Ložisko
Obsah boxu
Šablona:Infobox Strojní součást Tento článek pojednává o strojní součásti. Pro další významy, například v geologii, viz Ložisko (rozcestník).
Ložisko je strojní součást, jejímž hlavním účelem je umožnit vzájemný rotační nebo posuvný pohyb dvou či více dalších součástí, a to s co nejmenším třením. Ložiska přenášejí zatížení mezi pohyblivou a pevnou částí stroje a zajišťují přesné vedení pohyblivé části, nejčastěji hřídele nebo čepu. Jsou jednou z nejzákladnějších a nejrozšířenějších součástí ve strojírenství a nacházejí se prakticky v každém stroji, od jízdních kol a skateboardů přes automobily a pračky až po letecké motory a větrné elektrárny.
📜 Historie
Myšlenka snížení tření pomocí valivých prvků je velmi stará. Již starověcí Egypťané pravděpodobně používali dřevěné klády k posouvání těžkých kamenných bloků při stavbě pyramid. Tento princip, kde se smykové tření nahrazuje výrazně nižším třením valivým, je základem moderních valivých ložisek.
První známé nákresy zařízení připomínajícího kuličkové ložisko pocházejí od Leonarda da Vinciho kolem roku 1500. Jeho návrhy pro helikoptéru obsahovaly kuličková ložiska, avšak v té době nebyly technologické možnosti pro jejich výrobu.
Skutečný rozvoj ložisek nastal s průmyslovou revolucí. V roce 1794 si nechal velšský vynálezce a železář Philip Vaughan patentovat první moderní kuličkové ložisko pro nápravy kočárů. Masové rozšíření a zdokonalení technologie výroby přišlo na přelomu 19. a 20. století, kdy vznikly firmy jako SKF (Svenska Kullagerfabriken) ve Švédsku, která v roce 1907 představila dvouřadé naklápěcí kuličkové ložisko, jež znamenalo revoluci v oboru.
⚙️ Princip funkce
Základní funkcí ložiska je minimalizovat tření mezi dvěma povrchy, které se vzájemně pohybují. Toho je dosaženo dvěma hlavními způsoby, které definují dvě základní kategorie ložisek:
- Kluzné tření: U kluzných ložisek po sobě kloužou dva povrchy (např. hřídel a pouzdro ložiska). Tření je snižováno přítomností maziva (např. olej nebo tuk), které vytváří tenký film oddělující oba povrchy. U hydrodynamických ložisek se tento mazací film vytváří samovolně pohybem hřídele.
- Valivé tření: U valivých ložisek je mezi dvěma hlavními součástmi (vnitřním a vnějším kroužkem) vložena sada valivých těles (kuliček, válečků, kuželíků, jehel nebo soudečků). Pohyb se tak přenáší odvalováním těchto těles, což vede k výrazně nižšímu třecímu odporu ve srovnání s kluzným třením.
Volba mezi kluzným a valivým ložiskem závisí na konkrétní aplikaci, požadované přesnosti, rychlosti otáčení, velikosti zatížení a provozních podmínkách.
📊 Dělení ložisek
Ložiska lze dělit podle několika klíčových kritérií, která definují jejich konstrukci a použití.
Podle principu přenosu zatížení
Kluzná ložiska
Kluzná ložiska jsou konstrukčně jednodušší. Skládají se obvykle z ložiskového pouzdra a hřídele (čepu). Jejich funkce je závislá na mazání.
- Hydrodynamická: Mazací film se tvoří automaticky rotací hřídele, která "nasává" olej do zmenšujícího se klínového prostoru. Jsou vhodná pro vysoké rychlosti a konstantní provoz.
- Hydrostatická: Mazivo (olej) je do ložiska vháněno pod tlakem z externího čerpadla. Tím je zajištěno oddělení povrchů i při nulových otáčkách. Používají se pro velmi těžká a přesná uložení (např. u velkých turbín nebo obráběcích strojů).
- Samomazná: Jsou vyrobena z porézních materiálů (např. sintrovaný kov) napuštěných mazivem nebo z materiálů s nízkým koeficientem tření (např. PTFE, grafit), které nevyžadují externí mazání.
Valivá ložiska
Valivá ložiska jsou standardizované a vyráběné ve velkých sériích. Skládají se ze čtyř hlavních částí:
- Vnitřní kroužek: Nasazuje se na hřídel.
- Vnější kroužek: Montuje se do tělesa stroje.
- Valivá tělesa: Kuličky, válečky, kuželíky, jehly nebo soudečky.
- Klec: Zajišťuje rovnoměrné rozmístění valivých těles a brání jejich vzájemnému dotyku.
- Podle směru přenášeného zatížení ###
- Radiální ložiska: Jsou konstruována pro přenos sil působících kolmo na osu otáčení hřídele. Jsou nejběžnějším typem.
- Axiální ložiska: Přenášejí síly působící ve směru osy hřídele (tzv. osový tlak).
- Kombinovaná (axiálně-radiální) ložiska: Jsou schopna přenášet zatížení v obou směrech současně (např. kuželíková nebo kuličková ložiska s kosoúhlým stykem).
- Podle tvaru valivých těles ###
- Kuličková ložiska: Nejrozšířenější typ. Vhodná pro vysoké otáčky, ale mají nižší únosnost než ložiska s jinými valivými tělesy. Bodový styk mezi kuličkou a oběžnými drahami minimalizuje tření.
- Válečková ložiska: Mají vyšší radiální únosnost díky liniovému styku válečku s kroužky. Jsou citlivější na nesouosost.
- Kuželíková ložiska: Mohou přenášet kombinované radiální a axiální zatížení. Často se montují v párech proti sobě. Používají se například v nábojích kol automobilů.
- Soudečková ložiska: Jsou naklápěcí, což jim umožňuje kompenzovat nesouososti hřídele. Mají velmi vysokou únosnost a používají se v těžkých provozech (např. důlní stroje, ocelárny).
- Jehlová ložiska: Používají jako valivá tělesa tenké válečky (jehly). Mají vysokou radiální únosnost při velmi malé zástavbové výšce.
🛠️ Materiály a výroba
Kvalita a životnost ložiska zásadně závisí na použitých materiálech a přesnosti výroby.
- Materiály: Nejčastěji se pro kroužky a valivá tělesa používá speciální vysoce čistá, kalitelná chromová ocel, známá jako ložisková ocel (např. 100Cr6). Pro korozivzdorné aplikace se používá nerezová ocel. V extrémních podmínkách (vysoké teploty, vysoké otáčky, agresivní prostředí) se uplatňují keramická ložiska (např. z nitridu křemíku Si₃N₄), která jsou lehčí, tvrdší a nepotřebují tradiční mazání. Klece se vyrábějí z ocelového plechu, mosazi nebo stále častěji z polymerů (polyamid).
- Výroba: Výroba valivých ložisek je proces vyžadující extrémní přesnost. Polotovary kroužků se vyrábějí kováním nebo obráběním z trubek. Následuje tepelné zpracování (kalení a popouštění) pro dosažení vysoké tvrdosti a houževnatosti. Klíčovými operacemi jsou broušení a honování oběžných drah a valivých těles, kde se dosahuje přesnosti v řádu mikrometrů a velmi vysoké kvality povrchu.
💡 Význam a použití
Ložiska jsou klíčovou součástí moderní technologie. Jejich spolehlivost a efektivita přímo ovlivňují funkci, životnost a energetickou náročnost strojů. Příklady použití zahrnují:
- Automobilový průmysl: Ložiska v kolech, převodovkách, motorech, diferenciálech a alternátorech.
- Letecký průmysl: Speciální ložiska v proudových motorech a podvozkových systémech.
- Průmyslové stroje: V elektromotorech, čerpadlech, dopravníkách a obráběcích strojích.
- Domácí spotřebiče: V pračkách, myčkách, mixérech a ventilátorech.
- Sport a volný čas: V jízdních kolech, kolečkových bruslích, skateboardech a rybářských navijácích.
- Energetika: V generátorech, turbínach a větrných elektrárnách.
📉 Opotřebení a životnost
Životnost ložiska je definována počtem otáček nebo provozních hodin, po které je schopno pracovat, než se objeví první známky únavy materiálu. Hlavní příčinou selhání správně namontovaného a mazaného ložiska je povrchová únava materiálu, která se projevuje jako tzv. pitting (vznik malých jamek) a následné odlupování materiálu (spalling) z oběžných drah nebo valivých těles.
Další příčiny selhání mohou být:
- Nedostatečné nebo nesprávné mazání.
- Znečištění maziva pevnými částicemi.
- Nesprávná montáž (použití příliš velké síly, nesouosost).
- Koroze.
- Průchod elektrického proudu ložiskem.
Životnost ložisek se statisticky popisuje pomocí tzv. nominální trvanlivosti L₁₀, která udává počet otáček, kterého dosáhne 90 % identických ložisek za stejných podmínek, než se u nich projeví první známky únavy.
🤔 Ložisko pro laiky
Představte si, že chcete posunout těžkou skříň po podlaze. Budete ji muset táhnout velkou silou, protože mezi skříní a podlahou vzniká velké tření (tzv. smykové tření). Je to namáhavé a neefektivní.
Nyní si představte, že pod skříň položíte několik pevných kulatých tyčí (například násady od košťat). Skříň se teď bude po tyčích odvalovat a její posunutí bude vyžadovat mnohem menší sílu. Tyče zde fungují jako jednoduchá valivá tělesa.
- Ložisko je v podstatě velmi propracovaná a trvalá verze tohoto principu.** Místo tyčí má přesné ocelové kuličky nebo válečky (valivá tělesa), které se odvalují mezi dvěma hladkými ocelovými kroužky. Jeden kroužek je pevně spojen s otáčející se částí (např. osou kola) a druhý s pevnou částí (např. rámem kola). Díky tomu se kolo může otáčet velmi snadno a s minimálním odporem, protože smykové tření bylo nahrazeno mnohem menším valivým třením. Ložisko tak šetří energii a zabraňuje opotřebení součástí.