Co to są łożyska? Rodzaje łożysk i ich zastosowanie

Z pewnością nie raz zastanawialiście się, jak to się dzieje, że koła w rowerze kręcą się tak płynnie, że wentylator w komputerze działa tak cicho, a fotel w samochodzie można bez trudu regulować… Każdy taki ruch zawdzięczamy łożyskom. W tym artykule poznajcie rodzaje łożysk i zasadę ich działania, a także przykłady ich zastosowań.

Z ruchem obrotowym, choć często nie zdajemy sobie z tego sprawy, stykamy się na co dzień. Wiele sprzętów, maszyn i urządzeń, których używamy każdego dnia, nie funkcjonowałoby bez ruchu obrotowego, a co za tym idzie bez zastosowania łożysk.

Bo to właśnie różnego rodzaju łożyskom zawdzięczamy cichy i płynny ruch olbrzymiej ilości elementów, np. kół rowerowych czy samochodowych, silników w sprzęcie AGD, kółek w fotelach, wentylatorów w komputerach czy okapach kuchennych oraz wielu, wielu innych.

To samo dotyczy specjalistycznych maszyn i urządzeń działających, zarówno w dużych procesach produkcyjnych, jak i przy mniejszych usługach.

Bez łożysk, powstawałyby również duże opory ruchu, czyli tzw. tarcie, przez co części maszyn szybko ulegałyby zużyciu i wymagały częstej wymiany, czego z pewnością każdy z nas chciałby uniknąć.

Co to jest łożysko?

Zastanówmy się, czy łatwiej przesunąć po podłodze szafkę, która wyposażona jest w kółka, czy taką bez kółek? Odpowiedź jest jasna – tę na kółkach. I po to właśnie wymyślono łożyska. Ich zadaniem jest ułatwienie ruchu. Jednak za ich pomocą nie przesuwamy niczego bezpośrednio w wybranej płaszczyźnie, one ułatwiają ruch  jednego elementu względem drugiego.

Oznacza to ni mniej, ni więcej, że łożyska przenoszą ruchy, czyli podtrzymują i prowadzą elementy poruszające się względem siebie. Jednocześnie umożliwiając przenoszenie siły, czyli obciążeń na poszczególne elementy, przy minimalnym tarciu.

Jak łożysko działa w praktyce?

Załóżmy, że chcemy umieścić wał w obudowie, tak by był przez nią podparty, a jednocześnie miał możliwość niezależnego obrotu względem nieruchomej części. Kiedy nie zastosujemy łożysk, na skutek obciążeń powstających w czasie pracy urządzenia oraz wzajemnego tarcia o siebie wału i obudowy, elementy te zaczynają się ścierać. Otwory mogą się powiększać, a wał zacznie zmniejszać swoją średnicę, a to prosta droga do wymiany obu komponentów, lub przynajmniej jednego z nich. Co więcej, w takim układzie występują znaczne straty energii, spowodowane zwiększeniem współczynników tarcia poprzez zniszczenie współpracujących powierzchni, co również można zauważyć po hałasie wydobywającym się z zużytego łożyska. Podsumowując, takie rozwiązanie nie jest najlepsze…

Jednak, gdy ten sam mechanizm wyposażymy w łożyska, czyli dokonamy tzw. łożyskowania wału na obudowie (ustalanie położenia osi i wałów względem korpusu maszyn i urządzeń), na pewno również będzie on działał. Co ważne, wał będzie obracał się w obudowie cicho, z mniejszym tarciem, a co za tym idzie mniejszą energią potrzebną do ruchu obrotowego, a także ze zminimalizowanym zużyciem materiału obudowy i wału. Takie rozwiązanie wygląda zdecydowanie korzystniej. Prawda?

Zastosowanie łożysk

Każde urządzenie, maszyna czy sprzęt, z którego korzystamy na co dzień podczas domowych obowiązków, np. wyciskarka wolnoobrotowa czy w czasie wolnym, np. rower, aby poprawnie działało musi być skonstruowane z odpowiednio dobranych do niego części. I tu pojawiają się właśnie łożyska. Bo nie ma chyba takiej dziedziny życia, w której nie znajdziemy zastosowania dla na pozór niepozornej części. Nie rzadko jest jednak tak, że to właśnie ona podtrzymuje cały mechanizm i wprawia go w ruch.

Gdzie stosuje się łożyska…

Z pewnością znalazły one zastosowanie w rolnictwie i przemyśle maszynowym. Przy czym, w tym pierwszym przypadku najlepiej sprawdzają się łożyska wahliwe. Jednocześnie konstruktorzy łożysk, muszą pamiętać o tym, jak trudne warunki pracy panują w tym przemyśle, np. wszędobylski kurz, pył i błoto.

Kolejnym przemysłem, w którym stosowane są np. łożyska kulkowe, jest motoryzacja. Stosuje się je tam w wielu odmianach – jedno- lub dwurzędowych zwykłych, skośnych czy wzdłużnych. Wszystko zależy od tego, jaki rodzaj pracy mają wykonywać. Łożyska znajdziemy więc w skrzyni biegów czy układzie napędowym. Gdybyśmy spytali kierowców, czy wiedzą jakie łożyska mają w samochodzie, z pewnością usłyszelibyśmy o łożysku oporowym sprzęgła, które jest zazwyczaj hybrydą łożyska wzdłużnego i skośnego.

Łożyska spotkamy również w przemyśle spożywczym. Przykładem niech będzie produkcja napojów, w której wykorzystywane są tzw. koła gwiaździste odgrywające ważną rolę w złożonym mechanizmie do butelkowania napojów. Są one narażone na bardzo duże obciążenia, szczególnie w zakresie wysokiej wydajności. Ich żywotność prawie się podwoiła, ponieważ zostały one wyposażone w dwuskładnikowe rolki z tworzywa sztucznego.

Również rozglądając się po domu, piwnicy czy garażu znajdziemy wiele sprzętów i urządzeń, w których zastosowane są łożyska. Spójrzmy chociażby na rower, który oczywiście jest… maszyną. A jak to często z nimi bywa, kręcą się w nim różne mniejsze lub większe elementy, które wirują na osi leżącej na łożyskach. Reasumując, również w rowerze mamy do czynienia z wieloma rodzajami łożysk.

Tarcie w łożyskach

Wiemy już, że tarcie jest zjawiskiem niepożądanym. Zastosowanie łożysk, umożliwia natomiast zminimalizowanie oporów powstających podczas pracy urządzeń. Z pewnością, należy pamiętać, że redukcja tarcia to redukcja strat energii, zminimalizowanie zużycia materiału oraz zmniejszenie częstotliwości wymiany uszkodzonych elementów

Zależnie od typu łożyska, mamy do czynienia z tarciem ślizgowym lub tocznym.

W pierwszym przypadku powierzchnia czopa wału ślizga się po powierzchni panewki (części łożyska współpracującej z czopem) lub bezpośrednio po powierzchni otworu łożyska. W drugim – między współpracującymi powierzchniami czopa i łożyska są umieszczone elementy toczne, np. kulki.

Za przykład można wziąć laboratoria firmy igus®, w których przeprowadzane są liczne testy łożysk i materiałów pod kątem zużycia, tarcia i naprężeń. To tutaj testowane łożyska i materiały są jednocześnie udoskonalane, gdyż sprawdza się je w rzeczywistych warunkach pracy, w celu zapewnienia najlepszego rozwiązania z polimeru do danego zastosowania. Badania koncentrują się więc na pomiarach sił pchających/ciągnących, współczynnika tarcia, zużycia i sił potrzebnych do napędzenia układu przy różnych prędkościach i obciążeniu łożyska.

Dane uzyskane w czasie testów są wykorzystywane do nowego i dalszego rozwoju, a także służą do określania odpowiednich komponentów dla określonej aplikacji. Każdy zainteresowany może bezpłatnie korzystać z narzędzi online z wielu obszarów produktów. Każdy obszar produktu ma swoje własne narzędzia, takie jak system ekspercki, który porównuje produkty zgodnie z wymaganiami, takimi jak wysoka wytrzymałość na ściskanie lub siły promieniowe oraz oblicza ich żywotność.

Czy smarowanie łożysk to konieczność?

Łożyska wymagają odpowiedniego smarowania, gdyż dzięki temu sprawniej działają, mogą pracować dłużej bez jakiejkolwiek awarii, z mniejszym prawdopodobieństwem uszkodzenia. Substancje smarujące mają za zadanie również ochronę łożysk przed zanieczyszczeniem i korozją oraz zwiększenie poślizgu, a co za tym idzie – zmniejszenie siły tarcia.

Jak już wspomniano, smarowanie łożyska jest czynnością mogącą uchronić je przed uszkodzeniem. Warunkiem jest jednak to, że będzie ona wykonywana cyklicznie. Warto zaznaczyć, że smarowanie nie tylko pozwala na zachowanie odpowiednich warunków pracy, ale także odpowiednie zbilansowanie temperatury.

Metoda smarowania i rodzaj substancji smarującej, zależą głównie od elementów tocznych oraz prędkości obrotowej.

Zastosowanie nieodpowiedniego rodzaju smaru lub jego nieprawidłowa aplikacja są częstą przyczyną wielu awarii. Jeśli substancja smarująca będzie źle dobrana i nie będzie współpracowała z konkretnym typem łożyska, może to doprowadzać do podwyższenia jego temperatury, a w konsekwencji do szybszego ścierania, co w prostej drodze prowadzi do skrócenia okresu ich żywotności, gdyż w łożysku tworzą się odkształcenia oraz luzy.

Oleje mineralne, to drugi najpopularniejszy rodzaj smaru do łożysk. Charakteryzują się niezmienną konsystencją bez względu na temperaturę oraz dużą lepkością. Dlatego też, decydując się na olej mineralny, pamiętajmy by zwrócić uwagę na to, czy jest on podatny na powstawanie osadów oraz jaki jest jego poziom pienienia.

Wybór rodzaju smaru z pewności zależy od tego, z jaką prędkością obraca się łożysko oraz jakie ma obciążenie. Wraz ze wzrostem wielkości łożyska, powinna zwiększać się również lepkość smaru, czyli im większe łożysko, tym bardziej lepki smar należy wybrać. Dzięki temu pomiędzy dwoma elementami nie powstanie tarcie. Jeśli na łożysko działają wysokie temperatury, smar nie może się utleniać, a jego konsystencja musi być stała bez względu na wysokość temperatury otoczenia i samego łożyska. Natomiast w sytuacji, gdy łożysko pracuje w miejscu narażonym na zwiększoną wilgotność, należy smarować je smarem wapniowym albo litowym.

Łożyska bezsmarowe

Istnieją jednak łożyska, które nie wymagają smarowania. Są to łożyska wykonane z materiału iglidur®, bardzo odpornych na ścieranie trybopolimerów, ulepszonych dodatkami materiałów wzmacniających i stałymi środkami smarującymi, które eliminują tarcie w stopniu niemalże całkowitym.

Jak to możliwe? Smary stałe są wbudowane jako mikroskopijne cząstki, znajdujące się w komorach stałego materiału, wzmocnionego włóknami. W trakcie pracy łożyska, smary będące w strukturze materiału mają bezpośredni kontakt z poruszającym się elementem, co powoduje natychmiastowe smarowanie współpracujących powierzchni. W związku z tym, smary stałe pomagają zredukować współczynnik tarcia łożysk iglidur®. Nie są niezbędne do pracy łożyska, a jedynie wspierają jego działanie. Ponieważ znajdują się w materiale, nie dają się wycisnąć. Dają znać o sobie zawsze, gdy łożysko lub wałek są wprawiane w ruch.

Wymiana łożyska

W teorii, łożysko powinno dożyć swoich dni wraz z maszyną. W praktyce jednak często okazuje się, że należy wymienić je wcześniej.

Ciągła eksploatacja łożysk prowadzi do ich uszkodzeń, co doskonale widać oraz słychać. Zamiast pracować cicho, równomiernie i płynnie pojawiają się charakterystyczne, nieregularne szumy, a czasem piski. Niewątpliwie, niepokojącymi oznakami, które świadczą o konieczności wymiany łożyska są zniekształcenia, tzw. wyłuszczenia, występujące na bieżniach oraz częściach tocznych. Są one konsekwencją zmęczenia materiału, które jest naturalne po wykonaniu określonej liczby obrotów pod danym obciążeniem. W konsekwencji temperatura się podwyższa, zaś samo łożysko dostaje niebezpiecznego luzu.

Warto więc, uświadomić sobie różne problemy, które mogą spowodować uszkodzenie łożyska i znaki, których należy szukać by ograniczyć ich awarie, a co za tym idzie zatrzymanie pracy maszyn. Należą do nich m.in. błędy smarowania, zanieczyszczenia, nieprawidłowy montaż, niewłaściwe ustawienie, korozja, zmęczenie (odpryskiwanie powierzchni bieżni), nadmierne obciążenia czy przegrzanie.. Oczywiście, nie należy czekać na objawy zużycia łożyska. Stosowanie regularnych środków zapobiegawczych, w postaci precyzyjnej oraz regularnej konserwacji, zapewni działanie łożysk w szczytowej wydajności tak długo, jak to możliwe, oszczędzając czas i pieniądze.

Typy i rodzaje łożysk

Łożyska możemy podzielić ze względu na materiał z jakiego są wykonane, na ich budowę, możliwość wzajemnego wychylania się, a także kierunek działających sił. Wiadomo bowiem, że w dzisiejszych czasach, gdy konstruowane są coraz bardziej precyzyjne mechanizmy, urządzenia i maszyny, wymagające dokładniejszych elementów, w tym łożysk, powinny one zostać dobrane do warunków pracy i przyjętych założeń projektowych. Stąd tak duża ich różnorodność.

Materiały, z jakich wykonywane są łożyska to najczęściej:  stal, tworzywa sztuczne, stal nierdzewna, ceramika i tzw. łożyska hybrydowe (mieszane).

Kolejny podział łożysk dotyczy ich budowy i konstrukcji, a wiec zasady działania. Ze względu na budowę łożysk możemy wyróżnić dwie podstawowe grupy: łożyska ślizgowe i toczne. Obok nich znajdują się bardziej specjalistyczne łożyska, jak np. magnetyczne, hydrauliczne, elektryczne czy klimatyzacyjne, etc. Co więcej, ze względu na dużą różnorodność aplikacji, w których używane są łożyska, ten podział może być jeszcze głębszy.

Najważniejsze rodzaje łożysk

Łożyska ślizgowe

W łożysku ślizgowym lub tulejowym, oś i łożysko poruszają się w przeciwnych kierunkach na powierzchni ślizgowej. Jest to kategoria, która nie posiada ruchomych elementów pośredniczących, co ni mniej ni więcej oznacza, że czop wału lub inny element obrotowy umieszczony jest w cylindrycznej panewce z pasowaniem luźnym..

Na rynku dostępne są łożyska ślizgowe różnego typu – suche, powietrzne i olejowe

• Łożyska suche są smarowane okresowo lub nie smaruje się ich w ogóle. Produkuje się je z odpowiednich stopów łożyskowych lub tworzyw sztucznych, a wykorzystuje najczęściej do połączeń, na które działają niewielkie obciążenia.
  Do tej grupy zaliczamy bezsmarowe łożyska ślizgowe igus®. Wykonane z trybpolimerów potrafią przenieść naprawdę ogromne przeciążenia nie wymagając smarowania. W ich składzie znajdują się bowiem stałe środki smarujące, które eliminują tarcie w stopniu niemalże całkowitym. Same trybopolimery gwarantują natomiast bardzo wysoką odporność na wycieranie, a różnego rodzaju włókna i wypełniacze absorbują obciążenia.
• Łożyska ślizgowe powietrzne konstruuje się tak, by dystans między wałem a panewką zapewniał poduszkę powietrzną wytwarzaną poprzez sprężone powietrze dostarczane bezpośrednio do panewki. Ze względu na zastosowane rozwiązanie, stosuje się je na wałach, na których występują niewielkie siły promieniowe.
• Trzecia grupa, to łożyska olejowe, w których część korpusu łożyska wypełniona jest olejem. Podczas ruchu wału tworzy on cienką warstwę miedzy wałem a panewką, tzw. film olejowy, .wystarczający do podtrzymania wału.

Łożyska toczne

Łożysko toczne, to podstawowy i najczęściej spotykany typ łożysk. W odróżnieniu od ślizgowych, mają dwa element poruszające się względem siebie – pierścień wewnętrzny i zewnętrzny, które oddzielone są przez elementy toczne. Taka konstrukcja łożyska sprawia, że tarcie jest znacznie mniejsze niż w łożysku ślizgowym.

Łożysko toczne zbudowane jest z pierścienia zewnętrznego, pierścienia wewnętrznego, elementu tocznego i koszyka. Za pomocą pierścienia wewnętrznego mocujemy łożysko na wale, natomiast pierścień zewnętrzny służy do zamocowania łożyska w obudowie.

Jeśli chodzi o elementy toczne, to dzielimy je ze względu na kształt. Mogą one być kulkowe oraz wałeczkowe (wałeczki, baryłki stożki etc.). Należy przy tym pamiętać, że są to części łożysk tocznych, które obracaj/ą/toczą się (toczą) po bieżniach głównych pierścieni zewnętrznego i wewnętrznego.

Dlatego też, to właśnie elementy toczne i koszyk, w którym są one osadzone, umożliwiają znaczne zmniejszenie tarcia, a co za tym idzie zmniejszenie energii potrzebnej do rozpoczęcia i/lub podtrzymania ruchu obrotowego i zwiększenie efektywności urządzenia.

Przede wszystkim, zadaniem koszyka jest równomierne oddzielenie od siebie elementów tocznych oraz zmniejszenie tarcia w łożysku. Dzięki takiemu działaniu, niezależnie od chwilowego położenia, obciążenia przenoszone są w stabilny i równomierny sposób. Z kolei zmniejszone tarcie spowodowane jest tym, że elementy toczne nie ocierają się o siebie.

Wiemy już, że w łożyskach tocznych stosowanych jest bardzo dużo rodzajów elementów tocznych.

Rodzaje łożysk tocznych

• Łożyska kulkowe to prawdopodobnie najczęściej spotykany typ łożysk. Stosowane są w urządzeniach codziennego użytku, takich jak miksery czy rolki, ale także w bardzo dużych maszynach. Właściwie dobrane łożysko kulkowe może przenosić zarównano obciążenia promieniowe, jak i osiowe, przy czym zwykle stosuje się je w miejscach mniej obciążonych.

• Łożyska wałeczkowe są przeznaczone do znacznie większych obciążeń niż kulkowe. Dzięki wałeczkom, uzyskuje się bowiem znacznie większą powierzchnię styku. Podczas gdy dla wałeczków jest to odcinek, w przypadku kulek – jedynie punkt. A jak wiemy, im większa powierzchnia styku, tym większe obciążenia możne przenosić element toczny, gdyż obciążenie rozkłada się na większej powierzchni.

• W łożyskach igiełkowych, jak sama nazwa wskazuje, elementem tocznym są igiełki. Są to małe wałeczki, o maksymalnej długości 5 mm. Z pewnością, ich zaletą jest wysoka nośność przy relatywnie małym rozmiarze Stosowane są w wysokoobrotowych sprzętach AGD i maszynach przemysłu lekkiego.

• Łożyska stożkowe świetnie sprawdzają we wszystkich maszynach i urządzeniach, w których w miejscu łożyskowania działają siły osiowe i promieniowe. Ich główną cechą jest to, że są łożyskami dzielonymi. Dlatego też, w miejscu zamocowania powinny być cały czas ściskane tzw. spoczynkową siłą osiową. Znajdziemy je np. w walcarkach, betoniarkach, samochodach.

• W łożyskach baryłkowych, elementem tocznym są oczywiście baryłki, czyli walce o lekko wyprofilowanych powierzchniach bocznych. Najczęściej spotyka się je jako łożyska dwu- lub jednorzędowe. Są bardzo wytrzymałe i pracują w oparciu o tę samą zasadę, co łożyska wahliwe. Godne uwagi jest to, że mogą również kompensować niewspółosiowość wału i obudowy. Za ich wadę można uznać stosunkowo dużą masę.

Łożyska samonastawne

Łożyska możemy również podzielić ze względu na możliwość wzajemnego wychylania się pierścieni. Dzięki temu, w sytuacji gdy maszyny są „niedokładne”, a otwory do łożyskowania wału nie są „idealne”, można zastosować łożyska, umożliwiające wychylanie się pierścieni, co w znaczący sposób zredukuje tzw. błędy współosiowości tych otworów.

Do łożysk samonastawnych zaliczamy łożyska zwykłe, czyli bez możliwości zmiany kąta osi obrotu łożyska. Łożyska wahliwe, które służą do kompensowania niewspółosiowości wału względem oprawy łożyska, a co za tym idzie przenoszenia złożonych obciążeń. Ostatnia grupa to łożyska samonastawne, najczęściej kupowane z oprawą. Charakteryzują się sferycznym kształtem pierścienia zewnętrznego, a cała konstrukcja umożliwia znaczne wychylenie kątowe, czyli brak wrażliwości na błędy współosiowości.

Rodzaje łożysk w zależności od działającej siły

Wiemy też, że na łożyska działają dwa rodzaje sił: poprzeczne, czyli promieniowe oraz wzdłużne, czyli osiowe. W związku z tym, w zależności od tego pod jakim kątem względem osi prostopadłej do osi łożyska (kąt α) działa siła całkowita, wyróżniamy trzy kolejne typy łożysk.

• Łożyska promieniowe, czyli poprzeczne, służące do przenoszenia sił, w których w teorii nie występują siły wzdłużne, a jedynie siły poprzeczne, czyli kąt α = 0°. Taki rodzaj obciążenia może wystąpić na przykład w przekładniach pasowych, w których główne obciążenie przechodzi od napiętego pasa, naciskającego na koło pasowe zamocowane na wale łożyskowanym w obudowie.
• Łożyska skośne, czyi poprzeczno-wzdłużne, służą do przenoszenia sił skośnych, w których kąt α jest większy od 0°, a mniejszy/równy 45° (0° < α ≤45°). Występuje tu siła osiowa i promieniowa, przy czym większa jest siła promieniowa lub siły te są równe.
  Tego typu łożyska możemy znaleźć w kołach samochodowych starszego typu, ponieważ na koła działa siła osiowa, której źródłem są m.in. opory ruchu oraz siła promieniowa pochodząca m.in. od ciężaru samochodu.
• Łożyska osiowe, czyli wzdłużne, wykorzystuje się do przenoszenia sił osiowych (wzdłużnych) w zakresie 45° < α < 90°,a łożyska ściśle osiowe, czyli oporowe przy kacie α = 90°. Siły osiowe działają wzdłuż osi obrotu łożyska, gdzie teoretycznie brak siły promieniowej lub jest ona mniejsza od siły osiowej. Łożyska takie można stosować np. w krzesłach obrotowych.

Jak dobrać odpowiednie łożysko?

Łożysko to niezwykle ważny element wielu układów mechanicznych. Wiemy już, jak wiele jest rodzajów i typów łożysk, wiemy jak różne są ich wymiary i wymagania maszyn i urządzeń. Dlatego też, odpowiedni dobór łożysk jest tak ważny.

By właściwie wybrać łożysko, uwzględniając jego parametry i zastosowania, warto skorzystać z profesjonalnych porad i informacji zawartych na stronach internetowych producentów. Z pewnością, do najbardziej przydatnych i rzetelnych należą konfiguratory, które dokładnie dopasują produkt do naszych potrzeb. Pomogą m.in. w obliczeniu żywotności, konfiguracji i symulacji produktów.

Konfiguratory, udostępniane przez producentów łożysk na ich stronach internetowych, są idealnym narzędziem, które pomoże znaleźć rozwiązanie skrojone na miarę naszych potrzeb.

Podczas wyboru łożysk, z pewnością przydadzą się dwa konfiguratory igus: Wyszukiwarka łożysk ślizgowych, umożliwiająca szybkie i łatwe wyszukiwanie odpowiedniego materiału iglidur® oraz System ekspercki łożysk ślizgowych, dzięki któremu wybór produktu i obliczanie jego żywotności będą niezwykle łatwe.