Ugrás a tartalomhoz

Gépelemek

Agg Géza, Apró Ferenc, Békés Attila, Bakosné Diószegi Mónika, Bercsey Tibor, Bisztray B. Sándor, Borbás Lajos, Budai Zoltán, Bukoveczky György, Devecz János, Eleőd András, Gyurecz György, Halmai Attila, Horváth Sándor, Jálics Károly, Kamondi László, Kátai László, Kováts Attila, Kozma Mihály, Körtvélyesi Géza, Loboda Klára, Lovas László, Marosfalvi János, Moharos István, Moharos Sándor, Molnár László, Nagy József, Németh Géza, Péter József, Siposs István, Szabó István, Szendrő Péter, Szente József, Sztachó Pekáry István, Tiba Zsolt, Tóth József, Varadi Károly

Mezőgazda Kiadó

Siklócsapágyak

Siklócsapágyak

A siklócsapágyazások széles körben használt gépszerkezetek, amelyeket az ókortól kezdve használnak forgó mozgást végző elemek vezetésére. Az első siklócsapágyakat íjfúrók, fazekaskorongok, kocsikerekek csapágyazására használták. Vannak rendkívül kis méretű, miniatűr siklócsapágyak (pl. orvosi és egyéb műszerekben, elektrotechnikai berendezésekben) és több méter átmérőjű, óriás siklócsapágyak (pl. zsilipcsapágyak, vízturbina-csapágyak).

Sokféle siklócsapágyat használnak a gyakorlatban.

A terhelés iránya szerint megkülönböztetnek:

  • radiális csapágyakat (rendszerint hengeres furatú, vagy szegmens csapágyak), amelyek csak radiális erők felvételére alkalmasak,

  • axiális csapágyakat (rendszerint sík felületű vagy sarus csapágyak), amelyek csak axiális erők felvételére alkalmasak,

  • radiális-axiális csapágyakat (pl. gömb vagy kúp felületű csapágyak), amelyek egyidejűleg radiális és axiális erők felvételére is szolgálnak.

Rendeltetésük szerint vannak:

  • turbinacsapágyak,

  • motorcsapágyak,

  • hajtóműcsapágyak,

  • hengerműcsapágyak,

  • szerszámgéporsó-csapágyak,

  • műszercsapágyak stb.

Anyaguk szerint a siklócsapágyak:

  • tömör fém csapágyak,

  • csapágyfém bélésű csapágyak,

  • többrétegű fém csapágyak,

  • műanyag csapágyak,

  • szinterfém csapágyak,

  • műszén csapágyak,

  • kompozit csapágyak,

  • műanyag vagy kompozit futófelületű, fém csapágyak.

A csúszó elemek kialakítása szerint vannak:

  • hengeres csapágyak,

  • kúpos csapágyak,

  • gömb csapágyak,

  • több hordozófelületű csapágyak,

  • merev sarus csapágyak,

  • beállósarus csapágyak,

  • fólia csapágyak.

A kenési körülményektől függően is megkülönböztethetők a siklócsapágyak, pl.

  • száraz (nem kent) csapágyak,

  • egyszer kent csapágyak,

  • szakaszosan kent csapágyak,

  • hidrodinamikus kenésű csapágyak,

  • hidrosztatikus kenésű csapágyak,

  • légcsapágyak.

A siklócsapágyak a gördülőcsapágyakkal szemben sokszor előnyösebbek, mert:

  • csendesebbek, a lökéseket, lengéseket csillapítják,

  • szerkezetük, gyártásuk egyszerűbb,

  • főleg a nagyobb méretűek olcsóbbak,

  • oszthatók, könnyen szerelhetők,

  • radiális helyigényük kicsi,

  • kialakításuk a szerkezethez igazodhat,

  • teherbírásuk nagyobb lehet,

  • nagyobb fordulatszámon üzemelhetnek,

  • szennyezésre kevésbé érzékenyek.

Ugyanakkor több hátrányuk is van:

  • súrlódásuk rendszerint nagyobb,

  • kopnak, ami rontja a szerkezet működőképességét, csökkenti élettartamukat,

  • a folyadéksúrlódási állapot fenntartása folyamatos kenőanyag-ellátást, karbantartást igényel, ami többlet költséget okoz,

  • a kenési elégtelenség gyors meghibásodáshoz vezethet,

  • a siklócsapágyakat egyes területeken be kell járatni.

Kenést nem igénylő siklócsapágyak

Siklócsapágyakat gyakran építenek be olyan szerkezetekbe, ahol nincs lehetőség vagy szükség a súrlódó felületek kenésére, mert:

  • kenőanyag nem áll rendelkezésre,

  • a kenőanyag szennyezi a környezetet,

  • túl magas vagy túl alacsony a hőmérséklet, ami a kenőanyag hatékonyságát csökkenti,

  • a környező közeg korróziót okoz, és kedvezőtlenül befolyásolja a kenőanyag viselkedését,

  • karbantartásmentes ágyazásra van szükség,

  • nagyon kicsi a terhelés és a sebesség, nincs szükség kenésre stb.

Kenés nélkül a siklócsapágyak csak akkor működhetnek, ha üzemi hőmérsékletük nem haladja meg az anyagokra megengedhető értéket, és a tengely-persely anyagpár között kicsi az adhézió: a súrlódás folyamán erős adhéziós kapcsolat, anyagátvitel, berágódás nem alakulhat ki.

Ebben az esetben a csapágy teherbírását döntőmértékben az anyagpár tribológiai viselkedése határozza meg.

Rendszerint acéltengelyeket használnak, amelyeket műanyag, műszén, kerámia-, fém-, műanyag kompozit vagy egyéb különleges anyagokból készült elemekkel párosítanak.

A hagyományos csapágyfémekből kenés nélkül üzemeltetett siklócsapágyelemek nem készíthetők, mert könnyen berágódnak. Fémek közül csak öntöttvasból, fém kompozitokból és heterogén szövetszerkezetű keményfémekből készítenek nem kent siklócsapágyakat.

Műanyag siklócsapágyak

Nagyon sokféle műanyagot használnak siklócsapágyak és más csúszó elemek készítésére. Közülük az adott feladat ellátására a legalkalmasabbat csak alapos vizsgálat alapján lehet kiválasztani, ahol figyelembe kell venni a mechanikai, hő- és vegyi terheléseket, a tribológiai rendszer jellemzőit, a gyártástechnológiát és a költségeket.

Ma a gépiparban és műszeriparban elsősorban az alábbi műszaki műanyagokból készítenek siklócsapágyakat:

  • poliamid (PA),

  • polioximetilén (POM) (poliacetál),

  • nagysűrűségű polietilén (HDPE),

  • polietiléntereftalát (PETP),

  • polibutiléntereftalát (PBTP).

Magasabb üzemi hőmérsékleten is használhatók az alábbi anyagokból készült csapágyak:

  • poliimid (PI),

  • poliamidimid (PAI)

  • politetrafluoretilén (PTFE),

  • poliéteréterketon (PEEK),

Ezeken kívül készítenek

  • fenoplaszt,

  • aminoplaszt,

  • poliészter és

  • poliuretán

csapágyperselyeket is.

A műanyag csapágyakat rendszerint simára köszörült vagy polírozott acéltengelyekkel párosítják.

A fémekkel szemben a műanyag siklócsapágyak előnyösek, mert

  • könnyűek (kicsi a sűrűségük),

  • szennyezésre, élen futásra kevésbé érzékenyek,

  • korrózióállók, vegyszerállók,

  • villamos szigetelők,

  • jól csillapítanak,

  • egyszerűen és olcsón gyárthatók a bonyolult alakú darabok is,

de hátrányuk:

  • a kis szilárdság,

  • a kis merevség,

  • a vetemedés,

  • kúszás,

  • a feszültségrelaxáció,

  • a rossz hővezető képesség,

  • a nagy hőtágulás,

  • az alacsony megengedett üzemi hőmérséklet

  • tulajdonságaikat a környező közeg megváltoztathatja.

Megfelelően kiválasztott erősítő- és töltőanyagok hozzáadásával a fent bemutatott műanyagok kedvezőtlen tulajdonságai javíthatók: hővezető képességük, szilárdságuk és merevségük növelhető, kúszási hajlamuk csökkenthető, egyes esetekben kopásszilárdságuk is nagyobb lehet.

A leggyakrabban textil-, üveg-, szén-, kerámia- vagy fémszálakat, illetve porokat használnak erősítő- és töltőanyagként, ezenkívül a súrlódás és a kopás csökkentésére gyártáskor adhatnak a műanyagokhoz grafitot, MoS2-ot, talkumot, kenőolajat és hasonló, kedvező tulajdonságú anyagokat.

A műanyag csapágyak teherbírása a persely falvastagságának csökkentésével is növelhető, mert ekkor a nagyobb szilárdságú befogóelemek támasztó hatása érvényesül, a vékonyabb műanyag réteg hővezető képessége jobb, és a duzzadásból, hőtágulásból, tartósfolyásból eredő méretváltozás is lényegesen kisebb. Ha megadják a műanyag csapágy teherbírását, rendszerint azt is előírják, hogy mekkora lehet a persely falvastagsága.

Különösen előnyös a vékony műanyag futófelületű csapágyak teherbírása akkor, ha a műanyag réteg erősen kötődik az alatta levő támasztófelülethez, így javítva a hőátadást és gátolva az alakváltozást. Ilyenek pl. azok az acél vagy bronz csapágyperselyek, amelyeket vékony poliamid vagy poliacetál réteggel öntenek ki.

A fémperselyből és a hozzá kötött vékony – erősített műanyag – futórétegből álló csapágyak teherbírása a legnagyobb. Számos változatuk van. Széles körben elterjedtek az olyan acél vagy bronz csapágyperselyek, amelyek futófelületét szinterbronzzal erősített vékony (0,2–0,35 mm vastag) műanyag réteg alkotja. Gyártásukkor bronzporból vékony réteget szinterelnek a fémszalag felületére, amit PTFE-vel (DP csapágyak), PTFE-vel és ólommal (DU csapágyak) vagy poliacetállal (DX csapágyak) itatnak át. Az utóbbi időben forgalomba kerültek azok a csapágyak, amelyek futófelületét PTFE-vel, PEEK-kel és grafittal átitatott szinterbronz alkotja (Hi-eX csapágyak).

A műanyag csapágyak rendkívül sokfélék, és a legváltozatosabb csapágyazási igényeket elégítik ki. A műszeriparban éppúgy használhatók, mint a mezőgazdasági gépekben, kohászatban vagy az űrtechnikában. Az adott feladat ellátására legalkalmasabb anyagpár és konstrukció kiválasztása ugyanakkor nehéz, mert sok, gyakran egymással ellentétes, követelményt kell kielégíteni. Sajnos ezek értékeléséhez nem mindig állnak rendelkezésre a szükséges információk. További nehézséget okoz a meglévő adatok értelmezése, hiszen közismert, hogy a tribológiai jellemzők (a súrlódási és a kopástényező) nemcsak az anyagpártól, hanem a rendszer paramétereitől is függnek.

A műanyag csapágyak valamennyi jellemzőjének ismertetésére itt nincs lehetőség. A fontosabb anyagok tulajdonságait és felhasználási területeit röviden a 33. táblázat foglalja össze, műszaki jellemzőiket pedig, a 34. táblázat tünteti fel.

33. táblázat. A fontosabb műanyag csapágyanyagok tulajdonságai és felhasználási területe

34. táblázat. Műszaki műanyagok tájékoztató műszaki adatai (száraz állapotban)

Az erősített műanyag és vékony műanyag futófelületű siklócsapágy jellemzőit a 35. táblázat tünteti fel. Mivel a műanyag csapágyelemek teherbírása függ falvastagságuktól, ezért a 35. táblázat csak azok teherbírását adta meg, ahol annak értéke ismert. A fémfelületen kialakított kompozit műanyag rétegek hőtágulási tényezőjét nem minden esetben ismertetik, mert a hőtágulás a kis rétegvastagság miatt nem jelentős.

35. táblázat. Erősített műanyag csapágyak tájékoztató műszaki adatai

A gyakorlatban rendkívül sokféle műanyag csapágyat használnak, amelyek tribológiai jellemzői eltérnek egymástól és természetesen függnek alkalmazási körülményeiktől is. Közülük tájékoztatásul néhány anyagpár és tribológiai rendszer adatait mutatja be a 36. és a 37. táblázat.

36. táblázat. Poliamid és PTFE csapágyak súrlódási tényezője különböző körülmények között

37. táblázat. Gyakrabban használt műanyag csapágyak tájékoztató pv értékei

Egyes anyagpárok adatai beszerezhetők a gyártó cégektől, de még azokat is célszerű az adott alkalmazási körülmények között, kísérletekkel ellenőrizni. A műanyagokat gyakran kenés nélkül üzemeltetett súrlódó kapcsolatokba építik be, de ha lehet, a súrlódó felületeiket kenik, ami a legtöbb esetben kedvező hatást gyakorol súrlódási, és különösen, kopási jellemzőkre. Vannak azonban olyan esetek, amikor a kenés megnöveli a műanyag elem kopását, ezért a műanyag és a kenőanyag összeférhetőségét alkalmazásuk előtt ellenőrizni kell, akár laboratóriumi mérésekkel is. A műanyag csapágyak kenésére a hagyományos kenőanyagok mellett más anyagokat is használnak: gyakran a gyártásban előforduló valamilyen folyadékot, pl. vizet, emulziót, tejet.

Természetesen a gyártáskor a műanyagba bevitt adalék anyagok is megváltoztatják a súrlódási tényezőt és a kopási sebességet. A változás azonban nem mindig tervezhető előre, előfordul, hogy az adalék anyag hatása kedvezőtlen, ahelyett, hogy csökkentené, inkább növeli a súrlódást vagy a kopást. Ugyanakkor az adalék (az erősítő- vagy töltő-) anyag hatása függ az alapanyagtól és a vizsgálati feltételektől is, ezért azok hatékonyságát az adott felhasználási körülmények között ellenőrizni kell.

A 36. táblázat acéllal párosított poliamid csapágyperselyek súrlódási tényezőjét mutatja be különböző kenőanyagok használatakor. Látható, hogy a kenés hatására jelentősen csökken a súrlódási tényező, és a vízkenés is hatékony.

A 36. táblázat azt is bemutatja, hogy a politetrafluoretilén súrlódási tényezője az adalék anyagok hatására megnövekszik, ami nem előnyös, de ugyanakkor kopása lényegesen kisebb lesz. Az adalék anyagok nem tartalmazó PTFE nem kopásálló, lényegesen gyorsabban kopik, mint más műanyag.

A műanyag csapágyak teherbírása és élettartama függ az anyag szilárdságától és kopásállóságától, amelyek a hőmérséklet emelkedésével jelentős mértékben csökkennek. Ezért a teherbírást itt is a pv érték (a felületi terhelés és a csúszási sebesség szorzata) határozza meg, ami viszont függ a csapágyazás kialakításától és az üzemeltetés körülményeitől (a terheléstők, a csúszási sebességtől és a hőmérséklettől).

Néhány műanyag csapágyra a megengedett pv szorzat tájékoztató értékeit a 34. táblázat tünteti fel.

A műanyag csapágyakat rendszerint acéltengelyekkel párosítják. A csapágyak teherbírására hatást gyakorol az acélfelület keménysége és felületi érdessége. Kedvező, ha a tengelyfelület keménysége nagyobb, mint 50 HRC. A lágyabb acélfelület könnyen megsérül, ami károsítja a műanyag ellenfelületet és tönkreteszi a csapágyat.

Az acélfelület érdességének megválasztása körültekintést igényel. A nagyon sima súrlódó felületek között erős az adhéziós kölcsönhatás, ami növeli a súrlódást, az anyagátvitelt, a kopást és a berágódás veszélyét. A durva acélfelület érdességei viszont benyomódnak a műanyag felületbe, ami szintén súrlódás- és kopásnövekedést okoz. A csapágy működése akkor kedvező, ha az acélfelület érdessége az optimális környezetében van, ott, ahol a követelményektől függően vagy a súrlódás, vagy a kopás a legkisebb. A súrlódás és a kopás szempontjából optimális felületi érdesség ugyanis nem azonos, a legkisebb kopáshoz lényegesen kisebb felületi érdesség tartozik, mint a legkisebb súrlódáshoz. A optimális felületi érdesség a műanyag típusától is függ. Általában kedvező, ha a műanyag felültekkel párosított acéltengelyek átlagos felületi érdessége nem haladja meg az Ra = 0,32–0,63 µm értéket.

Mint a 34. táblázat adatai is mutatták, a kenés általában kedvező hatást gyakorol a műanyag csapágyak viselkedésére, súrlódására és kopására, bár vannak ezzel ellentétes tapasztalatok is. A kenés kedvező hatása gyakran annak köszönhető, hogy kenőanyag védi a súrlódó felületeket a szennyeződéstől és a korróziótól, akadályozza az intenzív abráziós kopást előidéző szilárd szennyező részecskék és a víz bejutását a súrlódó felületek közé, ezért, ha lehet, helyes, ha a műanyag csapágyakat kenik.

A műanyag csapágyak szerkezeti kialakítása rendkívül változatos lehet. Tömeggyártásban gazdaságosan előállíthatók a legkülönbözőbb alakú és méretű, csapágyak fröccsöntéssel vagy sajtolással, de félkész gyártmányokból (rudakból, csövekből, lemezekből stb.) forgácsolással is. Gyakran készítik a hőre lágyuló műanyag csapágyperselyeket más (rendszerint fém) alkatrészhez hozzáöntött, belesajtolt vagy belepattintható kivitelben (385. ábra).

385. ábra - Egyszerű műanyag csapágyperselyek beépítése

kepek/385x.png


Tetszőleges méretben készíthetők erősítés nélküli vagy erősített vékony műanyag lemezből, szalagból siklócsapágy-perselyek és vezetőhüvelyek (pl. hidraulikus munkahenger-dugattyúk vezetéséhez), amelyeket egyszerűen kivágnak, meghajlítanak és a csapágyfészek furatába helyeznek. A műanyag siklócsapágy-perselyek fröccsöntéssel vagy sajtolással kész méretre is készülnek, rendszerint szabványos méretsorok szerint. A műanyag futófelületű acél vagy bronz siklócsapágy-perselyeket és támasztó tárcsákat szintén lemezből, hajlítással (és esetleg peremezéssel) állítják elő szabványos méretekben.

A fémhálóval erősített vékony műanyag lemezből készült csapágyperselyek a fészekben peremezéssel vagy görgőzéssel is rögzíthetők (386. ábra).

386. ábra - Vékony falú csapágyperselyek beépítése

kepek/386.png


Ezek a csapágyperselyek kiválóan használhatók a legkülönbözőbb csapágyazási feladatokhoz olyan esetekben, amikor az üzemeltetési paraméterek széles tartományban változnak, és ezért különböző kenésállapot alakul ki. Egyes műanyagtípusok (pl. POM, PA) alkalmazásakor a zsírkenés hatékonyságának javítása érdekében a műanyag futófelületben kenőanyag-tároló fészkeket alakítanak ki.

A szalagból hajlított műanyag csapágyak különösen előnyösen alkalmazhatók olyan területeken, ahol a csapágyazásra rendelkezésre álló, radiális irányú szerkezeti méret kicsi (387. ábra). Széles méretválasztékban készítenek szerelésre kész állapotban beszerezhető, önálló csapágyházba épített műanyag csapágyakat, amelyek semmiféle utánmunkálást nem igényelnek.

387. ábra - Vékony műanyag futófelületű fém csapágypersely

kepek/387.png


A műanyag csapágyak élettartamát elsősorban a kopás határozza meg. A korszerű, nagy teherbírású, erősített tömör műanyag vagy műanyag futófelületű csapágyak méretezésére, kopásának meghatározására ma már jól kidolgozott számítás eljárások állnak rendelkezésre, amelyek segítségével a csapágyak élettartama, teherbírása, esetleg utánkenésének ideje meghatározható. Ezek a számítási módszerek általában figyelembe veszik az átlagos felületi terhelés, a csúszási sebesség, a kenésállapot, az igénybevétel jellege, ismétlődése, az ellenfelület érdessége és az üzemi körülmények hatását.

Az egyes csapágygyártók eltérő méretezési eljárásokat javasolnak, amelyeket kiadványaikban és internetes honlapjukon tesznek közzé. Az ott található információk alapján a csapágyak ellenőrző számítása elvégezhető.

Önkenő csapágyak

Azokon a területeken, ahol a súrlódó felületek nem kenhetők és a műanyag csúszóelemek a nagy terhelés, a magas hőmérséklet vagy más követelmények miatt nem felelnek meg, különböző önkenő anyagok használhatók. Ezek elsősorban fém-, műszén vagy grafitalapú anyagok, de egyre szélesebb területen jelennek meg a kerámiák is.

A fém alapú önkenő anyagok többféle változatban készülnek attól függően, hogy milyen követelmények kielégítésére szolgálnak. Az alapfém ólombronz, ónbronz, réz-nikkel ötvözet, vas-króm-nikkel ötvözet, amelyhez szilárd kenőanyagokat (grafitot, molibdén-diszulfidot, wolfram-diszulfidot, bór-nitridet, vagy nióbium-szelenidet) és fém vagy műanyag súrlódáscsökkentő anyagokat adnak. A hagyományos szilárd kenőanyagok mellett a bór-nitridet a hőállóság növelése érdekében használják. A nióbium-szelenid a vákuumban és a radioaktív sugárzásnak kitett helyeken működő csúszóanyagok tulajdonságait javítja, csökkenti a gázkibocsátást és növeli a sugárállóságot.

A fém alapanyagot az üzemi hőmérséklet és a korróziós hatások figyelembevételével választják ki. Az adalék típusa és mennyisége meghatározza az önkenő csúszóanyag teherbírását, amit itt is a pv értékkel jellemeznek.

Az ólombronz alapú csúszóanyagok 200 °C-ig, az ónbronz alapú anyagok 280 °C-ig, különleges hőkezelés után 350 °C-ig, a vas alapú anyagok 280–600 °C-ig, a réz-nikkel alapú anyagok 450 °C-ig, a vas-króm-nikkel ötvözetek 700 °C-ig, a króm-nikkel ötvözetek 600–900 °C-ig használhatók. Az ilyen önkenő anyagok nyomószilárdsága szoba hőmérsékleten 170–600 N/mm2, a megengedett legmagasabb üzemi hőmérsékleten 80–150 N/mm2. A szilárdságot az adalékanyag-mennyiség növelése csökkenti, de ugyanakkor növeli a megengedhető legmagasabb csúszási sebességet. Dinamikus igénybevétel felvételére csak a bronz alapú csúszóanyagok alkalmasak.

A különböző alapanyagokból és adalék anyagokból nagyon sokféle önkenő csúszóanyag állítható elő, amelyeket célszerűen a követelmények szerint csoportosítanak és jelölnek. A jelölések alapján egyértelműen jellemezhető a csapágyanyag teherbírása és az, hogy alkalmas-e az adott feladat ellátására.

A fémalapú önkenő anyagokból szabványos méretű csapágyperselyeket vagy cső, rúd, illetve szalag formában félkész termékeket állítanak elő, rendszerint meleg sajtolással, igen kis ráhagyással, ami kész méretre gyártáskor nagyon kevés forgácsoló utánmunkálást igényel. Gyártanak hengeres és peremes perselyeket, önkenő anyaggal bevont lemezből hajlított acél- vagy bronzperselyeket, hasáb és szegmens alakú csúszóbetéteket, különböző profilú tömítőgyűrűket stb.

Száraz súrlódási állapotban üzemelő csapágyak súrlódó felületébe hornyokat munkálnak be, elsősorban a felületek közé bejutó külső szennyeződések és a keletkező kopási részecskék összegyűjtésére. Ezzel megakadályozható, hogy a szennyező részecskék a súrlódó felületeket súlyosan károsítsák. A hornyok zsírkenés esetén is hasznosak, mert tárolják a kenőanyagot, és kedvezőbbé teszik a kenésállapotot.

A nagyméretű siklócsapágy-perselyeket bronzból vagy esetleg acélból készítik, ahol a megfelelő kenésről a perselyben egyenletesen elosztva kialakított fészkekben található szilárd kenőanyagok gondoskodnak (388. ábra). Az ilyen csapágyak elsősorban nagy terhelés és kis csúszási sebességek esetén előnyösek.

388. ábra - Önkenő ón-bronz csapágyperselyek szilárd kenőanyag betétekkel

kepek/388.png


A fémalapú önkenő csapágyak a legkülönbözőbb területeken alkalmazhatók. Nemcsak száraz súrlódás, hanem vegyes és folyadéksúrlódás esetén is, sőt bármilyen kenőanyaggal (pl. vízzel vagy valamilyen technológiai folyadékkal) kenhetők, ha az nem okoz korróziót és nem növeli a súrlódó felületek kopási sebességét.

A csapágyak viselkedését, teherbírását és élettartamát jelentős mértékben befolyásolja az ellenfelület keménysége és felületi érdessége. A csapágyanyagba beágyazott szilárd kenőanyag csak akkor hatékony, ha kijut a súrlódó felületre. Ezért megfelelő kenés csak akkor érhető el, ha az önkenő csapágyanyag folyamatosan kopik, és a benne lévő kenőanyagelemek kijutnak a felületre. A kopás sebességét azonban a megfelelő élettartam elérése érdekében alacsony értéken kell tartani. A tapasztalatok szerint optimális a kopási sebesség, ha az ellendarab átlagos felületi érdessége 0,2–0,8 µm tartományban van. Kisebb felületi érdességnél nem kerül elég kenőanyag a súrlódó felületre, a nagyobb felületi érdességnél pedig túl nagy a kopási sebesség.

Az ellenfelület keménységét a választott csúszóanyag határozza meg. Kedvező a kemény ellenfelület. Bronzalapú csapágyanyagoknál a minimális keménység 220 HB, az abráziós hatásnak kitett csúszófelületeknél 45 HRC.

A műszén és grafitalapú önkenő anyagok alkalmasak magas hőmérsékleten, korróziót okozó agresszív közegben, kenés nélkül működő csapágyak, vezetékek, csúszógyűrűs tömítések és más, hasonló súrlódó szerkezetek készítésére. A termékeket szén-, koksz-, korom- és grafitporból, sajtolással állítják elő. Kötőanyagként kőszénkátrányt vagy műgyantát használnak. A sajtolt terméket 1100 °C-on, heteken át izzítják, miközben a kötőanyag elkokszosodik, kemény műszén termék jön létre. Ez a kemény műszén 3000 °C-on, semleges atmoszférában izzítva két hét alatt elektrografittá alakul át. A kemény műszén és az elektrografit termékeket különböző anyagokkal impregnálják, amelyek jellemzőiket kedvezően befolyásolják. A műszenek impregnálására csapágyfémeket, antimont, ezüstöt, műgyantákat, PTFE-t használnak.

A műszén termékek tulajdonságait az alapanyag minősége, a szemcseméret és a gyártástechnológia határozza meg. A kemény műszén apró szénkristályokból áll. Az elektrografit ezzel szemben nagy, lágy grafitszemcséket tartalmaz, ezért szilárdsága kisebb, de súrlódási jellemzői kedvezőbbek, mint a kemény műszén termékeké. Hő- és vegyszerállóságuk kiváló. Szinte minden kémiailag agresszív közeghez található olyan műszén termék, amely azzal szemben ellenáll. A vegyszerállóságot rendszerint az impregnálóanyag korlátozza.

Az adott feladat ellátására alkalmas műszén csapágyat az üzemi hőmérséklet, a környező közeg, a terhelés, a csúszási sebesség, a megmunkálhatóság alapján választják ki. Elsősorban olyan területen használnak műszén csapágyat, ahol a kenőolajok és kenőzsírok, a túl magas vagy túl alacsony hőmérséklet, az erős korróziós hatás vagy a különleges üzemi körülmények (vákuumtechnika, űrtechnika, élelmiszeripar, gyógyszeripar, olajmentes levegő és gázelőállítás, sugárzásnak kitett berendezések) miatt nem használhatók.

A kemény műszén csapágyakat valamilyen folyékony közeggel kenni kell, mert különben súrlódási tényezőjük túl magas, súrlódó felületük túlhevül és gyorsan kopik. Az elektrografit csapágyak kenés nélkül is megbízhatóan, kis súrlódással működnek. A műszenek kopása a felületi terheléstől, a csúszási sebességtől és a kenésállapottól függ.

A műszén csapágyak szerkezeti kialakítása egyszerű. A csapágyperselyeket vagy sajtolással, vagy rúdból, illetve csőből, forgácsolással állítják elő. A perselyeket fészkükben zsugorkötéssel vagy ragasztással rögzítik. A műszén perselyek ridegek, ezért a zsugorkötés kialakításakor különös gondossággal kell eljárni. Az üzemi hőmérsékleten kialakuló relatív csapágyjátékot a száraz csapágyaknál 3–5‰-re, a folyadékkenésű csapágyaknál 1–3‰-re választják.

A műszén csapágyakat gyakran használják különböző közegeket szállító szivattyúk és kompresszorok csapágyazására, ahol a kenőanyag rendszerint a munkaközeg. Különösen a vegyipar, a repülőgépipar és az űrhajózás, valamint az energiaipar (atomerőművek) használ sok műszén csapágyat.

A légcsapágyak perselyeit is gyakran műszénből készítik, ahol levegőréteg választja el üzem közben a súrlódó felületeket egymástól. Ha az elválasztás nem tökéletes és a felületek összeérnek, a károsodást a műszén persely megakadályozza.

Különleges üzemi feltételek esetén, elsősorban szennyezett közegben üzemelő csapágyazásokhoz használnak öntött vagy zsugorított keményfémből készült önkenő csapágyakat, ásványból (pl. öntött bazaltból) vagy kerámiából készült súrlódó felületeket, illetve felületi bevonatokat. Ilyen csapágyazásokat főleg abráziós/eróziós kopásnak kitett szerkezetekbe építenek be. A gépészeti gyakorlatban viszonylag ritkán fordulnak elő.

Szintercsapágyak

A szintercsapágyak porkohászati eljárással készült, viszonylag kis méretű siklócsapágyak, amelyek pórusait a gyártás során kenőolajjal telítik. Ez a kenőolaj üzem közben kijut a súrlódó felületekre, keni azokat, ezért külön kenőanyag-ellátásról nem kell gondoskodni. A szintercsapágyak alapanyaga bronz vagy lágy vaspor, esetleg alumíniumpor, amihez a súrlódási és kopási tulajdonságok javítása, valamint a zajszint csökkentése végett gyártáskor kis mennyiségben grafitot adnak. A csapágyak szilárdsága és kenőolaj-tároló képessége porozitásuktól függ. Minél kisebb a porozitás, annál nagyobb a nyomószilárdság de annál kevesebb az olaj a csapágyban. A kis porozitású csapágyakat (kb. 10 tf% porozitás) nagyobb terhelésen, a nagy porozitású csapágyakat (kb. 30 tf% porozitás) nagyobb sebességen használják.

A csapágyakat gondosan finomított, oxidáció- és habzásgátló adalékot tartalmazó ásványolajjal, szintetikus szénhidrogénolajjal vagy szilikonolajjal itatják át annak érdekében, hogy a kenőanyag hosszú ideig hatékony maradjon. A kisebb porozitású csapágyakat kisebb viszkozitású olajjal telítik. A szintercsapágyak átitatására rendszerint az ISO VG 68, ISO VG 100 és az ISO VG 150 viszkozitási csoportba tartozó kenőolajokat használják. A szintetikus olajok sokkal drágábbak, de a velük átitatott csapágyak nagyobb terhelésen, szélesebb hőmérséklet-tartományban üzemelhetnek. A megengedett üzemihőmérséklet-tartomány ásványolajra T= –20...+90 °C, szintetikus olajra T= –40...+120 °C. A szilikonolaj csak kis terhelésű csapágyak telítésére alkalmas, de szélesebb lehet az üzemihőmérséklet-tartomány (T = –40…+200 °C).

A vasalapú csapágyakat ma már ritkán használják, mert bár teherbírásuk kielégítő és olcsók, víz jelenlétében rozsdásodnak.

A szintercsapágyak vegyes súrlódási állapotban üzemelnek, teherbírásukat jó közelítéssel a pv szorzat jellemzi, de a felületi terhelés és a csúszási sebesség is korlátozott. A gyakorlatban megengedett értékek: pv = 1,8 N/mm2 m/s, pmax = 12 N/mm2, vmax = 5 m/s. Ezeknél nagyobb értékek is megengedhetők, ha a csapágyakat időnként vagy folyamatosan kenik.

A csapágyjátékot a tengely méretétől és a kenőanyag viszkozitásától függően választják ki. A hidrodinamikai kenés szempontjából a kis ψ relatív csapágyjáték előnyös, de ügyelni kell arra, hogy a melegedés hatására a minimálisan szükséges csapágyjáték (ψmin= 0,5...0,7‰) megmaradjon.

A hagyományos kialakítású szinterbronz csapágyakat IT8 tűrésminőségnek megfelelő pontossággal, szabványos méretekkel, beépítésre kész állapotban hozzák forgalomba. A perselyek futófelületét nem szabad utólag forgácsolással megmunkálni, mert a pórusok eltömődnek, és a kenés hatékonysága csökken. A beépített perselyek furatának méretét különleges görgőző- vagy vasalószerszámmal növelhetik. A sima hengeres és a peremes perselyek mellett készülnek külső gömb felületű beálló perselyek és sík talpcsapágygyűrűk is (389. ábra).

389. ábra - Szinterbronz csapágyperselyek

kepek/389.png


A szintercsapágyakat rendszerint szilárd illesztéssel rögzítik a ház furatában. Ezeket a csapágyakat főleg kisméretű berendezésekben, pl. villamos motorokban, gyújtáselosztókban, irodagépekben, háztartási gépekben, műszerekben használják.

Bár a szintercsapágyakban levő olaj hosszú időn keresztül megfelelő kenést nyújt, a kenés hatékonyságának javítására a csapágyazás élettartamának és esetleg teherbírásának növelése érdekében a csapágypersely mellett esetenként olajtároló elemeket helyeznek el.

Hidrodinamikus kenésű siklócsapágyak

A műszaki gyakorlatban a súrlódás és a kopás csökkentése, a hosszú élettartam elérése érdekében arra törekednek, hogy a siklócsapágyakban tiszta folyadéksúrlódási állapotot alakítsanak ki, a súrlódó felületeket elegendően vastag kenőanyagréteggel válasszák el egymástól. Ez legegyszerűbben hidrodinamikai nyomás létrehozásával érhető el a kenőfilmben.

Először Beauchamp Tower angol mérnök mutatta ki vasúti kocsi siklócsapágyaiban a hidrodinamikai nyomás kialakulását 1883-ban, és feltárta a hidrodinamikai kenés alapvető jellemzőit:

– elegendő mennyiségű kenőanyagot kell a csapágy terheletlen részén bevezetni,

– a terhelt felület folytonosságát nem szabad horonnyal megszakítani,

– a súrlódási ellenállás a sebesség növelésével először csökken, majd növekszik.

Osborne Reynolds adott először magyarázatot Tower kísérleti eredményeire, és a viszkózus folyadékok lassú áramlására alkalmazva az áramlástan törvényeit (a Navier–Stokes-egyenletből kiindulva) felírta a hidrodinamikai kenés alapegyenletét, a róla elnevezett Reynolds-egyenletet. Ehhez több egyszerűsítő feltételt vezetett be, amelyek megengedhetők a siklócsapágyak üzemi viszonyai között, és az egyenlet használhatóságát nem korlátozzák. Az egyszerűsítő feltételek ellenére a Reynolds-egyenlet megoldása nem könnyű, és analitikus megoldáshoz további egyszerűsítésekre van szükség.

A siklócsapágy állandó terhelésű üzemállapotaira érvényes Reynolds-egyenletet analitikusan megoldotta maga Reynolds, valamint Sommerfeld, Gümbel, Michell, Reyleight, Ocvirk és még sokan mások. Schiebel, Sassenfeld és Walter, Raymondi és Boyd a Reynolds-egyenletet numerikusan oldották meg. A változó terhelésű siklócsapágyak Reynolds-egyenletét Fränkel, Ott, Booker, Holland, Hahn, Someya, Czégi oldotta meg és dolgozott ki javaslatot ilyen üzemállapotban működő siklócsapágyak méretezésére.

Napjaink véges elemes számítási módszerei lehetővé teszik, hogy Reynolds számos elhanyagolását az egyenlet megoldásakor figyelembe vegyék. A korszerű motorcsapágyak méretezésekor már nemcsak a terhelés irányának és nagyságának, valamint az egyenértékű szögsebességnek, változását követi a számítás, hanem a hőmérséklet és nyomás hatására kialakuló viszkozitásváltozást és a szerkezet rugalmas alakváltozását is.

A hidrodinamikai kenés alapjai

A siklócsapágyelemek súrlódó felületei egymáshoz képest elmozdulnak, mozgásuk közben a felületükhöz tapadó kenőolajat magukkal viszik a csapágy hordozófelületei közé. Amennyiben a hordozófelületek mozgása olyan irányú, hogy a kenőanyagot szűkülő térbe kényszeríti, ott nyomás keletkezik, ami a többlet kenőanyagot kinyomja, miközben felveszi a csapágyra ható terhelést: a csapra ható hidrodinamikai nyomás eredőjének nagysága egyenlő a csapágyterheléssel. A folyamat egyszerű, de elméleti vizsgálata komoly nehézségekbe ütközik, mert a terhelésből kiindulva a kenőfilm vastagsága közvetlenül nem határozható meg. A terhelést a kenőfilmben kialakuló nyomás veszi fel, de a nyomás nagysága és eloszlása a súrlódó felületen a kenőfilmben kialakuló áramlásoktól, többek között az azt meghatározó kenőrés alakjától és vastagságától függ.

A kenőrésben levő viszkózus folyadékban kialakuló áramlást sok tényező befolyásolja, ezért az elméleti vizsgálatok megkönnyítése végett a következő egyszerűsítő feltételeket tették:

  • a kenőanyag viszkozitása állandó,

  • a súrlódási erőkhöz képest a tömegerők elhanyagolhatók,

  • a súrlódó felületek tökéletesen merevek és simák,

  • a kenőfilm vastagsága a súrlódó felületek méreteihez képest nagyon kicsi,

  • a kenőfilmvastagság irányában nincs kenőanyag-áramlás,

  • a kenőfilm vastagsága mentén a kenőanyag nyomása nem változik,

  • a kenőrés vastagságának változása a súrlódó felület mentén kicsi.

E feltételek figyelembevételével egyszerűsíthető a Navier–Stokes-egyenlet, és a csapágyrésben kialakuló nyomás és áramlási sebesség között az alábbi egyenletek írhatók fel (az egyes mennyiségek értelmezése a 390. ábrán látható):

p x = η 2 u y 2 , p y = 0 , p z = η 2 w y 2 .

390. ábra - Hidrodinamikus nyomás kialakulása

kepek/390.png


A fenti differenciálegyenletek kétszeri integrálása után rendelkezésre állnak az u és w sebességfüggvények: u=12ηpxy2+C1y+C2;w=12ηpzy2+C3y+C4.

Ha a súrlódó felületek csak x irányban mozdulnak el, a sebességfüggvények integrálási állandói a következő határfeltételek alapján határozhatók meg:

y = 0 ; u = U 1 ; v = 0 ; w = 0. y = h ; u = U 2 ; v = U 2 h x ; w = 0.

Ezek figyelembevételével az u és w sebességfüggvények:

u = 1 2 η p x ( y 2 y h ) + h y h U 1 + y h U 2 ; w = 1 2 η p z ( y 2 y h ) .

E sebességfüggvényeket integrálva x és z változók szerint meghatározható e két koordináta irányában az egységnyi szélességű, h vastagságú résen átáramló folyadékmennyiség:

Q x = 0 h u d y = ( U 1 + U 2 ) h 2 h 3 12 η p x ; Q z = 0 h w d y = h 3 12 η p z .

A térfogatáramok egyensúlyát kifejező kontinuitási egyenlet: Qxx+Qzz=0.

Ebbe behelyettesítve a térfogatáramok értékeit és rendezve az egyenletet, a következő összefüggés alakul ki: x[h3px]+z[h3pz]6η(U1+U2)hx=0.

Ez a Reynolds-egyenlet állandósult üzemállapotra érvényes alakja (F, U1 + U2, és η állandó, a h = h(x, z) függvény nem változik).

A Navier–Stokes-egyenletből kiindulva általánosabb formában is felírható ez az egyenlet, ami a felületek közeledési sebességét és akár a kenőanyag összenyomhatóságát is figyelembe veszi (ami pl. az aerodinamikus csapágyaknál szükséges).

A változó üzemállapotú csapágyakban a súrlódó felületek közeledésének V sebessége nem hanyagolható el.Ebben az esetben a fenti Reynolds-egyenlet a 2V taggal egészül ki: x[h3px]+z[h3pz]6η[(U1+U2)hx+2V]=0.

A Reynolds-egyenlet egyszerűsített változatának megoldása (ahol V=0)is komoly nehézséget okoz, a változó üzemállapothoz tartozó megoldás pedig csak numerikus eljárással érhető el.

Számítási nehézséget okoz elsősorban az oldalirányú áramlások figyelembevétele, a gyakorlatnak legmegfelelőbb határfeltételek kiválasztása, de a hőmérséklet-változásból eredő viszkozitás változás is.

Radiális siklócsapágyak kenéselmélete

A teherbírás számítása

A radiális terhelésű hengeres siklócsapágyakban a csapot játékkal illesztik a perselyben. A játék nagyságát a ψ=d2d1d1=Δdd1 relatív játékkal jellemzik. A terhelés hatására a tengelycsap a perselyben excentrikusan helyezkedik el, amelynek nagyságát az ε=2eΔd relatív excentricitás jelzi. Az ε meghatározza a csapágyrés alakját leíró függvényt, amely a 391. ábra jelölései szerint, polárkoordináta rendszerben, a következő alakot veszi fel: h=Δd2(1εcosφ)=rψ(1cosφ), mivel x = rϕ ~.

391. ábra - Csapágyhézag a radiális csapágyban

kepek/391.png


A Reynolds-egyenletbe behelyettesítve ezt a résfüggvényt, végtelen széles csapágyat és állandó csaphelyzetet feltételezve (b = ∞, b/d = ∞, dp/dz = 0) az egyenlet analitikusan megoldható. A megoldáshoz többféle határfeltételt is használtak. Reynolds az alábbi határfeltételeket javasolta:

φ = φ , p = p max p φ = 0 ; φ = φ , p = 0 p φ = 0 ; φ = φ 1 p = 0 .

E határfeltételeket alkalmazva a végtelen széles csapágyra a csapágypersely kerülete mentén a 380. ábrán látható nyomáseloszlás alakul ki.

A csapágy szélessége azonban nem végtelen, a csapágyból oldalirányban kiáramlik a kenőolaj, ami a fentiek szerint kiszámított nyomáseloszlást megváltoztatja, keresztirányban a csapágy széle felé haladva a nyomás fokozatosan a környezeti nyomásra csökken, miközben a csapágy teherbírása lényegesen kisebb lesz. A véges szélesség hatását az analitikus megoldásokban a keresztirányú nyomást leíró függvény alakját felvéve veszik figyelembe (pl. parabolikus vagy koszinusz hiperbolikus függvényt választanak). Pontosabb megoldásokat adnak a numerikus eljárások.

Az eredmény, a véges szélességű csapágy nyomásfüggvénye formálisan a következő alakban írható fel: p=6ηωψ2f(ε,b/d,φ,z).

A 392. ábra különböző b/d szélességviszonyra tünteti fel a csapágyban kialakuló nyomáseloszlást.

392. ábra - Hidrodinamikai nyomás eloszlása radiális csapágyban

kepek/392.png


A nyomásfüggvényt integrálva a csap felületén meghatározható a csapágyterhelés. Az F csapágyterhelés minimális rés irányába mutató, valamint az erre merőleges komponense a csap felületére ható nyomás függvényében a következőképpen írható fel (az F csapágyerő iránya a minimális rés helyéhez képest β szögre helyezkedik el):

F cos β = b / 2 b / 2 φ * φ 1 r p cos φ d φ d z = 6 η d b ω 3 ψ 2 Φ 2 ,

F sin β = b / 2 b / 2 φ * φ 1 r p sin φ d φ d z = 6 η d b ω 3 ψ 2 Φ 1 .

A két erőkomponenst vektoriálisan összegezve a csapágy F terhelése, egymással elosztva pedig, az erővektor β irányszöge (szögének tangense) határozható meg:

F = 6 η d b ω 3 ψ 2 Φ 1 2 + Φ 2 2 , t g β = Φ 1 Φ 2 .

A terhelés kifejezhető a csapágy méretétől független, következőképpen felírható, Φ dimenzió nélküli terhelési számmal (csapágyjellemző számmal, amit a szakirodalom gyakran St, Sommerfeld-számnak nevez):

Φ ( ε , b / d , φ 1 ) = S t ( ε , b / d , φ 1 ) = F b d ψ 2 η ω ( ε , b / d , φ 1 ) .

Az olajbevezetés helye és az erőhatás iránya meghatározza, hogy mekkora területre terjed ki az olajnyomás a csapágypersely kerülete mentén. A gyakorlatban legtöbbször a teljesen körülzárt (360°-os) és a félig körülzárt (180°-os) csapágyperselyeket használják és azokra adják meg a Φ csapágyjellemző számok értékét. Az olajbevezetés helye a teljesen körülzárt csapágyakban rendszerint a terheletlen csapágyfél közepén van 1 ≈ 180°), félperselyeknél pedig a csapágyerőre merőlegesen (ϕ1 ≈ 90°). Nagy terheléstartományban nincs jelentős különbség a teljesen és a félig körülzárt csapágy teherbírása között, ezért a gyakorlati számításokban rendszerint a teljesen körülzárt csapágyak csapágyjellemzőszám-adatait használják fel. A 393. ábra tünteti fel különböző b/d szélességi viszonyra a Φ terhelési szám változását az ε relatív excentricitás függvényében.

393. ábra - Csapágyjellemző-szám változása a relatív excentricitás függvényében

kepek/393.png


A csapágy teherbírása a relatív excentricitás növekedésével progresszíven növekszik. Ha a nagy terhelésű csapágyak terhelése közel állandó, excentricitásuk nagy, és ezért nyugodtan futnak. Kis excentricitástartományban (ε < 0,5) azonban már kis terhelésváltozás is jelentős mértékű csapelmozdulással jár, ami lengéseket, rezgéseket idézhet elő és csökkenti a futáspontosságot. Ezért az olyan tengelyek csapágyazásánál, ahol a futáspontosság vagy a nagy merevség fontos (pl. szerszámgép-orsócsapágyazások, nagyméretű forgórész-csapágyazások stb.), rendszerint több hordozófelületű siklócsapágyakat használnak, ahol a csap körül a kerület mentén egyenletesen elhelyezett, kis átfogásszögű csapágyszegmensek mindegyikében hidrodinamikai erőhatás jön létre. Ezek eredői egymással szembe hatva előfeszítik a csapágyat, ezért az lényegesen merevebb lesz, mint a hengeres radiális csapágy. A külső terhelés a kialakult hidrodinamikai erők eredőjével tart egyensúlyt.

A több hordozófelületű csapágyak legegyszerűbb változata az egymással szemben elhelyezett, két hordozófelülettel készült citrom csapágy, de használnak énnél lényegesen több szegmensből álló csapágyat is, főleg nagyobb átmérőjű, változó irányú erőhatásokkal terhelt tengelyek ágyazására (394. ábra).

394. ábra - Hidrodinamikai nyomás kialakulása több hordozófelületű, radiális csapágyakban

kepek/394.png


Csapágysúrlódás

Folyadéksúrlódási állapotban a súrlódást az áramló folyadékrétegek között fellépő nyírófeszültség okozza. Newton törvénye szerint a laminárisan áramló viszkózus folyadékban az egyes folyadékrétegek között keletkező nyírófeszültség a sebességgradienssel arányos: τ=ηdudy.

Radiális siklócsapágyakban, a folyadék áramlási sebességének gradiense a szilárd felületnél a legnagyobb. A sebességgradiens a sebesség függvények deriválásával meghatározható, és abból számítható a nyírófeszültség eloszlása a csapágyfelület mentén. A csap forgását a du/dy sebességgradiensből eredő nyírófeszültségek gátolják, ezért ezeket a csap felületén integrálva számítható a súrlódási erő.

F S = b / 2 b / 2 φ * φ * τ o d z r d φ = η ω b d ψ ( ε , b / d , φ 1 ) .

A súrlódási erő és a terhelő erő hányadosa itt is a súrlódási tényező, bár nincs közvetlen összefüggés a folyadékban ébredő súrlódás és a csapágy terhelése között.

μ = F S F = ψ C ( ε , b / d , φ 1 ) .

A súrlódási tényező is kifejezhető a csapágy méretétől független, dimenzió nélküli C súrlódási számmal. Szerencsére van összefüggés a teljesen körülzárt csapágyak súrlódási száma és terhelési száma között, ezért a gyakorlatban kielégítő pontossággal számítható a súrlódási tényező a következő összefüggésekből.

h a      Φ 1 μ = 3 ψ Φ , h a      Φ > 1 μ = 3 ψ Φ .

Kisebb körülfogási szögű csapágyak súrlódási vesztesége kisebb. Ott a súrlódási tényező az adott átfogási szöghöz tartozó C súrlódási számok ismeretében határozható meg.

A több hordozófelületű csapágyak súrlódási vesztesége az egyes szegmenseken kialakuló súrlódási veszteségek összege, ami, különösen kis terheléstartományban, mindig lényegesen nagyobb, mint az azonos súrlódó felületekkel rendelkező hengeres csapágyé.

Kenőanyag-szükséglet

A siklócsapágyak hidrodinamikai teherbírásának és súrlódási veszteségének előzőkben ismertetett számítása csak akkor érvényes, ha a csapágyrést a határfeltételek által meghatározott tartományban teljesen kitölti a kenőolaj. Végtelen szélességű csapágyban a csapágyrésben levő kenőolaj állandóan körbe kering, ezért elegendő lenne egyszer feltölteni a csapágyat kenőolajjal.

Véges szélesség esetén azonban oldalirányban kenőanyag áramlik ki a csapágyakból, amit állandóan pótolni kell. Ez a kenőanyag-térfogatáram a csapágypersely két szélén kialakuló w oldalirányú áramlási sebesség függvények integrálásával határozható meg. Ha a kenőfilm vastagságát leíró függvény a csapágy két szélén azonos, a kenőanyag-térfogatáram a következőképpen számítható:

Q = 2 r φ * φ * 0 h w r d φ d y .

Az integrálás elvégezhető, és a hidrodinamikai kenésállapot fenntartásához szükséges olajmennyiség is kifejezhető egy q1 dimenzió nélküli olajfogyasztási számmal:

q 1 ( ε , b / d , φ 1 ) = Q d 3 ψ ω .

Amint azt Czégi vizsgálatai kimutatták, a q1 dimenzió nélküli olajfogyasztási szám is összefüggésben van a terhelési számmal.

Nagy sebességű siklócsapágyakban jelentős súrlódási hő keletkezik, ezért a csapágyakat hűteni kell. A csapágyon átáramoltatott kenőanyag is alkalmas a hő elvitelére, ha folyamatosan átáramoltatják a csapágyon, és visszahűtik. Rendszerint a mozgó csapágyelemekkel szállított Q olajmennyiségnél több olaj kell a csapágy hűtéséhez, ami csak túlnyomással áramoltatható át a csapágyon. Ez a többlet kenőanyag-mennyiség, a nyomás hatására kialakuló áramlásisebesség-függvények felírása után, a fentiekhez hasonló módon, a csapágypersely szélén, kétszeres integrálással határozható meg. Az eredmény itt is kifejezhető dimenzió nélküli formában:

q 2 ( ε , b / d , φ 1 , B E ) = Q 2 η d 3 ψ 3 p o ,

ahol a q2 olajfogyasztási szám az előző dimenzió nélküli számokkal ellentétben nemcsak ε-tól, ϕ1-tőlés b/d-től függ, hanem az olajbevezető furatok és olajelosztó hornyok méretétől és alakjától is (erre utal a BE jel).

A csapágyon átfolyó kenőanyag-térfogatáram a tangenciális mozgással szállított és a túlnyomással bevitt mennyiség összege.

Axiális csapágyak kenéselmélete

A tengelyekre ható axiális erőt rendszerint kör vagy körgyűrű alakú, sík támasztófelület veszi fel. Hidrodinamikai felhajtóerő ilyen csapágyakban is létrehozható, amennyiben van szűkülő rés, a felületekhez tapad a viszkózus kenőanyag, és a csapágyelemek mozgása a kenőanyagot a szűkülő résbe kényszeríti. A terhelés felvételére általában a támasztófelület mentén, körben egyenletesen elosztva több szűkülő rést (sarut, hordozófelületet) alakítanak ki. A szűkülő réseket vagy belemunkálják a hordozófelületbe (merev saruk, 395. ábra), vagy különálló sarukat alakítanak ki, amelyeket úgy támasztanak alá, hogy működés közben elbillenhessenek (billenősaruk, 396. ábra). A 395/a ábra csak egy irányban, a 395/b ábra két irányban forgó tengelyekhez használható (N az olajhorony, R a felülettel párhuzamos szakasz, K a lejtős szakasz mérete). A 395/a ábrán görgő, a 395/b ábrán golyó, a 395/c ábrán tányérrugó, a 395/d ábrán gumirugó támasztja a sarut és teszi lehetővé elbillenését működés közben. A sarukon létrejövő hidrodinamikai reakcióerők összege tart egyensúlyt az axiális terheléssel. Egyetlen saru jellemzői a hidrodinamikai kenéselmélet alapján, hasonló módon határozhatók meg, mint a radiális csapágyaknál.

395. ábra - Merev saruk kialakítása

kepek/395.png


396. ábra - Beállósaruk

kepek/396.png


A teherbírás a Reynolds-egyenlet megoldásával és a kapott nyomásfüggvény integrálásával számítható. A saru alatti kenőrés alakja lehet lineáris (ék alakú), körív, parabola, lépcső stb. Az egyszerűbb gyártás érdekében rendszerint az ék alakú vagy ritkán a lépcsős kenőrést használják. Az ék alakú kenőrés alakja a 397. ábra jelölései alapján a következő összefüggésekkel írható le:

h = h o + h 1 h o l x , h h o = 1 + h 1 h o h o x l = 1 + m x l .

397. ábra - Ék alakú kenőrés sarus csapágyban

kepek/397.png


Ezt a résfüggvényt behelyettesítve az egyszerűsített Reynolds-egyenletbe (ahol b/l = ∞, V = 0), azt megoldva, majd a kapott nyomásfüggvényt integrálva az egységnyi szélességű sarura, az F teherbírásfüggvény a következő alakot veszi fel:

F b = η U l 2 h o 2 Φ ( m ) .

A véges szélességű saru teherbírása kisebb, mint a végtelen széles sarué, mivel az oldalirányban elfolyó olaj csökkenti a kialakuló hidrodinamikai nyomás nagyságát. A csökkenés mértékét a véges szélességű saru Reynolds-egyenletének (közelítő) megoldásával határozzák.

A teherbírás nagyságát itt is egy dimenzió nélküli terhelési szám fejezi ki:

Φ ( m , b / l ) = F η U b h o 2 l 2 , ami jelentős mértékben függ a szűkülő rés lejtésétől – a ho/h1 illetve m = (h1 – ho)/horésméretviszonytól –, amint azt a 398. ábra mutatja.

398. ábra - Saru terhelési száma a résparaméter függvényében

kepek/398.png


Szélsőérték számítással megállapították, hogy ék alakú réssel rendelkező, lejtős saru teherbírása m = 1,2 (1/m = 0,83) érték környezetében, b/l = 1 szélesség viszonynál a legnagyobb. Más résfüggvények (pl. parabola, exponenciális, lépcsős) esetén kismértékben eltér a teherbírás az előzőekben meghatározott értékektől. A hidrodinamikai nyomás nem szimmetrikusan oszlik el a saru hossza mentén, ezért eredője a saru középétől a minimális rés irányába e értékkel eltolódik. Az e/l relatív eltolódás a sarura felírt nyomatékok egyensúlyát kifejező egyenletből határozható meg. A végtelen szélességű saru nyomatéki egyenletének átrendezése a terhelő erő relatív eltolódásának számítására a következő egyenletet adja:

e l = 1 2 0 l p x d x F l .

A gyakorlatban használt saruknál ez a relatív eltolódás az m paramétertől függően rendszerint 0,05–0,15, az optimális teherbírás környezetében e/l 0,1.

Nagy teherbírás érdekében célszerű az m paramétert 1,2 értékre választani (ahol e/l = 0,085).

Amennyiben a billenősarut az e értéknek megfelelő helyen támasztják alá, a saru a terheléstől függetlenül a választott e értékhez tartozó m paraméterrel fog működni. A futófelületbe munkált lejtő (merev saru) esetén az m paraméter a terheléstől függően változik, ami főleg az optimálisnál nagyobb terhelés esetén rendkívül kedvezőtlen.

A talpcsapágyak súrlódási veszteségének számítása hasonló, mint a radiális csapágyaké: a súrlódási erő a kenőrésben áramló folyadék és a sarufelület között kialakuló nyírófeszültség integrálásával határozható meg. Végtelen szélesnek tekintett, egységnyi szélességű sarun ébredő súrlódási erő: FSb=0lτdx=ηUlhoϑ(m), és ebből, átalakítások után, a súrlódási tényező: μ=FSF=ϑ(m)Φ(m)hol=KηUbF.

A K tényezőértéke a b/l viszony csökkentésével növekszik, de a gyakorlatban használt saruméretarányok és résméret-paraméterek tartományában K ≈ 3,és értéke alig változik.

A saruk kenőanyag-szükséglete szintén meghatározható a hidrodinamikai kenéselmélet alapján úgy, mint a hengeres radiális csapágyaké. A gyakorlatban azonban az olajszükségletet nem számítják, mert egyrészt a csapágy hűtése a viszonylag nagy súrlódási veszteség miatt általában több olajt igényel, mint a kenőrés feltöltése, másrészt az olajkeverés vesztesége nagyobb, mint a radiális csapágyakban, ami növeli a melegedést. A kenőolaj-mennyiséget ezért rendszerint a hűtéshez szükséges olaj-térfogatáram határozza meg, de a szerkezeti kialakítás is hatást gyakorol.

Csapágyanyagok

Hidrodinamikus kenésállapotban a csapágyelemeket folyamatos kenőfilm választja el egymástól, ami megakadályozza a csapágyfelületek kopását, berágódását. Indításkor és leálláskor azonban vegyes súrlódási állapot alakul ki, szilárdtest-érintkezés is van, ezért olyan csapágyanyag-párosítást célszerű választani, amely az ebből eredő károsodásokat megakadályozza. Ez azonban még nem elegendő: az anyagpároknak a jó siklási tulajdonságok, a kopásállóság és a berágódással szembeni ellenállás mellett további kedvező tulajdonságokkal is kell rendelkezniük. A csapágyanyagokkal szemben támasztott fontosabb követelmények:

  • nagy teherbírás (nagy nyomószilárdság, magas kifáradási határ),

  • kedvező alakváltozási képesség,

  • beágyazóképesség,

  • magas berágódási szilárdság (kis adhéziós és hegedési hajlam),

  • bejáródási képesség,

  • szükségfutási képesség,

  • kopásállóság,

  • szilárdhatárréteg-képzés,

  • tapadjon a kenőanyag a csapágyanyaghoz: (jó nedvesítőképesség, kis felületi feszültség).

Nincs olyan anyagpár, amely minden követelményt kielégít, ezért sokféle csapágyanyagot gyártanak, és azok közül igyekeznek a fenti szempontok alapján, az adott esetben legalkalmasabbat megtalálni.

Az anyagpár kiválasztásakor alapvető követelmény, hogy az egyik futófelület (rendszerint a tengely) 3–5-ször keményebb legyen, mint az ellenfelület (a persely, a saru). A tengely anyaga általában acél, esetleg vasöntvény. Kiváló tengelyanyag a finom szemcsés szövetszerkezetű, edzett vagy nitridált acél. Normalizált vagy nemesített acélok csak kis terhelésű csapágyakban engedhetők meg. A szénacélok és a krómtartalmú acélok kedvezők, a nikkeltartalmúak viszont nem, mert berágódásra hajlamosak. Nagyterhelésű csapágyakban előnyösen használhatók a keménykróm felületi bevonatok, mert ellenállnak a berágódással szemben.

A hidrodinamikus csapágyak perselyeinek, saruinak futófelületét rendszerint csapágyfémből készítik. A csapágyfémek fehérfémek, (babbitok: ón- vagy ólomalapú ötvözetek), rézötvözetek (ón- vagy ólombronzok, különleges sárgarezek, vörösötvözetek, alumíniumbronzok), alumíniumötvözetek, öntöttvasak és különleges csapágyfémek.

A fehérfémekből kis széntartalmú acél (ritkán öntöttvas vagy bronz) perselyekben és sarukon lágy futórétegeket alakítanak ki, önálló tömör elemeket nem. A fehérfémek talán a legkedveltebb csapágyfémek, mert könnyen önthetők, forraszthatók, alakíthatók, beágyazóképességük, súrlódási, kopási és szükségfutási tulajdonságaik jók, élen futásra nem hajlamosak. Szilárdságuk viszont kicsi és a hőmérséklet növelésével csökken. A csapágyfém réteg vastagságának csökkentésével viszont a szilárdság növelhető. A vékony fehérfém futófelületű, többrétegű siklócsapágyak szilárdsága elegendően nagy ahhoz, hogy a kisebb méretű belsőégésű motorokban ébredő dinamikus terheléseket felvegye. Az ónalapú csapágyfémek jobbak, de drágábbak, mint az ólomalapúak, mert kötési szilárdságuk, teherbírásuk, korrózió- és kopásállóságuk kedvezőbb. A fehérfémek tulajdonságai az ón- és ólomtartalom mellett antimon, réz, nikkel, arzén és a kadmium ötvözőkkel javíthatók, optimálhatók.

A fehérfémeket elsősorban nagyméretű gépek (turbinák, hengerművek, kompresszorok, villamos motorok stb.) csapágyaiban, valamint szalagban gyártott, többrétegű lemezből hajlított, benzin üzemű motorcsapágyakban, bélésfémként használják.

A rézötvözetek közül a legjobb siklócsapágyanyagok a különböző összetételű ónbronzok, mert szilárdságuk és kopásállóságuk nagy, emellett korrózióállók. Ugyanakkor drágák, alakváltozási képességük és szükségfutási tulajdonságaik korlátozottak, amit ólom hozzáadásával javítanak. Az ólomtartalom azonban csökkenti a kopásállóságot, növeli a korrózió veszélyét. Ónbronzból elsősorban tömör, önálló csapágyelemeket és szintercsapágyakat készítenek.

A költségek csökkentése miatt a kisebb terhelésű siklócsapágyakat vörös ötvözetből vagy különleges sárgarézből állítják elő. Alumíniumbronzokból elsősorban akkor készítenek siklócsapágyakat, ha a szerkezetnek csapágyazáson kívül más feladatot is el kell látnia (csapágyazott csigakerék, persely nélküli, házban kialakított, csapágy stb.) vagy a korrózióveszély igen nagy. Az alumíniumbronz nagy szilárdságú, kopásálló, de szükségfutási tulajdonsága, alakváltozási és beágyazóképessége rossz, élen futásra hajlamos.

Az ólombronzok, viszonylag kis szilárdságuk miatt, önálló csapágyperselyek készítésére nem alkalmasak. Bélésfémként ugyanakkor, előnyös tulajdonságaik miatt, kitűnően használhatók. Alakváltozási és beágyazóképességük, szükségfutási tulajdonságaik kiválóak, de kopás- és korrózióállóságuk rosszabb, mint az ónbronzoké. Jó minőségben nehezen önthetők, mert a nagy sűrűségkülönbség miatt az ólom könnyen kiválik. Az ólombronzok szilárdsága nagyobb, mint a fehérfémeké, ezért nagyterhelésű (pl. kompresszor-, dízelmotor-, dugattyússzivattyú-) csapágyakban, bélésfémként használják. Egyedi vagy kis sorozatgyártásban, az acélperselyben az ólombronz bélést centrifugál öntéssel alakítják ki. Tömeggyártásban, pl. dízelmotor-csapágyak előállításakor a csapágyperselyeket többrétegű fémszalagból hajlítják. A többrétegű fémszalagok kis széntartalmú acélból és az arra porkohászati eljárással felvitt vékony ólombronz rétegből állnak. A kedvező bejáratás és a korrózióállóság növelése érdekében az ólombronz rétegre még néhány µm vastag ón-, indium- vagy ezüstréteget is felvisznek. Az egyes rétegek közötti diffúzió megakadályozására igen vékony nikkelgátat alakítanak ki. Porkohászati eljárással könnyen tetszőleges összetételű csapágyfém állítható elő anélkül, hogy a sűrűségkülönbség miatt az egyes anyagok szétválnának.

Az alumínium alapú csapágyfémekből különálló siklócsapágyelemeket ritkán készítenek, mert berágódásra hajlamosak. Megfelelő ötvözőanyagokkal (réz, nikkel, vas, mangán, szilícium, ón) ez a berágódási hajlam csökkenthető. 6% óntartalmú alumíniumötvözetből készítenek, főleg alumíniumházakba sajtolt, tömör csapágyperselyeket. Nagy kifáradási szilárdságuk miatt viszont gyártanak nagy óntartalmú alumíniumötvözet futófelületű acélszalagból hajlítással, siklócsapágyperselyeket, elsősorban dinamikusan erősen igénybevett csapágyazásokhoz (nagyméretű belsőégésű motorcsapágyak, kompresszorcsapágyak), ahol a berágódási veszélyt vékony ón- vagy indiumbevonattal csökkentik.

A vasalapú ötvözetek is lehetnek siklócsapágyanyagok. Készítenek, pl. betétedzett vagy nitridált felületű acélperselyeket, öntöttvas perselyeket, szintervas perselyeket. Rossz beágyazó- és alakváltozási képességük, élen futási és berágódási hajlamuk miatt azonban az ilyen csapágyperselyek csak kis sebességtartományban használhatók. A kis szilárdságú szürke öntöttvas lemezes grafit tartalma és heterogén szövetszerkezete miatt alkalmas nagy terhelésű, kis sebességű, vegyes vagy a határsúrlódás tartományában üzemelő siklócsapágyazásokhoz.

Speciális feladatok ellátására készítenek különleges csapágyanyagokból, főleg kopásálló keményfémekből, kerámiákból, műszenekből, műanyagokból, de még gumiból és fából is siklócsapágyakat.

Ezeket részben röviden ismertették már a kenést, karbantartást nem igénylő csapágyakkal foglalkozó korábbi fejezetek. Természetesen a kenést nem igénylő csapágyak is üzemelhetnek folyadékkenés állapotban, ha a folyadék tapad a csapágy felületéhez, és azt nem támadja meg.

Szerkezeti kialakítás

Radiális csapágyak

A siklócsapágyak szerkezeti kialakítása rendkívül változatos és attól függ, hogy mekkora a terhelés és az abból származó alakváltozás, milyen a szerelési lehetőség, a kenés, a hőelvezetés, a környezeti hatás stb.

A tengelyvégre szerelhető radiális csapágy rendszerint osztatlan kivitelben készül (399. ábra), a közbenső csaphoz csatlakozó csapágyat osztani kell. A csapágyak kialakítását jelentős mértékben meghatározza a kenés módja. Az önálló csapágyházba épített siklócsapágyak kialakítása veszteséges kenés (pl. szakaszos kenés, csepegtető olajozás, filcpárnás kenés) esetén a legegyszerűbb, mert ott csak a kenőanyag bevezetéséhez és elosztásához szükséges furatokat és hornyokat kialakítani. A kenéshez szükséges olajat kis fordulatszámú tengelyek esetén laza kenőgyűrű (400. ábra), nagyobb fordulatszámokon a tengelyre szerelt merev kenőgyűrű hordja fel a csapágyperselyhez, a házban kialakított olajtérből.

399. ábra - Egyszerű, nem osztott csapágy

kepek/399.png


400. ábra - Laza kenőgyűrűs, osztott siklócsapágy

kepek/400.png


A kenőanyag-ellátás szóró olajozással (szórótárcsával vagy más, olajba merülő mozgó elemmel, pl. forgattyús tengellyel) is megoldható. Nagy fordulatszámú csapágyakat szivattyús kenéssel kell hűteni. A kenőanyag be- és elvezetésére ekkor a csapházon megfelelő csatlakozásokat kell kialakítani.

Szivattyús kenés esetén is szükség van a csapágyház alsó részén olyan tér kialakítására, ahol a perselyből kifolyó olaj összegyűlik és onnan elvezethető. Az olaj leeresztéséről és esetleg szintjének ellenőrzéséről gondoskodni kell.

Lassan forgó tengelyek veszteséges kenésére csepegtető olajozót, kanócos olajozót vagy időszakos, kézi olajozást használnak. Ilyen üzemi viszonyok között a zsírkenés is alkalmas lehet a megfelelő kenésállapot kialakítására. A zsírt szakaszosan vagy folyamatosan juttathatják a kenendő helyre, egyszerűbb berendezésekben zsírzógombokon, időnként utánhúzható zsírzószelencén (Stauffer-zsírzó) vagy folyamatos zsírzópatronon keresztül.

A nagyméretű, bonyolultabb kialakítású szerkezetek zsírkenéséhez általában központi, automatikus zsírzóberendezést használnak.

A siklócsapágyak teherbírását döntő mértékben befolyásolja a csapágyelemek helyzethibája és alakváltozása. Ezek kedvezőtlen hatásának kiegyenlítésére, az élen futás megakadályozására készítenek rugalmas alakváltozással kompenzáló csapágyperselyeket és beálló siklócsapágyakat.

Készülhetnek önálló csapágyházak álló vagy peremes kivitelben, illetve a csapágyházat magában a gépállványban (házban) alakíthatják ki. Az önálló csapágyházakban kenőanyag-tároló vagy -gyűjtő teret alakítanak ki. A kenőgyűrűs csapágyak a hőt a csapágyház felületén adják le. Amennyiben szükséges, a hőleadó felületet bordázással növelik.

Szivattyús olajozáskor a csapágyperselyben olajelosztó hornyokat alakíthatnak ki, amelyek megkönnyítik az olajátáramlást. Hidrodinamikus kenésű csapágy terhelt futófelületén azonban nem szabad hornyokat készíteni, mert az a kialakuló hidrodinamikai nyomást csökkenti, lényegesen kisebb lesz a csapágy teherbírása.

A nagyon kis sebességű, a lengőmozgást végző és a szakaszosan működő siklócsapágyakban, ahol nem elegendő a hidrodinamikai nyomás a teljes terhelés felvételéhez, vegyes súrlódás alakul ki. Ebben az esetben a megbízható kenőanyag-ellátás érdekében a terhelt csapágyfelületeken is készítenek kenőhornyokat, és gyakran olajkenés helyett zsírkenést használnak, mert a zsír hosszabb ideig marad a csapágyban, nehezebben nyomódik ki onnan.

A siklócsapágy-perselyek készülhetnek egy anyagból öntve vagy csőből, rúdból forgácsolva. A többrétegű csapágyperselyek öntöttvas, acél vagy bronz támasztócsészéből és egy- vagy többrétegű futófelületből állnak. A nagyméretű és az egyedi gyártású csészéket csapágyfémmel öntik ki, a nagy sorozatban gyártott, többrétegű perselyeket pedig gyakran készre gyártott lemezből hengerlik, illetve hajlítják. Az axiális erők felvételére a perselyeket peremekkel láthatják el, illetve külön támasztógyűrűket használhatnak

A radiális csapágy merevségének növelésére több hordozófelületű csapágyakat készítenek. A hordozófelületeket vagy forgácsolással alakítják ki, vagy különálló, gyakran beálló szegmensekből rakják össze. Az utóbbi megoldást főleg nagyterhelésű, futáspontos szerszámgéporsó-ágyazásokban használják.

Támcsapágyak

A támcsapágyak legegyszerűbb változatai körgyűrű alakú sík tárcsák, amelyek felületébe kenőanyag elosztó/tároló hornyokat munkálnak be. Kis sebességtartományban ezek a csapágyak hatékonyan üzemelnek, ahol még bizonyos mértékű hidrodinamikai hatás is kialakul. Az ehhez szükséges szűkülő rést rendszerint a hornyolttárcsa egyenetlen hőtágulása hozza létre. Az itt jelentkező hidrodinamikai hatás viszonylag kicsi. Nagyobb teherbírás érhető el, ha a hidrodinamikai nyomás létrehozáshoz lépcsős vagy ék alakú hornyokat alakítanak ki. A hornyok alakja és elrendezése a forgásiránytól függ.

Két forgásirányra kettős lejtésű, merev sarukat munkálnak ki. Az optimális m résparaméter merev sarus szerkezetekkel nagyon nehezen érhető el, mert részben a bemunkálandó lejtő szükséges hajlásszöge nagyon kicsi, részben pedig a terheléssel változik a minimális és a maximális rés vastagsága és aránya. Kedvezőbb teherbírás érhető el beállósarus talpcsapágyakkal, ahol a sarukat billenthetően alakítják ki, és az optimális teherbírásnak megfelelő helyen támasztják alá. A két forgásirányban működő tengelyhez a billenősarukat középen támasztják alá. A billenés mellett gondoskodni kell a saruk egyenletes terheléséről is, ezért gyakran rugalmas beálló alátámasztásokat használnak (384. ábra).

Siklócsapágyak méretezése

A hidrodinamikus kenésű siklócsapágyak méretezésekor az a cél, hogy a csapágy geometriai méreteit, üzemeltetési paramétereit és a kenőanyag jellemzőit úgy hangolják össze, válasszák meg, illetve számítsák ki, hogy a súrlódó felületek között kialakuló kenőfilm elegendően vastag legyen a tiszta folyadéksúrlódási állapot megbízható, folyamatos fenntartásához, minimális vastagsága pedig ne legyen kisebb a csapágyelemek rugalmas alakváltozása, felületi érdessége és az üzemelés megbízhatóságát szavatoló biztonsági tényező által meghatározott minimális értéknél.

A méretezés rendszerint a geometriai méretek meghatározásával kezdődik, ahol gyakorlati tapasztalatok alapján felvett átlagos felületi terhelésből és geometriai arányokból indulnak ki. Ezt követően a terhelési szám, a súrlódási szám és az olajfogyasztási számok segítségével számítják ki a kenőanyag szükséges viszkozitását, a súrlódási veszteséget, a kenőanyag mennyiségét és a csapágy hőegyensúlyát. A hőmérséklet és a viszkozitás ismeretében választják ki az adott követelményeket kielégítő kenőanyag viszkozitáscsoportját, majd a kenéssel szemben támasztott követelmények szerint a kenőanyag minőségét.

Radiális csapágyak

A statikus terhelésű siklócsapágyak (ahol a kenőrés mérete és alakja a működés közben nem változik) tervezése viszonylag egyszerű. A csapágyméretezés menete attól függ, hogy milyen adatok állnak rendelkezésre. Legtöbbször az F terhelőerő és az elemek mozgási sebessége, a hidrodinamikai hatás szempontjából mértékadó egyenértékű n fordulatszám ismert. Rendszerint csak egy elem mozog, ekkor n amozgó elem fordulatszámával egyenlő. Ha a tengely, a persely és az erő vektora is forog, akkor az n egyenértékű fordulatszám (illetve az azzal arányos ω egyenértékű szögsebesség) a következő összefüggéssel számítható: n = n1 + n2 – 2nF, illetve ω = ω1 + ω2 – 2ωF.

Ebben az esetben a számítás célja a megfelelő teherbírást adó csapágyméretek, csapágyanyag és kenőanyag kiválasztása, ami pl. a következőképpen történhet:

1. A csapátmérő és a csapágypersely-szélesség meghatározása. Az üzemi követelmények ismeretében kiválasztják a csapágykonstrukciót és a csapágyanyagot. Az adott szerkezetre, csapágyanyagra (esetleg a kerületi sebességet is figyelembe véve) gyakorlati tapasztalatok alapján (38. táblázat) felvehető a csapágy pk megengedett átlagos felületi terhelése és b/d szélesség viszonya. Ezt követően a tengelycsap átmérője és a persely szélessége számítható: d=Fbdpk,b=bdd.

38. táblázat. Néhány siklócsapágytípus pk átlagos felületi terhelése és b/d szélességviszonya

Ha a tengelycsap d átmérője, pl. szilárdsági feltételek vagy szerkezeti kötöttségek miatt ismert, a csapágy szélessége a pk átlagos felületi terhelés vagy a b/d szélesség viszony ismeretében a fenti összefüggésekből meghatározható.

A korszerű, nagy teherbírású (nagy felületi terhelésű: pk = 10–30 N/mm2) siklócsapágyak keskenyek (b/d= 0,3–0,8) annak érdekében, hogy a csap alakváltozása a perselyen belül minél kisebb legyen: élenfutást ne okozhasson.

2. A szögsebesség, a kerületi sebesség és az üzemi relatív csapágyjáték számítása.

A szakirodalom javaslata szerint a relatív csapágyjátékot a kerületi sebességből célszerű meghatározni, de gyakorlati tapasztalatok alapján is kiválasztható.

A kerületi sebesség és a relatív játék a következőképpen számítható:

ω = 2 π n , U = d 2 ω , ψ = 0,8 U 4 10 3 .

A számítottnál kisebbre lehet választani a relatív játékot, ha lágy a csapágyfém (pl. fehérfémet, ólombronzot használnak), nagy a felületi terhelés (pk > 5 N/mm2), b/d < 0,8, a csapágy önbeálló, a tengely edzett. Ugyanakkor nagyobbra célszerű választani a relatív csapágyjátékot a számítottnál, ha a csapágyanyag keményebb (pl. ónbronz, vörösötvözet, különleges sárgaréz, alumíniumbronz, alumíniumötvözet), a felületi terhelés viszonylag kicsi (pk< 3 N/mm2), b/d > 0,8, a tengely normalizált vagy nemesített acél.

3. A megengedett minimális kenőfilmvastagság számítása. A folyadéksúrlódási állapot megbízható fenntartása érdekében a hominimális kenőfilm vastagsága 2–2,5-ször nagyobb legyen, mint a vegyes súrlódási állapot kezdetéhez (átmeneti fordulatszámához) tartozó hov filmvastagság, amely a tengely Rztésa persely Rzp egyenetlenség magasságának, valamint a tengely perselyen belüli f lehajlásának ismeretében a következőképpen számítható:

hov = 1,5Rzt + 0,5 Rzp + f, ho = (2…2,5)hov.

4. A szükséges minimális kenőanyag-viszkozitás meghatározása.

A minimális kenőfilmvastagságból számítható az ε relatív excentricitás, és diagramból kiválasztható (pl. a 381. ábrából) vagy közelítő összefüggésekből kiszámítható a hozzá tartozó Φ terhelési szám. A szükséges minimális kenőanyag-viszkozitás a Φ terhelési szám ismeretében kiszámítható:

ε = 1 + 2 h 0 d ψ         Φ η = F ψ 2 b d ω Φ .

5. Súrlódási veszteség és csapágyhőmérséklet számítása.

A súrlódási tényező a terhelési számból meghatározható.

H a Φ 1 μ = 3 ψ Φ , h a Φ > 1 μ = 3 ψ Φ , és ennek ismeretében számítható a súrlódásiteljesítmény-veszteség, valamint a csapágy hőmérséklete:

P S = F μ U , T = T o + P S k A .

A csapágyház A hőleadó felületét, ha nem ismert, a számításnál a következő értékkel veszik figyelembe: A = (15–20)bd.

A k hőátadási tényező nagysága elsősorban a csapágy körül áramló levegő sebességétől függ. A gyakorlati tapasztalatok szerint egy gépcsarnokban, ha nincs erős levegőáramlás, a hőátadási tényező k = 15–20 W/m2K. Ha a levegő vl m/s, áramlási sebessége megállapítható vagy megbecsülhető, a hőátadási tényező a következő összefüggésből kiszámítható:

k = 7 + 12 v l .

A megengedett maximális csapágyhőmérséklet a csapágyanyagtól, a kenőanyagtól, valamint a szerkezet megbízhatóságával szemben támasztott követelményektől függ. Mivel a fehérfémek szilárdsága a hőmérséklet növekedésével jelentős mértékben csökken, nem szabad a fehérfémmel kiöntött csapágyakat 50–60 °C-nál magasabb hőmérsékleten üzemeltetni. Csak az igen vékony bélésfémmel készült, nagy szilárdságú motorcsapágyaknál engedhető meg 90 °C-ot elérő üzemi hőmérséklet.

Az ásványolajok élettartama a hőmérséklet emelkedésével rohamosan csökken, ezért az ásványolaj alapú kenőanyaggal kent csapágyak hőmérséklete tartósan nem haladja meg a 90 °C-ot.

Általános szabály, hogy minél magasabb követelményeket támasztanak a csapágyazás megbízhatóságával szemben, annál alacsonyabb hőmérséklet engedhető meg. A nagy teljesítményű, értékes berendezések siklócsapágyainak hőmérsékletét ezért alacsony értéken (50–60 °C-on) tartják és védő-riasztó berendezéssel folyamatosan ellenőrzik. A védőberendezés a gépet a csapágyak túlmelegedése esetén automatikusan leállítja.

Amennyiben a csapágy számított hőmérséklete meghaladja a megengedett értéket, a csapágyat hűteni kell.

Legtöbbször a túlmelegedést okozó többlet hőmennyiséget a csapágyrésen átáramló kenőolajjal vitetik el, bár egyes esetekben a hűtés ventilátorral vagy az olajtérbe épített hőcserélővel (rendszerint vízhűtéssel) is megoldható.

A többlet hőmennyiség elszállításához szükséges olajmennyiség a súrlódási veszteség és a csapágy hőleadó felületének ismeretében számítható:

Q h = P S k A ( T T 0 ) ρ c ( T k i T b e ) .

6. A kenéshez szükséges olajmennyiség számítása.

A mozgó felületek által a csapágyrésbe szállított kenőanyag-mennyisége:

Q 1 = q 1 d 3 ψ ω , ahol q 1 = ε 4 [ b d 0,223 ( b d ) 3 ] ,

vagy esetleg más közelítő összefüggéssel számítható, de diagramból is kiválasztható.

Amennyiben a csapágy hűtéséhez több olaj szükséges, mint a kenéshez, a Q2 = Qh – Q1 többlet kenőanyag-mennyiséget nyomással kell a csapágyba bevezetni. A csapágyon nyomás alatt átáramoltatott kenőolaj mennyisége arányos a q2 olajfogyasztási számmal, ami az olajbevezető és -elosztó hornyok és táskák kialakításától is függ. A Q2olajmennyiség átáramoltatásához szükséges olajnyomás:

p 0 = Q 2 η q 2 d 3 ψ 3 .

Az olajnyomás rendszerint 0,5–5 bar. Amennyiben a számítások szerint ennél nagyobb nyomásra lenne szükség, az olajbevezető furatok és hornyok kialakításának és méretének helyes kiválasztásával, esetleg a relatív játék növelésével a nyomás csökkenthető.

7. A kenőanyag-minőség kiválasztása.

A számított viszkozitás és az üzemi hőmérséklet ismeretében kiválasztható a kenőolaj viszkozitáscsoportja a viszkozitás-hőmérséklet diagramokból. Ezek a diagramok rendszerint a ν kinematikai viszkozitás változását tüntetik fel a hőmérséklet függvényében a különböző kenőolajokra. A kinematikai viszkozitás a dinamikai viszkozitásból számítható a sűrűség ismeretében:

ν = η ρ .

A siklócsapágyak méretezésekor azonban elegendő pontossággal meghatározható a kenőolaj viszkozitáscsoportja azokból a diagramokból, amelyek a dinamikai viszkozitást ábrázolják a hőmérséklet függvényében, előre felvett sűrűségű és viszkozitási indexű olajokra.

Természetesen azonos viszkozitási csoportba különböző minőségű olajok (pl. hajtóműolaj, turbinaolaj, szerszámgépolaj, hidraulikaolaj, motorolaj) tartoznak, amelyek közül a szerkezettel szemben támasztott követelmények alapján választják ki a csapágy kenéséhez szükséges olajfajtát.

8. A gyártási csapágyillesztés kiválasztása.

A tengely és a persely gyártási méretei mellett a beépítés és az üzemeltetés körülményei is hatást gyakorolnak az üzemi csapágyjátékra. A gyártási (hideg) játék a hőtágulás és a persely szilárd illesztése miatt eltér az üzemi (meleg) csapágyjátéktól.

A szilárd illesztés hatására kialakuló méretváltozás viszonylag kicsi és függ a csapágyház merevségétől, ezért a gyakorlatban ezt ritkán veszik figyelembe. A csapágyfémek nagy hőtágulása viszont jelentősen megváltoztathatja a csapágyjátékot a gyártási csapágyjátékhoz képest, ezért ennek hatását célszerű kiszámítani.

Ha a csapágypersely a házban szabadon tágulhatna, a ψ üzemi relatív csapágyjáték, egyenletes t csapágyhőmérséklet-eloszlást feltételezve, a következőképpen számítható értéket venné fel: ψ = ψ0 + (α2α1)(TT0).

Amennyiben a csapágyház akadályozza a csapágypersely külső átmérőjének növekedését, a hőtágulás hatására a játék kisebb lesz. Ekkor az üzemi relatív játék jó közelítéssel a következőképpen határozható meg: ψ = ψ0 – (α2α1βαh)(T – T0).

Itt β értéke a csapágyház merevségét veszi figyelembe: vastag falú, merev háznál β = 1, vékony falú, rugalmas háznál β = 1,5 érték vehető fel.

A csapágyelemek méretei tűréssel készülnek. A csap és a furat méretéhez célszerű szabványos ISO tűrés minőségeket választani, és az illesztést úgy előírni, hogy a közepes relatív játék megegyezzen a számításban figyelembe vett hideg játékkal. A számításokat ezt követően célszerű a tűrések szélső értékeihez tartozó minimális és maximális relatívjáték-értékekkel is elvégezni, és ha szükséges, módosítani az illesztést, a felületminőséget vagy a választott kenőanyagot a megbízható csapágyműködés érdekében.

Siklócsapágy méretezése előre kiválasztott kenőanyag esetén

Amikor a kenőanyag ismert, a számítás menete a 3. és 8. lépés között a fentiektől eltérően a következő. Az üzemi hőmérséklet kiválasztása és a kenőanyag üzemi viszkozitásának megállapítása után következik a terhelési szám számítása, abból a relatív excentricitás kiválasztása, a kenőfilmvastagság kiszámítása és értékelése. Ezt követi a súrlódási veszteség és – csak a konvekciót figyelembe véve – a csapágyhőmérséklet számítása, majd a méretezés, a kapott csapágyhőmérséklettől függően, kétféleképpen folytatódhat:

1. Ha a csapágy külső hűtést nem igényel (a számított csapágyhőmérséklet kisebb, mint a felvett megengedett érték), akkor következik a végleges csapágyhőmérséklet számítása úgy, hogy új, az előre felvett értékhez közelebbi csapágyhőmérsékletet vesznek fel, a kenőanyag viszkozitását e hőmérséklethez választják ki, és azzal a csapágy számítását megismétlik. Az eredményül kapott csapágyhőmérsékletet összehasonlítják a feltételezett hőmérséklettel, megállapítják az eltérést. Ha a két hőmérséklet közötti különbség 3 °C-nál nagyobb, újabb üzemi hőmérsékletet választanak, és a csapágyszámítást újra megismétlik.

2. Ha a csapágyat hűteni kell (az előzőkben számított csapágyhőmérséklet nagyobb, mint a felvett megengedett érték), először a hűtéshez majd a kenéshez szükséges kenőanyag-mennyiséget határozzák meg. A 8. lépéstől azután a számítás a már ismertetett módon folytatódhat.

A siklócsapágyak méretezésére használt számítási eljárások könnyen számítógépre vihetők. A számítás menete különböző lehet attól függően, hogy milyen kiindulási adatok ismertek és mi a számítás célja.

A dinamikus terhelésű siklócsapágyak (pl. belsőégésű motor, dugattyús kompresszor, dugattyús szivattyú, forgattyús sajtológép, gatter stb. csapágyai) méretezése lényegesen bonyolultabb feladat, mert a terhelés és az egyenértékű szögsebesség időben változik, ami csaphelyzetváltozással jár, a tangenciális hatás mellett a kiszorító hatás is megjelenik (a súrlódó felületek közeledése a közöttük levő viszkózus kenőanyagot kiszorítja, miközben benne hidrodinamikai nyomást hoz létre, és ezzel növeli a teherbírást).

A több hordozófelületű csapágyak méretezése szintén bonyolultabb, mint a statikus terhelésű hengeres csapágyaké. A geometriai méretek az előzőkhöz hasonlóan határozhatók meg. A csapágy teherbírásának számításakor azonban valamennyi hordozófelületen kialakuló felhajtóerőt figyelembe kell venni: a terhelőerő az egyes hordozófelületeken kialakuló hidrodinamikai felhajtóerő vektoriális összegével tart egyensúlyt. Statikus terhelés esetén, ahol a terhelés iránya és nagysága nem változik, a csapágy adott erőirányhoz tartozó teherbírás-csapelmozdulás jelleggörbéje viszonylag könnyen számítható, és abból az adott terheléshez tartozó csaphelyzet és minimális kenőfilmvastagság megállapítható, a kenésállapot értékelhető. A súrlódási veszteség és a kenőanyag-szükséglet hordozófelületenként szintén számítható és összegezhető.

A dinamikus terhelésű, több hordozófelületű csapágyakban a minimális kenőfilmvastagság kiszámítása lényegesen nehezebb feladat, mert, elsősorban az erőirány változása és a kiszorító hatás miatt, a csapágy jelleggörbéje az idő függvényében változik. Csak rendkívül sok munkával lehetne ezek hatását a méretezéskor figyelembe venni, ezért ma még nem áll rendelkezésre általánosan elfogadott számítási eljárás az ilyen siklócsapágyak méretezésére, a tervezéskor csupán tapasztalati adatok alapján számolnak.

Axiális csapágyak

Az axiális hidrodinamikus csapágyak méretezése kismértékben eltér a radiális csapágyakétól. Először is el kell dönteni, hogy merev vagy beállósarus csapágyra van-e szükség (nagy terhelésre feltétlenül beállósarus csapágyat célszerű választani). A geometriai méretek kiválasztása is több nehézségbe ütközik: különböző jellemzők és geometriai arányszámok felvételére van szükség. A gyakorlati tapasztalatok szerint a szegmensek száma rendszerint z = 4–12, a szegmens hossz/szélesség arány l/b = 0,7–1,2, a kitöltési tényező κ = zl/dkπ = 0,5–0,8. Legnagyobb a teherbírás és legkisebb a súrlódási veszteség, ha a szélességviszony l/b = 1. Ezeket az arányszámokat változtatva valószínű, hogy több változatot is végig kell számolni addig, amíg a végleges geometriai méretek az adott követelményeket kielégítik.

A talpcsapágy méretezéséhez ismerni kell az F terhelést,az n egyenértékű fordulatszámot (ami rendszerint a tengely- vagy a saruszerkezet fordulatszáma) és azt, hogy a csapágy egy vagy két forgásirányban működik-e. Ha ezek az adatok rendelkezésre állnak, a talpcsapágyak méretezése a következőképpen történhet.

A megengedett átlagos felületi nyomás értékét (fehérfémre pk=10–40 N/mm2, bronzra pk= 10–80 N/mm2), a saruk számát, a hossz/szélesség viszonyt és a kitöltési tényezőt felvéve közelítőleg számíthatók az alábbi összefüggések felhasználásával a csapágy geometriai méretei: a saruk hossza, szélessége, a csapágy középső, külső és belső átmérője: l=Fzlbpk,b=llb,dk=zlπκ,da=dk+b,di=dkb.

A szükséges kenőanyag-viszkozitás a hominimális résméret és a hatásos kerületi sebesség ismeretében a Φ terhelési számból határozható meg. Az Φ értéke az m résméretviszonyt felvéve az l/b hossz/szélesség viszony alapján határozható meg (pl. a 386. ábrából). Az m értékét célszerű az optimális teherbírást adó m = 1,2 közelében felvenni. A hojavasolt értéke számítható a dkközépátmérő ismeretében. A számításhoz használható összefüggések: ho=105dk,U=dkπn,η=Fblzho2ΦUb.

Ezt követően számítható a súrlódási tényező, a súrlódási teljesítményveszteség és a csapágy hűtéséhez szükséges kenőanyag-mennyiség (a nagy terhelésű talpcsapágyaknál rendszerint a csapágyház felületén leadott hőmennyiséget elhanyagolják):

μ = K η U b F , P S = F μ U , Q h = P S ρ c ( T k i T b e ) .

A talpcsapágyak kenéséhez szükséges kenőanyag mennyisége jó közelítéssel a következőképpen számítható: Q = 0,7bhoUz.

Ez az olajmennyiség rendszerint nem elegendő a hűtéshez, ezért a csapágyhőmérsékletet a kívánt értékre keringtető olajozással állítják be, ahol esetleg figyelembe veszik a csapágy felületén leadott hőmennyiséget is, úgy, mint korábban a radiális csapágyaknál. Beállósarus csapágyaknál a kiválasztott m paraméter meghatározza, hol kell a sarut alátámasztani. Az alátámasztás helyének relatív eltolódása a minimális rés irányában a saru középpontjához képest az optimális teherbírás környezetében közelítőleg e/l = 0,1; ezt célszerű választani. Két forgásirány esetén a sarukat középen támasztják alá.

Hidrosztatikus csapágyak

A hidrosztatikus csapágyak talán a legszélesebb körben felhasználható ágyazási formák, mert működésüket és tribológiai viselkedésüket az üzemi paraméterek kevésbé befolyásolják, mint a többi csapágytípusét, és az anyagminőségek, valamint a kenőanyag megfelelő kiválasztásával szélsőséges környezeti viszonyok között működő szerkezetekben is megbízhatóan üzemelnek.

A hidrosztatikus csapágyakban a folyadéksúrlódási állapotot az a külső energia hozza létre, amely a kenőanyag ellátó rendszert működteti, és a csapágyba megfelelő mennyiségű és nyomású kenőanyagot juttat. A hidrosztatikus csapágyak kenőanyaga bármilyen viszkózus folyadék vagy gáz lehet, amely tapad a súrlódó felületekhez, és ezért a csapágyrésen csak nyomáskülönbség hatására áramlik át.

A hidrosztatikus csapágyak kenőanyaga általában kenőolaj vagy levegő (aerosztatikus csapágyak), de használhatnak megfelelő tisztaságú vizet, emulziót, nitrogént stb. is.

A kenőanyag-ellátó rendszer beszerzése, telepítése és üzemeltetése nagyon költséges, ezért a hidrosztatikus csapágyak gazdaságosan csak ott használhatók, ahol ezt a többletköltséget e csapágyak előnyei kompenzálják. Előnyösek a hidrosztatikus csapágyak pl. ott, ahol:

  • a hidrodinamikai kenés feltételei nincsenek meg, de folyadéksúrlódásra van szükség,

  • nagy futáspontosságot követelnek, amit más csapágytípus nem elégíthet ki,

  • kis sebesség mellett nagyon kis súrlódás a követelmény,

  • nagyméretű csapágyazásra van szükség, és ezért a gördülőcsapágy költségesebb.

A hidrosztatikus ágyazások súrlódó felületeit a követelményektől függően szinte tetszőleges alakúra készíthetik: vannak hengeres, kúp, gömb, sík csúszófelületű csapágyak.

A csapágy egyik elemének súrlódó felülete egy vagy több hordozófelületből áll, amelyben tömítőperemmel körülvett nyomókamrákat alakítanak ki. Az egyszerű talpcsapágytól eltekintve a hidrosztatikus ágyazások rendszerint több hordozófelülettel készülnek a nagyobb merevség, valamint a változó irányú és nagyságú terhelés felvétele érdekében. A hengeres radiális csapágyakban rendszerint azonos méretű hordozófelületeket alkalmaznak, amelyeket a csap kerülete mentén szimmetrikusan helyeznek el. A hidrosztatikus vezetékeknél ugyanakkor a hordozófelületek mérete és elrendezése a terhelések irányától és nagyságától függően, különböző lehet. Egy hordozófelületű csapágyakat (rendszerint kör vagy körgyűrű alakú futófelülettel) szinte kizárólag csak tengelyek axiális megtámasztására használnak.

A hidrosztatikus csapágyak jellemzői

A hidrosztatikus csapágyak teherbírását a hordozófelületen kialakuló nyomásdomb térfogata határozza meg, ami kifejezhető az Ahhordozófelülettel, a pkakamranyomással és a – csak a geometriai kialakítástól függő – af terhelési tényezővel:

F = p d A = a f p k a A h .

A h vastagságú kenőfilm kialakításához folyamatosan Q folyadékmennyiséget kell a csapágyon átáramoltatni, ami függ a tömítőperemek külső szélén kialakuló nyomáseséstől, a kenőanyag viszkozitásától és a hordozófelület kerületének K hosszától:

Q = h 3 12 η d p d r d K .

Ha h résméret állandó, ez az összefüggés egyszerűbb alakba írható:

Q = q f h 3 η F A h = a f q f h 3 η p k ,

ahol a qf térfogatáram tényező csak a hordozófelület alakjától függ. Egyszerű kör és körgyűrű alakú felületekre, állandó kenőfilmvastagság esetén az af és qf tényezők analitikusan meghatározhatók. Más alakú hordozófelületekre ezeket a tényezőket méréssel vagy közelítő számítással állapítják meg. Gyakran feltételezik, hogy a tömítőperemeken a nyomásesés állandó, ami a számítást lényegesen leegyszerűsíti.

A folyadékfilm folyamatos fenntartásához szükséges szivattyúteljesítmény (a rendszerben kialakuló áramlási veszteségeket elhanyagolva) a Q térfogatáramból számítható:

P s z = p k a Q = a f q f h 3 η F 2 A h 2 = a f q f h 3 η p k a 2 .

Állandó terhelésű csapágyak szivattyúteljesítménye függ az qf/af viszonytól, vagyis a hordozófelületek alakjától és a tömítőperemek szélességétől. Szélsőérték-számítással minden hordozófelületre meghatározható az az optimális forma, ahol adott terhelés esetén a h vastagságú kenőfilm kialakításához szükséges szivattyúteljesítmény a legkisebb.

A hidrosztatikus csapágyak súrlódási vesztesége azonos fő méretek és üzemeltetési körülmények között rendszerint kisebb, mint a hidrodinamikus csapágyaké, mert a folyadéksúrlódás csak a tömítőfelületeken jelentős, a nyomókamrák felett, ahol a kenőfilm vastagsága viszonylag nagy, gyakorlatilag elhanyagolható. A tömítőperemek mentén ébredő súrlódási veszteség azonos elven számítható, mint a hidrodinamikus csapágynál, de gyakran egyszerűbben, mert jó közelítéssel feltételezhető hogy a kenőfilm vastagsága a tömítőperemek mentén állandó, és a tömítőfelületek nagysága sem változik. Így a súrlódási teljesítmény (veszteség): PS=AtuτdAt=ηU2hAt.

A hidrosztatikus csapágy üzemeltetéséhez szükséges teljesítmény a szivattyú- és a súrlódási teljesítmény összege. Célszerű a csapágy tervezésekor arra törekedni, hogy ez az összesteljesítmény minél kisebb legyen. Az összes teljesítmény minimális értéke a tervezéskor két intézkedéssel érhető el:

1. Először a geometriai méretarányok és méretek kiválasztása úgy, hogy a szivattyúteljesítmény minimális legyen, majd

2. a kenőfilm vastagságának vagy a kenőanyag viszkozitásának kiválasztása az összes teljesítmény minimális értékének figyelembevételével.

Az egyes részteljesítmények behelyettesítése után az összes teljesítmény a következő formában írható fel: PΣ=Psz+PS=afqfh3ηpka2+ηU2hAt.

Egyszerű szélsőérték-számítással igazolható, hogy állandó h résvastagság esetén a viszkozitás akkor optimális, ha Psz = PS, és állandó viszkozitás esetén a résvastagság akkor optimális, ha 3Psz = PS.

A két paraméter egyszerre nem lehet optimális. A gyakorlatban használt kenőolajok viszkozitásértékeit figyelembe véve és a résméret szerint optimálva rendszerint olyan kis kenőfilm-vastagságot kellene előírni, ami az elemek alakváltozása, alak- és helyzethibái, valamint a felületek érdessége miatt nem tartható be.

A tervezéskor ezért először a megvalósítható legkisebb kenőfilmvastagságot választják ki, és ahhoz határozzák meg az optimális kenőanyag-viszkozitást a fenti feltételből levezethető alábbi összefüggés alapján: ηopt=h2pkaUafqfAt.

A kenőfilm vastagság h0, µm, minimális értékét a hordozófelület legnagyobb L, m hosszmérete, illetve a két felület Ra, µm átlagos felületi érdessége ismeretében a következőképpen számítják: ho=2,3L4vagyho>40(Ra1+Ra2) és közülük a nagyobb értéket választják.

A hidrosztatikus csapágyak egyik fontos jellemzője a nagy merevség: a terhelésváltozás hatására kis résméretváltozás. Adott kialakítású csapágyban a merevséget az határozza meg, hogy adott körülmények között a terhelésváltozás hatására kialakuló Pkakamranyomás-változás milyen hatást gyakorol a Q térfogatáramra és azon keresztül a résméretre.

Tökéletesen összenyomhatatlan közeget feltételezve, elméletileg végtelen nagy merevség is elérhető, ha a Q térfogatáram a Pkakamranyomással arányosan növekszik. A több nyomókamrával rendelkező hidrosztatikus csapágyakba is rendszerint egyetlen szivattyú szállítja a kenőanyagot. Mivel a nyomókamrákban kialakuló nyomás a terheléstől függ, az egyes nyomókamrákba bevezetett térfogatáramot szabályozni kell, különben a szivattyú által szállított teljes kenőanyag-mennyiség a legkisebb nyomású helyen áramlik át, és a többi nyomókamrában a terhelés felvételéhez szükséges nyomás nem alakul ki.

A térfogatáramok szabályozására kapillárisokat, szűkítőperemeket és különböző szabályozószelepeket (pl. áramállandósítókat, arányos áramlásszabályozókat stb.) használnak, amelyeket minden egyes nyomókamra elé külön beépítenek. Ezek a szabályozóelemek korlátozzák a nyomókamrákon átáramló kenőanyag-mennyiséget, megakadályozzák, hogy a kenőanyag csak a kis terhelésű helyeken áramoljon át, és olyan szintre emelik a kenőanyag-ellátó szivattyú nyomását, hogy az a legnagyobb terhelés felvételéhez is elegendő legyen. Természetesen a hidrosztatikus csapágy viselkedését és jellemzőit a szabályozóelemek döntő mértékben befolyásolják. Leggyakrabban a kapillárisokat, a szűkítőperemeket és az áramállandósító szelepeket használják.

Hatásuk a csapágy működési jellemzőire (a résméretre, a térfogatáramra, a szivattyúteljesítményre, a merevségre) a kenőanyag-áramlás törvényszerűségei alapján meghatározhatók.

A több hordozófelületű hidrosztatikus csapágyak jellemzői hordozófelületenként számíthatók. A számítás azonban nem könnyű, mert az egyes hordozófelületek nem függetlenek egymástól.

A csapágyterheléssel a hordozófelületeken kialakuló hidrosztatikus erők tartanak egyensúlyt, amelyeket viszont a tömítőperemek mentén kialakuló kenőfilm-vastagságok által meghatározott nyomásértékek határoznak meg. A több hordozófelületű csapágyak méretezésekor ezért rendszerint úgy járnak el, hogy az adott hordozófelület-elrendezéshez és erőirányhoz kiszámítják a csapágy terhelés-elmozdulás jelleggörbéjét (mert ismerik az egyes hordozófelületeken kialakuló kenőfilm vastagságát az elmozdulás függvényében), és abból állapítják meg az adott terheléshez tartozó csaphelyzetet és kenőfilmvastagságokat. A csapágy jellemző adatainak (kamranyomások, kenőanyag-szükséglet, súrlódási veszteség, csapágymerevség stb.) számítása ezután már elvégezhető. A hidrosztatikus csapágyak méretezése részletesebben megtalálható a szakirodalmakban.

Szerkezeti kialakítás

A hidrosztatikus ágyazások kialakítása rendkívül változatos. Használnak hidrosztatikus csapágyakat nagypontosságú szerszámgépek, mérőgépek orsóinak és vezetékeinek ágyazására, dugattyús és fogaskerekes hidraulikus szivattyúk és motorok elemeinek csapágyazására.

Előnyösen alkalmazható a hidrosztatikus ágyazás a nagyméretű forgórészek ágyazására is. Gyakorlatilag nulla súrlódási veszteségük miatt használják a hidrosztatikus ágyazásokat mérőgép- és szerszámgép-vezetékeknél, laboratóriumi vizsgálóberendezéseknél, pl. sikló- és gördülőcsapágy-vizsgálókban. A hidrosztatikus ágyazással készített csapágyházak alkalmasak a hidrodinamikus kenésű siklócsapágyak és a gördülő csapágyak súrlódási nyomatékának pontos mérésére. Gyakran készítenek más súrlódás-, kopás- és kenőanyag-vizsgáló berendezéseket (tribométereket) is hidrosztatikus vagy aerosztatikus ágyazással.