Łożysko kulkowe czy wałeczkowe — co decyduje o wyborze?

Łożysko kulkowe czy wałeczkowe — na pierwszy rzut oka wybór może wydawać się prosty. Łożyska kulkowe kojarzą się z wyższą prędkością i mniejszym tarciem, a wałeczkowe z większą nośnością i sztywnością. To jednak dopiero punkt wyjścia. W praktyce trzeba uwzględnić kierunek obciążenia, dostępną przestrzeń, wymagania dotyczące sztywności, niewspółosiowość, smarowanie oraz funkcję konkretnej podpory.

W artykule wyjaśniamy:

• czym konstrukcyjnie różni się łożysko kulkowe od wałeczkowego,
• jak rodzaj kontaktu elementów tocznych z bieżnią wpływa na pracę łożyska,
• które rozwiązanie lepiej sprawdza się przy dużych obciążeniach,
• dlaczego łożyska kulkowe często wybiera się do wyższych prędkości,
• jak porównać sztywność obu grup,
• co zmienia ograniczona przestrzeń zabudowy,
• kiedy znaczenie ma zdolność kompensowania niewspółosiowości,
• jakie informacje trzeba zebrać przed doborem konkretnego łożyska.

1. Łożysko kulkowe czy wałeczkowe — od czego zacząć porównanie?

Najpierw warto odrzucić jedno uproszczenie: nie istnieje zasada, według której łożysko wałeczkowe jest zawsze lepsze do dużych obciążeń, a kulkowe zawsze do wysokich prędkości.

Takie zależności rzeczywiście występują, ale dotyczą ogólnego porównania konstrukcji. Ostateczny wybór trzeba przeprowadzić dla konkretnego:

• typu łożyska,
• rozmiaru,
• sposobu zabudowy,
• obciążenia,
• prędkości,
• warunków pracy.

Dwie duże grupy — kulkowa i wałeczkowa — obejmują wiele bardzo różnych konstrukcji.

Inaczej zachowuje się:

• łożysko kulkowe zwykłe,
• łożysko kulkowe skośne,
• łożysko kulkowe wahliwe,

a inaczej:

• łożysko walcowe,
• stożkowe,
• baryłkowe,
• igiełkowe.

Dlatego dobór powinien zaczynać się nie od pytania: „kulka czy wałeczek?” ale od: „jakich właściwości potrzebuje ten konkretny węzeł?”.

2. Kontakt punktowy i liniowy — skąd bierze się podstawowa różnica?

Najbardziej podstawowa różnica wynika z kształtu elementów tocznych. W łożysku kulkowym są nimi kulki. W łożysku wałeczkowym — różnego rodzaju wałeczki.

Łożysko kulkowe

Kontakt kulki z bieżnią można opisać jako punktowy. Po przyłożeniu obciążenia elementy ulegają niewielkiemu odkształceniu sprężystemu i rzeczywisty obszar kontaktu przyjmuje kształt zbliżony do elipsy.

Łożysko wałeczkowe

Tutaj kontakt jest liniowy. Po obciążeniu powstaje obszar styku bardziej zbliżony do prostokąta.

Ta różnica ma duże znaczenie. Wpływa między innymi na:

• zdolność przenoszenia obciążeń,
• sztywność,
• poziom tarcia,
• możliwe prędkości pracy.

W ogólnym porównaniu łożyska wałeczkowe o podobnych wymiarach mogą przenosić większe obciążenia, natomiast kulkowe sprzyjają uzyskiwaniu mniejszych oporów ruchu i wyższych prędkości. To jednak dopiero pierwszy etap doboru.

3. Łożyska wałeczkowe to nie tylko łożyska walcowe

Słowo „wałeczkowe” bywa utożsamiane z łożyskiem walcowym. To błąd.

Do grupy konstrukcji wałeczkowych zaliczają się m.in.:

• łożyska walcowe,
• łożyska igiełkowe,
• łożyska stożkowe,
• łożyska baryłkowe,
• łożyska toroidalne CARB.

Każde z nich ma inną charakterystykę.

Przykładowo łożysko walcowe w wykonaniu NU jest przeznaczone przede wszystkim do przenoszenia obciążeń promieniowych i może pozwalać na określone przesunięcie osiowe wewnątrz łożyska. Łożysko stożkowe może natomiast przenosić zarówno obciążenia promieniowe, jak i osiowe. Łożysko baryłkowe dodatkowo pozwala kompensować określoną niewspółosiowość.

Podobna sytuacja występuje po stronie łożysk kulkowych. Do tej grupy należą m.in.:

• kulkowe zwykłe,
• kulkowe skośne,
• kulkowe wahliwe,
• kulkowe wzdłużne.

Dlatego hasło „łożyska kulkowe zastosowanie” albo „łożyska wałeczkowe zastosowanie” zawsze trzeba rozpatrywać w kontekście konkretnego typu.

4. Obciążenie promieniowe i osiowe — co decyduje o wyborze?

Jednym z pierwszych parametrów przy doborze łożyska jest charakter obciążenia.

Trzeba określić, czy dominuje:

• obciążenie promieniowe,
• obciążenie osiowe,
• obciążenie złożone.

To bardzo ważne, ponieważ duża nośność promieniowa nie oznacza automatycznie dużej zdolności do przenoszenia sił osiowych.

Przykład: łożysko kulkowe zwykłe

Może przenosić:

• obciążenie promieniowe,
• określone obciążenie osiowe.

Jest więc rozwiązaniem bardzo uniwersalnym.

Przykład: łożysko walcowe NU

Jego podstawowym zadaniem jest przenoszenie obciążenia promieniowego. Nie należy wybierać go wyłącznie dlatego, że ma większą nośność promieniową, jeżeli podpora musi również przejmować znaczącą siłę osiową.

Przykład: łożysko kulkowe skośne i stożkowe

Oba typy mogą być stosowane w układach, w których występują obciążenia promieniowe oraz osiowe. Znaczenie ma jednak:

• kierunek działania siły,
• sposób zestawienia łożysk,
• geometria węzła.

Dlatego samo porównanie „kulkowe kontra wałeczkowe” nie wystarcza. Najpierw trzeba znać kierunek obciążenia.

5. Łożysko do dużych obciążeń — kiedy przewagę ma konstrukcja wałeczkowa?

Jeżeli głównym problemem jest duże obciążenie przy ograniczonych wymiarach, konstrukcja wałeczkowa może mieć istotną przewagę.

Dzięki charakterowi kontaktu pomiędzy elementem tocznym i bieżnią łożyska wałeczkowe mogą osiągać większą nośność od kulkowych o porównywalnych wymiarach. Ma to szczególne znaczenie, gdy:

• obciążenia są wysokie,
• dostępna przestrzeń jest ograniczona,
• potrzebna jest duża sztywność węzła.

Nie znaczy to jednak, że każde łożysko wałeczkowe będzie dobrym wyborem. Trzeba nadal sprawdzić:

• kierunek sił,
• nośność dynamiczną,
• nośność statyczną,
• wymagane prędkości,
• sposób ustalenia osiowego,
• warunki smarowania.

Szczególnie istotne jest rozróżnienie obciążenia promieniowego od osiowego. Większa nośność promieniowa nie oznacza, że dane łożysko może przejąć dowolną siłę osiową.

6. Łożysko do wysokich prędkości — kiedy warto rozważyć kulkowe?

Drugą typową różnicą jest tarcie. W ogólnym porównaniu łożyska kulkowe mają mniejszy moment tarcia niż konstrukcje wałeczkowe o podobnych wymiarach.

Może to sprzyjać:

• pracy przy wyższych prędkościach,
• ograniczeniu wzrostu temperatury,
• zmniejszeniu strat energii.

Dlatego przy pytaniu „łożysko do wysokich prędkości — jakie wybrać?” rozwiązania kulkowe często pojawiają się bardzo wcześnie na liście możliwości. Nie należy jednak traktować tego jak bezwzględnej zasady.

Dopuszczalna prędkość zależy również od:

• typu łożyska,
• jego wielkości,
• liczby rzędów,
• konstrukcji koszyka,
• rodzaju uszczelnienia,
• sposobu smarowania,
• obciążenia,
• temperatury.

Oznacza to, że konkretne łożysko wałeczkowe również może pracować z dużą prędkością, jeśli zostało do tego przewidziane. Najbezpieczniej jest porównywać dane katalogowe konkretnych produktów, a nie całych rodzin.

7. Sztywność łożyskowania — dlaczego ma znaczenie?

Sztywność łożyskowania określa w uproszczeniu, jak bardzo podparty element przemieści się pod wpływem działającego obciążenia. Im mniejsze odkształcenie przy tej samej sile, tym większa sztywność.

Przy porównywalnych wymiarach konstrukcje wałeczkowe są zasadniczo sztywniejsze niż kulkowe. Może to mieć duże znaczenie w maszynach, w których trzeba ograniczyć ugięcie i przemieszczenie wału. Przykładowo większa sztywność może być ważna w układach:

• obrabiarek,
• przekładni,
• precyzyjnych mechanizmów,
• mocno obciążonych wałów.

Nie oznacza to jednak, że „sztywniejsze” automatycznie znaczy „dokładniejsze”.

Sztywność a dokładność to dwie różne rzeczy

Sztywność opisuje zachowanie elementu pod obciążeniem. Klasa dokładności opisuje natomiast m.in.:

• tolerancje wymiarowe,
• dokładność obrotu.

Łożysko może być wykonane bardzo dokładnie, ale jego sztywność nadal będzie wynikała z konstrukcji, wymiarów, obciążenia i warunków osadzenia.

8. Miejsce zabudowy — które łożysko będzie bardziej kompaktowe?

Przy doborze bardzo łatwo skupić się wyłącznie na średnicy wału. Tymczasem ta sama średnica otworu może występować w wielu łożyskach o różnych:

• średnicach zewnętrznych,
• szerokościach,
• nośnościach.

Dlatego pytanie: „które rozwiązanie zajmuje mniej miejsca?” nie ma jednej odpowiedzi.

Ograniczona przestrzeń promieniowa

W takich warunkach można rozważać m.in.:

• łożyska igiełkowe,
• łożyska kulkowe zwykłe wybranych lekkich serii,
• wybrane konstrukcje CARB.

Łożysko igiełkowe jest dobrym przykładem pokazującym, że konstrukcja wałeczkowa nie musi być duża promieniowo. Z kolei lekkie serie łożysk kulkowych również mogą zapewnić bardzo kompaktową zabudowę.

Dlatego trzeba zestawić:

wymaganą nośność + dostępną średnicę zewnętrzną + dostępną szerokość.

Dopiero takie porównanie daje użyteczną odpowiedź.

9. Niewspółosiowość — kulkowe czy wałeczkowe?

Tutaj bardzo łatwo o błędne uproszczenie.

Zdolność kompensowania niewspółosiowości nie zależy wyłącznie od tego, czy elementem tocznym jest kulka, czy wałeczek. Decyduje przede wszystkim konstrukcja konkretnego łożyska.

Do konstrukcji pozwalających kompensować określone odchylenie między wałem a obudową należą m.in.:

• łożyska kulkowe wahliwe,
• łożyska baryłkowe,
• łożyska CARB.

Widzimy więc, że rozwiązania samonastawne istnieją po obu stronach porównania. Jednocześnie:

• łożyska kulkowe zwykłe,
• skośne,
• walcowe,
• igiełkowe,
• stożkowe

mają własne ograniczenia dotyczące niewspółosiowości. Dlatego nie powinno się mówić: „wałeczkowe lepiej znosi niewspółosiowość”. Poprawniejsze pytanie brzmi: „czy konkretny typ łożyska pozwala na niewspółosiowość występującą w tym węźle?”

10. Łożysko kulkowe a wałeczkowe — porównanie

Tabela pokazuje ogólne zależności. Nie zastępuje jednak danych katalogowych konkretnego łożyska.

11. Jak dobrać łożysko do konkretnych warunków pracy?

Najlepiej przejść przez kilka podstawowych kryteriów.

1. Określ wielkość obciążenia
   Trzeba wiedzieć nie tylko, że obciążenie jest „duże”. Potrzebne jest jego rzeczywiste oszacowanie oraz charakter pracy.
2. Ustal kierunek siły
   Sprawdź, czy występuje: obciążenie promieniowe, osiowe, czy złożone. To może już na początku wykluczyć część konstrukcji.
3. Sprawdź prędkość obrotową
   Jeżeli prędkość jest wysoka, duże znaczenie zaczynają mieć: tarcie, nagrzewanie, koszyk i smarowanie.
4. Określ wymaganą sztywność
   Jeżeli wał nie może nadmiernie przemieszczać się pod obciążeniem, sztywność może stać się jednym z głównych kryteriów.
5. Zmierz dostępną przestrzeń
   Trzeba uwzględnić zarówno przestrzeń promieniową, jak i osiową.
6. Oceń niewspółosiowość
   Czy wał i obudowa mogą ustawiać się względem siebie pod kątem? Czy konstrukcja jest wystarczająco sztywna, aby takie odchylenia praktycznie nie występowały?
7. Określ funkcję podpory
   Czy ma być ustalająca, czy swobodna? Niektóre typy łożysk pozwalają na osiowe przemieszczenie wewnątrz swojej konstrukcji, co może być bardzo istotne przy kompensowaniu wydłużeń cieplnych.
8. Sprawdź warunki cieplne i smarowanie
   Temperatura i środek smarny mogą ograniczać możliwości konkretnego wykonania.
9. Określ wymaganą trwałość
   Dopiero po zebraniu danych można właściwie ocenić nośność konkretnego łożyska względem wymaganej trwałości.

Jeżeli po wstępnym wyborze konstrukcji chcesz sprawdzić dokładny typ, serię, średnicę otworu, luz lub dodatkowe wykonanie, pomocny będzie poradnik Jak czytać oznaczenia łożysk? Przewodnik na przykładach SKF.

12. Dlaczego nie można zamienić kulkowego na wałeczkowe wyłącznie na podstawie wymiarów?

Załóżmy, że znaleźliśmy dwa łożyska mające:

• taką samą średnicę otworu,
• podobną średnicę zewnętrzną,
• odpowiednią szerokość.

Czy to znaczy, że możemy je zamienić?

Nie. Trzeba porównać znacznie więcej parametrów. Zmiana konstrukcji może wpłynąć na:

• nośność,
• możliwość przenoszenia siły osiowej,
• sztywność,
• prędkość,
• tarcie,
• sposób ustalenia wału,
• możliwość przesunięcia osiowego,
• wymagania smarowania,
• tolerowaną niewspółosiowość.

Przykładowo zamiana łożyska kulkowego zwykłego na konstrukcję walcową może zwiększyć nośność promieniową, ale jednocześnie całkowicie zmienić sposób przejmowania obciążeń osiowych. Z kolei przejście na łożysko stożkowe może wymagać innego układu podparcia i regulacji. Dlatego wymiar jest tylko jednym z kryteriów.

Co porównać przed zmianą konstrukcji?

Warto sprawdzić:

• podstawowy typ łożyska,
• wszystkie wymiary,
• nośność,
• dopuszczalną prędkość,
• kierunek przenoszonych obciążeń,
• luz i dokładność,
• sposób smarowania,
• sposób ustalenia osiowego,
• wymagania montażowe,
• warunki pracy.

Po określeniu potrzebnego typu konkretne warianty możesz porównać w kategorii Łożyska w sklepie e-marat.pl.

13. Podsumowanie — kiedy kulkowe, a kiedy wałeczkowe?

Odpowiedź na pytanie „łożysko kulkowe czy wałeczkowe?” zaczyna się od podstawowej różnicy konstrukcyjnej. Łożyska kulkowe wykorzystują kontakt punktowy, a wałeczkowe liniowy. W ogólnym porównaniu daje to określone przewagi.

Łożyska kulkowe warto rozważać szczególnie wtedy, gdy liczą się:

• małe opory ruchu,
• wyższa prędkość,
• uniwersalność wybranych konstrukcji,
• kompaktowe rozwiązanie dostępne w odpowiedniej serii.

Łożyska wałeczkowe stają się szczególnie interesujące, gdy potrzebne są:

• większa nośność przy porównywalnych wymiarach,
• większa sztywność,
• dobre wykorzystanie ograniczonej przestrzeni w określonych konstrukcjach.

Nie można jednak zapominać, że każda z tych grup obejmuje bardzo różne typy. Łożysko walcowe nie zachowuje się jak stożkowe, a kulkowe zwykłe nie pełni tej samej funkcji co kulkowe skośne lub wahliwe.

Dlatego właściwy schemat doboru powinien wyglądać tak:

obciążenie → kierunek sił → prędkość → sztywność → przestrzeń → niewspółosiowość → funkcja podpory → warunki pracy → konkretny typ i rozmiar łożyska.

Dopiero po przejściu przez te kryteria można odpowiedzieć, czy w danym węźle lepszym rozwiązaniem będzie konstrukcja kulkowa, czy wałeczkowa.