Rychlost v ložiscích

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

Trošku teorie 
Základní funkce ložiska je přenášet zatížení a přesně definovat polohu hřídele a kolečka. To vše při co nejmenším odporu proti otáčení.
Již staří Římané řešili následující problém: kterýsi císař měl monumentální sochu a trval na tom, že bude neustále natočená tváří ke slunci. Známá věc je, že odvalovaní je snazší než sunutí, a chytří tehdejšího Říma vymysleli primitivní kuličkové ložisko. Mezi spodkem sochy a podstavcem byla sada kuliček a socha se pohybovala po odvalujících se kuličkách a obsluhující personál měl snazší práci.
Skutečný rozvoj a vývoj použitelných ložisek je spojený s průmyslovou revolucí a potřebou uložit hřídele různých strojů tak, aby se točily přesně, bez velkých nároků na údržbu a s co nejmenší spotřebou energie.

Ložisek existuje řada typů, liší se tvarem, valivými elementy a podle směru zatížení, které mohou přenášet. Ve „skejtech" se téměř výhradně používají jednořadá kuličková ložiska rozměrové řady 608. Ta jsou vhodná pro vysoké otáčky, převážně radiální zatížení, ale jsou schopná přenášet i kombinované zatížení. Tato ložiska se obvykle skládají ze sedmi kuliček, vnitřního a vnějšího kroužku, klece a případně těsnění nebo krytu.
Kuličky přenášejí zatížení mezi oběma kroužky, které je vedou a podpírají. Klec udržuje kuličky v rovnoměrných rozestupech, tak aby distribuce sil byla co nejlepší, no a těsnění chrání vnitřní prostor ložiska před vlhkostí, nečistotami a zadržuje mazivo uvnitř. Mazivo má dvě základní funkce, kromě ochrany proti korozi musí oddělovat pracující části od sebe. Ideálně by se kuličky měly vždy valit po malé vrstvě maziva.
V každém ložisku se při otáčení ztrácí trochu energie, v průmyslu to znamená peníze, u závodníka na „skejtu" čas a umístění.
Zkusme se podívat, co odpor proti otáčení (= výsledný čas) ovlivňuje a co s tím jde případně dělat. Odpor proti otáčení má několik složek, experti přes ložiska rozlišují valivý odpor, moment smykového tření, odpor brodění a třecí moment těsnění.
Valivý odpor – i když to tak nevypadá, tak ložisková ocel je poměrně pružný materiál a když se valí kulička zatíženého ložiska po oběžné dráze, tak to s nadsázkou a hodně zjednodušeně vypadá, jako když dítě kutálí po tlustém koberci málo nafouknutý míč. Kulička oběžnou dráhu mírně deformuje, a „tlačí“ před sebou jakousi vlnu. Mimochodem, kdo nevěří větě o pružnosti, ať běží a pustí kuličku na dlaždičky, bude skákat jako gumová, čím tvrdší tím výš…
Valivý odpor ovlivňuje hlavně materiál ložiska, kvalita povrchu pracovních částí a čistota v ložisku. Obecně se dá říct, že prémioví výrobci mají všechno tohle vyladěné do optimální rovnováhy a značkové ložisko se bude vždycky odvalovat lépe.
Moment smykového tření – s výše uvedeným je úzce spojený určitý mikroprokluz „přebývajícího“, vytlačeného materiálu, který se neodvaluje čistě, ale určitým způsobem driftuje a „žvýká“ se. Je to procentuálně největší položka odporu proti otáčení, přímo závisí na provedení ložiska, materiálu, tvrdosti a přesnosti, a docela dost jde ovlivnit použitým mazivem.
Odpor brodění – když vjedete např. na motorce do vody, bahna, nebo sněhu, stroj pojede hůř, a přesně takhle působí mazivo v ložisku. Kuličky musí překonat určitý odpor při odvalování mazivem.
Třecí moment těsnění – každé kontaktní těsnění (označení ložiska obsahuje například RS, RZ a podobně) bude vždycky zdrojem určitého tření a tím i ztrát. Nekontaktní těsnění, přesněji nazývané kryt, chrání ložisko díky velmi malé mezeře mezi krytem a vnitřním kroužkem, není tam kontakt a taky žádný třecí moment. Zakrytí chrání dobře před většími nečistotami, jemný prach už může být problém, a určitě neochrání před vodou a vlhkostí.
Zajímavou variantu představují ložiska s těsněním s nízkým třením, třeba u SKF mají označení 2RSL (těsnění z obou stran) nebo RSL (těsnění z jedné strany). Trik je ve specifickém tvaru těsnění, které tvoří labyrint a prakticky nemá kontakt s vnitřním kroužkem. Mezera je ale mnohem menší než u krytu a navíc je vyplněná mazivem, takže těsnění odolává i velmi malým nečistotám a vlhkosti a třecí moment je zanedbatelný.
Často diskutovaná je otázka, zda použít ložisko s těsněním na obou stranách, nebo jen na jedné, z vnější strany kolečka. Na první pohled vypadá lépe varianta s jedním těsněním, které bude mít menší moment tření než dvě. Tato výhoda ale zmizí v okamžiku, kdy se do ložiska dostane sebemenší nečistota, valivý odpor se v tom okamžiku rapidně zvětší. Jen pro představu - v kvalitním ložisku 608 je rozdíl mezi největší a nejmenší kuličkou nejvýše 2 µm. Částečky silničního prachu mohou být zhruba od 5 do 60 µm a je tedy jasné, že i množství prachu menší než nepatrné znamená okamžitý a poměrně značný nárůst valivého odporu.

Přesnost
Co jsou ty magické ABEC třídy? Co znamenají čísla 1, 3, 5, 7, 9? A proč se vůbec ABEC používá? Jelikož byl skateboard vynalezen v Americe, logicky se od začátku skateboardingu používaly americké technické normy. ABEC je zkratka pro Annular Bearing Engineering Committee, tedy normalizační orgán pro ložiska v USA.
Co už se ví méně je, že přesností je více kategorií. U ložisek mluvíme o přesnosti vnějších rozměrů a o přesnosti chodu. Přesnost vnějších rozměrů je myslím jasná, jde o to, jak moc nebo málo se vnější rozměry mohou odlišovat od takzvaného nominálního rozměru, tedy rozměrů uvedených v katalogu.
Příklad: ložisko 608 má Ø díry 8 mm, pokud je ložisko podle ABEC7, tak díra může být maximálně o 5 µm (tisícin milimetru) menší, tedy v rozsahu od 7,995 do 8,000 mm. Pro představu, průměrný středoevropský vlas má průměr zhruba 60 µm.
Přesnost chodu je docela složitý parametr, ale v zásadě jde o to, jak moc bude při otáčení „házet“ vnější kroužek, a tedy kolečko vůči vnitřnímu kroužku. Vyšší ABEC číslo znamená lepší přesnost, nebo menší házivost. 

Tolerance dalších rozměrů jsou v následující tabulce:
ABEC     ISO    d    D    R    R
ABEC1    ISO0    0,008    0,010    0,008    0,015
ABEC3    ISO6    0,005    0,008    0,005    0,010
ABEC5    ISO5    0,005    0,006    0,004    0,006
ABEC7    ISO4    0,005    0,005    0,003    0,004
ABEC9    ISO2    0,003    0,004    0,002    0,003

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

ABEC    ISO    SKF    RHP    FAG    FAFNIR    NTN
1    N    (N)    (N)    (N)    (N)    (N)
3    6    P6    P6    P6    M    P6
5    5    P5    EP5    P5        P5/B5
7    4    P4    EP7    P4    MM    P4/B7
9    (2)    PA9    EP9    T9    MMX    B9
–    –    P4A    EP7/9    HG    –    –

Co z toho všeho plyne pro použití na „skejtu"? Stará strojařská zásada říká: Používejte ložiska přesnosti nejvýše o jednu třídu lepší, než je třída přesnosti okolních součástí. Velmi přesné ložisko nemá žádné výhody, jestliže je špatně použité vzhledem k okolním součástem.
Uvážíme-li, že ložiska jsou namontovaná v polyuretanových (a jiných) kolečkách, která určitě nemají toleranci průměru v mikrometrech, spíš v setinách nebo desetinách milimetru, tak ABEC1, nebo „normální přesnost“ stačí víc než bohatě. Tedy z hlediska přesnosti.
Jiná věc je, že přesnost ložiska je jen jeden z parametrů, a neříká nic o dalších zásadních parametrech, např. o kvalitě pracovních povrchů, tedy jak hladce se mohou kuličky odvalovat, neříká nic o přesnosti kuliček, materiálu ložiska, typu tepelného zpracování a podobně. Typ a kvalita tepelného zpracování, tedy většinou kalení, rozhoduje zásadním způsobem o trvanlivosti ložiska a bohužel o tom nám ABEC nic neřekne.
Obecná, dobrá rada je zde těžká, ale v zásadě P6 (=ABEC3) od renomovaného výrobce bude více než dobrá pro závodní použití na „skejtu", vyšší přesnost nic zásadního navíc nepřinese.
Pokud jde o ložiska „běžných“ výrobců je dobrá rada ještě těžší, a pokud jde o ložiska od výrobců z dálného východu, je spolehlivá rada mission impossible. Lze spekulovat, že ložiska ve vyšší třídě přesnosti budou obecně lépe zpracovaná a z lepšího materiálu, ale je to opravdu spekulace. Takže asi nejlepší rada je, na trénink zkoušet cokoliv co se točí, na závod kvalitní ložisko od renomovaného výrobce s oboustranným těsněním s nízkým třením.

Keramika nebo ocel?
Keramika je trochu nešťastný termín. V češtině si každý vybaví křehký hrneček po babičce, ale v angličtině „ceramic“ označuje skupinu materiálů s výbornými mechanickými vlastnostmi. Většinou jde o nějaké spečené nitridy. Asi nejpoužívanější je nitrid křemíku Si3N4, materiál s výrazně vyšší cenou, tvrdostí a pevností v tlaku v porovnání s ocelí, pouze pevnost v tahu je menší.
Co je ale pro použití na skateboardu velmi užitečné, je vysoký modul pružnosti, přibližně o 50 % vyšší než má ocel. Větší modul pružnosti zjednodušeně znamená, že se matriál pod stejným zatížením méně deformuje a to znamená podstatně menší odpory.

Mazivo
Základní pravidlo je, že kuličky a oběžné dráhy by při odvalování měly být ideálně úplně oddělené vrstvou maziva. Na povrchu kuliček i oběžných drahách i toho nejlepšího ložiska jsou určité mikroskopické nerovnosti z výroby. Pokud není film maziva dostatečný, mohou se vrcholky těchto nerovností občas potkat, a vlivem velkých lokálních tlaků může dojít doslova k mikrosvařování a vytrhávání nepatrných částic materiálu. To se po určité době může vyvinout až v odlupování větších kusů oběžných drah a může dojít k selhání ložiska.
Ložiska jsou v naprosté většině mazána buď olejem, nebo plastickým mazivem (pozn.: vazelína se používá třeba v kosmetice, tuk je na smažení, v ložisku je zásadně plastické mazivo). Plastické mazivo je zjednodušeně kompozice zahušťovadla a oleje. Představit si to lze jako namočenou houbu, kdy při otáčení ložiska voda (olej) odkapává z houby (zahušťovadla) a maže pracovní povrchy ložiska.
O tloušťce mazivového filmu rozhoduje hlavně viskozita oleje a rychlost pohybu kuliček. Jednoduché je to s rychlostí otáčení: vyšší rychlost = silnější film, je to podobný princip jako lyžař na vodních lyžích. Trochu složitější je to s viskositou. Samozřejmě vyšší viskozita znamená silnější mazací film, ale také větší odpor brodění. A aby to bylo komplikovanější, viskosita oleje klesá s narůstající teplotou.
Takže správné mazání je docela alchymie a podle teploty okolí, délky a charakteru tratě a váhy závodníka by se měl zvolit nějaký kompromis. Kompromis znamená mazivo s co nejmenší viskositou oleje, které ale zaručí dostatečné mazání po celou dobu závodu.

Petr Jelínek, SKF
 

Publikováno: 6. 8. 2015 | Počet zobrazení: 2607 478