Co to jest łożysko skośne dwurzędowe?

A dwurzędowe łożysko skośne to łożysko toczne składające się z dwóch rzędów kulek rozmieszczonych obok siebie w obrębie jednego pierścienia zewnętrznego, przy czym oba rzędy stykają się z bieżniami pod określonym kątem zwilżania — zazwyczaj 25° lub 30° — a nie pod kątem 90° do osi łożyska. Taka geometria styku kątowego umożliwia łożysku jednoczesne przenoszenie obciążeń promieniowych (prostopadle do wału) i obciążeń osiowych (wzdłuż osi wału) w obu kierunkach, natomiast układ dwurzędowy zapewnia znacznie większą nośność i większą sztywność względem momentów przechylających niż jednorzędowe łożysko skośne o tej samej średnicy zewnętrznej.

Z praktycznego punktu widzenia inżynierii dwurzędowe łożysko skośne zastępuje to, co w przeciwnym razie wymagałoby dwóch oddzielnych jednorzędowych łożysk skośnych montowanych naprzeciwko siebie lub tyłem do siebie, robiąc to w węższej przestrzeni osiowej i bez potrzeby odpowiedniego naprężenia wstępnego podczas montażu. To sprawia, że ​​jest to wysoce wydajne rozwiązanie łożyskowe do zastosowań, które łączą duże łączne obciążenia z ograniczeniami przestrzennymi – w szczególności wrzeciona obrabiarek, piasty kół samochodowych, skrzynie biegów i pompy.

Zasada kontaktu kątowego: dlaczego kąt zwilżania ma znaczenie

Cechą charakterystyczną każdego łożyska skośnego – jedno- lub dwurzędowego – jest kąt działania: kąt pomiędzy linią łączącą punkty styku kuli z bieżnią wewnętrzną i zewnętrzną a płaszczyzną prostopadłą do osi łożyska. W łożysku kulkowym zwykłym kąt ten wynosi praktycznie zero w warunkach bez obciążenia; w łożysku skośnym jest to zaprojektowana, stała geometria.

Jak kąt zwilżania wpływa na nośność

Kąt zwilżania określa stosunek nośności osiowej do promieniowej. Większy kąt zwilżania zwiększa nośność osiową w stosunku do nośności promieniowej; mniejszy kąt zwilżania działa odwrotnie. Zależność jest w przybliżeniu liniowa w praktycznym zakresie kątów zwilżania stosowanych w łożyskach komercyjnych:

• Kąt zwilżania 15° — stosunkowo duża nośność promieniowa, umiarkowana nośność osiowa; stosowany tam, gdzie dominują obciążenia promieniowe i potrzebne jest pewne wsparcie obciążenia osiowego
• Kąt zwilżania 25° — zrównoważona nośność promieniowa i osiowa; najpopularniejszy kąt w dwurzędowych łożyskach skośnych do ogólnych zastosowań w obrabiarkach i pompach
• Kąt zwilżania 30° — większa nośność osiowa; stosowane w zastosowaniach, w których występują znaczne utrzymujące się siły osiowe, takich jak niektóre układy skrzyń biegów i sprężarek
• Kąt działania 40° lub 45° — bardzo duża nośność osiowa; spotykany w wyspecjalizowanych zastosowaniach z dominującym ciągiem; rzadziej w konfiguracji dwurzędowej

Wpływ indukowanego obciążenia osiowego

Jednorzędowe łożysko skośne obciążone promieniowo generuje wewnętrzną składową siły osiowej w wyniku kąta działania – jest to indukowane obciążenie osiowe. Kiedy dwa jednorzędowe łożyska skośne są sparowane, są one rozmieszczone w taki sposób, że ich indukowane obciążenia osiowe przeciwstawiają się sobie i znoszą. W łożysku skośnym dwurzędowym równowagę tę osiąga się wewnętrznie w pojedynczym zespole łożyskowym, ponieważ kąt działania dwóch rzędów jest przeciwny: jeden rząd przenosi siłę osiową w jednym kierunku, drugi rząd przenosi siłę osiową w przeciwnym kierunku. Rezultatem jest łożysko, które jest z natury wyważone pod kątem dwukierunkowego obciążenia osiowego, bez żadnego specjalnego układu montażowego.

Struktura i geometria wewnętrzna dwurzędowego łożyska skośnego

Zrozumienie wewnętrznej konstrukcji dwurzędowego łożyska skośnego wyjaśnia zarówno jego zalety w zakresie wydajności, jak i specyficzne wymagania operacyjne.

Pierścień Zewnętrzny

Pierścień zewnętrzny jest elementem jednoczęściowym z dwoma rowkami bieżni wykonanymi maszynowo z dokładną krzywizną wymaganą dla określonego rozmiaru kulki i kąta zwilżania. Jednoczęściowa konstrukcja zapewnia doskonałą koncentryczność pomiędzy dwiema bieżniami i zapewnia sztywność strukturalną, która zapewnia łożysku dwurzędowemu odporność na moment przechylający – czego nie ma w przypadku sparowanych układów jednorzędowych, w których dwa pierścienie są niezależnymi elementami.

Pierścień wewnętrzny: jednoczęściowy lub dzielony

Pierścień wewnętrzny łożyska skośnego dwurzędowego może być jednoczęściowy lub dzielony (dwuczęściowy). Jednoczęściowy pierścień wewnętrzny zapewnia maksymalną sztywność i jest stosowany w większości standardowych konstrukcji dwurzędowych. Dzielony pierścień wewnętrzny — w którym pierścień wewnętrzny składa się z dwóch połówek, które można rozdzielić — umożliwia montaż większych kompletów kulek, co zwiększa nośność; jednakże złącze dzielone stwarza potencjalne źródło koncentracji naprężeń i ogranicza maksymalną prędkość, przy której łożysko może niezawodnie pracować.

Uzupełnienie piłki i klatka

Każdy rząd dwurzędowego łożyska skośnego zawiera pełny zestaw kulek — maksymalną liczbę kulek, które można umieścić przy zachowaniu niezbędnego minimalnego odstępu między sąsiednimi kulkami. Klatka (uchwyt) utrzymuje równomierny odstęp kulek w każdym rzędzie, zapobiega kontaktowi kulek z kulkami i prowadzi kulki przez strefę nieobciążoną w miarę obracania się łożyska. Koszyki do łożysk skośnych dwurzędowych są zwykle wykonane z tłoczonej stali, poliamidu (nylonu) lub mosiądzu obrobionego maszynowo, w zależności od prędkości roboczej, temperatury i warunków smarowania.

Wstępnie załaduj

Łożyska skośne dwurzędowe są produkowane z określonym wewnętrznym napięciem wstępnym — wstępnym ściskaniem kulek pomiędzy bieżniami pierścienia wewnętrznego i zewnętrznego podczas produkcji, przed przyłożeniem jakiegokolwiek obciążenia zewnętrznego. To napięcie wstępne eliminuje luz wewnętrzny, zwiększa sztywność łożyska i znacznie poprawia dokładność pracy. Naprężenie wstępne jest określane jako lekkie (C), średnie (CA) lub duże (CB) i jest krytycznym parametrem w zastosowaniach wrzeciona obrabiarek, gdzie wymagana jest dokładność bicia poniżej mikrometra. Łożysko z nadmiernym napięciem wstępnym przegrzeje się i przedwcześnie ulegnie uszkodzeniu; niewystarczające napięcie wstępne powoduje wibracje i zmniejszoną dokładność pod obciążeniem.

Charakterystyka wydajności: nośność, sztywność i prędkość

Charakterystyki użytkowe łożysk skośnych dwurzędowych zależą od ich geometrii, wymiarów oraz materiału i jakości ich komponentów. Poniższe zależności ilościowe mają kluczowe znaczenie dla zrozumienia, kiedy i dlaczego należy określić ten typ łożyska.

Nośność dynamiczna i statyczna

Nośność dynamiczna (C) dwurzędowego łożyska skośnego – obciążenie, przy którym łożysko ma teoretyczną trwałość znamionową wynoszącą milion obrotów – wynosi w przybliżeniu 1,6 do 1,8 razy Nośność dynamiczna porównywalnego jednorzędowego łożyska skośnego o tej samej średnicy i serii otworu. Wzrost ten odzwierciedla dodatkowy rząd kulek dzielący przyłożone obciążenie. Nośność statyczna (C₀), która określa maksymalne obciążenie, jakie łożysko może wytrzymać bez powodowania trwałego odkształcenia bieżni lub kulek, wykazuje podobny proporcjonalny wzrost w porównaniu z odpowiednikami jednorzędowymi.

Sztywność i moment przechylający

Sztywność łożyska – odporność na odkształcenia sprężyste pod obciążeniem – jest krytycznym parametrem wrzecion obrabiarek, gdzie ugięcie bezpośrednio przekłada się na błąd wymiarowy obrabianego przedmiotu. Jednoczęściowy pierścień zewnętrzny dwurzędowego łożyska skośnego zapewnia stałą, znaną odległość między punktami styku dwóch rzędów, tworząc stabilne ramię momentowe, które jest odporne na przechylenie wału pod wpływem wystających obciążeń narzędzia lub mimośrodowych sił przedmiotu obrabianego. Ta odporność na moment przechylający jest jednym z głównych powodów, dla których dwurzędowe łożyska skośne są standardowym wyborem we wrzecionach obrabiarek do toczenia, frezowania i szlifowania ręcznego i CNC.

Ograniczenia prędkości

Maksymalna prędkość robocza dwurzędowego łożyska skośnego jest niższa niż porównywalnego jednorzędowego łożyska skośnego ze względu na większe wytwarzanie ciepła przez dwa rzędy elementów tocznych i wyższe naprężenia wewnętrzne związane z pracą ze wstępnym napięciem. Katalogi łożysk zazwyczaj określają dwa ograniczenia prędkości:

• Ograniczenie prędkości termicznej — prędkość, z jaką wytwarzanie i rozpraszanie ciepła osiąga równowagę w referencyjnych warunkach smarowania; przekroczenie tej granicy powoduje postępujący wzrost temperatury, który powoduje degradację smaru i przyspiesza zużycie łożysk
• Mechaniczne ograniczenie prędkości — prędkość, z jaką siły odśrodkowe koszyka i kulki osiągają granice strukturalne materiału koszyka; zazwyczaj wyższa niż granica termiczna dla większości łożysk smarowanych

Dla typowego dwurzędowego łożyska skośnego o średnicy otworu 70 mm, ograniczenia prędkości w zakresie 5 000 do 12 000 obr./min są powszechne w zależności od serii, materiału klatki, metody smarowania i poziomu napięcia wstępnego. Smarowanie mgłą olejową lub strumieniem zwiększa osiągalne prędkości poza granicę termiczną smarowania smarem.

Łożyska skośne dwurzędowe a alternatywne układy łożysk

Aby zrozumieć, gdzie dwurzędowe łożyska skośne są najodpowiedniejsze, porównanie ich z najpopularniejszymi alternatywami wyjaśnia ich konkretne zalety i ograniczenia.

Podstawowe zastosowania łożysk skośnych dwurzędowych

Specyficzna kombinacja właściwości oferowanych przez dwurzędowe łożyska skośne sprawia, że są one zaprojektowane optymalnie do kilku wymagających zastosowań, w których rozwiązania alternatywne są albo nieodpowiednie, albo mniej wydajne.

Wrzeciona obrabiarek

Wrzeciona obrabiarek — w tokarkach, frezarkach, szlifierkach i centrach obróbkowych — wymagają łożysk, które są jednocześnie bardzo sztywne, bardzo dokładne, zdolne do przenoszenia połączonych promieniowych i osiowych sił skrawania oraz wystarczająco kompaktowe, aby zmieściły się we wkładzie wrzeciona. Łożyska skośne dwurzędowe określone w klasach dokładności ISO P5, P4 lub P2 (odpowiednik ABEC 5, 7 lub 9) osiągają wartości bicia promieniowego tak niskie, jak 1 do 3 mikrometrów w najwyższych klasach precyzji, umożliwiając uzyskanie wykończeń powierzchni i tolerancji wymiarowych obrabianych detali, które nie są możliwe przy mniej dokładnych układach łożyskowych.

Piasty kół samochodowych

W nowoczesnych samochodowych nienapędzanych piastach kół przednich (a w niektórych konstrukcjach także tylnych) zastosowano dwurzędowe łożyska skośne jako centralny element przenoszący obciążenie. Masa pojazdu działa jak duże obciążenie promieniowe, siły pokonujące zakręty dodają dwukierunkową składową osiową, a hamowanie i przyspieszanie tworzą momenty przechylające na piaście koła – kombinacja, która sprawia, że ​​dwurzędowe łożysko skośne jest naturalnym wyborem. Łożyska piast kół do specyfikacji motoryzacyjnych to zazwyczaj uszczelnione na cały okres eksploatacji zespoły ze zintegrowanymi kołnierzami do mocowania koła i tarczy hamulcowej, które nie wymagają regulacji smarowania w terenie przez cały okres użytkowania typowego 150 000 do 250 000 km .

Pompy, sprężarki i wentylatory

Pompy i wentylatory odśrodkowe generują znaczne obciążenia promieniowe od ciężaru wirnika oraz sił hydraulicznych/aerodynamicznych, w połączeniu z obciążeniami osiowymi wynikającymi z różnic ciśnień oraz niewspółosiowości paska lub sprzęgła. Łożyska skośne dwurzędowe w obudowach łożysk tych maszyn skutecznie wytrzymują te połączone obciążenia, zapewniając jednocześnie dokładność ruchu niezbędną do niezawodnego uszczelnienia wału – wymóg krytyczny, ponieważ awarie uszczelnień wału są główną przyczyną przestojów pomp w większości zapisów dotyczących konserwacji zakładów.

Skrzynie biegów i reduktory

W przypadku przekładni stożkowej i śrubowej geometria przekładni generuje jednocześnie siły promieniowe i osiowe na wale. Pojedyncze dwurzędowe łożysko skośne może przenosić te połączone obciążenia na wale przekładni, zastępując to, co w innym przypadku wymagałoby dwóch łożysk jednorzędowych w układzie przęsła. Upraszcza to konstrukcję obudowy skrzyni biegów, zmniejsza liczbę części i skraca czas montażu, a wszystko to przyczynia się do obniżenia kosztów produkcji dla projektanta skrzyni biegów.

Robotyka i precyzyjne złącza obrotowe

Przeguby robotów przemysłowych i precyzyjne stopnie pozycjonowania obrotowego wymagają łożysk o bardzo dużej sztywności, niskim biciem i zdolności do przenoszenia obciążeń momentowych z ramienia wspornikowego i ładunku. Łożyska skośne dwurzędowe o wąskim przekroju — charakteryzujące się bardzo cienkim przekrojem w stosunku do średnicy otworu — są stosowane w przegubach robotów, gdzie każdy milimetr przestrzeni osiowej ma kluczowe znaczenie, a łożysko musi zapewniać pełną nośność konwencjonalnego łożyska o przekroju głębokim w ułamku szerokości osiowej.

Oznaczenie i specyfikacja: Odczytywanie kodów łożysk

Łożyska skośne dwurzędowe są identyfikowane za pomocą znormalizowanych kodów oznaczeniowych, które kodują kluczowe parametry łożyska. Zrozumienie tych kodów umożliwia inżynierom określenie, pobranie i porównanie łożysk pochodzących od różnych producentów.

Typowe oznaczenie dwurzędowego łożyska skośnego ma następującą strukturę:

• Oznaczenie typu — przedrostek lub numer wiodący identyfikujący łożysko jako typ łożyska skośnego dwurzędowego (np. 32, 33, 52, 53 w systemach oznaczeń ISO/DIN, gdzie 52 i 53 oznaczają łożyska skośne dwurzędowe z jednoczęściowym pierścieniem wewnętrznym),
• Kod otworu — dwie cyfry wskazujące średnicę otworu (np. 08 = 40 mm, 10 = 50 mm, 12 = 60 mm w systemie 5× dla kodów otworów 04 i wyższych)
• Seria szerokości — cyfra wskazująca szerokość osiową w stosunku do średnicy otworu
• Kody przyrostków — litery oznaczające kąt zwilżania (A = 30°), poziom napięcia wstępnego (C, CA, CB), klasę dokładności (P5, P4, P2), uszczelnienie (RS, 2RS) i typ koszyka (M = mosiądz, TN = poliamid)

Na przykład oznaczenie łożyska 3206 A-2RS to dwurzędowe łożysko skośne z otworem 30 mm, kątem działania 30° i dwustronnymi uszczelkami gumowymi zapewniającymi retencję smaru i eliminację zanieczyszczeń w zastosowaniach z uszczelnieniem na cały okres eksploatacji.

Zagadnienia dotyczące smarowania, uszczelniania i konserwacji

Prawidłowe smarowanie jest niezbędne do osiągnięcia nominalnej trwałości każdego łożyska tocznego, a dwurzędowe łożyska skośne stawiają szczególne wymagania, różniące się od prostszych typów łożysk.

Smarowanie smarem do zastosowań standardowych

Większość dwurzędowych łożysk skośnych stosowanych w ogólnych zastosowaniach przemysłowych jest smarowana smarem plastycznym. Podczas montażu komora łożyska zostaje wypełniona smarem do ok 30 do 50% wolnej przestrzeni — przepełnienie generuje ciepło w wyniku ubijania i może spowodować przedwczesną awarię łożyska. Do łożysk pracujących przy umiarkowanych prędkościach i temperaturach odpowiedni jest wysokiej jakości smar z kompleksem litowym o konsystencji NLGI 2 i zakresie temperatur od -30°C do 120°C. Do pracy z większymi prędkościami zalecane są smary o niższej lepkości i charakteryzujące się niskimi stratami podczas ubijania.

Smarowanie olejem do zastosowań w obrabiarkach o dużej prędkości

We wrzecionach obrabiarek pracujących w pobliżu lub na granicy prędkości obrotowej łożyska zamiast smaru można zastosować smarowanie mgłą olejową, smarowanie olejowo-powietrzne lub smarowanie strumieniem oleju. Metody te zapewniają ciągłe uzupełnianie smaru i aktywne chłodzenie łożyska, umożliwiając pracę z prędkościami o 20 do 50% wyższymi niż graniczna prędkość termiczna smarowania smarem. Lepkość smaru dobierana jest na podstawie parametru prędkości roboczej łożyska (n·dm, gdzie n to prędkość w obr./min, a dm to średnia średnica łożyska w mm), przy czym przy wyższych parametrach prędkości stosuje się oleje o niższej lepkości.

Łożyska uszczelnione a otwarte

Łożyska skośne dwurzędowe są dostępne w konfiguracjach otwartych (nieekranowanych), ekranowanych (metalowe osłony, oznaczenie 2Z) i uszczelnionych (gumowe uszczelki, oznaczenie 2RS). Łożyska uszczelnione są wstępnie napełnione smarem na cały okres eksploatacji i nie wymagają ponownego smarowania — są standardowym wyborem w przypadku piast kół samochodowych oraz do zastosowań przemysłowych w zanieczyszczonym środowisku, gdzie wymiana łożysk jest bardziej praktyczna niż okresowe smarowanie. Łożyska otwarte są stosowane we wrzecionach obrabiarek i innych zastosowaniach precyzyjnych, gdzie układ smarowania stanowi część konstrukcji maszyny, a zanieczyszczenie jest kontrolowane w inny sposób (uszczelnienia labiryntowe, dodatnie ciśnienie powietrza).