Ze względu na różnorodność konstrukcji, w których stosuje się łożyska, konieczne okazało się zastosowanie rozwiązań, które zapewniłyby prawidłowe i pewne przeniesienie sił. Zasadniczo części te podzielono na dwie podstawowe grupy, które różnią się między sobą kierunkiem sił przenoszonych przez łożysko:

• łożyska poprzeczne, gdzie siły przenoszone są pod kątem od 90 do 45° w stosunku do osi obracającego się wału,
• łożyska wzdłużne, gdzie siły przenoszone są pod kątem od 0 do 45° w stosunku do osi obracającego się w łożyskach wału.

Ze względu na różnorodność konstrukcyjną oraz wymiarową łożysk tocznych konieczne było także ustandaryzowanie ich oznaczeń. Normy branżowe określają oznaczenie łożyska za pomocą ciągu liter i cyfr podzielonego na 3 grupy, które określają odpowiednio jego konstrukcję, szereg wymiarowy oraz cechy szczególne. Numer podstawowy określa średnicę otworu oraz serię wymiarową łożyska, czyli jego parametry wymiarowe oraz podstawowe cechy konstrukcyjne. Ostatnia grupa numeracji łożyska opisuje wymiary i kształt zewnętrzny, rodzaje uszczelnień, rodzaj koszyka prowadzącego elementy toczne, dokładność wykonania, luzy promieniowe, cichobieżność, stabilizację oraz rodzaje otworów i rowków smarowych.

Dlaczego łożyska ulegają uszkodzeniu? Uszkodzenie łożyska koła możemy zdiagnozować przez kontrolę jego luzu wewnętrznego. Nie powinien on być zbyta mały (koło obraca się z wyczuwalnym oporem) ani zbyt duży (szarpiąc za koło przy uniesionym samochodzie, wyczuwamy jego luz zarówno w płaszczyźnie poziomej, jak i pionowej). Najczęstszą przyczyną uszkodzenia łożyska koła jest montaż niezgodny z procedurą przewidzianą przez producenta. Zastosowanie nieodpowiednich narzędzi czy dokręcenie elementów mocujących z nieprawidłową siłą zawsze prowadzą do przedwczesnego zużycia podzespołu. Czasami mamy do czynienia z uszkodzeniami mechanicznymi powstałymi w czasie eksploatacji. Najczęściej spowodowane są one przez eksploatację pojazdu w trudnych warunkach (wilgoć, zanieczyszczenia), a także uderzenia osiowe bądź promieniowe.

Andrzej Kowalski, specjalista ds. szkoleń produktowych i technicznych w NTN-SNR Polska Sp. z o.o.

Budowa łożyska

Pierścienie i części toczne łożysk (kulki, wałeczki, baryłki itd.) wykonane są ze stali chromowej specjalnej ŁH15 lub ŁH15SG. Łożyska do zastosowań specjalnych wykonuje się w technologii wytopu próżniowego, co zapewnia dodatkową ochronę przed utlenianiem międzykrystalicznym struktury materiału. Stal łożyskowa podczas produkcji jest hartowana w taki sposób, aby powierzchnia elementów uzyskała twardość na poziomie 65 HRC oraz stabilność wymiarową w temperaturach dochodzących do 120°C. Łożyska wyposażone są w koszyki prowadzące zabezpieczające przed wzajemnym kontaktem elementów tocznych, który może doprowadzić do przedwczesnego ich zużycia. Materiał koszyka wykonany jest jako wytłoczka z cienkiej blachy, z materiału samosmarującego (brązu) lub z tworzywa sztucznego. Stosuje się też koszyki mosiężne oraz aluminiowe, które w połączeniu z materiałem łożyska charakteryzują się bardzo niskim współczynnikiem tarcia podczas pracy w kąpieli olejowej.

Dobór łożyska

Podstawowymi parametrami decydującymi o doborze łożyska są: ograniczenia wymiarów, wielkość i kierunek działania obciążeń, maksymalna prędkość obrotowa, sztywność łożyskowania, kompensacja błędów współosiowości łożyskowanych wałów, minimalna jakość i dokładność wykonania. Otwory, w których umieszczane są łożyska, najczęściej są wymiarowo dopasowane do konkretnych średnic. Ze względu na wielkość elementów oraz charakter obciążeń dobiera się konkretne rodzaje łożysk. I tak, przy najmniejszej możliwej średnicy największą nośność mają łożyska igiełkowe, walcowe i baryłkowe. Zaś łożyska kulowe przy zachowaniu tej samej nośności wymagają największej średnicy otworu osadczego. Jeśli wymiarem decydującym o doborze łożyska jest jego szerokość, to przy najmniejszym jej wymiarze największą nośność mają łożyska walcowe oraz kulkowe. Dokładne charakterystyki łożysk zawarte są w katalogach. Głównymi wymiarami łożysk są: średnica wewnętrzna, średnica zewnętrzna i szerokość łożyska. Dla łożysk wzdłużnych dodatkowo określa się wysokość łożyska. Wymiary łożysk mogą się różnić w zależności od tolerancji, w jakiej są wykonane. Tolerancje dotyczą wymiarów liniowych, kształtu oraz dokładności wzajemnego obrotu elementów składowych łożyska. W związku z tolerowaniem wymiarów łożysk mogą być one wykonane w czterech klasach dokładności oznaczonych jako: P0, P6, P5, P4, których konkretne wartości są określone zależnie od średnicy montażowej.

Jednym z parametrów łożysk są luzy wynikające z dokładności wykonania. Zasadniczo w pracy łożyska ważne są luzy występujące w kierunkach przenoszenia sił. Podobnie jak łożyska, dzielą się one na promieniowe i osiowe, co odpowiada kierunkowi ich występowania. Normy ISO określają wartości luzów promieniowych jako tych mających większe znaczenie w pracy łożysk. Standardowymi łożyskami na rynku są te z luzami normalnymi. Niekiedy istnieje konieczność użycia łożyska z większym luzem, który jest podczas pracy niwelowany przez ciaśniejsze osadzenie w otworze montażowym lub na wałku.

Jak każdy inny element, łożysko może ulec uszkodzeniu. Andrzej Kowalski, Specjalista ds. szkoleń produktowych i technicznych w NTN-SNR Polska Sp. z o.o., podkreśla, że  objawami uszkodzenia łożyska są jego głośna praca podczas obracania się lub postukiwanie podczas jazdy na nierównościach (w przypadku łożysk kół). Środek smarny stosowany w łożyskach kół jest dostosowany do ich konstrukcji oraz warunków pracy. W większości łożysk kół jest on dozowany przez producenta w procesie produkcji. Jest to zapas dożywotni i nie jest możliwe jego uzupełnienie bądź wymiana. Wynika to z konstrukcji różnych generacji łożysk kół. W starszych samochodach wyposażonych w łożyska jednorzędowe (generacji 0) istnieje możliwość wymiany bądź uzupełnienia środka smarnego. Zawsze należy jednak stosować smar zgodny ze specyfikacją zalecaną przez producenta (np. NTN-SNR zaleca smar UNIVERSAL). Zastosowanie nieodpowiedniego środka smarnego zdecydowanie skróci żywotność łożyska.

Oleje w skrzyniach biegów Oleje mogą się między sobą różnić kolorami i pierwotnie oleje do automatów były barwione na czerwono. Następnie zaczęto stosować inne barwniki dla odróżnienia bardziej specyficznych produktów. Stosowanie barwników to kwestia umowna i nigdzie nieregulowana, dlatego kolor nie może służyć do identyfikacji oleju, a producenci mają pełną dowolność w stosowaniu barwników. Co ciekawe, czasami oleje na pierwsze fabryczne zalanie potrafią być dostarczane bez barwnika. Ciekawostką jest najnowszy olej produkowany dla nowych 8-biegowych skrzyń automatycznych marki AISIN AW o specyfikacji AW-2. Jest to olej, który posiada obniżoną lepkość kinematyczną w 40°C o niemal 50% w stosunku do poprzednika o specyfikacji AW-1. W przypadku konwencjonalnego oleju tak niska lepkość mogłaby się okazać problematyczna dla trwałości skrzyni, jednak zastosowanie baz w pełni syntetycznych z wysoką zawartością estrów umożliwiło stworzenie oleju o nawet lepszych parametrach przeciwzużyciowych niż jego poprzednik.

Artur Serocki, prezes firmy Ravenol Polska

Łożyska w skrzyniach biegów są w większości elementami konstrukcji specjalnej. Wynika to z warunków ich pracy oraz obciążeń, którym są poddawane. Należy zwracać szczególną uwagę, aby podczas wymiany zamieniać je na łożyska o takiej samej specyfikacji. Niestety, bardzo często zdarza się, że dobierane są one tylko pod względem wymiarów. – Zastosowanie elementów nieprzystosowanych do określonych obciążeń skutkuje ich przedwczesnym zużyciem, a w efekcie uszkodzeniem innych mechanizmów znajdujących się w skrzyni biegów oraz bezpośrednio z nią współpracujących. Nie bez znaczenia jest regularne serwisowanie przekładni. Wymiana oleju wraz z elementami filtrującymi wydłuża trwałość jej wewnętrznych podzespołów. Ważne jest, aby zawsze stosować się do zaleceń producenta dotyczących specyfikacji oleju i częstotliwości jego wymiany – dodaje Andrzej Kowalski.

Według informacji zebranych przez RKB Bearing Industries najczęstszymi przyczynami awarii łożysk są problemy ze smarowaniem. W kolejności jest to: zanieczyszczenie środka smarnego (25%), nieprawidłowy dobór środka smarnego (20%) oraz stosowanie starego środka smarnego/brak wymiany środka smarnego (20%). Kolejnymi czynnikami obniżającymi żywotność łożysk są: niedostateczna ilość środka smarującego (15%), zły dobór łożyska (10%), niewłaściwy montaż (5%), uszkodzenia niemające związku z łożyskiem (4%) i defekty materiału, z którego wykonane jest łożysko (1%). Liczby te dobitnie ilustrują fakt, że dobre smarowanie jest podstawowym czynnikiem wpływającym na pracę łożysk.

Ważne smarowanie

Aby zmniejszyć wpływ tarcia na pracę łożyska, konieczne jest jego smarowanie. W zależności od charakteru pracy łożyska, jego obciążenia i temperatur roboczych stosuje się tutaj różne techniki smarowania, a wśród nich – smarowanie olejowe. Ten rodzaj smarowania spotyka się najczęściej w skrzyniach biegów i przekładniach stosowanych w samochodzie. Smarowanie olejowe pozwala na sprawne chłodzenie olejem elementów smarowanych. Można je podzielić na smarowanie zanurzeniowe, obiegowe i smarowanie mgłą olejową. W podzespołach samochodowych najczęściej spotyka się dwa pierwsze rodzaje. W przypadku smarowania zanurzeniowego łożysko częściowo zanurzone jest w oleju, natomiast w przypadku smarowania obiegowego olej dostarczany jest do łożyska przez rozrzut z koła zębatego (inaczej nazywane jest też smarowaniem rozbryzgowym). Koło zębate zanurzone częściowo w oleju rozrzuca olej we wnętrzu obudowy, dostarczając go między innymi do łożysk znajdujących się ponad jego poziomem. Problemem podczas smarowania olejowego łożysk jest to, że w obiegu oleju znajdują się opiłki i zanieczyszczenia powstające podczas współpracy kół zębatych. Opiłki te trafiają także do łożysk, powodując ich zużywanie. Aby zapobiec obiegowi starych opiłków metalicznych, stosuje się bardzo proste rozwiązanie polegające na zamontowaniu w korku spustowym magnesu, który je wyłapuje. Niemniej, jak każdy olej, i ten w skrzyni biegów ulega zanieczyszczeniu i degradacji, co oznacza, że należy go wymieniać.

Rodzaj użytego środka smarnego może mieć niebagatelny wpływ na żywotność łożyska. Jest to szczególnie ważne w przypadku łożysk w kołach pojazdu, gdzie działają duże obciążenia związane z eksploatacją, a także w układach przeniesienia napędu, takich jak skrzynia biegów. Skrzynie biegów są szczególnie narażone na smarowanie niewłaściwymi środkami smarnymi. Wynika to z faktu, że producenci samochodów nie zawsze określają interwały wymian oleju w skrzyniach biegów, a zdarza się również, że mechanicy zmieniają olej na podobny, a nie identyczny z fabrycznym.

Jak wyjaśnia Artur Serocki, prezes firmy Ravenol Polska, oleje w skrzyniach biegów mają wiele zadań, dlatego różnią się między sobą szeregiem parametrów, takich jak gęstość, lepkość, efektywność przenoszenia temperatury (chłodzenie), pompowalność, zawartość specyficznych dodatków, odporność na starzenie (utlenianie), zdolność przenoszenia obciążeń, odporność na pienienie czy właściwości antykorozyjne. Pierwsze skrzynie automatyczne były dość topornymi, ale za to odpornymi na zużycie konstrukcjami, a oleje do nich były bardzo podobne. Wraz z postępem technologicznym różnice w budowie skrzyń stawały się coraz większe, w związku z czym firma zaczęła produkować oleje dedykowane konkretnym producentom skrzyń, a nawet poszczególnym seriom czy konkretnym modelom.
W kwestii mieszalności olejów do skrzyń automatycznych panuje podobna zasada jak w przypadku innych olejów smarowych czy hydraulicznych, a mianowicie zgodność zaleceń norm czy specyfikacji. Jeśli warunek ten zostaje spełniony, można takie oleje mieszać, ale oczywiście najlepszym rozwiązaniem byłaby wymiana dynamiczna pozwalająca na wymianę niemal 100% oleju na świeży. Co do kwestii stosowania podczas płukania przy wymianie metodą dynamiczną oleju innego niż zalecany (tańszego), to zasadniczo nie powinno się tego robić, choć uzasadnionym wyjątkiem może być przypadek, gdy układ olejowy skrzyni biegów został zanieczyszczony płynem chłodniczym. Warto wtedy użyć dużej ilości oleju do płukania, więc czynnik ekonomiczny będzie miał tu duże znaczenie.

Najważniejszym czynnikiem wpływającym na dobór płynu jest jego klasa, wskazana przez producenta skrzyni jako wymagana dla danego modelu samochodu (określona precyzyjnymi normami i specyfikacją). Producenci płynów ATF wytwarzają płyny odpowiadające tym normom zgodnie ze wskazanymi właściwościami.

Wymiana oleju w skrzyni automatycznej nie jest prosta, przez co sam proces może być dość kosztowny, choć koszt ten jest nadal niższy niż cena naprawy zepsutego „automatu”. W większości przypadków nowoczesne skrzynie automatyczne są tak skonstruowane, że aby wymienić w nich cały olej, należałoby je rozłożyć na części pierwsze. Po zlaniu starego oleju z miski olejowej w skrzyni biegów nadal pozostaje znaczna jego ilość. Część oleju znajduje się w sprzęgle hydrokinetycznym oraz w magistrali olejowej, choć w tym drugim przypadku mówimy o bardzo małej ilości. Po odkręceniu filtra znajdującego się w misce olejowej skrzyni olej z magistrali zostanie zazwyczaj usunięty. Nigdy jednak nie da się usunąć 100% starego oleju ze skrzyni biegów. Aby wymiana była bardziej skuteczna, stosuje się tak zwaną wymianę dynamiczną, która polega na przepłukiwaniu skrzyni biegów nowym olejem w celu usunięcia jak największej ilości oleju starego.

W manualnych skrzyniach biegów jest podobnie. W przypadku wymiany oleju konieczne jest użycie takiego środka smarnego, jaki jest zalecany przez producenta samochodu. Jednak tutaj zachodzi pewne niebezpieczeństwo: producenci samochodów nie zawsze zalecają bowiem wymianę oleju w manualnych skrzyniach biegów. Jednak olej – jak każdy inny płyn w samochodzie – ulega degradacji i zanieczyszczeniu, więc i ten w manualnej skrzyni biegów lepiej jest wymieniać niż nie wymieniać. Interwały wymian oleju w skrzyni manualnej bywają różne i zawierają się w przedziale orientacyjnym między 40 000 a 100 000 km. Odpowiedni dobór oleju do skrzyni manualnej ważny jest także ze względu na prawidłową pracę synchronizatorów. Zastosowanie oleju o nieodpowiedniej (zbyt dużej) lepkości może spowodować problem z wrzuceniem biegu, a użycie nieodpowiedniego rodzaju oleju (niewłaściwej bazy, innego pakietu dodatków) może powodować zgrzyty podczas zmiany biegów.

W przypadku konieczności doboru oleju warto skorzystać z danych dostarczanych przez producentów oleju, które definiują rodzaj i zalecaną ilość środka smarnego.