Łożyska w układzie przeniesienia napędu

Łożyska w układzie przeniesienia napędu Schaeffler
24.1.2024

Łożyska toczne przez długi czas nie były używane w silnikach. Jednak teraz technika ta powraca – ze względu na niskie tarcie i połączone z nim ograniczone zużycie paliwa.

Artykuł po raz pierwszy ukazał się na stronie autoEXPERT.pl w 2017 r. Aktualizujemy jego treść, uzwględniając najnowsze dane z zakresu techniki motoryzacyjnej. 

  • Dążenie do minimalizacji tarcia w układzie przeniesienia napędu. 
  • Praca tribologów a straty w mocy tarcia. 
  • Wymagania stawiane konstruktorom łożysk, nowe koncepcje konstrukcyjne. 

Gdy celem jest ograniczenie zużycia paliwa, inżynierowie przemysłu motoryzacyjnego chętnie sięgają po drogie rozwiązania. Przykładami są zmniejszane silniki z turbosprężarkami i bezpośrednim wtryskiem lub napędy hybrydowe. Jednak można też łatwiej: już samo zminimalizowanie tarcia w układzie przeniesienia napędu pozwala zaoszczędzić do 15% paliwa.

Minimalizacja tarcia jest popularna, a w niektórych zastosowaniach korzysta z technik, które w zasadzie już odrzucono – np. łożyska toczne. W budowie silników już przed wieloma laty przyjęły się łożyska ślizgowe, ponieważ posiadają wiele zalet:

  • mają wysoką obciążalność udarową,
  • wysoki stopień tłumienia,
  • potrzebują niewiele miejsca,
  • można je łatwo podzielić w celu montażu,
  • są tanie.

Jednak pod naciskiem przyszłych wartości granicznych emisji CO2 zalety te nie są już tak przekonujące. Producenci łożysk tocznych tacy jak Schaeffler, SKF lub NTN-SNR wietrzą okazję i opracowują swoje produkty pod kątem wykorzystania w silnikach. Pod wieloma względami już teraz udało im się uzyskać przełomowe wyniki.

Łożyska toczne zmniejszają turbodziurę

Przykładem jest turbosprężarka. Jeżeli bieżnia spoczywa na kulkach, a nie na warstwie oleju, tarcie zmniejsza się w temperaturze roboczej silnika o 50%, a w niższych temperaturach jeszcze bardziej, jak twierdzi Schaeffler. Co prawda, efekt ten nie wpływa bezpośrednio na sprawność silnika, ponieważ turbosprężarka nie jest mechanicznie połączona z wałem korbowym, ale zmniejszone tarcie sprawia, że turbina, a z nią koło sprężarki, szybciej przyśpiesza.

Jest to szczególnie odczuwalne na niskich obrotach silnika i przy dużych obciążeniach: opóźnienie reakcji, czyli dobrze znana turbodziura, jest o wiele mniejsze. Duże są natomiast wymagania wobec konstruktorów łożysk: łożyska toczne źle znoszą przede wszystkim wysokie obroty sięgające 200 000 min-1 i wysokie temperatury.

Poza tym ciepło nie jest odprowadzane przez przepływ oleju, jak ma to miejsce w łożyskach ślizgowych. Jednak problemy te zostały rozwiązane i do tej pory firma Schaeffler wyprodukowała już ponad milion łożysk tocznych do turbosprężarek. Także firma SKF wprowadziła tę technikę na rynek. Ma ona zmniejszać emisję CO2 nawet o 3%.

W samym silniku można osiągnąć jeszcze więcej. Tutaj projektanci biorą pod uwagę wszystkie źródła strat:

  • mechanizm korbowy,
  • mechanizm rozrządu,
  • wałki wyrównoważające,
  • napęd rozrządu i agregaty dodatkowe,
  • pompę chłodziwa i pompę oleju.

W sumie w komponentach tych występuje 50% tarcia obecnego w silniku spalinowym. Szczególnie duży udział – przede wszystkim na niskich obrotach – ma mechanizm rozrządu. Tutaj sytuacja wygląda trochę lepiej, szczególnie na połączeniach krzywki – element przenoszący – trzonek zaworu. Jednak dalszy rozwój obejmuje w coraz większym stopniu łożyskowanie wałków rozrządu, które – w przypadku wystarczającej przestrzeni konstrukcyjnej – również są wyposażone w łożyska toczne.

W przypadku wałków rozrządu zbudowanych z pojedynczych części montaż niepodzielonych na części łożysk nie stanowi problemu. Drugim obszarem zastosowania są wałki wyrównoważające, stosowane coraz częściej w silnikach 3- i 4-cylindrowych.

Przede wszystkim w silnikach 4-cylindrowach, w których wałek wyrównoważający ze względów konstrukcyjnych pracuje na dwukrotnie wyższych obrotach niż wał korbowy, zmniejszenie tarcia jest ważne. Schaeffler opracował uproszczony wałek wyrównoważający na łożyskach tocznych, który o połowę zmniejsza tarcie w całym zakresie obrotów. Razem ze zmniejszoną o kilogram masą, powinno to zredukować emisję CO2 o 2%.

Nie ma kręcenia bez tarcia

Praca tribologów nie kończy się oczywiście na końcu wału korbowego. Wszędzie tam, gdzie coś się kręci, występują straty spowodowane tarciem, w tym także w skrzyni biegów i napędach osi. Przykładem jest zamiana łożysk ślizgowych na toczne w kołach obiegowych. W ten sposób, w przypadku zastosowania takiego rozwiązania moc tarcia zmniejsza się z 470 do 50 W – czyli o 90%.

Jednak łożyska toczne nie są sobie równe: nawet wybór lepszej koncepcji ułożyskowania może przynieść spory postęp. Przykładem jest ułożyskowanie wałów głównych w skrzyni biegów – tutaj coraz częściej stosuje się łożyska osadzone nieruchomo i przesuwnie, jako alternatywę dla klasycznych łożysk wałeczkowo-stożkowych. Już sama ta zmiana może ograniczyć zużycie paliwa o 3,8%.

SKF przeprowadziła odpowiednie obliczenia: zastosowanie następujących środków może ograniczyć emisję CO2 typowego samochodu osobowego z sześciostopniową skrzynią biegów o 8,5 g/km:

  • minimalizujące tarcie pierścienie uszczelniające labiryntowe – o 0,25 g/km,
  • łożyska wałeczkowo-stożkowe/łożyska kulkowe skośne w skrzyni biegów – o 0,5–1,2 g/km,
  • łożysko zębnika w skrzyni rozdzielczej – o 2–3 g/km,
  • hybrydowe łożysko zębnika w przekładni osi tylnej – o 3–4 g/km.

Wniosek: aby ograniczyć emisję CO2 przemysł motoryzacyjny stosuje wszelkie chwyty. Nowe koncepcje łożysk pozwalają znacznie zmniejszyć moc tarcia wszystkich elementów układu przeniesienia napędu. Ich połączenie może prowadzić do znacznych oszczędności oraz kosztów mniejszych niż w przypadku napędów hybrydowych.

FREUDENBERG
Uszczelnianie bez tarcia
Źródłem tarcia w układzie przeniesienia napędu są nie tylko miejsca, gdzie występują łożyska, lecz także uszczelki. Firmie SKF udało się ograniczyć tarcie zwykłych labiryntowych pierścieni uszczelniających o połowę, ulepszając ich detale. Jednak nowa koncepcja uszczelniania firmy Freudenberg idzie jeszcze dalej: smarowane gazem uszczelnienie pierścieniem ślizgowym Levitex składa się ze stacjonarnego pierścienia ślizgowego i – po stronie oleju – obracającego się przeciwpierścienia. Podczas pracy, dzięki aerodynamicznie działającym rowkom na powierzchni uszczelniającej, tworzy się poduszka powietrzna oddzielająca oba pierścienie. Dzięki nowej uszczelce Levitex strata mocy na uszczelce wału korbowego w porównaniu do standardowej uszczelki PTFE zmniejsza się nawet o 90%, jak podaje Freudenberg.

 

Źródło: Materiały redakcyjne 

O Autorze

autoEXPERT – specjalistyczny miesięcznik motoryzacyjny, przeznaczony dla osób zajmujących się zawodowo naprawą, obsługą, diagnostyką i sprzedażą samochodów oraz produkcją i sprzedażą akcesoriów motoryzacyjnych, części zamiennych i materiałów eksploatacyjnych.

Tagi artykułu

Zobacz również

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę