.

Dobór łożysk tocznych Zależność między żądaną trwałością, nośnością ruchową i rzeczywistym obciążeniem łożyska określa wzór: gdzie: L – trwałość łożyska w mln obrotów; C – nośność ruchowa (katalog); F – obciążenie; p – wykładnik potęgowy: dla łożysk kulkowych p = 3, dla wałeczkowych p = 10/3. Chcąc wyznaczyć trwałość pracy łożyska w godzinach Lh, wzór ten przyjmuje postać:

Dobór łożysk tocznych przy obciążeniu zastępczym W rzeczywistości łożyska obciążone są siłą wzdłużną Fa i poprzeczną Fr. powoduje to konieczność wyznaczenia obciążenia zastępczego, którego wartość będzie podstawą do doboru łożyska wg poniższych zasad: Fz = X  Fr + Y  Fa gdzie: F – obciążenie równoważne (zastępcze [N, daN]); Fr – składowa promieniowa obciążenia; Fa – składowa osiowa obciążenia; X – współczynnik obciążenia promieniowego; Y – współczynnik obciążenia osiowego. Wartości X i Y są przypisane (zależnie) od rodzaju łożyska i od rodzaju stosunku Fa do Fr

Dobór łożysk tocznych przy obciążeniu zastępczym W katalogu należy znaleźć wartości współczynnika e, który charakteryzuje konstrukcję łożyska w zakresie zdolności do przeniesienia dodatkowych obciążeń. Dla łożysk kulkowych zwykłych wartość współczynnika e zależy od stosunku Fa/Co. Fa/Co = 0,014  0,56  e = 0,19  0,44 Znając stosunek obciążenia Fa/Fr, należy porównać go z wartością e. 1. Fa/Fr  e  X = 1; Y = 0 przy takim obciążeniu pomijamy wpływ obciążenia osiowego F = Fr. 2. Fa/Fr > e  X = (0,56; 0,46; 0,44) zależny od wielkości luzu; Y – zależne od stosunku Fa/Co i wielkości luzu. 120oC – łożyska są przystosowane do pracy w tej temperaturze. UWAGA: Zabrania się przekraczania tej temperatury nawet jednorazowo.

Dobór łożysk tocznych przy obciążeniu zastępczym Dla łożysk pracujących powyżej 120oC przyjmuje się obniżoną wartość nośności C. Ct = C  ft C – nośność ruchowa; ft – współczynnik temperatur. Dla 150oC ft = 0,98 Dla 200oC ft = 0,9 Dla 250oC ft = 0,75 Dla 300oC ft = 0,6 Ze względu na różne wartości X i Y oraz e dla poszczególnych łożysk obliczanie F oprzemy na odpowiednich tablicach Katalogu Łożysk Tocznych (KŁT). Dla łożysk obracających się z prędkością n < 10 obr/min nośność spoczynkowa Co zależy od trwałego odkształcenia. Przy doborze tych łożysk wystarczy spełnić warunek, aby maksymalne obciążenie łożyska było mniejsze od Co. Jeżeli obciążenie działa skośnie: Fo = Xo  Fr + Yo  Fa Fo – obciążenie zastępcze spoczynkowe; Fr,Fa – składowe obciążeń; Xo,Yo – współczynnik obciążeń. Dla łożysk kulkowych zwykłych: Xo = 0,6; Yo = 0,5.

Węzły łożyskowe Osadzanie łożysk tocznych powinno zapewnić ustalenie wzdłużne wału i łożyska, oraz ustalenie właściwego luzu łożyskowego w czasie pracy łożyska. Pełne wykorzystanie łożysk tocznych zależy od: dobrania łożyska; odpowiednich warunków pracy jak i od własności osadzenia łożysk na wale i w korpusie maszyny. Ustalenie wzdłużne polega na tym, że jedno łożysko ustala wał w kierunku wzdłużnym, tzn. zapewnia stałe położenie jednego czopa wału względem korpusu maszyny, a drugie łożysko powinno mieć możliwość wzdłużnego przesuwu względem korpusu, aby nie krępować odkształceń cieplnych wału i niwelować błędy montażu lub wykonania elementu. Zasada ustalania wzdłużnego stosowana jest do łożysk kulkowych i walcowych.

Pasowanie pierścieni łożyskowych i oprawy Przy doborze pasowań należy zwracać uwagę, aby: w czasie pracy łożyska istniał właściwy luz poprzeczny (zakleszczanie łożyska), nie występowało obracanie się pierścieni łożyska wałka i oprawy. Rozróżniamy dwa przypadki obciążenia łożyska: ruchomy wałek, ruchoma oprawa. W pierwszym przypadku pierścień wewnętrzny osadzony jest ciasno, a zewnętrzny luźno. W drugim przypadku odwrotnie. Czopy wałów wykonuje się najczęściej g6 do r6. Otwory korpusu wykonuje się J7 do P7. Podane symbole nie charakteryzują rodzaju pasowania.

Smarowanie łożysk tocznych Aby polepszyć warunki pracy łożyska i maksymalnie je wykorzystać stosujemy smarowanie. Zależy ono od: warunków eksploatacji łożyska, konstrukcji węzła łożyskowego. Czynniki decydujące o środku smarnym: temperatura pracy, rodzaj uszczelnienia i warunki otoczenia, prędkość obrotowa łożyska, obciążenie, rodzaj konstrukcji łożyska.

Smarowanie łożysk tocznych Najlepsze jest smarowanie olejowe. Mankamentem smarowania jest konieczność stosowania złożonych uszczelnień, niebezpieczeństwo zaburzeń w pracy układu. Rodzaje smarowana: Smarowanie olejowe – musimy odprowadzić ciepło z węzła, gdy służy ono do smarowania innych elementów maszyny. Gdy prędkość obrotowa równa się prędkości granicznej – łożysko ma korpus o konstrukcji zamkniętej. Smarowanie łożysk smarem plastycznym – gdy temperatura pracy niższa niż 70oC. Smarowanie olejem: Smarowanie zanurzeniowe – łożysko zanurzone jest w oleju. Podczas obrotu elementy toczne w łożysku zwilżone olejem, przenoszą go na bieżnię, obrzeża i powierzchnie prowadzenia koszyczka. Poziom oleju powinien być poniżej osi najdalej położonych elementów tocznych. Smarowanie obiegowe – wymuszony jest przepływ oleju przez łożysko toczne. Smarowanie mgłą olejową – tam gdzie łożyska mają bardzo duże obroty. Drobinki oleju są rozpylane sprężonym powietrzem. Stosujemy gdy d  n > 100000, potrzebne intensywne chłodzenie i łożysko musimy izolować.

Uszczelnianie węzłów łożyskowych Efekt uszczelniania uzyskuje się przy uszczelkach filcowych lub gumowych – sprężynujący element dokładnie przylega do powierzchni uszczelnianej. Uszczelnianie filcowe – do smarów plastycznych v < 5 m/s, temperatura do 90oC, Ra  2,5 m. Powierzchnie czopa polerujemy. Pierścień nasycamy olejem. Wymiary pierścieni i rowków dobieramy z tabel. Uszczelnianie gumowe – pierścień uszczelniający, gdy wymagana jest większa szczelność – olej. Uszczelnienia bezstykowe: szczelinowo rowkowe, labiryntowe, odrzutnikowe, tarcze ochronne.