Osnove linearnih ležajev

Vsi ležaji opravljajo dve nalogi: z zmanjševanjem trenja omogočajo gibanje bremena v eni stopnji prostosti, hkrati pa omejujejo gibanje v vseh drugih stopnjah prostosti. Na primer, ležaji gredi prenašajo težo vašega avtomobila in zmanjšujejo trenje, kar omogoča, da se kolesa zlahka vrtijo, vendar ta ista kolesa omejujejo na fiksni položaj na okvirju avtomobila.

Inženirski izziv ležajev je zasnovati del, ki je dovolj močan, da prenese veliko statično (in včasih tudi dinamično) obremenitev v negibnih stopnjah prostosti, hkrati pa omogoča enostavno gibanje v eni dimenziji.

V splošnem lahko ležaje razdelimo na tiste, ki omogočajo vrtenje podsklopa glede na fiksni okvir, in tiste, ki omogočajo gibanje podsklopa vzdolž ravne črte glede na fiksni okvir - slednji klasifikaciji ležajev pravimo linearni ležaji.

Linearni ležaji se uporabljajo za širok spekter aplikacij, vključno z:

Obdelovalni stroji: V stružnicah, rezkalnikih, brusilnikih, 3D tiskalnikih in drugih natančnih obdelovalnih strojih za vodenje in pozicioniranje glav orodja in obdelovancev.

Industrijska avtomatizacija: V montažnih linijah, robotskih rokah in avtomatiziranih strojih se linearni ležaji uporabljajo za natančno in ponovljivo gibanje. V proizvodnji polprevodnikov, na primer, proizvodne linije uporabljajo linearne ležaje za visoko pozicijsko natančnost in čistočo.

Medicinska oprema: Linearni ležaji se pogosto uporabljajo v medicinskih napravah za slikanje, kot so naprave za magnetno resonanco, rentgenski sistemi, in v opremi za avtomatizacijo laboratorijev za premikanje ležišč pacientov v napravo in iz nje ali za premikanje opreme nad pacientom in okoli njega.

Ravnanje z materialom in logistika: Pri transportnih sistemih, sortirnih strojih ter avtomatiziranih sistemih skladiščenja in pridobivanja so linearni ležaji zelo pomembni za dolgo življenjsko dobo in varno delovanje.

Oprema za odre in zabavo: Na gledaliških in filmskih prizoriščih se linearni ležaji uporabljajo za premikanje rekvizitov, kamer in odrske opreme.

Vrste linearnih ležajev

Na splošno imajo linearni ležaji neko vrsto tirnice, vzdolž katere se giblje povezovalni sklop glede na tirnico. Tirnica je običajno ravna, lahko pa je tudi ukrivljena, v vsakem primeru pa je med tirnico in premikajočim se sklopom nameščen linearni ležaj.

Linearni ležaj je lahko drsni ležaj, izdelan iz materiala z nizkim trenjem, ki je v drsnem stiku z vodilom, ali pa vsebuje kroglične ležaje, ki so v kotalnem stiku z vodilom.

Tirnica je običajno del pravokotnega profila z utori na strani za namestitev ležaja ali gred s krožnim prerezom, v katero se vstavi ležajna puša.

Linearna tirna vodila in ležaji

Linearna vodila so pravokotne profilne tirnice, ki so privite na nepremični okvir in na katere so nameščeni vozički.

Vozički vsebujejo kroglice ali valjčke, ki zagotavljajo kotalni stik z vodilom, zmanjšujejo trenje in omogočajo prosto gibanje po vodilu, medtem ko prenašajo obremenitev.

Slika 1: Linearno tirno vodilo in ležaj

Valjčki ali kroglice v vozičku so lahko v kletkah in se zato uvrščajo med necirkulacijske ležaje. Ti imajo nekoliko večje trenje, saj morajo kotalni elementi sodelovati s kletko.

Druga zasnova teh linearnih ležajev se imenuje "recirkulacijski". Z zagotovitvijo poti, po kateri kroglice krožijo v kanalu od sprednjega roba bloka nazaj do zadnjega roba in se nato vrnejo na sprednji rob, je mogoče doseči še manjše trenje, saj kroglic ne omejuje kletka.

Vendar imajo krožeči linearni ležaji svoje izzive. Ker se morajo kroglice ali valji gibati med obremenjenim in neobremenjenim stanjem (ko so v povratnem območju), ta prehod povzroča tresljaje, ki so pogosto nezaželeni. Veliko razvojnega dela je bilo opravljenega za zmanjšanje tega tresljaja in povečanje natančnosti premikanja ležaja.

Slika 2: Podjetje Bosch Rexroth v svojih zelo natančnih vozičkih uporablja jekleni segment, ki se elastično deformira, da pomaga kroglicam ali valjem pri bolj gladkem prehodu v obremenjeno območje. Slika: Bosch Rexroth via linearmotiontips.com

Pri izbiri sistema linearnih vodil in ležajev je treba upoštevati velikost, prednapetje in natančnost.

Prednapetje opisuje zračnost med vozičkom ležaja in tirnico ter vpliva na položajno natančnost ležaja. Prednapetje je kompromis med položajno natančnostjo (zaradi odklona ležaja pod obremenitvijo) in trenjem/življenjsko dobo.

Odklon je lahko problem, če na primer voziček ležaja nosi dolgo roko orodja, pri čemer se majhni odkloni na vozičku pretirano povečajo zaradi dolžine roke orodja.

Linearne tirnice in ležajni vozički so lahko konfigurirani na tri načine: en voziček na eni tirnici, več vozičkov  na eni tirnici in več vozičkov  na več tirnicah. Natančnost sklopov linearnih tirnic in ležajev se lahko meri na naslednjih pet načinov:

- toleranca višine sklopa tirnice/vozičkov ;

- razlika v višini med več vozički na isti tirnici;

- toleranca širine sklopa tirnice/vozičkov ;

- razlike v širini med več vozički na isti tirnici;

- vzporednost med referenčnimi robovi tirnice in bloka - kar je še posebej pomembno pri scenarijih z več tirnicami.

Linearni kroglični ležaji

Beseda "puša" označuje tuljavo, nameščeno na gred. Obstajajo puše, ki omogočajo vrtenje gredi, obstajajo pa tudi linearne puše, ki omogočajo gibanje vzdolž gredi in jih imenujemo tudi linearni ležaji. V tem primeru gred deluje kot linearno vodilo za puše, ki drsi vzdolž gredi.

Slika 3: Linearni ležaj oz. linearna puša

Vendar je za razliko od zgoraj opisanega sistema linearne tirnice kombinacija gredi in puše lahko obrnjena: ležajne puše so lahko pritrjene na nepremični okvir, gred pa lahko aksialno drsi skozi pušo. Te linearne puše so lahko drsni ležaji, izdelani iz materiala z nizkim trenjem, ki so v drsnem stiku z gredjo, ali pa vsebujejo kroglične ležaje, ki so v kotalnem stiku z gredjo. Ležajna puša je običajno vgrajena v blok, ki je zasnovan za namestitev puše.

Za zagotavljanje prenosa navora ob hkratnem gibanju vzdolž osi gredi skoraj brez trenja se lahko uporabi kroglični ležaj z utori. Ta oblika ležaja zahteva gred z 2 do 6 utori (drsniki) na površini gredi, izrezanimi v aksialni dimenziji. Na gred se namesti kroglična puša, kroglice pa se gibljejo v utorih.

Slika 4: Izrez krogličnega ležaja z utori. Slika: Nippon Bearing

Obremenitev (radialna obremenitev in obremenitev z navorom) krogličnega ležaja določa, koliko drsnikov je treba uporabiti.

Kombinirani ležaji

Kombinirani valjčni ležaji, ki se pogosto uporabljajo na drogovih viličarjev, so težki linearni ležaji z nizko natančnostjo, ki se gibljejo v kanalu s profilom "C" in hkrati prenašajo osne in stranske obremenitve.

Pogosto zastavljena vprašanja o linearnih ležajih

Kakšna je razlika med linearnimi in krogličnimi ležaji?

Čeprav izraz "kroglični ležaj" pogosto pomeni rotacijski ležaj, lahko tako linearni kot rotacijski ležaji uporabljajo kotalne elemente, kot so kroglice ali valjčki, za prenašanje obremenitev in omogočanje gibanja (vrtenja ali premikanja). Ležaj brez kotalnih elementov med gibajočimi se deli se imenuje "drsni ležaj" - in tako linearni kot rotacijski ležaji so lahko zasnovani kot drsni ležaji. Drsni ležaji so pogosto cenejši za nakup in vzdrževanje, vendar povzročajo večje trenje kot kroglični ležaji.

Kakšna je razlika med pušo in linearnim ležajem?

Puša je del, ki vsebuje odprtino za gred. Puše lahko olajšajo vrtenje gredi, lahko pa se uporabljajo tudi za premikanje podsklopa vzdolž gredi v aksialni smeri. Te puše se imenujejo "linearni ležaji".  Ležaji puše so lahko drsni ležaji ali pa vsebujejo kroglične ležaje za natančno delovanje z nizkim trenjem.

Kakšno je drugo ime za linearni ležaj?

Linearni ležaji podpirajo (ali "nosijo") obremenitev, hkrati pa omogočajo premikanje po linearni ali ukrivljeni poti. Druga imena za te dele so "linearni drsnik", "kroglični drsnik", "valjčni drsnik" ali "linearna puša".