Łożyska toczne

Janusz Skrzypacz

Funkcje łożysk

•

Ustalić wał wzdłużnie i poprzecznie

•

Przenieść obciążenie z elementów osadzonych
na wale, poprzez korpus do fundamentów

Podział łożysk

Łożyska dzieli się na dwa podstawowe rodzaje:
•

ślizgowe,

•

toczne

Ze względu na kierunek siły obciążającej łożysko:
•

poprzeczne, przejmujące obciążenia prostopadłe do osi
łożyskowanego elementu,

•

poprzeczno-wzdłużne, przejmujące obciążenia zarówno
prostopadłe jak i zgodne z kierunkiem ruchu,

•

wzdłużne, przenoszące obciążenia zgodne z kierunkiem ruchu
osi.

Tarcie toczne

Koło

Podłoże

Współczynnik

tarcia w mm

stal

stalowa szyna

0,5

hartowane kulki
stalowe

hartowana stal

0,01

żeliwo

żeliwo

0,8

Budowa łożyska tocznego

Typy elementów tocznych

kulkow
e

kulka

wałeczek

igiełka

wałeczek stożkowy

baryłka

walcowe

igiełkowe

stożkowe

baryłkowe

Podział łożysk tocznych

Ze względu na możliwość wzajemnego

wychylenia się pierścieni można podzielić na:

zwykłe

wahliwe

samonastawne

Podział łożysk tocznych

Ze względu na ilość rzędów części tocznych

można podzielić na:

jednorzędowe

dwurzędowe

wielorzędowe

Nominalny kąt działania

Nominalny kąt działania łożysk kulkowych jest zawarty
między prostą łączącą punkty styku kulki z bieżniami w
nieobciążonym łożysku a płaszczyzną prostopadłą do osi
łożyska. W łożyskach wałeczkowych mieści się on między
prostą prostopadła do tworzącej bieżni zewnętrznej a
płaszczyzną prostopadła do osi łożyska

Podział łożysk ze względu na

nominalny kąt działania

•

promieniowe (poprzeczne) o kącie działania
0° ≤ a < 45°

•

osiowe (wzdłużne) o kącie działania 45° ≤ a < 90°

•

skośne, są to łożyska promieniowe, które do
poprawnej pracy wymagają osiowego podparcia
pierścieni.

skośne

promieniowe
(poprzeczne)

osiowe
(wzdłużne)

Zasady doboru łożysk tocznych

Łożyska kulkowe zwykłe

Jednorzędowe promieniowe łożysko kulkowe zwane kulkowym
łożyskiem zwykłym jest ze względu na swoje wielorakie zastosowanie i
korzystna cenę najczęściej stosowanym rodzajem łożyska tocznego.
Łożyska kulkowe zwykłe jednorzędowe przejmują siły promieniowe i
osiowe, mogą być również użytkowanie przy dużych prędkościach
obrotowych. Łożyska te uszczelnione nie wymagają dozoru i umożliwiają
proste rozwiązania konstrukcyjne. Zdolność do wychyleń kątowych
łożyska kulkowego zwykle jest stosunkowo nieznaczna.

Łożyska kulkowe wahliwe

Łożysko kulkowe wahliwe jest łożyskiem dwurzędowym z kulistą bieżnia na pierścieniu

zewnętrznym. Dzięki temu łożysko ma możliwość wychylenia kątowego i może wyrównywać
odchyłki współosiowości, ugięcia wałów i odkształcenia oprawy. Łożyska te są nierozłączne.

Ponieważ w kulkowym łożysku wahliwym kulki stykają się z kulistą powierzchnią bieżni

pierścienia zewnętrznego dlatego też obniża to jego nośność. Z drugiej jednak strony, wzajemne
wychylenie pierścieni umożliwia znaczne wypełnienie obu rzędów podziałowego obwodu łożyska,
co w pewnym stopniu niweluje poprzedni niekorzystny wpływ i w rezultacie nośność tego łożyska
jest mniejsza tylko o jedną trzecią od nośności zwykłego łożyska kulkowego. Jednocześnie dzięki
wahliwości obciążenie równomiernie rozkłada się na oba rzędy kulek, zapewniając poprawną
pracę łożyska. Jest ono jednak bardzo wrażliwe na obciążenie wzdłużne, ze względu na mały kąt
działania . Przenosi tylko obciążenia promieniowe.

Łożyska kulkowe skośne

O

X

Łożyska kulkowe skośne jednorzędowe są obciążalne promieniowo i osiowo,

jednak siły osiowe przenoszą tylko w jednym kierunku są one nastawialne względem
drugiego łożyska, które przejmuje obciążenie osiowe o przeciwnym zwrocie. Łożyska kulkowe
skośne nie są rozłączne. Ich przydatność do wychyleń kątowych jest bardzo nieznaczna.

Obciążenie promieniowe działające na łożysko kulkowe skośne jednorzędowe

powoduje powstanie w nim siły osiowej, którą należy zrównoważyć siłą o przeciwnym
zwrocie. Ponieważ łożyska te mogą przenosić obciążenia osiowe tylko w jednym kierunku,
dlatego też łożyska skośne pracują zazwyczaj parami. Obecnie wykonywanie łożyska osiągają
taką dokładność położenia czół pierścienia zewnętrznego i wewnętrznego, że możliwe jest
ich zestawienie w pary w układach: tandem, X i O.

Łożyska kulkowe skośne dwurzędowe

Łożysko kulkowe skośne dwurzędowe odpowiada pod

względem

budowy

parze

łożysk

kulkowych

skośnych

jednorzędowych w układnie O. Łożysko może przejmować duże
obciążenia promieniowe oraz obciążenia osiowe w obu kierunkach.
Jest ono szczególnie przydatne dla łożyskowań, od których
wymagane jest sztywne prowadzenie w kierunku osiowym. Zdolność
do wychyleń

kątowych tak jak w przypadku skośnych

jednorzędowych też jest bardzo nieznaczna.

Łożyska promieniowe wałeczkowe

Łożyska walcowe mają charakter rozłączny. Wałeczki są prowadzone przez bieżnie

pomocnicze z jednego pierścienia i utrzymane w nim w całości przez koszyk. Drugi pierścień ma tylko
jedną bieżnie pomocniczą lub jest jej pozbawiony, co umożliwia swobodne jego wysuwanie. Ułatwia to
montaż, nawet gdy wymagane jest ciasne osadzenie obu pierścieni. Ponadto umożliwia małe osiowe
przesunięcia wału względem oprawy w czasie pracy, wynikające np. z odkształceń cieplnych.

Zasadniczym przeznaczeniem łożysk walcowych jest przenoszenie obciążenia promieniowego,

jednak mogą one również obciążone ciągłym obciążeniem osiowym nieprzekraczającym części
obciążenia promieniowego.

Łożyska walcowe jednorzędowe są bardzo wrażliwe na niewspółosiowość wału i oprawy.

Mają one jednak mały moment tarcia oraz znacznie większą nośność od łożysk kulkowych. Większość
odmian konstrukcyjnych łożysk walcowych jest produkowana w zakresie średnic d = 20 ÷ 200 [mm],
lżejsze odmiany do 400 [mm].

Łożyska igiełkowe

Łożyskami igiełkowymi są łożyska walcowe z bardzo cienkimi pierścieniami i dużą liczbą

stosunkowo długich wałeczków, często zaokrąglonymi czołami, o średnicy nie przekraczającej 5 [mm].
Wałeczki takie zwane są igiełkami. Łożyska igiełkowe wykonywane są w bardzo licznych odmianach
wymiarowych i konstrukcyjnych.

Zaletą łożysk igiełkowych jest mały wymiar poprzeczny przy bardzo dużej nośności,

szczególnie gdy powierzchnia wału spełnia rolę wewnętrznej bieżni, co sprzyja zwartej konstrukcji. W
przypadku stosowania łożysk, których zewnętrzny pierścień jest tłoczony z cienkiej blachy, powierzchnia
osadzenia w oprawie musi być wykonana z dokładnością kształtu wymaganą praktycznie dla bieżni.

Z drugiej jednak strony duża długość igiełek ogranicza dokładność ich wykonania, co

powoduje wzdłuż nich nierównomierność rozkładu obciążenia. Wskutek tego oraz wskutek braku
idealnej współosiowości obu bieżni igiełki mają tendencję do przekoszania się, czemu nie może
przeciwdziałać problematyczne prowadzenie ich przez bieżnie pomocnicze. W rezultacie łożyska
igiełkowe mają największy moment tarcia spośród wszystkich łożysk tocznych.

Łożyska stożkowe

Wałeczkową odmian łożysk skośnych są jednorzędowe łożyska stożkowe, składające się z pierścieni ze

stożkowymi bieżniami i wałeczków w kształcie ściętego stożka. W zależności od serii wykonywane są one z kątem
działania a = 10 ÷ 35° i z tego względu są przeznaczone, podobnie jak skośne łożyska kulkowe, do dokładnego
osiowego ustalania wału oraz przenoszenia obciążeń promieniowych i osiowych, jednak o znacznie większych
wartościach niż łożysk kulkowych. Podobnie jak łożyska walcowe, łożyska stożkowe dopuszczają bardzo małą
niewspółosiowość wału i oprawy. Większość serii jednorzędowych łożysk stożkowych jest wykonana w zakresie d = 15
÷ 110 [mm], a lżejsze odmiany do 300 [mm].

Zasadniczo zdolność łożyska do przenoszenia obciążeń osiowych jest w dużym stopniu zależna od kąta

działania, który odpowiada kątowi bieżni pierścienia zewnętrznego. Im ten kąt jest większy, tym większa jest
obciążalność osiowa łożyska. Łożyska stożkowe są na ogół rozłączne, to znaczy pierścień wewnętrzny z zestawem
wałeczków, tworzący jedną całość, może być zabudowany niezależnie od pierścienia zewnętrznego.

Ponieważ łożysk stożkowe mogą przejmować obciążenie osiowe tylko w jednym kierunku, wymagane jest

zastosowanie drugiego, przeciwnie ustawionego łożyska stożkowego w celu zapewnienia prowadzenia w przeciwnym
kierunku.

Łożyska baryłkowe

Łożyska baryłkowe są stosowane przy przenoszeniu największych obciążeń. Zbudowane są one tak, że baryłki toczą się po

zewnętrznej bieżni kulistej, dzięki czemu łożyska te są wahliwe. Bardziej rozpowszechnione są łożyska baryłkowe dwurzędowe, których
nośność jest o około 50% większa od nośności łożysk jednorzędowych.

Niekorzystne poślizgi starano się w nich zmniejszyć przez stosowanie baryłek niesymetrycznych toczących się po stożkowo

nachylonych łukowych bieżniach wewnętrznych. Powodowało to jednak podobnie jak w łożyskach stożkowych, reakcję osiową między
czołem baryłki a pomocniczą bieżnią pierścienia wewnętrznego. Również w prostszych technologicznie łożyskach z baryłkami
symetrycznymi, prowadzonymi przez stała bieżnię pomocniczą, straty są niewiele mniejsze. Ponadto w przypadku obciążenia osiowego i
luzu w łożysku bieżnia pomocnicza przenosi znaczną część obciążenia, powodując przechylenie baryłki i nieprawidłowy rozkład nacisków na
bieżniach głównych. W kolejnym rozwiązaniu konstrukcyjnym wprowadzono pierścień wewnętrzny bez obrzeży. Prowadzenie zapewnia
znajdujący się między rzędami baryłek pierścień obracający się pod wpływem sił tarcia pochodzących od prowadzonych baryłek. W tym
przypadku obciążenie osiowe zawsze jest przenoszone przez bieżnie główne. W opracowanych ostatnio konstrukcjach krzywizny bieżni i
baryłki dobrano tak, że powstałe między nimi od sił tarcia momenty skręcające baryłkę równoważą się i baryłka stabilizuje się samoczynnie
w położeniu równowagi. Zmniejszyło to znacznie straty tarcia i łożyska tego typu osiągają maksymalną prędkość obrotową około 30%
większą od prędkości poprzednich odmian konstrukcyjnych.

Łożyska osiowe

Kulkowe osiowe łożysko jednokierunkowe składa się z dwóch pierścieni o różnej

średnicy wewnętrznej. Pierścień o mniejszej średnicy osadzony jest na wale. Obydwa pierścienie
mogą być płaskie lub jeden z nich (osadzony w oprawie) o zewnętrznej powierzchni kulistej. W
połączeniu z dodatkowym pierścieniem o wewnętrznej powierzchni kulistej uzyskuje się wtedy
łożysko samonastawne. Ze względu na kąt działanie równy 90° łożysko kulkowe osiowe nie
może przenosić obciążenie promieniowego, jednocześnie maksymalna prędkość obrotowa
łożysk tego rodzaju jest mała i równa około 70% prędkości promieniowych łożysk kulkowych.

Łożyska walcowe wzdłużne odznaczają się duża sztywnością, obciążalnością i

odpornością na uderzenia. Łożyska te przejmują w jednym kierunku bardzo duże obciążenia
osiowe, nie przyjmują jednak obciążeń promieniowych. Nie maja zdolności samonastawiania
(nie są przystosowane do wychyleń kątowych). Łożyska walcowe wzdłużne dają się rozłożyć na
złożenie wałeczkowe walcowe wzdłużne, pierścień wewnętrzny i pierścień zewnętrzny.

Normalizacja

Trwałość łożysk tocznych

Trwałość łożyska

jest to okres pracy w godzinach lub milionach obrotów, do

momentu kiedy w 90% badanych łożysk pojawią się pierwsze oznaki zmęczenia
materiału powierzchni tocznych.

Nośność dynamiczna

jest to wyrażona w jednostkach siły wartość obciążenia

łożyska, przy której jego trwałość równa się 1 milionowi obrotów.

gdzie:
C [N] - nośność dynamiczna (ruchowa) łożyska,
L [mln obr] - trwałość łożyska wyrażona w milionach obrotów,
P [N] - zastępcze obciążenie ruchowe (dynamiczne) łożyska,
p - wykładnik potęgowy dla łożysk:
- kulkowych p = 3,
- wałeczkowych i igiełkowych p = 10/3.

Obciążenie zastępcze

gdzie:
Fr, Fa [N] - obciążenia łożyska poprzeczne (promieniowe) i wzdłużne
(osiowe),
V - współczynnik przypadku obciążenia,
X, Y - współczynniki obciążenia ruchowego poprzecznego i
wzdłużnego.

Obciążenie zastępcze

jest to obciążenie tylko poprzeczne dla łożysk poprzecznych lub

tylko wzdłużne dla łożysk wzdłużnych, pod działaniem którego łożysko z obracającym się
pierścieniem oprawy osiągnie taką samą trwałość, jak w rzeczywistych warunkach
obciążenia i przy rzeczywiście obracających się względem kierunku siły pierścieniach.

Obciążenie zastępcze statyczne

gdzie:
P0 [N] - zastępcze obciążenie spoczynkowe,
X0, Y0 - współczynniki obciążenia spoczynkowego poprzecznego i
wzdłużnego.

gdzie:
C0 [N] - nośność statyczna (spoczynkowa) łożyska,
s0 - współczynnik bezpieczeństwa obciążenia statycznego.

Konstrukcja węzłów łożyskowych

Konstrukcja węzłów łożyskowych

Konstrukcja węzłów łożyskowych

Konstrukcja węzłów łożyskowych

Konstrukcja węzłów łożyskowych

Ustalenie łożyska

Elementy ustalające