Dobór materiałów

na łożyska

ślizgowe

Praca łożyska ślizgowego zależy w dużym stopniu od własności pary materiałów:
czopa i panwi łożyska. Ponieważ czopy wałów są najczęściej stalowe, o dość
zbliżonych własnościach, zatem w celu uzyskania możliwie najkorzystniejszych
warunków pracy łożyska należy dobierać odpowiednie materiały na panwie łożysk
(materiały łożyskowe). Od materiałów łożyskowych wymaga się wysokiej
wytrzymałości mechanicznej na obciążenia statyczne i dynamiczne,
odporności na zatarcie, odporności na korozję, małego współczynnika
tarcia odpowiedniej rozszerzalności cieplnej, dobrego przewodzenia
ciepła, dobrej odkształcalności, dobrej obrabialności, a także niskiej
ceny. Do najczęściej stosowanych materiałów należą stopy łożyskowe, np. stopy
cynowe, zwane babbitami, o składzie: 89%Sn, 8%Sb i 3%Cu lub zbliżonymi(np.
krajowy stop Ł83 zawiera 83%Sn, 11% Sb i 6%Cu). Stopy te odznaczają się bardzo
dobrymi własnościami ślizgowymi, dobrą odkształcalnością, odpornością na
zatarcie i odpornością na korozję. Stosuje się je w postaci warstwy wylewnej na
podłożu stalowym. Podobne własności mają stopy ołowiowe, np. Ł16 (16%Sb,
2%Cu, 16%Sn, reszta Pb). Są one nieco bardziej miękkie, ale tańsze. Do
materiałów często stosowanych należą brązy odlewnicze cynowe i ołowiowe o
dużej twardości i wytrzymałości. Używane są do pracy w najcięższych warunkach,
m.in. przy obciążeniach zmiennych i uderzeniowych, gdzie własności
wytrzymałościowe są ważniejsze od własności ślizgowych.

Nazwa gatunku

i symbol

Zastosowanie

Dane orientacyjne

warunków pracy

Cynowo-antymonowo-

miedziowy

SnSb8Cu4

SnSb12Cu6Pb

panwie łożysk ślizgowych

pracujących w ruchu ciągłym

przy obciążeniach

statycznych i dynamicznych

oraz bardzo dużych

prędkościach obwodowych

czopa

nacisk do 10MPa,

prędkość obwodowa

v>5 m/s,

(pv)

dop

<50 Mpa m/s,

t

dop

<110 

o

C

Ołowiowo-cynowo-

-antymonowo-

-miedziowy

PbSb15SnAs

pawie łożysk ślizgowych

pracujących przy średnim

natężeniu pracy

, obciążeniu statycznym i du-

żych prędkościach

obwodowych czopa.

nacisk do 10MPa,

prędkość obwodowa

v>15 m/s,

(pv)

dop

<15 Mpa m/s,

t

dop

<120 

o

C

Ołowiowo-cynowo-

-antymonowo-

-miedziowy

PbSb14Sn9As

panwie łożysk ślizgowych

pracują-

cych przy średnich

obciążeniach

udarowych lub przy dużych

obciąże-

niach statycznych i średnich

prędkościach obwodowych

nacisk do 10MPa,

prędkość obrotowa

v>1,5 m/s,

(pv)

dop

<30 Mpa m/s,

t

dop

<130 

o

C

Ołowiowo-cynowo-

-antymonowy

PbSb10Sn6

panwie łożysk

samochodowych

pracujących przy

obciążeniach ude-

żeniowych o dużym

natężeniu pracy

obciążenie udarowe jak

w silnikach gaźnikowych

przemysłu samochodo-

wego, grubość warstwy

stopu poniżej 0.5mm

Tab. 3 Stopy łożyskowe cyny i ołowiu wg PN-ISO 4381:1997

Obliczanie

poprzecznych łożysk

ślizgowych

Przed przystąpieniem do projektowania należy określić, które parametry
należą do założeń konstrukcyjnych, a które są obliczane w trakcie
projektowania. W łożyskach ślizgowych, stałymi parametrami, na które
konstruktor nie ma wpływu są: obciążenie łożyska, prędkość obrotowa
wału i temperatura otoczenia. Czasami ograniczone są również wymiary
łożyska, średnica i długość czopa a także materiał czopa i panwi.
Wynikiem projektowania są parametry niezbędne do jego wykonania,
czyli minimalna średnica i długość czopa, luzy (minimalny i
maksymalny) oraz parametry charakteryzujące pracę łożyska:
minimalna grubość warstwy smaru, luz promieniowy, współczynnik
tarcia, średnia temperatura robocza oleju, lepkość oleju w temperaturze
roboczej itp. Większość parametrów możliwa jest do obliczenia tylko i
wyłącznie przy zastosowaniu hydrodynamicznej zasady smarowania.
Aby łożysko spełniało wymagania konstrukcyjne należy w procesie
projektowania sprawdzić warunki wytrzymałościowe i hydrodynamiczne
łożyska.

W pierwszej kolejności obliczane są wymiary łożyska w oparciu o wzór

określający średni obliczeniowy nacisk powierzchniowy:

Gdzie:

P

 - siła obciążająca łożysko,

d

 - średnica czopa,

l

 - długość czopa,

P

dop

 - nacisk dopuszczalny uzależniony od rodzaju zastosowanego materiału.

Jest to tzw. warunek nacisku dopuszczalnego dla materiału panwi.
Wielkość nacisku dopuszczalnego nie jest uzależniona od twardości
materiału, lecz od jego zdolności do dotarcia się z czopem.
Warunek sprawdzany jest ponieważ w momencie rozruchu łożyska,
w najbardziej newralgicznym momencie ze względu na
niedostateczne jego smarowanie występuje tarcie graniczne lub
mieszane.

Schemat obciążenia łożyska poprzecznego

Można zatem przyjąć, że siła P działa w środku czopa. W takim
przypadku korzystamy z zależności:

gdzie:

σ

g

 - naprężenie gnące w czopie,

M

g

- moment gnący,

W

x

 - wskaźnik wytrzymałości przekroju na zginanie.

Dopuszczalne naprężenie gnące oznaczone jako k

go

 jest zależne

od materiału czopa i współczynnika bezpieczeństwa
(przyjmowany najczęściej 3,5)

gdzie Z

go

 - wytrzymałość zmęczeniowa materiału przy

obustronnym zginaniu naprężeń zginających w czopie. 

Przyjmując 16/π = 5 ze wzorów (1), (2) z uwzględnieniem warunku
nieprzekraczania naprężeń zginających (3) można wyznaczyć
wymiary łożyska:

Wartość 

λ=l/d

 powinna bezwzględnie zawierać się przedziale

<0.25...3> najlepiej jednak gdy jest bliska jedności a wręcz równa 1.
W praktyce korzystne jest przyjmowanie kilkakrotnie większych
wymiarów średnicy i długości czopa.

Druga część projektowania skupia się na obliczeniach hydrodynamicznych.

Do obliczeń hydrodynamicznych stosuje się równanie Reynoldsa, które jest w
tym przypadku fundamentalnym równaniem umożliwiającym dokładne
wyznaczenie rozkładu ciśnienia w warstwie smaru. Równanie Reynoldsa jest
równaniem skomplikowanym i nie posiada analitycznego rozwiązania w
związku z tym, wszystkie metody wyznaczania parametrów pracy
hydrodynamicznej łożyska opierają się na obliczeniach przybliżonych
(uproszczonych). W tym przypadku zastosowana została metoda analityczno-
graficzna z użyciem odpowiednich wykresów. Aby obliczenia były poprawne
należy przyjąć następujące złożenia:
• grubość filmu olejowego h jest mała w porównaniu z pozostałymi
wymiarami łożyska,
• ciśnienie hydrodynamiczne wzdłuż grubości filmu olejowego jest stałe,
• cząsteczka cieczy bezpośrednio przylegającą do powierzchni ograniczającej
ma taką samą    prędkość jak ta powierzchnia,
• siły masowe są pomijalnie małe w porównaniu z siłami lepkości,
• ciecz smarna (olej) jest cieczą newtonowską i nieściśliwą,
• przepływ przez szczelinę jest laminarny,
• pomija się przepływ oleju w kierunku osiowym,
• lepkość dynamiczna oleju jest stała.

Dla takich założeń uzyskuje się tzw. zredukowaną postać równania Reynoldsa.