Jak zachowuje się łożysko ceramiczne w odniesieniu do momentu obrotowego? Aspekt, który często nie jest brany pod uwagę przy wyborze łożysk do umieszczenia wewnątrz maszyny lub sprzętu, to moment obrotowy, czyli moment konieczny do utrzymania stałego obrotu jednego pierścienia łożyska względem drugiego. To wewnętrzne tarcie w łożysku generuje moment obrotowy. Im większe tarcie, tym większy moment obrotowy.
W miarę jak miara wewnętrznego tarcia w łożysku, moment obrotowy może być istotny, ponieważ powoduje rozproszenie mocy, co z jednej strony obniża sprawność przeniesienia mechanicznego, a z drugiej objawia się generowaniem ciepła i potencjalnym wzrostem temperatury samego łożyska oraz elementów mechanicznych w kontakcie.
Spójrzmy na źródła tarcia w łożysku:
- Ruch (toczący się/płynący) elementów tocznych względem pierścieni łożyska.
- Interakcja elementów tocznych z koszykiem.
- Interakcja koszyka z pierścieniami łożyska.
- Interakcja elementów tocznych, koszyka, pierścieni i ewentualnych uszczelek z smarem.
- Interakcja uszczelek z pierścieniami łożyska.
- Luz lub napięcie wstępne łożyska.
- Liczba elementów tocznych przenoszących obciążenie i, zatem, rodzaj obciążenia.
- Materiał, z którego wykonane są pierścienie i elementy toczne.
- Twardość materiału, z którego wykonane są pierścienie i elementy toczne.
- Chropowatość pierścieni i elementów tocznych.
- Stopień precyzji łożyska.
- Temperatura łożyska.
Analizujmy je po kolei.
1. Ruch (toczący się/płynący) elementów tocznych względem pierścieni łożyska
Wewnątrz łożyska kontakt między elementami tocznymi a bieżniami jest normalnie schematyzowany jako punkt, gdy elementy toczne to kulki, lub linia, gdy są cylindryczne. W rzeczywistości kontakt nie odbywa się przez punkt czy linię, ale przez powierzchnię, która zazwyczaj przyjmuje formę elipsy. Na tej powierzchni styku tylko mała część charakteryzuje się czystym ruchem obrotowym z tarciem tocznym. W pozostałej części ruch elementu tocznego jest typu ślizgowego względem bieżni i dlatego charakteryzuje się tarciem ścinającym. Jest więc jasne, że im większa powierzchnia styku, tym większy tarcia między elementem tocznym a bieżnią. Dlatego wszystko, co może prowadzić do zmniejszenia powierzchni styku, doprowadzi do zmniejszenia momentu obrotowego.
2. Interakcja elementów tocznych z koszykiem
Elementy toczne łożyska, z wyjątkiem szczególnych przypadków, są prowadzone w swoim ruchu za pomocą koszyka, który może być wykonany z różnych materiałów w zależności od zastosowań. Koszyk nie ma własnego ruchu, ale jest wprawiany w ruch przez elementy toczne. Oznacza to, że między elementami tocznymi a koszykiem wystąpią głównie ślizgania. Im większe są te ślizgania lub im większe tarcie między elementami tocznymi a koszykiem, tym większy będzie moment obrotowy. Odpowiedni wybór materiału i kształtu koszyka może prowadzić do zmniejszenia momentu obrotowego.
3. Interakcja koszyka z pierścieniami łożyska
Podczas ruchu obrotowego łożyska może dojść do tego, że koszyk ślizga się po pierścieniach łożyska. Powoduje to wzrost momentu obrotowego.
4. Interakcja elementów tocznych, koszyka, pierścieni i ewentualnych uszczelek z smarem
Normalnie wewnątrz łożyska wprowadza się smar, którego celem jest nie tylko maksymalne zmniejszenie możliwości bezpośredniego kontaktu między elementami tocznymi a bieżniami, ale także poprawa odprowadzania ciepła. Smar, rozprowadzając się wewnątrz łożyska, styka się z koszykiem, pierścieniami i ewentualnymi uszczelkami. Jeśli istnieje ruch względny między smarem a elementami łożyska, powstanie tarcie, które zwiększy moment obrotowy. Podobnie może powstać ruch względny między różnymi warstwami smaru, generując tarcie i zwiększając moment obrotowy. Ilość smaru musi więc być dokładnie określona, ponieważ jeśli jest go za dużo, może znacznie zwiększyć wewnętrzne tarcie, prowadząc do wzrostu momentu obrotowego.
5. Interakcja uszczelek z pierścieniami łożyska
W niektórych aplikacjach konieczne jest zastosowanie szczelnych łożysk (tzw. wersje RS). Uszczelki w szczelnych łożyskach są wykonane z gumowego materiału i, aby pełnić swoją funkcję, są pocierane o jednym z dwóch pierścieni. To naturalnie powoduje tarcie i zwiększa moment obrotowy.
6. Luz lub napięcie wstępne łożyska
Powierzchnia styku między elementem tocznym a bieżnią jest ważna dla momentu obrotowego zarówno pod względem jej rozmiaru (im większa powierzchnia, tym większe tarcie), jak i liczby powierzchni styku. W łożysku z luzem im większy luz, tym mniejsza liczba elementów tocznych faktycznie stykających się z bieżniami. W łożysku o zerowym luzie wszystkie elementy toczne stykają się z bieżniami. W łożysku z napięciem wstępnym wszystkie elementy toczne nie tylko stykają się z bieżniami, ale są również „zgniatane” na bieżniach, co powoduje większą powierzchnię styku zarówno w porównaniu do łożyska o zerowym luzie, jak i z luzem dodatnim. Oznacza to, że przechodząc od luzu do napięcia wstępnego moment obrotowy wzrasta. Aby zmniejszyć moment, należy wybierać łożyska z jak największym luzem, zgodnym z aplikacją.
7. Liczba elementów tocznych przenoszących obciążenie i, zatem, rodzaj obciążenia
Ponieważ moment obrotowy zależy od rozmiaru powierzchni styku między elementami tocznymi a bieżniami oraz od liczby elementów tocznych faktycznie stykających się z bieżniami, rodzaj i wartość obciążenia, któremu poddane jest łożysko, znacząco wpływają na wartość momentu obrotowego. Zazwyczaj wzrost obciążenia powoduje wzrost momentu obrotowego. Z tego powodu nie istnieje absolutna wartość momentu obrotowego łożyska, ale zawsze musi być powiązana z dobrze zdefiniowaną kondycją obciążenia (normalnie wartość momentu obrotowego jest oceniana przy łożysku bez obciążenia).
8. Materiał, z którego wykonane są pierścienie i elementy toczne
Materiał, z którego produkowane są pierścienie i elementy toczne, bezpośrednio wpływa na rozmiar powierzchni styku. Materiały bardziej elastyczne będą miały większą powierzchnię styku, co prowadzi do wzrostu, przy tych samych innych warunkach, momentu obrotowego.
9. Twardość materiału, z którego wykonane są pierścienie i elementy toczne
Również twardość materiału wpływa na moment obrotowy, ponieważ im większa twardość, tym mniejsza powierzchnia styku między elementami tocznymi a bieżniami i tym samym mniejszy moment obrotowy.
10. Chropowatość pierścieni i elementów tocznych
Chropowatość powierzchni styku bezpośrednio wpływa na współczynnik tarcia i tym samym na moment obrotowy. Im większa chropowatość, tym większy moment obrotowy.
11. Stopień precyzji łożyska
Stopień precyzji łożyska może wpływać na moment obrotowy, ponieważ dotyczy owalizacji bieżni. Teoretycznie bieżnie łożyska powinny być idealnie kołowe. W rzeczywistości z powodu tolerancji obróbki zawsze występuje pewna owalizacja. Owalizacja powoduje, że powierzchnia styku między bieżniami a elementami tocznymi nie jest stała, ale może się zmieniać wraz z obrotem pierścieni. Może to prowadzić do wzrostu momentu obrotowego. Stopień precyzji staje się ważny dla momentu obrotowego w łożyskach z zmniejszonym luzem lub napięciem wstępnym.
12. Temperatura łożyska
Temperatura łożyska może wpływać na moment obrotowy, ponieważ może pozytywnie lub negatywnie oddziaływać na niektóre przyczyny tarcia. Na przykład wzrost temperatury zmniejsza lepkość smaru, co korzystnie wpływa na moment obrotowy. Jednocześnie jednak wzrost temperatury może powodować różne rozszerzenia termiczne między pierścieniami łożyska, wpływając na powierzchnię styku między elementami tocznymi a bieżniami; wzrost powierzchni może prowadzić do wzrostu momentu obrotowego, neutralizując korzystny efekt zmniejszenia lepkości smaru.
Z powyższego wynika, że żądanie dostarczenia łożyska z momentem obrotowym nie przekraczającym określonej wartości musi być uzupełnione o warunki, w których moment ma być weryfikowany: warunki obciążenia (wartość i rodzaj obciążenia), liczba obrotów, pozycja łożyska (oś obrotu pozioma, pionowa lub pod zadanym kątem), temperatura. Należy również określić warunki smarowania, czyli ilość i rodzaj smaru, ale należy pamiętać, że tolerancja na ilość smaru wprowadzonego do łożyska może być duża, powodując równie duże wahania wartości momentu obrotowego. Dlatego preferuje się definiowanie momentu obrotowego bez smaru.
Ale w tym momencie, co można zrobić, gdy istnieje potrzeba posiadania łożyska z niskim momentem obrotowym? Przyjrzyjmy się, jakie rozwiązania można zastosować.
W przypadku standardowych łożysk stalowych możliwe rozwiązania, zgodnie z warunkami pracy i ograniczeniami kosztowymi, są następujące:
- Maksymalne zwiększenie luzu łożyska
- Zmniejszenie liczby elementów tocznych
- Stosowanie zredukowanej ilości środka smarnego
- Użycie środka smarnego o niskiej lepkości lub niskim tarciu (na przykład zastosowanie oleju zamiast smaru)
- Zastosowanie łożysk z superfinišem bieżni w celu zmniejszenia chropowatości
- Stosowanie łożysk o wysokim stopniu precyzji
- W przypadku łożysk uszczelnionych zastosowanie uszczelek o niskim tarciu; można to osiągnąć zarówno poprzez dobór odpowiednich materiałów, jak i specjalnych wersji łożysk ze szlifowanym gniazdem bieżni uszczelnień. Można także stosować uszczelki, które choć są „szczelne”, w rzeczywistości nie stykają się z pierścieniem łożyska, lecz są umieszczone w labiryncie
- Zastosowanie materiałów o niskim współczynniku tarcia na koszyki (np. PA6 lub PTFE zamiast koszyków stalowych)
Alternatywnym rozwiązaniem wobec łożysk stalowych, które pozwala zminimalizować wartość momentu obrotowego, są łożyska całkowicie ceramiczne. W tego typu łożyskach pierścienie i elementy toczne wykonane są z materiału ceramicznego, natomiast koszyki i ewentualne uszczelnienia z tworzyw sztucznych.
Zobaczmy, jakie są cechy szczególne łożysk ceramicznych w odniesieniu do 12 źródeł tarcia opisanych powyżej:
1. Ruch (toczący się/ślizgowy) elementów tocznych względem pierścieni łożyska
Powierzchnia styku między elementami tocznymi a bieżniami w łożysku ceramicznym jest, przy tych samych wymiarach i warunkach obciążenia, mniejsza niż w odpowiadającym mu łożysku stalowym. Oznacza to, że obszar narażony na ślizganie jest mniejszy, a zatem mniejsze jest także występujące tarcie. Dodatkowo współczynnik tarcia tocznego i ślizgowego pary ceramika/ceramika jest niższy niż współczynnik tarcia pary stal/stal. Wszystko to prowadzi do zmniejszenia momentu obrotowego.
2. Interakcja elementów tocznych z koszykiem
W łożyskach całkowicie ceramicznych koszyk wykonany jest z tworzywa sztucznego (zwykle PEEK lub PTFE). Współczynnik tarcia między elementami tocznymi z materiału ceramicznego a koszykiem jest niższy niż w przypadku łożysk stalowych. Z tego powodu wkład tarcia między elementami tocznymi a koszykiem do całkowitego momentu obrotowego jest w łożyskach całkowicie ceramicznych mniejszy niż w łożyskach stalowych.
3. Interakcja koszyka z pierścieniami łożyska
Również w tym przypadku współczynnik tarcia między koszykiem a pierścieniami jest niższy niż w łożyskach stalowych, a w konsekwencji udział tego zjawiska w całkowitym momencie obrotowym jest mniejszy.
4. Interakcja elementów tocznych, koszyka, pierścieni i ewentualnych uszczelek ze smarem
Jedną z charakterystycznych cech łożysk całkowicie ceramicznych jest znacznie mniejsze zapotrzebowanie na smarowanie w porównaniu z łożyskami stalowymi, a w niektórych przypadkach możliwość całkowitej rezygnacji ze smaru. Powoduje to, że ten składnik momentu obrotowego może zostać drastycznie zredukowany.
5. Interakcja uszczelek z pierścieniami łożyska
Właśnie dlatego, że łożyska całkowicie ceramiczne charakteryzują się bardzo niskim momentem obrotowym, ewentualne uszczelki są zawsze typu bezstykowego, co eliminuje tę składową tarcia.
6. Luz lub napięcie wstępne łożyska
Również w przypadku łożysk całkowicie ceramicznych zwiększenie luzu prowadzi do zmniejszenia momentu obrotowego. Dlatego dobór odpowiedniego poziomu luzu/napięcia wstępnego może mieć istotny wpływ na końcową wartość momentu obrotowego.
7. Liczba elementów tocznych przenoszących obciążenie i, zatem, rodzaj obciążenia
W tym punkcie obowiązują te same uwagi, które podano wcześniej dla łożysk stalowych.
8. Materiał, z którego wykonane są pierścienie i elementy toczne
Materiał, z którego wykonane są pierścienie i elementy toczne łożysk całkowicie ceramicznych, ma mniejszą sprężystość niż stal. Z tego powodu, przy tych samych innych warunkach, powierzchnia styku jest mniejsza, co korzystnie wpływa na wartość momentu obrotowego.
9. Twardość materiału, z którego wykonane są pierścienie i elementy toczne
Materiały ceramiczne stosowane w łożyskach całkowicie ceramicznych mają bardzo wysoką twardość, wyższą niż twardość hartowanych stali łożyskowych. Powoduje to dalsze zmniejszenie pola kontaktu, a tym samym redukcję momentu obrotowego.
10. Chropowatość pierścieni i elementów tocznych
Dzięki właściwościom materiałów ceramicznych chropowatość powierzchni uzyskiwana w łożyskach ceramicznych jest niższa niż w łożyskach stalowych, co dodatkowo zmniejsza współczynnik tarcia, a w konsekwencji moment obrotowy.
11. Stopień precyzji łożyska
Obowiązują te same rozważania co w przypadku łożysk stalowych. Wraz ze wzrostem klasy dokładności łożyska, przy tych samych innych warunkach, moment obrotowy ulega zmniejszeniu.
12. Temperatura łożyska
Także dla łożysk całkowicie ceramicznych temperatura może mieć wpływ na wartość momentu obrotowego. Jednakże, ponieważ współczynnik rozszerzalności cieplnej materiałów ceramicznych jest niższy niż w przypadku stali, wpływ rozszerzalności cieplnej na moment obrotowy może być mniejszy.
Na podstawie powyższego można stwierdzić, że w sytuacjach, w których konieczne jest maksymalne ograniczenie momentu obrotowego łożysk, wybór łożysk całkowicie ceramicznych może być rozwiązaniem zwycięskim.
W każdym przypadku zastąpienie łożyska stalowego łożyskiem całkowicie ceramicznym prowadzi do zmniejszenia momentu obrotowego, zwiększenia sprawności przekładni mechanicznej oraz redukcji mocy traconej.
