Valivé ložisko – klíč k vyšší účinnosti

Valivá ložiska a energetická účinnost – tyto dva pojmy lze používat téměř jako synonyma. Smyslem valivého ložiska je v konečném důsledku snížit tření a tím ušetřit energii.

Energeticky účinná řešení skupiny Schaeffler se přitom zabývají nejen vývojem a výrobou valivých ložisek s optimalizovaným třením, ale zahrnují také vývoj a využití simulačních a výpočetních nástrojů stejně jako analýzu a pochopení celého systému uložení.

Obr. 1. Výpočet převodovky pomocí výpočetního programu Bearinx®

Výpočet tření pomocí programu Bearinx

Pro výpočet tření valivého ložiska vyvinula skupina Schaeffler analytický model a integrovala jej do vlastního, již mnoho let existujícího výpočetního programu pro valivá ložiska Bearinx (obr. 1). Nová metoda nabízí krátkou dobu zpracování a vysokou přesnost modelu. Bere v úvahu celou řadu faktorů, například skutečné rozložení tlaků a vnitřní geometrii ložiska. Kromě rozložení zatížení a výpočtu trvanlivosti navíc nabízí možnost zjistit třecí momenty valivých ložisek a tím i ztrátový výkon celých hřídelových systémů či převodovek. To umožňuje již v rané fázi vývoje produktu vybrat optimalizovanou koncepci z hlediska tření ložisek.

Jádrem výpočtu tření je elastohydrodynamická teorie (EHD). Ta se zabývá vytvořením mazacího filmu ve vysoce namáhaných kontaktních místech těles, která se po sobě navzájem odvalují při vysokých rychlostech. Zahrnuje tvorbu hydrodynamického mazacího filmu a elastickou deformaci kontaktních těles. Kromě toho jsou zohledňovány také podíly valivého a kluzného tření. Aby bylo možné vypočítat i tyto vlivy na třecí moment valivého ložiska, je nutné analyzovat každý jednotlivý kontakt zvlášť. Protože místní teplotní podmínky zpětně ovlivňují viskozitu maziva a tím také třecí síly, musí se výpočet provádět iterativně. Výsledkem jsou pak všechny třecí síly působící v diskrétních bodech kontaktní plochy a teplotní rozložení.

Obr. 2. Masivní jehlové ložisko X-life s klecí Twin Cage a sníženým třením

Valivá ložiska s optimalizovaným třením

Efektivní valivá ložiska s optimalizovaným třením, kterými skupina Schaeffler disponuje, představují klíčovou komponentu pro veškerý průmysl. Valivá ložiska významně přispívají k úsporám energie a zachování zdrojů a současně zvyšují výkonnost a konkurenceschopnost strojů a zařízení. Kolik potenciálu účinnosti valivá ložiska ještě nabízejí, ukazuje například pokračující důsledný vývoj jehlových, kuličkových, kuželíkových a válečkových ložisek.

Obr. 3. Tenké jehlové pouzdro Slimline s radiální konstrukční výškou pouhých 1,5 mm

Jehlová ložiska

Vyšší efektivitu díky menšímu tření nabízí nové masivní jehlové ložisko s plastovou klecí Twin Cage (obr. 2). V tomto ložisku mohou být vloženy dvě krátké jehly do jedné kapsy klece vedle sebe namísto jehly dlouhé. Tato zcela nová kombinace klece a valivých těles vede ve srovnání s konvenčními jehlovými ložisky k mnohem nižšímu třecímu momentu. Při porovnání masivního jehlového ložiska X-life NK 45/20 s konvenční plastovou klecí a s novou klecí Twin Cage dosahuje rozdíl ztrátového výkonu třením při 4 000 otáčkách za minutu 25 až 30 wattů. Jehlové ložisko s klecí Twin Cage tak ušetří tolik energie, kolik je zapotřebí k provozu jedné žárovky.

Obr. 4. Účinnost a trvanlivost nových radiálních kuličkových ložisek FAG generace C jsou výrazně vyšší při současně nižší spotřebě energie.

Významným příspěvkem k nižšímu tření a vyšší účinnosti jsou také nová tenká jehlová pouzdra Slimline (obr. 3). Jsou to první jehlová ložiska o průměru od 15 do 50 mm, která mají radiální konstrukční výšku pouhých 1,5 mm, což je zvláště výhodné pro nahrazení kluzných ložisek v automatických převodovkách. Ve srovnání s konvenčním kluzným uložením snižují tenká pouzdra jehel tření až o 60 % a znatelně zjednodušují okolní konstrukce. Zároveň se snižuje náročnost na olejové mazání převodovky, což například umožňuje použít menší olejové čerpadlo. V neposlední řadě se zvyšuje přesnost uložení, protože se zmenší provozní vůle, a tím je dána vyšší spolehlivost například v provozu start-stop.

Obr. 5. Kuželíková ložiska X-life. Ve srovnání s konvenčními produkty je moment tření nižší až o 75 %. Zároveň se zvyšuje dynamická únosnost a nominální trvanlivost.

Radiální kuličková ložiska

U nově vyvinutého radiálního kuličkového ložiska FAG generace C (obr. 4) byly přepracovány všechny geometrické parametry vnitřního i vnějšího kroužku a valivých těles. Optimalizované mazání valivých těles na kroužcích přináší o 35 % nižší tření ve srovnání s předchozí generací. Trvanlivost a výkon jsou výrazně vyšší při současné podstatně nižší spotřebě energie.

Obr. 6. Zlepšený kontakt mezi čelní plochou válečku a nákružkem snižuje tření a významně zvyšuje axiální zatížitelnost válečkových ložisek.

Kuželíková ložiska

V případě kuželíkových ložisek má obzvláště důležitý význam optimalizace kontaktu čela kuželíku s nákružkem. Zejména se stoupajícím axiálním zatížením se u konvenčních kuželíkových ložisek velmi silně zvyšuje třecí moment. Skupina Schaeffler proto u nových kuželíkových ložisek X-life (obr. 5) optimalizovala geometrii, opracování povrchů, materiál i rozměrovou přesnost a potažmo přesnost chodu. V kombinaci s optimalizovanou geometrií kontaktního nákružku vnitřního kroužku a čelních stran válečků tak třecí moment klesl až o 75 % ve srovnání s běžnými produkty.

Obr. 7a. Výkonné masivní jehlové ložisko X-life generace D pro downsizing s větším počtem delších jehel.

Obr. 7b. Výkonné masivní jehlové ložisko X-life generace D pro downsizing s větším počtem delších jehel.

Válečková ložiska

Válečková ložiska (obr. 6) mohou vedle vysokých radiálních sil přenášet také axiální síly, jsou-li použity jako opěrná nebo pevná ložiska. Axiální zatížení je v takovém případě přenášeno přes čelní plochy valivých těles a nákružku. Použitím nové metody výpočtu a změněných výrobních procesů optimalizovali inženýři skupiny Schaeffler tvar čelních ploch válečku a tím také kontaktní poměry mezi čelní plochou válečku a nákružkem a významně tak zvýšili axiální zatížitelnost. Rychlejší tvorba mazacího filmu a snížení měrného tlaku pomáhají snížit třecí moment při axiálním zatížení až o 50 %. To významně zvyšuje účinnost.

Obr. 8. Sférický váleček - z běžné kuličky jsou odstraněny všechny nezatěžované části, což znamená, že na obou pólech lze ušetřit až 15 % průměru kuličky.

Vyšší účinnost díky zmenšování

Downsizing neboli zmenšování označuje snahu konstruovat produkty a agregáty menší, a to bez nutnosti snížené výkonnosti. To vytváří řadu příležitostí pro úspory primární i sekundární energie. Předpokladem jsou moderní valivá ložiska, která mají vyšší hustotu výkonu, tj. vyšší únosnost při stejném zástavbovém prostoru.

Jehlová ložiska

U nového masivního jehlového ložiska generace D X-life (obr. 7) umožňuje nově vyvinutá, profilová a optimalizovaně tvářená ocelová klec dosáhnout mnohem vyšší únosnosti. Klec je navržena tak, že při stejných rozměrech ložiska je možné zvýšit jak počet jehel, tak také jejich nosnou délku. Například u nového masivního X-life jehlového ložiska NK 55/25-D-XL se jedná o zvýšení únosnosti o 25 %. To otevírá nové konstrukční možnosti pro zmenšování. Ložisko této velikosti tak dosahuje únosnosti, pro kterou bylo dosud zapotřebí jehlového ložiska X-life velikosti NK 75/25-XL.

Obr. 9. Zmenšování díky ložiskům se sférickými válečky. Ve srovnání s kuličkovým ložiskem 6207 (uprostřed) s devíti valivými tělesy obsahuje nové ložisko se sférickými válečky BXRE207 (vlevo) ve stejném konstrukčním prostoru 14 valivých těles - výrazně tak roste výkonnost. Vpravo pro porovnání kuličkové ložisko 6307 se srovnatelnými výkonovými charakteristikami jako ložisko se sférickými válečky (vlevo), avšak s mnohem větším zástavbovým prostorem.

Ložiska se sférickými válečky

Za novou konstrukcí ložiska se sférickými válečky stojí myšlenka využití pouze exponovaných oblastí konvenčního valivého tělesa - kuličky. Výsledkem je nové valivé těleso - sférický váleček -, který má jen 70 % šířky kuličky (obr. 8 a 9). Úspor materiálu a energie je dosahováno již výrobním postupem speciálně vyvinutým pro výrobu sférických válečků. V porovnání s konvenčním standardním kuličkovým ložiskem 6207 dle DIN 625 umožňují valivá tělesa, konstrukce klece a montážní postup ložisek se sférickými válečky zvýšit plnicí poměr, tj. počet valivých těles ve stejném zástavbovém prostoru z devíti (tj. ca 60 %) na 14 (tj. ca 90 %). Trvanlivost se tak zvýšila o 2,4násobek. Ve stejném zástavbovém prostoru se nyní přenáší více výkonu. Alternativně je možný downsizing, tedy zmenšení zástavbového prostoru při stejném přenosu výkonu. Menší ložisko se sférickými válečky se stejnou výkonností přitom vykazuje ve srovnání s větším, konvenčním kuličkovým ložiskem podstatně nižší tření.

Závěr

Tři strategické přístupy - jeden cíl: zvýšení efektivity strojů a zařízení použitím optimalizovaných valivých ložisek. Moderní výpočetní a simulační nástroje přitom hrají klíčovou roli. Valivé ložisko s nižším třením samo o sobě není vždy tím pravým řešením. Systémy by měly být chápány jako celek a optimálně navrhovány při zohlednění všech rámcových podmínek. Teprve tak lze určit správné použití valivých ložisek, které také povede k maximálnímu zvýšení účinnosti celého systému. Nový vývojový stupeň výpočetního programu Bearinx nabízí optimální postup pro plné využití efektivních ložisek.

PK SERVIS autorizovaný distributor Schaeffler Group INA-FAG