Łożyska – informacje ogólne

Łożysko to element maszynowy, którego zadaniem jest podtrzymanie obracających lub przesuwających się wałów, osi  oraz innych elementów ruchomych maszyn.

Jednym z podstawowych zadań łożyska jest przejęcie obciążeń i przekazywanie ich na korpus lub fundament, czyli podstawę na której oparte jest urządzenie. W większości przypadków łożysk się nie projektuje oddzielnie. Są elementami szeroko znormalizowanymi wybieranymi z katalogów firm oferujących wachlarz możliwości.

1 – pierścień zewnętrzny, 2 – element toczny, 3 – pierścień wewnętrzny, 4 – koszyk

Klasyfikacja Łożysk

Podstawowa klasyfikacja łożysk to klasyfikacja względem kierunku obciążenia i rodzaju tarcia. Łożyska mogą przejmować obciążenia osiowe, wzdłuż osi wału oraz promieniowe.

Rodzaj tarcia dzieli łożyska na toczne, w których występują elementy toczące się zapewniające ruch oraz ślizgowe takie jak hydrodynamiczne lub suche, w których za zmniejszenie tarcia odpowiada kolejno płyn lub materiał z małym tarciem ślizgowym (np. brąz lub specjalne powłoki).

Klasyfikacja ze względu na przenoszenie tarcia:

Charakterystyczne cechy łożysk:

• Łożyska umożliwiają ruch względny między współpracującymi elementami, zapewniając płynność i precyzję działania.
• Łożyska przenoszą obciążenia pomiędzy elementem ruchomym a nieruchomym i odwrotnie, stabilizując konstrukcję i chroniąc komponenty przed nadmiernym ścieraniem.
• Minimalizacja sił tarcia to jedna z kluczowych cech łożysk, dzięki której zmniejsza się zużycie współpracujących i ruchomych części, co prowadzi do większej trwałości oraz efektywności pracy układu

Metody minimalizacji zużycia łożysk i elementów tocznych

• Metoda konstrukcyjna – Łożyska hydrodynamiczne są wyposażone w płynne łoże, po którym „ślizga się” wał lub oś. Dzięki temu rozwiązaniu uzyskujemy bardzo niskie tarcie między wałem a oprawą, co skutecznie minimalizuje zużycie elementów poruszających się względem siebie.
• Cechy technologiczne – Dobór odpowiednich materiałów i powłok w konstrukcji łożysk oraz wałów pozwala zwiększyć ich trwałość oraz odporność na zużycie i obciążenia mechaniczne.
• Właściwości eksploatacyjne – Ważną rolę w wydajności łożysk tocznych odgrywają właściwe sposoby smarowania, które zapewniają trwałość i sprawność działania nawet w wymagających warunkach pracy. W przypadku pracy ze smarem i olejem należy wziąć pod uwagę graniczną prędkość i temperaturę. Występują także smary suche takie jak MoS2

 Ocena łożysk pod względem ich użycia. 

Poniższa tabela przedstawia ogólne zastosowanie łożysk z oceną dla danych warunków pracy. Stanowi ona dobry punkt odniesienia do wyboru łożyska dla naszych zastosowań. Jeśli nie wiesz jakie łożysko zastosować, to ta tabelka może ci pomóc określić wstępne uogólnione parametry, którymi możesz się kierować.

Właściwości łożysk w podanych warunkach

Poniższa tabela przedstawia właściwości łożysk w danych warunkach. Nie każde łożysko sprawuje się tak samo w tym samym środowisku. Przy doborze i projektowaniu łożysk należy mieć to zawsze na uwadze.

Oznaczenia łożysk tocznych

Oznaczenia łożysk tocznych są standardyzowane i składają się z sekwencji cyfr oraz liter, które opisują cechy łożyska, takie jak jego typ, rozmiar, konstrukcję i dodatkowe właściwości. Systemy oznaczeń różnią się w zależności od producenta, ale na całym świecie stosowane są normy ułatwiające ich identyfikację.

Pełna normalizacja łożysk zapewnia nam:

• Przewidywalne i gwarantowane przez producenta właściwości – Standaryzowane łożyska charakteryzują się stałą jakością i zgodnością techniczną, co pozwala przewidzieć ich zachowanie i wytrzymałość w określonych warunkach pracy.
• Ogólnie dostępne algorytmy obliczeniowe – Dzięki standaryzacji parametry łożysk można obliczać przy użyciu szeroko stosowanych wzorów i metod, co ułatwia dobór właściwego łożyska do danego zastosowania oraz przewidywanie jego trwałości.
• Łatwą dostępność dla średnic mniejszych niż 500 mm – Normy obejmują szeroki zakres wymiarów, szczególnie tych poniżej 500 mm, co odpowiada na potrzeby większości aplikacji przemysłowych i mechanicznych, zapewniając jednocześnie szeroką dostępność i szybkość realizacji zamówień.
• Łatwe zastępowanie łożyskami innych producentów – Normalizacja umożliwia wymianę łożyska na produkt innego producenta o identycznych wymiarach i właściwościach, daje nam to swobodę wyboru dostawcy i pozwala na obniżenie kosztów eksploatacji bez konieczności wprowadzania zmian konstrukcyjnych.

Poniżej przedstawiona została tabela oznaczenia łożysk tocznych z opisem.

Kody łożysk

0 – łożysko kulkowe dwurzędowe

1 – łożysko kulkowe wahliwe

2 – łożysko baryłkowe, łożysko baryłkowe wzdłużne

3 – łożysko stożkowe

4 – łożysko kulkowe zwykłe dwurzędowe

5 – łożyska kulkowe wzdłużne

6 –  łożyska kulkowe zwykłe jednorzędowe

7 – łożyska kulkowe skośne jednorzędowe

8 – łożysko walcowe wzdłużne

C – łożysko toroidalne

N – łożysko walcowe

QJ – łożysko kulkowe skośne

T – łożysko stożkowe według normy ISO 355-2007

Kolejne litery oznaczenia łożysk mogą dotyczyć np. zastosowanego uszczelnienia, zabezpieczenia rowków pod elementy ustalające itp.

• Z, ZZ – uszczelnienie z jednej lub obu stron łożyska
• C – klasa luzu wewnętrznego, np. C2, C3, C4
• P, K – oznaczenia specjalnych dokładności

Zalety i wady łożysk tocznych względem łożysk ślizgowych

• Mniejsze opory tarcia niż w przypadku łożysk o tarciu suchym lub mieszanym, co przekłada się na wyższą wydajność i niższe zużycie energii.
• Niskie tarcie spoczynkowe, co jest szczególnie korzystne przy częstym rozruchu i zatrzymywaniu mechanizmów, gdzie potrzebna jest szybka reakcja i płynne działanie.
• Duża sztywność podparcia, zapewniająca stabilność i precyzję ruchu, co wpływa na dłuższą żywotność łożyska i lepszą wydajność całego układu.
• Mniejsza wrażliwość na przekoszenia, umożliwia lepsze dopasowanie łożyska w systemach o nieidealnej osiowości.
• Niska wrażliwość na ilość substancji smarnej, dzięki czemu łożyska te są mniej zależne od idealnych warunków smarowania, co zmniejsza ryzyko uszkodzeń w warunkach zmiennej eksploatacji.
• Mniejsze zużycie środków smarnych, co jest korzystne dla środowiska i redukuje koszty eksploatacji.
• Kompaktowy wymiar wzdłużny, dzięki czemu łożyska toczne można stosować w miejscach o ograniczonej przestrzeni montażowej.
• Łatwa obsługa, co pozwala na szybszą i mniej skomplikowaną konserwację, nawet bez specjalistycznego przeszkolenia.
• Daleko idąca normalizacja, umożliwiająca łatwą wymianę i dostępność zamienników od różnych producentów.
• Proste remonty, dzięki możliwości wymiany całego zespołu łożyskowego, co eliminuje potrzebę regeneracji lub wymiany samego czopu.
• Niskie koszty dla łożysk małych i średnich rozmiarów, co sprawia, że są one opłacalnym wyborem w wielu aplikacjach przemysłowych i mechanicznych.

Wady łożysk tocznych

• Niska trwałość zmęczeniowa, sprawia, że łożyska toczne mogą ulegać szybkiemu zużyciu w warunkach intensywnego, długotrwałego i zmiennego obciążenia.
• Niska odporność na obciążenia dynamiczne, drgania i duże prędkości, ogranicza ich zastosowanie w maszynach pracujących w trudnych warunkach i przy dużych obciążeniach zmiennych.
• Większe opory przy dużych przyspieszeniach elementów tocznych, które mogą ograniczać sprawność w aplikacjach wymagających szybkich zmian prędkości.
• Większy wymiar średnicy zewnętrznej, może stanowić problem w aplikacjach, gdzie wymagana jest kompaktowa konstrukcja.
• Mała odporność na zanieczyszczenia i korozję, przez co łożyska toczne wymagają starannej ochrony i regularnej konserwacji w trudnym środowisku pracy.
• Brak możliwości dzielenia łożyska w płaszczyźnie osiowej, utrudnia montaż i demontaż, szczególnie w zamkniętych przestrzeniach.
• Duże siły montażowe przy dużych rozmiarach, wymagające specjalistycznych narzędzi i metod montażowych, co zwiększa trudność i czasochłonność instalacji.
• Większy hałas i drgania, ponieważ łożyska toczne nie mają zdolności tłumienia drgań, może negatywnie wpływać na komfort użytkowania oraz pracę innych komponentów.
• Wysoki koszt dla dużych średnic, sprawia, że łożyska toczne są mniej opłacalne w zastosowaniach wymagających dużych rozmiarów.

Charakterystyczne cechy łożysk i stosowanie

Poniżej przedstawione zostały tabele określająca charakterystyczne wymiary dla poszczególnych łożysk tocznych. Dzięki tym parametrom możemy klasyfikować je, opisywać, wybierać na podstawie obliczeń oraz 

Łożyska kulkowe zwykłe

Łożyska kulkowe zwykłe są popularnym rozwiązaniem, oferują dobry stosunek ceny do funkcjonalności w aplikacjach, gdzie nie występują ekstremalne warunki obciążeniowe oraz duże przekoszenia.

• Przeznaczone do małych i średnich obciążeń, czyni je odpowiednimi łożyskami do większości standardowych zastosowań.

• Zdolność do przenoszenia obciążeń poprzecznych, z możliwością obsługi niewielkiego udziału obciążeń wzdłużnych, dzięki czemu są stosowane w wielu układach o prostych wymaganiach obciążeniowych.

• Wrażliwość na przekoszenie – łożyska te są mniej skuteczne, jeśli dochodzi do nieosiowości, co może prowadzić do ich szybszego zużycia.

• Powszechna dostępność i niska cena – ze względu na szerokie zastosowanie są łatwe do nabycia i stosunkowo tanie, co czyni je ekonomicznym wyborem.

• Niskie tarcie toczne, co przekłada się na wyższą efektywność i niższe straty energi.

Łożyska walcowe

Łożyska walcowe charakteryzują się prostą budową i wysoką wytrzymałością, dzięki czemu są idealnym rozwiązaniem wszędzie tam, gdzie konieczne jest przenoszenie dużych obciążeń przy stosunkowo niskim tarciu. Składają się z wałeczków o cylindrycznym kształcie , które toczą się pomiędzy pierścieniem wewnętrznym a zewnętrznym łożyska. W odróżnieniu od łożysk kulkowych, wałeczki walcowe mają większą powierzchnię styku, co umożliwia lepsze rozłożenie sił i pozwala na przenoszenie wyższych obciążeń. Łożyska walcowe mogą być

• jednorzędowe – przenoszą wyłącznie obciążenia promieniowe i są stosowane w aplikacjach o dużych prędkościach obrotowych.
• dwurzędowe – mają większą nośność i są stosowane tam, gdzie wymagana jest większa stabilność i odporność na siły boczne.
• wielorzędowe – przeznaczone do przenoszenia bardzo dużych obciążeń, stosowane głównie w przemyśle ciężkim.

Łożyska walcowe znajdują zastosowanie w motoryzacji np. w skrzyniach biegów, wałach napędowych, dyferencjałach, przemyśle maszynowym (w maszynach produkcyjnych, obrabiarkach, systemach transportowych), energetyce (w turbinach wiatrowych, generatorach prądu wymagających wysokiej wytrzymałości) oraz w górnictwie i hutnictwie (w urządzeniach ciężkich, gdzie potrzebna jest odporność na ekstremalne obciążenia i trudne warunki pracy).

• Duża obciążalność – dzięki swojej konstrukcji z wałeczkami o dużej powierzchni styku z bieżniami, łożyska walcowe są w stanie przenosić znaczne obciążenia promieniowe, zapewniając wysoką wytrzymałość i niezawodność w wymagających warunkach pracy.
• Przenoszenie tylko obciążeń poprzecznych – łożyska walcowe są zaprojektowane do efektywnego przenoszenia sił działających prostopadle do osi wału. Nie są przystosowane do przenoszenia obciążeń osiowych, co wymaga stosowania dodatkowych łożysk w przypadkach, gdzie mogą występować takie siły.
• Wrażliwość na przekoszenia – ze względu na sztywność konstrukcji, łożyska walcowe są wrażliwe na błędy w osiowości montażu. Nawet niewielkie przekoszenia mogą prowadzić do nierównomiernego rozkładu obciążeń, nadmiernego zużycia czy uszkodzeń, co podkreśla znaczenie precyzyjnego montażu i odpowiedniej obróbki współpracujących elementów.

Łożyska stożkowe

Łożyska stożkowe to rodzaj łożysk tocznych, w których elementami tocznymi są stożkowe wałeczki umieszczone między stożkowymi bieżniami pierścieni wewnętrznego i zewnętrznego. Daje to możliwość przenoszenia obciążeń promieniowyc  i osiowych.

• Średnia i duża obciążalność – Łożyska stożkowe są zdolne do przenoszenia zarówno średnich, jak i dużych obciążeń. Ich konstrukcja pozwala na efektywne rozłożenie sił na powierzchni bieżni i elementów tocznych.

• Możliwość przenoszenia obciążeń poprzecznych i wzdłużnych – Dzięki stożkowej geometrii wałeczków i bieżni, łożyska wałeczkowe przenoszą obciążenia promieniowe (poprzeczne) oraz osiowe (wzdłużne) w jednym kierunku. Umożliwia to ich zastosowanie w układach, gdzie występują złożone siły działające w różnych kierunkach. Często stosowane są w parach przeciwstawnych, aby przenosić obciążenia osiowe w obu kierunkach. Układy łożysk dzielimy na układ O i układ X

• Bardzo wrażliwe na przekoszenia – Wymagają precyzyjnego montażu ze względu na wrażliwość na niewspółosiowość wału i oprawy. Nawet niewielkie przekoszenia mogą prowadzić do nierównomiernego obciążenia elementów tocznych. Niewłaściwe ustawienie może skutkować przyspieszonym zużyciem lub uszkodzeniem łożyska.

• Konieczność pracy w układach napiętych wstępnie – Łożyska stożkowe często wymagają napięcia wstępnego podczas montażu. Napięcie wstępne eliminuje luzy wewnętrzne i zwiększa sztywność.

Łożyska baryłkowe

Łożyska baryłkowe to typ łożysk tocznych, w których elementami tocznymi są baryłki o kształcie przypominającym dwuwypukłe soczewki. Dzięki takiej konstrukcji są zdolne do przenoszenia bardzo dużych obciążeń promieniowych oraz  osiowych w obu kierunkach, jednocześnie kompensując niewspółosiowość wału względem oprawy. Jedną  najbardziej charakterystycznych cech jest ich kulista bieżnia, która umożliwia samonastawność łożyska.

• Średnia i duża obciążalność – Łożyska baryłkowe są zaprojektowane do przenoszenia zarówno średnich, jak i dużych obciążeń promieniowych. Konstrukcja z baryłkowatymi elementami tocznymi pozwala na równomierne rozłożenie obciążeń na bieżniach. Idealne do zastosowań, gdzie występują duże obciążenia i potrzebna jest niezawodność, np. w maszynach ciężkich.

• Możliwość przenoszenia obciążeń poprzecznych i wzdłużnych, ale słabiej niż łożyska stożkowe – Łożyska baryłkowe mogą przenosić obciążenia promieniowe (poprzeczne) oraz osiowe (wzdłużne) w obu kierunkach. Choć potrafią przenosić obciążenia osiowe, ich zdolność w tym zakresie jest mniejsza niż w przypadku łożysk stożkowych. Stosowane tam, gdzie obciążenia osiowe nie są dominujące, ale wciąż obecne.

• Wysoka tolerancja na wahania współosiowości, niewrażliwość na przekoszenia – Dzięki kulistej bieżni pierścienia zewnętrznego, łożyska baryłkowe są zdolne do samoczynnego dostosowywania się do niewspółosiowości wału względem oprawy.
  Mogą kompensować odchylenia kątowe zwykle do około 2° między wałem a oprawą bez negatywnego wpływu na funkcjonowanie. Konstrukcja sprawia, że są mało wrażliwe na błędy montażowe i ugięcia wału, co zwiększa ich niezawodność w trudnych warunkach pracy. Idealne w aplikacjach, gdzie mogą wystąpić ugięcia wału lub trudności z precyzyjnym montażem.