Czym jest napięcie wstępne łożyska
Napięcie wstępne łożyska (ang. preload) to osiowa siła przyłożona do łożyska jeszcze przed obciążeniem roboczym, tak że jego luz wewnętrzny staje się lekko ujemny. Zwykłe łożysko kulkowe pracuje z dodatnim luzem opisanym w poradniku Luz promieniowy łożyska C3, CN i C4. Łożysko z napięciem wstępnym nie ma żadnego luzu: kulki lub rolki są dociśnięte do bieżni od pierwszej chwili.
Po co to robić? Wał bez luzu rusza się mniej, a obciążenie rozkłada się na więcej elementów tocznych naraz. Producenci opisują to jako sposób na zwiększenie sztywności, poprawę dokładności bicia i ograniczenie drgań oraz hałasu (źródła na końcu). Napięcie wstępne nie jest więc „mocniejszym dokręceniem”, tylko świadomie wybraną wartością, którą ustala konstruktor lub producent maszyny.
Gdzie stosuje się napięcie wstępne
Metoda dotyczy przede wszystkim łożysk, które przenoszą siłę osiową tylko w jednym kierunku i dlatego pracują w opozycji do drugiego łożyska:
- łożyska skośne kulkowe (szczegóły w poradniku Łożysko skośne kulkowe 7200, 7300 i 3200), typowo we wrzecionach obrabiarek, pompach i wałach napędowych,
- łożyska stożkowe (zob. Łożysko stożkowe: dobór), np. w piastach kół, przekładniach i wałach z ustalonym luzem osiowym,
- w mniejszym zakresie łożyska kulkowe zwykłe w małych silnikach, gdzie niewielka sprężyna dociska pierścień zewnętrzny, żeby wyeliminować hałas.
Zasada jest taka: im większa potrzebna sztywność i dokładność prowadzenia, tym częściej stosuje się napięcie wstępne. W typowej maszynie rolniczej czy przenośniku zwykle wystarcza dobrze dobrany luz roboczy, bo nikt nie wymaga precyzji wrzeciona.
Układy O i X a napięcie wstępne
Napięcie wstępne zawsze działa w parze łożysk, bo jedno łożysko dociska drugie. To, jak są ułożone, ma znaczenie dla sztywności.
Układ O (DB, plecami do siebie)
Linie działania sił rozchodzą się, a punkty podparcia leżą daleko od siebie. Według NSK i JTEKT takie ułożenie daje najwyższą sztywność na przechylanie wału. Jest naturalnym wyborem przy wrzecionach i kołach, ale wymaga dokładnej współosiowości gniazd.
Układ X (DF, twarzami do siebie)
Punkty podparcia leżą bliżej siebie, więc sztywność na przechylanie jest mniejsza, ale układ lepiej znosi niewielkie ugięcie wału. W łożyskach stożkowych jest często spotykany tam, gdzie regulację wygodnie robi się przekładkami w pokrywie obudowy.
Układ tandem (DT)
Dwa łożyska ułożone w tę samą stronę dzielą obciążenie jednego kierunku. Napięcie wstępne uzyskuje się wtedy przez trzecie łożysko albo drugą parę po przeciwnej stronie. Dokładny opis układów DB, DF i DT jest w poradniku o łożyskach skośnych, a regulację luzu w łożyskach stożkowych omawia też poradnik o doborze łożysk stożkowych.
Jak ustawia się napięcie wstępne
Producenci (NSK, JTEKT) wyróżniają dwie podstawowe metody.
Ustawienie położenia (napięcie sztywne)
Pierścienie łożysk przesuwa się osiowo o określoną wartość: nakrętką na wale, doborem przekładek lub tulejki dystansowej, albo kupuje się łożyska uniwersalne z fabrycznie ustalonym napięciem. Układ jest bardzo sztywny, ale wartość siły zmienia się z temperaturą, siłą odśrodkową i warunkami montażu. Przy nagrzaniu wału napięcie rośnie, więc trzeba to uwzględnić.
Stały docisk (sprężyna)
Sprężyna śrubowa, talerzowa lub falista dociska pierścień zewnętrzny jednego łożyska. Siła pozostaje w przybliżeniu stała nawet wtedy, gdy elementy się wydłużają od ciepła, dlatego metoda pasuje do wysokich obrotów. Wada: układ jest mniej sztywny, a metoda nie sprawdza się przy zmiennym kierunku siły osiowej i uderzeniach.
| Sposób | Sztywność | Wrażliwość na temperaturę | Typowe użycie |
|---|---|---|---|
| Nakrętka lub przekładka (położenie) | wysoka | większa | wrzeciona, piasty, przekładnie |
| Łożyska uniwersalne (para fabryczna) | wysoka | większa | obrabiarki, zespoły precyzyjne |
| Sprężyna (stały docisk) | niższa | mała | szybkie wrzeciona, małe silniki |
Napięcie wstępne a luz i temperatura
Łożysko z napięciem wstępnym jest wrażliwsze na nagrzanie niż łożysko z luzem. Podczas pracy pierścień wewnętrzny nagrzewa się zwykle bardziej niż zewnętrzny, więc rośnie jego średnica, a luz maleje. W łożysku z luzem to normalne i dlatego stosuje się grupy C3 i C4. W łożysku napiętym ten sam efekt dodatkowo zwiększa docisk, a wał wydłuża się względem obudowy, co przy napięciu ustawionym nakrętką i przekładką może zwiększyć siłę osiową.
Dlatego przy ustawianiu napięcia ma znaczenie temperatura montażu i temperatura pracy. Ustawienie wykonane na zimnym wale, a potem wielogodzinna praca pod obciążeniem, to dwa różne stany. Konstruktorzy ratują się wtedy sprężyną albo wybierają układ, w którym wydłużenie wału nie zmienia docisku. Jeśli remontujesz maszynę, trzymaj się kolejności i momentów z dokumentacji, a po pierwszym uruchomieniu sprawdź temperaturę obudowy i szum.
Co się dzieje przy za dużym i za małym napięciu
Wartość jest kompromisem. Rosnące napięcie zwiększa sztywność, ale skraca trwałość (JTEKT).
- Za duże: rośnie tarcie, łożysko się nagrzewa, smar się niszczy, a trwałość maleje, w skrajnym przypadku dochodzi do zatarcia. Objawem jest nadmierna temperatura obudowy już po krótkim czasie pracy.
- Za małe: pojawia się luz, drgania, hałas i bicie, a drobne ruchy powodują zużycie bieżni (zatarcie przez mikroprzesunięcia). Efekt jest taki, jak przy zbyt luźno ustawionych łożyskach stożkowych w piaście.
Jak postępować przy montażu
- Sprawdź w dokumentacji maszyny, czy w ogóle jest przewidziane napięcie wstępne i jaką metodą.
- Użyj łożysk tego samego typu, serii i kąta działania, najlepiej z jednego zestawu (łożyska uniwersalne dobiera się parami).
- Nałóż łożyska zgodnie z ułożeniem O lub X przewidzianym w konstrukcji, zwracając uwagę na kierunek obciążenia.
- Dokręć nakrętkę lub dobierz przekładkę do wartości z dokumentacji, kręcąc przy tym wałem, aby kulki lub rolki ułożyły się na bieżni.
- Po krótkim biegu sprawdź temperaturę i szum. Gorący korpus sygnalizuje zbyt duże napięcie.
Ogólne zasady montażu, ogrzewania i wyciągania łożysk zebrano w poradniku Montaż i demontaż łożysk. Wymiary łożyska, które chcesz wymienić, zmierzysz według poradnika Jak zmierzyć łożysko. Wymiar 25 x 52 x 15 mm mają zarówno łożyska 25x52x15 kulkowe zwykłe z serii 62, jak i skośne 7205, więc sam wymiar nie wystarczy do ustalenia rodzaju łożyska.
Sprawdź oznaczenia łożysk i ich sufiksy
Najczęstsze pytania
Czy łożysko kulkowe zwykłe wymaga napięcia wstępnego?
Zwykle nie. Pracuje z luzem wewnętrznym (CN, C3), a napięcie wstępne stosuje się w nim tylko w wybranych konstrukcjach, np. w małych silnikach, gdzie sprężyna dociska pierścień, by ograniczyć hałas.
Czym różni się napięcie wstępne od luzu?
Luz to szczelina między elementami tocznymi a bieżniami. Napięcie wstępne to stan, w którym ta szczelina jest zlikwidowana i łożysko jest lekko dociśnięte, czyli ma luz ujemny.
Czy w łożyskach stożkowych zawsze ustawia się napięcie wstępne?
Nie zawsze. W wielu zastosowaniach regulacja kończy się na minimalnym luzie osiowym, w innych, np. w niektórych przekładniach i wrzecionach, na lekkim napięciu. Wartość podaje producent maszyny.
Co jest groźniejsze: za duże czy za małe napięcie?
Oba błędy skracają trwałość, ale za duże napięcie szybciej prowadzi do nagrzewania i uszkodzenia smaru, a w skrajnym przypadku do zatarcia. Za małe napięcie objawia się drganiami i hałasem i zwykle daje więcej czasu na reakcję.
Podsumowanie
- Napięcie wstępne to celowy docisk łożyska przed pracą, który likwiduje luz i daje luz ujemny.
- Stosuje się je głównie w parach łożysk skośnych i stożkowych, dla większej sztywności i dokładności prowadzenia wału.
- Układ O daje największą sztywność na przechylanie, układ X lepiej znosi ugięcie wału.
- Ustawia się je nakrętką, przekładką lub sprężyną, a każda metoda ma inną wrażliwość na temperaturę.
- Zbyt duże napięcie grzeje i skraca trwałość, zbyt małe daje luz i drgania, więc trzymaj się wartości producenta.
Źródła
- NSK, „8 Preload” (cel napięcia wstępnego, metody położenia i stałego docisku, układy DB, DF, DT, skutki zbyt dużego i zbyt małego napięcia): nsk.com
- JTEKT (Koyo), „How to Select the Right Bearing (Part 5): Bearing preload and rigidity” (definicja, napięcie położeniowe i stałym naciskiem, zależność sztywności od trwałości): koyo.jtekt.co.jp
- Wizualizacja główna i schemat: własne opracowanie Łożyskownia.pl.