Kluzná ložiska – tribologická analýza kluzných ploch a přístupů založených na designu

Tření je obvykle parametr ztráty u mechanických konstrukcí, který může vést ke zvýšenému opotřebení a selhání součástí. Často je způsobeno kontaktem s povrchy pohybujícími se v opačném směru. Instalace kluzných ložisek je jedním ze způsobů, jak usnadnit pohyb těchto součástí s nízkým třením. Ale jak fungují kluzná ložiska? Jak je tření minimalizováno kluznými ložisky a jaké jsou konstrukční přístupy k optimalizaci pohybu při nízkém tření? Tento článek poskytuje náhled do světa tribologie (teorie tření) a jeho důležitosti pro použití kluzných ložisek.

Co je to tribologie a proč dává analýza smysl pro kluzná ložiska?

Tribologie se také nazývá teorie tření a jednoduše řečeno se zabývá třením různých povrchů proti sobě. Tribologie se rozlišuje do tří centrálních oblastí: Tření, opotřebení a mazání.

Co je tření?

Tření je odpor proti pohybu mezi dvěma kontaktními částicemi nebo povrchy těla. Obecně se rozlišuje mezi vnějším a vnitřním třením. Vnější tření zahrnuje statické tření, klouzavé tření a valivé tření. Vnitřní tření těla, plynu nebo kapaliny se nazývá viskózní tření a způsobuje tažnost materiálu.

Vnější tření ovlivňuje zejména opotřebení materiálů a ve většině případů vede k vyššímu nebo rychlejšímu opotřebení. Opotřebení je postupná ztráta materiálu z mechanické příčiny. Dochází k němu, když se těla třou příliš dlouho nebo příliš silně. K tomu může například dojít, když se dotýkají dvě nechráněné součásti a současně se pohybují ve vztahu k sobě navzájem. Tření a opotřebení jsou tzv. parametry ztráty. Opotřebení je obvykle patrné změnou povrchu materiálu. V tomto bodě se aplikuje mazání: Maziva působí jako činidla snižující tření. Chrání kontaktní povrchy a tím minimalizují tření a opotřebení. Částice tepla a opotřebení se odstraňují současně.

Hlavním úkolem kluzných ložisek je zajistit pohyb dvou pohyblivých povrchů s nízkým třením proti sobě. Plná ložiska to umožňují s pomocí materiálu samotných kluzných ložisek, skladování maziv nebo speciální konstrukce. Kromě snížení tření zlepšuje použití maziv také hladkost a obecné provozní charakteristiky ložiska. Tribologická analýza je proto poměrně užitečná.

Přehled typů opotřebení

Existuje několik typů opotřebení způsobených různými příčinami:

• Přilnavost: mezi těly se vytvoří atomová vazba. Příčina: Molekulární interakce různých povrchů.
• Abraze: Základní tělo je poškrábané nebo mikroobrobené. Příčina: Hrubost vrcholí v protilehlém těle, tvrdé částice v mezilehlém médiu.
• Tribochemická reakce: Základní tělesa a protilehlá tělesa reagují s částicemi okolního prostředí a maziva. Příčina: Povrchy jsou chemicky aktivovány v důsledku tření. Jeden z nejběžnějších způsobů selhání při opotřebení.
• Rozklad povrchu: Tvoří se trhliny, které rostou, dokud se jednotlivé částice neoddělí. Příčina: Střídavé namáhání povrchových částí těla.

Maziva

Maziva se používají ke snížení tření a zároveň ke snížení koroze. Hromadění maziva snižuje nebo zabraňuje přímému kontaktu mezi dvěma třecími partnery. Ve většině případů je mazivo na bázi základního oleje, který je upraven podle zamýšleného použití dalšími aditivy. Maziva jsou k dispozici v pevné, kapalné nebo plynné verzi s různou viskozitou.

Oleje

Oleje se skládají ze základního oleje, např. minerálního oleje, esteru nebo polyglykolu a několika aditiv. Jsou to dobré tepelné vodiče a lze je používat při vysokých teplotách a rychlostech, např. v kluzných ložiscích a řetězech. Aditiva se používají k účelnému nastavení vlastností oleje, např. ke snížení opotřebení nebo koroze. Oleje lze také použít k čištění, protože absorbují částice nečistot.

Maziva

Maziva jsou vyrobena ze základního oleje a zahušťovadla (také nazývaného mýdlo). Zahušťovadlo určuje výkonnostní charakteristiky. Maziva zůstávají přímo v místě mazání a trvale působí proti tření. Poskytují ochranu proti vniknutí vlhkosti a nečistot.

Pevná maziva

Tuhá maziva, např. grafit nebo sirovodík molybdenu, se používají v pevné formě. Vytvářejí velmi nízké tření a mají vysokou teplotní odolnost. Pevná maziva se například používají, když nelze použít kapalná maziva, například ve vakuovém prostředí nebo při extrémních teplotách.

Třídy viskozity

Viskozita je vlastnost definovaná pro kapaliny a plyny (souhrnně označované jako kapaliny) a představuje vnitřní tření kapalin. Viskozita je výsledkem přitažlivých sil částic v kapalině a vzniká vnitřním třením kapalin. Viskozita proto přímo ovlivňuje tření. Motorové oleje, převodové kapaliny a průmyslová maziva mají specifické třídy viskozity; jsou například klasifikovány podle SE (Society of Automotive Engineers) nebo ISO.

Viskozita však také závisí na teplotě maziva. Různé hladiny viskozity jsou proto často indikovány pro dva stavy. U motorových olejů, jako je SE 5W-30 nebo SE 15W-40, první číslo označuje tekutost při nízkých teplotách a druhé číslo označuje viskozitu při provozní teplotě, např. čím nižší je číslo, tím řidší je olej.

Obecně lze říci, že existují následující viskozity:

• Nízká viskozita: Vysoce tekuté materiály, jako je voda nebo benzín, které snadno a rychle proudí bez odporu. Používá se pro nízké kompresní zatížení a vysoké rychlosti klouzání.
• Střední viskozita: Viskózní materiály, jako je řepkový olej nebo melasy, které proudí pomaleji a se znatelným odporem.
• Vysoká viskozita: Pastovité látky, jako jsou lepidla, které jsou velmi husté, a proto těžce a pomalu proudí s vysokou odolností. Často vykazují plastové vlastnosti. Používají se pro vysoké kompresní zatížení a nízké rychlosti klouzání.

Základy kluzných ložisek

Kluzná ložiska jsou robustní a spolehlivá. Speciální kluzné povrchy umožňují snížený třecí pohyb kontaktní součásti. Na rozdíl od valivých ložisek klouže komponenta podepřená kluzným ložiskem po povrchu ložiska. Síly, které mají být absorbovány, nejsou rozloženy na jednotlivé body jako u kuličkového ložiska, ale na větší plochu. V důsledku toho lze absorbovat vyšší síly. Kluzná ložiska jsou také charakterizována jednoduchou, prostorově úspornou konstrukcí a vlastnostmi pohlcujícími hluk a vibrace. Kluzná ložiska lze realizovat v různých tvarech, např. jako pouzdra, desky nebo tyče. Ke klouzavému tření, které působí proti tlačné síle, dochází během klouzavého pohybu. Proto stojí za to lubrikovat kluzná ložiska mezilehlým médiem snižujícím tření.

Může to být například cokoli z následujícího:

• Plyn (odděluje povrchy při extrémně nízkých teplotách)
• Olej (např. pro hydrodynamická kluzná ložiska)
• Pevná maziva (např. při vysokých teplotách nebo odstředivých silách)
• Magnetická pole (např. v čistých prostorách).

Volba kluzného ložiska

Existují různé typy kluzných ložisek. Například MISUMI nabízí bezúdržbová kluzná ložiska, ve kterých jsou pouzdra buď přímo namočena do maziva, nebo jsou vybavena vestavěným mazivem, případně vodící pouzdra s mazáním. To nevyžaduje žádné nebo jen vzácné opětovné mazání. Bezúdržbová kluzná ložiska se doporučují pro velké zátěže a náročné podmínky. Existuje několik verzí materiálu: Slinutý bronz, odlitky, slitiny mědi, plasty a různé varianty složené vrstvy.

Mezi běžné tvary patří:

• Rovné: lze snadno namontovat, pokud není potřeba žádná další podpora, např. axiální pohyb hřídele
• S přírubou Příruby zajišťují stabilitu a snadnou montáž
• Verze lisu (standardní, otvor pro šrouby) pro trvalé spojení mezi ložiskem a pouzdrem, lepší rozložení zátěže
• Podložky chrání povrchy ložisek, rovnoměrně rozdělují tlak
• Posuvné desky: Poskytují velkou kontaktní plochu pro lepší rozložení tlaku a snížení tření

Následující tabulka poskytuje přehled různých tvarů:

Jako v tomto příkladu lze ve vačkové páce použít jednoduchá kluzná ložiska:

Další informace o výběru ložisek naleznete v našem článku Kluzná ložiska – Úspory nákladů díky produktům s nízkými náklady.

Konstrukční přístupy k optimalizaci mazání

Existuje několik konstrukčních přístupů, které zajišťují účinné mazání. V prašném a agresivním prostředí se například doporučuje poskytnout kluzným ložiskům těsnění. Tím se udržuje funkce a mazání. Při použití těsnění je výhodný hladký povrch kluzného povrchu. Hladký povrch zároveň znamená, že oleje dobře nepřilnou. Volba maziva musí být odpovídajícím způsobem upravena.

K optimalizaci mazacího výkonu lze také použít drážky. Mazací drážky, například podél kluzné plochy, mohou sloužit jako zásobník maziv, a zajistit tak nepřetržité dodávání maziva. Při použití tuhých aditiv se také doporučuje používat drážky nebo otvory ve vypouštěcí zóně, protože některé pevné látky mají tendenci vytvářet pasty, což zkracuje životnost kluzného ložiska. V závislosti na mazivu by měl být vybrán také vhodný tvar drážky a podle potřeby by měly být přidány mazací otvory. Kapsy ve tvaru diamantu jsou vhodné pro mazání mazivy, sférické uzávěry pro kapalná maziva a mazací oleje a perforace nebo mazací otvory pro použití mazacích olejů a maziv.

Výběr materiálu může být také důležitý pro optimalizaci mazání nebo minimalizaci klouzavého tření, a to i bez přidání maziva. Například mechanicky hladké povrchy mají dobré korálkování, což snižuje tření. Jak již bylo zmíněno, oleje v tomto případě dobře nepřilnou. Slinuté kovy mají speciální konstrukce a vlastnosti, které usnadňují mazání. Jejich porézní struktura podporuje příjem maziva vytvořením nádrže na mazivo. Dalším přístupem je použití povrchové úpravy. PTFE, grafit nebo keramické kluzné vrstvy mohou zlepšit mazání kluzných ložisek. Například keramika také nabízí vysokou teplotní odolnost a PTFE nabízí dobrou chemickou odolnost, která také rozšiřuje rozsah použití kluzných ložisek.