Print

Ložiska nejen pro skejty

-- 24.03.2015

Využití ložisek v průmyslu, ale i auto-moto sportu je všeobecně známé, jejich neocenitelná hodnota v dalších sportovních oblastech už tak známá není. Ing. Petr Jelínek z SKF se pro fanoušky skateboardingu na tuto problematiku podíval z technického pohledu.

Dva kroužky, pár kuliček, klec, nějaké to těsnění, trochu maziva… Co je na tom složitého a jak moc mohou ložiska ovlivnit výslednou rychlost na skateboardu, respektive longboardu? 

Začněme s trochou teorie. Základní funkce ložiska je přenášet zatížení a přesně definovat polohu hřídele a kolečka. To vše při co nejmenším odporu proti otáčení.

Již staří Římané řešili následující problém: kterýsi císař měl monumentální sochu a trval na tom, že bude neustále natočená tváří ke slunci. Známá věc je, že odvalovaní je snazší než sunutí, a chytří tehdejšího Říma vymysleli primitivní kuličkové ložisko. Mezi spodkem sochy a podstavcem byla sada kuliček a socha se pohybovala po odvalujících se kuličkách a obsluhující personál měl snazší práci.

Skutečný rozvoj a vývoj použitelných ložisek je spojený s průmyslovou revolucí a potřebou uložit hřídele různých strojů tak, aby se točily přesně, bez velkých nároků na údržbu a s co nejmenší spotřebou energie.

Ložisek existuje řada typů, liší se tvarem, valivými elementy a podle směru zatížení, které mohou přenášet. Ve skejtech se téměř výhradně používají jednořadá kuličková ložiska rozměrové řady 608. Ta jsou vhodná pro vysoké otáčky, převážně radiální zatížení, ale jsou schopná přenášet i kombinované zatížení.

Ložiska 608 se obvykle skládají ze sedmi kuliček, vnitřního a vnějšího kroužku, klece a případně těsnění nebo krytu.

Kuličky přenášejí zatížení mezi oběma kroužky, kroužky je vedou a podpírají. Klec udržuje kuličky v rovnoměrných rozestupech, tak aby distribuce sil byla co nejlepší, no a těsnění chrání vnitřní prostor ložiska před vlhkostí, nečistotami a zadržuje mazivo uvnitř. Mazivo má dvě základní funkce, kromě ochrany proti korozi musí oddělovat pracující části od sebe. Ideálně by se kuličky měly vždy valit po malé vrstvě maziva. Proč? K tomu se dostaneme později.

V každém ložisku se při otáčení ztrácí trochu energie, v průmyslu to znamená peníze, u závodníka na skejtu čas a umístění.

Zkusme se podívat, co odpor proti otáčení (= výsledný čas) ovlivňuje a co s tím jde případně dělat. Odpor proti otáčení má několik složek, experti přes ložiska rozlišují valivý odpor, moment smykového tření, odpor brodění a třecí moment těsnění. 

Valivý odpor – i když to tak nevypadá, tak ložisková ocel je poměrně pružný materiál a když se valí kulička zatíženého ložiska po oběžné dráze, tak to s nadsázkou a hodně zjednodušeně vypadá, jako když dítě kutálí po tlustém koberci málo nafouknutý míč. Kulička oběžnou dráhu mírně deformuje, a „tlačí“ před sebou jakousi vlnu.

Mimochodem, kdo nevěří větě o pružnosti, ať běží a pustí kuličku na dlaždičky, bude skákat jako gumová, čím tvrdší tím výš…

Valivý odpor ovlivňuje hlavně materiál ložiska, kvalita povrchu pracovních částí a čistota v ložisku. Obecně se dá říct, že prémioví výrobci mají všechno tohle vyladěné do optimální rovnováhy a značkové ložisko se bude vždycky odvalovat lépe.

Moment smykového tření – s výše uvedeným je úzce spojený určitý mikro-prokluz „přebývajícího“, vytlačeného materiálu, který se neodvaluje čistě, ale určitým způsobem driftuje a „žvýká“ se.

Je to procentuálně největší položka odporu proti otáčení, přímo závisí na provedení ložiska, materiálu, tvrdosti a přesnosti, a docela dost jde ovlivnit použitým mazivem. Ale o tom až v kapitole o mazivu.

Odpor brodění – když vjedete například na motorce do vody, bahna, nebo sněhu, pojede motorka hůř, bude třeba víc tahat za plyn, aby si udržela rychlost. A přesně takhle působí mazivo v ložisku. Kuličky musí překonat určitý odpor při odvalování mazivem.

Třecí moment těsnění – název naznačuje, o co jde, zkrátka každé kontaktní těsnění (označení ložiska obsahuje například RS, RZ a podobně) bude vždycky zdrojem určitého tření a tím i ztrát. Nekontaktní těsnění, přesněji nazývané kryt, chrání ložisko díky velmi malé mezeře mezi krytem a vnitřním kroužkem, není tam kontakt a taky žádný třecí moment. Zakrytí chrání dobře před většími nečistotami, jemný prach už může být problém, a určitě neochrání před vodou a vlhkostí.

Zajímavou variantu představují ložiska s těsněním s nízkým třením, třeba u SKF mají označení 2RSL (těsnění z obou stran) nebo RSL (těsnění z jedné strany). Trik je ve specifickém tvaru těsnění, které tvoří labyrint a prakticky nemá kontakt s vnitřním kroužkem. Mezera je ale mnohem menší než u krytu a navíc je vyplněná mazivem, takže těsnění odolává i velmi malým nečistotám a vlhkosti a třecí moment je zanedbatelný.

Často diskutovaná je otázka zda použít ložisko s těsněním na obou stranách, nebo jen na jedné, z vnější strany kolečka. Na první pohled vypadá lépe varianta s jedním těsněním, jedno těsnění bude mít menší moment tření než dvě. Tato výhoda ale zmizí v okamžiku, kdy se od ložiska dostane sebemenší nečistota, valivý odpor se v tom okamžiku rapidně zvětší. Jen pro představu - v kvalitním ložisku 608 je rozdíl mezi největší a nejmenší kuličkou nejvýše 2 mikrometry. Částečky silničního prachu mohou být zhruba od 5 do 60 mikrometrů a je tedy jasné, že i množství prachu menší než nepatrné znamená okamžitý a poměrně značný nárůst valivého odporu.

Přesnost

Co jsou ty magické ABEC třídy? Co znamenají čísla 1, 3, 5, 7, 9? A proč se vůbec ABEC používá?

Skateboard, stejně jako spousta dalších zábavných věcí, byl vynalezen v Americe. Takže se logicky od začátku skateboardingu používaly americké technické normy.

ABEC je zkratka pro Annular Bearing Engineering Committee, tedy normalizační orgán pro ložiska v USA. To jsou vcelku známá fakta, byť někdy zkomolená a špatně vykládaná.

Co už se ví méně je, že přesností je více kategorií. U ložisek mluvíme o přesnosti vnějších rozměrů a o přesnosti chodu.

Přesnost vnějších rozměrů je myslím jasná, jde o to, jak moc nebo málo se vnější rozměry mohou odlišovat od takzvaného nominálního rozměru, tedy rozměrů uvedených v katalogu.

Příklad: ložisko 608 má průměr díry 8 mm, pokud je ložisko podle ABEC7, tak díra může být maximálně o 5 mikrometrů (tisícin milimetru) menší, tedy v rozsahu od 7,995 do 8,000 mm.

Pro představu, průměrný středoevropský vlas má průměr zhruba 60 mikrometrů.

Přesnost chodu, je docela složitý parametr, ale v zásadě jde o to, jak moc bude při otáčení „házet“ vnější kroužek, a tedy kolečko, vůči vnitřnímu kroužku. Vyšší ABEC číslo znamená lepší přesnost, nebo menší házivost.  

V EU požíváme ISO normy s jiným značením tříd přesnosti, a pozor, menší číslo znamená lepší přesnost. Pro další „zjednodušení“ různí výrobci ložisek používají různé označení:

Co z toho všeho plyne pro použití na skejtu? Stará strojařská zásada říká: Používejte ložiska přesnosti nejvýše o jednu třídu lepší než je třída přesnosti okolních součástí. Velmi přesné ložisko nemá žádné výhody, jestliže je špatně použité vzhledem k okolním součástem.

Uvážíme-li, že ložiska jsou namontovaná v polyuretanových (a jiných) kolečkách, která určitě nemají toleranci průměru v mikrometrech, spíš v setinách nebo desetinách milimetru, tak ABEC1, nebo „Normální přesnost“ stačí víc než bohatě. Tedy z hlediska přesnosti.

Jiná věc je, že přesnost ložiska je jen jeden z parametrů, a neříká nic o dalších zásadních parametrech, například o kvalitě pracovních povrchů, tedy jak hladce se mohou kuličky odvalovat, neříká nic o přesnosti kuliček, materiálu ložiska, typu tepelného zpracování a podobně. Typ a kvalita tepelného zpracování, tedy většinou kalení, rozhoduje zásadním způsobem o trvanlivosti ložiska a bohužel o tom nám ABEC nic neřekne.

Obecná, dobrá rada je zde těžká, ale v zásadě P6 (=ABEC3) od renomovaného výrobce bude více než dobrá pro závodní použití na skejtu, vyšší přesnost nic zásadního navíc nepřinese. 

Pokud jde o ložiska „běžných“ výrobců je dobrá rada ještě těžší, a pokud jde o ložiska od výrobců z dálného východu, je spolehlivá rada mission impossible. Lze spekulovat, že ložiska ve vyšší třídě přesnosti budou obecně lépe zpracovaná a z lepšího materiálu, ale je to opravdu spekulace.

Takže asi nejlepší rada je, na trénink zkoušet cokoliv co se točí, na závod kvalitní ložisko od renomovaného výrobce s oboustranným těsněním s nízkým třením. 

Keramika nebo ocel?

Keramika je trochu nešťastný termín. V češtině si každý vybaví křehký hrneček po babičce, ale v angličtině „ceramic“ označuje skupinu materiálů s výbornými mechanickými vlastnostmi. Většinou jsou to nějaké spečené nitridy, ale receptů je víc. 

Asi nejpoužívanější je nitrid křemíku Si3N4, materiál s výrazně vyšší cenou, tvrdostí a pevností v tlaku v porovnání s ocelí, pouze pevnost v tahu je menší.

Co je ale pro použití na skateboardu velmi užitečné, je vysoký modul pružnosti, přibližně o 50% vyšší než má ocel. Větší modul pružnosti zjednodušeně znamená, že se materiál pod stejným zatížením méně deformuje a to znamená podstatně menší odpory.

Mazivo

Základní pravidlo je, že kuličky a oběžné dráhy by při odvalování měly být ideálně úplně oddělené vrstvou maziva.

Na povrchu kuliček i oběžných drahách i toho nejlepšího ložiska jsou určité mikroskopické nerovnosti z výroby. Pokud není film maziva dostatečný, mohou se vrcholky těchto nerovností občas potkat, a vlivem velkých lokálních tlaků může dojít doslova k mikro svařování a vytrhávání nepatrných částic materiálu. To se po určité době může vyvinout až v odlupování větších kusů oběžných drah a může dojít k selhání ložiska.

Detail pracovních povrchů v ložisku

Ložiska jsou v naprosté většině mazána buď olejem, nebo plastickým mazivem (pozn.: vazelína se používá třeba v kosmetice, tuk je na smažení, v ložisku je zásadně plastické mazivo). Plastické mazivo je zjednodušeně kompozice zahušťovadla a oleje. Představit si to lze jako namočenou houbu na tabuli, kdy při otáčení ložiska voda (olej) odkapává z houby (zahušťovadla) a maže pracovní povrchy ložiska.

O tloušťce mazivového filmu rozhoduje hlavně viskozita oleje a rychlost pohybu kuliček.

Jednoduché je to s rychlostí otáčení: vyšší rychlost = silnější film, je to podobný princip jako lyžař na vodních lyžích. Trochu složitější je to s viskositou. Samozřejmě vyšší viskozita znamená silnější mazací film, ale také větší odpor brodění. A aby to bylo komplikovanější, viskosita oleje klesá s narůstající teplotou.

Takže správné mazání je docela alchymie a podle teploty okolí, délky a charakteru tratě a váhy závodníka by se měl zvolit nějaký kompromis. Nějaký kompromis znamená mazivo s co nejmenší viskositou oleje, které ale zaručí dostatečné mazání po celou dobu závodu.

Autor: Petr Jelínek, SKF CZ, a.s.


Sponzorované odkazy

 
Aktuální vydání
Reklama

Navštivte rovněž

  •   Události  
  •   Katalog  

Události

Trendy v robotizaci a automatizaci 2017
2017-01-25 - 2017-01-26
Místo: Hotel Avanti ****, Brno
Diago 2017
2017-01-31 - 2017-02-01
Místo: OREA Resort Devět Skal, Sněžné - Milovy 11, Svratka
Jak na stlačený vzduch
2017-02-15 - 2017-02-15
Místo: Brno, místo bude upřesněno

Katalog

Panasonic Electric Works Europe AG
Panasonic Electric Works Europe AG
Veveří 3163/111
616 00 Brno
tel. +420 541 217 001

Brady s.r.o
Brady s.r.o
Na Pantoch 18
831 06 Bratislava
tel. +421 2 3300 4862

ABB s.r.o.
ABB s.r.o.
Štětkova 1638/18
14000 Praha 4
tel. +420739552216

Schneider Electric CZ, s. r. o.
Schneider Electric CZ, s. r. o.
U Trezorky 921/2
158 00 Praha 5
tel. 00420737266673

všechny firmy
Reklama



Tematické newslettery






Anketa


Na horách/u moře
Na chalupě/chatě v tuzemsku
Co je to dovolená?

O nás   |   Reklama   |   Mapa stránek   |   Kontakt   |   Užitečné odkazy   |   Bezplatné zasílání   |   RSS   |   Partneři   |   Blogy   |   
Copyright © 2007-2016 Trade Media International s. r. o.
Navštivte naše další stránky
Trade Media International s. r. o. Trade Media International s. r. o. - Remote Marketing Továrna - vše o průmyslu Control Engineering Česko Řízení a údržba průmyslového podniku Inteligentní budovy Almanach produkce – katalog firem a produktů pro průmysl Konference TMI