Podstawy Projektowania InżynierskiegoPodstawy Projektowania InżynierskiegoŁożyska toczneŁożyska toczne

Prowadzący:Prowadzący: dr inż. Piotr Chwastyk dr inż. Piotr Chwastyke-mail: chwastyk@po.opole.ple-mail: chwastyk@po.opole.pl

www.chwastyk.po.opole.plwww.chwastyk.po.opole.pl

P o l i t e c h n i k a O p o l s k aP o l i t e c h n i k a O p o l s k aWydział Zarządzania i Inżynierii ProdukcjiWydział Zarządzania i Inżynierii Produkcji

Instytut Inżynierii ProdukcjiInstytut Inżynierii Produkcji

Łożyska – nr 2

ŁożyskaŁożyska

dr inż. Piotr Chwastyk

Definicja łożyskDefinicja łożysk

Aby zapewnić prawidłową pracę elementu, jakim jest wał, należy zachować stałe położenie osi jego obrotu względem nieruchomej podstawy. Zadanie to spełniają łożyskałożyska, a ustalenie położenia osi i wałów względem korpusów nazywa się łożyskowaniemłożyskowaniem.

ŁożyskoŁożysko - 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.

Łożyska – nr 3

ŁożyskaŁożyska

dr inż. Piotr Chwastyk

Łożyska toczneŁożyska toczne

Łożysko toczneŁożysko 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.

Łożyska – nr 4

ŁożyskaŁożyska

dr inż. Piotr Chwastyk

Podział łożysk tocznychPodział łożysk tocznychŁożyska 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 nazywane igiełkami.

Łożyska – nr 5

ŁożyskaŁożyska

dr inż. Piotr Chwastyk

Podział łożysk tocznychPodział łożysk tocznychPodział łożysk tocznych ze względu na główne cechy konstrukcyjne

1. 1. KULKOWEKULKOWE• 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).

2.2. WALCOWEWALCOWE• poprzeczne jednorzędowe e, f (serie: 2, 3, 4, 10, 22, 23);• poprzeczne dwurzędowe;• wzdłużne jednokierunkowe;• wzdłużne dwukierunkowe.

3. IGIEŁKOWE3. IGIEŁKOWE• poprzeczne jednorzędowe g;• poprzeczne dwurzędowe;• wzdłużne.

4. STOŻKOWE4. STOŻKOWE• poprzeczne jednokierunkowe;• poprzeczne dwukierunkowe h.

5. BARYŁKOWE5. BARYŁKOWE• poprzeczne i;• wzdłużne l.

Łożyska – nr 6

ŁożyskaŁożyska

dr inż. Piotr Chwastyk

Podstawowe wymiary łożysk tocznychPodstawowe wymiary łożysk tocznych

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

Łożyska – nr 7

ŁożyskaŁożyska

dr inż. Piotr Chwastyk

Oznaczenia łożysk tocznychOznaczenia łożysk tocznychŁożyska 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.

Łożyska – nr 8

ŁożyskaŁożyska

dr inż. Piotr Chwastyk

Oznaczenia łożysk tocznychOznaczenia łożysk tocznychOdmiany łożysk

Odmiana średnicowa

789012345

szczególnie lekka

bardzo lekkalżejszalekkaśredniaciężka bardzo ciężka

Odmiana szerokości

80123456

bardzo wąskawąskanormalnaszeroka

bardzo szeroka

Łożyska – nr 9

ŁożyskaŁożyska

dr inż. Piotr Chwastyk

Dobór łożysk tocznychDobór łożysk tocznych

Zasady doboru łożysk tocznych, rodzaje łożysk, materiały z których są wykonane, znajdują się w katalogu łożysk tocznych.

Czynniki decydujące o doborze łożyska:1. 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).

2. Druga grupa to czynniki decydujące o wymiarach łożyska (wartość obciążenia przy którym łożysko przepracuje określony czas bez zniszczenia oraz maksymalna prędkość obrotowa ngr).

Łożyska – nr 10

ŁożyskaŁożyska

dr inż. Piotr Chwastyk

Dobór łożysk tocznychDobór łożysk tocznychObciążenie 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.

Łożyska – nr 11

ŁożyskaŁożyska

dr inż. Piotr Chwastyk

Dobór łożysk tocznychDobór łożysk tocznych

p

FCL

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:

p

h FC

nnLL

16600

60106

Łożyska – nr 12

ŁożyskaŁożyska

dr inż. Piotr Chwastyk

Dobór łożysk tocznych przy obciążeniu zastępczymDobór łożysk tocznych przy obciążeniu zastępczym

W rzeczywistości łożyska obciążone są siłą wzdłużną Fa i poprzeczną Fr. powoduje to konieczność wyznaczenia obciążenia zastępczego, którego wartość będzie podstawą do doboru łożyska wg poniższych zasad:

Fz = X Fr + Y Fagdzie: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

Łożyska – nr 13

ŁożyskaŁożyska

dr inż. Piotr Chwastyk

Dobór łożysk tocznych przy obciążeniu zastępczymDobór łożysk tocznych przy obciążeniu zastępczymW 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.

Łożyska – nr 14

ŁożyskaŁożyska

dr inż. Piotr Chwastyk

Dobór łożysk tocznych przy obciążeniu zastępczymDobór łożysk tocznych przy obciążeniu zastępczymDla łożysk pracujących powyżej 120oC przyjmuje się obniżoną wartość nośności C.

Ct = C ft C – nośność ruchowa;ft – współczynnik temperatur.

Dla 150oC ft = 0,98Dla 200oC ft = 0,9Dla 250oC ft = 0,75Dla 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 Co zależy 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 FaFo – obciążenie zastępcze spoczynkowe;Fr,Fa – składowe obciążeń;Xo,Yo – współczynnik obciążeń.Dla łożysk kulkowych zwykłych: Xo = 0,6; Yo = 0,5.

Łożyska – nr 15

ŁożyskaŁożyska

dr inż. Piotr Chwastyk

Węzły łożyskoweWęzły łożyskoweOsadzanie 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.

Łożyska – nr 16

ŁożyskaŁożyska

dr inż. Piotr Chwastyk

Pasowanie pierścieni łożyskowych i oprawyPasowanie 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.

Łożyska – nr 17

ŁożyskaŁożyska

dr inż. Piotr Chwastyk

Smarowanie łożysk tocznychSmarowanie 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.

Łożyska – nr 18

ŁożyskaŁożyska

dr inż. Piotr Chwastyk

Smarowanie łożysk tocznychSmarowanie łożysk tocznychNajlepsze jest smarowanie olejowe. Mankamentem smarowania jest konieczność stosowania złożonych uszczelnień, niebezpieczeństwo zaburzeń w pracy układu.

Rodzaje smarowana: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 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.

Łożyska – nr 19

ŁożyskaŁożyska

dr inż. Piotr Chwastyk

Uszczelnianie węzłów łożyskowychUszczelnianie węzłów łożyskowychEfekt 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.