Obciążenie promieniowe a osiowe: jaka jest różnica?

Co to jest obciążenie promieniowe?

Obciążenie promieniowe to siła działająca pod kątem prostym do osi wału, wzdłuż promienia. Najprostszy przykład to ciężar poziomego wału: wał naciska na dolną część otworu łożyska. Naciąg pasa, ciąg łańcucha, siła rozporowa między kołami zębatymi walcowymi, siły od niewyrównoważenia i reakcja na sworzniu przegubu – wszystkie są promieniowe.

W łożysku ślizgowym obciążenie promieniowe przenosi walcowa powierzchnia ślizgowa. Wał nie dotyka całego otworu; spoczywa na obciążonym łuku, który do celów obliczeniowych traktuje się jako rzut powierzchni: średnica otworu × długość. Dlatego nacisk jednostkowy w tulei cylindrycznej zapisuje się jako p = F / (d × L): ta sama siła na dłuższej tulei lub tulei o większym otworze daje mniejszy nacisk.

Co to jest obciążenie osiowe?

Obciążenie osiowe, zwane też wzdłużnym, działa równolegle do osi wału. Próbuje przepchnąć wał przez łożysko, a nie wcisnąć go w bok. Jego źródłem są między innymi reakcja wirnika pompy lub śruby napędowej, składowa osiowa od kół zębatych śrubowych lub ślimakowych, siła zacisku wzdłuż śruby lub wrzeciona oraz ciężar wału pionowego.

Walcowy otwór nie jest w stanie przenieść obciążenia osiowego – wał po prostu by się przez niego przesunął. Siłę osiową przenosi płaska powierzchnia prostopadła do osi: podkładka oporowa między odsadzeniem wału a obudową, kołnierz tulei kołnierzowej albo czoło tulei współpracujące z odsadzeniem wału. Nacisk jednostkowy to siła podzielona przez powierzchnię czoła łożyska, p = F / A, gdzie A jest powierzchnią pierścieniową podkładki lub kołnierza pomniejszoną o rowki.

Przykłady obciążeń promieniowych i osiowych

W jednej maszynie występują zwykle oba. Sworzeń wysięgnika koparki przenosi promieniowo ciężar wysięgnika i reakcję od kopania, a boczne siły na łyżce wywołują obciążenie osiowe na końcach sworznia. Wał pompy wirowej jest obciążony promieniowo przez hydrauliczne niewyrównoważenie wirnika i osiowo przez różnicę ciśnień po obu stronach wirnika. Piasta koła pojazdu przenosi promieniowo ciężar pojazdu, a osiowo – siły powstające na zakręcie.

Obciążenia złożone i sposoby ich przenoszenia

Większość węzłów jest obciążona w obu kierunkach jednocześnie. Przenoszą je trzy układy. Tuleja cylindryczna z osobną podkładką oporową utrzymuje każde obciążenie na własnej powierzchni i pozwala dobierać oraz wymieniać każdy element niezależnie; to zwyczajowy wybór w maszynach ciężkich. Tuleja kołnierzowa łączy oba w jednej części: część walcowa przenosi obciążenie promieniowe, a kołnierz – lekkie do umiarkowanego obciążenie osiowe, ustalając jednocześnie tuleję w obudowie. Trzecim układem, częstym w małych mechanizmach, jest para tulei współpracujących z odsadzeniami na wale.

Kołnierz tulei kołnierzowej nie jest pełnowartościowym łożyskiem wzdłużnym. Jest cienki, na tylnej powierzchni zwykle niesmarowany, a jego powierzchnia jest mała, więc nadaje się do ustalania i sporadycznego obciążenia osiowego, a nie do ciągłego. Gdy składowa osiowa jest znaczna, należy przewidzieć podkładkę oporową.

Jak każde z obciążeń działa na łożysko

Obciążenie promieniowe decyduje o nacisku na obciążonym łuku ścianki, o filmie hydrodynamicznym w łożysku smarowanym olejem oraz – poprzez luz roboczy – o tym, jak daleko wał odsuwa się od środka. Zbyt duże obciążenie promieniowe dla danego materiału wywołuje płynięcie plastyczne warstwy łożyskowej (brąz i bimetal), pełzanie polimeru na zimno (PTFE, POM) albo pęknięcia zmęczeniowe pod obciążeniem cyklicznym. Niewspółosiowość zamienia rozłożone obciążenie promieniowe w obciążenie krawędziowe na jednym końcu otworu – najczęstszą przyczynę przedwczesnego zużycia tulei w przegubach.

Obciążenie osiowe decyduje o nacisku na powierzchni oporowej. Ponieważ powierzchnie oporowe są małe, a prędkość ślizgania rośnie z promieniem, przy tym samym nacisku pracują goręcej niż tuleje; zwykle to granica pV, a nie granica obciążenia, zostaje przekroczona jako pierwsza. Środek smarny trzeba doprowadzić na czoło rowkami promieniowymi, bo nie wejdzie tam z boku tak jak w tulei.

Nacisk jednostkowy p i prędkość ślizgania v sprawdza się osobno względem wartości p max, v max i (p·v) max materiału. Osiągnięcie jednej granicy nie pozostawia zapasu na pozostałe.

Co zmienia rozkład obciążenia

Obliczenie nominalne zakłada, że obciążenie rozkłada się równomiernie na rzucie powierzchni. W praktyce kilka czynników ten rozkład pogarsza.

• Niewspółosiowość wału i obudowy skupia obciążenie promieniowe na jednym końcu otworu (obciążenie krawędziowe). Ograniczają ją konstrukcje samonastawne, krótsze tuleje albo gniazdo kuliste.
• Stosunek długości do średnicy: długa, smukła tuleja (L/d powyżej około 1,5) jest bardziej wrażliwa na niewspółosiowość; krótka (L/d poniżej 0,5) przenosi mniejsze obciążenie i wypuszcza więcej środka smarnego.
• Luz roboczy: za mały luz odcina dopływ środka smarnego do filmu i kończy się zatarciem; za duży pozwala wałowi odejść od środka i uderzać przy obciążeniu zmiennym co do kierunku.
• Sztywność obudowy: cienka lub rozcięta obudowa odkształca się pod obciążeniem razem z tuleją, więc otwór nie pozostaje okrągły.
• Udary i zmiana kierunku: obciążenia cykliczne i zmienne co do zwrotu niszczą zmęczeniowo warstwę łożyskową przy niższym nacisku niż obciążenie stałe; obowiązuje granica obciążenia dynamicznego, nie statycznego.
• Rozszerzalność cieplna: w temperaturze pracy wał, tuleja i obudowa rozszerzają się w różnym stopniu i luz się zmienia; luz ustala się na temperaturę pracy, a nie na temperaturę montażu.

Jak obliczyć nacisk jednostkowy

Dla tulei cylindrycznej o średnicy wewnętrznej d i długości L przenoszącej siłę promieniową F nacisk jednostkowy wynosi p = F / (d × L). Dla podkładki oporowej o średnicy wewnętrznej d₁ i zewnętrznej d₂ przenoszącej siłę osiową F powierzchnia czoła to A = π (d₂² − d₁²) / 4 pomniejszona o rowki, a p = F / A. Prędkość ślizgania obracającej się tulei to v = π d n / 60 (d w metrach, n w obr/min); dla podkładki przyjmuje się średnicę średnią (d₁ + d₂) / 2.

Przykład liczbowy: tuleja brązowa o średnicy wewnętrznej 50 mm i długości 60 mm obciążona promieniowo siłą 60 kN pracuje przy p = 60 000 / (50 × 60) = 20 N/mm². Przy 30 obr/min prędkość ślizgania wynosi π × 0,050 × 30 / 60 = 0,079 m/s, a więc p·v = 1,6 N/mm²·m/s. Obie wartości porównuje się następnie z granicami publikowanymi dla wybranego materiału.

Nasz kalkulator obciążenia łożyska wykonuje te obliczenia dla tulei i podkładek. Gdy warunki pracy są bliskie granicy, warto dołączyć je do zapytania – potwierdzimy materiał względem nich.

Dobór elementu łożyskowego do obciążenia

Przy obciążeniu głównie promieniowym należy przewidzieć tuleję cylindryczną i dobrać ją według p oraz p·v: smarowany brąz, bimetal lub stal hartowana do ciężkiej, wolnej pracy; kompozyt PTFE, brąz grafitowy lub brąz spiekany tam, gdzie przegubu nie da się smarować. Przy obciążeniu głównie osiowym – podkładkę oporową z tych samych materiałów, ze środkiem smarnym doprowadzonym na czoło rowkami promieniowymi. Przy obciążeniu złożonym – tuleję z podkładką, gdy siła osiowa działa ciągle, albo tuleję kołnierzową, gdy chodzi o ustalenie lub obciążenie sporadyczne.

Niezależnie od układu w zapytaniu warto podać kierunek, wielkość i cykl obciążenia. Rysunek pokazuje geometrię; dopiero obciążenia mówią nam, który materiał w niej przetrwa.