W artykule znajdziesz zagadnienia takie jak luz łożyskowy, luz roboczy, definicja napięcia wstępnego, a także obliczanie wartości oraz kryteria ważne w kontekście wyboru właściwego luzu roboczego.
Definicja luzu wewnętrznego i luzu roboczego
Luz wewnętrzny odnosi się do niezamontowanego łożyska tocznego i może być opisany jako wolna przestrzeń pomiędzy elementami tocznymi i pierścieniami w kierunku osiowym i promieniowym. Chociaż luz roboczy można opisać podobnie jako wolną przestrzeń pomiędzy elementami tocznymi i pierścieniami w obu kierunkach, odnosi się to jednak do zamontowanego łożyska w trakcie pracy.
Luz łożyskowy
Najbardziej praktycznym sposobem wyjaśnienia luzu wewnętrznego jest wyobrażenie sobie łożyska (np. łożyska kulkowego zwykłego) trzymanego w dłoni. Jeśli spróbujesz przesunąć pierścień wewnętrzny tego łożyska w górę/dół lub w lewo/prawo, trzymając jednocześnie pierścień zewnętrzny, zauważysz niewielkie przesunięcie w kierunku promieniowym (czarna strzałka) lub osiowym (fioletowa strzałka). To przesunięcie jest określane jako luz wewnętrzny. I odwrotnie, pierścień wewnętrzny może być również przytrzymywany, a pierścień zewnętrzny może być przesuwany w górę/dół lub w lewo/prawo. Jest to również określane jako luz wewnętrzny.
Co natomiast z luzem łożyskowym w praktyce? Na przykład dla łożyska 6008C4 wewnętrzny luz promieniowy wynosi 28-46 µm (= C4). W pierwszym kroku łożysko 6008C4 jest montowane na stalowym wale, o tolerancji k6 (+2 -> +18µm). Ponieważ łożysko 6008C4 ma tolerancję pierścienia wewnętrznego 0/-12µm, wcisk pomiędzy pierścieniem wewnętrznym a wałem wynosi 2µm -> 30µm. Wartość ta jest uzyskiwana poprzez uwzględnienie tolerancji wału i pierścienia wewnętrznego łożyska.
Pod uwagę brane są tylko wartości ekstremalne, które obejmują zakres, w którym „największe” łożysko jest zamontowane na „najmniejszym” wale lub „najmniejsze” łożysko jest zamontowane na „największym” wale. W tym przykładzie będą to następujące przypadki:
- Wał o średnicy zewnętrznej (OD) 40,002 mm i średnica pierścienia wewnętrznego łożyska (ID) 40,000 mm = 2 µm
- Wał o OD 40,018 mm i łożysko o ID 39,988 mm = 30 µm
Montaż 6008C4 na wale wymaga użycia pewnej siły. Ze względu na ciasne pasowanie wału, luz łożyska jest zmniejszony tak, że po zamontowaniu na wale wynosi +3µm -> +44µm. Kolejno wał z łożyskiem 6008C4 jest montowany w stalowej obudowie. W tym przykładzie obudowa ma pasowanie H6 (0µm/+19µm), a pierścień zewnętrzny łożyska ma tolerancję 0/-13µm.
Pasowanie łożyska obudowy i tolerancja pierścienia zewnętrznego są rozpatrywane w podobny sposób jak w przypadku wału. Przykładowo, zastosowania mają następujące zasady:
- Obudowa o ID 68.000 mm i łożysko o OD 68.000 mm = 0 µm
- Obudowa o ID 68,019 mm i łożysko o OD 67,987 mm = 32 µm
Jak widać, luz między pierścieniem zewnętrznym a obudową wynosi 0µmà 32µm. Nie zmienia to luzu w łożysku: +3 -> +44µm.
Zakładając prędkość wału na poziomie 8000 obr/min. Łożysko 6008C4 rozgrzeje się do 100°C na pierścieniu wewnętrznym i 90°C na pierścieniu zewnętrznym. Ale co właściwie się teraz dzieje? Cóż, pierścień wewnętrzny i pierścień zewnętrzny rozszerzają się pod wpływem ciepła, ale pierścień wewnętrzny rozszerza się bardziej niż pierścień zewnętrzny. W rezultacie luz wewnętrzny w łożysku zmniejsza się z +3 -> +44µm do -5.0 -> +36.5µm. Ta redukcja o około 7,5 µm jest obliczana za pomocą programu komputerowego lub alternatywnie za pomocą wzorów z katalogu.
Jeśli teraz przyłożymy siłę promieniową, to wewnętrzny luz promieniowy zwiększy się. Powodem tego jest to, że część elementów tocznych przyjmuje obciążenie promieniowe, a pozostałe elementy są odciążone. Na ilustracji możemy zobaczyć przykład obciążenia promieniowego dla łożyska kulkowego. Długość żółtych strzałek wskazuje wielkość siły działającej na elementy toczne w każdym kierunku.
Istnieją różne grupy luzu wewnętrznego promieniowego dla łożysk tocznych. Można je znaleźć w tabeli. (Uwaga: Wewnętrzny luz osiowy można obliczyć na podstawie luzu promieniowego za pomocą wzorów, na przykład dla łożysk kulkowych zwykłych).
| Luz łożyskowy | Znaczenie | Możliwe zastosowania |
| C2 | Luz łożyskowy jest mniejszy niż normalnie |
|
| CN | Standardowy luz łożyskowy |
|
| C3 | Luz łożyskowy jest większy niż normalnie |
|
| C4 | większa niż C3 |
|
| C5 | większy niż C4 |
|
Z pewnością nie jest to ostatni raz kiedy zetkniesz się z luzami CN, C3 i C4. Pozostałe klasy luzu stosowane są jednak jedynie w specjalnych warunkach.
Luz roboczy
Po montażu możemy określić, że luz łożyska wynosi od -5,0 µm do 36,5 µm. Ten luz jest również nazywany luzem roboczym. W poniższej tabeli przedstawiono wpływ każdego kroku montażu na luz łożyska:
| Podsumowanie | ||||||
| Krok | Stan | Promieniowy luz wewnętrzny/luz podczas pracy | ||||
| 1 | Przed montażem | 28µm – 46µm | ||||
| 2 | Po montażu | 3µm – 44µm | ||||
| 3 | Po montażu | 3µm – 44µm | ||||
| 4 | Podczas pracy, 8000 obr/min, | +7,3µm -> +48,7µm | ||||
| 5 | Siła promieniowa 1000 N | +7,3µm -> +48,7µm | ||||
Niniejsza tabela podsumowuje najważniejsze czynniki wpływające na wewnętrzny luz promieniowy.
Wzór 11
Luz promieniowy = δ
Luz osiowy = δ1+δ2
Określenie luzu promieniowego i osiowego.
Przykład: Zależność między luzem roboczym a żywotnością
Staranny i dokładny dobór luzu wewnętrznego jest niezbędny, ponieważ późniejszy luz roboczy ma wpływ na żywotność (nie na trwałość użytkową L10h), krzywą temperatury, osiągi łożyska i hałas podczas pracy. Wpływ luzu roboczego na żywotność przedstawiono na wykresie.
Jak widać na wykresie, żywotność gwałtownie spada w obszarach 3 i 1. Ale dlaczego żywotność spada tak gwałtownie? Załóżmy, że łożysko 6008C4 wspomniane w powyższym przykładzie ma 12 kulek (elementów tocznych). Jeśli jednak różnica temperatur między pierścieniem wewnętrznym i zewnętrznym stale rośnie, luz roboczy ulega dalszemu zmniejszeniu (zakres 3). W rezultacie wszystkie 12 elementów tocznych jest teraz w kontakcie, który sprawia, że ślizgają się one po bieżniach (toczenie nie ma już miejsca). Skraca to żywotność, może spowodować zakleszczenie łożyska i finalnie awarię.
Wróćmy teraz do tabeli opisującej najważniejsze czynniki wpływające na luz i dodajmy tam trzy kolumny. Ilość jednocześnie obciążonych kulek, obszar luzu roboczego i opis.
| Krok | Stan | Luz wewnętrzny/ | Ilość obciążonych jednocześnie kulek | Obszar luzu roboczego | Opis | ||||||
| 1 | Przed montażem | 28µm – 46µm | – | – | – | ||||||
| 2 | Po montażu | 3µm – 44µm | 3 z 12 | 1–2 | – | ||||||
| 3 | Po montażu | 3µm – 44µm | 3 z 12 | 1–2 | – | ||||||
| 4 | Podczas pracy, 8000 obr/min, Temperatura pierścienia wewnętrznego: 100 °C, temperatura pierścienia zewnętrznego: 90 °C | -5,0µm – 36,5µm | 12 z 12 | 2–3 |  Łożysko 6008C4 ma temperaturę pierścienia wewnętrznego 100 °C i temperaturę pierścienia zewnętrznego 90 °C przy n= 8000 obr./min | ||||||
| 5 | Siła promieniowa 1000 N | +7,3µm -> +48,7µm | 7 z 12 | 2–1 |  Łożysko 6008C4 pracuje pod wpływem obciążenia promieniowego 1000N. | ||||||
Ta tabela pokazuje, ile kulek lub elementów tocznych przenosi obciążenie – w zależności od luzu roboczego.
Obliczanie luzu roboczego
Nawet jeśli luz roboczy powinien (teoretycznie) być nieznacznie ujemny, aby zmaksymalizować żywotność łożyska, w codziennej praktyce zwykle dąży się do uzyskania luzu nieznacznie dodatniego. Powodem tego jest fakt, że ujemny luz roboczy (napięcie wstępne) może wzrosnąć, jeśli łożysko toczne jest narażone na zmieniające się warunki pracy. To z kolei prowadziłoby do opisanego powyżej drastycznego skrócenia okresu eksploatacji.
Przy obliczaniu luzu roboczego należy wziąć pod uwagę czynniki takie jak pasowanie i różnice temperatur występujące między pierścieniem wewnętrznym i zewnętrznym.
Wzór 12
δeff = δo – ( δf + δt )
δeff = Luz roboczy (ze względu na pasowanie), mm
δo = Luz wewnętrzny, mm
δf = Redukcja luzu spowodowana pasowaniem, mm
δt = Redukcja luzu spowodowana różnicą temperatur między pierścieniem wewnętrznym i zewnętrznym, mm
Obliczenie luzu roboczego δeff wymaga trzech zmiennych.
Wcisk δf
Luz wewnętrzny w łożysku jest zmniejszony z powodu wciśnięcia δf pierścienia wewnętrznego na wał lub wciśnięcia pierścienia zewnętrznego w obudowę. Wcisk δf ten powoduje rozszerzanie się pierścienia wewnętrznego lub ściskanie pierścienia zewnętrznego (wcisk pierścienia zewnętrznego w obudowę) podczas montażu.
Do obliczenia redukcji luzu wewnętrznego można użyć wzoru 13. Dla uproszczenia, czynniki takie jak kształt łożyska, wału i oprawy, a także użyte materiały są brane pod uwagę przy użyciu wartości liczbowej 70 % – 90 %. Zgodnie z ogólną zasadą, im większy wcisk, tym bardziej zmniejsza się luz łożyska.
Wzór 13
δf = (0,70 ~ 0,90) ∆deff
∆deff wskazuje efektywny wcisk w mm.
Różnica temperatur δt
Ale obliczenie wartości δf to jeszcze nie koniec pracy: następnym krokiem jest obliczenie zmiennej temperaturowej δt. Uwzględnia ona zmniejszenie luzu roboczego z powodu różnicy temperatur w łożysku. Ważna informacja: Gdy łożysko pracuje, pierścień zewnętrzny jest w rzeczywistości o 5 do 10 °C chłodniejszy niż pierścień wewnętrzny. W przypadku większego rozpraszania ciepła przez obudowę (np. przez zastosowanie radiatora), różnica ta może być jeszcze większa.
Wzór 14
δt = ∝×∆T×Do
∝ = Współczynnik rozszerzalności cieplnej materiału łożyska, 12,5× ((10)*6/℃)
∆T = Różnica temperatur (pierścień wewnętrzny/zewnętrzny) w °C
Do = Średnica bieżni zewnętrznego pierścienia, mm
Jeśli chcesz obliczyć zmniejszenie luzu roboczego ze względu na różnicę temperatur, musisz wziąć pod uwagę kilka czynników.
Średnica bieżni pierścienia zewnętrznego Do
Aby określić średnicę bieżni pierścienia zewnętrznego (w przybliżeniu) należy zastosować wzór 15 lub wzór 16, w zależności od typu łożyska tocznego.
Wzór 15
dla łożysk kulkowych i baryłkowych:
Do = 0,20 (d+4,0D)
Wzór 16
dla łożysk wałeczkowych (z wyjątkiem łożysk baryłkowych):
Do = 0,25 (d+3,0D)
Obliczanie średnicy bieżni pierścienia zewnętrznego przebiega inaczej dla łożysk kulkowych i wałeczkowych.
Napięcie wstępne
Dotychczas koncentrowaliśmy się na klasach luzu wewnętrznego oraz tym, jak zmieniają się one podczas pracy. Jednakże, w zależności od zastosowania, konieczne może być napięcie wstępne osiowe łożysk.
Jedną z opcji, która jest często stosowana na przykład w silnikach elektrycznych, jest osiowe napięcie wstępne łożysk za pomocą sprężyny (uzyskane przez siłę generowaną przez sprężynę). Zostało to przedstawione na ilustracji. Siła sprężyny działa na całym obwodzie.
Siła naprężenia sprężyny powoduje, że wszystkie kulki dopasowują się do bieżni łożyska kulkowego (osiowy luz wewnętrzny = 0 µm). Napięcie wstępne powoduje zatem naprężenie w punktach styku elementów tocznych i bieżni. Zmniejsza to hałas podczas pracy i poprawia charakterystykę drgań.
Innym zastosowaniem jest łożysko we wrzecionie obrabiarki (stąd nazwa łożysko wrzecionowe). W tym przypadku łożyska wrzecionowe są wstępnie obciążane osiowo za pomocą sprężyny, jak w przypadku silnika elektrycznego, lub alternatywnie za pomocą systemu mocowania.
Napięcie wstępne najczęściej występuje w łożyskach kulkowych skośnych i łożyskach stożkowych, a niewielkie napięcie wstępne ma również pozytywny wpływ na ogólną żywotność. W kontekście napięcia wstępnego należy zawsze brać pod uwagę cel i przeznaczenie, ponieważ napięcie wstępne wiąże się również z ryzykiem, zwłaszcza w przypadku ustawienia zbyt mocnego napięcia wstępnego. Należy zatem pamiętać, że może to prowadzić do zwiększonego nacisku powierzchniowego, bardzo wysokiego generowania ciepła i skrócenia żywotności łożyska.
Wpływ napięcia wstępnego:
- Zwiększenie sztywności
- Zalecane w przypadku wysokich prędkości obrotowych
- Poprawa koncentryczności i dokładności pozycjonowania
- Redukcja wibracji i hałasu podczas pracy
- Mniejsze ryzyko wystąpienia poślizgu elementów tocznych
Wymuszone prowadzenie elementów tocznych po bieżni (na przykład w łożyskach stożkowych)
Skutki zastosowania napięcia wstępnego.
Może Cię zainteresować
Łożysko kulkowe skośne
Łożysko kulkowe skośne to brat łożyska kulkowego zwykłego. Charakterystyka łożysk kulkowych skośnych Na pewno znasz już niektóre cechy charakterystyczne łożyska kulkowego zwykłego. Będzie to przydatne
Łożysko stożkowe
Charakterystyka łożysk stożkowych Łożysko stożkowe NTN. Jak sama nazwa wskazuje, łożyska stożkowe są łożyskami wałeczkowymi, przy czym termin stożek jest inspirowany kształtem wałeczków. Łożyska stożkowe
Materiały i produkcja
Materiały i produkcja Miałeś już okazję zapoznać się z naszym rozdziałem Struktura i funkcja? Być może zastanawia Cię, z czego właściwie zbudowane są łożyska toczne?
Obliczanie trwałości łożysk
Katastrofa – uszkodzenie łożyska! Jeśli weźmiemy pod uwagę, że łożyska toczne są narażone na ciągły nacisk i obciążenia ścinające, nie jest to nic niezwykłego. Bardziej
Układy O, X i tandemowy
Jeśli przeczytałeś już artykuły na temat łożysk kulkowych skośnych lub łożysk stożkowych, być może zetknąłeś się już z różnymi rodzajami układów łożysk. W szczególności odnoszą
Wybór pasowania
Pasowanie ciasne, mieszane, luźne. Poniższy artykuł może Ci rozpoznać i zdefiniować te trzy rodzaje. Zacznijmy od tego czym właściwie jest wybór pasowania i o czym