Čo je to uhlové kontaktné ložisko a ako to funguje?

Čo je to uhlové kontaktné ložisko

Ložisko s kosouhlým stykom je typ guľôčkového alebo valčekového ložiska navrhnutého s obežnými dráhami umiestnenými pod uhlom posunutia k osi ložiska, čo mu umožňuje podporovať kombinované radiálne a axiálne (ťahové) zaťaženia súčasne namiesto manipulácie iba s jedným typom bremena ako štandardné ložisko s hlbokou drážkou. Tento posun, nazývaný kontaktný uhol, sa zvyčajne pohybuje od 15° do 40° a určuje, aké veľké axiálne zaťaženie môže ložisko niesť vzhľadom na radiálne zaťaženie.

Guličkové ložiská s kosouhlým stykom špecificky používajú guľôčky ako valivý prvok a sú najbežnejšou formou tohto typu ložísk, ktoré sa široko používajú vo vretenách obrábacích strojov, čerpadlách a prevodovkách, kde hriadele pôsobia na hriadele tlačnými silami zo záberu ozubených kolies alebo tlaku kvapaliny popri normálnom radiálnom zaťažení. Ložisko s a 40° kontaktný uhol dokáže vydržať zhruba dvojnásobné axiálne zaťaženie ako jeden s uhlom 15° pri rovnakej veľkosti ložiska, a preto je výber správneho kontaktného uhla prvým rozhodnutím v akejkoľvek aplikácii.

Ako fungujú guľkové ložiská s kosouhlým stykom

Vo vnútri štandardného ložiska s hlbokou drážkou sú vnútorné a vonkajšie obežné dráhy zarovnané tak, že kontakt medzi guľôčkou a obežnou dráhou prebieha priamo cez radiálnu rovinu. V ložisku s kosouhlým stykom sú obežné dráhy brúsené asymetricky, takže čiara spájajúca kontaktné body na vnútorných a vonkajších krúžkoch zviera uhol vzhľadom na radiálnu rovinu ložiska.

Prečo uhol umožňuje ťahovú kapacitu

Pretože dráha zaťaženia prebieha diagonálne cez guľôčku a nie priamo cez ňu, časť akéhokoľvek radiálneho zaťaženia sa premení na zložku axiálnej sily a naopak ložisko môže odolávať axiálnym zaťaženiam, ktoré tlačia hriadeľ v jednom smere. To je dôvod, prečo sa ložiská s kosouhlým stykom takmer vždy montujú v pároch alebo súpravách, pretože jedno ložisko odoláva ťahu iba v jednom axiálnom smere.

Obmedzenie jednosmerného ťahu

Jediné ložisko s kosouhlým stykom môže niesť len axiálne zaťaženie, ktoré tlačí hriadeľ smerom k strane, kde sa kontaktný uhol "otvára." Spätný ťah nebude podporovaný, čo je hlavný dôvod, prečo sú tieto ložiská v skutočných zostavách zvyčajne párované chrbtom k sebe alebo tvárou v tvár.

Triedy kontaktného uhla a ich nosnosť

Výrobcovia vyrábajú guľkové ložiská s kosouhlým stykom v niekoľkých štandardizovaných triedach kontaktného uhla, z ktorých každá je vhodná pre inú rovnováhu rýchlosti a axiálnej nosnosti.

Vo všeobecnosti platí, nižšie kontaktné uhly podporujú vyššie rýchlosti pretože menšia kontaktná sila lopty smeruje axiálne, čím sa znižuje tvorba tepla, zatiaľ čo vyššie kontaktné uhly vymieňajú určitú rýchlosť za väčšiu podporu ťahového zaťaženia.

Konfigurácie ložísk a montážne usporiadanie

Pretože jediné ložisko s kosouhlým stykom zvláda iba jednosmerný ťah, výrobcovia ich dodávajú vo vopred prispôsobených súpravách brúsených tak, aby spolu pasovali so správnou vnútornou vôľou. Zvolená konfigurácia ovplyvňuje tuhosť, toleranciu vychýlenia a ktoré smery zaťaženia sú podporované.

Usporiadania back-to-back (DB) sú vo všeobecnosti preferované pre vretená obrábacích strojov, pretože širšia efektívna stredová vzdialenosť medzi dvoma ložiskami poskytuje výrazne vyššia odolnosť voči nakláňaniu hriadeľa pri momentovom zaťažení v porovnaní s nastavením tvárou v tvár.

Ložiská s kosouhlým stykom a iné typy ložísk

Inžinieri často porovnávajú guľkové ložiská s kosouhlým stykom s guľkovými ložiskami s hlbokými drážkami a kuželíkovými ložiskami, keď hriadeľ musí zvládnuť radiálne aj axiálne zaťaženie.

Guľôčkové ložiská s kosouhlým stykom stoja v praktickom strede: tolerujú rýchlosti asi o 20-30% vyššie než kuželíkové ložiská porovnateľnej veľkosti vďaka nižšiemu valivému treniu, pričom stále zvládajú zmysluplné axiálne zaťaženie, ktoré ložiská s hlbokými drážkami nedokážu spoľahlivo zvládnuť.

Bežné aplikácie guľkových ložísk s kosouhlým stykom

Kombinácia radiálnej a prítlačnej kapacity s dobrým výkonom pri vysokých rýchlostiach robí z ložísk s kosouhlým stykom štandardnú voľbu v niekoľkých odvetviach.

• Vretená obrábacích strojov – 15° ložiská s kontaktným uhlom v pároch chrbtom k sebe podporujú rezné sily pri zachovaní presnosti otáčania potrebnej na submikrónovú presnosť
• Automobilové náboje predných kolies – ložiská so 40° kontaktným uhlom zvládajú ťahové zaťaženie v zákrutách popri hmotnosti vozidla
• Odstredivé čerpadlá a kompresory – 25-30° ložiská riadia axiálny ťah generovaný tlakovými rozdielmi obežného kolesa
• Prevodovky so šikmým alebo kužeľovým ozubením – sady uhlových kontaktov absorbujú vlastný axiálny ťah, ktorý tieto typy ozubených kolies vytvárajú počas záberu
• Kĺby robotických ramien a otočné stoly – spárované ložiská poskytujú tuhosť potrebnú na to, aby odolali klopným momentom v kĺbe

Predpätie a výber triedy presnosti

Dve ďalšie špecifikácie určujú, ako bude ložisko s kosouhlým stykom fungovať po inštalácii: úroveň predpätia a trieda presnosti.

Predpätie

Použitie malého, riadeného vnútorného zaťaženia (predpätia) pri montáži páru ložísk odstraňuje vnútornú vôľu a zlepšuje presnosť otáčania. Ľahké predpätie vyhovuje vysokorýchlostným vretenovým aplikáciám, zatiaľ čo veľké predpätie sa používa tam, kde záleží na maximálnej tuhosti viac ako pri najvyšších otáčkach, ako napríklad pri vretenách brúsok.

Trieda presnosti

Ložiská sú klasifikované podľa noriem ISO alebo ABEC, s ABEC 7 alebo ABEC 9 (ISO P4/P2) triedy vyhradené pre vysoko presnú prácu s vretenom, zatiaľ čo štandardné ložiská ABEC 1 (ISO P0) postačujú pre všeobecné priemyselné prevodovky a čerpadlá, kde sa nevyžaduje extrémna presnosť otáčania.

Najlepšie postupy inštalácie a údržby

Pretože sady párovaných ložísk sú brúsené ako pár, nesprávna manipulácia počas inštalácie je jednou z najčastejších príčin predčasného zlyhania.

1. Nikdy nemiešajte ložiská z rôznych párovaných súprav, pretože vnútorná vôľa je brúsená špeciálne pre tento pár
2. Pred inštaláciou si overte správnu orientáciu (často šípka alebo písmeno na vonkajšom krúžku), pretože obrátenie ložiska v súprave chrbtom k sebe ho zmení na neúmyselné usporiadanie tvárou v tvár.
3. Aplikujte montážnu silu rovnomerne na plochu vnútorného krúžku pomocou objímky alebo lisu, nikdy neklepajte priamo na guľôčky alebo klietku
4. Overte, či tolerancie hriadeľa a puzdra zodpovedajú odporúčaniam výrobcu ložiska, pretože príliš veľký otvor v puzdre môže znížiť zamýšľané predpätie
5. Premazávajte v intervaloch stanovených výrobcom; vysokorýchlostné ložiská vretena často vyžadujú systémy olej-vzduch alebo mazivo na celý život namiesto pravidelného manuálneho mazania

Údaje z terénu od výrobcov ložísk to neustále ukazujú nesprávne nastavenie predpätia má na svedomí veľký podiel skorých porúch ložísk vretena , viac než chyby materiálu alebo bežné opotrebenie, a preto sú montážne postupy riadené krútiacim momentom dôležité rovnako ako samotný výber ložiska.

Ako si vybrať správne uhlové kontaktné ložisko

Výber správneho ložiska závisí od prispôsobenia kontaktného uhla, konfigurácie a triedy presnosti skutočnému profilu zaťaženia a rýchlosti aplikácie.

• Vypočítajte očakávaný pomer axiálneho a radiálneho zaťaženia; pomery nad 0,5 vo všeobecnosti vyžadujú kontaktný uhol 30-40° a nie 15°
• Vyberte si montáž chrbtom k sebe (DB), keď najviac záleží na odolnosti voči momentovému zaťaženiu a tuhosti, a montáž tvárou k sebe (DF), keď sa očakáva určité vychýlenie hriadeľa
• Prispôsobte triedu presnosti požiadavkám presnosti aplikácie a nie predvolenú najvyššiu dostupnú triedu, pretože zbytočne prísna presnosť zvyšuje značné náklady bez funkčných výhod pri všeobecnom priemyselnom použití
• Potvrďte, že menovité otáčky ložiska (často vyjadrené ako hodnota dn, priemer otvoru krát otáčky za minútu) pohodlne presahujú prevádzkovú rýchlosť aplikácie
• Spolupracujte s dodávateľom, ktorý poskytuje dokumentáciu zhodnej súpravy a jasné orientačné značenie, pretože neoznačené alebo nezhodné ložiská sa v teréne ťažko montujú

Získaním týchto výberov priamo vo fáze návrhu sa vyhnete oveľa drahšiemu problému diagnostiky predčasného zlyhania ložísk po tom, čo je stroj už v prevádzke.