Co to są łożyska kulkowe skośne i jak działają, rodzaje i zastosowania?

Zasada działania łożysk kulkowych skośnych

Zrozumienie zasady działania zaczynają się łożyska kulkowe skośne z kątem zwilżania, ponieważ to właśnie ten parametr geometryczny zasadniczo kontroluje wszystkie pozostałe właściwości użytkowe łożyska. W standardowym łożysku kulkowym zwykłym kontakt kulki z obiema bieżniami jest w przybliżeniu promieniowy, co oznacza, że ​​linia przenoszenia obciążenia pomiędzy punktem styku bieżni wewnętrznej, środkiem kulki i punktem styku bieżni zewnętrznej jest prawie prostopadła do osi łożyska. Geometria bieżni w takim łożysku skutecznie wytrzymuje obciążenia promieniowe, ale zapewnia ograniczoną odporność na obciążenia osiowe, ponieważ geometria styku kulki z bieżnią nie stanowi dużego rzutu w kierunku osiowym, aby wytrzymać siłę osiową.

Znaczenie kąta zwilżania

w konstrukcja łożyska skośnego , wewnętrzne i zewnętrzne rowki bieżni są rozmieszczone asymetrycznie wzdłuż osi łożyska, tworząc przesunięcie pomiędzy wewnętrzną i zewnętrzną płaszczyzną środkową rowka. Kiedy kulka osadza się w tych przesuniętych rowkach, linia łącząca jej wewnętrzne i zewnętrzne punkty styku bieżni jest nachylona pod kątem zwilżania względem płaszczyzny promieniowej. To nachylenie oznacza, że nośność łożyska rozkłada się pomiędzy kierunkiem promieniowym i osiowym zgodnie z kątem zwilżania: wraz ze wzrostem kąta działania zwiększa się część nośności łożyska dostępnej w kierunku osiowym, podczas gdy nośność promieniowa maleje proporcjonalnie.

W szczególności w przypadku łożyska o kącie działania alfa nośność osiowa jest proporcjonalna do sin(alfa), a nośność promieniowa jest proporcjonalna do cos(alfa). Przy kącie zwilżania 15 stopni sin(15°) wynosi 0,259, a cos(15°) wynosi 0,966, co wskazuje na łożysko zoptymalizowane głównie pod kątem obciążeń promieniowych o umiarkowanej nośności osiowej. Przy kącie zwilżania 40 stopni sin(40°) wynosi 0,643, a cos(40°) wynosi 0,766, co wskazuje na znacznie większy udział nośności w kierunku osiowym. Kąt działania 40 stopni to standardowy wybór w zastosowaniach, w których głównym czynnikiem wpływającym na konstrukcję są obciążenia osiowe, takich jak wrzeciona obrabiarek pracujące pod dużymi siłami skrawania w jednym kierunku lub łożyska oporowe siłowników śrubowych.

wternal Raceway Displacement Along the Bearing Axis

Przesunięcie pomiędzy wewnętrzną i zewnętrzną płaszczyzną środkową rowka w łożysku kulkowym skośnym oznacza, że linia działania wypadkowej siły łożyska przechodzi przez łożysko w punkcie osi łożyska, który jest przesunięty od geometrycznego środka łożyska. Ten przesunięty punkt przyłożenia obciążenia nazywany jest środkiem nacisku lub efektywnym środkiem obciążenia łożyska. W przypadku łożysk kulkowych skośnych jednorzędowych środek nacisku znajduje się poza szerokością łożyska, po stronie, od której działa obciążenie osiowe. To przesunięcie środka nacisku ma znaczące konsekwencje dla konstrukcji łożyskowania, szczególnie w konfiguracjach łożysk sparowanych, ponieważ odległość między środkami nacisku dwóch łożysk w układzie determinuje efektywną rozpiętość łożyska, a tym samym sztywność układu i reakcje momentów indukowanych na wale.

Połączona obsługa obciążeń promieniowych i osiowych

Łożyska kulkowe skośne przenoszą połączone obciążenia poprzez nachylenie linii obciążenia stykowego pomiędzy każdą kulką a jej bieżniami. Kiedy na łożysko przykładane jest połączone obciążenie promieniowe i osiowe, wypadkowa siła na każdej obciążonej kulce z punktem styku bieżni ma składowe promieniowe i osiowe, które są rozdzielane poprzez nachyloną geometrię styku. Zdolność łożyska do wytrzymywania połączonych obciążeń jest określana ilościowo poprzez równoważne obciążenie dynamiczne, które jest obliczonym obciążeniem pojedynczej osi, które wytwarza taką samą trwałość zmęczeniową łożyska, jak rzeczywiste łączne obciążenie. Równoważne obciążenie dynamiczne P oblicza się jako P = X × Fr Y × Fa, gdzie Fr to obciążenie promieniowe, Fa to obciążenie osiowe, a X i Y to współczynniki obciążenia promieniowego i osiowego, które zależą od kąta zwilżania i stosunku obciążenia osiowego do promieniowego. Dla kąta działania 40 stopni w warunkach czystego obciążenia osiowego współczynnik Y zbliża się do 0,6, co oznacza, że ​​nośność osiowa wynosi około 67 procent podstawowej nośności dynamicznej C, znacznie więcej niż współczynnik Y wynoszący około 1,0 dla łożyska o kącie działania 15 stopni.

Rodzaje łożysk kulkowych skośnych

Łożyska kulkowe skośne są produkowane w kilku konfiguracjach konstrukcyjnych, z których każda jest zoptymalizowana pod kątem różnych kombinacji kierunku obciążenia, ograniczeń przestrzennych i wymagań montażowych. Zrozumienie charakterystyki każdego typu jest niezbędne do wybrania prawidłowego łożyska do konkretnego zastosowania.

Łożyska kulkowe skośne jednorzędowe

The jednorzędowe łożysko kulkowe skośne to podstawowa i najczęściej stosowana konfiguracja w rodzinie łożysk skośnych. Składa się z pojedynczego rzędu kulek poruszających się w przesuniętych rowkach bieżni wewnętrznej i zewnętrznej, z klatką utrzymującą odstęp kulek i charakterystyczny kąt zwilżania, który określa rozkład nośności. Kluczowe cechy łożysk kulkowych skośnych jednorzędowych to:

• Możliwość dużej prędkości: Niska masa i dobrze określona geometria styków konstrukcji jednorzędowej, w połączeniu z precyzyjnymi tolerancjami produkcyjnymi, umożliwiają pracę przy bardzo dużych prędkościach obrotowych. Ograniczenie prędkości jednorzędowego łożyska kulkowego skośnego wyraża się jako iloczyn średnicy otworu w milimetrach i prędkości w obr./min (wartość DN), przy czym wartości do 3 milionów DN można osiągnąć w konstrukcjach precyzyjnych smarowanych olejem.
• Jednokierunkowa obciążalność osiowa: Łożysko kulkowe skośne jednorzędowe może przenosić obciążenia osiowe tylko w jednym kierunku: w kierunku, w którym kulki opierają się o wyższe pobocze bieżni zewnętrznej (lub bieżni wewnętrznej, w zależności od orientacji łożyska). Jeżeli zastosowanie wymaga przenoszenia obciążenia osiowego w obu kierunkach, należy zastosować dwa łożyska jednorzędowe w układzie sparowanym lub wybrać alternatywny typ łożyska.
• Precyzja i sztywność: Łożyska kulkowe skośne jednorzędowe produkowane są w klasach dokładności (ABEC 5, 7 i 9 lub ISO P5, P4 i P2), które zapewniają dokładność wymiarową i dokładność ruchu wymaganą w zastosowaniach z wrzecionami precyzyjnymi. Odpowiednio wstępnie naprężone w układzie sparowanym zapewniają wyjątkową sztywność i dokładność pozycjonowania.

Ponieważ jednorzędowe łożysko kulkowe skośne może przenosić obciążenia osiowe tylko w jednym kierunku, w praktycznie wszystkich praktycznych zastosowaniach należy je łączyć z innym łożyskiem. Stosowane są trzy standardowe układy parowania:

• Układ back to back (DB): Obydwa łożyska są zamontowane tak, aby ich wysokie barki były skierowane w stronę przeciwną do siebie (tyłami do siebie). Taki układ zapewnia szeroką efektywną rozpiętość pomiędzy środkami nacisku, zapewniając wysoką wytrzymałość na moment przechylający i czyniąc układ odpowiednim do zastosowań, w których obciążenia wiszące powodują znaczne momenty zginające na wale.
• Układ twarzą w twarz (DF): Obydwa łożyska są zamontowane tak, aby ich wysokie barki były skierowane do siebie (twarzą w twarz). Układ ten zapewnia wąską rozpiętość efektywną i jest bardziej tolerancyjny na niewspółosiowość wałów niż układ DB, dzięki czemu nadaje się do wałów, które mogą uginać się pod obciążeniem lub tam, gdzie dokładność montażu jest ograniczona.
• Układ tandemowy (DT): Obydwa łożyska są zamontowane z tą samą orientacją, więc ich nośność osiowa sumuje się w jednym kierunku. Układ ten stosuje się, gdy pojedyncze łożysko jest niewystarczające do przeniesienia wymaganego obciążenia osiowego w jednym kierunku i dodaje się drugie łożysko w tandemie, aby podwoić nośność osiową. Układ tandemowy nie może przenosić obciążeń osiowych w przeciwnym kierunku i należy go połączyć z innym łożyskiem, aby zapewnić wiązanie osiowe w obu kierunkach.

Łożyska kulkowe skośne dwurzędowe

The dwurzędowe łożysko kulkowe skośne zawiera dwa rzędy kulek w pojedynczej obudowie łożyska, skutecznie łącząc dwa łożyska jednorzędowe w układzie tyłem do tyłu lub twarzą w twarz w ramach tego samego pierścienia zewnętrznego i otworu. Konstrukcja ta zapewnia znaczne korzyści w zastosowaniach, w których ograniczenia przestrzenne uniemożliwiają zastosowanie dwóch oddzielnych łożysk jednorzędowych lub gdzie pożądana jest prostota pojedynczego zespołu łożyskowego ze względu na łatwość montażu i zmniejszenie złożoności montażu. Łożysko kulkowe skośne dwurzędowe z natury przenosi obciążenia osiowe w obu kierunkach, ponieważ jego dwa rzędy są zorientowane pod przeciwnymi kątami działania. Jeśli chodzi o oszczędność miejsca, dwurzędowe łożysko kulkowe skośne pozwala zazwyczaj zaoszczędzić od 30 do 40 procent przestrzeni osiowej wymaganej dla dwóch oddzielnych łożysk jednorzędowych o równoważnej nośności, co czyni je preferowanym wyborem w przypadku kompaktowych konstrukcji wrzecion i łożysk przyrządów, w których wymiary koperty mają kluczowe znaczenie.

Łożyska kulkowe skośne czteropunktowe

Łożyska kulkowe skośne czteropunktowe wykorzystują unikalną konstrukcję bieżni, w której każda kulka styka się zarówno z bieżnią wewnętrzną, jak i zewnętrzną w dwóch punktach jednocześnie, tworząc cztery punkty styku na kulkę (dwa na bieżni wewnętrznej i dwa na bieżni zewnętrznej). Konstrukcja ta została osiągnięta poprzez zastosowanie gotyckiego łukowego profilu bieżni o promieniu krzywizny nieco mniejszym niż promień kuli, tworząc dwa oddzielne punkty styku na każdej powierzchni bieżni, a nie pojedynczy centralny styk standardowego okrągłego rowka łukowego. Czteropunktowa konstrukcja styku pozwala łożysku jednorzędowemu przenosić obciążenia osiowe w obu kierunkach jednocześnie, czego nie są w stanie osiągnąć standardowe jednorzędowe łożyska kulkowe skośne, przy jednoczesnym zachowaniu bardzo zwartej powłoki osiowej. Nośność osiowa czteropunktowego łożyska kulkowego na jednostkę szerokości osiowej jest znacznie wyższa niż standardowego jednorzędowego łożyska kulkowego skośnego o tym samym średnicy i średnicy zewnętrznej, co czyni tę konstrukcję preferowanym wyborem w przypadku pierścieni obrotowych, łożysk gramofonów i innych zastosowań, w których duże obciążenia osiowe w obu kierunkach muszą być przeniesione w cienkim przekroju. Ograniczeniem konstrukcji czteropunktowego styku jest to, że jednoczesny dwupunktowy styk na każdej bieżni generuje wyższe naprężenia wewnętrzne w każdym punkcie styku i wytwarza więcej ciepła przy dużych prędkościach obrotowych, ograniczając maksymalną prędkość znamionową w porównaniu ze standardowymi konstrukcjami jednorzędowymi.

Łożyska kulkowe skośne Seria produktów: 7000, 7200 i 7300

System oznaczeń serii wymiarowej łożysk kulkowych skośnych jest zgodny ze strukturą oznaczeń łożysk ISO, w której pierwsza cyfra numeru łożyska wskazuje szereg wymiarowy (zależność między średnicą otworu a średnicą zewnętrzną), a kąt działania jest określony osobno. Trzy główne serie standardowe łożysk kulkowych skośnych do ogólnych zastosowań przemysłowych i precyzyjnych to serie 7000, 7200 i 7300, które reprezentują odpowiednio serie wymiarowe lekkie, średnie i ciężkie.

Łożyska kulkowe skośne serii 7000 to wysoce precyzyjne, szybkobieżne łożyska jednorzędowe zaprojektowane z małym kątem działania, zwykle około 15 stopni, co czyni je idealnymi do zastosowań, w których prędkość i dokładność są ważniejsze niż nośność. Ich zoptymalizowana geometria wewnętrzna zmniejsza tarcie i wytwarzanie ciepła, umożliwiając stabilną pracę przy bardzo wysokich prędkościach obrotowych przy jednoczesnym zachowaniu doskonałej sztywności i stabilności wymiarowej. Dzięki precyzyjnej produkcji i wysokiej jakości materiałom łożyska te charakteryzują się niskim poziomem wibracji i hałasu, co czyni je szczególnie odpowiednimi do wrzecion obrabiarek CNC, silników precyzyjnych, instrumentów medycznych i systemów automatyki o dużej prędkości, gdzie niezbędna jest płynna praca i dokładność.

Łożyska kulkowe skośne serii 7200 zostały zaprojektowane z większym kątem działania, zwykle od 20 do 30 stopni, zapewniając zrównoważoną wydajność pomiędzy obciążalnością osiową i promieniową. Taka konstrukcja umożliwia łożyskom przenoszenie znacznych obciążeń osiowych w obu kierunkach, przy jednoczesnym zachowaniu stabilności w warunkach dużych prędkości. Dzięki dużej sztywności, kontrolowanej rozszerzalności cieplnej i precyzyjnym poziomom tolerancji seria 7200 działa niezawodnie w wymagających środowiskach, które wymagają zarówno dokładności, jak i trwałości. Łożyska te są szeroko stosowane we wrzecionach obrabiarek o wysokiej precyzji, silnikach przemysłowych, zautomatyzowanych liniach produkcyjnych i systemach robotycznych, gdzie wymagane są połączone obciążenia i stała wydajność.

Łożyska kulkowe skośne serii 7300 są przeznaczone do zastosowań w ciężkich warunkach, charakteryzują się dużym kątem zwilżania wynoszącym około 30 stopni, co pozwala im wytrzymać znaczne obciążenia osiowe i niezawodnie pracować w warunkach dużego obciążenia. Ich solidna konstrukcja w połączeniu z wysokiej jakości stalą i zaawansowanymi procesami produkcyjnymi zapewnia doskonałą sztywność, odporność na zmęczenie i długą żywotność nawet w trudnych warunkach pracy. Łożyska te utrzymują stabilną pracę przy wysokich prędkościach i temperaturach, co czyni je idealnymi do dużych systemów obrabiarek, ciężkiego sprzętu przemysłowego, zastosowań lotniczych i kosmicznych oraz maszyn precyzyjnych, które wymagają zarówno dużej nośności, jak i długoterminowej stabilności operacyjnej.

Seria	Seria wymiarowa	Typowy kąt zwilżania	Możliwość prędkości	Charakterystyka obciążenia	Podstawowe zastosowania
Seria 7000	Dodatkowe światło (00)	15 stopni	Bardzo wysoka (do 3 milionów DN)	Wysokie promieniowe, umiarkowanie osiowe	Wrzeciona CNC, silniki precyzyjne, instrumenty medyczne
Seria 7200	Światło (02)	20 do 30 stopni	Wysoka (do 2 milionów DN)	Zrównoważone obciążenie łączone	Wrzeciona obrabiarek, silniki przemysłowe, robotyka
Seria 7300	Średnie (03)	30 stopni	Średnie (do 1,5 mln DN)	Wysoka nośność osiowa	Ciężkie obrabiarki, przemysł lotniczy, sprzęt przemysłowy

Specyfikacje techniczne łożysk kulkowych skośnych

Łożyska kulkowe skośne są produkowane według dokładnie kontrolowanych specyfikacji technicznych, które regulują ich dokładność wymiarową, dokładność ruchu, wykończenie powierzchni i właściwości materiału. Zrozumienie tych specyfikacji jest niezbędne przy wyborze łożysk, które spełnią wymagania dotyczące precyzji i wydajności w wymagających zastosowaniach.

Klasy precyzji: normy ABEC i ISO

Łożyska kulkowe skośne do zastosowań precyzyjnych są produkowane w klasach tolerancji precyzji określonych przez ABEC (Komitet ds. Inżynierów Łożysk Pierścieniowych) w Ameryce Północnej i przez ISO (Międzynarodową Organizację Normalizacyjną) na całym świecie. Klasa dokładności określa tolerancje średnicy otworu, średnicy zewnętrznej, szerokości, bicia promieniowego pierścieni wewnętrznego i zewnętrznego oraz bicia osiowego powierzchni łożysk. Standardowe klasy precyzji w rosnącej kolejności precyzji to:

• ABEC 1 (ISO Normalny lub P0): Standardowa precyzja do ogólnych zastosowań przemysłowych, odpowiednia dla większości silników, pomp i maszyn ogólnych, gdzie dokładność pozycjonowania nie jest wymogiem krytycznym.
• ABEC 3 (ISO P6): Ulepszona klasa precyzji z węższymi tolerancjami dokładności wymiarowej i dokładności ruchu, stosowana w zastosowaniach wymagających lepszej niż standardowa kontroli wymiarowej i zmniejszonego bicia promieniowego.
• ABEC 5 (ISO P5): Klasa precyzji do wrzecion obrabiarek, silników precyzyjnych i innych zastosowań, w których dokładność obrotowa i powtarzalność wymiarowa mają kluczowe znaczenie. Łożyska ABEC 5 mają tolerancję bicia promieniowego na pierścieniu wewnętrznym rzędu 5 mikrometrów.
• ABEC 7 (ISO P4): Wysoka klasa precyzji do wymagających zastosowań wrzecion obrabiarek i precyzyjnych instrumentów. Tolerancje bicia promieniowego są zmniejszone do około 2,5 mikrometra, a tolerancje otworu i średnicy zewnętrznej są odpowiednio zaostrzone. Łożyska kulkowe skośne ABEC 7 i ABEC 9 to standardowa specyfikacja dla wysoce precyzyjnych wrzecion szlifierek i współrzędnościowych wrzecion maszyn pomiarowych, gdzie wymagana jest dokładność pozycjonowania poniżej mikrona.
• ABEC 9 (ISO P2): Klasa ultraprecyzyjności do najbardziej wymagających zastosowań w żyroskopach, precyzyjnych instrumentach i wrzecionach o bardzo dużej prędkości, z tolerancjami bicia promieniowego rzędu 1 mikrometra.

Materiały na klatki: stal, mosiądz i poliamid

Koszyk w łożysku kulkowym skośnym utrzymuje obwodowy odstęp kulek, prowadzi kulki podczas obrotu i rozprowadza smar w łożysku. Wybór materiału koszyka ma znaczący wpływ na prędkość łożyska, zakres temperatur roboczych i kompatybilność z różnymi systemami smarowania:

• Klatka ze stali tłoczonej: Najpopularniejszy materiał koszyków do standardowych i średnioprecyzyjnych łożysk kulkowych skośnych. Klatki stalowe są mocne, stabilne wymiarowo i kompatybilne ze smarowaniem smarem plastycznym i olejem w szerokim zakresie temperatur od około -40 stopni Celsjusza do 150 stopni Celsjusza. Ich większa masa w porównaniu z koszykami poliamidowymi ogranicza ich zastosowanie w zastosowaniach wymagających największych prędkości.
• Klatka mosiężna (obrabiana maszynowo): Obrobione maszynowo koszyki mosiężne są stosowane w precyzyjnych łożyskach kulkowych skośnych do wrzecion obrabiarek i zastosowań wysokotemperaturowych. Mosiądz jest stabilny wymiarowo, ma dobrą przewodność cieplną i jest kompatybilny ze smarowaniem olejowym w temperaturach do 200 stopni Celsjusza. Masa koszyków mosiężnych jest większa niż koszyków poliamidowych, ale mniejsza niż koszyków stalowych o przekroju równoważnym.
• Koszyk poliamidowy (formowany): wjection molded polyamide (nylon) cages are the preferred choice for very high speed applications because their low density (approximately one seventh that of steel) significantly reduces centrifugal loading on the cage and the ball to cage contact forces at high rotational speeds. Polyamide cages are compatible with grease lubrication and non aggressive oil lubrication up to approximately 120 degrees Celsius, limiting their use in high temperature applications.

Metody smarowania: smar a systemy olejowe

Układ smarowania łożyska kulkowego skośnego ma ogromny wpływ na jego temperaturę roboczą, ograniczenie prędkości i żywotność. W praktyce stosowane są dwie podstawowe metody smarowania:

• Smarowanie smarem: Łożyska kulkowe skośne smarowane smarem plastycznym mają prostsze wymagania dotyczące układu nośnego, ponieważ nie wymagają zewnętrznego zasilania olejem, pompy ani układu recyrkulacji. Stosowany jest precyzyjny smar wysokoobrotowy o niskiej lepkości oleju bazowego (15 do 50 cSt w temperaturze 40 stopni Celsjusza) i odpowiednim zagęszczaczem (zazwyczaj kompleksem litu lub polimocznikiem). Smarowanie smarem jest odpowiednie dla parametrów prędkości (wartości DN) do około 1,5 miliona dla łożysk kulkowych skośnych, powyżej których wytwarzanie ciepła w smarze przekracza jego zdolność do rozpraszania ciepła, a smar ulega szybkiej degradacji. Łożyska smarowane smarem stałym są wstępnie napełniane w fabryce i nie wymagają konserwacji ze strony użytkownika podczas normalnego okresu użytkowania w typowych zastosowaniach, zwykle osiągając okres użytkowania wynoszący kilka tysięcy godzin, zanim wymagane będzie ponowne smarowanie.
• Smarowanie olejowe (krążąca mgła olejowa i powietrzna): W zastosowaniach wymagających bardzo dużych prędkości, takich jak wrzeciona szlifierskie i precyzyjne centra obróbcze pracujące powyżej prędkości granicznej smaru, wymagane jest smarowanie olejem. Stosowane są dwie metody smarowania olejowego: smarowanie mgłą olejową, podczas którego drobna mgiełka kropelek oleju jest przenoszona do łożyska za pomocą strumienia powietrza; oraz smarowanie olejowo-powietrzne (zwane także smarowaniem minimalną ilością), w którym precyzyjnie odmierzone małe ilości oleju są dostarczane do łożyska w określonych odstępach czasu za pomocą nośnika sprężonego powietrza. Układy smarowania olejem powietrznym mogą wytrzymać wartości DN od 2 do 3 milionów w łożyskach kulkowych skośnych, co stanowi ponad dwukrotność limitu smarowania smarem, zapewniając ciągły dopływ świeżego oleju, który usuwa ciepło ze stref styku łożyska i zapobiega rozkładowi termicznemu filmu smarnego.

Zastosowania łożysk kulkowych skośnych

Połączenie dużej prędkości, precyzji i łącznej nośności sprawia, że łożyska kulkowe skośne są standardowym wyborem w szerokim spektrum wymagających zastosowań w maszynach wirujących. W poniższych sekcjach opisano główne obszary zastosowań i specyficzne wymagania dotyczące łożysk.

Wrzeciona obrabiarek

Wrzeciona obrabiarek stanowią najbardziej wymagający technicznie i najważniejszy pod względem handlowym sektor zastosowań precyzyjnych łożysk kulkowych skośnych. Wrzeciono musi jednocześnie osiągać bardzo dużą dokładność obrotową (aby wytwarzać precyzyjne detale), pracować z dużymi prędkościami obrotowymi (aby osiągnąć optymalne prędkości skrawania nowoczesnymi narzędziami skrawającymi z węglików i ceramiki), wytrzymywać połączone promieniowe i osiowe siły skrawania powstające podczas obróbki, utrzymywać stabilność wymiarową w szerokim zakresie temperatur pracy i osiągać żywotność kilkudziesięciu tysięcy godzin pracy. Łożyska kulkowe skośne spełniają wszystkie te wymagania, jeśli są prawidłowo dobrane i są stosowane w praktycznie każdym typie wrzeciona obrabiarki: we frezowaniu, toczeniu, szlifowaniu, wierceniu i wytaczaniu.

w a typical machining center spindle, two or three angular contact ball bearings in a DB or tandem face arrangement at the front, with a single floating bearing at the rear, provide the high rigidity and high speed support required. Front bearings are preloaded to maximize stiffness; the rear bearing floats axially to accommodate thermal expansion.

Pompy i kompresory

Pompy odśrodkowe i sprężarki wykorzystują łożyska kulkowe skośne do podparcia wałów wirnika przed połączonymi obciążeniami promieniowymi i osiowymi wynikającymi z niewyważenia wirnika, sił reakcji płynu i różnic ciśnień na wirniku. W pompach tłoczących ciecze korozyjne ceramiczne, hybrydowe łożyska kulkowe skośne z kulkami z azotku krzemu zapewniają odporność na korozję wymaganą do niezawodnej pracy w agresywnym środowisku cieczy.

Systemy motoryzacyjne

Łożyska kulkowe skośne pełnią krytyczne funkcje w wielu podsystemach motoryzacyjnych. W zespołach piast kół samochodowych (szczególnie w piastach napędu przednich kół) łożyska kulkowe skośne w konfiguracji dwurzędowej przenoszą połączone obciążenia promieniowe pochodzące od masy pojazdu i obciążenia osiowe wynikające z sił na zakrętach, które mogą kilkakrotnie przewyższać masę statyczną pojazdu na obciążonym kole. Łożyska alternatora samochodowego i silnika elektrycznego wspomagania układu kierowniczego wykorzystują precyzyjne łożyska kulkowe skośne, aby osiągnąć połączenie niskiego poziomu hałasu, długiej żywotności i odporności na obciążenia osiowe generowane przez siły zębów przekładni śrubowej i obciążenia naciągu paska.

Silniki i turbiny dużej prędkości

Wysokoobrotowe silniki elektryczne, turbiny gazowe i turbosprężarki pracują z prędkościami, przy których niezawodne działanie zapewniają wyłącznie łożyska kulkowe skośne o najwyższej precyzji i zoptymalizowanym smarowaniu. Łożyska turbosprężarki pracują przy prędkościach obrotowych wału do 300 000 obr/min, podwyższonych temperaturach od strony spalin i znacznych zmianach obciążenia promieniowego i osiowego. Specjalistyczne łożyska kulkowe skośne z kulkami ceramicznymi z azotku krzemu stały się standardem w nowoczesnych konstrukcjach turbosprężarek, ponieważ mniejsza masa i większa twardość kulek ceramicznych zmniejszają obciążenie odśrodkowe i naprężenia kontaktowe, znacznie wydłużając żywotność w porównaniu do wszystkich konstrukcji stalowych.

Dobór i konserwacja łożysk kulkowych skośnych

Prawidłowy wybór łożyska kulkowe skośne wymaga systematycznej analizy inżynierskiej warunków obciążenia aplikacji, wymagań dotyczących prędkości, ograniczeń przestrzennych, wymagań dotyczących precyzji i warunków środowiskowych. Nieprawidłowy dobór jest najczęstszą przyczyną przedwczesnej awarii łożyska w trakcie eksploatacji, a poniższe ramy obejmują podstawowe etapy prawidłowego procesu doboru.

Obliczanie równoważnego obciążenia dynamicznego

Podstawowym punktem wyjścia przy doborze łożyska kulkowego skośnego jest obliczenie zastępczego obciążenia dynamicznego, które przekształca rzeczywiste połączone obciążenie promieniowe i osiowe działające na łożysko w jedno równoważne obciążenie promieniowe, które można porównać z podstawową nośnością dynamiczną łożyska. Wzór to P = X × Fr Y × Fa, gdzie X to współczynnik obciążenia promieniowego, a Y to współczynnik obciążenia osiowego z katalogu producenta łożyska dla określonego kąta działania i współczynnika obciążenia. Po obliczeniu zastępczego obciążenia dynamicznego P, podstawową trwałość znamionową L10 (w milionach obrotów) można określić jako L10 = (C/P)^3, gdzie C jest podstawowym obciążeniem dynamicznym. Dla wymaganej trwałości użytkowej w godzinach można ponownie obliczyć wymaganą nośność, aby sprawdzić, czy wybrane łożysko zapewnia odpowiednią trwałość zmęczeniową przy prędkości roboczej i obciążeniu.

Metody wstępnego obciążania zapewniające sztywność

Naprężanie wstępne polega na przyłożeniu wewnętrznej siły osiowej do pary łożysk kulkowych skośnych w celu wyeliminowania luzu wewnętrznego i wytworzenia wstępnego napięcia ściskającego na elementach tocznych, zwiększając sztywność stykową układu łożyskowego. Naprężenie wstępne jest niezbędne w precyzyjnych zastosowaniach wrzecion, aby zmaksymalizować sztywność systemu i zminimalizować ugięcie wału pod obciążeniem skrawającym. Stosowane są dwie metody wstępnego ładowania:

• Pozycyjne napięcie wstępne (sztywne napięcie wstępne): Napięcie wstępne jest ustawiane poprzez kontrolowanie przemieszczenia osiowego pomiędzy pierścieniem wewnętrznym i zewnętrznym pary łożysk za pomocą precyzyjnych długości elementów dystansowych. Pozycyjne napięcie wstępne zapewnia bardzo wysoką i dobrze określoną sztywność, ale może mieć na nie wpływ zróżnicowana rozszerzalność cieplna wału i obudowy, co może nieprzewidywalnie zwiększyć napięcie wstępne w podwyższonych temperaturach. Pozycyjne napięcie wstępne stosowane jest we wrzecionach szlifierskich o wysokiej precyzji i innych zastosowaniach, w których istotna jest maksymalna sztywność.
• Napięcie wstępne sprężyny (naprężenie wstępne o stałej sile): Sprężyna śrubowa lub sprężyna talerzowa służy do przykładania stałej siły osiowej do pary łożysk, utrzymując określony poziom napięcia wstępnego niezależnie od temperatury i ugięcia wału. Napięcie wstępne sprężyny jest bardziej tolerancyjne na zmiany wymiarów podczas pracy i jest preferowane w zastosowaniach, w których stabilność termiczna i stałe napięcie wstępne w całym zakresie temperatur roboczych są ważniejsze niż maksymalna sztywność. Poziomy napięcia wstępnego sprężyn w przypadku łożysk kulkowych skośnych we wrzecionach obrabiarek mieszczą się zazwyczaj w zakresie od 50 do 500 niutonów w przypadku precyzyjnych łożysk wrzecion o średnicy otworu od 20 do 80 milimetrów, przy czym konkretna wartość jest określana na podstawie kompromisu pomiędzy sztywnością a wytwarzaniem ciepła, który jest akceptowalny w danym zastosowaniu.

wstallation Best Practices

Prawidłowy montaż jest równie ważny jak właściwy dobór w celu osiągnięcia oczekiwanej żywotności łożyska. Kluczowe praktyki montażowe łożysk kulkowych skośnych są następujące:

1. Obsługuj łożyska precyzyjne za pomocą czystych, suchych narzędzi i pracuj w czystym środowisku. Nawet małe cząstki zanieczyszczeń wprowadzone podczas montażu mogą powodować przedwczesne zużycie i zmęczenie precyzyjnie wykończonych powierzchni bieżni łożysk precyzyjnych.
2. Podczas montażu nigdy nie wywieraj siły na elementy toczne. Siłę montażową należy zawsze przykładać do pasowanego pierścienia łożyska. Aby uzyskać pasowanie ciasne na wale, należy przyłożyć siłę montażową do pierścienia wewnętrznego. Aby uzyskać pasowanie ciasne w oprawie, należy przyłożyć siłę do pierścienia zewnętrznego. Przyłożenie siły przez elementy toczne powoduje uszkodzenie Brinella na bieżniach, co pogarsza dokładność pracy i zwiększa wibracje.
3. Sprawdź poprawną orientację sparowanych łożysk. Łożyska kulkowe skośne jednorzędowe są oznaczone znakiem identyfikacyjnym na pierścieniu zewnętrznym, wskazującym kierunek kąta działania. Aby układ działał prawidłowo, sparowane łożyska muszą być prawidłowo ustawione (zwrócone tyłem do siebie, twarzą w twarz lub tandem, zgodnie z specyfikacją). Nieprawidłowo zorientowane pary zostaną poważnie przeciążone po jednej stronie układu i rozładowane po drugiej.
4. Do montażu większych łożysk z pasowaniem ciasnym należy stosować nagrzewanie indukcyjne. W przypadku łożysk o średnicy otworu większej niż około 60 milimetrów, standardową metodą montażu na wale z pasowaniem wciskowym jest nagrzewanie indukcyjne w celu rozszerzenia pierścienia wewnętrznego do temperatury około 80–100 stopni Celsjusza powyżej temperatury otoczenia, co pozwala uniknąć ryzyka uszkodzenia mechanicznego spowodowanego wciskaniem zimnych pierścieni na wały.

Monitorowanie wibracji i temperatury

Monitorowanie stanu eksploatowanych łożysk kulkowych skośnych zapewnia wczesne ostrzeganie o rozwijających się usterkach, zanim przejdą one do awarii, umożliwiając planowanie okresów konserwacji zamiast wyłączeń awaryjnych. Stosowane są dwa podstawowe parametry monitorowania:

• Monitorowanie wibracji: Akcelerometry zamontowane na obudowie łożyska mierzą widma drgań, które zmieniają się charakterystycznie w miarę rozwoju uszkodzeń łożyska. Charakterystyczne częstotliwości uszkodzeń łożysk kulkowych skośnych (pierścień zewnętrzny o częstotliwości przelotu kulki, pierścień wewnętrzny o częstotliwości przelotu kulki, częstotliwość wirowania kulek i częstotliwość koszyka) można obliczyć na podstawie geometrii łożyska i prędkości obrotowej, a trend tych składowych częstotliwości w widmie drgań umożliwia wczesne wykrywanie zmęczenia powierzchni bieżni, uszkodzeń elementów tocznych i zużycia koszyka, zanim spowodują one katastrofalną awarię.
• Monitorowanie temperatury: Podwyższona temperatura pracy łożyska jest wiarygodnym wskaźnikiem pogorszenia się smarowania, nadmiernego napięcia wstępnego lub rozwoju uszkodzeń mechanicznych. Normalna temperatura robocza dobrze nasmarowanego łożyska kulkowego skośnego we wrzecionie obrabiarki wynosi zazwyczaj od 10 do 30 stopni Celsjusza powyżej temperatury otoczenia, a utrzymujący się wzrost temperatury o więcej niż 10 stopni Celsjusza powyżej ustalonej wartości bazowej powinien spowodować zbadanie przyczyny przed dopuszczeniem łożyska do dalszej pracy.

Często zadawane pytania dotyczące łożysk kulkowych skośnych

Jaka jest różnica między łożyskami kulkowymi skośnymi a łożyskami kulkowymi zwykłymi?

Podstawowa różnica między łożyskami kulkowymi skośnymi a łożyskami kulkowymi zwykłymi polega na geometrii bieżni, a zatem na kierunku i wielkości obciążeń, jakie może przenosić każdy typ. Łożyska kulkowe zwykłe mają symetryczne, stosunkowo głębokie bieżnie, w których kulka styka się z bieżniami wewnętrzną i zewnętrzną niemal promieniowo, co zapewnia dobrą nośność promieniową i zdolność do przenoszenia umiarkowanych dwukierunkowych obciążeń osiowych z samocentrującej geometrii głębokiego rowka. Łożyska kulkowe skośne mają asymetryczne, płytsze bieżnie przesunięte wzdłuż osi łożyska w celu utworzenia kąta działania, co zapewnia większą nośność osiową w kierunku kąta działania, ale ogranicza nośność osiową w kierunku przeciwnym. Łożyska kulkowe skośne mogą również osiągać wyższe stopnie precyzji i są przeznaczone do wstępnie naprężonych, sparowanych układów, w przeciwieństwie do łożysk kulkowych zwykłych, co sprawia, że ​​konstrukcje skośne są wyborem do zastosowań wymagających maksymalnej sztywności układu i dokładności pozycjonowania.

Jaki jest najlepszy kąt zwilżania w zastosowaniach wymagających dużych prędkości?

W zastosowaniach, w których głównym wymaganiem jest maksymalna prędkość obrotowa, najmniejszy dostępny kąt zwilżania zapewnia najlepszą wydajność. Kąt zwilżania wynoszący 15 stopni, zastosowany w serii 7000, minimalizuje siły żyroskopowe piłki, które przeciwdziałają obracaniu się piłki i generują ciepło przy dużych prędkościach. Mniejsze kąty zwilżania powodują również bardziej zbliżony do promieniowego kierunek obciążenia stykowego, co minimalizuje różnicę poślizgu pomiędzy kulką a bieżnią przy dużych prędkościach obrotowych. Przy bardzo wysokich wartościach DN nawet konwencjonalna konstrukcja o kącie 15 stopni jest zastępowana przez specjalistyczne konstrukcje z kulkami ceramicznymi i zoptymalizowaną geometrią koszyka. Jeżeli przy dużych prędkościach konieczne jest przenoszenie znacznych obciążeń osiowych, najlepszym kompromisem pomiędzy nośnością osiową a wydajnością prędkościową jest kąt działania wynoszący 25 stopni. Kąty zwilżania wynoszące 40 stopni należy stosować w zastosowaniach wymagających dużych prędkości tylko wtedy, gdy bezwzględnie wymagają tego wymagania dotyczące obciążenia osiowego i wynikająca z tego wyższa temperatura robocza jest akceptowalna.

Czy łożyska kulkowe skośne mogą wytrzymać dwukierunkowe obciążenia osiowe?

Łożysko kulkowe skośne jednorzędowe może przenosić obciążenia osiowe tylko w jednym kierunku: w kierunku, w którym kulki przylegają do wysokiego pobocza bieżni. Nie może wytrzymać obciążeń osiowych w przeciwnym kierunku. Aby wytrzymać dwukierunkowe obciążenia osiowe, projektant musi zastosować jedną z trzech alternatyw: dopasowaną parę jednorzędowych łożysk kulkowych skośnych ustawionych tyłem do siebie (DB) lub czołowo (DF), dwurzędowe łożysko kulkowe skośne, które łączy dwa przeciwne rzędy w jednym zespole, lub czteropunktowe łożysko kulkowe skośne, które wykorzystuje profil bieżni w kształcie łuku gotyckiego w celu uzyskania dwukierunkowego przenoszenia obciążenia osiowego w konfiguracji jednorzędowej. Każda z tych alternatyw ma inną charakterystykę pod względem sztywności, dopuszczalnej prędkości i wymagań przestrzennych, a wybór między nimi powinien opierać się na konkretnym obciążeniu, prędkości i wymaganiach wymiarowych zastosowania.

Jak wybrać odpowiednie łożyska kulkowe skośne?

Wybór łożysk kulkowych skośnych do konkretnego zastosowania następuje w oparciu o zorganizowany proces, który rozpoczyna się od zdefiniowania wymagań aplikacji i przechodzi przez szereg decyzji prowadzących do ustalenia prawidłowej specyfikacji łożyska. Kluczowe etapy selekcji są następujące:

Zdefiniuj warunki obciążenia: Określ wielkość i kierunek obciążeń promieniowych, obciążeń osiowych i obciążeń momentowych, w tym wszelkie wzmocnienia obciążenia dynamicznego spowodowane wstrząsami, wibracjami lub obciążeniami mimośrodowymi, w pełnym zakresie warunków pracy.

Wybierz kąt zwilżania: Wybierz kąt działania w oparciu o stosunek obciążenia osiowego do promieniowego. Stosunek obciążenia Fa/Fr poniżej 0,35 zazwyczaj wskazuje, że odpowiedni jest kąt zwilżania od 15 do 20 stopni; stosunki od 0,35 do 0,75 wskazują kąt od 25 do 30 stopni; współczynniki powyżej 0,75 wskazują, że należy ocenić kąt zwilżania 40 stopni pod kątem jego doskonałej nośności osiowej.

Wybierz aranżację: Zdecyduj, czy odpowiedni będzie styk jednorzędowy, podwójny czy czteropunktowy, w oparciu o wymagania dotyczące kierunku obciążenia osiowego i dostępną przestrzeń montażową.

Sprawdź dopuszczalną prędkość: Oblicz wartość DN dla zastosowania i potwierdź, że wybrana seria łożysk i metoda smarowania zapewniają wymaganą prędkość z odpowiednim marginesem.

Sprawdź trwałość łożyska: Oblicz podstawową trwałość znamionową, korzystając z równoważnego obciążenia dynamicznego i podstawowego obciążenia dynamicznego z katalogu producenta. Jeśli obliczona trwałość nie spełnia wymagań dotyczących żywotności aplikacji, wybierz większe łożysko lub serię o wyższej nośności.

Odniesienie:

Harris T A, Kotzalas M N. Analiza łożysk tocznych: podstawowe pojęcia technologii łożysk. 5. wyd. Boca Raton: CRC Press; 2006.

Harris T A, Kotzalas M N. Analiza łożysk tocznych: zaawansowane koncepcje technologii łożysk. 5. wyd. Boca Raton: CRC Press; 2006.

wternational Organization for Standardization. ISO 15:2017: Rolling Bearings — Radial Bearings — Boundary Dimensions, General Plan. Geneva: ISO; 2017.

wternational Organization for Standardization. ISO 281:2007: Rolling Bearings — Dynamic Load Ratings and Rating Life. Geneva: ISO; 2007.

wternational Organization for Standardization. ISO 76:2006: Rolling Bearings — Static Load Ratings. Geneva: ISO; 2006.

Jiang B, Zheng L, Wang M. Analiza wydajności łożysk kulkowych skośnych w połączonych warunkach obciążenia promieniowego i osiowego. Międzynarodowa Tribologia. 2014;75:112 do 121.

Jones A B. Ogólna teoria elastycznie ograniczonych łożysk kulkowych i promieniowych w warunkach dowolnego obciążenia i prędkości. Journal of Basic Engineering . 1960;82(2):309 do 320.

Lundberg G, Palmgren A. Nośność dynamiczna łożysk tocznych. Acta Polytechnica: seria o inżynierii mechanicznej. 1947;1(3):7 do 50.

Palmgren A. Inżynieria łożysk kulkowych i wałeczkowych. wydanie 3. Filadelfia: SKF Industries; 1959.

Grupa SKF. Katalog łożysk tocznych SKF. Göteborg: Grupa SKF; 2018.