100 let vývoje válečkových ložisek

Už v počátcích průmyslové výroby byla energetická úspornost valivých ložisek plně prokázána.  Výzkumný projekt, který uskutečnil v roce 1905 v New Yorku W. P. Graham ze Syrakuské univerzity, porovnával energii spotřebovanou dvěma srovnatelnými tramvajemi - jedna byla vybavena kluznými ložisky a druhá válečkovými ložisky. Test prokázal 52% úsporu energie při použití válečkových ložisek.

První moderní válečková ložiska

V roce 1909 získal Dr. Ing. Josef Kirner, vedoucí inženýr ve společnosti Norma Compagnie v německém Cannstattu, patent na moderní válečkové ložisko. Ložisko se vyznačovalo zaoblenými oběžnými dráhami, které bránily vzniku škodlivého hranového napětí na koncích válečků. Ložiska byla osazena krátkými válečky, které byly přesně vyrobeny a přesně vedeny mezi vodicími přírubami, což mělo mnoho výhod. Kirner si dobře uvědomoval význam těchto předností a prosadil ložisko v Německu i proti silnému odporu mnoha odborníků. V roce 1914 získala společnost SKF ze švédského Göteborgu poloviční majetkový podíl ve firmě Norma Compagnie GmbH, která se tak stala součástí skupiny SKF. Od té doby je historie dalšího vývoje jednořadého válečkového ložiska úzce spjata s SKF.

V období od roku 1920 do roku 1925 se už válečková ložiska plně prosadila - dokonce natolik, že je konkurenční výrobci začali kopírovat. Ve dvacátých letech vznikla důležitá provedení pro železniční aplikace: spojení ložisek provedení NU a NH pro železniční trakční motory, která se používají dodnes, a kombinace provedení WJ a WJP (podle normy DIN) pro nápravové ložiskové skříně.

Ve třicátých letech minulého století se společnost SKF stala hnací silou v oblasti standardizace hlavních rozměrů válečkových ložisek. Hlavní rozměry byly přizpůsobeny rozměrům standardních kuličkových ložisek. Průměr válečků ložisek úzkého provedení se rovnal jejich šířce, zatímco poměr délky a průměru válečků ložisek širšího provedení byl stanoven na cca 1,5. V této době vznikla v podstatě všechna základní a klasická provedení, jak je známe v současné době.

Optimalizace profilu válečků

Váleček B byl představen v padesátých letech minulého století. V předcházejícím desetiletí byly zveřejněny první teoretické práce, které se zabývaly ideálním profilem válečků, a rovněž se objevily zakřivené válečky s kruhovým profilem. Lundbergova teorie poskytla základ pro vývoj ložisek s válečky se zakřiveným profilem i pro vznik válečku B, který se vyznačoval rovným profilem ve střední části přecházejícím na koncích do mírného zaoblení. Zavedení tohoto provedení do provozu přineslo výrazný pokrok. Bylo možné přesněji stanovit požadované zaoblení přechodu průměru válečku, avšak pro nesouosost hřídele muselo být zaoblení přechodu průměru válečku stále ještě odhadováno. 

Zvyšování únosnosti a trvanlivosti ložisek

Zavedení ložiska provedení E v roce 1960 představovalo přelom v historii vývoje válečkových ložisek. Ložisko v provedení E se vyznačovalo optimalizovaným průřezem, který umožnil použít nejen větší a širší válečky, ale také větší počet válečků. Tím bylo dosaženo zvýšení únosnosti v průměru až o 35 % a mnohem delší trvanlivosti. Výroba ložiska v provedení E byla poměrně obtížná vzhledem ke změněným rozměrům válečků a zavedení nových klecí. Všechna ložiska rozměrových řad 2, 22, 3 a 23 byla nahrazena ložisky v provedení E, avšak v ostatních řadách byly nahrazeny jen některé vybrané velikosti.

V roce 1981 byla představena válečková ložiska EC s modifikovaným stykem čel válečků a vodicích přírub. Vodicí příruby byly „otevřené". Čela válečků procházejí povrchovým zpracováním, které zvyšuje účinnost mazání, snižuje tření a provozní teplotu, a tedy ložiska kladou nižší nároky na domazávání. Zdokonalený styk čel válečků a přírub přinesl vyšší axiální únosnost ložisek s přírubami na vnitřním i vnějším kroužku.

Zavedení logaritmického stykového profilu v roce 1984 představovalo další výrazný pokrok v optimalizaci geometrie styku. Tento profil zajišťuje optimální rozložení zatížení mezi válečkem a oběžnými drahami, a tím významně snižuje riziko hranového napětí a zvyšuje provozní spolehlivost, a to i v uloženích, v nichž dochází k nesouososti a průhybu hřídele.

Ložiska SKF Explorer

Nové tisíciletí začalo neobyčejně významnou událostí - představením válečkových ložisek provedení SKF Explorer. Tato ložiska jsou výsledkem mnohaletého intenzivního výzkumu mezinárodní skupiny vědců a techniků SKF. V průběhu této doby zavedli odborníci na materiály a výrobní technologie skupiny SKF ve spolupráci s pracovníky odpovědnými za výrobu mnoho úspěšných zlepšení, jako například:

• ložisková ocel se vyznačuje velmi vysokou čistotou a homogenní strukturou s minimálním počtem vměstků. Obsah kyslíku, který představuje měřítko čistoty, byl snížen na neobyčejně nízkou úroveň. Tím je dosaženo zvýšení únavové pevnosti v místě valivého styku a prodloužení trvanlivosti ložiska;
• nový proces tepelného zpracování optimalizuje odolnost ložiska proti provoznímu poškození a teplotám bez negativního vlivu na rozměrovou stabilitu;
• tvrdost kroužků a válečků byla zvolena s ohledem na optimální výkonnost. Tím je dosažena jejich menší citlivost na částice nečistot a současně umožňuje neobyčejně dlouhou provozní trvanlivost;
• modernizované výrobní procesy přispěly k významnému zlepšení jakosti výroby. To znamená, že kroužky mohou být vyráběny s vyšší přesností kruhovitosti a také odchylka od ideálního tvaru válečků byla dále zmenšena. Výsledky užších tolerancí sice nejsou vidět, avšak ložiska běží podstatně tišeji a s menšími vibracemi;
• logaritmický stykový profil válečků byl dále zdokonalen. Ložiska jsou tedy méně citlivá na malé nesouososti a mohou přenášet větší zatížení;
• ložiska SKF Explorer mají rovněž optimalizovaný styk čela válečku a vodicí příruby;
• nové řešení přechodu mezi válcovou částí válečku a čelem válečku logaritmickým profilem omezuje škodlivá napětí;
• další zvýšení kvality povrchu oběžných drah kroužků a valivých těles přispívá ke zlepšenému mazání, ložiska tedy mohou pracovat déle i při nedostatečném mazání;
• ložiska SKF Explorer jsou nabízena s klecemi různých konstrukcí a z různých materiálů, které jsou určeny pro odlišné provozní podmínky. Konstrukce všech klecí používaných v ložiscích SKF Explorer přispívají ke spolehlivému mazání všech stykových ploch, a to i při občasném přerušení přívodu maziva.

Nové standardy výkonnosti a trvanlivosti

Uvedená zdokonalení byla potvrzena rozsáhlými testy provozní trvanlivosti. Jednořadá válečková ložiska SKF Explorer nastavila nové standardy v oblasti výkonnosti a trvanlivosti. Tato ložiska mohou přenášet vyšší dynamická zatížení a dosahují až trojnásobně delší provozní trvanlivosti než předcházející standardní ložiska, a tak jednoznačně předčí všechna běžná válečková ložiska. V nedávné době byla některá ložiska střední velikosti v nabídce SKF nahrazena ložisky výkonnostní třídy SKF Explorer. Tato ložiska mají přídavné označení /PEX. Zdokonalení válečkových ložisek SKF v uplynulých 100 letech tedy umožnilo zmenšit velikost uložení při zachování požadované výkonnosti. Nižší tření a významné snížení hmotnosti ložiska přispěly k poklesu spotřeby energie.

Inovativní konstrukce

Ale pokrok se zde nezastavil. V některých uloženích, jako například v důlních strojích, průmyslových převodovkách a především v odvětví větrné energetiky, má zásadní důležitost vysoká únosnost, která zaručuje zvýšenou provozní spolehlivost. Ložiska v provedení SKF Explorer mají větší počet válečků než standardní ložiska SKF Explorer, avšak stejné vnější rozměry a hlavní vnitřní rozměry při mnohem vyšší únosnosti. Tloušťka kroužku zůstala nezměněna a odpovídá ložisku v provedení E, které se s úspěchem používá už 45 let. 

Také klec se vyznačuje inovativní konstrukcí. Ložisko s vysokou únosností je vybaveno klecí, která je umístěna nad průměrem roztečné kružnice nebo pod ním a je vedena přírubou na kroužku. Okénková klec z lisovaného plechu se vyznačuje vysokou pevností, která je srovnatelná s dvoudílnou masivní mosaznou klecí, avšak umožňuje použít větší počet válečků. Ve srovnání se standardními ložisky a v závislosti na konstrukci klece ložiska se počet válečků v ložiscích řady 23 může zvýšit o dva a v ložiscích řady 22 o tři.

Na teoretické studie a simulace navázaly zkoušky ložisek v tomto provedení, které probíhaly celý rok. Závěrečná ověřovací zkouška trvala 1 000 hodin. Válečková ložiska SKF s vysokou únosností různých velikostí pracují úspěšně již několik let ve větrných turbínách. Prohlídky prokázaly jejich vynikající přednosti právě v těchto uloženích.

Energeticky účinná ložiska E2

Na neustále rostoucí požadavky na snižování tření, a tedy spotřebu energie, zareagovala skupina SKF v roce 2007 zavedením koncepce energeticky účinných ložisek E2 (Energy Efficient). První energeticky účinná válečková ložiska SKF E2 byla ložiska řady NJ střední velikosti. Ve srovnání se současnými standardními ložisky SKF se nová válečková ložiska SKF E2 vyznačují nižším třením v axiálně zatížených uloženích až o 85 %, jakož i vyšší dynamickou únosností díky využití vlastností ložisek SKF Explorer. Tato nová ložiska s velmi nízkým třením jsou vhodná pro celou řadu uložení, avšak nacházejí uplatnění především v průmyslových převodovkách a převodovkách větrných turbín.

K jejich hlavním přednostem patří nižší tření, které se projeví nižší provozní teplotou, zlepšené podmínky mazání a větší axiální únosnost. Tyto přednosti jsou spojeny s nízkou spotřebou energie, vysokou účinností, nižšími náklady a emisemi, jakož i vyššími přípustnými otáčkami (o 10 % vyšší ve srovnání se standardními ložisky). Tento zatím poslední výsledek vývoje válečkových ložisek nabízí delší provozní trvanlivost a vyšší spolehlivost. Ložiska nového provedení navazují na dlouhou historii válečkových ložisek, která vždy plnila požadavky své doby.

Alfred Weidinger

SKF Ložiska

samkova@seteva.cz