Co je dvouřadé ložisko s kosoúhlým stykem?

A dvouřadé ložisko s kosoúhlým stykem je valivé ložisko, které obsahuje dvě řady kuliček uspořádaných vedle sebe v jednom vnějším kroužku, přičemž obě řady se dotýkají svých oběžných drah pod definovaným kontaktním úhlem – obvykle 25° nebo 30° – spíše než 90° k ose ložiska. Tato geometrie s kosoúhlým stykem umožňuje ložisku současně přenášet radiální zatížení (kolmo k hřídeli) a axiální zatížení (podél osy hřídele) v obou směrech, přičemž dvouřadé uspořádání poskytuje výrazně vyšší únosnost a větší tuhost proti klopným momentům než jednořadé kosoúhlé ložisko stejného vnějšího průměru.

Z praktického inženýrského hlediska dvouřadé kosoúhlé ložisko nahrazuje to, co by jinak vyžadovalo dvě samostatná jednořadá ložiska s kosoúhlým stykem namontovaná čely k sobě nebo zády k sobě, a to v užším axiálním prostoru a bez nutnosti přizpůsobeného předpětí během montáže. To z něj činí vysoce účinné ložiskové řešení pro aplikace, které kombinují těžké kombinované zatížení s prostorovými omezeními – zejména vřetena obráběcích strojů, náboje kol automobilů, převodovky a čerpadla.

Princip úhlového kontaktu: Proč na úhlu kontaktu záleží

Určujícím znakem každého ložiska s kosoúhlým stykem – jednořadého nebo dvouřadého – je kontaktní úhel: úhel mezi přímkou spojující body kontaktu koule s vnitřní a vnější oběžnou dráhou a rovinou kolmou k ose ložiska. U kuličkového ložiska s hlubokou drážkou je tento úhel v podmínkách bez zatížení účinně nulový; v ložisku s kosoúhlým stykem je to navržená, pevná geometrie.

Jak kontaktní úhel ovlivňuje nosnost

Kontaktní úhel určuje poměr axiální a radiální únosnosti. Větší kontaktní úhel zvyšuje axiální únosnost vzhledem k radiální kapacitě; menší kontaktní úhel dělá opak. Vztah je přibližně lineární v praktickém rozsahu kontaktních úhlů používaných u komerčních ložisek:

• Kontaktní úhel 15° — relativně vysoká radiální kapacita, střední axiální kapacita; používá se tam, kde převládá radiální zatížení a je potřeba určitá podpora axiálního zatížení
• Kontaktní úhel 25° — vyvážená radiální a axiální kapacita; nejběžnější úhel dvouřadých ložisek s kosoúhlým stykem pro obecné aplikace obráběcích strojů a čerpadel
• Kontaktní úhel 30° — vyšší axiální únosnost; používá se v aplikacích s významnými trvalými axiálními silami, jako jsou některá uspořádání převodovek a kompresorů
• Kontaktní úhel 40° nebo 45° — velmi vysoká axiální únosnost; nachází se ve specializovaných aplikacích s dominantním tahem; méně časté u dvouřadé konfigurace

Vliv indukovaného axiálního zatížení

Jednořadé ložisko s kosoúhlým stykem zatížené radiálně generuje složku vnitřní axiální síly v důsledku svého kontaktního úhlu – to je indukované axiální zatížení. Když jsou dvě jednořadá ložiska s kosoúhlým stykem spárována, jsou uspořádána tak, že jejich indukovaná axiální zatížení jsou proti sobě a ruší se. U dvouřadého ložiska s kosoúhlým stykem je této rovnováhy dosaženo vnitřně v rámci jediné ložiskové jednotky, protože obě řady mají své kontaktní úhly opačné: jedna řada nese axiální sílu v jednom směru, druhá řada nese axiální sílu v opačném směru. Výsledkem je ložisko, které je přirozeně vyvážené pro obousměrné axiální zatížení bez zvláštního montážního uspořádání.

Struktura a vnitřní geometrie dvouřadého ložiska s kosoúhlým stykem

Pochopení vnitřní konstrukce dvouřadého ložiska s kosoúhlým stykem vysvětluje jak jeho výkonnostní výhody, tak jeho specifické provozní požadavky.

Vnější prstenec

Vnější kroužek je jednodílná součást se dvěma drážkami oběžných drah obrobenými na přesné zakřivení požadované pro specifikovanou velikost koule a kontaktní úhel. Jednodílná konstrukce zajišťuje dokonalou soustřednost mezi dvěma oběžnými dráhami a poskytuje strukturální tuhost, která dává dvouřadému ložisku odolnost vůči klopnému momentu – schopnost chybí u spárovaných jednořadých uspořádání, kde jsou dva kroužky nezávislými součástmi.

Vnitřní kroužek: One Piece nebo Split

Vnitřní kroužek dvouřadého ložiska s kosoúhlým stykem může být jednodílné nebo dělené (dvoudílné) konstrukce. Jednodílný vnitřní kroužek poskytuje maximální tuhost a používá se ve většině standardních dvouřadých provedení. Dělený vnitřní kroužek — ve kterém se vnitřní kroužek skládá ze dvou polovin, které lze oddělit — umožňuje sestavení větších kuliček, čímž se zvyšuje nosnost; dělený spoj však představuje potenciální zdroj koncentrace napětí a omezuje maximální rychlost, při které může ložisko spolehlivě fungovat.

Kulový doplněk a klec

Každá řada dvouřadého ložiska s kosoúhlým stykem obsahuje plný počet kuliček – maximální počet kuliček, které lze pojmout při zachování nezbytné minimální vzdálenosti mezi sousedními kuličkami. Klec (držák) udržuje rovnoměrné rozestupy kuliček v každé řadě, zabraňuje kontaktu koule s koulí a vede kuličky nezatíženou zónou, když se ložisko otáčí. Klece pro dvouřadá ložiska s kosoúhlým stykem jsou obvykle vyrobeny z lisované oceli, polyamidu (nylonu) nebo obrobené mosazi v závislosti na provozní rychlosti, teplotě a podmínkách mazání.

Předpětí

Dvouřadá ložiska s kosoúhlým stykem jsou vyráběny s definovaným vnitřním předpětím – předběžnou kompresí aplikovanou na kuličky mezi oběžnými dráhami vnitřního a vnějšího kroužku během výroby, před tím, než je aplikováno jakékoli vnější zatížení. Toto předpětí eliminuje vnitřní vůli, zvyšuje tuhost ložiska a výrazně zlepšuje přesnost chodu. Předpětí je specifikováno jako lehké (C), střední (CA) nebo těžké (CB) a je kritickým parametrem pro aplikace vřeten obráběcích strojů, kde je vyžadována submikrometrová přesnost házení. Ložisko s nadměrným předpětím se přehřeje a předčasně selže; nedostatečné předpětí způsobuje vibrace a sníženou přesnost při zatížení.

Výkonnostní charakteristiky: Nosnost, tuhost a rychlost

Výkonnostní charakteristiky dvouřadých ložisek s kosoúhlým stykem jsou určeny jejich geometrií, rozměry a materiálem a kvalitou jejich součástí. Následující kvantitativní vztahy jsou zásadní pro pochopení, kdy a proč specifikovat tento typ ložiska.

Dynamická a statická nosnost

Dynamická únosnost (C) dvouřadého ložiska s kosoúhlým stykem – zatížení, při kterém má ložisko teoretickou životnost jeden milion otáček – je přibližně 1,6 až 1,8 krát dynamická únosnost srovnatelného jednořadého ložiska s kosoúhlým stykem stejného průměru díry a stejné řady. Toto zvýšení odráží další řadu kuliček sdílející aplikované zatížení. Statická únosnost (C₀), která definuje maximální zatížení, při kterém může ložisko vydržet, aniž by způsobilo trvalou deformaci oběžných drah nebo kuliček, vykazuje podobný proporcionální nárůst oproti jednořadým ekvivalentům.

Tuhost a momentová kapacita klopení

Tuhost ložisek – odolnost proti pružnému průhybu při zatížení – je kritickým parametrem u vřeten obráběcích strojů, kde se průhyb přímo promítá do rozměrové chyby obráběného obrobku. Jednodílný vnější kroužek dvouřadého ložiska s kosoúhlým stykem poskytuje pevnou, známou vzdálenost mezi kontaktními body dvou řad, čímž vytváří stabilní momentové rameno, které odolává naklánění hřídele při převislém zatížení nástroje nebo excentrických silách obrobku. Tato odolnost proti klopnému momentu je jedním z hlavních důvodů, proč jsou dvouřadá ložiska s kosoúhlým stykem standardní volbou ve vřetenech obráběcích strojů pro ruční i CNC soustružnická, frézovací a brusná zařízení.

Rychlostní limity

Maximální provozní rychlost dvouřadého ložiska s kosoúhlým stykem je nižší než u srovnatelného jednořadého ložiska s kosoúhlým stykem v důsledku většího vývinu tepla ze dvou řad valivých těles a vyšších vnitřních pnutí souvisejících s provozem s předpětím. Katalogy ložisek obvykle uvádějí dvě omezení rychlosti:

• Tepelný limit rychlosti — rychlost, při které tvorba a rozptyl tepla dosáhnou rovnováhy za referenčních podmínek mazání; překročení tohoto limitu způsobí postupný nárůst teploty, který degraduje mazivo a urychluje opotřebení ložisek
• Mechanické omezení rychlosti — rychlost, při které odstředivé síly klece a koule dosáhnou konstrukčních limitů materiálu klece; obvykle vyšší než teplotní limit pro většinu ložisek s tukem

Pro typická dvouřadá ložiska s kosoúhlým stykem s průměrem díry 70 mm jsou rychlostní limity v rozsahu 5 000 až 12 000 otáček za minutu jsou běžné v závislosti na sérii, materiálu klece, metodě mazání a úrovni předpětí. Mazání olejovou mlhou nebo tryskovým mazáním rozšiřuje dosažitelné rychlosti za tepelnou mez mazanou tukem.

Dvouřadá ložiska s kosoúhlým stykem vs. alternativní uspořádání ložisek

Abychom pochopili, kde jsou dvouřadá ložiska s kosoúhlým stykem nejvhodnější, jejich srovnání s nejběžnějšími alternativami objasňuje jejich specifické výhody a omezení.

Primární aplikace dvouřadých ložisek s kosoúhlým stykem

Specifická kombinace vlastností nabízených dvouřadými ložisky s kosoúhlým stykem z nich činí zkonstruované optimum pro několik náročných aplikací, kde jsou alternativy buď nedostatečné nebo méně účinné.

Vřetena obráběcích strojů

Vřetena obráběcích strojů – v soustruzích, frézkách, bruskách a obráběcích centrech – vyžadují ložiska, která jsou současně velmi tuhá, velmi přesná, schopná přenášet kombinované radiální a axiální řezné síly a dostatečně kompaktní, aby se vešla do vřetena. Dvouřadá ložiska s kosoúhlým stykem, specifikovaná v třídách přesnosti ISO P5, P4 nebo P2 (ekvivalent ABEC 5, 7 nebo 9), dosahují hodnot radiálního házení tak nízkých jako 1 až 3 mikrometry v nejvyšších třídách přesnosti, což umožňuje povrchové úpravy a rozměrové tolerance u obráběných obrobků, které jsou nemožné s méně přesnými uloženími.

Automobilové náboje kol

Moderní automobilové nepoháněné sestavy nábojů předních kol (a v některých provedeních sestavy zadních kol) používají dvouřadá ložiska s kosoúhlým stykem jako centrální nosný prvek. Hmotnost vozidla působí jako velké radiální zatížení, síly v zatáčkách přidávají obousměrnou axiální složku a brzdění a zrychlování vytvářejí klopné momenty v náboji kola – kombinace, díky které je dvouřadé úhlové ložisko přirozenou volbou. Ložiska nábojů kol automobilové specifikace jsou typicky utěsněné jednotky na celou dobu životnosti s integrovanými přírubami pro připevnění kola a brzdového kotouče, které nevyžadují žádné nastavování mazání na místě po celou dobu své životnosti, tj. 150 000 až 250 000 km .

Čerpadla, kompresory a ventilátory

Odstředivá čerpadla a ventilátory generují významné radiální zatížení z hmotnosti oběžného kola a hydraulických/aerodynamických sil v kombinaci s axiálním zatížením z tlakových rozdílů a nesouososti řemenu nebo spojky. Dvouřadá ložiska s kosoúhlým stykem v ložiskových pouzdrech těchto strojů zvládají tato kombinovaná zatížení efektivně a zároveň poskytují přesnost chodu nezbytnou pro spolehlivé utěsnění hřídele – kritický požadavek, protože poruchy hřídelové ucpávky jsou primární příčinou prostojů čerpadla ve většině záznamů o údržbě závodu.

Převodovky a redukce

Ve stupních s kuželovým a šikmým ozubením generuje geometrie ozubení současně radiální i axiální síly na hřídel. Jedno dvouřadé ložisko s kosoúhlým stykem může přenášet tato kombinovaná zatížení na ozubeném hřídeli, čímž nahrazuje to, co by jinak vyžadovalo dvě jednořadá ložiska v uspořádání rozpětí. To zjednodušuje konstrukci skříně převodovky, snižuje počet dílů a zkracuje dobu montáže – to vše přispívá ke snížení výrobních nákladů konstruktéra převodovky.

Robotika a přesné rotační klouby

Klouby průmyslových robotů a přesné rotační polohovací stupně vyžadují ložiska s velmi vysokou tuhostí, nízkou házivostí a schopností přenášet momentové zatížení z konzolového ramene a užitečného zatížení. Tenká dvouřadá ložiska s kosoúhlým stykem – vyznačující se velmi tenkým průřezem vzhledem k průměru díry – se používají v kloubech robotů, kde je kritický každý milimetr axiálního prostoru a ložisko musí poskytovat plnou nosnost konvenčního ložiska s hlubokým průřezem v rámci zlomku axiální šířky.

Označení a specifikace: Čtení kódů ložisek

Dvouřadá ložiska s kosoúhlým stykem jsou označena standardizovanými kódy označení, které kódují klíčové parametry ložiska. Porozumění těmto kódům umožňuje inženýrům specifikovat ložiska od různých výrobců, získávat je a porovnávat s nimi.

Typické označení dvouřadých ložisek s kosoúhlým stykem má tuto strukturu:

• Typové označení — předčíslí nebo hlavní číslo identifikující ložisko jako dvouřadý typ s kosoúhlým stykem (např. 32, 33, 52, 53 v systémech označení ISO/DIN, kde 52 a 53 označují dvouřadá ložiska s kosoúhlým stykem s jednodílným vnitřním kroužkem)
• Kód vrtáku — dvě číslice udávající průměr vrtání (např. 08 = 40 mm, 10 = 50 mm, 12 = 60 mm v systému 5× pro kódy vrtání 04 a vyšší)
• Šířková řada — číslice udávající axiální šířku vzhledem k průměru otvoru
• Příponové kódy — písmena označující kontaktní úhel (A = 30°), úroveň předpětí (C, CA, CB), třídu přesnosti (P5, P4, P2), těsnění (RS, 2RS) a typ klece (M = mosaz, TN = polyamid)

Například ložisko určené 3206 A-2RS je dvouřadé ložisko s kosoúhlým stykem s dírou 30 mm, kontaktním úhlem 30° a oboustranným pryžovým těsněním pro zadržování maziva a vyloučení nečistot v aplikacích s utěsněním na celou dobu životnosti.

Úvahy o mazání, těsnění a údržbě

Správné mazání je nezbytné pro dosažení jmenovité životnosti jakéhokoli valivého ložiska a dvouřadá ložiska s kosoúhlým stykem mají specifické požadavky, které se liší od jednodušších typů ložisek.

Mazání plastickým mazivem pro standardní aplikace

Většina dvouřadých ložisek s kosoúhlým stykem v obecných průmyslových aplikacích je mazána tukem. Dutina ložiska je při montáži naplněna mazivem přibližně na 30 až 50 % objemu volného místa —přeplnění vytváří teplo při víření a může způsobit předčasné selhání ložisek. Pro ložiska pracující při středních otáčkách a teplotách je vhodné vysoce kvalitní plastické mazivo s lithiovým komplexem s konzistencí NLGI 2 a teplotním rozsahem -30 °C až 120 °C. Pro provoz při vyšších rychlostech jsou specifikována plastická maziva s nižší viskozitou a nízkými ztrátami při víření.

Mazání olejem pro vysokorychlostní obráběcí stroje

U vřeten obráběcích strojů pracujících blízko nebo na hranici otáček ložiska lze místo maziva použít mazání olejovou mlhou, mazání olej-vzduch nebo mazání paprskem oleje. Tyto metody zajišťují nepřetržité doplňování maziva a aktivní chlazení ložiska, což umožňuje provoz při otáčkách o 20 až 50 % vyšších, než je tepelný limit otáček mazaných plastickým mazivem. Viskozita maziva se volí na základě parametru provozních otáček ložiska (n·dm, kde n jsou otáčky v otáčkách za minutu a dm je střední průměr ložiska v mm), přičemž při vyšších rychlostních parametrech se používají oleje s nižší viskozitou.

Utěsněná vs. otevřená ložiska

Dvouřadá ložiska s kosoúhlým stykem jsou k dispozici v otevřené (nestíněné), stíněné (kovové štíty, označení 2Z) a utěsněné (gumová těsnění, označení 2RS). Utěsněná ložiska jsou předem naplněna mazivem na celou dobu životnosti a nevyžadují žádné domazávání – jsou standardní volbou pro náboje automobilových kol a pro průmyslové aplikace v kontaminovaných prostředích, kde je výměna ložisek praktičtější než pravidelné mazání. Otevřená ložiska se používají ve vřetenech obráběcích strojů a dalších přesných aplikacích, kde je mazací systém součástí konstrukce stroje a znečištění je kontrolováno jinými prostředky (labyrintová těsnění, přetlak vzduchu).