Siklócsapágyak – A siklófelületek tribológiai elemzése és tervezés alapú megközelítések

A súrlódás általában veszteségparaméter a mechanikai tervezés során, amely az alkatrészek fokozott kopásához és meghibásodásához vezethet. Gyakran az ellentétes irányba mozgó felületekkel való érintkezés okozza. A siklócsapágyak beszerelése az egyik módja annak, hogy megkönnyítse az alkatrészek közötti kis súrlódású mozgást. De hogyan működnek a siklócsapágyak? Hogyan minimalizálják a súrlódást a siklócsapágyak, és milyen tervezési alapú megközelítéseket alkalmaznak az alacsony súrlódású mozgás optimalizálása érdekében? Ez a cikk betekintést nyújt a tribológia világába (súrlódáselmélet) és annak fontosságába a siklócsapágyak használata során.

Mit jelent a tribológia, és miért van értelme egy elemzésnek a siklócsapágyak esetében?

A tribológiát súrlódási elméletnek is nevezik, és egyszerű szavakkal a különböző felületek egymással szembeni súrlódási viselkedésével foglalkozik. A tribológia három központi területe különböztethető meg: Súrlódás, kopás és kenés.

De mit is jelent a súrlódás?

A súrlódás a test két egymással érintkező részecskéje vagy felülete közötti mozgással szembeni ellenállás. Általánosságban megkülönböztetjük a külső és a belső súrlódást. A külső súrlódás magában foglalja a statikus súrlódást, a sikló súrlódást és a gördülő súrlódást. A test, a gáz vagy a folyadék belső súrlódását viszkózus súrlódásnak nevezzük, és ez okozza az anyag képlékenységét.

A külső súrlódás különösen befolyásolja az anyagok kopási viselkedését, és a legtöbb esetben nagyobb vagy gyorsabb kopáshoz vezet. A kopás az anyagban mechanikai okból bekövetkező progresszív anyagvesztés. Akkor fordul elő, ha a test túl sokáig vagy túl erősen dörzsölődik. Ez például akkor fordulhat elő, ha két nem védett komponens egymáshoz ér, és egyidejűleg egymáshoz képest mozog. A súrlódás és kopás úgynevezett veszteségi paraméterek. A kopást általában az anyag felületének megváltozása jelzi. A kenést ezen a ponton alkalmazzák: A kenőanyagok súrlódáscsökkentő hatóanyagként működnek. Védik az érintkező felületeket, így minimalizálják a súrlódást és a kopást. A hő- és kopásrészecskéket egyszerre kell eltávolítani.

A siklócsapágyak fő feladata, hogy biztosítsa két mozgó felület egymáson való alacsony súrlódású elmozdulását. A siklócsapágyak ezt magának a siklócsapágyak anyagával teszik lehetővé, a kenőanyagok tárolásával vagy egy speciális szerkezettel. A súrlódás csökkentése mellett a kenőanyagok használata javítja a csapágyak simaságát és általános működési jellemzőit is. Ezért a tribológiai elemzés meglehetősen hasznos.

A kopástípusok áttekintése

A kopásnak számos típusa van, amelyeknek különböző okai vannak:

• Ragadás: atomos kötés jön létre a testek között. Ok: A különböző felületek molekuláris kölcsönhatása.
• Kopás: Az alaptest megkarcolódott vagy mikromegmunkált. Ok: A durvaság az ellentétes testben, a kemény részecskék a köztes közegben alakulnak ki.
• Tribokémiai reakció: Az alaptestek és az ellentétes testek reakcióba lépnek a környezeti és kenőanyag-részecskékkel. Ok: A felületek kémiailag aktiválódnak a súrlódás miatt. Az egyik leggyakoribb kopási mód.
• Felület bomlása: Repedezések keletkeznek, amelyek addig nőnek, amíg az egyes részecskék leválnak. Ok: Váltakozó feszültségek a test felszínén.

Kenőanyagok

A kenőanyagok csökkentik a súrlódást, miközben csökkentik a korróziót is. A kenőanyagos felület kialakítása csökkenti vagy megakadályozza a közvetlen érintkezést két súrlódási test között. A legtöbb esetben a kenőanyag alapolajon alapul, amelyet további adalékanyagokkal módosítanak a rendeltetésnek megfelelően. A kenőanyagok különböző viszkozitású szilárd, folyékony vagy gázos változatban kaphatók.

Olajok

Az olajok alapolajból, pl. ásványi olajból, észterből vagy poliglikolból és számos adalékanyagból állnak. Jó hővezetők, és magas hőmérsékleten és sebességen használhatók, pl. siklócsapágyakban és láncokban. Az adalékanyagok célja az olaj tulajdonságainak szándékos módosítása, pl. a kopás vagy a korrózió csökkentése. Az olajok tisztításra is használhatók, mivel magukba szívják a szennyeződéseket.

Zsírok

A zsírok alapolajból és sűrítőanyagból (más néven szappanból) készülnek. A sűrítőanyag határozza meg a teljesítményjellemzőket. A zsírok közvetlenül a kenési ponton maradnak, és tartósan ellensúlyozzák a súrlódást. Védelmet nyújtanak a nedvesség és a szennyeződés behatolása ellen.

Szilárd kenőanyag

Szilárd kenőanyagokat, pl. grafitot vagy molibdén-szulfidot használnak szilárd formában. Nagyon alacsony súrlódást és magas hőmérséklet-ellenállást okoznak. Szilárd kenőanyagokat például akkor használnak, amikor folyékony kenőanyagokat nem lehet használni, például vákuumos környezetben vagy szélsőséges hőmérsékleten.

Viszkozitási osztályok

A viszkozitás a folyadékok és gázok (együttesen folyadékok) meghatározott tulajdonsága, amely a folyadékok belső súrlódását jelenti. A viszkozitás a folyadékban lévő részecskék vonzóerejének eredménye, amelyet a folyadékok belső súrlódása okoz. A viszkozitás ezért közvetlenül befolyásolja a súrlódást. A motorolajok, sebességváltó-olajok és ipari kenőanyagok sajátos viszkozitási osztályba tartoznak; például az SE (Autóipari Mérnökök Társasága) vagy az ISO szerint vannak besorolva.

A viszkozitás azonban a kenőanyag hőmérsékletétől is függ. Ezért a különböző viszkozitási szintek gyakran két állapot esetén javallottak. Az olyan motorolajok esetében, mint az SE 5W-30 vagy SE 15W-40, az első szám a hidegben való folyékonyságot, a második szám pedig az üzemi hőmérsékleten való viszkozitást jelzi, pl. minél alacsonyabb a szám, annál vékonyabb az olaj.

Általában a következő viszkozitások léteznek:

• Alacsony viszkozitás: Nagy mértékben folyékony anyagok, például víz vagy benzin, amelyek könnyen és gyorsan, ellenállás nélkül áramlanak. Alacsony kompressziós terheléshez és nagy siklási sebességhez használatos.
• Közepes viszkozitás: Viszkózus anyagok, például repceolaj vagy melasz, amelyek lassabban és észrevehető ellenállással áramlanak.
• Magas viszkozitás: Pépes anyagok, például ragasztók, amelyek nagyon vastagok, és így nehezen és lassan áramlanak, nagy ellenállással. Gyakran képlékeny tulajdonságokkal rendelkeznek. Nagy kompressziós terheléshez és alacsony siklási sebességhez használatos.

A siklócsapágy alapjai

A siklócsapágyak robusztusak és megbízhatóak. A speciális siklású felületek lehetővé teszik az érintkező komponens kisebb súrlódási mozgását. A gördülőcsapágyakkal ellentétben a siklócsapágy által megtámasztott komponens siklik a csapágy felületén. A felszívandó erők nem az egyes pontokon oszlanak el, mint a golyóscsapágyon, hanem egy nagyobb területen. Ennek eredményeként nagyobb erők felszívódhatnak. A siklócsapágyakat egyszerű, helytakarékos kialakítás, valamint zaj- és rezgéselnyelő tulajdonságok jellemzik. A siklócsapágyak különböző formákban, pl. perselyekben, lemezekben vagy rudakban valósíthatók meg. A siklómozgás során a nyomóerővel szemben fellépő sikló súrlódás jelentkezik. Ezért érdemes a siklócsapágyakat súrlódáscsökkentő közeggel kenni.

Ez lehet például az alábbiak bármelyike:

• Gáz (rendkívül alacsony hőmérsékleten elválasztja a felületeket)
• Olaj (pl. hidrodinamikus csapágyhoz)
• Szilárd kenőanyagok (pl. magas hőmérsékleten vagy centrifugális erőknél)
• Mágneses mezők (pl. tisztatérben).

Siklócsapágyak kiválasztása

Különböző típusú siklócsapágyak léteznek. Például a MISUMI karbantartást nem igénylő siklócsapágyakkal rendelkezik, amelyeken a perselyeket vagy közvetlenül kenőanyaggal áztatják, vagy beágyazott kenőanyaggal vannak felszerelve, vagy kenéssel ellátott vezetőperselyekkel. Ehhez nincs szükség vagy csak ritkán újrakenésre. Karbantartást nem igénylő siklócsapágyak használata javasolt nagy igénybevételű terhelésekhez és nehéz körülmények között. Több anyagváltozat létezik: Szinterezett bronz, öntvények, rézötvözet, műanyag, valamint különböző rétegváltozatok.

A leggyakoribb formák a következők:

• Egyenes: könnyen felszerelhető, ha nincs szükség további támasztékra, pl. a tengely axiális mozgására
• Peremmel: a peremek stabilitást és könnyű összeszerelést biztosítanak
• Sajtolt változatok: (standard, csavarfurat) a csapágy és a ház közötti állandó csatlakozásokhoz, jobb terheléseloszlás
• Alátétek: védik a csapágyfelületeket, egyenletesen elosztják a nyomást
• Csúszólemezek: nagyobb érintkezési felület biztosítása a jobb nyomáseloszlatás és a kisebb súrlódás érdekében

Az alábbi táblázat áttekintést nyújt a különböző alakokról:

Ahogy a példában is látható, a bütykös karban is használhatók egyszerű siklócsapágyok:

A siklócsapágyak kiválasztásával kapcsolatos további információkért lásd a „Siklócsapágyak – Költségmegtakarítás költséghatékony termékeken keresztül” című cikkünket.

Tervezésalapú megközelítések a kenés optimalizálásához

A hatékony kenés érdekében számos tervezésalapú megközelítés létezik. Poros és agresszív környezetben például ajánlott tömítőelemet biztosítani a siklócsapágyakhoz. Ez fenntartja a működést és a kenést. Tömítések használata esetén a csúszófelület sima felülete előnyös. Ugyanakkor a sima felület azt is jelenti, hogy az olajok nem tapadnak megfelelően. A kenőanyag kiválasztását ennek megfelelően kell módosítani.

Hornyok is használhatók a kenési teljesítmény optimalizálására. A kenési hornyok, például a siklófelület mentén, a kenőanyagok tartályaként működhetnek, így biztosítva a kenőanyag folyamatos ellátását. Szilárd adalékok használata esetén ajánlatos hornyokat vagy lyukakat használni a kiömlőzónában, mivel egyes szilárd anyagok pasztákat képeznek, ami csökkenti a siklócsapágy élettartamát. A kenőanyagtól függően a megfelelő horonyalakot is ki kell választani, és szükség szerint kenőfuratokat kell hozzáadni. Gyémánt alakú zsebek zsírkenéshez, gömb alakú kupakok folyékony kenőanyagokhoz és kenőolajokhoz, valamint perforációk vagy kenőfuratok olajok és zsírok használata esetén.

Az anyagválasztás fontos lehet a kenés optimalizálásához vagy a siklás okozta súrlódás csökkentéséhez, még kenőanyag hozzáadása nélkül is. A mechanikusan sima felületek például jó fényvisszaverő viselkedést mutatnak, ami csökkenti a súrlódást. Mint azonban már említettük, az olajok ebben az esetben nem tapadnak megfelelően. A szinterezett fémek különleges szerkezettel és tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek megkönnyítik a kenést. Porózus szerkezetük a kenőanyagtároló létrehozásával támogatja a kenőanyag bevitelét. Egy másik megközelítés a felületkezelés. A PTFE, grafit vagy kerámia csúszórétegek javíthatják a siklócsapágyak kenését. A kerámiák például magas hőmérséklettel szembeni ellenállást, a PTFE pedig jó kémiai ellenállást biztosít, ami bővíti a siklócsapágyak alkalmazási lehetőségeinek tartományát is.