Překládáme náš obchod do češtiny!
Protože však máme mnoho produktů a stránek, bude to nějakou dobu trvat. Mezitím bude náš katalog produktů k dispozici v angličtině. Děkujeme vám za trpělivost!
Kuličková ložiska – rozložení zátěže valivých ložisek
Kuličková ložiska a další valivá ložiska jsou instalována v mnoha strojích. Nainstalovaná ložiska přenášejí vyskytující se radiální nebo axiální síly na pouzdro stroje, a umožňují tak použití různých pohyblivých součástí. Síly, které se vyskytnou, a výsledná zátěž ložiska musí být stanoveny již během procesu návrhu. Rozložení zátěže v ložisku a geometrie odpovídajícího kontaktního bodu je zásadní pro očekávanou životnost, funkci a účinnost ložiska. V tomto článku se podíváme na zatížení valivého ložiska a na to, jak geometrie kontaktního povrchu ovlivňuje rozložení zatížení valivého ložiska.
Základy válečkových ložisek
Valivá ložiska jsou rotační ložiska, která řídí pohyblivé části ve vzájemném vztahu a připevňují je k okolním součástem. Během tohoto procesu absorbují síly a přenášejí je jako spojovací prvek mezi neaktivními a pohyblivými součástmi. Jejich hlavní funkcí je přenášet a vést součásti pohybující se vzhledem k sobě navzájem. V tomto případě nejsou vyvíjeny nevýznamné síly na povrchy valivého ložiska a valivých prvků.
Zátěž vynaložená na valivá ložiska při kontaktu komponenty
Hlavní zatížení valivých ložisek je obvykle kolmé k rovině kontaktu. Toto zatížení se koncentruje uvnitř valivého ložiska na relativně malých kontaktních površích mezi valivým tělem a vnitřním nebo vnějším kroužkem. Dopadající síly vedou ke stlačení povrchu, které mimo jiné závisí na tvaru oběžné drážky ložiska a valivého tělesa a také na směru síly a počtu valivých prvků pod zatížením současně. Výsledná komprese povrchu ovlivňuje životnost a opotřebení a také maximální přípustnou nosnost ložiska. Pro lepší zhodnocení lze rozsah komprese v plochách nesoucích tlak určit pomocí Hertzových rovnic.
Hertzova komprese popisuje lokální rozložení tlaku, ke kterému dochází na kontaktním povrchu dvou zakřivených těles pod zatížením. Pomocí výpočtů lze určit plochu, deformaci a povrchové zatížení nesoucí tlak. Pro ideální výpočet se předpokládají následující podmínky: chování lineárního elastického materiálu, kontaktní povrchy jsou poměrně malé, kontakt je bez tření a tlak je vyvíjen vertikálně. V praxi nejsou tyto podmínky ve valivých ložiscích vždy přesně splněny, ale Hertzův vzorec stále poskytuje dostatečně přesné výsledky pro vyhodnocení maximální komprese oblasti. Na základě těchto údajů lze lépe navrhnout valivá ložiska a lze také určit maximální zatížení kuličkových ložisek.
Dopad geometrie kontaktního povrchu na rozložení zátěže
Geometrie kontaktního povrchu se mění v závislosti na geometrii oběžné drážky a typech používaných valivých prvků. Má přímý vliv na rozložení zátěže. Například se vytvoří bodový kontakt pro kuličky, zatímco pro válcové valivé prvky se vytvoří liniový kontakt. Bodový kontakt vede ke stlačení pod zatížením. Kulička i kolejnice se deformují elasticky. Tato deformace vytváří eliptický kontaktní povrch s různým rozložením komprese. Komprese je na svém maximu (maximální deformace) ve středu kontaktního povrchu vytvořeného deformací a poté klesá směrem ven.
Bodový kontakt, ke kterému dochází v drážkovaném kuličkovém ložisku, vytváří poměrně vysokou povrchovou kompresi. Válcová valivá ložiska nebo bubnová ložiska se proto doporučují spíše pro vysoké radiální zatížení. Liniový kontakt válcových valivých prvků rozvádí tlak na větší plochu. Valivé prvky a oběžné drážky se deformují dokonce i s válcovými valivými ložisky pod zatížením. Vzhledem k tvaru valivých prvků stlačující zátěž náhle končí na koncích valivých prvků, takže se v těchto bodech vyskytují vrcholy tlaku.
Bubnové válce se například používají, aby se zabránilo náhlé nespojitosti kompresního zatížení. U symetrických bubnových válců je vnější povrch mírně zakřivený po celé délce válce, což vytváří eliptickou distribuci tlaku. U nesymetrických ložisek válce se kompresní zatížení posunuje minimálně směrem k většímu zakřivení. To například umožňuje kompenzaci za nesouosost.
Další typy valivých prvků s liniovým kontaktem zahrnují zúžený válec a jehlový valivý prvek. Směr zatížení na kuželovém válečku odpovídá úhlu zúžení kužele. Lze přizpůsobit axiální i radiální zátěž. Vychýlení také umožňuje absorbovat obzvláště vysoké kombinované zatížení. U valivých prvků ve tvaru jehly jsou tlakové špičky na konci minimalizovány prodlouženým liniovým kontaktem díky tvaru jehly.
Pokyny pro konstrukci kuličkových ložisek
Konstrukce ložiska významně ovlivňuje funkci a životnost kuličkových ložisek. Relativní pohyb nosného kroužku může mít negativní vliv na životnost. Pohyb je často způsoben nesprávnou sestavou: Ložiskový kroužek není správně vyrovnán nebo není správně zajištěn. Během instalace je proto nezbytné zajistit, aby bylo správně nainstalováno upevnění válečkových ložisek kroužků (vnitřní a vnější kroužek) a také podložek na nápravě nebo otvoru pouzdra. Nedovolte, aby pod nákladem sklouzly.
Nejen příliš volná instalace, ale také příliš těsná instalace může mít negativní důsledky: Pokud jsou nosné kroužky příliš těsné nebo deformované v důsledku nadměrné síly během montáže, vede to k nerovnoměrnému rozložení zátěže. Může dojít ke špičkovém nárůstu zátěže, což může vést k předčasnému selhání materiálu a riziku prasknutí. Deformovaný ložiskový kroužek může vytvářet nové kontaktní povrchy pro tření a vytváření tepla, což také negativně ovlivňuje životnost.
Kromě zajištění správného usazení by měl být před instalací definován také požadovaný typ zátěže. Případně lze určit, kterému typu zátěže bude kroužek vystaven. Typ zatížení definuje, jak je nosný kroužek zajištěn nebo posunut vzhledem ke zdroji zatížení a jaké ložiskové sedlo vybrat. Existují následující typy:
- Obvodové zatížení: K obvodovému zatížení ložiska dochází, když je kroužek v chodu vzhledem ke směru zátěže. Celý kroužek je během otáčky jednou zatížen. Pokud je sedlo uvolněné, kroužek se může pohybovat, takže je třeba vybrat pevné sedlo.
- Bodové zatížení: Bodové zatížení ložiska nastává, když je kroužek umístěn ve vztahu ke směru zátěže. Stejný bod je trvale pod zatížením. I když je sedlo uvolněné, kroužek se nepřesune.
Následující tabulka ukazuje různé případy zatížení radiálních ložisek:
| Načíst případ | Zjednodušené schéma | Popis | Úprava |
|---|---|---|---|
| Vnější kroužek: Bod zatížení |  |
Vnitřní kroužek: obvodové Pouzdro a zatížení: stacionární |
pevné usazení: vnitřní kroužek volné usazení povoleno: vnější kroužek |
 |
Vnitřní kroužek: stacionární Vnější kroužek: Pouzdro a zatížení: obvodové |
||
| Vnitřní kroužek: Bod zatížení |  |
Hřídel a zatížení: stacionární Obvod vnějšího kroužku |
pevné usazení: vnější kroužek volné usazení povoleno: vnitřní kroužek |
 |
Hřídel a zatížení: obvodové Vnější kroužek: stacionární |
Oba typy zatížení mají různé aplikace. Ve většině případů však bude obvodová zátěž zamýšlenou možností rovnoměrného sdílení zátěže. Tolerance ložisek a sedel ložisek lze obecně nalézt na našem blogu usazení a tolerancí ISO pro hřídele a otvory.
Designová řešení pro plovoucí a pevná ložiska
Pro valivá ložiska existují dvě běžné konfigurace ložisek: Plovoucí a pevná ložiska. Pevná ložiska jsou navržena tak, aby absorbovala radiální a axiální síly. Uzamčení hřídele v axiálním směru brání jeho pohybu. Vhodná pevná ložiska zahrnují dvouřadá úhlová kontaktní kuličková ložiska. Plovoucí ložiska se používají výhradně k absorbování radiálních sil. Oba typy ložisek jsou obvykle uspořádány tak, aby ideálně absorbovaly tyto zátěže a kompenzovaly tepelné změny délky nosné hřídele nebo pouzdra. Vhodná plovoucí ložiska zahrnují válcová válečková ložiska a jehlová ložiska. Válcové ozubené kolo se může pohybovat podél dráhy bezžebrového ložiskového kroužku.
Následující dva obrázky ukazují různé rozložení zátěže při instalaci drážkového kuličkového ložiska s různým předpětím (usazení):
K podepření hřídele by měla být použita minimálně dvě ložiska. Taková ložiska se skládají z pevného ložiska a libovolného počtu plovoucích ložisek. Plovoucí ložiska otáčející se hřídele jsou navržena tak, aby absorbovala radiální síly a zároveň umožňovala axiální pohyb. Tepelná expanze hřídele a pouzdra tak může být vyvážena.
Při navrhování ložiska a jeho montáži platí následující pokyny:
- Zkontrolujte vyrovnání hřídele: Pro vyrovnání hřídele jsou volitelnou možností oscilační ložiska (v kompenzačním rozsahu oscilačního ložiska).
- Zajistěte optimální rozložení zátěže a rovnoměrné rozložení na valivých prvcích (kroužky nesmí sklouznout po obvodu, vezměte v úvahu pevná a plovoucí ložiska).
- Zajistěte vyosení a rovinnost.
Faktory vlivu na výkon a životnost valivých ložisek
Kromě správné instalace mají vliv na výkon a životnost kuličkových ložisek a valivých ložisek také další parametry. Jak již bylo zmíněno, vliv má také dynamické rozložení zátěže ložiska. Níže se podrobně podíváme na hodnocení dynamického zatížení ložisek a kuličkových ložisek a také na hodnocení statického zatížení. Ukážeme vám také, jak vypočítat dynamickou a statickou zátěž ložisek. Dále stručně zvážíme teplotu jako příklad dalších ovlivňujících faktorů.
Vliv dynamického a statického zatížení
Kuličková ložiska lze popsat podle dynamického a statického zatížení. Dynamické zatížení C se používá k výpočtu jmenovité životnosti ložiska pod vlivem zatížení X. Standardem podle ISO 281 je, že ložisko se používá nejméně po dobu 1 milionu otáček. Statické zatížení C0 zase označuje maximální zatížení, které může být vyvíjeno na ložisko v klidu bez trvalé deformace (nebo maximální deformace 1/10000). Čím vyšší je dynamické zátížení, tím vyšší zatížení může působit na ložisko v provozu. Čím vyšší je statické zatížení, tím lépe je ložisko chráněno před deformací při velkém zatížení.
Jmenovité dynamické zatížení obvykle určuje výrobce. Vypočítá se dynamické zatížení ložiska, které je pak porovnáno s dynamickým zatížením. Dynamické zatížení ložiska se vypočítává následovně:
P = X \times F_{r} \times F_{a} \times Y
- P = dynamické zatížení ložiska v N
- Fr = radiální síla v N
- Fa = axiální síla v N
- X = faktor radiálního zátížení
- Y = faktor axiálního zatížení
- Faktory zatížení X a Y závisí na zvoleném typu ložiska a poměru Fr a Fa (obvykle specifikace výrobce)
Dynamické zatížení C by mělo být vyšší nebo rovno určenému dynamickému zatížení ložiska P, jinak hrozí riziko přetížení ložiska. Jmenovitou statickou zátěž C0 lze vypočítat následovně:
C_{0} = P_{0} \times S_{0}
- C0 = Statické zátížení v N
- P0 = Ekvivalentní statické zatížení
- S0 = Bezpečnostní faktor pro statické zatížení v závislosti na provozním režimu a požadavcích na hladkost
Zatížení ložiska je ovlivněno různými teplotami. Vysoké teploty snižují pevnost materiálu valivých prvků a oběžných drážek. Pro tento účel existují faktory degradace, které je třeba vzít v úvahu při použití při vyšších teplotách při navrhování valivých ložisek.
