Spis treści
Wprowadzenie
Łożyska należą do podstawowych elementów konstrukcyjnych stosowanych w maszynach, urządzeniach oraz układach mechanicznych. Spotykamy je zarówno w niewielkich elektronarzędziach i silnikach elektrycznych, jak i w rozbudowanych liniach produkcyjnych, obrabiarkach, przekładniach czy urządzeniach wykorzystywanych w aplikacjach automatyki przemysłowej. Ich zadanie nie ogranicza się przy tym wyłącznie do umożliwienia ruchu obrotowego. Prawidłowo dobrane łożysko odpowiada również za przenoszenie obciążeń, prowadzenie współpracujących elementów oraz utrzymanie wymaganej geometrii układu.
Współczesne łożyska są precyzyjnymi elementami maszyn, ale sama idea wykorzystania ruchu tocznego jest znana od tysięcy lat. Już w starożytności zauważono, że przemieszczanie ciężkich obiektów po elementach przypominających wałki wymaga znacznie mniejszej siły niż ich przesuwanie bezpośrednio po podłożu. Dzisiejsze rozwiązania są oczywiście nieporównywalnie bardziej zaawansowane, jednak wykorzystują tę samą podstawową zasadę – odpowiednio kontrolowany ruch toczny pozwala ograniczyć opory tarcia pomiędzy współpracującymi elementami.
Czego dowiesz się z tego artykułu?
- Czym jest łożysko i jakie funkcje pełni w maszynach oraz urządzeniach?
- Czym różnią się łożyska toczne od łożysk ślizgowych?
- Z jakich podstawowych elementów zbudowane jest łożysko toczne i za co odpowiadają bieżnie, elementy toczne oraz koszyk?
- Czym różnią się łożyska kulkowe, walcowe, igiełkowe, baryłkowe i stożkowe oraz gdzie znajdują zastosowanie?
- Dlaczego prawidłowy dobór łożyska ma znaczenie dla trwałości, dokładności i niezawodności maszyny?
Czym jest łożysko i jakie są jego najważniejsze funkcje?
Łożysko jest elementem konstrukcyjnym służącym do podtrzymywania i prowadzenia ruchomych części maszyny, przede wszystkim wałów oraz osi. Jego zastosowanie umożliwia wykonywanie ruchu z mniejszym oporem i z zachowaniem odpowiedniego położenia współpracujących elementów.
Łożysko może także pełnić funkcję podporową. Obciążenia występujące podczas pracy maszyny są przenoszone z jednego elementu na drugi za pośrednictwem bieżni i elementów tocznych. W zależności od konstrukcji łożyska może ono przenosić przede wszystkim obciążenia promieniowe, osiowe oraz obciążenia złożone.
Właściwy dobór łożyska wymaga więc uwzględnienia znacznie większej liczby parametrów niż tylko jego średnica wewnętrzna, średnica zewnętrzna i szerokość. Takie parametry to na przykład kierunek i siła obciążeń, prędkość obrotowa, rodzaj smarowania, temperatura pracy oraz warunki środowiskowe, w którym pracuje maszyna.
Podział łożysk na toczne i ślizgowe
Ze względu na sposób współpracy elementów łożyska, można wyróżnić dwie główne grupy:
- łożyska toczne, w których pomiędzy bieżnią wewnętrzną i zewnętrzną znajdują się elementy toczne, takie jak kulki, wałeczki, igiełki lub baryłki, które umożliwiają ruch przy ograniczonym tarciu. Do grupy łożysk tocznych należą m.in. łożyska kulkowe, walcowe, igiełkowe, baryłkowe i stożkowe;
- łożyska ślizgowe, które nie mają elementów tocznych – ruch odbywa się poprzez ślizganie współpracujących powierzchni, najczęściej czopa wału względem powierzchni panewki lub tulei.
Jaka jest budowa popularnych łożysk tocznych?
Budowa łożyska zależy od jego rodzaju i przeznaczenia, jednak w przypadku popularnych łożysk tocznych można wskazać kilka podstawowych elementów. Są to pierścień zewnętrzny z bieżnią, pierścień wewnętrzny z bieżnią, elementy toczne oraz koszyk. Współpraca tych części pozwala na przenoszenie obciążeń i realizowanie ruchu w kontrolowany sposób.
Bieżnia zewnętrzna
Bieżnia zewnętrzna jest częścią zewnętrznego pierścienia łożyska. W typowych rozwiązaniach pierścień ten osadzany jest w oprawie, korpusie maszyny lub innym elemencie konstrukcyjnym. Jego powierzchnia robocza jest odpowiednio ukształtowana, aby umożliwić przemieszczanie się elementów tocznych.
Budowa bieżni musi być dostosowana do rodzaju zastosowanych elementów tocznych oraz obciążeń, jakie ma przenosić łożysko. Precyzja wykonania tej powierzchni wpływa na płynność ruchu, poziom drgań, hałas oraz trwałość całego zespołu.
Bieżnia wewnętrzna
Bieżnia wewnętrzna znajduje się na pierścieniu wewnętrznym łożyska, który najczęściej współpracuje bezpośrednio z wałem. Podobnie jak w przypadku bieżni zewnętrznej, jej budowa umożliwia prowadzenie elementów tocznych oraz przekazywanie obciążeń. Podczas pracy elementy toczne przemieszczają się pomiędzy bieżnią wewnętrzną a zewnętrzną. Współpraca tych powierzchni jest jednym z warunków prawidłowej pracy łożyska.
Elementy toczne
Elementy toczne znajdują się pomiędzy bieżnią wewnętrzną i zewnętrzną. W zależności od konstrukcji łożyska mogą przyjmować różne formy. Najbardziej charakterystycznym przykładem są kulki stosowane w łożyskach kulkowych, ale w zależności od potrzeb wykorzystuje się również na przykład wałeczki oraz baryłki.
Kształt elementów tocznych ma bezpośredni wpływ na charakterystykę łożyska, w tym jego zdolność do przenoszenia określonych obciążeń. Dlatego nawet kiedy łożyska mają te same wymiary wewnętrzne, nie zawsze mają takie same właściwości.
Koszyk
Koszyk odpowiada za właściwe rozmieszczenie elementów tocznych wewnątrz łożyska. Utrzymuje kulki, wałeczki lub baryłki w odpowiednich odstępach, ograniczając możliwość ich niekontrolowanego przemieszczania się względem siebie. Choć jest mniej widocznym elementem konstrukcji niż pierścienie czy elementy toczne, jego znaczenie dla prawidłowej pracy łożyska jest bardzo duże. Koszyk stabilizuje układ elementów tocznych i wspiera ich uporządkowany ruch podczas pracy.
Koszyk utrzymuje elementy toczne w odpowiednich odstępach, ale również prowadzi je i ogranicza ich wzajemny kontakt. Ma to znaczenie dla zmniejszenia tarcia, stabilności ruchu oraz ograniczenia wydzielania ciepła. Koszyk w łożysku pełni szczególnie ważną rolę w wymagających warunkach pracy, na przykład przy wysokiej temperaturze lub dużych prędkościach obrotowych.
Odpowiednie rozmieszczenie elementów tocznych sprzyja stabilności ruchu i właściwej pracy całego łożyska. Koszyk zapobiega ich skupianiu się w jednym miejscu oraz ogranicza niekontrolowane przemieszczanie. Ma to znaczenie zarówno przy rozruchu, jak i podczas pracy z ustaloną prędkością.
Jakie są rodzaje łożysk?
Łożyska toczne można podzielić między innymi ze względu na kształt zastosowanych elementów tocznych. Ich konstrukcja wpływa na zdolność do przenoszenia obciążeń promieniowych i osiowych, dopuszczalne prędkości obrotowe, sztywność oraz możliwość kompensowania niewspółosiowości. Do najczęściej stosowanych należą łożyska kulkowe, walcowe, igiełkowe, baryłkowe i stożkowe.
Łożyska kulkowe
Elementami tocznymi są kulki. Charakteryzują się stosunkowo małym tarciem i mogą pracować z dużymi prędkościami obrotowymi. Dobrze przenoszą obciążenia promieniowe oraz osiowe. Są powszechnie stosowane m.in. w silnikach elektrycznych, pompach, wentylatorach, przekładniach i wielu innych mechanizmach. To jeden z najpopularniejszych i najbardziej uniwersalnych typów łożysk tocznych.
Łożyska walcowe
Wykorzystują wałeczki o kształcie walca. Dzięki liniowemu charakterowi kontaktu (i większemu punktowi styku) wałeczka z bieżnią mogą przenosić większe obciążenia promieniowe niż łożyska kulkowe o porównywalnych wymiarach. Stosuje się je przede wszystkim tam, gdzie wymagana jest duża nośność i sztywność, np. w przekładniach, obrabiarkach, silnikach elektrycznych oraz ciężkich maszynach przemysłowych.
,,Może być sytuacja, gdzie łożysko kulkowe nie ma bardzo wysokich obrotów, a jednak, z jakiegoś powodu nie wytrzymuje danych obciążeń i w takiej aplikacji łożysko walcowe może nam uratować konstrukcję. Warto jednak sprawdzić to w dokumentacji, jeśli chodzi o podstawowe parametry – czyli właśnie prędkość i nośność.” – mówi Jan Gruszka, Kierownik ds. łożysk w Air-Com Pneumatyka-Automatyka.
Łożyska igiełkowe
Są odmianą łożysk wałeczkowych wyposażoną w długie elementy toczne o niewielkiej średnicy, nazywane igiełkami. Ich największą zaletą jest możliwość uzyskania dużej nośności promieniowej przy niewielkim przekroju poprzecznym łożyska. Z tego powodu sprawdzają się szczególnie tam, gdzie nie mieści się inne łożysko. Stosuje się je m.in. w skrzyniach biegów, przekładniach oraz kompaktowych mechanizmach maszyn.
Łożyska baryłkowe
Posiadają elementy toczne o charakterystycznym baryłkowatym kształcie. Mogą kompensować niewielkie odchylenia i ugięcia wału, dzięki czemu łożysko zachowuje prawidłowe warunki pracy mimo nieidealnego ustawienia wału względem oprawy. Jednocześnie są przystosowane do przenoszenia dużych obciążeń promieniowych, a także obciążeń osiowych. Dzięki temu wykorzystuje się je w ciężkich i wymagających aplikacjach, m.in. w maszynach górniczych, hutniczych i innych urządzeniach narażonych na wysokie obciążenia.
Łożyska stożkowe
Wykorzystują wałeczki stożkowe oraz odpowiednio ukształtowane bieżnie. Ich konstrukcja umożliwia jednoczesne przenoszenie dużych obciążeń promieniowych i osiowych. Pojedyncze łożysko przenosi obciążenie osiowe przede wszystkim w jednym kierunku, dlatego łożyska stożkowe często montuje się parami. Rozwiązanie to pozwala uzyskać dużą sztywność układu i przejmować siły działające w obu kierunkach osiowych. Łożyska stożkowe są powszechnie wykorzystywane m.in. w przekładniach, piastach kół, reduktorach oraz układach napędowych.
,,Łożysko stożkowe posiada bieżnię zewnętrzną oraz elementy toczne usytuowane pod pewnym kątem. Dzięki takiej konstrukcji może przenosić nie tylko siły promieniowe, ale również osiowe. Dobrze radzi sobie w trudnych warunkach i znajduje zastosowanie na przykład w ciągnikach, piastach kół, cięższych pojazdach czy ogólnie w transporcie.” – komentuje Jan Gruszka, Kierownik ds. łożysk w Air-Com Pneumatyka-Automatyka.
Gdzie wykorzystuje się łożyska?
Łożyska znajdują zastosowanie niemal wszędzie tam, gdzie występują ruchome elementy wymagające odpowiedniego prowadzenia i przenoszenia obciążeń – od niewielkich elektronarzędzi i sprzętu AGD, przez samochody, aż po silniki, pompy, przekładnie, obrabiarki i rozbudowane maszyny przemysłowe.
Podstawową funkcją łożyska tocznego jest umożliwienie kontrolowanego ruchu względnego pomiędzy elementami maszyny. Dzięki zastosowaniu elementów tocznych możliwe jest ograniczenie tarcia ślizgowego i uzyskanie płynnego ruchu obrotowego wału. Łożysko to nie tylko zamiana ruchu ślizgowego na toczny, ale również ustalanie geometrii maszyny – jego poprawne działanie wpływa więc na sprawność, trwałość, dokładność i niezawodność urządzenia.
Niewłaściwy dobór lub montaż łożyska może prowadzić do zwiększonego zużycia, drgań, hałasu, wzrostu temperatury, pogorszenia dokładności pracy, a w konsekwencji nawet do awarii maszyny.
Zobacz również nasz film na YouTube:
Podsumowanie
Łożysko jest znacznie bardziej złożonym elementem konstrukcyjnym, niż może sugerować jego stosunkowo prosta forma. W popularnych łożyskach tocznych podstawowy układ tworzą pierścień zewnętrzny z bieżnią, pierścień wewnętrzny z bieżnią, elementy toczne oraz koszyk. Każda z tych części pełni określoną funkcję i wpływa na właściwości całego zespołu.
Łożyska umożliwiają płynny ruch, przenoszą obciążenia i pomagają utrzymać geometrię maszyny. Koszyk zapewnia natomiast odpowiednie rozmieszczenie i prowadzenie elementów tocznych, wspierając stabilność ich pracy. Wszystkie te funkcje sprawiają, że prawidłowy dobór łożyska ma bezpośrednie znaczenie dla trwałości i niezawodności całego układu mechanicznego.
Rodzaj zastosowanych elementów tocznych pozwala wyróżnić między innymi łożyska kulkowe, walcowe oraz baryłkowe. Poszczególne konstrukcje różnią się charakterystyką i są przeznaczone do różnych warunków pracy. Z tego powodu podobne wymiary dwóch łożysk nie oznaczają, że mogą być one stosowane zamiennie.
