Podstawy konstrukcji środków transportu
Charakterystyka łożysk
Aby łożyska mogły prawidłowo pracować, tzn. zapewniały ruch obrotowy wału i utrzymanie stałego położenia jego osi obrotu oraz przenosiły obciążenia, powinny się one charakteryzować małymi oporami ruchu, stabilną pracą, niezawodnością działania oraz odpornością na użycie, czyli dużą trwałością.
Łożyska dzieli się na ślizgowe oraz toczne.
W łożyskach ślizgowych powierzchnia czopa wału ślizga się po powierzchni panewki
(części łożyska współpracującej z czopem) lub bezpośrednio po powierzchni otworu łożyska, zatem w czasie pracy występuje tarcie ślizgowe.
W łożyskach tocznych między współpracującymi powierzchniami pierścieni łożyska są umieszczone elementy toczne (np. kulki) i wówczas zamiast tarcia ślizgowego występuje tacie toczne.
Zastosowanie łożysk ślizgowych :
- przy przenoszeniu bardzo dużych obciążeń ( nawet do kilku MN - w przypadku łożysk o średnicy większej niż 1 m), a także przy obciążeniach udarowych.
- gdy konieczne jest, aby łożyska tłumiły drgania wału.
- przy dużych prędkościach obrotowych oraz możliwości uzyskania tarcia płynnego
- w razie konieczności stosowania łożysk dzielonych
- gdy wymagana jest cichobieżność łożyska
- w drobnych konstrukcjach o bardzo małych obciążeniach
Zastosowanie łożysk tocznych:
- gdy zależy nam na uzyskaniu bardzo małych oporów ruchu w czasie pracy,
- przy zmiennych prędkościach obrotowych wału
- przy częstym zatrzymywaniu i uruchamianiu maszyny
- gdy wymagana jest duża niezawodność pracy i duża trwałość łożyska
Łożyska ślizgowe.
Klasyfikacja i charakterystyka łożysk ślizgowych.
Podział łożysk w zależności od kierunku obciążeń, działających na łożysko :
- poprzeczne, przeznaczone do przejmowania obciążeń prostopadłych do osi obrotu wału
- wzdłużne, obciążone siłami działającymi zgodnie z kierunkiem osi obrotu wału
- poprzeczno - wzdłużne przeznaczone do przejmowania obciążeń zarówno prostopadłych jak i zgodnych z kierunkiem osi obrotu.
Podział łożysk w zależności od sposobu podawania smaru rozróżnia się łożyska:
- hydrostatyczne (aerostatyczne), w których warstwa nośna smaru (gazu) jest podawana pod ciśnieniem
- hydrodynamiczne (aerodynamiczne), w których warstwa nośna smaru (gazu) powstaje na skutek ruchu obrotowego czopa względem panwi i wzajemnego poślizgu między ich powierzchniami ślizgowymi.
Smarowanie łożysk ślizgowych powietrzem stosuje się w urządzeniach o niewielkiej nośności, ale o bardzo dużych prędkościach obrotowych - od 40 000 do 360 000 obr/min np. w wiertarkach dentystycznych i chirurgicznych.
Tarcie w łożyskach ślizgowych.
Tarcie ślizgowe, występujące między panwią łożyska a czopem wału, zależy od materiałów współpracujących elementów, od stanu (chropowatości) ich powierzchni, od rodzaju smarowania oraz od sił nacisku ( jest do nich proporcjonalne). Ciepło wydzielające się podczas tarcia może spowodować nagrzanie się łożyska do zbyt wysokiej temperatury i szybkie jego zużycie, dlatego należy dążyć do osiągnięcia możliwie małego tarcia.
Rozróżnia się tarcie:
- suche, przy którym współpracujące powierzchnie nie są smarowane
- płynne, gdy między powierzchniami czopa i panwi stale występuje warstewka smaru
- mieszane, przy którym powierzchnie współpracujące częściowo stykają się (głównie na wierzchołkach nierówności) , a na pozostałym obszarze są rozdzielone warstewką smaru.
W łożyskach ślizgowych dąży się zawsze do uzyskania tarcia płynnego, ale w praktyce najczęściej występuje tarcie mieszane. Praca łożysk ślizgowych w warunkach tarcia suchego (bez smarowania) nie jest stosowana. Uzyskanie tarcia płynnego jest możliwe przy zapewnieniu takich warunków pracy, aby smar stale znajdował się w szczelinie między czopem a panewką. Warunek ten jest spełniony gdy ciśnienie smaru w szczelinie jest większe niż naciski jednostkowe czopa na panewkę.
Utrzymanie niezbędnego ciśnienia wymaga stałego i obfitego dopływu smaru o odpowiedniej lepkości i smarności . W warunkach hydrostatycznej zasady smarowania dopływ smaru do szczeliny jest zapewniony przez wtłaczanie smaru pod ciśnieniem. Częściej jest stosowana hydrodynamiczna zasada smarowania polegająca na tym że, pod wpływem ruchu obrotowego czopa względem panwi i ich wzajemnych poślizgów powstaje tzw. klin smarowy, unoszący czop nad powierzchnię panwi. Klin smarowy powstaje przy dostatecznie dużej prędkości obrotowej wału, obfitym dopływie smaru o odpowiedniej lepkości oraz niewielkiej chropowatości powierzchni czopa i panewki. Ważny jest też dobór luzu łożyskowego, uwzględniający warunki pracy danego łożyska.
Smary i smarowanie.
Podstawowym zadaniem smarów jest zmniejszenie tarcia między współpracującymi powierzchniami, a tym samym zmniejszenie ich zużycia. Smary często odgrywają również rolę czynnika chłodzącego.
Rozróżnia się smary stałe, plastyczne i ciekłe, a ze względu na pochodzenie - roślinne, zwierzęce, mineralne i syntetyczne.
Do smarów stałych zalicza się ciała stałe, np. grafit, dwusiarczek molibdenu, talk. Stosuje się je (zwykle w postaci sproszkowanej) dość rzadko, głównie do pracy w wysokich temperaturach.
Smary plastyczne (potocznie zwane stałymi) powstają przez zagęszczenie olejów mineralnych mydłami wapniowymi, sodowymi, potasowymi itp. Stosowane są w łożyskach trudno dostępnych i rzadko kontrolowanych.
Do łożysk ślizgowych najczęściej stosuje się smary ciekłe, a zwłaszcza oleje mineralne. Ze względu na lepkość dzieli się je na oleje wrzecionowe, maszynowe i cylindrowe. Oleje o tak dużej lepkości umożliwiają powstanie większego ciśnienia w warstwie smaru, nadają się zatem do łożysk o większych obciążeniach. Własności olejów można polepszyć dodatkami, np. przeciwkorozyjnymi, wzmacniającymi smarność, przeciwdziałającymi starzeniu się oleju.
Materiały na panwie łożysk ślizgowych.
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. Mimo że istnieje bardzo dużo różnych materiałów łożyskowych, żaden z nich nie spełnia wszystkich wymagań. Przy doborze materiałów łożyskowych należy więc kierować się tymi ich cechami, które są najbardziej istotne dla pracy określonych łożysk.
Do najczęściej stosowanych materiałów należą stopy łożyskowe np. stopy cynowe, zwane babbitami o składzie: 89% cyny, 8% antymonu i 3% miedzi lub zbliżonym. Stopy te odznaczają się bardzo dobrymi własnościami ślizgowymi, dobrą odkształcalnością, odpornością na zatarcie i odpornością na korozję. Stosuje się je w postaci warstwy wylewanej na podłożu stalowym. Podobne własności mają stopy ołowiowe, np. Ł 16 ( 16% antymonu, 2% miedzi, 16% cyny oraz 66% ołowiu.).
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.
Mosiądze mają niższą wytrzymałość ale lepszą odporność na pracę w podwyższonej temperaturze.
Dobre własności antykorozyjne mają stopy aluminium z miedzą, niklem i krzemem. Ich wadą jest duża rozszerzalność cieplna. Żeliwo jest rzadziej stosowane ze względu na dość dużą twardość i małą odkształcalność.
Do celów specjalnych stosuje się panewki wielowarstwowe np. panewki stalowe pokryte warstwą srebra o grubości 0,5 ÷ 0,75 mm i następnie warstwą ołowiu (ok.0,05 mm) z dodatkiem indu. Materiały wielowarstwowe dobiera się drogą prób do warunków pracy łożysk - np. do łożysk w tłokowych silnikach lotniczych.
Jeżeli smarownie łożysk jest bardzo utrudnione lub ze względu na warunki pracy należy go unikać (w tradycyjnej formie), stosuje się panewki z materiałów porowatych. Najczęściej są to tuleje prasowane, spiekane i nasycane olejem. Po rozgrzaniu łożyska smar wypływa na powierzchnię panwi, a po obniżeniu temperatury cofa się w głąb porów.
Poza stopami metali na panewki łożysk stosuje się również inne materiały np. twarde drewno (gwajak/dąb), tworzywa sztuczne (głównie żywice fenolowe, poliamidy, teflon itp.), gumę oraz grafit. W mechanizmach precyzyjnych na łożyska są stosowane kamienie szlachetne (rubin, szafir), szkło i inne materiały.
Łożyska toczne.
Budowa i podział łożysk tocznych
Praca łożyska tocznego charakteryzuje się tym, że wskutek toczenia się elementów tocznych względem pierścieni między powierzchniami tych pierścieni, a kulkami (lub wałeczkami) występuje tarcie toczne.
Budowa łożyska kulkowego:
- pierścień zewnętrzny
- pierścień wewnętrzny
- kulki
- koszyk
- bieżnia wewnętrzna
- bieżnia zewnętrzna
Istnieją również nieliczne odmiany łożysk walcowych i igiełkowych bez koszyczka lub bez pierścienia wewnętrznego (w tym ostatnim przypadku bieżnią jest powierzchnia czopa wału). Na specjalne zamówienia są także wykonywane łożyska walcowe bez pierścienia zewnętrznego.
Pierścień zewnętrzny łożyska jest osadzony w gnieździe korpusu maszyny lub w gnieździe oprawy łożyska, a pierścień wewnętrzny - na czopie wału. Koszyczek służy do zapewnienia równomiernego rozmieszczania elementów tocznych na obwodzie bieżni łożyska.
Ze względu na prawie punktowy lub liniowy styk elementów tocznych z bieżniami w czasie pracy łożyska występują bardzo duże naciski jednostkowe. Wymaga to wykonywania pierścieni i elementów tocznych ze stali o specjalnych własnościach, głównie o dużej twardości i odporności na ścieranie. W Polsce stosuje się na łożyska stale ŁH15 i ŁH15SG.
W łożyskach bez pierścienia wewnętrznego powierzchnia czopa (odgrywająca rolę bieżni) musi być odpowiednio utwardzona. Koszyczki są wykonywane z blach (metodą tłoczenia) lub jako tzw. masywne (pełne), przy czym ich kształty są różne, zależne od rodzaju łożyska, kształtu elementów tocznych itp. Mogą być one jedno lub dwuczęściowe. Koszyczki są wykonywane ze stali, brązu, mosiądzu lub tworzyw sztucznych.
Łożyska toczne dzieli się na: promieniowe (poprzeczne), osiowe (wzdłużne) , zdolne do przenoszenia obciążeń prostopadłych do osi obrotu wału lub działających wzdłuż jego osi obrotu. W rzeczywistości większość łożysk poprzecznych może przenosić także dość duże obciążenia wzdłużne.
Łożyska specjalne przeznaczone do przenoszenia obu rodzajów obciążeń nazywa się łożyskami skośnymi, przy czym kąt α działania tych łożysk jest mniejszy od 45°. Łożyska o kącie α > 45° są stosowane bardzo rzadko i zalicza się je do łożysk wzdłużnych.
Podział łożysk tocznych ze względu na kierunek obciążenia:
- łożyska poprzeczne (promieniowe)
- łożyska wzdłużne (osiowe)
- łożyska skośne
Podział łożysk tocznych ze względu na kształt elementów tocznych:
- kulkowe
- walcowe
Główne rodzaje łożysk tocznych:
a) łożyska kulkowe:
- zwykłe
- wahliwe dwurzędowe
- skośne jednorzędowe
- skośne dwurzędowe
b) łożyska walcowe
- bez prowadzenia na pierścieniu zewnętrznym
- z jednostronnym prowadzeniem
- igiełkowe
c) łożyska stożkowe
d) łożyska baryłkowe poprzeczne
e) łożyska kulkowe wzdłużne jednokierunkowe
f) łożyska kulkowe wzdłużne dwukierunkowe
g) łożyska baryłkowe wzdłużne
Smarowanie i uszczelnianie
Łożyska toczne wymagają na ogół niewielkich ilości smaru, zwłaszcza że jego nadmiar zwiększa opory tarcia. W łożyskach pracujących w temperaturze do +70°C stosuje się smary plastyczne, w temperaturze wyższej niż 80°C lepsze wyniki osiąga się przy stosowaniu olejów mineralnych. Dobór odpowiedniego smaru i systemu smarowania zależy od rodzaju łożyska oraz jego warunków pracy.
W zależności od rodzaju smaru i systemu smarowania konieczne jest odpowiednie uszczelnienie łożyska, zabezpieczające przed wyciekaniem smaru. Uszczelnienie zabezpiecza również przed przenikaniem z zewnątrz ciał obcych np. pyłu lub wilgoci.
Uszczelnienia mogą być niezwiązane z łożyskiem (np. między pokrywą a wałem) lub też mogą występować bezpośrednio w łożysku. Wśród uszczelnień niezwiązanych z łożyskiem rozróżnia się uszczelnienia: pierścieniem filcowym, kołnierzowe i labiryntowe. Rodzaj uszczelnienia zależy od prędkości obwodowej wału i od zakresu temperatury nagrzania smaru.
Wśród łożysk z uszczelnieniem rozróżnia się m.in. łożyska z blaszkami ochronnymi, oraz z uszczelkami ochronnymi. Łożyska te mają blaszki lub uszczelki wciśnięte w podtoczenie w pierścieniu zewnętrznym. Łożyska z obustronnym uszczelnieniem (zakryte) są napełniane przez wytwórcę specjalnym smarem, którego zapas wystarcza na cały okres pracy łożyska. Łożysk tych nie wolno myć ani podgrzewać w gorącym oleju przed montażem.