Podstawy Projektowania Inżynierskiego Łożyska toczne

1. P o l i t e c h n i k a O p o l s k a Wydział Zarządzania i Inżynierii Produkcji Instytut Inżynierii Produkcji Podstawy Projektowania InżynierskiegoŁożyska toczne Prowadzący: dr inż. Piotr Chwastyk e-mail: chwastyk@po.opole.pl www.chwastyk.po.opole.pl

2. Definicja łożysk Aby zapewnić prawidłową pracę elementu, jakim jest wał, należy zachować stałe położenie osi jego obrotu względem nieruchomej podstawy. Zadanie to spełniają łożyska, a ustalenie położenia osi i wałów względem korpusów nazywa się łożyskowaniem. Łożysko - część urządzenia technicznego np. maszyny lub mechanizmu, podtrzymująca (łożyskująca) inną jego część (łożyskowaną) w sposób umożliwiający jej względny ruch obrotowy (np. wał, oś). Cechy materiału łożyskowego: dobra odkształcalność, odporność na zatarcie, mały współczynnik tarcia suchego, odporność na zużycie, odporność na korozję, wytrzymałość na nacisk w temperaturze pracy, wytrzymałość zmęczeniowa, dobra przewodność cieplna, stabilność geometryczna, dobra obrabialność.

3. Łożyska toczne Łożysko toczne - łożysko, w którym ruch jest zapewniony przez toczne elementy umieszczone pomiędzy dwoma pierścieniami łożyska. Pierścień wewnętrzny (2) osadzony jest z pasowaniem ciasnym na czopie wału lub innym elemencie. Pierścień zewnętrzny (1) umieszczony jest także nieruchomo w oprawie lub w innym elemencie nośnym. Elementy toczne (3) umieszczone są pomiędzy pierścieniami i stykają się z ich bieżniami, wewnętrzną (5) i zewnętrzną (6), zapewniając obrót pierścieni względem siebie. Dodatkowymi elementami łożyska tocznego mogą być koszyczki (4) utrzymujące elementy toczne w stałym do siebie oddaleniu, blaszki zabezpieczające, uszczelki itp.

4. Podział łożysk tocznych • Łożyska dzielimy ze względu na kierunek obciążenia na: • poprzeczne (a); • wzdłużne (b); • skośne (c)  < 45o. • W zależności od kształtu elementu tocznego: • kulkowe; • wałeczkowe: • walcowe; • stożkowe; • baryłkowe. Wałeczki walcowe o średnicy do 5 mm i stosunku ich długości do średnicy większej lub równej 2,5 są nazywaneigiełkami.

5. Podział łożysk tocznych Podział łożysk tocznych ze względu na główne cechy konstrukcyjne • 1. KULKOWE • zwykłe a (serie: 618, 619, 160, 60, 62, 63, 64); • skośne jednorzędowe c (serie: 70, 72, 73); • skośne dwurzędowe d (serie: 32, 33); • wzdłużne jednorzędowe-dwukierunkowe j; • wahliwe b (serie: 12, 13, 22, 23). • 2.WALCOWE • poprzeczne jednorzędowe e, f(serie: 2, 3, 4, 10, 22, 23); • poprzeczne dwurzędowe; • wzdłużne jednokierunkowe; • wzdłużne dwukierunkowe. • 3. IGIEŁKOWE • poprzeczne jednorzędowe g; • poprzeczne dwurzędowe; • wzdłużne. • 4. STOŻKOWE • poprzeczne jednokierunkowe; • poprzeczne dwukierunkowe h. • 5. BARYŁKOWE • poprzeczne i; • wzdłużne l.

6. Podstawowe wymiary łożysk tocznych • Podstawowe wymiary łożysk tocznych to: • średnica otworu d; • średnica zewnętrzna D; • szerokość łożyska B; • wysokość łożyska H.

7. Oznaczenia łożysk tocznych Łożyska są znormalizowane w skali światowej (ISO). Każde łożysko jest oznaczone symbolem cyfrowym lub literowo – cyfrowym, w którym wyróżnia się oznaczenia serii (w tym odmiany średnicowej), oznaczenie średnicy otworu d, oraz inne informacje. Ostatnie dwie cyfry symbolu cyfrowego określają średnicę łożyska. Gdy mamy 00, oznacza to d = 10 mm, 01 – d = 12 mm, 02 – d = 15 mm, 03 – d = 17 mm. Wyższe liczby (04  96) mnoży się przez pięć, otrzymując w wyniku średnicę otworu łożyska. Przy d > 500 mm wymiar otworu podaje się bezpośrednio za kreską ułamkową (po znaku serii) np. 60/500. Dla średnic d < 10 mm wymiar średnicy podaje się pojedynczą cyfrą, równą średnicy otworu np. dla d = 7 mm – 607. Pozostała część symbolu określa serię łożyska, podstawowe cechy konstrukcyjne, w tym głównie odmianę średnicową.

8. Oznaczenia łożysk tocznych

9. Dobór łożysk tocznych Zasady doboru łożysk tocznych, rodzaje łożysk, materiały z których są wykonane, znajdują się w katalogu łożysk tocznych. • Czynniki decydujące o doborze łożyska: • Pierwsza grupa decyduje o doborze typu łożyska. Zależna jest od warunków konstrukcyjnych, przeznaczenia maszyny, warunków pracy łożyska, warunków montażu i obsługi. Zależy ona od konstruktora (wytyczne ułatwiające to zadanie znajdują się w katalogach). • Druga grupa to czynniki decydujące o wymiarach łożyska (wartość obciążenia przy którym łożysko przepracuje określony czas bez zniszczenia oraz maksymalna prędkość obrotowa ngr).

10. Dobór łożysk tocznych • Obciążenie łożyska określa się w czasie ruchu łożyska. Podstawowe parametry służące doborowi łożysk to: • Nośność ruchowa – gdy pierścienie obracają się względem siebie z prędkością obrotową n > 10 obr/min. • Nośność spoczynkowa – w czasie spoczynku gdy n  10 obr/min. • Wartość nośności ruchowej (C) – określa obciążenie, przy którym łożysko osiągnie trwałość 1 mln obr. • Wartość nośności spoczynkowej (Co)– obciążenie wywołujące odkształcenia plastyczne współpracujących elementów, równe 0,0001 średnicy części toczonej. • Trwałość łożyska – przy dowolnym obciążeniu, czas pracy łożyska do chwili wystąpienia pierwszych oznak zniszczenia, którymi będą rysy lub mikropęknięcia na powierzchniach tocznych, potem łuszczenie powierzchni tocznych, w rezultacie zniszczenie łożyska. • Nośność ruchowa dla poszczególnych łożysk wyznaczona jest przy założeniu niewielkiej trwałości odpowiadającej 500 h pracy przy n = 331/3 obr/min. W rzeczywistości wymagamy znacznie większej ilości godzin pracy (Lh) oraz stosowanie większych obrotów (n). Dobrać łożysko to przyjąć większe C niż wyznaczone.

11. Dobór łożysk tocznych Zależność między żądaną trwałością, nośnością ruchową i rzeczywistym obciążeniem łożyska określa wzór: gdzie: L – trwałość łożyska w mln obrotów; C – nośność ruchowa (katalog); F – obciążenie; p – wykładnik potęgowy: dla łożysk kulkowych p = 3, dla wałeczkowych p = 10/3. Chcąc wyznaczyć trwałość pracy łożyska w godzinach Lh, wzór ten przyjmuje postać:

12. Dobór łożysk tocznych przy obciążeniu zastępczym W rzeczywistości łożyska obciążone są siłą wzdłużną Fai poprzeczną Fr. powoduje to konieczność wyznaczenia obciążenia zastępczego, którego wartość będzie podstawą do doboru łożyska wg poniższych zasad: Fz = X  Fr + Y  Fa gdzie: F – obciążenie równoważne (zastępcze [N, daN]); Fr – składowa promieniowa obciążenia; Fa – składowa osiowa obciążenia; X – współczynnik obciążenia promieniowego; Y – współczynnik obciążenia osiowego. Wartości X i Y są przypisane (zależnie) od rodzaju łożyska i od rodzaju stosunku Fa do Fr

13. Dobór łożysk tocznych przy obciążeniu zastępczym W katalogu należy znaleźć wartości współczynnika e, który charakteryzuje konstrukcję łożyska w zakresie zdolności do przeniesienia dodatkowych obciążeń. Dla łożysk kulkowych zwykłych wartość współczynnika e zależy od stosunku Fa/Co. Fa/Co = 0,014  0,56 e = 0,19  0,44 Znając stosunek obciążenia Fa/Fr, należy porównać go z wartością e. 1. Fa/Fr  e X = 1; Y = 0 przy takim obciążeniu pomijamy wpływ obciążenia osiowego F = Fr. 2. Fa/Fr > e X = (0,56; 0,46; 0,44) zależny od wielkości luzu; Y – zależne od stosunku Fa/Co i wielkości luzu. 120oC – łożyska są przystosowane do pracy w tej temperaturze. UWAGA: Zabrania się przekraczania tej temperatury nawet jednorazowo.

14. Dobór łożysk tocznych przy obciążeniu zastępczym Dla łożysk pracujących powyżej 120oC przyjmuje się obniżoną wartość nośności C. Ct = C  ft C – nośność ruchowa; ft – współczynnik temperatur. Dla 150oC ft = 0,98 Dla 200oC ft = 0,9 Dla 250oC ft = 0,75 Dla 300oC ft = 0,6 Ze względu na różne wartości X i Y oraz e dla poszczególnych łożysk obliczanie F oprzemy na odpowiednich tablicach Katalogu Łożysk Tocznych (KŁT). Dla łożysk obracających się z prędkością n < 10 obr/min nośność spoczynkowa Cozależy od trwałego odkształcenia. Przy doborze tych łożysk wystarczy spełnić warunek, aby maksymalne obciążenie łożyska było mniejsze od Co. Jeżeli obciążenie działa skośnie: Fo = Xo  Fr + Yo  Fa Fo – obciążenie zastępcze spoczynkowe; Fr,Fa – składowe obciążeń; Xo,Yo – współczynnik obciążeń. Dla łożysk kulkowych zwykłych: Xo = 0,6; Yo = 0,5.

15. Węzły łożyskowe • Osadzanie łożysk tocznych powinno zapewnić ustalenie wzdłużne wału i łożyska, oraz ustalenie właściwego luzu łożyskowego w czasie pracy łożyska. • Pełne wykorzystanie łożysk tocznych zależy od: • dobrania łożyska; • odpowiednich warunków pracy jak i od własności osadzenia łożysk na wale i w korpusie maszyny. Ustalenie wzdłużne polega na tym, że jedno łożysko ustala wał w kierunku wzdłużnym, tzn. zapewnia stałe położenie jednego czopa wału względem korpusu maszyny, a drugie łożysko powinno mieć możliwość wzdłużnego przesuwu względem korpusu, aby nie krępować odkształceń cieplnych wału i niwelować błędy montażu lub wykonania elementu. Zasada ustalania wzdłużnego stosowana jest do łożysk kulkowych i walcowych.

16. Pasowanie pierścieni łożyskowych i oprawy • Przy doborze pasowań należy zwracać uwagę, aby: • w czasie pracy łożyska istniał właściwy luz poprzeczny (zakleszczanie łożyska), • nie występowało obracanie się pierścieni łożyska wałka i oprawy. • Rozróżniamy dwa przypadki obciążenia łożyska: • ruchomy wałek, • ruchoma oprawa. • W pierwszym przypadku pierścień wewnętrzny osadzony jest ciasno, a zewnętrzny luźno. W drugim przypadku odwrotnie. • Czopy wałów wykonuje się najczęściej g6 do r6. Otwory korpusu wykonuje się J7 do P7. Podane symbole nie charakteryzują rodzaju pasowania.

17. Smarowanie łożysk tocznych • Aby polepszyć warunki pracy łożyska i maksymalnie je wykorzystać stosujemy smarowanie. Zależy ono od: • warunków eksploatacji łożyska, • konstrukcji węzła łożyskowego. • Czynniki decydujące o środku smarnym: • temperatura pracy, • rodzaj uszczelnienia i warunki otoczenia, • prędkość obrotowa łożyska, • obciążenie, • rodzaj konstrukcji łożyska.

18. Smarowanie łożysk tocznych • Najlepsze jest smarowanie olejowe. Mankamentem smarowania jest konieczność stosowania złożonych uszczelnień, niebezpieczeństwo zaburzeń w pracy układu. • Rodzaje smarowana: • Smarowanie olejowe – musimy odprowadzić ciepło z węzła, gdy służy ono do smarowania innych elementów maszyny. Gdy prędkość obrotowa równa się prędkości granicznej – łożysko ma korpus o konstrukcji zamkniętej. • Smarowanie łożysk smarem plastycznym – gdy temperatura pracy niższa niż 70oC. Smarowanie olejem: • Smarowanie zanurzeniowe – łożysko zanurzone jest w oleju. Podczas obrotu elementy toczne w łożysku zwilżone olejem, przenoszą go na bieżnię, obrzeża i powierzchnie prowadzenia koszyczka. Poziom oleju powinien być poniżej osi najdalej położonych elementów tocznych. • Smarowanie obiegowe – wymuszony jest przepływ oleju przez łożysko toczne. • Smarowanie mgłą olejową – tam gdzie łożyska mają bardzo duże obroty. Drobinki oleju są rozpylane sprężonym powietrzem. Stosujemy gdy d  n > 100000, potrzebne intensywne chłodzenie i łożysko musimy izolować.

19. Uszczelnianie węzłów łożyskowych • Efekt uszczelniania uzyskuje się przy uszczelkach filcowych lub gumowych – sprężynujący element dokładnie przylega do powierzchni uszczelnianej. • Uszczelnianie filcowe – do smarów plastycznych v < 5 m/s, temperatura do 90oC, Ra 2,5 m. Powierzchnie czopa polerujemy. Pierścień nasycamy olejem. Wymiary pierścieni i rowków dobieramy z tabel. • Uszczelnianie gumowe – pierścień uszczelniający, gdy wymagana jest większa szczelność – olej. • Uszczelnienia bezstykowe: • szczelinowo rowkowe, • labiryntowe, • odrzutnikowe, • tarcze ochronne.