Łożyska piast kół
Koła jezdne samochodów od początku rozwoju motoryzacji osadzone były na osiach przy pomocy piast. Najpierw wzorowano się na powozach konnych, które posiadały piasty na łożyskach ślizgowych, jednak już wkrótce okazało się, że przy większych prędkościach jazdy nie wykazują one oczekiwanej trwałości i stawiają zbyt duże opory toczenia. Już pod koniec XIX wieku zastosowano piasty z łożyskami tocznymi, a przemysł tych łożysk rozwijał się bardzo dynamicznie. W 1899 roku powstała w USA fabryka Henry’ego Timkena – znany dziś koncern produkcji łożysk tocznych o światowym zasięgu, mający fabrykę również w Polsce, w Sosnowcu.
Najstarszym rozwiązaniem łożyskowania piasty koła nie napędzanego jest zastosowanie dwóch łożysk tocznych stożkowych.
Łożyska stożkowe mają dwa oddzielne pierścienie: wewnętrzny i zewnętrzny. Pierścienie wewnętrzne mają wewnętrzną bieżnię, wałeczki i koszyczek. Pierścienie zewnętrzne osadzone są w gniazdach piasty z pasowaniem ciasnym i są wykonane z hartowanej stali, zapewniającej uzyskanie gładkiej powierzchni, po której toczą się wałeczki. Łożyska takie przenoszą obciążenia promieniowe i osiowe. Z uwagi na to, że obciążenia osiowe mogą być przenoszone tylko w jednym kierunku, łożyska montowane są w piaście parami i ustawione względem siebie przeciwstawnie. Zazwyczaj łożysko wewnętrzne ma większą średnicę. Niewątpliwą zaletą takiego rozwiązania jest możliwość wymiany uszkodzonego łożyska przy minimalnym nakładzie kosztów, choć okupiona niestety znaczną pracochłonnością takiej operacji. Wynika ona między innymi z tego, że łożyska stożkowe wymagają dużej dokładności podczas wykonywania czynności montażowych. Bardzo istotnym warunkiem jest ustalenie i regulacja luzu osiowego pary łożysk. Wielkość tego luzu, względnie nacisku wstępnego zależy od warunków pracy. Czynnikiem warunkującym wartość tego parametru jest temperatura pracujących łożysk pod obciążeniem. Jeżeli w czasie pracy – w wyniku różnej rozszerzalności cieplnej wału, oprawy i łożyska – przewidziane będzie zmniejszenie luzu, początkowy luz powinien mieć taką wartość, aby wykluczyć możliwość zatarcia łożyska. Luz reguluje się poprzez właściwe dokręcenie centralnej nakrętki czopa piasty koła, a jego właściwą wartość osiąga się za pomocą klucza dynamometrycznego. Wielkość momentu dokręcającego zależna jest od wielkości łożyska i zawiera się z reguły w granicach 30 – 50 Nm dla piast kół samochodów osobowych. Następnie należy odkręcić nakrętkę o około 30o, tj. 1/12 obrotu, co zapewni nam żądaną wielkość luzu osiowego. W pierwszym rzędzie należy jednak kierować się instrukcją serwisową naprawianego pojazdu.
Należy dodać, że łożyskowanie piast kół napędzanych również może być realizowane przy pomocy dwóch łożysk stożkowych, na podobnych zasadach jak opisane powyżej przy czym bieżnie zewnętrzne tych łożysk osadzone są w oprawie przytwierdzonej do elementów zawieszenia, a bieżnie wewnętrzne na czopie półosi zakończonej kołnierzem mocowania koła jezdnego.
We współczesnych nowoczesnych samochodach z napędem na tylne lub przednie koła, do ich łożyskowania są stosowane z powodzeniem od kilku już lat piasty zespolone. Dla producentów szczególnie ważne stało się stworzenie konstrukcji węzła łożyskowego zajmującego jak najmniej miejsca w kierunku osiowym. W odróżnieniu od tradycyjnej piasty z dwoma pojedynczymi łożyskami stożkowymi zastosowano tu między innymi łożyska kulkowe skośne dwurzędowe. Jedną z zalet stosowania piasty zespolonej jest to, że w większości przypadków jest ona uszczelniona i nasmarowana na cały okres użytkowania. Poza tą niewątpliwą zaletą można wymienić jeszcze kilka innych:
- ustalony luz wzdłużny łożyska
- zwarta budowa w kierunku wzdłużnym
- mały ciężar masy nieresorowanej
- znacznie ułatwiony montaż
Dążenia producentów samochodów do maksymalnego uproszczenia konstrukcji oraz do wysokiej niezawodności i niemal całkowitej bezobsługowości przynajmniej niektórych podzespołów doprowadziły do ewolucyjnych zmian konstrukcji łożysk kulkowych, co zaowocowało powstaniem kolejnych rozwiązań nazwanych kolejnymi generacjami.
Zespolona piasta pierwszej generacji została wyposażona w dwurzędowe skośne łożysko kulkowe, w którym jedna z bieżni wewnętrznych opiera się o czaszę kulistą przegubu półosi napędowej, a druga dociskana jest do niej przez centralną nakrętkę piasty. Wielkość naprężenia łożyska ustalona jest przez producenta pojazdu wielkością momentu dokręcenia nakrętki centralnej. Należy pamiętać, że w wielu pojazdach nakrętka ta posiada wstępne naprężenie gwintu i jest jednorazowego użytku!
Rozwiązanie takie zastosowano między innymi w samochodach Opel Kadett, Astra, Vectra, Volkswagen Golf i innych.
W zespolonej piaście drugiej generacji posunięto się do zupełnie nowatorskiego rozwiązania. Zrezygnowano bowiem z obsady łożyska na rzecz rozbudowania jego bieżni zewnętrznej o kołnierz zastępujący piastę. Bezpośrednio do niego mocowane są elementy wirujące układu hamulcowego i koło jezdne. Spowodowało to ograniczenie liczby elementów, zmniejszenie masy nieresorowanej i obniżenie kosztów produkcji. Rozwiązanie takie zastosowano w samochodzie Nissan Primera.
W rozwiązaniu trzeciej generacji możemy mówić o łożysku będącym jednocześnie piastą i zwrotnicą koła. Konstrukcja powstała w wyniku analizy zespołu koło – łożysko i wszystkich elementów im towarzyszących. Przez zastosowanie kołnierza mocującego na pierścieniu zewnętrznym można go przymocować do elementów zawieszenia koła. W prostej linii może być np. zwrotnicą koła kierowanego. Pierścień wewnętrzny z odpowiednio ukształtowanym kołnierzem pełni rolę piasty, do której mocuje się tarczę hamulcową i koło jezdne. Łącznik – czop przegubu napędowego z wielowypustem jest zamocowany bezpośrednio w otworze pierścienia wewnętrznego zarówno przy napędzie na koła przednie jak i tylne. Cały zespół jest lżejszy, prosty w budowie i montażu. Konstrukcja tego rodzaju została zastosowana między innymi w autach Fiat Panda i Ford Mondeo.
W kołach samochodów niezależnie od generacji piasty łożyska są smarowane smarem stałym (plastycznym). Zespoły te narażone są na liczne uszkodzenia wynikające z techniki jazdy i umiejętności kierowcy oraz z warunków, w jakich eksploatowany jest pojazd.
W pracach prowadzonych nad konstrukcją samochodowych łożysk tocznych wytyczono trzy główne kierunki badań, które obejmują zagadnienia trwałości, smarowania i uszczelnienia łożysk. Łożyska powinny mieć trwałość minimum 15 lat, ponieważ tak określana jest średnio trwałość samochodu. Oznacza to, że taką samą trwałość powinien mieć również smar i uszczelnienia, aby zapewnić niezawodność działania węzła łożyskowego przez cały okres żywotności samochodu.
W piastach tradycyjnych z łożyskami stożkowymi zastosowanie mają pierścienie uszczelniające Zimmera najczęściej z pojedynczą wargą. Wynika to z faktu takiego rozwiązania konstrukcyjnego węzła łożyskowego, które uniemożliwia stosowanie łożysk zamkniętych. Piasty zespolone zostały z założenia zaprojektowane w taki sposób, aby zastosować łożyska zamknięte. Uszczelki tych łożysk muszą w skuteczny sposób chronić łożysko przed zanieczyszczeniami i wilgocią. Najlepszymi uszczelkami są uszczelnienia stykowe z gumy, tworzyw sztucznych i innych materiałów, wzmocnione wkładkami metalowymi, z tworzyw lub włókna szklanego.
Do łożysk samochodowych w większości przypadków stosuje się smary litowe. Są to smary plastyczne wykonane na bazie mydeł litowych i oleju mineralnego. Smary litowe stosowane w Europie nadają się do pracy w zakresie temperatur od –30oC do 120oC. Są odporne na działanie wody, chronią przed korozją, są odporne na starzenie i nadają się do pracy przy wysokich prędkościach obrotowych łożyska.
Należy pamiętać o tym, że aby uzyskać założoną trwałość łożysk kół, podczas wykonywania czynności obsługowo – naprawczych należy zachować daleko idącą czystość podzespołów, narzędzi i środków pomocniczych, stosować się do zaleceń producenta i nie przesadzać z nadmierną ilością smaru, ponieważ jego nadmiar powoduje wzrost temperatury łożyska w czasie pracy, a smar może ulec rozkładowi. Nie należy również “po swojemu” ładować smarem zamkniętych łożysk wypełnionych fabrycznie ładunkiem smaru.
Łożyska oczywiście zużywają się w sposób naturalny. Zachodzą w nich procesy zmęczeniowe objawiające się drobnymi wykruszeniami powierzchni oraz ścierne zużycie powierzchni roboczych. Oprócz naturalnych procesów zużycia, utrata przez łożysko zdolności do pracy może być spowodowana najczęściej przez:
- błędy wykonawcze
- niewłaściwą konserwację i magazynowanie
- niewłaściwy dobór łożyska do warunków eksploatacyjnych, stosowanie śle dobranych zamienników lub wybranie łożyska kiepskiej jakości
- niewłaściwy lub niestaranny montaż w węśle łożyskowym
- użycie niewłaściwego smaru lub dopuszczenie zanieczyszczeń
- eksploatację pojazdu z uszkodzonym uszczelnieniem piasty lub łożyska
Objawy zużycia lub uszkodzenia łożysk piasty koła mogą być bardzo różne
- wibracja kół jezdnych i drgania układu kierowniczego,
- głośna praca kół jezdnych,
- stukot i wzrastający szum,
- “wycie” obracającego się koła szczególnie przy niektórych prędkościach jazdy
- przytłumione odgłosy tarcia metalicznego
Przy pewnym doświadczeniu i praktyce warsztatowej można na podstawie oceny słuchowej występujących objawów ustalić przypuszczalne uszkodzenie łożyskowania i skierować pojazd do naprawy nie czekając na kłopotliwą awarię na drodze i związane z nią dodatkowe koszty.