Kotalni ležaji omogočajo vodenje vrtečih strojnih delov preko kotalnih elementov, ki se vrtijo med notranjim obročem na osi ali gredi, ter zunanjim obročem, ki je vstavljen v ohišje. Kotalni elementi, ki so vstavljeni med zunanji in notranji obroč ležaja, opravljajo dvojno gibanje: vrtijo se okrog svoje osi in okrog osi ležaja, pri čemer nastane kotalno trenje. Pomemben sestavni element vsakega kotalnega ležaja je tudi vodilna kletka, ki drži kotalne elemente v medsebojno enaki razdalji.
Kotalne ležaje ločimo glede na obliko kotalnega elementa znotraj ležaja na (Slika 1):
- kroglične (a),
- valjčne (b),
- stožčaste (c),
- sodčkaste (d) in
- iglične (e).
Glede na vrsto obremenitve, ki jo prenašajo, pa poznamo:
- aksialne kotalne ležaje,
- radialne kotalne ležaje ter
- radialno aksialne ležaje.
Kotalni ležaji imajo v primerjavi z drsnimi ležaji od 25 do 50 % nižji koeficient kotalnega trenja, posledično pa se ležajno mesto manj segreva. Pri kotalnih ležajih je zahtevana nižja zračnost med kotalnimi elementi in obročem kot pri drsnih ležajih, obratovanje samega ležaja pa je enostavnejše. Glavna prednost kotalnih ležajev je, da so standardizirani, s tem pa lažje zamenljivi. Vseeno pa je potrebno vrsto ležaja izbrati skrbno, saj nimajo niti drsni niti kotalni ležaji takih lastnosti, da bi zadostile vsem pogojem obratovanja. Kotalni ležaji imajo tako večji hrup, bolj so občutljivi na sunkovite obremenitve, so dražji od enostavnih drsnih ležajev, dopuščajo pa tudi manjše vrtilne hitrosti kot drsni ležaji s hidrodinamičnim mazanjem.
Za kotalne elemente in ležajne obroče so najpogosteje uporabljena kromova jekla, ki so prekaljena po celotnem prerezu in vsebujejo povprečno okrog 1 % ogljika. Kadar izbiramo kotalni element v obliki stožca ali valja in je ležaj večjih gabaritnih mer, pa so v uporabi tudi jekla za cementiranje in kaljenje. Kadar morajo ležaji obratovati v pogojih, ko so izpostavljeni visokim temperaturam, temu primerno izberemo temperaturno obstojna jekla.
Radialni kotalni ležaji
Radialni kotalni ležaji se med seboj najbolj razlikujejo po obliki kotalnih elementov in v številu redov oz. vrst kotalnih elementov znotraj ležaja. V praksi največ uporabljamo kroglične ležaje, katerih standardne izvedbe so prikazane na Sliki 3.
(a) Enoredni kroglični ležaj
(b) Dvoredni kroglični ležaj
(c) Prilagodljivi kroglični ležaj
(d) Enoredni kroglični ležaj s poševnim dotikom
(e) Dvoredni kroglični ležaj s poševnim dotikom
(f) Kroglični ležaj s štiritočkovnim dotik
Enoredni kroglični ležaji
Enoredni kroglični ležaji dopuščajo visoke vrtilne hitrosti, so togi, nerazstavljivi, kroglice so vodene v globokih utorih v notranjem in zunanjem obroču ležaja. Prenašajo lahko tako radialne kot aksialne obremenitve.
Enoredni kroglični ležaji se izdelujejo v največjih serijah, so najcenejši in se največ uporabljajo v praktičnih aplikacijah.
Dvoredni kroglični ležaji
Dvoredni kroglični ležaji imajo v primerjavi z enorednimi večjo radialno nosilnost, vendar dopuščajo manjše vrtilne hitrosti.
Prilagodljivi kroglični ležaji
Prilagodljivi kroglični ležaji so zaradi svoje kotne prilagodljivosti neobčutljivi za kotna odstopanja in upogibanje gredi. Notranja konstrukcija ležaja zagotavlja nizko trenje, s tem pa daljšo življenjsko dobo ležaja.
Kroglični ležaji s poševnim dotikom
Kroglični ležaji s poševnim dotikom imajo zaradi svoje notranje konstrukcije visoko točnost teka, veliko nosilnost v radialni smeri in v eni aksialni smeri. Njihova lastnost je, da dopuščajo visoke vrtilne hitrosti in miren tek. Enoredni ležaji s poševnim dotikom so primerni za vgradnjo na mestih, kjer je potreben en ležaj, ki prenaša aksialne obremenitve v eni smeri.
Če imamo aksialno obremenitev v obeh smereh, pa lahko vzporedno vgradimo dva kroglična ležaja s poševnim dotikom (Slika 4), v postavitvi O, pri čemer pri vsaki aksialni obremenitvi le-to prevzame samo en ležaj ali pa namesto O postavitve dveh ležajev s poševnim dotikom vgradimo dvoredni kroglični ležaj s poševnim dotikom, tako aksialno obremenitev nosi celoten ležaj. Kadar imamo visoke aksialne obremenitve v eni smeri, obremenitev pa želimo enakomerno porazdeliti na oba ležaja, izberemo 2 vzporedna ležaja s poševnim dotikom v postavitvi T. Postavitev X uporabljamo v enakih razmerah kot postavitev O, vendar je postavitev X primernejša za manjše momente kot postavitev O, je pa manj občutljiva na odstope soosnosti med gredjo/osjo in izvrtino v ohišju.
Kroglični ležaji s štiritočkovnim dotikom
Kroglični ležaji s štiritočkovnim dotikom so zasnovani za prenašanje visokih aksialnih obremenitev v obeh smereh, medtem ko za prenašanje pretežno radialnih obremenitev niso primerni. Primerni so za visoke vrtilne hitrosti, znani so po svoji enostavni montaži.
Tako kot imajo kroglični ležaji večje število izvedenk, obstajajo različne oblike z različnim številom redov tudi za valjčne, stožčaste, sodčkaste in iglične ležaje, ki so prikazani na Sliki 5.
(a) Enoredni valjčni ležaj
(b) Dvoredni valjčni ležaj
(c) Stožčasti ležaj
(d) Sodčkasti ležaj
(e) Iglični ležaj z notranjim obročem
(f) Iglični ležaj brez notranjega obroča
Valjčni ležaji
Za posebne pogoje obratovanja, npr. visoke obremenitve ali omejen vgradni prostor, pa se pogosto uporabljajo radialni kotalni ležaji z različnimi oblikami kotalnih teles. Valjčni ležaji imajo za kotalne elemente valjčke, ki so vodeni s kletko, notranjim in zunanjim obročem. Izdelujejo se v enoredni ali dvoredni izvedbi. Enoredni valjčni ležaji so lahko izdelani v izvedbi s kletko ali brez nje. Primerni so za prenašanje visokih radialnih obremenitev, aksialnih obremenitev osnovne izvedbe valjčnih ležajev ne prenašajo. Dvoredni valjčni ležaji v primerjavi z enorednimi še bolje prenašajo radialne obremenitve in so praviloma brez kletke.
Stožčasti ležaji
Stožčasti ležaji lahko prenašajo hkrati visoke radialne in aksialne obremenitve. Običajno so izdelani v enoredni izvedbi in tako prenašajo, podobno kot kroglični ležaji s poševnim dotikom, aksialne obremenitve le v eni smeri. Enoredni stožčasti ležaji so dvodelni - zunanji obroč lahko ločimo od notranjega obroča in kotalnih elementov. Vedno jih vgrajujemo paroma v zrcalni postavitvi. Zračnost ležaja se nastavi pri montaži, zato je način vgradnje drugačna kot pri enorednih krogličnih ležajih.
Sodčkasti ležaji
Podobno kot prilagodljivi kroglični ležaji so tudi sodčkasti ležaji kotno gibljivi in zato neobčutljivi na kotno odstopanje osi oz. gredi proti ohišju, vendar imajo v primerjavi s prilagodljivim krogličnim ležajem bistveno višjo nosilnost tako v radialni kot v aksialni smeri, posledično se uporabljajo za visoke obremenitve. Poznamo jih v enorednih in dvorednih izvedbah, ki bolje prenašajo obremenitve kot enoredni ležaji.
Iglični ležaji
Iglični ležaji so pravzaprav valjčni ležaji, le da so kotalna telesa valjčki majhnih premerov oz. iglice. Kljub majhnim prečnim prerezom zagotavljajo relativno visoko radialno nosilnost, največkrat pa se jih uporablja tam, kjer je malo radialnega prostora za vgradnjo ležaja. Aksialnih obremenitev iglični ležaji ne prenašajo. Poznamo izvedbo igličnega ležaja z notranjim obročem ali brez njega. Iglični ležaj brez notranjega obroča uporabimo, kadar je možno gred oz. os, na katero se fiksira ležaj, kaliti in brusiti, če to ni možno, uporabimo iglični ležaj z notranjim obročem.
Aksialni kotalni ležaji
Aksialni kotalni ležaji praviloma prenašajo le visoke aksialne obremenitve. Nižje aksialne obremenitve so namreč sposobni prenašati nekateri radialni ležaji, npr. kroglični, sodčkasti, stožčasti.
Aksialne kotalne ležaje med seboj ločimo predvsem glede na obliko kotalnega elementa, ki prenaša obremenitev.
(a) Aksialni kroglični ležaj je lahko izdelan kot enosmerni – ta prenaša obremenitve le v eni smeri.
(b) Aksialni kroglični ležaj je lahko izdelan tudi kot dvosmerni, katerega značilnost je, da prenaša obremenitve v obeh smereh. Aksialni ležaji s kotalnim elementom kroglico dopuščajo visoke vrtilne hitrosti.
(c) Aksialni valjčni ležaji se uporabljajo v primeru prenašanja obremenitve v eni smeri in so sposobni prenašati sunkovite obremenitve, imajo višjo nosilnost kot aksialni kroglični ležaji.
(d) Aksialni iglični ležaji potrebujejo najmanj vgradnega prostora v aksialni smeri, a so kljub temu odporni na udarce in prenašajo visoke enosmerne obremenitve.
(e) Aksialni sodčkasti ležaji imajo, glede na os ležaja, poševne tirnice v katere se vstavijo sodčki, zato so poleg aksialnih sposobni prenašati tudi radialne obremenitve. Ker je ta vrsta ležajev kotno gibljiva, so neobčutljivi na kotna odstopanja čelnih površin strojnih delov, na katere nalegajo.