Łożyska kołnierzowe: podstawowy wybór w zakresie uproszczonego ustawienia oprawy

Standardowe łożysko promieniowe nie ma wbudowanego zabezpieczenia przed przesuwaniem się przez prosty otwór przelotowy. Aby ustawić go osiowo, projektant tradycyjnie wkręca w obudowę występ, będący niewielkim stopniem, na którym opiera się pierścień zewnętrzny, lub dodaje pierścień ustalający po dalszej stronie. Obydwa rozwiązania działają, ale oba dodają również operacje obróbki, zaostrzają zakres tolerancji na obudowie i zwiększają liczbę błędów w montażu podczas produkcji.

Łożysko kołnierzowe eliminuje ten wymóg poprzez wysunięcie cienkiej wargi z jednego końca pierścienia zewnętrznego, o rozmiarze większym niż otwór, w którym jest osadzone. Kołnierz opiera się o powierzchnię czołową oprawy, a nie obrobiony maszynowo kołnierz wewnętrzny, więc sama oprawa może być prostym, prostym otworem, nawierconym lub rozwiercanym w jednym przejściu. To dlatego łożyska kołnierzowe tak konsekwentnie pojawiają się w kompaktowych zespołach elektromechanicznych, gdzie każdy dodatkowy etap obróbki zwiększa koszty, a każda dodatkowa tolerancja zwiększa ryzyko niewspółosiowości wału obrotowego.

Sprawa ekonomiczna staje się jaśniejsza w skali. Pojedyncze obrobione ramię wydłuża cykl produkcyjny prototypu o małej objętości tylko sekundy, ale w przypadku serii produkcyjnej obejmującej dziesiątki tysięcy sztuk ta sama operacja ma znaczący udział w całkowitym czasie i kosztach obróbki. Dodaje również wymiar, który należy zachować w tolerancji, co zwiększa ryzyko, że część nie przejdzie kontroli i zostanie złomowana lub przerobiona. Łożysko kołnierzowe przenosi tę odpowiedzialność za umiejscowienie na samo łożysko, komponent już wyprodukowany z zachowaniem wąskiej tolerancji, co jest rzeczą oczywistą, zamiast wymagać od dostawcy oprawy zapewnienia dodatkowego krytycznego wymiaru.

Łożyska kołnierzowe są klasyfikowane przy użyciu tych samych systemów ABEC i ISO 492, co w przypadku łożysk standardowych pod względem średnicy otworu, średnicy zewnętrznej i dokładności ruchu, ale kołnierz dodaje dodatkowe wymagania geometryczne, które nie występują w przypadku łożysk ślizgowych. Prostokątność czoła kołnierza, czyli prostopadłość czoła kołnierza do osi łożyska, oraz stała grubość kołnierza wpływają na równomierność osadzenia łożyska na powierzchni czołowej oprawy. Kołnierz, który nie jest kwadratowy, może wprowadzić mały kąt naprężenia w całym zespole, co objawia się wibracjami lub nierównym zużyciem, nawet jeśli klasa wymiarowa rdzenia łożyska jest poza tym wysoka.

Z tego powodu nabywcy określający łożyska kołnierzowe do zastosowań precyzyjnych powinni potwierdzić tolerancję prostopadłości kołnierza oddzielnie od ogólnej klasy ABEC lub ISO, ponieważ nie każdy producent domyślnie publikuje tę wartość i nie poprawia się ona automatycznie po prostu dlatego, że wybrano wyższą klasę precyzji rdzenia.

Praktycznym sposobem zażądania tego w specyfikacji jest zwrócenie się bezpośrednio do producenta o maksymalną wartość bicia kołnierza mierzoną względem osi otworu, zamiast zakładać, że tę funkcję obejmuje wyłącznie numeryczna klasa ABEC lub ISO. Producenci doświadczeni w produkcji precyzyjnych łożysk kołnierzowych będą mieli dostęp do tych danych, a dostawca, który nie jest w stanie ich dostarczyć, powinien być traktowany jako sygnał do sprawdzenia jakości kołnierza poprzez kontrolę przychodzącą przed podjęciem dużego zamówienia produkcyjnego.

W robotyce i automatyce łożyska kołnierzowe są szeroko stosowane w stopniach przekładni i modułach przegubowych, gdzie oprawa z prostym otworem utrzymuje prostą otaczającą konstrukcję, a jednocześnie zapewnia łożysku niezawodne, powtarzalne położenie osadzenia. W małych silnikach i siłownikach łożyska kołnierzowe montowane bezpośrednio w wytłoczonej lub formowanej obudowie eliminują potrzebę stosowania oddzielnego elementu ustalającego, co ma znaczenie, gdy sama obudowa jest produkowana na dużą skalę, a każdy dodatkowy etap obróbki mnoży się w każdym wyprodukowanym egzemplarzu.

W elektronice użytkowej i urządzeniach hobbystycznych, w tym pojazdach RC i małych dronach, stosuje się łożyska kołnierzowe, ponieważ obudowy są często formowane z tworzywa sztucznego, w przypadku których precyzyjna obróbka wewnętrznego kołnierza jest znacznie trudniejsza i kosztowniejsza niż formowanie prostego prostego otworu. W obudowach instrumentów medycznych oraz mechanizmach kamer lub optycznych kołnierz pełni także funkcję drugorzędną, działając jako bariera świetlna przed kurzem i zanieczyszczeniami migrującymi wzdłuż wału, uzupełniając uszczelnienie zamontowane na samym łożysku.

Łożyska kołnierzowe zazwyczaj charakteryzują się niewielką wyższą ceną jednostkową w porównaniu z równoważnym łożyskiem bez kołnierza, zazwyczaj w zakresie od dziesięciu do dwudziestu pięciu procent, co odzwierciedla dodatkowy etap formowania lub obróbki wymagany do wytworzenia samego kołnierza oraz dodatkową kontrolę niezbędną do potwierdzenia prostopadłości kołnierza. Odrębnie ta premia wygląda na dodatkowy koszt, ale należy ją porównać z tym, co zastępuje, a nie samą ceną łożyska ślizgowego.

Obrobiony maszynowo występ w metalowej obudowie zwykle kosztuje więcej za jednostkę niż premia za kołnierz, jeśli uwzględni się zużycie narzędzi, czas cyklu i dodatkowy punkt kontroli, a szczelina rozszerza się jeszcze bardziej, gdy obudowa jest formowaną częścią z tworzywa sztucznego, ponieważ prosty otwór przelotowy jest znacznie prostszą cechą formy niż wewnętrzne ramię z kontrolowaną wysokością stopnia. W przypadku produkcji wielkoseryjnej porównanie to zwykle zdecydowanie faworyzuje łożysko kołnierzowe. W przypadku prac o małej objętości lub prototypów różnica jest mniejsza i każde podejście może być rozsądne w zależności od istniejących ograniczeń narzędziowych i projektowych, a zespół projektowy powinien przeprowadzić to porównanie w oparciu o własną rzeczywistą wielkość produkcji, zamiast zakładać wynik bez sprawdzenia rzeczywistych liczb podanych w obu ścieżkach produkcyjnych.