6. ULOŽENÍ POHYBLIVÝCH ČÁSTÍ Uložení je spojení součástí, které umožňuje vzájemný pohyb - otáčivý - posuvný LOŽISKA součásti určené k otočnému uložení čepů a hřídelů. Přenášejí zatížení hřídele na ostatní části stroje a zajišťují vzájemnou polohu pevných a točivých součástí. Na správné funkci ložisek závisí bezpečnost, hospodárnost a přesnost práce stroje Podle směru zachycované síly jsou ložiska radiální a axiální Podle druhu styku s hřídelem se člení na: - kluzná hřídel se stýká s ložiskem přímo v kluzné ploše, která je vrstvou mazacího prostředku oddělena od plochy opěrné. Vzájemný pohyb obou ploch je klouzavý - valivá hřídel se stýká s ložiskem nepřímo přes valivá tělesa (např. kuličky, válečky), Kluzné tření je nahrazeno třením valivým. Vzájemný styk hřídele a ložiska je bodový nebo přímkový - 1 -
6.1 Kluzná ložiska Charakteristika kluzných ložisek Podle směru síly, kterou ložisko zachycuje, je dělíme - radiální zachycují síly kolmé k ose hřídele - axiální zachycují síly rovnoběžné s osou hřídele Mezi ložiskem a hřídelí vzniká kluzné tření, které způsobuje ztráty a opotřebení součástí. Na velikost tření mají vliv materiály hřídele a ložiska, tlak v ložisku, kvalita povrchu, obvodová rychlost hřídele a provozní teplota. Velikost tření lze ovlivnit vhodnou konstrukcí uložení a mazáním ploch. Radiální kluzná ložiska Podle tvaru jsou ložiska vyráběna jako pouzdra (vložka kluzného ve tvaru dutého válce), nebo pánve (část děleného pouzdra) Pouzdro má tvar dutého válce, pánev je pouzdro dělené v podélné ose. Ložiska se vkládají do ložiskového tělesa, které může být buď samostatné, nebo je částí strojní součásti (např. ojnice spalovacího motoru) Pouzdra se vkládají do ložiskových těles z šedé litiny, z oceli na odlitky nebo svařovaných ocelí. Pouzdra mohou být z šedé ložiskové litiny, z cínového, hliníkového nebo červeného bronzu, z pórovitých ložiskových materiálů z fenoplastů (tvrzené tkaniny a dřeva, lisované hmoty s organickými plnidly, pryže atd.) nebo z polyamidu, z polyvinylchloridu, polystyrénu apod. Pro úsporu ložiskových kovů se vyrábějí bimetalická pouzdra, kde základ pouzdra tvoří ocel nebo litina a kluzná plocha velmi tenká vrstva výstelky z bronzu nebo z kompozice. Některé pouzdra vyrábíme z pórovitých ložiskových materiálů, které vznikají spékáním kovových prášků s přísadami a to tmelením s umělými pryskyřicemi a lisováním. Tyto pórovité materiály se sytí při podtlaku olejem, který za provozu vzlíná z kapilár ložiskového pouzdra mezi stykové plochy. Těmto ložiskům říkáme samomazná ložiska. Některá ložiska jsou normalizována (ST) - 2 -
Tření v ložisku - 3 -
Mazání ložisek a) Teorie mazání Mazáním se snižuje tření a odvádí teplo z ložiska. Kapalinné mazání vzniká buď hydrostaticky (mazivo je do ložiska tlačeno čerpadlem), nebo hydrodynamicky, kdy se do klínovité mezery mazivo nasává díky otáčení hřídele. Jeho množství se s otáčkami zvyšuje, až se vytvoří souvislá vrstva. Při otáčkách n = 0,3 1/s je tato vrstva minimální. Stejně silná vrstva maziva v ložisku vznikne jen teoreticky při nekonečně velkých otáčkách. a) Ložisková vůle, délka ložiska, drsnost a tvrdost povrchů Vůle v ložisku umožňuje vytvoření vrstvy maziva a zajišťuje alespoň polosuché tření. Velká vůle sice zlepšuje mazání ale zhoršuje únosnost. Malá vůle může zabránit vzniku kapalinného tření. Doporučená hodnota ložiskové vůle je d (0,001 0,006) d. Vůli zajistíme volbou uložení díry a hřídele. Vhodná uložení pro Φd jsou: H7/e8, H7/f7, H7/g6, F7/f7 Pro uložení ložisek v ložiskovém tělese se volí pro ΦD: H7/r6, H7/s6 Hlavní rozměry kluzných ložisek se počítají ze zátěžové síly a průmětu styčné plochy ložiska F p l. d l Délka ložiska se určí z poměrové konstanty 0,4 1, 5 d Δd mm vůle v ložisku d mm průměr hřídele l mm délka ložiska λ - poměrová konstanta - 4 -
b) Materiály ložisek Životnost a spolehlivost kluzného ložiska ovlivňují - vlastnosti maziva - volba materiálu ložiska a částečně i hřídele. Vzhledem k tomu, že je snazší výměna ložiska (pánve nebo pouzdra) než výměna celé hřídele, je vhodné, aby hřídelový čep měl tvrdší povrch. Pro hřídele se volí materiály s vyšším obsahem uhlíku s možností povrchového kalení (11 600, 12 050, 14 240). Tvrdost čepu by měla být o 100 HB větší než u ložiska. Požadavky na materiály ložisek odolnost proti opotřebení a zadírání - malý součinitel tření - velká zatížitelnost - korozivzdornost - dobrá tepelná vodivost - malá teplotní roztažnost - schopnost pojmout tvrdé částečky. Žádný materiál není schopen všechny tyto požadavky splnit. Proto je nutné hledat kompromis podle provozních podmínek. - 5 -
Na kluzná ložiska jsou používány zejména tyto materiály: Materiál Použití Charakteristika Kompozice (slitiny cínu a olova): Tam, kde mat.čepu má HB 150 - výstelky ložisek vylitím do ocelových pouzder a pánví Slitiny mědi (cínový, olověný a hliníkový bronz) Slitiny hliníku (slitina s mědí, cínem, křemíkem a železem, obsahuje více než 80% Al) Spékané kovy (ocel, měď cín, hliník): v automobilovém průmyslu, parních a vodních turbín, turbokompresorů, odstředivých čerpadel a velkých elektrických točivých strojů. Tloušťka výstelky 0,3mm Cínové: -značně zatížená ložiska Olověné: - pánve motorových ložisek traktorů a nákladních aut, nejvíce namáhaná pouzdra leteckých motorů Hliníkové: - pro velká a dynamická zatížení, pro malé i velké kluzné rychlosti. Tvrdost čepu nejméně 250 HB U strojů s malými otáčkami a velkým zatížením. Pro malé stroje a mechanizmy v oblasti jemné mechaniky a elektrotechniky, v domácích spotřebičích. - odolný proti zadírání, snáší rázy a neomezené kluzné rychlosti - má menší únosnost, malá pevnost, hodí se pro teploty do 100 o C pro velká i dynamická zatížení s rázy, odolný proti opotřebení a zadírání. - u cínového a hliníkového bronzu je vhodný pro menší rychlosti (do 6 m/s ) - u olověného bronzu neomezené rychlosti - cínový bronz snáší teploty do 250 o C. - hliníkový bronz je velmi tvrdý a proto musí mít čep tvrdost min. 250 HB Únosnost: p max 50 MPa olověný bronz p max 120 MPa hliníkový bronz p max 90 MPa cínový bronz Tvrdé materiály pro velká rázovitá zatížení a malé kluzné rychlosti (<4m/s). Mají horší jímavost tvrdých částí a proto je nutné čisté mazivo. Únosnost: p max 40 MPa Směsi z rozemletých materiálů se lisují do tvaru pouzdra až s 30% pórů. Po nasycení pórů mazivem vzniká samomazné ložisko. Mají použití pro klidný chod bez rázů, pro malé kluzné rychlosti (<4m/s) a malé teploty (<80 o C). Únosnost: p max 2 MPa Šedá litina: Minimální, jen jako tlustostěnná pouzdra, např. ručně poháněné mechanismy. Levný materiál pro klidný chod bez rázů s malými kluznými rychlostmi (<5m/s( a pro malá zatížení. Používaný materiál 42 2456. Únosnost: p max 6 MPa - 6 -
Plasty (polyamid, teflon), pryž Jako tlustostěnná pouzdra pro domácí spotřebiče, v chemických zařízeních. Vhodné pro bezmazná ložiska s malou zátěží a malými kluznými rychlostmi (<2m/s). Výhodou je možnost práce v agresivním prostředí, pryž i ve vodě. Únosnost: p max 2 MPa Vícevrstvé materiály Nová moderní ložiska Široké uplatnění v řadě odvětví, nahrazují klasické materiály -automobilový a letecký průmysl - textilní, chemický a elektrotechnický průmysl Jsou tvořena ocelovým pouzdrem s nanesenou vrstvou pórovitého materiálu (bronzu), se kterou je spojen kluzný materiál. Ten je tvořen směsí např. teflonu (PTFE polytetrafluoretylen), bronzu, grafitu, mědi, olova, a dalších materiálů. Jsou bezmazná nebo s omezeným mazáním. Snáší i vysoké teploty (-200 300 o C). Mají výborné kluzné vlastnosti součinitel tření f=0,01 a jsou odolná proti opotřebení. Únosnost: p max 70 MPa Axiální ložiska, konstrukční zásady Axiální ložiska se obvykle kombinují s ložisky radiálními. Jsou provedena jako patní nebo prstencová. Mají menší uplatnění vzhledem k malé únosnosti. Lepší je použít valivá radiální ložiska s přenosem axiálních sil, nebo přímo axiální valivá ložiska. Axiální patní ložisko - 7 - Axiální prstencové ložisko
b) Maziva a mazací přístroje Mazání tukem se používá pro malé tlaky a malé kluzné rychlosti, nebo tam, kde nelze použít olej. Tuk částečně chrání ložisko proti vnikání nečistot. Použití je omezeno teplotou ložiska. K doplňování maziva se používá mazací lis nebo je možno použít Staufferovu maznici. Mazací přístroje s příslušenstvím jsou ve ST. Mazání olejem má lepší mazací schopnosti. Olej odvádí teplo a dá se čistit. Nutností je kvalitní těsnění. Olej se přivádí na mazaná místa mnoha způsoby: kapáním, rozstřikem rotujícími částmi, rozstřik rozstřikovými kroužky, tlakem čerpadla. Způsob závisí na kluzných rychlostech. Mazání tuhými mazivy se používá ve zvláštních případech, zvláště při vysokém tepelném zatížení. Jako mazivo slouží grafit a sirník molybdeničitý (tzv. Molyka). - 8 -
- 9 -
- 10 -
c) Provedení ložiska vzhledem k mazání Pro přívod maziva ke kluzným plochám musí být v ložisku mělké mazací drážky bez ostrých hran. Pokud má ložisko jen jednu drážku musí být v nezatíženém místě. Drážka mohou být po celém obvodu ložiska. Rozměry drážek jsou dle ČSN 01 5906. - 11 -
- 12 -
Výhody kluzných ložisek oproti valivým: - jednoduchá montáž i demontáž (zvláště u dělených ložisek) - menší průměr - tichý a klidný chod - snáší rázy v zatížení - při použití některých materiálů je možné je použít bez mazání i při vyšších teplotách, případně ve vlhkém či chemicky agresivním prostředí Nevýhody oproti valivým: - přesná výroba (dodržení tolerancí) - větší délka ložiska - větší nároky na údržbu (u většiny typů je nutno zajistit kvalitní mazání a čistotu prostředí) - větší spotřeba maziva, možnost zadření při nekvalitním mazání - nevhodné pro přerušovaný chod při rozběhu a doběhu mohou pracovat v oblasti suchého tření 1. Výpočet ložisek Postup při návrhu kluzného radiálního ložiska: a) U radiálních ložisek se nejčastěji podle průměru hřídele určí jejich délka pomocí zvoleného poměru λ: l d l d b) Provede se kontrola na otlačení p F S p D c) Povede se kontrola na oteplení: p v ( p v) v d n D - 13 -
F N radiální síla (reakce) v ložisku S mm 2 otlačovaná plocha, u radiálních ložisek je plochou průmět hřídelového čepu, u axiálních skutečná styková plocha d, l mm rozměry ložiska pro výpočet plochy d m průměr čepu pro výpočet obvodové rychlosti v ms -1 obvodová rychlost čepu n s -1 otáčky čepu p MPa tlak v ložisku p D MPa dovolený tlak v ložisku (p v) D MPa m s -1 dovolené oteplení Orientační maximální hodnoty dovoleného oteplení: (p v) D Materiál ložiska 1,5 vícevrstvé nemazané materiály 10 šedá litina, spékané kovy 30 plasty 100 kompozice, bronzi, slitiny hliníku F N radiální síla (reakce) v ložisku S mm 2 otlačovaná plocha, u radiálních ložisek je plochou průmět hřídelového čepu, u axiálních skutečná styková plocha d, l mm rozměry ložiska pro výpočet plochy d m průměr čepu pro výpočet obvodové rychlosti v ms -1 obvodová rychlost čepu n s -1 otáčky čepu p MPa tlak v ložisku p D MPa dovolený tlak v ložisku (p v) D MPa m s -1 dovolené oteplení 2. Kontrolní otázky a) Co ovlivňuje velikost tření v ložisku a jaké jsou druhy tření? b) Čím se liší pouzdro a pánev a jak jsou konstrukčně řešeny? c) Kdy se použije segmentové ložisko? d) Jaké jsou požadavky na materiály ložisek? e) Jaké jsou požadavky na materiál hřídelí? f) Charakterizujte jednotlivé skupiny materiálů ložisek. g) Jak velká se doporučuje vůle v radiálním ložisku a jak ji zajistíme? h) Jaká se používají maziva pro kluzná ložiska? i) Jak se volí délka kluzného ložiska? - 14 -
Přílohy - 15 -
- 16 -
OBSAH 6. ULOŽENÍ POHYBLIVÝCH ČÁSTÍ... 1 LOŽISKA součásti určené k otočnému uložení čepů a hřídelů. Přenášejí zatížení hřídele na ostatní části stroje a zajišťují vzájemnou polohu pevných a točivých součástí. Na správné funkci ložisek závisí bezpečnost, hospodárnost a přesnost práce stroje... 1 6.1 Kluzná ložiska2 Charakteristika kluzných ložisek... 2 Radiální kluzná ložiska... 2 a) Ložisková vůle, délka ložiska, drsnost a tvrdost povrchů... 4 b) Materiály ložisek... 5 Axiální ložiska, konstrukční zásady... 7 1. Mazání ložisek... Chyba! Záložka není definována. a) Teorie mazání... 4 b) Maziva a mazací přístroje... 8 c) Provedení ložiska vzhledem k mazání... 11 Výhody kluzných ložisek oproti valivým:... 13 Nevýhody oproti valivým:... 13 2. Výpočet ložisek... 13 3. Kontrolní otázky... 14 Přílohy... 15-17 -