Jak zapobiec osiowemu przesuwaniu się łożyska na wale?

Osiowe ustalenie łożyska jest równie ważne jak prawidłowe pasowanie jego pierścieni. Nawet ciasno osadzony pierścień wewnętrzny nie powinien być pozostawiony bez właściwego podparcia, jeśli podczas pracy występują siły działające wzdłuż wału. Do ustalania położenia stosuje się m.in. odsadzenia wału, nakrętki łożyskowe, płyty końcowe, pierścienie dystansowe i pierścienie osadcze. Trzeba jednak uważać na drugą skrajność: w niektórych układach możliwość przesunięcia osiowego jest celową funkcją łożyskowania i nie wolno jej przypadkowo zablokować.

W artykule wyjaśniamy:

• czym jest osiowe ustalenie pierścienia łożyska,
• dlaczego samo ciasne pasowanie może nie wystarczyć,
• jak działa odsadzenie wału,
• kiedy stosuje się nakrętkę lub płytę końcową,
• jaką funkcję pełni pierścień dystansowy,
• gdzie można zastosować pierścień osadczy,
• jak ustala się łożyska z otworem stożkowym,
• czym różni się podpora ustalająca od swobodnej,
• co sprawdzić, gdy łożysko zaczyna przemieszczać się wzdłuż wału.

1. Co oznacza osiowe ustalenie łożyska?

Osiowe ustalenie łożyska oznacza ograniczenie przemieszczania jego pierścienia wzdłuż osi wału względem powierzchni, na której został osadzony. Jeżeli mówimy o mocowaniu łożyska na wale, najczęściej chodzi o ustalenie osiowe pierścienia wewnętrznego.

Pierścień może być podparty:

• z jednej strony,
• z obu stron,
• bezpośrednio przez odsadzenie,
• przez nakrętkę,
• przez płytę końcową,
• za pośrednictwem pierścienia dystansowego,
• przez odpowiedni pierścień osadczy.

Ważne jest jednak rozróżnienie kilku zjawisk, które na pierwszy rzut oka mogą wyglądać podobnie. Nie jest tym samym:

• przesuwanie się pierścienia wewnętrznego po wale,
• przesuwanie się pierścienia zewnętrznego w obudowie,
• przemieszczenie zachodzące wewnątrz konstrukcji łożyska,
• normalny luz osiowy całego zespołu.

Dlatego nie każdy zauważony ruch oznacza, że mocowanie łożyska na wale jest nieprawidłowe. Najpierw trzeba ustalić, co dokładnie się przemieszcza i względem czego.

2. Dlaczego samo ciasne pasowanie łożyska zwykle nie wystarcza?

To jedna z najważniejszych zasad przy projektowaniu węzła. Pasowanie łożyska na wale oraz jego osiowe ustalenie pełnią dwie różne funkcje.

Pasowanie odpowiada przede wszystkim za właściwą współpracę pierścienia z powierzchnią osadzenia. Jego dobór zależy m.in. od rodzaju i kierunku obciążenia działającego na pierścień. Natomiast elementy ustalające mają przejąć siły działające wzdłuż osi wału i utrzymać pierścień w przewidzianym położeniu.

Dlatego nie powinno się myśleć: „jeżeli zrobię mocniejszy wcisk, pierścień na pewno się nie przesunie”. Zwiększanie wcisku nie jest uniwersalnym sposobem na zabezpieczenie łożyska przed przesunięciem osiowym. Zbyt ciasne pasowanie może dodatkowo wpływać na:

• luz wewnętrzny łożyska,
• naprężenia w pierścieniu,
• warunki jego pracy.

W prawidłowo zaprojektowanym węźle pasowanie i podparcie osiowe powinny więc ze sobą współpracować, a nie zastępować się nawzajem.

3. Odsadzenie wału – podstawowe podparcie osiowe łożyska

Jednym z najprostszych sposobów ustalenia pierścienia wewnętrznego jest odsadzenie wału pod łożysko. Pierścień opiera się swoim czołem o stopień wykonany na wale. Takie rozwiązanie tworzy fizyczne ograniczenie przesunięcia w jednym kierunku.

Nie wystarczy jednak samo wykonanie stopnia. Trzeba zwrócić uwagę na jego geometrię. Kluczowe znaczenie mają m.in.:

• średnica powierzchni podparcia,
• szerokość podparcia,
• promień przejścia pomiędzy średnicami wału.

Szczególnie ważny jest promień zaokrąglenia przy odsadzeniu. Pierścień łożyska ma własne fazowanie lub zaokrąglenie krawędzi. Jeśli promień przejścia na wale będzie zbyt duży, pierścień może nie oprzeć się prawidłowo o powierzchnię czołową. W efekcie zamiast pełnego podparcia może pojawić się niepożądany kontakt w obszarze zaokrąglenia.

Dlatego wymiary odsadzenia i dopuszczalne promienie należy sprawdzać dla konkretnego łożyska. Jeżeli konstrukcja wału ze względów wytrzymałościowych wymaga większego promienia przejścia, pomocny może być odpowiednio dobrany pierścień dystansowy łożyska.

4. Nakrętka łożyskowa i płyta końcowa – ustalenie z drugiej strony

Samo odsadzenie ogranicza ruch tylko w jednym kierunku. Jeżeli pierścień ma być ustalony również z drugiej strony, potrzebny jest kolejny element. Jednym z najczęściej stosowanych rozwiązań jest nakrętka łożyskowa.

Może ona dociskać pierścień:

• bezpośrednio do odsadzenia,
• przez pierścień dystansowy,
• przez inne elementy wchodzące w skład węzła.

W takim układzie powstaje czytelna droga przenoszenia siły: pierścień łożyska → nakrętka z jednej strony → odsadzenie z drugiej strony. Sama nakrętka również musi być prawidłowo zabezpieczona przed niezamierzonym odkręceniem. Jeżeli chcesz dokładniej poznać różnice między podkładkami zębatymi, blaszkami, płytkami i mechanizmami wbudowanymi w nakrętki, zobacz artykuł Nakrętki łożyskowe – czym różnią się sposoby ich zabezpieczania?.

Drugim rozwiązaniem jest płyta końcowa. Jest mocowana do czoła wału i stanowi mechaniczne ograniczenie ruchu pierścienia. Przy takim rozwiązaniu trzeba uwzględnić:

• geometrię płyty,
• połączenie śrubowe,
• powierzchnię docisku,
• obciążenia osiowe,
• miejsce dostępne na końcu wału.

Ani nakrętka, ani płyta końcowa nie są rozwiązaniami uniwersalnymi. Ich dobór zależy od konstrukcji całego zespołu.

5. Pierścień dystansowy łożyska – kiedy jest potrzebny?

Pierścień dystansowy łożyska jest szczególnie przydatny wtedy, gdy siła nie może być przekazywana bezpośrednio pomiędzy pierścieniem łożyska a odsadzeniem lub nakrętką. Może pełnić kilka funkcji. Pozwala:

• ustalić właściwe położenie osiowe,
• przenieść siłę na sąsiedni element,
• ominąć niekorzystny geometrycznie fragment wału,
• zapewnić właściwe podparcie przy większym promieniu odsadzenia.

Najważniejsza zasada brzmi jednak: sam pierścień dystansowy nie jest punktem ustalającym. Jeżeli obok łożyska umieścimy luźny pierścień, który również może przesuwać się po wale, cały zestaw nadal pozostanie ruchomy.

Trzeba zawsze sprawdzić, gdzie kończy się droga obciążenia. Przykładowo:

• pierścień wewnętrzny → pierścień dystansowy → odsadzenie wału
• pierścień wewnętrzny → pierścień dystansowy → nakrętka łożyskowa

Dopiero wtedy wiadomo, że siła osiowa ma zostać przejęta przez rzeczywiście ustalony element. To prosta metoda pozwalająca wykryć wiele błędów konstrukcyjnych. Zamiast patrzeć na każdy detal osobno, warto zadać pytanie: „jeżeli na pierścień zadziała siła w prawo, przez jakie dokładnie elementy zostanie przeniesiona?” A później powtórzyć tę analizę dla przeciwnego kierunku.

6. Pierścień osadczy do łożyska – gdzie można go zastosować?

Kolejnym rozwiązaniem może być pierścień osadczy do łożyska. Taki element znajduje się w odpowiednio wykonanym rowku i tworzy mechaniczne ograniczenie przesunięcia. W zależności od konstrukcji może służyć do ustalania elementów na wale albo w obudowie. Nie jest jednak automatycznym zamiennikiem odsadzenia czy nakrętki.

Przy takim rozwiązaniu trzeba sprawdzić:

• nośność samego pierścienia,
• geometrię rowka,
• obciążenia osiowe,
• powierzchnie współpracujące,
• wymagania dotyczące danego węzła.

Rowek osłabia również lokalnie przekrój elementu, dlatego jego obecność musi być przewidziana konstrukcyjnie. Zasada jest więc podobna jak w pozostałych przypadkach: element ustalający trzeba dobierać do obciążeń, a nie tylko do dostępnego miejsca.

7. Osiowe ustalenie łożyska z otworem stożkowym

Nieco inaczej wygląda sytuacja w przypadku łożyska z otworem stożkowym. Sposób ustalenia zależy wtedy również od tego, czy łożysko jest osadzone:

• bezpośrednio na czopie stożkowym,
• na tulei wciąganej,
• na tulei wciskanej.

Łożysko na czopie stożkowym

Przy montażu bezpośrednio na stożkowym czopie wału pierścień wewnętrzny może być ustalany przy pomocy nakrętki. Nakrętka uczestniczy zarówno w procesie osadzania, jak i w utrzymaniu odpowiedniego położenia zestawu.

Łożysko na tulei wciąganej

W pewnych układach tuleja wciągana może być stosowana bez dodatkowego podparcia osiowego, jeżeli:

• nie jest wymagane bardzo dokładne pozycjonowanie,
• działające siły osiowe mogą zostać bezpiecznie przeniesione przez tarcie pomiędzy tuleją i wałem.

Nie należy jednak wyciągać z tego wniosku, że tuleja wciągana zawsze zapewnia pełne ustalenie osiowe niezależnie od obciążenia. Jeżeli wymagane jest dokładniejsze pozycjonowanie albo występują większe siły osiowe, można zastosować odpowiednio zaprojektowane dodatkowe podparcie, np. pierścień dystansowy.

Łożysko na tulei wciskanej

Przy tulei wciskanej konstrukcja opiera się na ustalonym położeniu łożyska względem odsadzenia lub innego elementu oraz na odpowiednim zabezpieczeniu całego zestawu. Tutaj również kluczowa jest kompletna droga przenoszenia sił. Sama obecność tulei nie rozwiązuje automatycznie problemu osiowego ustalenia.

8. Łożyskowanie ustalające i swobodne – kiedy przesunięcie osiowe jest potrzebne?

To szczególnie ważny fragment, ponieważ pokazuje drugą stronę problemu. Nie zawsze należy blokować każdy możliwy ruch. W klasycznym układzie z podporą ustalającą i swobodną oba łożyskowania mają inne zadania.

Podpora ustalająca określa osiowe położenie wału względem obudowy. Powinna przejmować odpowiednie siły osiowe i kontrolować położenie zespołu.

Podpora swobodna pozwala natomiast kompensować zmianę odległości pomiędzy podporami. Dlaczego jest to potrzebne? Wał i obudowa mogą podczas pracy osiągać różne temperatury. Jeżeli wał wydłuży się cieplnie, a obie podpory zostaną całkowicie zablokowane osiowo, w układzie mogą pojawić się dodatkowe siły. Dlatego jedna z podpór musi umożliwiać wymagane przemieszczenie.

Może ono odbywać się:

• wewnątrz konstrukcji łożyska,
• przez przesuw jednego z pierścieni względem osadzenia.

Przykładem łożysk pozwalających na przemieszczenia wewnętrzne są niektóre wykonania łożysk walcowych, np. NU lub N, oraz łożyska CARB.

To prowadzi do bardzo ważnego wniosku: widoczne przemieszczenie osiowe nie zawsze oznacza awarię lub niewłaściwe mocowanie. Może być celową funkcją węzła. Dlatego przed dodaniem nakrętki, pierścienia lub innego ogranicznika trzeba najpierw sprawdzić: czy dana podpora ma być ustalająca, czy swobodna? Zablokowanie podpory, która została zaprojektowana jako swobodna, może stworzyć problem zamiast go rozwiązać.

9. Co sprawdzić, gdy łożysko przesuwa się na wale?

Jeżeli podczas kontroli zauważysz przesuwanie się łożyska na wale, nie zaczynaj od mocniejszego dokręcania nakrętki albo zwiększania wcisku. Najpierw trzeba znaleźć źródło ruchu.

1. Ustal, który pierścień się przemieszcza
   Czy przesuwa się pierścień wewnętrzny po wale? Czy może pierścień zewnętrzny w obudowie? A może ruch zachodzi wewnątrz samego łożyska? To trzy zupełnie różne sytuacje.
2. Sprawdź funkcję podpory
   Czy jest to podpora ustalająca? Czy swobodna? Jeżeli swobodna, pewien zakres ruchu może być wymagany konstrukcyjnie.
3. Sprawdź elementy ustalające
   Warto zweryfikować: odsadzenie, nakrętkę, płytę końcową, pierścień dystansowy, pierścień osadczy, elementy zabezpieczające. Czasami problem nie wynika z braku części, ale z jej nieprawidłowego położenia.
4. Sprawdź przyleganie pierścienia
   Pierścień powinien opierać się o przewidzianą powierzchnię. Zbyt duży promień przejścia wału, uszkodzenie powierzchni czy niewłaściwy dystans mogą powodować niepełne podparcie.
5. Zweryfikuj pasowanie
   Trzeba sprawdzić: wymiar czopa, tolerancję, stan powierzchni, zużycie, ewentualne ślady pełzania. Pamiętaj jednak, że pasowanie i ustalenie osiowe to dwa odrębne zagadnienia.
6. Sprawdź obciążenia osiowe
   Jeżeli rzeczywiste siły są większe niż przewidziano podczas projektowania, poprawny w teorii sposób ustalenia może okazać się niewystarczający.
7. Przeanalizuj wcześniejsze naprawy
   Warto sprawdzić, czy podczas poprzedniego serwisu nie zmieniono: nakrętki, tulei, pierścienia dystansowego, kolejności elementów, podkładki, wału lub obudowy. Czasami problem pojawia się po naprawie nie dlatego, że nowa część jest wadliwa, ale dlatego, że zmieniła się geometria całego układu.

10. Jak dobrać sposób osiowego ustalenia łożyska?

Nie istnieje jeden uniwersalny sposób. Można jednak przejść przez kilka podstawowych pytań.

1. Który pierścień wymaga ustalenia?
   Na wale zwykle analizujemy pierścień wewnętrzny. W obudowie – zewnętrzny.
2. W którym kierunku działają siły osiowe?
   Tylko w jednym? W obu? Czy ich kierunek może się zmieniać?
3. Czy podpora ma być ustalająca czy swobodna?
   To trzeba ustalić przed dodaniem jakiegokolwiek ograniczenia.
4. Czy jest dostępne odsadzenie?
   Jeżeli tak, trzeba sprawdzić jego średnicę, szerokość i promień przejścia.
5. Co ograniczy ruch z drugiej strony?
   Może to być: nakrętka, płyta końcowa, pierścień osadczy, inny prawidłowo ustalony element.
6. Czy potrzebny jest pierścień dystansowy?
   Jeżeli tak, trzeba sprawdzić, na jaki element przenosi on obciążenie.
7. Czy łożysko jest montowane na tulei?
   Wtedy trzeba uwzględnić sposób osadzenia i zdolność konkretnego układu do przenoszenia sił osiowych.
8. Czy rozwiązanie pozostanie serwisowalne?
   Dostęp do nakrętki, pierścienia czy śrub ma znaczenie przy późniejszej wymianie.

Jeżeli dobierasz nakrętki, tuleje, pierścienie dystansowe i inne elementy wykorzystywane do mocowania oraz ustalania łożysk, znajdziesz je w kategorii Akcesoria łożyskowe w sklepie e-marat.pl.

11. Podsumowanie: najważniejsza jest droga przenoszenia siły osiowej

Osiowe ustalenie łożyska nie powinno polegać na zwiększaniu wcisku i liczeniu na to, że tarcie zatrzyma pierścień w każdych warunkach. Znacznie lepiej przeanalizować drogę, którą ma zostać przeniesiona siła. Przykładowo:

• pierścień łożyska → odsadzenie wału
• nakrętka → pierścień łożyska → pierścień dystansowy → odsadzenie

Jeżeli na każdym końcu tej drogi znajduje się element rzeczywiście ustalony i zdolny przenieść wymagane obciążenie, konstrukcja ma logiczne podparcie. Do najczęściej stosowanych rozwiązań należą:

• odsadzenia wału,
• nakrętki łożyskowe,
• płyty końcowe,
• pierścienie dystansowe,
• pierścienie osadcze.

Trzeba jednak pamiętać o jednym wyjątku o ogromnym znaczeniu: nie każda podpora ma być zablokowana osiowo. W układach ustalająco-swobodnych jedna podpora kontroluje położenie wału, a druga pozwala mu kompensować zmiany długości wynikające m.in. z temperatury.

Dlatego właściwe pytanie nie brzmi wyłącznie: „jak zatrzymać łożysko, żeby się nie przesuwało?”. Najpierw trzeba zapytać: „czy ten pierścień rzeczywiście powinien być w tym kierunku zablokowany, a jeśli tak – którędy zostanie przeniesiona siła osiowa?” Dopiero wtedy można właściwie dobrać sposób ustalenia.