Obciążenie promieniowe, osiowe i złożone — jakie łożysko wybrać?

Obciążenie promieniowe i osiowe łożyska to jeden z podstawowych parametrów, które trzeba określić jeszcze przed wyborem konkretnej konstrukcji. Sama informacja o wielkości siły nie wystarczy. Trzeba wiedzieć również, w jakim kierunku działa, czy podczas pracy zmienia zwrot oraz czy obciążenie promieniowe i osiowe występują jednocześnie. Dopiero wtedy można zdecydować, czy lepszym rozwiązaniem będzie łożysko kulkowe zwykłe, walcowe, skośne, stożkowe, wzdłużne czy odpowiednio zestawiona para łożysk.

W artykule wyjaśniamy:

• czym różni się obciążenie promieniowe od osiowego,
• kiedy mamy do czynienia z obciążeniem złożonym,
• dlaczego kierunek siły osiowej ma znaczenie,
• jak kąt działania wpływa na zdolność przenoszenia obciążeń,
• jakie konstrukcje warto rozważyć dla różnych rodzajów sił,
• kiedy potrzebna jest para łożysk,
• jak rozdzielić przenoszenie sił promieniowych i osiowych pomiędzy różne podpory,
• jakie dane zebrać przed wyborem konkretnego łożyska.

1. Obciążenie promieniowe i osiowe łożyska — czym się różnią?

Podstawowe rozróżnienie wynika z kierunku działania siły względem osi wału.

• Siła promieniowa działa prostopadle do osi obrotu.
• Siła osiowa działa wzdłuż osi obrotu.

Jeżeli oba rodzaje sił występują jednocześnie, mamy do czynienia z obciążeniem złożonym łożyska. Brzmi prosto, ale już na tym etapie można popełnić błąd. Nie wystarczy określić: „na łożysko działa 10 kN”.

Trzeba wiedzieć:

• jaka część tej siły działa promieniowo,
• jaka działa osiowo,
• w którą stronę działa składowa osiowa,
• czy kierunek zmienia się podczas pracy,
• jakie obciążenie przypada na konkretną podporę wału.

To właśnie kierunek działania sił bardzo często decyduje o wyborze konstrukcji łożyska.

2. Obciążenie promieniowe — jaka siła działa na łożysko?

Obciążenie promieniowe oznaczane jest często symbolem F_r. Działa prostopadle do osi wału. Najłatwiej wyobrazić je sobie jako nacisk działający na wał „z boku”.

Tego typu siły występują powszechnie między innymi w:

• przekładniach,
• napędach pasowych,
• napędach łańcuchowych,
• wałach maszyn,
• silnikach,
• wentylatorach.

Do przenoszenia obciążeń promieniowych można stosować różne konstrukcje, np.:

• łożyska kulkowe zwykłe,
• łożyska walcowe,
• łożyska igiełkowe,
• łożyska baryłkowe.

Nie oznacza to jednak, że wszystkie są zamienne. Przy doborze łożyska do obciążenia trzeba dodatkowo uwzględnić: wielkość siły, prędkość obrotową, dostępną przestrzeń, sztywność, warunki smarowania, niewspółosiowość oraz funkcję konkretnej podpory.

Łożysko promieniowe nie oznacza „tylko promieniowe”

Określenie łożysko promieniowe wskazuje przede wszystkim na główny kierunek przenoszonego obciążenia. Nie znaczy to, że każda konstrukcja należąca do tej grupy jest całkowicie niezdolna do przenoszenia siły osiowej. Dobrym przykładem jest łożysko kulkowe zwykłe, które oprócz obciążenia promieniowego może przenosić również określone obciążenie osiowe. Zawsze trzeba więc sprawdzać możliwości konkretnego typu.

3. Obciążenie osiowe — dlaczego ważny jest również kierunek siły?

Obciążenie osiowe, często oznaczane F_a, działa równolegle do osi wału. Można powiedzieć, że próbuje przesunąć wał wzdłuż jego osi. W tym przypadku sama wartość siły również nie wystarcza.

Trzeba ustalić, czy obciążenie:

• działa stale w jednym kierunku,
• występuje w obu kierunkach,
• zmienia kierunek podczas cyklu pracy,
• występuje samodzielnie,
• towarzyszy mu obciążenie promieniowe.

To bardzo ważne przy wyborze układu łożyskowania. Łożysko przeznaczone do przejmowania siły osiowej w jednym kierunku nie zapewnia automatycznie ustalenia wału w kierunku przeciwnym.

W takiej sytuacji może być potrzebne:

• drugie łożysko,
• odpowiednio zestawiona para,
• konstrukcja dwukierunkowa.

Przykład

Jeżeli siła osiowa zawsze działa w prawo, można zaprojektować układ właśnie pod ten kierunek. Jeżeli jednak podczas hamowania, zmiany kierunku obrotów albo innej fazy pracy zacznie działać w lewo, sytuacja konstrukcyjna się zmienia. Dlatego odpowiedź na pytanie: „jakie łożysko do obciążeń osiowych?” zawsze powinna zaczynać się od ustalenia kierunku i zmienności obciążenia.

4. Obciążenie złożone łożyska — gdy obie siły działają jednocześnie

W wielu rzeczywistych maszynach łożysko nie pracuje przy czystym obciążeniu promieniowym ani czystym osiowym. Obie składowe występują jednocześnie. Mówimy wtedy o obciążeniu złożonym. Ważne jest nie tylko to, że występują F_r i F_a, ale również wzajemny udział obu składowych.

Innej konstrukcji może wymagać sytuacja, w której:

• obciążenie promieniowe jest duże,
• a osiowe niewielkie,

niż taka, w której:

• obciążenie promieniowe jest umiarkowane,
• ale składowa osiowa jest bardzo duża.

Dlatego samo stwierdzenie: „występuje obciążenie złożone” nie kończy doboru. Trzeba jeszcze określić proporcje pomiędzy obiema siłami. Znaczenie ma również zmienność. Układ dobrany do stałego obciążenia osiowego działającego w jednym kierunku może nie być odpowiedni, jeśli podczas pracy kierunek zaczyna się regularnie odwracać.

5. Kąt działania łożyska — co mówi o przenoszeniu siły?

Przy analizie obciążeń osiowych i złożonych pojawia się pojęcie kąta działania łożyska. Opisuje on kierunek przekazywania obciążenia pomiędzy pierścieniami poprzez elementy toczne. W ujęciu stosowanym w katalogu SKF kąt działania określa się względem płaszczyzny prostopadłej do osi łożyska.

W praktyce można zapamiętać ogólną zależność: im większy kąt działania, tym większe znaczenie ma zdolność przenoszenia obciążeń osiowych.

To jedna z przyczyn, dla których przy znaczących składowych osiowych stosuje się m.in.:

• łożyska kulkowe skośne,
• łożyska stożkowe.

SKF klasyfikuje łożyska o kącie działania do 45° włącznie jako promieniowe, a konstrukcje o większym kącie jako wzdłużne. Nie oznacza to jednak, że sam kąt wystarczy do doboru. Nie mówi on samodzielnie o: dopuszczalnej wartości obciążenia, trwałości, prędkości, sztywności czy niewspółosiowości. To jeden z parametrów opisujących sposób przenoszenia siły.

6. Jakie łożysko dobrać do kierunku obciążenia?

Poniższa tabela może służyć jako punkt wyjścia.

To nie jest tabela gotowych zamienników. Pokazuje jedynie, w którym kierunku warto rozpocząć analizę. Jeżeli chcesz szerzej porównać zachowanie konstrukcji kulkowych i wałeczkowych pod względem nośności, prędkości oraz sztywności, zobacz artykuł Łożysko kulkowe czy wałeczkowe — co decyduje o wyborze?.

7. Dlaczego łożysko kulkowe zwykłe nie zawsze wystarcza?

Łożysko kulkowe zwykłe jest bardzo uniwersalną konstrukcją. Może przenosić:

• obciążenia promieniowe,
• określone obciążenia osiowe.

Dlatego w wielu aplikacjach sprawdza się bardzo dobrze. Problem pojawia się wtedy, gdy składowa osiowa zaczyna rosnąć. Nie powinno się zakładać: „jeżeli ma być większa siła, po prostu wezmę większe łożysko kulkowe zwykłe”.

W pewnych warunkach większy rozmiar rzeczywiście może być rozwiązaniem. W innych znacznie bardziej uzasadniona będzie zmiana konstrukcji. Wtedy można rozważyć np.:

• łożysko kulkowe skośne,
• łożysko stożkowe.

Ich geometria jest lepiej przystosowana do przejmowania znaczących składowych osiowych. Nie istnieje jedna uniwersalna wartość siły, po której przekroczeniu należy zawsze zrezygnować z łożyska kulkowego zwykłego. Decyzja wymaga sprawdzenia konkretnego produktu oraz warunków pracy.

8. Łożysko kulkowe skośne i stożkowe przy obciążeniach złożonych

Gdy jednocześnie występują obciążenia promieniowe i znaczące osiowe, często analizuje się łożyska kulkowe skośne oraz łożyska stożkowe. Obie konstrukcje są przystosowane do przenoszenia obciążeń złożonych. Nie oznacza to jednak, że można je traktować jako automatyczne zamienniki.

Łożysko kulkowe skośne

Ze względu na swoją geometrię może przejmować obciążenie osiowe w określonym kierunku wraz z obciążeniem promieniowym. W zależności od wymagań stosuje się:

• pojedyncze łożysko,
• parę,
• odpowiedni zestaw.

Łożysko stożkowe

Również przenosi jednocześnie siły promieniowe i osiowe. Kierunek przejmowanej składowej osiowej jest związany z ustawieniem łożyska. Dlatego w układach wymagających ustalenia wału w obu kierunkach często stosuje się odpowiednią konfigurację dwóch łożysk.

W obu przypadkach ważny jest nie tylko typ łożyska, ale układ, w jakim zostanie zamontowane.

9. Co się zmienia, gdy siła osiowa działa w obu kierunkach?

To jedno z najważniejszych pytań przy projektowaniu układu. Jeżeli siła osiowa może działać raz w prawo, raz w lewo, łożyskowanie musi być przygotowane na oba przypadki.

Można wtedy stosować np. odpowiednio zestawione:

• łożyska kulkowe skośne,
• łożyska stożkowe.

W zależności od potrzeb stosuje się różne konfiguracje. Układy przeciwstawne mogą zapewniać przenoszenie sił osiowych w obu kierunkach. Z kolei układ tandem służy przede wszystkim zwiększeniu zdolności przenoszenia obciążenia osiowego w określonym kierunku.

Dlatego sama informacja: „na wale są dwa łożyska skośne” nie mówi jeszcze, jak zachowa się cały układ. Trzeba wiedzieć, w jaki sposób zostały ustawione. Szczegółowe różnice pomiędzy układami O, X i tandem warto traktować jako osobny temat, ponieważ sposób zestawienia wpływa nie tylko na kierunek przejmowanych sił, ale również na zachowanie całego łożyskowania.

10. Czy różne łożyska mogą osobno przenosić siłę promieniową i osiową?

Tak. W niektórych konstrukcjach nie próbuje się znaleźć jednego łożyska, które przejmie wszystkie obciążenia. Zamiast tego można rozdzielić funkcje pomiędzy kilka elementów.

Przykładowo jedno łożysko może odpowiadać przede wszystkim za obciążenie promieniowe, a inne za ustalenie osiowe wału.

Przykładem takiego podejścia jest układ wykorzystujący łożysko walcowe do przenoszenia dużych sił promieniowych oraz dodatkowe łożysko przejmujące obciążenie osiowe. Może to być np. odpowiednio zaprojektowane zestawienie z łożyskiem kulkowym o styku czteropunktowym.

Tu jednak pojawia się ważna kwestia. Jeżeli dane łożysko ma pełnić przede wszystkim funkcję osiową, konstrukcja oprawy powinna zapobiegać niezamierzonemu obciążaniu go promieniowo. To dobrze pokazuje podstawową zasadę: dobieramy nie tylko pojedyncze łożysko, ale cały sposób przenoszenia sił w układzie.

11. Obciążenie a nośność łożyska — dlaczego to nie jest to samo?

Te dwa pojęcia bywają używane zamiennie, ale nie oznaczają tego samego.

Obciążenie

To rzeczywiste siły działające na łożysko w maszynie. Mogą mieć charakter: promieniowy, osiowy, złożony, stały, zmienny lub udarowy.

Nośność

To parametr katalogowy konkretnego łożyska wykorzystywany podczas oceny jego przydatności i obliczeń. Dlatego katalogowa nośność łożyska nie powinna być interpretowana jako: „maksymalna siła, którą wolno przyłożyć w dowolnym kierunku”.

Po wybraniu konstrukcji trzeba jeszcze zweryfikować m.in.:

• konkretny rozmiar,
• rzeczywiste obciążenie,
• trwałość,
• prędkość,
• warunki smarowania,
• temperaturę,
• sposób zabudowy.

Dopiero wtedy można ocenić, czy konkretny wariant spełni wymagania.

12. Jak dobrać łożysko do obciążenia krok po kroku?

1. Określ siłę promieniową
   Ustal wartość F_r działającą na każdą podporę. Nie wystarczy znać całkowite obciążenie maszyny.
2. Określ siłę osiową
   Wyznacz F_a i sprawdź, na którą podporę rzeczywiście jest przekazywana.
3. Sprawdź kierunek siły osiowej
   Czy działa: w jednym kierunku, w obu, czy naprzemiennie? To może zadecydować o potrzebie zastosowania pary łożysk.
4. Oceń stosunek obciążenia osiowego do promieniowego
   Niewielka składowa osiowa może pozwolić na inną konstrukcję niż duża siła osiowa występująca jednocześnie z promieniową.
5. Sprawdź zmienność obciążenia
   Czy występują: udary, przeciążenia, rozruchy, hamowania, zmiany kierunku?
6. Określ prędkość
   To ważne szczególnie przy wyborze pomiędzy konstrukcjami o różnym tarciu i zdolności pracy przy wysokich obrotach.
7. Sprawdź przestrzeń zabudowy
   Uwzględnij: średnicę wału, dostępną średnicę zewnętrzną, szerokość i ewentualne miejsce na drugi element pary.
8. Określ funkcję podpory
   Czy ma ona: ustalać wał osiowo, czy umożliwiać jego przesunięcie wynikające np. z rozszerzalności cieplnej?
9. Uwzględnij warunki pracy
   Sprawdź: temperaturę, smarowanie, zanieczyszczenia i niewspółosiowość.
10. Wybierz typ łożyska
    Dopiero na tym etapie można sensownie zdecydować między np.: kulkowym zwykłym, walcowym, skośnym, stożkowym, baryłkowym czy wzdłużnym.
11. Zweryfikuj konkretny rozmiar i wykonanie
    Po wyborze konstrukcji trzeba sprawdzić dokładne parametry konkretnego produktu. Dostępne typy i wykonania możesz porównać w kategorii Łożyska w sklepie e-marat.pl.

13. Podsumowanie — najpierw kierunek siły, później typ łożyska

Prawidłowy dobór łożyska do obciążenia zaczyna się od określenia kierunku sił.

• Obciążenie promieniowe działa prostopadle do osi wału.
• Obciążenie osiowe działa wzdłuż niej.
• Obciążenie złożone łączy obie składowe.

To jednak dopiero początek. Trzeba jeszcze wiedzieć:

• jak duże są obie siły,
• jaki jest ich wzajemny udział,
• czy składowa osiowa zmienia kierunek,
• jaką funkcję pełni dana podpora,
• czy siły muszą być przenoszone przez jedno łożysko, czy można rozdzielić je pomiędzy kilka elementów.

Łożysko kulkowe zwykłe może być bardzo dobrym wyborem przy obciążeniu promieniowym i umiarkowanej składowej osiowej. Przy większych obciążeniach promieniowych można rozważyć konstrukcje wałeczkowe. Przy znaczących siłach osiowych i złożonych pojawiają się m.in. łożyska kulkowe skośne i stożkowe. Jeżeli kierunek siły osiowej się zmienia, trzeba dodatkowo zaprojektować odpowiedni układ łożysk.

Dlatego zamiast pytać wyłącznie: „jakie łożysko wytrzyma tę siłę?” lepiej zacząć od: „w jakim kierunku działa ta siła, gdzie jest przenoszona i czy jej kierunek zmienia się podczas pracy?”. Dopiero odpowiedź na te pytania pozwala właściwie dobrać konstrukcję, konfigurację i rozmiar łożyska.