Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně Ústav konstruování KONSTRUOVÁNÍ STROJŮ strojní součásti Přednáška 8
Valivá ložiska http://www.ntnamerica.com/ Since there is no model in nature for guiding wheels on axles or axle journals, man faced a great task in designing bearings - a task which has not lost its importance and attraction to this day. ROLLING BEARINGS AND THEIR CONTRIBUTION TO THE PROGRESS OF TECHNOLOGY (1986)
Valivá ložiska Princip činnosti a základní názvosloví. Výhody a nevýhody. Typy radiálních a axiálních ložisek. Výběr ložiska. Rozměry a označování ložisek. Kontaktní únava a trvanlivost ložisek. Základní trvanlivost a její rovnice. Dynamická únosnost. Modifikovaná rovnice trvanlivosti. Ekvivalentní radiální zatížení. Kuželíková ložiska. Mazání ložisek. Obsah
Princip činnosti Ložiska (bearings) slouží k otočnému nebo posuvnému uložení strojních součástí a k přenosu působících sil do rámu stroje. Valivá ložiska (rolling bearings) přenášejí síly prostřednictvím valivých těles, takže tření kluzné je nahrazeno podstatně menším třením valivým. Podle směru dominantních přenášených sil se ložiska dělí na radiální a axiální. Většina radiálních ložisek může zachycovat také axiální síly. Radiální zatížení Axiální zatížení Kombinované zatížení motor axiální zatížení radiální zatížení ráfek axiální zatížení náboj kuželíková ložiska řemenice ložisko
Výhody a nevýhody Výhody valivých ložisek Nízké ztráty třením za chodu i při rozběhu. Při rozběhu je tření přibližně dvojnásobné oproti tření za chodu, přesto však podstatně nižší než u kluzných ložisek. Schopnost přenosu zatížení v libovolném směru. Možnost plného zatížení v klidu, za chodu, při rozběhu i doběhu. Menší osová délka než u kluzných ložisek. Nízká spotřeba maziva a jeho snadné doplňování. Snadná montáž a údržba v provozu. Nevýhody valivých ložisek Větší vnější průměry a hmotnost oproti kluzným ložiskům. Neschopnost přenosu rázových zatížení a větších přetížení. Vyšší nároky na přesnost při výrobě. Vyšší cena.
Názvosloví Kuličková ložiska Kuželíková ložiska
Typy radiálních ložisek Kuličková Válečková Soudečková Kuželíková Jehlová
Typy axiálních ložisek Kuželíková Kuličková Jehlová
Výběr ložiska
Rozměry a označování ložisek průměrová řada šířková řada typ šířková řada průměrová řada vnitřní průměr v mm dělený 5 doplňující informace
Kontaktní únava a trvanlivost ložisek Při odvalování valivých těles v drážkách vnitřního a vnějšího kroužku ložiska může opakující se místní zatížení vést ke kontaktní únavě materiálu, která se projevuje odloupáváním částí kovu z jeho povrchu (pitting). Při ideálních provozních podmínkách je únava materiálu jedinou příčinou omezené trvanlivosti ložisek. Trvanlivost ložiska L je definovaná jako počet otáček nebo doba do vzniku prvních známek kontaktní únavy materiálů kroužků nebo valivých těles.
Únavové opotřebení Únavové opotřebení je převažující formou opotřebení u nekonformních povrchů. Projevuje se pittingem neboli vydrolováním materiálu provázeném vznikem důlků s charakteristickým lasturovým lomem. Únavové opotřebení je způsobeno šířením podpovrchových trhlin, které vznikají v důsledku cyklického namáhání povrchu. Vzniklé trhliny se větví, rozšiřují se přednostně po hranicích zrn a tvoří dutiny, jejichž splývání vede k trhlinám rovnoběžným s povrchem. Jakmile dojde k vytvoření rozvětvené sítě trhlin, dochází k odlupování materiálu a k tvorbě důlků. Přednáška 4 - Tření, mazání a opotřebení
Základní trvanlivost Zkoušky ukazují, že trvanlivost stejných ložisek při stejných provozních podmínkách kolísá v závislosti na vlastnostech materiálu, přičemž křivka rozptylu (hustota pravděpodobnosti) má tvar odpovídající Weibullovu rozložení. Aby bylo možné použít jednotný způsob výpočtu zavádí se základní trvanlivost ložiska L 10, kterou dosáhne nebo překročí 90 % ložisek z dané skupiny než dojde ke kontaktní únavě (pittingu). Střední trvanlivost je přibližně 5 větší než základní trvanlivost. četnost poruchy v % L 10 střední trvanlivost trvanlivost v násobcích L 10
Rovnice základní trvanlivosti Palmgren (1959) experimentálně stanovil, že trvanlivost valivého ložiska klesá nepřímo úměrně s třetí mocninou jeho zatížení. Novější studie ukázaly, že tato hodnota exponentu platí jen pro ložiska s bodovým stykem, zatímco pro ložiska s čárovým stykem je 10/3. log zatížení F L 1 a = konst. F L = F L 1 a 1 a 1 1 2 2 jestliže F1 = C10 a L1 = L10 jestliže F = F a L = L 2 2 a C L = F L 1 1 10 10 a L a C10 C = = 6 10 L10 10 F F a log základní trvanlivost C 10 je základní dynamická únosnost
Základní dynamická únosnost C 10 Základní dynamická únosnost C 10 je největší neproměnné radiální zatížení valivého ložiska, při kterém nejméně 90 % ložisek ze skupiny obsahující větší počet stejných ložisek dosáhne základní trvanlivosti L 10 = 10 6 otáček (vnější kroužek stojí, vnitřní se otáčí). Základní dynamická únosnost každého ložiska je uváděna v katalogu ložisek.
Základní dynamická únosnost C 90 u ložisek TIMKEN Základní dynamická únosnost C 90 je největší neproměnné radiální zatížení valivého ložiska, při kterém nejméně 90 % ložisek ze skupiny obsahující větší počet stejných ložisek dosáhne základní trvanlivosti L 10TIMK = 90 10 6 otáček. Základní dynamická únosnost každého ložiska je uváděna v katalogu ložisek.
Modifikovaná rovnice trvanlivosti Rovnice základní trvanlivosti zahrnuje ze všech provozních vlivů pouze zatížení. Ve skutečnosti však trvanlivost závisí na celé řadě dalších faktorů, z nichž nejdůležitější jsou tloušťka mazacího filmu, čistota uložení, přítomnost zušlechťujících přísad v mazivu a typ ložiska. Z tohoto důvodu se zavádí modifikovaný vztah pro výpočet trvanlivosti. ISO 281:1990/Amd 2:2000 Timken L = a a a L La = a1 a2 a3d a3k a3l a3m a3p a4 L10 a 1 2 3 10 SKF 1975 L = a a L a 1 23 10 s. provozních podmínek s. materiálu s. pravděpodobnosti havárie s. materiálu a provozních podmínek s. částic s. materiálu s. mazání s. rozdělení sil s. pravděpodobnosti havárie s. nesouososti s. užitečné trvanlivosti s. malého zatížení
Součinitel pravděpodobnosti havárie a 1 Havárie ložisek v důsledku únavy materiálu podléhají statistickým zákonitostem, a proto je třeba při výpočtu trvanlivosti brát v úvahu pravděpodobnost havárie ložiska za provozu. Za normálních podmínek se počítá s desetiprocentní pravděpodobností havárie. Součinitel a 1 umožňuje počítat s pravděpodobností havárie od 10 do 1 %.
Součinitel materiálu a provozních podmínek a 23 Součinitel a 23 je zvláštním případem obecnějšího součinitele a SKF, který vyjadřuje vliv materiálu, typu ložiska, zatížení, mazání a čistoty. Součinitel a 23 se stanovuje z grafu a je závislý pouze na viskozitním poměru κ.
Viskozitní poměr κ Viskozitní poměr κ vyjadřující efektivitu mazacího filmu je definován jako poměr provozní ν a vztažné ν 1 viskozity maziva. Vztažná viskozita vyjadřuje minimální viskozitu maziva ν 1 při dané provozní teplotě nutnou pro vytvoření adekvátního mazacího filmu. Diagram pro provozní viskozitu ν Diagram pro vztažnou viskozitu ν 1
Ekvivalentní radiální zatížení kuličkových ložisek Kuličkové ložisko může přenášet jak radiální tak axiální zatížení. Kromě toho mohou působit společně. Vezměme v úvahu jednotlivá zatížení, a to axiální F a a radiální F r, potom F e je ekvivalentní radiální zatížení, které má stejný vliv na vznik poruchy jako současně působící zatížení axiální a radiální. Když se data F e /VF r a F a /VF r vynesou do grafu, představují křivku, která se dá dobře aproximovat dvěma přímkami. Souřadnice e je dána průsečíkem obou přímek. Ekvivalentní radiální zatížení F e je vyjádřeno rovnicí: F = X VF + e i r Y i F a
Ekvivalentní radiální zatížení součinitelé X a Y F = X VF + Y e i r i F a
Ekvivalentní radiální zatížení iterační výpočet 1. Předpokládáme, že poměr F a /VF r > e (parametr e zatím neznáme), 2. Vybereme startovní hodnoty X 2 a Y 2 (např. hodnoty v prostředním řádku) a vypočteme ekvivalentní dynamické zatížení, 3. Vypočteme základní dynamickou únosnost C 10, 4. Vybereme ložisko a poznamenáme si jeho základní statickou únosnost C 0, 5. Podle poměru F a /C 0 určíme novou hodnotu X a Y k výpočtu ekvivalentního dynamického zatížení, 6. Vypočteme základní dynamickou únosnost C 10, 7. Vybereme ložisko pokud jsme vybrali stejné ložisko jako v bodě 4, výpočet končí, 8. Jestliže bylo nutné vybrat jiné ložisko, poznamenáme si jeho základní statickou únosnost C 0 a vracíme se zpět na bod 5.
Součinitel zatížení a f Součinitel zatížení a f má funkci návrhového faktoru, který slouží k navýšení ekvivalentního radiálního zatížení F e před výběrem ložiska při proměnném zatížení. Velikost součinitele zatížení a f je pro různé aplikace ve strojírenství uvedena v následující tabulce:
Kuželíková ložiska Kuželíková ložiska je možné montovat dvěma způsoby. Při montáži nepřímé (do O ) jsou ložiska blíže u sebe ve srovnání s montáží přímou (do X ), přitom rozměr a e je stejný pro oba případy. Takže tyto dva způsoby uspořádání zabírají jiný montážní prostor při odlišné kompaktnosti, ale při stejné poloze nositelek radiálních sil (reakcí). nepřímá montáž montáž do O ložisko A ložisko B střed zatížení (poloha nositelek radiálních sil) přímá montáž montáž do X
Kuželíková ložiska Timken uvádí ve svých katalozích součinitel K, který je definován jako poměr základní radiální dynamické únosnosti C 90 k základní axiální dynamické únosnosti C a90. Součinitel K tedy závisí na sklonu kuželíků v ložisku.
Ekvivalentní radiální zatížení kuželíkových ložisek
Elastohydrodynamické mazání Elastohydrodynamické mazání (EHD, EHL) je režim kapalinového mazání, při kterém elastické deformace povrchů jsou řádově stejně velké jako tloušťka hydrodynamického mazacího filmu, jehož chování ovlivňují. K elastohydrodynamickému mazání obvykle dochází mezi zatíženými, nekonformně zakřivenými povrchy nacházejícími se v relativním pohybu. Základní znaky EHD kontaktu 1. V centrální (Hertzově) oblasti kontaktu je tenký, přibližně paralelní mazací film, pro jehož tloušťku platí h u 0,68. 2. Rozložení tlaku v mazacím filmu odpovídá přibližně Hertzovu rozložení. 3. V oblasti náhlého snížení tloušťky mazacího filmu se nachází lokální, druhé tlakové maximum. Přednáška 4 - Tření, mazání a opotřebení
Mazání plastickými mazivy Plastická maziva jsou konzistentní nebo polotekuté produkty disperze zahušťovadla v kapalném mazivu, popř. s dalšími přísadami. Kapalnou složkou jsou převážně minerální oleje, zahušťovadlem zpravidla kovová mýdla mastných kyselin. Mazání plastickými mazivy je výhodné z hlediska utěsnění ložisek proti nečistotě a vlhkosti a pro snadnou obsluhu. V provozu nevyžadují plastická maziva žádnou zvláštní kontrolu, a proto se jich běžně užívá při normálních provozních podmínkách. Při první montáži se ložisko naplní plastickým mazivem. Velké množství maziva způsobuje zvýšení tření a teploty, a tím i jeho předčasné znehodnocení. Z hlediska základních funkčních vlastností rozlišujeme tyto hlavní typy mazacích tuků: Tuky vápenaté mají poměrně nízký bod skápnutí 75 až 95 C a při jeho překročení se rozloží. Použitelnost je omezena nejvýše do 70 C. Jsou velmi odolné proti vodě a mechanickému hnětení. Nejsou příliš stálé, a proto nejsou vhodné pro dlouhodobé použití. Tuky sodné mají bod skápnutí v oblasti 140 až 200 C. Při překročení bodu skápnutí se roztaví a po zchladnutí opět ztuhnou na původní konzistenci. Jsou značně chemicky stálé, a proto vhodné pro dlouhodobé použití. Tuky litné mají bod skápnutí kolem 170 C. Vynikají malou změnou konzistence s teplotou a jsou značně chemicky stálé. Jsou odolné vůči vodě.
Mazání plastickými mazivy
Mazání kapalnými mazivy Mazání kapalným mazivem (olejem) použijeme: Jsou-li otáčky tak velké, že se domazávací lhůty pro mazání tukem příliš zkracují. Je-li provozní teplota ložiska tak vysoká, že nepřipouští mazání tukem. Je-li třeba odvádět z ložiska teplo způsobené třením nebo vnějšími zdroji. Jsou-li sousední součásti již mazány olejem (např. ozubená kola). Způsoby mazání olejem: Mazání olejovou lázní se používá pouze při nižších rychlostech ložisek u vodorovných i svislých hřídelů. Hladina olejové lázně se má udržovat ve výši středu spodního valivého tělesa. Ložiskové těleso (skříň převodovky) má mít spolehlivý olejoznak. Mazání oběhem oleje je nutné při vysokých otáčkách nebo u svislých hřídelů. Při mazání oběhem oleje uvnitř ložiskového tělesa se olej, rozstříknutý rotujícím kotoučem, shromažďuje a přivádí zpět do ložiska. K mazání valivých ložisek lze též použít oleje rozstříknutého ozubenými koly. Mazání vstřikováním oleje do ložisek zabezpečuje dostatečné množství mazacího oleje v ložisku, a odvod tepla vzniklého třením. Olej se vstřikuje velkou rychlostí do ložisek jednou nebo více tryskami a odpadovými kanály se odvádí zpět. Mazání olejovou mlhou spočívá v tom, že se k valivým ložiskům přivádí stlačeným vzduchem velmi jemně rozprášený olej.
Mazání kapalnými mazivy