Čo je to dvojradové ložisko s kosouhlým stykom?

A dvojradové ložisko s kosouhlým stykom je valivé ložisko, ktoré obsahuje dva rady guľôčok usporiadaných vedľa seba v rámci jedného vonkajšieho krúžku, pričom oba rady sú v kontakte so svojimi obežnými dráhami pod definovaným kontaktným uhlom – zvyčajne 25° alebo 30° —skôr než 90° k osi ložiska. Táto geometria s kosouhlým stykom umožňuje ložisku súčasne prenášať radiálne zaťaženie (kolmo na hriadeľ) a axiálne zaťaženie (pozdĺž osi hriadeľa) v oboch smeroch, pričom dvojradové usporiadanie poskytuje výrazne vyššiu nosnosť a väčšiu tuhosť voči klopným momentom ako jednoradové kosoštvorcové ložisko s rovnakým vonkajším priemerom.

Z praktického technického hľadiska nahrádza dvojradové ložisko s kosouhlým stykom to, čo by si inak vyžadovalo dve samostatné jednoradové ložiská s kosouhlým stykom namontované čelne k sebe alebo chrbtom k sebe, a to v užšom axiálnom priestore a bez potreby zodpovedajúceho predpätia počas montáže. To z neho robí vysoko efektívne ložiskové riešenie pre aplikácie, ktoré kombinujú ťažké kombinované zaťaženie s priestorovými obmedzeniami – najmä vretená obrábacích strojov, náboje automobilových kolies, prevodovky a čerpadlá.

Princíp uhlového kontaktu: Prečo je uhol kontaktu dôležitý

Charakteristickým znakom každého ložiska s kosouhlým stykom – jednoradového alebo dvojradového – je kontaktný uhol: uhol medzi čiarou spájajúcou body dotyku guľôčky s vnútornými a vonkajšími obežnými dráhami a rovinou kolmou na os ložiska. V guľôčkovom ložisku s hlbokou drážkou je tento uhol skutočne nulový v podmienkach bez zaťaženia; v ložisku s kosouhlým stykom je to navrhnutá, pevná geometria.

Ako kontaktný uhol ovplyvňuje nosnosť

Kontaktný uhol určuje pomer axiálnej a radiálnej únosnosti. Väčší kontaktný uhol zvyšuje axiálnu nosnosť v porovnaní s radiálnou nosnosťou; menší kontaktný uhol robí opak. Vzťah je približne lineárny v rámci praktického rozsahu kontaktných uhlov používaných v komerčných ložiskách:

• Kontaktný uhol 15° — relatívne vysoká radiálna kapacita, stredná axiálna kapacita; používa sa tam, kde dominuje radiálne zaťaženie a je potrebná určitá podpora axiálneho zaťaženia
• Kontaktný uhol 25° — vyvážená radiálna a axiálna kapacita; najbežnejší uhol v dvojradových ložiskách s kosouhlým stykom pre všeobecné aplikácie obrábacích strojov a čerpadiel
• 30° kontaktný uhol — vyššia axiálna únosnosť; používa sa v aplikáciách s významnými trvalými axiálnymi silami, ako sú niektoré usporiadania prevodoviek a kompresorov
• Kontaktný uhol 40° alebo 45° — veľmi vysoká axiálna kapacita; nachádza sa v špecializovaných aplikáciách s dominantným ťahom; menej bežné v dvojradovej konfigurácii

Účinok indukovaného axiálneho zaťaženia

Jednoradové ložisko s kosouhlým stykom zaťažené radiálne generuje zložku vnútornej axiálnej sily ako dôsledok svojho kontaktného uhla – toto je indukované axiálne zaťaženie. Keď sú dve jednoradové ložiská s kosouhlým stykom spárované, sú usporiadané tak, že ich indukované axiálne zaťaženia sú proti sebe a rušia sa. V dvojradovom ložisku s kosouhlým stykom je táto rovnováha dosiahnutá vnútorne v rámci jednej ložiskovej jednotky, pretože dva rady majú svoje kontaktné uhly opačné: jeden rad prenáša axiálnu silu v jednom smere, druhý rad prenáša axiálnu silu v opačnom smere. Výsledkom je ložisko, ktoré je prirodzene vyvážené pre obojsmerné axiálne zaťaženie bez akéhokoľvek špeciálneho montážneho usporiadania.

Štruktúra a vnútorná geometria dvojradového ložiska s kosouhlým stykom

Pochopenie vnútornej konštrukcie dvojradového ložiska s kosouhlým stykom vysvetľuje jeho výkonnostné výhody a špecifické prevádzkové požiadavky.

Vonkajší prstenec

Vonkajší krúžok je jednodielny komponent s dvomi drážkami obežnej dráhy opracovanými na presné zakrivenie potrebné pre špecifikovanú veľkosť gule a kontaktný uhol. Jednodielna konštrukcia zaisťuje dokonalú sústrednosť medzi dvoma obežnými dráhami a poskytuje štrukturálnu tuhosť, ktorá dáva dvojradovému ložisku odolnosť voči klopnému momentu – táto schopnosť chýba v párových jednoradových usporiadaniach, kde sú dva krúžky nezávislými komponentmi.

Vnútorný krúžok: Jeden kus alebo rozdelený

Vnútorný krúžok dvojradového ložiska s kosouhlým stykom môže byť jednodielnej alebo delenej (dvojdielnej) konštrukcie. Jednodielny vnútorný krúžok poskytuje maximálnu tuhosť a používa sa vo väčšine štandardných dvojradových prevedení. Delený vnútorný krúžok – v ktorom sa vnútorný krúžok skladá z dvoch polovíc, ktoré je možné oddeliť – umožňuje zostavenie väčších guľových doplnkov, čím sa zvyšuje nosnosť; delený spoj však predstavuje potenciálny zdroj koncentrácie napätia a obmedzuje maximálnu rýchlosť, pri ktorej môže ložisko spoľahlivo fungovať.

Doplnok lopty a klietka

Každý rad dvojradového ložiska s kosouhlým stykom obsahuje plný počet guľôčok - maximálny počet guľôčok, ktoré je možné umiestniť pri zachovaní potrebnej minimálnej vzdialenosti medzi susednými guľôčkami. Klietka (držiak) udržuje rovnomerné rozostupy guľôčok v každom rade, zabraňuje kontaktu guľôčky s guľôčkou a vedie guľôčky cez nezaťaženú zónu, keď sa ložisko otáča. Klietky pre dvojradové ložiská s kosouhlým stykom sa zvyčajne vyrábajú z lisovanej ocele, polyamidu (nylonu) alebo opracovanej mosadze v závislosti od prevádzkovej rýchlosti, teploty a podmienok mazania.

Predpätie

Dvojradové ložiská s kosouhlým stykom sú vyrábané s definovaným vnútorným predpätím – predbežné stlačenie aplikované na guľôčky medzi obežnými dráhami vnútorného a vonkajšieho krúžku počas výroby, predtým, ako sa aplikuje akékoľvek vonkajšie zaťaženie. Toto predpätie eliminuje vnútornú vôľu, zvyšuje tuhosť ložísk a výrazne zlepšuje presnosť chodu. Predpätie je špecifikované ako ľahké (C), stredné (CA) alebo ťažké (CB) a je kritickým parametrom pre aplikácie vretena obrábacích strojov, kde sa vyžaduje presnosť hádzania submikrometrov. Ložisko s nadmerným predpätím sa prehreje a predčasne zlyhá; nedostatočné predpätie spôsobuje vibrácie a zníženú presnosť pri zaťažení.

Výkonnostné charakteristiky: Nosnosť, tuhosť a rýchlosť

Výkonové charakteristiky dvojradových ložísk s kosouhlým stykom sú určené ich geometriou, rozmermi a materiálom a kvalitou ich komponentov. Nasledujúce kvantitatívne vzťahy sú kľúčové pre pochopenie, kedy a prečo špecifikovať tento typ ložiska.

Dynamická a statická nosnosť

Dynamická zaťažiteľnosť (C) dvojradového ložiska s kosouhlým stykom – zaťaženie, pri ktorom má ložisko teoretickú životnosť jeden milión otáčok – je približne 1,6 až 1,8 krát dynamické zaťaženie porovnateľného jednoradového ložiska s kosouhlým stykom rovnakého priemeru otvoru a série. Toto zvýšenie odráža ďalší rad loptičiek zdieľajúci aplikovanú záťaž. Statická únosnosť (C₀), ktorá definuje maximálne zaťaženie, pri ktorom môže ložisko vydržať bez spôsobenia trvalej deformácie obežných dráh alebo guľôčok, vykazuje podobný proporcionálny nárast oproti jednoradovým ekvivalentom.

Kapacita tuhosti a momentu naklonenia

Tuhosť ložísk – odolnosť voči elastickému vychýleniu pri zaťažení – je kritickým parametrom vo vretenách obrábacích strojov, kde sa vychýlenie priamo premieta do rozmerovej chyby v obrábanom obrobku. Jednodielny vonkajší krúžok dvojradového ložiska s kosouhlým stykom poskytuje pevnú známu vzdialenosť medzi kontaktnými bodmi dvoch radov, čím vytvára stabilné momentové rameno, ktoré odoláva nakláňaniu hriadeľa pri previsnutých zaťaženiach nástroja alebo excentrických silám obrobku. Táto odolnosť voči klopnému momentu je jedným z hlavných dôvodov, prečo sú dvojradové ložiská s kosouhlým stykom štandardnou voľbou vo vretenách obrábacích strojov pre manuálne aj CNC sústružnícke, frézovacie a brúsne zariadenia.

Obmedzenia rýchlosti

Maximálna prevádzková rýchlosť dvojradového ložiska s kosouhlým stykom je nižšia ako u porovnateľného jednoradového ložiska s kosouhlým stykom v dôsledku väčšieho vývinu tepla z dvoch radov valivých telies a vyšších vnútorných napätí spojených s prevádzkou s predpätím. Katalógy ložísk zvyčajne uvádzajú dva rýchlostné limity:

• Tepelné obmedzenie rýchlosti — rýchlosť, pri ktorej generovanie a rozptyl tepla dosiahnu rovnováhu za referenčných podmienok mazania; prekročenie tohto limitu spôsobuje progresívny nárast teploty, ktorý degraduje mazivo a urýchľuje opotrebovanie ložísk
• Mechanické obmedzenie rýchlosti — rýchlosť, pri ktorej odstredivé sily klietky a gule dosiahnu konštrukčné limity materiálu klietky; zvyčajne vyššia ako tepelný limit pre väčšinu mazaných ložísk

Pre typické dvojradové ložisko s kosouhlým stykom s priemerom otvoru 70 mm, rýchlostné limity v rozsahu 5 000 až 12 000 otáčok za minútu sú bežné v závislosti od série, materiálu klietky, spôsobu mazania a úrovne predpätia. Olejová hmla alebo mazanie prúdom predlžujú dosiahnuteľné rýchlosti nad tepelný limit mazaný mazivom.

Dvojradové ložiská s kosouhlým stykom vs. alternatívne usporiadania ložísk

Aby sme pochopili, kde sú dvojradové ložiská s kosouhlým stykom najvhodnejšie, ich porovnanie s najbežnejšími alternatívami objasňuje ich špecifické výhody a obmedzenia.

Primárne aplikácie dvojradových ložísk s kosouhlým stykom

Špecifická kombinácia vlastností, ktoré ponúkajú dvojradové ložiská s kosouhlým stykom, z nich robí skonštruované optimum pre niekoľko náročných aplikácií, kde sú alternatívy buď nedostatočné alebo menej účinné.

Vretená obrábacích strojov

Vretená obrábacích strojov – v sústruhoch, frézkach, brúskach a obrábacích centrách – vyžadujú ložiská, ktoré sú súčasne veľmi tuhé, veľmi presné, schopné niesť kombinované radiálne a axiálne rezné sily a sú dostatočne kompaktné, aby sa zmestili do kazety vretena. Dvojradové ložiská s kosouhlým stykom, špecifikované v triedach presnosti ISO P5, P4 alebo P2 (ekvivalent ABEC 5, 7 alebo 9), dosahujú hodnoty radiálneho hádzania tak nízke ako 1 až 3 mikrometre v najvyšších triedach presnosti, umožňujúce povrchové úpravy a rozmerové tolerancie v opracovaných obrobkoch, ktoré nie sú možné pri uložení s nižšou presnosťou.

Automobilové náboje kolies

Moderné automobilové nepoháňané zostavy nábojov predných kolies (av niektorých konštrukciách zostavy zadných kolies) používajú ako centrálny nosný prvok dvojradové ložiská s kosouhlým stykom. Hmotnosť vozidla pôsobí ako veľké radiálne zaťaženie, sily v zákrutách pridávajú obojsmernú axiálnu zložku a brzdenie a zrýchlenie vytvárajú klopné momenty v náboji kolesa – kombinácia, vďaka ktorej je dvojradové uhlové ložisko prirodzenou voľbou. Ložiská nábojov kolies automobilovej špecifikácie sú zvyčajne utesnené jednotky na celú dobu životnosti s integrovanými prírubami na pripevnenie kolesa a brzdového kotúča, ktoré nevyžadujú žiadne nastavovanie mazania v teréne počas celej svojej životnosti. 150 000 až 250 000 km .

Čerpadlá, kompresory a ventilátory

Odstredivé čerpadlá a ventilátory generujú významné radiálne zaťaženie z hmotnosti obežného kolesa a hydraulických/aerodynamických síl v kombinácii s axiálnym zaťažením z tlakových rozdielov a nesúosovosti remeňa alebo spojky. Dvojradové ložiská s kosouhlým stykom v ložiskových skriniach týchto strojov zvládajú tieto kombinované zaťaženia efektívne a zároveň poskytujú presnosť chodu potrebnú na spoľahlivé tesnenie hriadeľa – kritická požiadavka, pretože poruchy tesnenia hriadeľa sú hlavnou príčinou prestojov čerpadla vo väčšine záznamov o údržbe závodu.

Prevodovky a redukcie

V stupňoch kužeľového a špirálového ozubenia generuje geometria ozubenia súčasne radiálne aj axiálne sily na hriadeli. Jediné dvojradové ložisko s kosouhlým stykom môže prenášať tieto kombinované zaťaženia na hriadeli prevodovky, čím nahrádza to, čo by inak vyžadovalo dve jednoradové ložiská v usporiadaní rozpätia. To zjednodušuje konštrukciu skrine prevodovky, znižuje počet dielov a skracuje čas montáže – to všetko prispieva k zníženiu výrobných nákladov pre konštruktéra prevodovky.

Robotika a presné rotačné spoje

Kĺby priemyselných robotov a presné rotačné polohovacie stupne vyžadujú ložiská s veľmi vysokou tuhosťou, nízkym hádzaním a schopnosťou prenášať momentové zaťaženie z konzolového ramena a užitočného zaťaženia. Dvojradové ložiská s kosouhlým stykom s tenkým prierezom – vyznačujúce sa veľmi tenkým prierezom vzhľadom na priemer otvoru – sa používajú v robotických spojoch, kde je kritický každý milimeter axiálneho priestoru a ložisko musí poskytovať plnú nosnosť konvenčného ložiska s hlbokým prierezom v rámci zlomku axiálnej šírky.

Označenie a špecifikácia: Čítanie kódov ložísk

Dvojradové ložiská s kosouhlým stykom sú označené štandardizovanými kódmi označenia, ktoré kódujú kľúčové parametre ložiska. Pochopenie týchto kódov umožňuje inžinierom špecifikovať, získavať a porovnávať ložiská od rôznych výrobcov.

Typické označenie dvojradového ložiska s kosouhlým stykom má túto štruktúru:

• Typové označenie — predpona alebo hlavné číslo označujúce ložisko ako dvojradový typ s uhlovým stykom (napr. 32, 33, 52, 53 v systémoch označovania ISO/DIN, kde 52 a 53 označujú dvojradové ložiská s kosouhlým stykom s jednodielnym vnútorným krúžkom)
• Kód vŕtania — dve číslice označujúce priemer otvoru (napr. 08 = 40 mm, 10 = 50 mm, 12 = 60 mm v systéme 5× pre kódy otvoru 04 a vyššie)
• Šírka série — číslica označujúca axiálnu šírku vo vzťahu k priemeru otvoru
• Príponové kódy — písmená označujúce kontaktný uhol (A = 30°), úroveň predpätia (C, CA, CB), triedu presnosti (P5, P4, P2), tesnenie (RS, 2RS) a typ klietky (M = mosadz, TN = polyamid)

Napríklad ložisko určené 3206 A-2RS je dvojradové ložisko s kosouhlým stykom s dierou 30 mm, kontaktným uhlom 30° a obojstrannými gumovými tesneniami na zadržiavanie mastnoty a vylúčenie nečistôt v aplikáciách s utesnením na celú dobu životnosti.

Úvahy o mazaní, tesnení a údržbe

Správne mazanie je nevyhnutné na dosiahnutie menovitej životnosti akéhokoľvek valivého ložiska a dvojradové ložiská s kosouhlým stykom predstavujú špecifické požiadavky, ktoré sa líšia od jednoduchších typov ložísk.

Mazací tuk pre štandardné aplikácie

Väčšina dvojradových ložísk s kosouhlým stykom vo všeobecných priemyselných aplikáciách je mazaná mazivom. Dutina ložiska sa pri montáži naplní mazivom na približne 30 až 50 % objemu voľného miesta —preplnenie vytvára teplo z vírenia a môže spôsobiť predčasné zlyhanie ložísk. Pre ložiská pracujúce pri stredných otáčkach a teplotách je vhodné vysokokvalitné mazivo na báze lítiového komplexu s konzistenciou NLGI 2 a teplotným rozsahom -30°C až 120°C. Pre vyššiu rýchlosť prevádzky sú špecifikované mazivá s nižšou viskozitou a nízkymi stratami vírením.

Olejové mazanie pre aplikácie vysokorýchlostných obrábacích strojov

Vo vretenách obrábacích strojov pracujúcich blízko alebo na hranici otáčok ložiska sa môže namiesto maziva použiť mazanie olejovou hmlou, mazanie olej-vzduch alebo mazanie olejovým lúčom. Tieto metódy poskytujú nepretržité dopĺňanie maziva a aktívne chladenie ložiska, čo umožňuje prevádzku pri rýchlostiach o 20 až 50 % vyšších, než je tepelný limit otáčok mazaných mazivom. Viskozita maziva sa volí na základe parametra prevádzkových otáčok ložiska (n·dm, kde n sú otáčky v otáčkach za minútu a dm je stredný priemer ložiska v mm), pričom pri vyšších rýchlostných parametroch sa používajú oleje s nižšou viskozitou.

Utesnené vs. otvorené ložiská

Dvojradové ložiská s kosouhlým stykom sú dostupné v otvorenej (netienenej), tienenej (kovové štíty, označenie 2Z) a utesnenej (gumené tesnenia, označenie 2RS). Utesnené ložiská sú vopred naplnené mazivom na celú dobu životnosti a nevyžadujú žiadne opätovné mazanie – sú štandardnou voľbou pre náboje automobilových kolies a pre priemyselné aplikácie v kontaminovanom prostredí, kde je výmena ložísk praktickejšia ako pravidelné mazanie. Otvorené ložiská sa používajú vo vretenách obrábacích strojov a iných presných aplikáciách, kde je mazací systém súčasťou konštrukcie stroja a kontaminácia je kontrolovaná inými prostriedkami (labyrintové tesnenia, pretlak vzduchu).