Obciążenie osiowe a obciążenie promieniowe w łożyskach kulkowych poprzecznych: Przewodnik po wyborze

Jeśli wybierasz łożysko kulkowe zwykłe do silnika, pompy lub skrzyni biegów, pierwszym pytaniem nie jest „jaka marka”, ale „jak duże obciążenie promieniowe i osiowe wytrzyma łożysko”. Obciążenie promieniowe zwykle wpływa na rozmiar łożyska; obciążenie osiowe decyduje o tym, czy standardowe łożysko kulkowe zwykłe jest nadal bezpiecznym wyborem. W praktyce połączenie tych dwóch sił jest najczęstszą przyczyną przedwczesnego uszkodzenia łożyska.

Co właściwie oznaczają obciążenia promieniowe i osiowe

Obciążenie promieniowe działa prostopadle do wału. Pasek naciągnięty na koło pasowe, ciężar wirnika lub siła zazębienia koła zębatego powodują obciążenie promieniowe. Obciążenie osiowe działa równolegle do wału. Przykłady obejmują ciąg z przekładni śrubowej, przyciąganie magnetyczne silnika elektrycznego lub wał wciskany w obudowę podczas montażu.

Łożysko kulkowe zwykłe jest zoptymalizowane pod kątem obciążenia promieniowego, ponieważ jego bieżnie są głębokie, a kulki mają mały kąt zwilżania. Taka geometria pozwala łożysku przyjąć pewną ilość obciążenia osiowego w obu kierunkach, ale istnieje praktyczne ograniczenie. Jeżeli element osiowy jest zbyt duży, kulki ślizgają się zamiast toczyć, a elipsa styku przesuwa się w kierunku krawędzi bieżni.

Jakie obciążenie osiowe może wytrzymać łożysko kulkowe poprzeczne?

Publicznie dostępne dane techniczne producentów łożysk zawierają praktyczną zasadę: w przypadku standardowych jednorzędowych łożysk kulkowych zwykłych nośność osiowa często wynosi 10–30% statycznego obciążenia promieniowego. Łożyska o cienkich przekrojach i miniaturowe mają tendencję do osadzania się w dolnym końcu, ponieważ ich bieżnie są płytsze, a kulki mniejsze.

Statyczne obciążenie promieniowe C0 jest wartością odniesienia dla obciążenia, które powoduje trwałe odkształcenie o określonej wielkości. Do obliczenia trwałości stosuje się nośność dynamiczną C. Kiedy inżynierowie porównują obciążenie osiowe z obciążeniem promieniowym, powinni sprawdzić stosunek względem C0, a nie C. Przekroczenie zalecanego stosunku osiowego do promieniowego nie oznacza natychmiastowego zatrzymania łożyska. Oznacza to, że rozkład naprężeń staje się nieregularny, film smarny ulega zniszczeniu, a żywotność łożyska traci się szybciej, niż przewiduje standardowe obliczenie L10.

Łożysko kulkowe zwykłe 6205ZZ do silników i pomp Łożysko ekranowane o wymiarach 25×52×15mm wykonane ze stali GCr15, odpowiednie do średnich obciążeń promieniowych w urządzeniach przemysłowych. Podwójne metalowe osłony chronią przed kurzem i wilgocią, zapewniając niezawodną pracę silników, pomp i maszyn. Zobacz produkt →

W przypadku urządzeń przemysłowych nasze łożysko 6205ZZ jest częstym wyborem do silników, pomp i maszyn, ale przed ostatecznym wyborem nadal wymaga sprawdzenia obciążenia osiowego.

Co się dzieje, gdy obciążenie osiowe jest zbyt duże?

Kiedy obciążenie osiowe przekracza praktyczny limit łożyska, elementy toczne i bieżnie zachowują się inaczej. Kąt zwilżania zwiększa się lokalnie, a kulki dociskają do krawędzi bieżni. Powoduje to obciążenie krawędzi, które jest stanem skupionego naprężenia, które może powodować przedwczesne łuszczenie się, wgniecenia i wibracje.

W silniku możesz zauważyć podwyższoną temperaturę i hałas. W wentylatorze lub małym urządzeniu elektrycznym łożysko może stać się szorstkie po krótkim okresie pracy. Awaria nie zawsze jest widoczna z zewnątrz, ponieważ uszczelka nadal wygląda na nienaruszoną. Dopiero po rozebraniu układu widać nierównomierne zużycie pierścieni wewnętrznych i zewnętrznych.

Jest to również ryzyko związane z zakupami. Jeśli specyfikacja zakupu podaje tylko promieniową nośność dynamiczną C i ignoruje obciążenie osiowe, rzeczywista trwałość łożyska w terenie może być znacznie krótsza niż trwałość obliczona. Prowadzi to do nieoczekiwanych przestojów, przeróbek i roszczeń gwarancyjnych.

Wybór łożyska kulkowego zwykłego do kombinowanych obciążeń promieniowych i osiowych

Praktyczny proces rozpoczyna się od danych aplikacji. Wyznacz siłę promieniową i jej kierunek, następnie siłę osiową i jej kierunek. W przypadku obciążeń kombinowanych należy obliczyć równoważne obciążenie dynamiczne, korzystając ze standardowej zależności P = XFr YFa. W przypadku łożysk kulkowych zwykłych, gdy stosunek obciążenia osiowego do promieniowego jest mały, można uprościć obliczenia i traktować obciążenie promieniowe jako czynnik decydujący. Gdy udział osiowy rośnie, obliczenia muszą uwzględniać większe obciążenie zastępcze.

1. Oszacuj obciążenie promieniowe na podstawie naprężenia paska, sił przekładni lub masy wirnika silnika.
2. Oszacuj obciążenie osiowe na podstawie sił wzdłużnych, osiowania wałów lub metod montażu.
3. Sprawdź stosunek Fa/Fr względem wartości granicznych łożyska.
4. Porównaj obciążenie równoważne P z obciążeniem dynamicznym C i dostosuj prędkość i smarowanie.
5. Rozważ konstrukcje łożysk, które poprawiają położenie osiowe, takie jak łożyska kołnierzowe lub łożyska z pierścieniem osadczym, bez zwiększania rzeczywistej nośności osiowej.

Kolejną kwestią jest luz wewnętrzny. Łożysko z luzem C3 może tolerować nieco większe obciążenie osiowe przed pojawieniem się obciążenia krawędziowego, ale może pracować głośniej. Aby zapewnić cichą pracę wentylatorów, wybierz normalny luz lub nawet C2. Dlatego też dostawca łożysk powinien znać zarówno wymagania dotyczące obciążenia, jak i hałasu.

Na przykład łożyska kulkowe zwykłe z kołnierzem ułatwiają umiejscowienie osiowe w małych zespołach silników i pomp. Kołnierz pełni funkcję elementu ustalającego, ale nie zwiększa nośności osiowej. To samo dotyczy łożysk z pierścieniem osadczym: pierścień zapobiega ruchowi wału, ale tor kulki ma konstrukcję z głębokimi rowkami.

Łożysko kołnierzowe F696ZZ do małych silników i instrumentów precyzyjnych Łożysko kołnierzowe 6×15×5 mm ze zintegrowanym kołnierzem do pozycjonowania osiowego w zespołach kompaktowych. Zapewnia płynny obrót i stabilność, idealny do mikrosilników, elektroniki i urządzeń precyzyjnych, gdzie przestrzeń jest ograniczona. Zobacz produkt →

W kompaktowym silniku lub małym elektronarzędziu nasze ekranowane łożysko kołnierzowe F696ZZ pomaga ustalić pozycję wału, zachowując jednocześnie płynny obrót w przypadku małych silników.

Praktyczne scenariusze: silniki, wentylatory i pompy

Typowy silnik elektryczny jest obciążony promieniowo od grawitacji i często od paska napędowego. Obciążenie osiowe jest zwykle małe, chyba że silnik napędza przekładnię śrubową lub przekładnię ślimakową. W takich przypadkach łożysko kulkowe zwykłe może nadal wytrzymać obciążenie, jeśli siła osiowa pozostaje poniżej zalecanej wartości procentowej wartości statycznej.

W wentylatorach i urządzeniach elektronicznych często stosuje się łożyska kompaktowe, takie jak 6901ZZ. Łożyska te muszą obracać się cicho i płynnie przy dużej prędkości. Dopuszczalne jest niewielkie obciążenie osiowe, ale duże obciążenie wzdłużne spowodowałoby, że łożysko byłoby hałaśliwe i krótkotrwałe.

Kompaktowe łożysko kulkowe 6901ZZ do wentylatorów i urządzeń elektronicznych Smukłe łożysko o wymiarach 12 × 24 × 6 mm przeznaczone do ograniczonych przestrzeni, oferujące niski poziom hałasu i stabilną pracę przy lekkich i średnich obciążeniach. Podwójne osłony zapobiegają przedostawaniu się kurzu, dzięki czemu nadają się do wentylatorów, małych silników i sprzętu precyzyjnego. Zobacz produkt →

Nasze kompaktowe łożysko kulkowe 6901ZZ jest przeznaczone do wentylatorów, silników i urządzeń elektronicznych, gdzie przestrzeń jest ograniczona, a płynna praca przy dużej prędkości ma kluczowe znaczenie.

W pompach i maszynach przemysłowych zwykle stosuje się cięższe łożyska, takie jak 6205ZZ lub ponadwymiarowe łożyska kulkowe zwykłe. W tym przypadku obciążenie promieniowe jest znaczące, ale składowa osiowa może również wzrosnąć w wyniku nacisku wirnika lub niewspółosiowości sprzęgła. W takich sytuacjach inżynierowie często dodają oddzielne łożysko oporowe lub wybierają większe łożysko, aby utrzymać równoważne obciążenie znacznie poniżej obciążenia znamionowego.

Prędkość wpływa również na nośność osiową. Przy dużej prędkości siła odśrodkowa działająca na kulki zmienia kąt zwilżania i ciśnienie filmu olejowego. Łożysko 6901ZZ pracujące z prędkością 10 000 obr./min nie przyjmie takiego samego obciążenia osiowego, jak to samo łożysko pracujące z prędkością 1000 obr./min, nawet jeśli obciążenie promieniowe może być mniejsze.

Tabela referencyjna: Zachowanie obciążenia promieniowego i osiowego

Użyj tej tabeli jako szybkiej kontroli poprawności podczas początkowej fazy wyboru łożyska.

Rola konstrukcji i materiałów nośnych

Łożyska kołnierzowe i łożyska z pierścieniem osadczym nie zmieniają nośności łożyska kulkowego zwykłego; zmieniają łatwość montażu. Kołnierz może umiejscowić łożysko w oprawie bez oddzielnego pierścienia uszczelniającego. Pierścień osadczy może utrzymać łożysko na miejscu na wale lub w otworze. Funkcje te są szczególnie przydatne w przypadku kompaktowych zespołów, w których dodatkowe komponenty spowodowałyby, że projekt byłby zbyt nieporęczny. Jeśli chcesz zrozumieć różnice, mamy szczegółowy przewodnik na ten temat dobór łożyska kołnierzowego który obejmuje funkcje, typy i oczywiście kompromisy.

Wybór materiału ma znaczenie dla odporności na korozję. Łożyska ze stali nierdzewnej są praktyczną opcją w maszynach spożywczych, urządzeniach medycznych i sprzęcie zewnętrznym. Jednakże stal nierdzewna ma na ogół nieco niższą nośność niż standardowa stal chromowana. Jeśli w zastosowaniu występuje również duże obciążenie osiowe, należy uwzględnić tę niższą rezerwę.

Ostateczna rekomendacja dla kupujących i inżynierów projektantów

Zacznij od obciążenia promieniowego, a następnie sprawdź obciążenie osiowe. Nie zakładaj, że ponieważ łożysko jest „do dużych obciążeń” lub „klasy przemysłowej”, może ono bez pomocy przyjąć duże siły osiowe. Zawsze żądaj dokładnych wymiarów i danych dotyczących obciążenia od producenta łożyska, zwłaszcza gdy obciążenie osiowe przekracza 20% obciążenia promieniowego. W przypadku projektów OEM i ODM należy podać obciążenia robocze, prędkość i temperaturę. Bezpośredni producent może następnie dostosować luz wewnętrzny, typ uszczelnienia i materiał, aby dopasować je do rzeczywistego zastosowania. Takie podejście zmniejsza ryzyko wczesnych awarii i utrzymuje całkowity koszt posiadania na niskim poziomie.

Jeśli obciążenie osiowe stale przekracza 30% obciążenia promieniowego, rozważ zastosowanie łożyska skośnego lub układu łączonego w parę. Jeśli jednak przestrzeń jest zbyt mała, niestandardowe łożysko kulkowe zwykłe ze zmodyfikowanym rozmiarem kulek i krzywizną bieżni może czasami zwiększyć nośność osiową w tej samej obudowie. W tym miejscu może pomóc producent OEM z niestandardowym doświadczeniem w zakresie łożysk.