Jaká jsou použití dvouřadých kuličkových ložisek s kosoúhlým stykem řady 33?

Pochopení designu řady 33 a proč se hodí pro tyto aplikace

Před prozkoumáním konkrétních použití aplikací je důležité pochopit, čím se liší Dvouřadá kuličková ložiska s kosoúhlým stykem řady 33 od jiných konfigurací ložisek a proč je tyto rozdíly činí vhodnými pro jejich charakteristické aplikace.

Řada 33 patří do rodiny dvouřadých kuličkových ložisek s kosoúhlým stykem, která se vyznačuje dvěma řadami kuliček uspořádanými symetricky v jediné ložiskové jednotce, z nichž každá pracuje pod definovaným kontaktním úhlem — 30 stupňů pro řadu 33 . Tento kontaktní úhel je strmější než 15stupňový úhel standardních kuličkových ložisek, což znamená, že každý kontaktní bod kuličky rozkládá působící sílu na větší axiální složku a menší radiální složku ve srovnání s ložiskem s mělkým úhlem stejné velikosti.

Praktickým důsledkem této geometrie je ložisko, které je speciálně optimalizováno pro aplikace, kde je axiální zatížení značné – buď jako primární zatížení, nebo jako významné sekundární zatížení vedle radiálního zatížení. Kontaktní úhel 30 stupňů dává sérii 33 přibližně O 40 až 60 % vyšší axiální únosnost na jednotku radiální kapacity ve srovnání s řadou 32 (která používá 15stupňový kontaktní úhel), což z ní činí správnou volbu, když jsou tahové zatížení dominantním hnacím motorem designu. (Zdroj: ISO 15:2017, Valivá ložiska — Radiální ložiska — Okrajové rozměry, Celkový plán)

Klíčové konstrukční vlastnosti, které řídí vhodnost aplikací

• Dvě řady kuliček v jedné jednotce: Kombinuje nosnost dvou jednořadých ložisek v jedné sestavě, čímž eliminuje potřebu párových ložisek, distančních vložek a nastavení předpětí při zachování obousměrné axiální podpory, kterou párová jednořadá ložiska poskytují
• Kontaktní úhel 30 stupňů: Poskytuje podstatně vyšší axiální únosnost než ekvivalenty s mělkým úhlem, díky čemuž je řada 33 správnou specifikací, když v zatěžovacím stavu dominuje tah spirálového ozubeného kola, tlak kapaliny na oběžná kola čerpadla nebo axiální provozní zatížení
• Předpětí nastavené z výroby: Vnitřní předpětí je nastaveno a uzamčeno ve fázi výroby, čímž se eliminuje požadavek na přesnost instalace pro nastavení předpětí na místě, které vyžadují spárovaná jednořadá ložiska – snižují požadavky na dovednosti při instalaci a chyby při montáži
• Kompaktní axiální obálka: Jedna dvouřadá jednotka je 20 až 35 % kratší axiálně než dvě jednořadá ložiska poskytující ekvivalentní nosnost, což umožňuje kompaktnější konstrukci hřídele a pouzdra
• Vnitřní uspořádání typu O: Standardní uspořádání back-to-back (DB) u dvouřadých ložisek s kosoúhlým stykem vytváří široké efektivní rozpětí podpory v rámci vlastní šířky ložiska a poskytuje odolnost vůči klopným momentům, kterým se jednořadá ložiska nemohou vyrovnat

Použití ve vřetenech obráběcích strojů a přesných zařízeních

Vřetena obráběcích strojů představují jednu z nejnáročnějších a historicky nejvýznamnějších aplikací dvouřadých kuličkových ložisek s kosoúhlým stykem včetně řady 33. CNC obráběcí centra, brusky, vyvrtávačky a soustruhy vyžadují uspořádání ložisek vřetena, která současně splňují tři protichůdné požadavky: maximální tuhost (pro minimalizaci průhybu nástroje a zachování přesnosti obrábění), schopnost vysoké rychlosti otáčení a dlouhá životnost při kombinovaném řezném zatížení.

Proč dvouřadá ložiska s kosoúhlým stykem dominují ve vřetenových aplikacích

Při obráběcích operacích generuje řezný nástroj síly, které mají jak radiální, tak axiální složky, jejichž velikosti a směry se plynule mění se změnou dráhy nástroje. Ložisko vřetena musí reagovat na tato kombinovaná zatížení, aniž by dovolilo jakékoli vychýlení na hrotu nástroje, které překračuje toleranci obrábění – pro přesné broušení to znamená radiální tuhost vřetena 50 až 200 N/mikronů je vyžadován v místě montáže nástroje. (Zdroj: Fundamentals of Machine Tool Design, Klocke a Kuchle, Springer, 2011)

Dvouřadá geometrie ložisek řady 33 „back-to-back“ vytváří široké efektivní rozpětí podpory v rámci vlastní axiální délky ložiska, čímž vzniká momentová tuhost, která odolává vychýlení hrotu nástroje při excentrickém řezném zatížení mnohem účinněji než jednořadé alternativy ekvivalentní velikosti díry. Přesná ložiska řady 33 (třídy ISO P5 a P4) se používají v přední (pracovní) poloze vřetena CNC obráběcích center a brusných vřeten, kde jsou požadavky na přesnost nejkritičtější.

Specifické aplikace obráběcích strojů

• CNC frézovací vřetena: Poloha ložiska na pracovním konci vřetena ve vertikálních a horizontálních CNC obráběcích centrech, kde tříosé řezné síly vyžadují současnou radiální a obousměrnou axiální podporu z jediné kompaktní polohy ložiska
• Válcová brusná vřetena: Vřetena kotoučových hlav ve válcových a plošných bruskách, kde se radiální brusná síla a hmota kotouče kombinují a vyžadují vysokou radiální tuhost, zatímco směr posuvu brusného kotouče vytváří axiální tlak, který musí být podepřen
• Vřetena vyvrtávačky: Hluboké vyvrtávání generuje současně radiální řezné síly a tah ve směru posuvu obrobku, díky čemuž je kombinovaná nosnost řady 33 přímo použitelná
• Přesná nástrojová vřetena: Hlavy sond souřadnicového měřicího stroje (CMM), optické otočné stoly a přesné dělicí hlavy používají ložiska řady 33 v rozsahu miniaturních velikostí, kde tovární předpětí zajišťuje konzistentní rotaci s nízkým házením bez kalibrace pole.

Použití v automobilových a automobilových aplikacích

Automobilový průmysl je jedním z největších spotřebitelů dvouřadých kuličkových ložisek s kosoúhlým stykem a řada 33 se konkrétně zaměřuje na několik aplikací vozidel, kde je vysoká axiální únosnost dominantním konstrukčním požadavkem.

Ložiskové jednotky nábojů kol

Moderní jednotky ložisek nábojů kol osobních vozidel – konstrukce 1. a 2. generace – používají dvouřadá kuličková ložiska s kosoúhlým stykem jako konstrukční jádro sestavy náboje. Prostředí zatížení na kole vozidla je klasický kombinovaný případ zatížení: radiální zatížení od hmotnosti vozidla působící přes geometrii zavěšení, axiální zatížení od sil v zatáčkách a odklonu vozovky působících bočně a momentové zatížení od brzdného momentu a geometrie zavěšení vytvářející klopný moment v ose kola.

30stupňový kontaktní úhel řady 33 se dobře hodí pro tento profil zatížení, protože síly v zatáčkách během dynamických jízdních manévrů vytvářejí axiální zatížení, která se mohou přiblížit 0,8 až 1,2 násobek statického radiálního zatížení na vnějším kole — vysoký axiální a radiální poměr, který řada 33 zvládá efektivněji než alternativy s mělkým úhlem. (Zdroj: SAE International Journal of Passenger Cars — Mechanical Systems, Wheel Bearing Load Analysis, Vol. 5, 2012)

Aplikace převodovky a převodovky

Manuální a automatické převodovky vozidel generují zatížení hřídele, která kombinují radiální síly v záběru ozubených kol s axiálním zatížením spirálového ozubeného kola v obou axiálních směrech, když převodovka cykluje mezi záběry vpřed a vzad. Řada 33 poskytuje obousměrnou axiální podporu, kterou tyto polohy hřídele vyžadují, a přitom zabírají kompaktnější axiální prostor než párové jednořadé alternativy – což je důležitý faktor u kompaktních konstrukcí transaxle, kde je prostor v balení značně omezený.

Posilovač řízení a elektromotorické pohony

Hřídele motoru elektrického posilovače řízení (EPS) a hnací hřídele trakčních motorů elektrických vozidel vyžadují ložiska, která přenášejí kombinované radiální a axiální zatížení z řemenového nebo ozubeného převodu síly při zachování nízké hlučnosti a vibrací při rychlostech od nuly do 15 000 ot./min nebo vyšší v moderní architektuře EV. Řada 33 v přesné třídě poskytuje kombinaci provozu s nízkou hlučností, kombinované nosnosti a přesnosti továrního předpětí požadovanou pro tyto vysokorychlostní aplikace s nízkou hlučností.

Použití v čerpadlech a kompresorech

Přirozenou aplikační doménou jsou odstředivá čerpadla a rotační kompresory Dvouřadá kuličková ložiska s kosoúhlým stykem řady 33 protože dynamika kapalin těchto strojů vytváří axiální axiální zatížení, která musí být přenášena systémem uložení hřídele spolu s radiálními zatíženími od hmotnosti hřídele a tlaku kapaliny na oběžné kolo nebo povrchy rotoru.

Ložiska hřídele odstředivého čerpadla

U jednostupňového odstředivého čerpadla vytváří rozdíl tlaků mezi vstupem a výstupem oběžného kola axiální hydraulickou tlačnou sílu, která působí ve směru přiblížení kapaliny k oku oběžného kola. Toto axiální zatížení je během provozu trvalé a musí na něj zcela reagovat ložiskový systém hřídele čerpadla. U středně velkých odstředivých čerpadel při úpravě vody, chemickém zpracování a aplikacích HVAC může axiální přítlačná síla představovat 20 až 60 % radiálního zatížení od hmotnosti hřídele a bočního zatížení řemenu nebo spojky.

Ložisko řady 33 řeší tento profil zatížení přímo: jeho 30stupňový kontaktní úhel poskytuje vysokou axiální kapacitu pro komponent hydraulického tahu, zatímco dvouřadá konstrukce poskytuje radiální kapacitu pro hmotnost hřídele a zatížení řemenu a geometrie zády k sobě poskytuje momentovou podporu pro konzolová zatížení z převislých oběžných kol. Díky této kombinaci je řada 33 zvláště cenná pro odstředivá čerpadla s koncovým sáním v průmyslových procesech. (Zdroj: Pump Handbook, Karassik, Messina, Cooper a Heald, McGraw-Hill, 4. vydání, 2008)

Podpora hřídele kompresoru

Rotační šroubové a spirálové kompresory v chladicích, klimatizačních a průmyslových aplikacích stlačeného vzduchu generují axiální síly ze spirálové geometrie šroubových rotorů nebo z rozdílu tlaku plynu na površích spirálových desek. Tato axiální zatížení jsou kombinována s radiálními zatíženími od hmoty rotoru a sil plynu kolmých k ose hřídele. Řada 33 poskytuje kombinovanou nosnost potřebnou v kompaktním radiálním plášti těchto strojů, kde by přidání samostatného axiálního ložiska výrazně zvýšilo velikost stroje a náklady.

Použití v průmyslových převodovkách a hnacích systémech

Průmyslové převodovky – zejména šroubové, kuželové a šnekové převodovky – generují zatížení hřídele, která jsou přirozeně kombinována. Geometrie záběru spirálových ozubených kol vytváří vektor síly hřídele se třemi složkami: tangenciální (rotační), radiální (oddělující) a axiální (tah od úhlu šroubovice). Na všechny tři musí reagovat systém uložení hřídele a axiální složka ze spirálových kol může být podstatná – představující 30 až 70 % tečné síly v závislosti na úhlu šroubovice. (Zdroj: Shigley's Mechanical Engineering Design, Budynas a Nisbett, 10. vydání, McGraw-Hill, 2014)

Výstupní hřídele reduktoru se spirálovým ozubením

Výstupní hřídel reduktoru se spirálovým ozubením nese nejvyšší kroutící moment a tím i nejvyšší tangenciální převodovou sílu v převodovce. Současný axiální tah ze záběru spirálového ozubeného kola činí z této polohy hřídele přirozenou aplikaci pro řadu 33. Jediné dvouřadé ložisko na výstupním hřídeli poskytuje potřebnou kombinovanou radiální a obousměrnou axiální podporu – přizpůsobení reverzaci axiálního tahu, když se ozubené kolo otáčí v obou směrech během brzdění nebo reverzace – v kompaktní instalaci, které se jednořadé ložisko se samostatnou axiální podložkou nemůže vyrovnat.

Hřídele kuželových pastorků

Pastorkové hřídele s kuželovými ozubenými koly v pravoúhlých převodech jsou zvláště náročné na uložení ložisek, protože geometrie záběru ozubených kol generuje velké axiální oddělovací síly, které se střídají ve směru s obrácením zatížení. Dvouřadé uspořádání zády k sobě řady 33 je speciálně vhodné pro tuto aplikaci, protože jeho symetrická geometrie reaguje na axiální zatížení rovnoměrně v obou směrech, aniž by bylo nutné pole upravovat předpětí při změně směru zatížení.

Pomocné pohony větrných turbín

Pohony pro řízení sklonu, pohony stáčení a pohony pomocných generátorů ve větrných turbínách používají kompaktní sestavy převodovky a motoru, kde řada 33 poskytuje kombinovanou zátěž a obousměrnou podporu tahu potřebnou v omezeném instalačním prostoru gondoly větrné turbíny. Tyto aplikace také těží z utěsněných a tukem plněných variant řady 33, které poskytují prodloužené intervaly údržby požadované pro komponenty namontované ve výškách 80 až 120 metrů nad zemí.

Použití v elektromotorech a generátorech

Elektromotory ve středním až velkém rozsahu výkonu – zejména motory pohánějící axiální ventilátory, šroubová převodová zatížení nebo zařízení poháněná řemenem – vyžadují ložiska, která zvládají kombinované radiální a axiální zatížení v polohách hřídele. Řada 33 se používá v poloze ložiska bez pohonu (NDE) u motorů, kde je vyžadováno axiální umístění rotoru, a v poloze na straně pohonu (DE), kde se zatížení na straně řemenu kombinuje s tahem přenášeným ozubeným kolem nebo spojkou.

Aplikace hnacích motorů s proměnnými otáčkami

Motory provozované měniči s proměnnou frekvencí (VFD) mohou generovat proud na hřídeli přes kontakty ložisek – dobře zdokumentovaný mechanismus selhání, kdy elektrický oblouk procházející kontaktní zónou ložiska způsobuje důlkovou korozi a předčasné selhání. U variant izolovaných ložisek řady 33 je vnější kroužek nebo pouzdro potaženo elektricky izolační keramikou, aby se zabránilo průchodu proudu. Řada 33 v izolované konfiguraci je standardní volbou pro motory poháněné VFD výše Výkon hřídele 75 kW v poloze NDE, což zabraňuje poškození ložisek způsobeným proudem hřídele, které je hlavní příčinou předčasného selhání u tohoto typu motoru. (Zdroj: IEEE Transactions on Industry Applications, Electric Motor Bearing Damage from Shaft Currents, Vol. 37, Issue 6, 2001)

Použití v zemědělských a stavebních strojích

Aplikace v zemědělských a stavebních zařízeních vystavují ložiska podmínkám rázového zatížení, kontaminace, velkým teplotním změnám a prodlouženým intervalům mezi údržbou, což je výzvou pro standardní konstrukce ložisek. Řada 33 v utěsněné a zesílené variantě se v této kategorii zařízení používá na několika klíčových pozicích.

Aplikace zemědělských strojů

• Hřídele mláticího bubnu kombajnu: Mláticí bubny sklízecích mlátiček jsou vystaveny impulzivnímu radiálnímu zatížení způsobenému záběrem materiálu plodiny v kombinaci s axiálním zatížením spirálové geometrie bubnu a kolísáním bočního zatížení. Dvouřadá konstrukce řady 33 poskytuje rezervu nosnosti potřebnou pro tyto podmínky rázového zatížení
• Vývodové hřídele traktoru (vývodové hřídele): Kloubové hřídele přenášejí výkon motoru na tažené nářadí prostřednictvím spojek s univerzálním kloubem, které generují kombinované radiální, axiální a momentové zatížení při manévrování traktoru na nerovném terénu. Utěsněná ložiska řady 33 v hnacím ústrojí PTO poskytují prodloužené servisní intervaly vhodné pro plány údržby na místě
• Hnací hřídele secího stroje: Hnací hřídele pro dávkování a distribuci osiva v přesných secích strojích přenášejí kombinované zatížení od hnacích sil ozubených kol a vibračních zatížení přenášených od radliček, které obdělávají půdu

Aplikace stavebních zařízení

• Pohony bubnu míchačky betonu: Hnací hřídel bubnu míchačky betonu nese radiální zatížení od hmotnosti bubnu a axiální zatížení od šroubové geometrie šroubu uvnitř bubnu, která vytváří tah během míchání. Řada 33 zvládá toto kombinované statické a dynamické zatížení efektivně v kompaktní pohonné jednotce
• Vibrační hřídel zhutňovacího zařízení: Vibrační zhutňovače a silniční válce využívají excentrické rotující hmoty k vytváření sil pro zhutňování půdy. Hřídelová ložiska těchto vibračních budičů přenášejí velmi vysoké dynamické radiální zatížení kombinované s axiálním zatížením z polohy hřídele. Řada 33 v těžkých třídách zvládá tyto podmínky vysokého dynamického zatížení v rámci prostorových omezení kompaktních zhutňovacích zařízení

Použití v přesných přístrojích a měřicích zařízeních

Na opačném konci spektra aplikací než těžké průmyslové stroje, Dvouřadá kuličková ložiska s kosoúhlým stykem řady 33 v přesných třídách (třídy přesnosti P5, P4 a P2 podle ISO 492) se používají v aplikacích, kde jsou primárními kritérii výběru spíše přesnost otáčení, nízké vibrace a minimální tření než nosnost.

Rotační osy souřadnicového měřicího stroje (CMM).

Moduly rotační osy v systémech CMM vyžadují ložiska s házením níže 0,5 mikronu na montážní ploše vřetena a axiálním házení pod ním 0,3 mikronu aby byla zachována přesnost měření na hrotu sondy. Přesná ložiska třídy P4 řady 33 s továrním předpětím a výběrem kuliček s nízkou hlučností splňují tyto požadavky a zároveň poskytují obousměrnou axiální podporu potřebnou, když je rotační osa zatěžována z různých směrů kontaktu sondy.

Přesné otočné stoly a indexovací jednotky

Otočné stoly na bruskách, EDM strojích a víceosých CNC obráběcích centrech používají přesná ložiska řady 33, která poskytují kombinaci radiální a axiální přesnosti polohování a momentové tuhosti potřebné pro přesné indexování obrobku. Továrně nastavené předpětí dvouřadé jednotky eliminuje potřebu resetovat předpětí ložisek při změně polohy nebo servisu otočného stolu – praktická výhoda údržby ve výrobním prostředí.

Použití v potravinářských a balicích strojích

Potravinářský průmysl klade náročné požadavky na materiály ložisek a mazání – odolnost proti korozi, kompatibilitu s potravinářskými mazivy a odolnost vůči mycímu čištění – a přitom stále vyžaduje stejné charakteristiky kombinované nosnosti, jaké platí pro obecné průmyslové aplikace. Varianty z nerezové oceli a potravinářské tukem plněné utěsněné verze řady 33 se používají v:

• Mixéry a mixovací zařízení: Ložiska hřídele míchadla v průmyslových mixérech přenášejí kombinované radiální zatížení z odporu kapaliny na lopatkách míchadla a axiální zatížení z geometrie spirálového míchadla v korozivních prostředích, které přicházejí do styku s potravinami, které vyžadují nerezové nebo potažené ložiskové kroužky
• Hlavy pohonu dopravníku: Ložiska hnacího hřídele na systémech dopravníků potravin přenášejí kombinovaná radiální zatížení od napětí pásu a axiální zatížení od klenutých dopravníkových válečků, které vytvářejí boční sílu jako pásy. Utěsněná potravinářská ložiska řady 33 poskytují prodloužené intervaly údržby požadované v nepřetržitých výrobních zařízeních
• Pohonné systémy balicích strojů: Vysokorychlostní balicí stroje s osami poháněnými vačkou nebo servopohony používají ložiska řady 33 ve vačkové hřídeli a v polohách pohonu, kde kombinované radiální a axiální zatížení od geometrie vačky a setrvačných sil působí při rychlostech až 2 000 až 4 000 ot./min

Shrnutí použití: Kde se používají ložiska řady 33

Výběr správného ložiska řady 33 pro vaši aplikaci

Široký rozsah použití Dvouřadá kuličková ložiska s kosoúhlým stykem řady 33 znamená, že na detailech specifikace záleží stejně jako na samotném označení série. Při výběru pro konkrétní aplikaci potvrďte tyto parametry:

1. Vypočítejte ekvivalentní dynamické zatížení (P). Pomocí radiálních (Fr) a axiálních (Fa) složek zatížení s faktory X a Y pro řadu 33 při příslušném poměru Fa/Fr podle ISO 281 ověřte, že dynamické zatížení C zvoleného ložiska poskytuje požadovanou životnost L10 při provozních otáčkách a teplotě.
2. Potvrďte požadavek na přesnost stupně. Obecné průmyslové aplikace používají třídu P0 (Normal). Vřetena obráběcích strojů a přesné nástroje vyžadují třídu P5, P4 nebo P2. Každý krok vpřed v přesné třídě zvyšuje náklady; uveďte pouze stupeň, který aplikace skutečně vyžaduje
3. Zvolte správnou konfiguraci mazání. Pro nepřístupné polohy nebo polohy s omezenou údržbou specifikujte utěsněné (2RS) varianty namazané z výroby. Pro vysokorychlostní aplikace překračující limit rychlosti maziva specifikujte otevřená ložiska s olejovou lázní nebo mazáním proudem
4. Ověřte, že hřídel a pouzdro sedí. Potvrďte doporučenou toleranci hřídele (typicky k5 nebo m5 pro rotující vnitřní kroužek) a toleranci vrtání pouzdra (typicky H6 nebo J6 pro stacionární vnější kroužek) podle ISO 286. Nesprávné uložení s přesahem je hlavní příčinou předčasného selhání ložiska bez ohledu na jmenovitou únosnost ložiska
5. Zvažte izolované varianty pro aplikace VFD. Pokud je ložisko v elektromotoru poháněném frekvenčním měničem nad 75 kW, specifikujte variantu izolovaného vnějšího kroužku, aby se zabránilo poškození ložiska způsobeného proudem na hřídeli

The Dvouřadá kuličková ložiska s kosoúhlým stykem řady CNCJ 33 jsou vyráběny podle rozměrových a tolerančních norem ISO v celém rozsahu velikostí otvorů a tříd přesnosti požadovaných pro aplikace popsané v tomto článku. Jejich produktová řada zahrnuje standardní třídu P0 pro průmyslové použití až po přesnou třídu P4 pro aplikace obráběcích strojů a přístrojů, s uzavřenými a otevřenými konfiguracemi, více možnostmi vůlí a technickou podporou aplikací pro pomoc při výpočtu zatížení a životnosti.