Łożyska a sprawa rowerowa
(19.03.2018)
Rower to, oczywiście, maszyna. Jak to często z tymi bywa, kręcą się w nim różne mniejsze lub większe rzeczy wirujące. Te zaś wirują sobie na osi która to leży na łożyskach. W rowerze mamy do czynienia ze wszystkimi chyba ich rodzajami.
Chociaż magnetohydrodynamicznych jeszcze chyba nikt nie stosował.
Enyłej.
1. Opis zgrubny
Każde łożysko zbudowane jest z trzech głównych elementów - bieżni zewnętrznej, wewnętrznej oraz medium łożyskującego. W zależności od tego czym jest medium mamy dwa rodzaje łożysk - ślizgowe i toczne. Te pierwsze to takie gdzie bieżnie rozdzielone są filmem olejowym, tuleją (zwykle polimerową) lub np grafitem. W drugim przypadku mamy do czynienia z toczącymi się po bieżniach elementami w postaci kulek lub wałeczków.
Tyle to sobie zresztą możecie wyczytać z dowolnego podręcznika do mechaniki.
2. Łożyska ślizgowe
Łożyska ślizgowe występują w rowerach stosunkowo rzadko. W rowerze najczęściej są to tuleje DU stosowane w damperach. Drugim nieco mniej widocznym, ale częstym zastosowaniem są osie pedałów. Jeszcze rzadziej, ale zdarza się iż łożyska ślizgowe stosowane są jako łożyska zawieszenia ( Banshee, Never forget ).
Łożyska ślizgowe nie wydają się najlepszym wyborem do czegokolwiek w rowerze bo wymagają one stosunkowo dużej siły aby zacząć się obracać ( tutaj następuje standardowe marudzenie o czułości zwieszenia ). Posiadają one jednak jedną istotną zaletę w rowerowych zastosowaniach. Mianowicie bardzo korzystny stosunek nośności do rozmiaru - przenoszące duże obciążenia łożyska ślizgowe mogą posiadać bardzo kompaktowe gabaryty.
Co to jest ta "nośność"? Jest to maksymalne obciążenie robocze działające na łożysko przy którym działa ono prawidłowo. Rozważa się nośność statyczną - czyli ten parametr w kontekście w którym łożysko jest w spoczynku, oraz dynamiczną - czyli kiedy łożysko pracuje. Przy czym nośność dynamiczna to obciążenie które nie zniszczy łożyska do czasu osiągnięcia jakiegoś pułapu obrotów - zwykle 1 miliona.
Nośność zależy głównie od powierzchni styku obu bieżni, która to w łożysku ślizgowym jest całą powierzchnią materiału ślizgowego, zaś w łożysku tocznym, powierzchnią styku elementów tocznych. Na obrazku na czerwono zaznaczona siła nacisku, zaś na niebiesko jak rozkłada się ta siła na oprawę łożyska w przypadku łożyska tocznego.
Ze względu na bardzo dobry stosunek nośności do rozmiaru łożyska ślizgowe, zwykle na tulejach polimerowych firmy IGUS, są stosowane praktycznie we wszystkich nisko profilowych pedałach. Z podobnego powodu stosuje się je w tulejach damperów. W tych miejscach duży moment przełamujący opór łożyska jest nieistotny bo małe łożyska są tam poddawane dużym momentom sił.
W serwisie łożyska ślizgowe są trywialne - w momencie złapania luzu wymienia się element cierny lub cały zespół łożyska. W rowerach łożyska ślizgowe zwykle nie wymagają smarowania.
3. Łożyska Toczne
Łożyska toczne w rowerze znajdziemy w dwóch głównych typach. Pierwszym jest specyficzne dla rowerówki łożysko "kulkowe" składające się z konusa, bieżni i kulek w koszyku lub i bez. Tradycyjnie stosowane w piastach, sterach oraz klasycznych suportach pakietowych. Technicznie jest to łożysko kulkowe skośne. Ten typ łożysk powoli wymiera, przynajmniej w produktach z wyższych półek. Drugim jest dużo bardziej popularne łożysko zwane w naszym slangu "maszynowym" ale w technice jest to po prostu łożysko toczne.
Z perspektywy trzymającego kierownicę tradycyjne "kulki" nie mają zalet tudzież wad w porównaniu z "maszynami". Ich główna wada to stosunkowo trudny i wymagający wyczucia serwis. Łożyska maszynowe po prostu się wymienia na nowe.
Nośność łożysk tocznych w stosunku do rozmiarów jest mniejsza niż ciernych i zależy głównie od wielkości i liczby kulek, baryłek, wałków czy innych cosiów w łożysku. Kwota tych może się różnić w zależności od firmy, konstrukcji oraz obecności, lub i braku, koszyka je trzymającego. Dla dążących do ciągłego odchudzania konstruktorów rowerów ma to spore znaczenie - jeżeli zastosujemy łożyska bez koszyka, możemy użyć łożysk mniejszych, więc i lżejszych. To zaś oszczędzi cenne gramy.
Co więcej, łożyska o większej nośności lepiej sobie radzą z pracą wahliwą - czytaj, taką jak w tylnym zawieszeniu. Dlatego w wielu ramach z zawieszeniem stosuje się tylko łożyska bez koszyka ( tzw "full complement" ). Różnicę pomiędzy tymi łożyskami prezentuje obrazek niżej:
Łożyska z pełną obsadą mogą przenosić większe obciążenia, ale kosztem maksymalnej prędkości obrotowej. I owszem, większość z nich posiada niewielką przerwę w obsadzie kulek. Jest ona niezbędna aby kulki nie ocierały o siebie zbytnio podczas pracy. Dlatego też piastom Shimano "brakuje" jednej kulki w każdym z łożysk.
4. Eksploatacja
Z łożyskami w rowerze to jak ze zdrowiem. Szlachetne, nikt się nie dowie itd. Kiedy jednak łożyska umierają, dają o sobie znać w bardzo szczególny i dający się usłyszeć sposób. Każdy z nas doświadczy w końcu stęku suchych, kręcących się "na kwadratach" kulek ( chociaż wtedy to już raczej elipsoid ). Ostatecznie to również wielu z nas przy serwisie wiosennym z zaskoczeniem stwierdzi, że koła chroboczą a osie zawieszenia się nie kręcą.
Zakładając, że producent dobrze dobrał parametry, głównym czynnikiem psującym łożyska w rowerze nie jest przenoszone obciążenie, ale brud i zanieczyszczenia zbierane podczas jazdy. Dlaczego?
- Łożyska w rowerze kręcą się bardzo powoli. Typowe, nudne łożysko 6001 2RS w jednym z katalogów na który patrzę posiada obroty graniczne na poziomie 26000 obr/min ( przy smarowaniu smarem stałym. Na oleju to nawet 32000 obr/min ). Takie łożysko w rowerze spotkamy w popularnych piastach tylnych Novateca D042SB. Z jaką tam się kręci prędkością? Szybkie rachunki mówią o 80 do 500 obr/min.
- Łożyska w rowerze są niespecjalnie obciążone. Nośność statyczna łożyska 6001 2RS z przykładu wyżej wynosi 2.4kN ( czyli ok 240kg ). W piaście takich łożysk pracujących pod obciążeniem jest para, więc takie łożysko zobaczy 0.2-0.4kN.
Czyli - łożyska zwykle wysilone nie są. Jednak, w przeciwieństwie do większości maszyn, warunki ich eksploatacji są bardzo, bardzo trudne. Znakomita większość zastosowań łożysk wielkości "rowerowej" nie próbuje ich podczas pracy nurzać w błocie lub wodzie a nawet najczystsza szosówka zobaczy mnóstwo wilgoci i pyłu w swoim życiu. I należy tutaj dodać, że łożysku jest obojętne czy mamy do czynienia z błotem po ośki czy z gąbeczką nasączoną wodą z Ludwikiem. Woda, to woda i psuje łożysko w taki sam sposób.
5. Serwis
Łożyska maszynowe w swej idei są przeznaczone do wymiany w momencie w którym przestają spełniać swoją rolę. Ten czas oznajmiają w mniej lub bardziej widoczny lub słyszalny sposób. W zależności od tego, które to łożyska, oraz jak intensywna jest jazda, może to być od wielu lat do kilku tygodni.
Najwyraźniej odczuć się to da w przypadku dolnego łożyska sterów. Ze względu na brud narzucany na nie przez przednie koło jest to zwykle pierwsze łożysko które się odzywa. Drugimi łożyskami które umierają szybko są łożyska suportu. Przynajmniej jeżeli mowa o suportach dla korb zintegrowanych. Z drugiej strony, łożyska piast, zwłaszcza przednich, zwykle służą bezproblemowo przez wiele lat.
Ze względu na specyficzne rowerowe warunki trzymanie się zaleceń co do terminu wymiany jest dla części łożysk kosztowne i irytujące. Okres użytkowania da się wielokrotnie przedłużyć poprzez zapakowanie łożyska szczelnie smarem. Da się tak również czasem reanimować łożyska suche i częściowo zużyte. Dlaczego? W przypadku rowerów smar pełni rolę ochrony przed wilgocią i wodą. Im go w piaście więcej, i jest on "sprawny technicznie" to jego tłusta konsystencja stanowi dodatkową barierę dla zanieczyszczeń.
Piasty Shimano, kiedy trafiają do nas z pudełka, posiadają łożyska zapakowane 'do pełna' smarem nie przez przypadek. Typowe łożysko maszynowe w pudełeczku i woreczku może przyjść jedynie z cienkim filmem smaru na bieżni. Dla przemysłu jest to istotne, gdyż przy dużych prędkościach obrotowych nadmiar smaru powoduje ślizganie się kulek na bieżniach i w efekcie zniszczenie łożyska. W rowerówce, z obrotami rzędu maksymalnie kilkuset na minutę nie ma to znaczenia. Znaczenie zaś ma ochrona przed wilgocią, korozją i zanieczyszczeniami.
Łożyska ślizgowe, podobnie jak maszynowe, w serwisie zwykle ograniczają się do wymiany tulei z materiału ślizgowego. W tym przypadku sygnałem do wymiany jest złapanie luzów. Do tego czasu łożysko ślizgowe jest zwykle bezobsługowe.
Tradycyjne łożyska kulkowe to bardziej skomplikowana sprawa. Po pierwsze, nie da się tam zwykle wymienić bieżni. Oczywiście da się kupić nowe kulki, czasem konusy, ale jeżeli uszkodzeniu ulegnie bieżnia w korpusie lub bębenku, to do wymiany idzie w praktyce cała piasta. Przy czym niekoniecznie jest to wada. Kulki w łożyskach tego typu są zwykle dużo większe od "maszynowych" przez co są trudne do uszkodzenia. Co więcej, piasty "na kulkach" posiadają możliwość kasowania luzów oraz pełnego serwisu. To zaś oznacza, że robiąc regularne przeglądy łożyska kulkowe można eksploatować latami.
6. Zasady wymiany
Znacie to pytanie ?:
"Jakie kupić łożyska do X"?
Problem de-facto dotyczy tylko łożysk maszynowych i odpowiedzi które można udzielić jest sporo, ale moja, zwykle najkrótsza brzmi "tanie". Jest to jednak odrobinę zbytnia redukcja problemu. Pełna odpowiedź?
Generalna zasada jest taka, że dla rowerówki klasa łożyska nie ma znaczenia. Czy to Nachi, FAG, ZVL, Kraśnik, Timken czy anonimowe łożysko z Chin. Jeżeli jest ono zgodne z normami, to się na 99% nada. Jakie są wyjątki:
- Łożyska nietypowe lub typowo rowerowe wymieniamy na to co pasuje. Łożyska sterów to wyrób typowo rowerowy więc wyboru nie ma. Łożyska innych typów ( np. do piast Chris King czy Nukeproof ) wymieniamy na to co radzi producent.
- Wiele rowerów z zawieszeniem w jego zawiasach stosuje łożyska bez koszyka, typu "full complement". O te łożyska należy bardzo dbać, gdyż na rynku konsumenckim praktycznie nie występują zamienniki, chyba, że kupicie 10000szt. W przypadku wymiany radzę preferować łożyska oferowane producenta ramy w zestawach serwisowych, ekwiwalent innego producenta i stosować zamienniki z koszykiem tylko w momencie braku dostępu do oryginałów lub nagłego ataku cebuli.
- W miejscach mocno obciążonych, gdzie jednocześnie producent zastosował małe łożyska, warto kupić zamienniki o jak największej nośności - zwłaszcza jest to istotne dla wewnętrznych łożyskach w korpusach tylnych piast tego typu: Wypasione wolnobiegi .
- Nie zdarzyło mi się jeszcze na takie trafić, ale Chiny non stop zadziwiają nas podróbkami, więc "anonimowe chińskie łożyska" najlepiej kupować od sprawdzonego dostawcy lub w opcji budżetowej kupować łożyska np. polskie czy słowackie.
Łożyska standardowo posiadają cztero lub pięcio cyfrowe oznaczenie które jednoznacznie określa jego średnice wewnętrzną i zewnętrzną. Na przykład 6001 lub 62001. Łożysko może posiadać dwa oznaczenia - cztero i pięciocyfrowe ( 6001 i 62001 są oznaczeniem tego samego łożyska ), ale możemy być pewni że dwa różne oznaczenia do tej samej liczbie cyfr oznaczają różne łożyska. Oczywiście - wymieniając łożyska wymieniamy je na identyczne wg oznaczenia.
Za oznaczeniem rozmiaru może być umieszczone kilka oznaczeń dotyczących budowy samego łożyska - najczęściej będzie to określenie rodzaju uszczelnienia. Gdzie oznaczenie 'RS' lub '2RS' oznacza kontaktowe uszczelnienie gumową uszczelką, zaś ZZ oznacza uszczelnienie bezkontaktowe za pomocą metalowej blaszki. W rowerach preferowane są łożyska z gumowym uszczelnieniem. W piastach można jednak stosować łożyska ZZ jeżeli pałamy żądzą oszczędzenia ułamka wata straconego na tarcie uszczelnień.
7. Łożyska nietypowe
Ostatnimi czasy szturmem do osprzętu z najwyższych półek trafiły łożyska ceramiczne, lub łożyska z kulkami ceramicznymi. Dla inżyniera główna zaleta takowego to jego jeszcze większe dopuszczalne maksymalne obroty oraz, w wielu przypadkach, możliwość pracy z minimalnym smarowaniem, lub czasem całkowicie bez niego. W rowerze nie są to istotne sprawy.
No, są też lżejsze. Co dla tego i owego może mieć znaczenie.
Z punktu wiedzenia roweru, łożyska ceramiczne są jak każde inne, nie oferują niczego ponad to co tradycyjne łożyska stalowe. Poza wagą.
Stosunkowo rzadko spotykanym typem łożyska w rowerach są łożyska igiełkowe. Łączą one w sobie zalety łożysk ciernych - z ich zdolnością do przenoszenia dużych obciążeń w stosunku do rozmiaru, oraz tocznych - z ich małym momentem rozruchowym. Niestety w praktyce nie można ich obciążać poprzecznie, więc znalazły zastosowanie tylko w bębenkach egzotycznych tylnych piast oraz w zestawach łożyskowych będących zamiennikami dla klasycznych tulei do mocowania dampera.
Czasem w rowerach trafia się na łożyska z tzw, flanszą. Wygląda to tak:
Łożyska z flanszą mają tę cecha, że można je wsadzić tylko w jednej strony gniazda na łożysko, co można wykorzystać przy niektórych konstrukcjach mostów zawieszenia kiedy to konstruktor musi wziąć pod uwagę jak rzeczony most pracuje, i czy aby podczas tej pracy łożyska nie wybiorą wolności ( pozdrawiam pamiętających ramy Poison Currare ). W innych zastosowaniach spotyka się je raczej rzadko. Wspominam o nich, gdyż swego czasu z zaskoczeniem znalazłem takowe w linku zawieszenia mojego śp. BMC. Przedtem próbując nieskutecznie wytłuc je zeń w złą stronę... Warto o nich pamiętać rozmontowując zawieszenie.
8. Podsumowanie.
Podsumowując, miało być krótko i na temat, znowu wyszła mi epopeja. W swej istocie temat nie jest jakoś specjalnie skomplikowany i główne kontrowersje krążą wokół kupowania lepszego, bo lepsze jest lepsze niż gorsze. Moim zdaniem, niepotrzebnie. Dla rowerów jakość łożyska specjalnie nie ma znaczenia, z zastrzeżeniem, że jest to wciąż łożysko, a nie produkt wyskrobany ze stali gwoździkowej. Problem jest sztuczny.
Jedyny wniosek który można z tego wyciągnąć, jest fakt, że wbrew tradycyjne 'kulkowe' łożyska rowerowe są optymalne dla tego zastosowania. Są duże, da się je regulować i przeznaczone są dla wolnoobrotowych zastosowań. Nie, żebym uważał, że to jakaś wielka przewaga. Łożyska maszynowe są stosowane powszechnie, nie sprawiają problemów i są faktycznym przemysłowym standardem. Więc sprawa jest jedynie dzieleniem włosa na czworo.
