Únosnost a výkonnost kuželíkových ložisek

Únosnost a výkonnost kuželíkových ložisek

Hodnoty dynamické únosnosti kuželíkových ložisek uváděné v katalozích mohou být zavádějící a nelze je porovnávat, protože výrobci počítají únosnost podle různých norem. V tomto článku se zaměříme na důležité parametry. Společnost SKF v současné době uvedla na trh neobyčejně širokou nabídku kuželíkových ložisek SKF Explorer, která umožňují dosáhnout delší trvanlivosti.

Autoři:
Sebastian Krug, vývoj kuželíkových ložisek, SKF Schweinfurt, Německo
Udo Krug, manažer vývoje kuželíkových ložisek, SKF Schweinfurt, Německo
Jochen Lorenscheit, produktový manažer kuželíkových ložisek, SKF Schweinfurt, Německo
Michael Reugels, vývojové středisko velkorozměrových ložisek, SKF Schweinfurt, Německo

Kuželíková ložiska Výzkum a teorie

Běžné provozní prostředí kuželíkových ložisek

Kuželíková ložiska se běžně používají ve vozidlech a průmyslových aplikacích určených pro náročné provozní podmínky. Většinou nacházejí uplatnění v převodovkách osobních a nákladních vozidel, v uloženích kol a dále v hutním průmyslu, průmyslu větrné energie, důlním průmyslu, v odvětví manipulace s materiálem a v průmyslových převodovkách.

V uvedených aplikacích musí splňovat požadavky na přenášení vysokých kombinovaných radiálních a axiálních zatížení, jakož i zajištění vysoké tuhosti za provozu. Důležitými kritérii je rovněž spolehlivost, odolnost a schopnost odolávat extrémním podmínkám.

Kuželíková ložiska navíc velmi často pracují ve znečištěném prostředí a v náročných provozních podmínkách, přičemž musí splňovat hlavní požadavek na dosažení co nejdelší doby provozuschopnosti.

Kuželíková ložiska se obvykle používají v průmyslových převodovkách a převodovkách pro nákladní vozidla.

Kuželíková ložiska se obvykle používají v průmyslových převodovkách a převodovkách pro nákladní vozidla.

ÚNOSNOSTI

Význam únosnosti

Při porovnávání ložisek různých výrobců se technici často řídí podle únosnosti, která pro ně představuje důležitý parametr výkonnosti [1]. Dynamická únosnost má tedy zásadní význam pro výpočet základní trvanlivosti ložiska. Nejsnadněji to lze vysvětlit na rovnici pro výpočet trvanlivosti.

Výpočet podle normy ISO

Podle normy ISO 281 se počítá základní trvanlivost radiálního ložiska s čárovým stykem ze vztahu:

Podle normy ISO 281 se počítá základní trvanlivost radiálního ložiska s čárovým stykem ze vztahu

kde
L10 = základní trvanlivost (při 90% spolehlivosti)
Cr = základní dynamická radiální únosnost
Pr = dynamické ekvivalentní radiální zatížení

Podle ISO 281 se vypočítá základní dynamická radiální únosnost radiálního ložiska s čárovým stykem ze vztahu:

Podle ISO 281 se vypočítá základní dynamická radiální únosnost radiálního ložiska s čárovým stykem ze vztahu:

kde
Cr = základní dynamická radiální únosnost
bm = součinitel únosnosti typu ložiska (pro kuželíková ložiska činí tato hodnota 1,1)
fc = součinitel materiálu/geometrie/rozměrů
i = počet řad
Lwe = efektivní délka kuželíku
stykový úhel= stykový úhel
Z = počet valivých těles v jedné řadě
Dwe = střední průměr valivého tělesa

Význam součinitele výkonnosti fc je zřejmý: např. pro hodnotu součinitele 1,23 vychází dvojnásobná základní trvanlivost L10.

Výpočet podle amerických norem

V některých případech a především na severoamerickém trhu se používá únosnost C90. Tato únosnost je založena na trvanlivosti 90×106 otáček:

V některých případech a především na severoamerickém trhu se používá únosnost C90. Tato únosnost je založena na trvanlivosti 90×106 otáček

kde
C90 = základní dynamická únosnost založená na 90×106 otáčkách
M = součinitel materiálu, který stanoví výrobce ložisek
H = součinitel, který závisí na geometrii a stanoví ho výrobce ložisek
i = počet řad
leff = efektivní styková délka
stykový úhel= stykový úhel
Z = počet valivých těles v jedné řadě
Dwo = střední průměr valivého tělesa

Dynamická radiální únosnost C1 pro trvanlivost 1×106 otáček:

Dynamická radiální únosnost C1 pro trvanlivost 1×106 otáček

Porovnání únosností

Z výše uvedeného je zřejmé, že únosnost Cr podle ISO nelze přímo porovnávat s únosností C1 používanou v USA. Hodnoty C1 jsou vypočítány z únosnosti C90 a ačkoli mají podobnou základní strukturu, ve vztahu pro Cr a C90 se používají jiní součinitelé a exponenty [6]. Z toho vyplývá různá váha jednotlivých parametrů geometrie.

Srovnávací testy

Různá kuželíková ložiska byla podrobena rozsáhlým srovnávacím testům. Komentář k výsledkům testů ložisek 32011 X je uveden dále.

Tabulka 1: Srovnávací test – zkušební podmínky pro ložisko 32011 X

Tabulka 1: Srovnávací test – zkušební podmínky pro ložisko 32011 X

Shrnutí

Uživatelé ložisek by měli vědět, že mezi katalogovými hodnotami mohou být neobyčejně velké rozdíly, stejně jako mezi výkonností jednotlivých ložisek v uložení.

Při výběru určitého ložiska je vždy vhodné se podrobněji seznámit se základy výpočtu únosnosti, který používá výrobce.

Únosnosti C90 a C1 nelze přímo porovnávat s únosnostmi stanovenými výpočtem podle ISO.

Je nesmírně důležité, aby výrobci ložisek podpořili udávané hodnoty únosnosti výsledky zkoušek.

Technici by měli kriticky posuzovat hodnoty C uváděné v katalozích a porovnat je s normou ISO 281 nebo zkušebními postupy zavedených výrobců ložisek.

Hodnoty C lze snadno ověřit změřením dílů ložiska jednoduchými postupy – viz [7].

Z toho vyplývá, že čím jsou údaje o únosnosti lépe podložené a spolehlivější, tím vyšší může být hustota výkonu v aplikaci [8].

V budoucnu budou muset výrobci ložisek nabídnout zákazníkům řešení, která budou lépe odpovídat výkonnosti ložiska v provozních podmínkách.

Srovnávací testy byly provedeny pro dva případy: čisté a znečištěné provozní podmínky. V čistých podmínkách probíhají testy s novými ložisky a olejem ve stavu, v jakém byly vyrobeny a dodány. Při provádění testů ve znečištěných provozních podmínkách byly do oleje přidány kovové částice a ložiska byla nejprve zaběhnuta v tomto prostředí. Po zaběhnutí byl znečištěný olej odstraněn a ložiska byla provozována v čistém oleji až do selhání. Zkušební podmínky uvádí tabulka 1.

Obr. 1 ukazuje porovnání katalogových hodnot únosnosti SKF a dvou dalších výrobců ložisek. Referenční hodnota 100 odpovídá únosnosti ložisek SKF. Ve srovnání s únosností ložisek SKF mají ložiska jiných výrobců katalogovou únosnost relativně vyšší o 17 %, resp. 19 %.

Obr. 1: Dynamická radiální únosnost, ložisko 32011 X, relativní katalogové hodnoty Cr

Obr. 1: Dynamická radiální únosnost, ložisko 32011 X, relativní katalogové hodnoty Cr

Výsledky testů

Obr. 2 ukazuje výsledky srovnávacího testu v čistých provozních podmínkách.

Obr. 3 ukazuje výsledky srovnávacího testu ve znečištěných provozních podmínkách.

Obr. 2: Výsledky testu L10 [h], ložisko 32011 X, srovnávací test v čistých provozních podmínkách

Obr. 2: Výsledky testu L10 [h], ložisko 32011 X, srovnávací test v čistých provozních podmínkách

Výsledek: Přestože uváděná únosnost kuželíkových ložisek SKF je nižší, ložiska SKF dosáhla podstatně lepších výsledků než konkurenční ložiska, a to jak v čistých, tak ve znečištěných provozních podmínkách.

Obr. 3: Výsledky testu L10 [h], ložisko 32011 X, srovnávací test ve znečištěných provozních podmínkách

Obr. 3: Výsledky testu L10 [h], ložisko 32011 X, srovnávací test ve znečištěných provozních podmínkách

Test dosažitelných otáček v závislosti na teplotě

Kromě srovnávacích testů trvanlivosti byly provedeny také zkoušky dosažitelných otáček ložiska 32011 X. Před uvedením ložiska do chodu bylo ložisko zatíženo čistě axiální silou 2,3 kN. Poté ložiska byla provozována s otáčkami v rozsahu od 2000 do 9000 min-1, přičemž otáčky se zvyšovaly v krocích po 1000 min-1 (obr. 4).

Obr. 4: Test dosažitelných otáček v závislosti na teplotě – Střední provozní teploty [°C]: modrá: SKF, šedá: CC 1, černá: CC 2; červená: otáčky [min-1].

Obr. 4: Test dosažitelných otáček v závislosti na teplotě – Střední provozní teploty [°C]: modrá: SKF, šedá: CC 1, černá: CC 2; červená: otáčky [min-1].

Výsledky testů

  • Ložiska SKF měla nejnižší teplotu při všech otáčkách. Rozdíly teplot se zvětšovaly při vyšších otáčkách. Při mezních otáčkách byla střední teplota ložisek SKF o 11,5 °C ­nižší než střední teplota ložisek nejbližšího konkurenčního výrobce (CC 2).
  • Při otáčkách přes 4000 min-1 byla u konkurenčních ložisek zaznamenána postupně vyšší střední teplota než u ložisek SKF.
Tabulka 2: Test dosažitelných otácek v závislosti na teplote.

Tabulka 2: Test dosažitelných otácek v závislosti na teplote.

KUŽELÍKOVÁ LOŽISKA SKF, NOVÁ SLOUČENÁ NABÍDKA A SKF EXPLORER

Na trh byla uvedena nová sloučená nabídka katalogových ložisek, která lépe představuje skutečnou výkonnost kuželíkových ložisek SKF.

Hlavní přednosti:

  • široká nabídka ložisek SKF Explorer (obr. 5); všechna malá a téměř všechna středně velká ložiska jsou vyráběná ve třídě SKF Explorer; tato nabídka se průběžně rozšiřuje
  • velkorozměrová katalogová ložiska jsou prozatím nadále vyráběna v základním provedení SKF.
  • katalogová nabídka ložisek palcových rozměrů se průběžně rozšiřuje
  • nabídka ložisek, která jsou určena především pro průmysl, a výrobky přizpůsobené požadavkům zákazníka (jako např. CL7C) zůstávají ve výrobním programu, avšak nejsou součástí standardní katalogové nabídky.
Obr. 5: Nabídka kuželíkových ložisek metrických rozměrů v novém katalogu valivých ložisek SKF (publikace SKF 17 000); tmavomodrá = SKF Explorer; světlemodrá = základní provedení SKF

Obr. 5: Nabídka kuželíkových ložisek metrických rozměrů v novém katalogu valivých ložisek SKF (publikace SKF 17 000); tmavomodrá = SKF Explorer; světlemodrá = základní provedení SKF

Obchodní kontakty

evolution@skf.com

Rozšířená nabídka kuželíkových ložisek SKF Explorer – vyšší únosnosti

Průběžné zdokonalování výroby umožnilo zařadit většinu kuželíkových ložisek v katalogu standardních ložisek do výkonnostní třídy SKF Explorer.

To platí rovněž pro všechna ložiska řady TQ a mnoho dalších ložisek – především díky použití nových valivých těles odpovídajících třídě SKF Explorer.

Z výsledků srovnávacích testů kuželíkových ložisek, které provedla společnost SKF, vyplývá, že ložiska SKF dosahují vysoce konkurenceschopné provozní trvanlivosti, třecího momentu, hlučnosti, vibrací a otáček.

Stejně jako dříve byla dynamická únosnost všech valivých ložisek SKF Explorer zvýšena o 15 %.

To samozřejmě platí rovněž pro katalogovou nabídku kuželíkových ložisek SKF Explorer.

Výhody pro zákazníka

Kuželíková ložiska SKF Explorer nabízejí zákazníkům následující hlavní přednosti:

  • vyšší spolehlivost
  • vyšší produktivita
  • nižší počet případů předčasného selhání
  • nižší hlučnost a vibrace
  • zmenšení rozměrů uložení při zachování stejného výkonu
  • nižší spotřeba maziva a energie.

SKF Explorer je registrovaná ochranná známka skupiny SKF.

Literatura
[1] Parker, N., Desktop Engineering – How to Calculate Dynamic and Static Load Ratings, Power Transmission Engineering, February 2015, p. 40
[2] International Standard ISO 281:2007(E): Rolling bearings – Dynamic load ratings and rating life, 2007, p. 16, formula (16)
[3] International Standard ISO 281:2007(E): Rolling bearings – Dynamic load ratings and rating life, 2007, p. 13, formula (13)
[4] SAE – Society of Automotive Engineers, Rating and Life Formulas for Tapered Roller Bearings, SAE Paper 841121, 1984, p. 3
[5] SAE – Society of Automotive Engineers, Rating and Life Formulas for Tapered Roller Bearings, SAE Paper 841121, 1984, p. 4
[6] SAE – Society of Automotive Engineers, Rating and Life Formulas for Tapered Roller Bearings, SAE Paper 841121, 1984, p. 13
[7] Parker, N., Desktop Engineering – How to Calculate Dynamic and Static Load Ratings, Power Transmission Engineering, February 2015, p.41
[8] Gabelli, A., Doyer, A., Morales-Espejel, G.E., The Modified Life Rating of Rolling Bearings – A Criterion for Gearbox Design and Reliability Optimization, AGMA Technical Paper 14FTM16, 2014, p.14

Související obsah