Vòng bi trong hệ thống chuyển động

Vòng bi là các yếu tố máy đơn giản quan trọng cho các ứng dụng chuyển động. Chúng thường bao gồm các con lăn trơn hoặc bóng kim loại và bề mặt bên trong và bên ngoài mịn được gọi là các cuộc đua với con lăn hoặc quả bóng lăn. Những con lăn hoặc quả bóng này đóng vai trò là vật mang tải cho thiết bị, cho phép nó quay tự do.

Chức năng chính của vòng bi là giảm lực ma sát giữa các bộ phận chuyển động bằng cách cho bề mặt một thứ gì đó lăn lên, thay vì trượt qua. Chức năng phụ của ổ trục là truyền tải.

Vòng bi mang hai loại tải trọng: xuyên tâm và hướng trục. Tải trọng hướng tâm vuông góc với trục trong khi tải trọng trục song song với trục. Tùy thuộc vào ứng dụng, một số vòng bi trải nghiệm cả hai tải cùng một lúc. Mang nhiều loại để đáp ứng các ứng dụng khác nhau.

Vòng bi
Một trong những hình thức phổ biến nhất của vòng bi là vòng bi. Như tên của nó, vòng bi sử dụng các quả bóng để cung cấp một phương tiện chuyển động ma sát thấp giữa hai chủng tộc vòng bi. Vòng bi thường không tốn kém và khi được chọn đúng cách đòi hỏi ít bảo trì. Bởi vì những đặc điểm này, vòng bi là một số phổ biến nhất trong tất cả các vòng bi, bạc đạn.

Vì diện tích tiếp xúc giữa các quả bóng và rãnh quá nhỏ, vòng bi không thể chịu tải nhiều như các loại vòng bi khác, vì vậy phù hợp nhất cho tải trọng nhẹ đến trung bình. Tuy nhiên, tiếp xúc bề mặt nhỏ của chúng cũng hạn chế nhiệt sinh ra do ma sát, điều này làm cho vòng bi trở nên hữu ích trong các ứng dụng tốc độ cao.

Góc tiếp xúc giữa các quả bóng và đường đua cũng ảnh hưởng đến các đặc tính của ổ bi. Vòng bi rãnh sâu một hàng chủ yếu xử lý tải trọng hướng tâm với quả bóng ở 0 ° so với đường đua. Nhà thiết kế có thể tăng góc này trong một số loại vòng bi để phù hợp với tải trọng trục theo một hướng. Được gọi là vòng bi tiếp xúc góc, các nhà thiết kế thường lắp đặt chúng theo cặp, bởi vì vòng bi thứ hai đã điều chỉnh lực tác dụng thứ nhất theo hướng dọc trục từ tải trọng hướng tâm.

Vòng bi lăn
Có thể là dạng vòng bi lâu đời nhất, các con lăn trong vòng bi lăn có thể là hình cầu hoặc hình trụ. Phổ biến trong các ứng dụng như con lăn băng tải. Do hình dạng của chúng, vòng bi lăn có bề mặt tiếp xúc lớn hơn vòng bi, do đó có thể xử lý tải trọng lớn hơn mà không bị biến dạng. Hình dạng của chúng cũng cho phép tải trọng lực vừa phải vì trọng lượng được phân bổ trên các tiếp điểm dòng xi lanh thay vì các tiếp điểm điểm hình cầu.

Vòng bi kim
Khi bạn cần giảm ma sát giữa hai bộ phận chuyển động nhưng có không gian rất hạn chế để làm như vậy, vòng bi kim có thể là thứ bạn đang tìm kiếm. Ổ lăn kim là ổ lăn có con lăn có chiều dài ít nhất gấp bốn lần đường kính của chúng. Mặc dù có tiết diện thấp, diện tích bề mặt lớn của ổ lăn kim cho phép chúng hỗ trợ tải trọng xuyên tâm cực cao.

Chúng thường bao gồm một cái lồng, có định hướng và chứa các con lăn kim và một chủng tộc bên ngoài, đôi khi chính là nhà ở. Các vòng bi thường có thể được tìm thấy trong hai sắp xếp khác nhau. Đầu tiên là sự sắp xếp theo hướng xuyên tâm, trong đó các con lăn chạy song song với trục. Thứ hai là sự sắp xếp lực đẩy, trong đó các con lăn được đặt phẳng theo mô hình xuyên tâm và chạy vuông góc với trục.

Những vòng bi này thường được sử dụng trong các ứng dụng ô tô, chẳng hạn như trục cánh tay rocker, máy bơm, máy nén và truyền. Trục truyền động của xe dẫn động cầu sau thường có ít nhất tám vòng bi (bốn trong mỗi khớp chữ U) và thường nhiều hơn nếu nó đặc biệt dài hoặc hoạt động trên các sườn dốc.

Vòng bi đẩy chặn được thiết kế để sử dụng trong các ứng dụng với tải trọng trục chủ yếu và có khả năng xử lý sai lệch trục. Những vòng bi này cũng hữu ích trong các ứng dụng tốc độ cao, chẳng hạn như trong ngành hàng không vũ trụ và ô tô.

Vòng bi đẩy chặn được thiết kế sao cho tải được truyền từ đường này sang đường kia, nghĩa là các vòng bi này có thể chịu được tải trọng hướng tâm. Vòng bi như thế này cũng có khả năng tự sắp xếp khiến chúng miễn nhiễm với các sai lệch trục và căn chỉnh.

Vòng bi đặc trưng với các vòng tròn bên trong và bên ngoài với các con lăn hình côn được bố trí giữa chúng, góc cạnh để bề mặt của các con lăn hội tụ tại trục của ổ trục. Những vòng bi này là duy nhất ở chỗ, không giống như hầu hết các vòng bi có thể xử lý tải trọng trục hoặc hướng tâm, chúng có thể xử lý lượng tải lớn theo cả hai hướng.

Vòng bi côn đơn hàng bị hạn chế ở chỗ nó chỉ có thể chịu tải trọng trục cao từ một hướng, nhưng nếu được điều chỉnh theo vòng bi côn thứ hai, tải trọng trục đó bị phản tác dụng. Điều này cho phép các vòng bi chấp nhận tải trọng hướng tâm và hướng trục cao từ nhiều hướng.

Vòng bi côn có thể điều chỉnh độ lệch góc của vòng trong so với vòng ngoài chỉ trong một vài phút cung. Cũng như các vòng bi lăn khác, vòng bi lăn phải được cung cấp một tải trọng tối thiểu, đặc biệt là trong các ứng dụng tốc độ cao trong đó các lực quán tính và ma sát có thể làm hỏng các con lăn và mương.

Một biến thể: vòng bi tuyến tính là một biến thể của vòng bi hướng tâm. Chúng bao gồm một dãy các con lăn thẳng trong xe ngựa để mang tải trên một đường trượt hoặc đường ray thẳng hoặc cong. Các kỹ sư thường ghép vòng bi tuyến tính với một tay quay hoặc động cơ. Lưu ý rằng vòng bi tuyến tính trải qua các khoảnh khắc đảo ngược lực thay vì tải trọng hướng tâm và hướng trục.

Một biến thể khác: vòng bi trơn là dạng vòng bi đơn giản nhất hiện có, vì chúng không có bộ phận chuyển động. Chúng thường có dạng hình trụ, mặc dù thiết kế của ổ trục khác nhau tùy thuộc vào chuyển động dự định. Vòng bi trơn có sẵn trong ba thiết kế: tạp chí, tuyến tính và lực đẩy.

Vòng bi hỗ trợ chuyển động xuyên tâm trong đó một trục quay trong vòng bi. Vòng bi tuyến tính đi trong các ứng dụng yêu cầu tấm trượt, vì những vòng bi này cho phép chuyển động theo chuyển động tuyến tính. Vòng bi lực đẩy trơn làm công việc tương tự như vòng bi lăn, nhưng thay vì sử dụng các bộ phận lăn hình nón, sử dụng miếng đệm trong một vòng tròn xung quanh xi lanh. Những miếng đệm này tạo ra các vùng dầu hình nêm bên trong ổ đỡ giữa các miếng đệm và một đĩa quay, hỗ trợ lực đẩy được áp dụng và loại bỏ tiếp xúc kim loại trên kim loại.

Trong số tất cả các loại vòng bi có sẵn, vòng bi trơn có xu hướng ít tốn kém nhất. Chúng có thể được làm từ nhiều loại vật liệu bao gồm đồng, than chì và nhựa, chẳng hạn như nylon, PTFE và polyacet. Những cải tiến về đặc tính vật liệu đã làm cho vòng bi bằng nhựa ngày càng phổ biến trong những năm gần đây. Vòng bi trơn của tất cả các loại, tuy nhiên, nhẹ, nhỏ gọn và có thể mang tải trọng đáng kể.

Đối với bôi trơn có liên quan, một số vòng bi trơn đòi hỏi phải bôi trơn bên ngoài trong khi một số khác là tự bôi trơn. Ví dụ, vòng bi làm bằng đồng hoặc đa hình, có chứa chất bôi trơn trong thành của vòng bi, nhưng yêu cầu bôi trơn bên ngoài để tối đa hóa hiệu suất. Đối với các ổ trục trơn khác, vật liệu tự đóng vai trò là chất bôi trơn. Đó là trường hợp với vòng bi làm từ PTFE hoặc than chì kim loại.

Sự phổ biến ngày càng tăng của vòng bi nhựa trơn và các tiêu chuẩn công nghiệp ngày càng nghiêm ngặt đã dẫn đến nhiều người tiêu dùng yêu cầu vòng bi phải đáp ứng các tiêu chuẩn FDA và RoHS. Thậm chí đã có một lời kêu gọi các vòng bi đáp ứng các tiêu chuẩn của chỉ thị 10/2011 / EC của EU, trong đó cũng tính đến quá trình sản xuất vật liệu.

Bôi trơn cho con lăn vòng bi 
Một số kỹ sư xem chất bôi trơn là một phụ trợ đơn giản, lộn xộn của thời đại công nghiệp. Tuy nhiên, cũng giống như vòng bi lăn, bôi trơn là một công nghệ cổ xưa được chế tạo rất cao trong các hình thức hiện đại. Trên thực tế, các kỹ sư đã sử dụng chất lỏng để giảm ma sát hàng ngàn năm, nhưng sự ra đời của ngành công nghiệp dầu mỏ vào cuối thế kỷ 19 đã thúc đẩy việc bôi trơn ổ trục hiện đại. Ngày nay, chất bôi trơn ổ trục phục vụ một số chức năng:

• Tạo một rào cản giữa các bề mặt tiếp xúc lăn
• Tạo một rào cản giữa các bề mặt tiếp xúc trượt
• Bảo vệ bề mặt khỏi bị ăn mòn
• Niêm phong chống ô nhiễm
• Cung cấp truyền nhiệt (trong trường hợp dầu bôi trơn)

Dầu bôi trơn có dạng dầu hoặc mỡ. Dầu nhờn phổ biến nhất trong các ứng dụng nhiệt độ cao, tốc độ cao, cần truyền nhiệt ra khỏi bề mặt ổ trục làm việc. Dầu vòng bi là một loại dầu khoáng tự nhiên với các chất phụ gia để ngăn ngừa rỉ sét và oxy hóa hoặc dầu tổng hợp. Trong các loại dầu tổng hợp, bazơ thường là polyalphaolefin (PAO), polyalkylene glycols (PAG) và este. Mặc dù tương tự, dầu tổng hợp và khoáng sản cung cấp các tính chất khác nhau và không thể thay thế cho nhau. Dầu khoáng là phổ biến hơn của hai.

Đặc tính quan trọng nhất khi chỉ định dầu cho vòng bi là độ nhớt. Độ nhớt là thước đo ma sát bên trong của chất lỏng hoặc khả năng chống chảy. Chất lỏng có độ nhớt cao dày hơn như mật ong; chất lỏng có độ nhớt thấp mỏng hơn như nước. Các kỹ sư thể hiện khả năng chống chảy của chất lỏng trong Saybolt Universal Giây (SUS) và centistokes (mm2 / giây, cSt). Sự khác biệt về độ nhớt ở các nhiệt độ khác nhau là chỉ số độ nhớt (VI). Độ nhớt của dầu tương quan với độ dày màng mà nó có thể tạo ra. Độ dày này rất quan trọng đối với việc tách các phần tử lăn và trượt trong ổ trục. Vòng bi trong một số ứng dụng sử dụng dầu, nhưng dầu mỡ là chất bôi trơn được lựa chọn cho 80 đến 90% vòng bi.

Mỡ bao gồm khoảng 85% khoáng chất hoặc dầu tổng hợp với chất làm đặc làm tròn phần còn lại của khối lượng dầu mỡ. Các chất làm đặc thường là xà phòng kim loại lithium, canxi hoặc natri. Các công thức cho các ứng dụng nhiệt độ cao hơn thường bao gồm polyurea. Độ nhớt cao hơn của dầu mỡ giúp chứa nó trong vỏ bọc vòng bi. Các cân nhắc quan trọng nhất khi chọn dầu mỡ là độ nhớt của dầu gốc, khả năng chống gỉ, phạm vi nhiệt độ vận hành và khả năng chịu tải.

Các ứng dụng
Vòng bi rất nhiều trong cuộc sống hàng ngày và hầu hết thời gian chúng không được chú ý. Nhưng không có chúng, hầu hết các hệ thống chuyển động không thể hoạt động. Thiết kế đơn giản của vòng bi, khả năng hoạt động ở tốc độ cao và yêu cầu bảo trì tương đối thấp, khiến chúng trở thành một trong những vòng bi lăn phổ biến nhất được tìm thấy trong nhiều ứng dụng công nghiệp.

Ví dụ, vòng bi, bạc đạn Koyo dạng cầu thường đi trong động cơ điện cỡ nhỏ đến trung bình vì chúng có thể chứa cả tốc độ cao và tải trọng hướng tâm và hướng trục. Mặt khác, vòng bi tự sắp xếp là lý tưởng để sử dụng trong quạt. Những vòng bi này có hai hàng bóng với một đường đua chung ở vòng ngoài. Thiết kế này cho phép căn chỉnh góc trong khi vẫn duy trì độ chính xác khi chạy. Một cảnh báo: Chúng là một trong những vòng bi khó cài đặt chính xác nhất.

Vòng bi lăn hình côn là một dạng vòng bi khác mà mọi ngành công nghiệp phụ thuộc vào cách này hay cách khác. Chúng phổ biến trong các ứng dụng cần hỗ trợ cho tải trọng dọc trục và hướng tâm – ví dụ, trong một trung tâm lốp xe nơi ổ trục phải chịu được tải trọng xuyên tâm từ trọng lượng của xe và tải trọng trục có kinh nghiệm khi vào cua. Những vòng bi này cũng phổ biến trong các hộp số nơi chúng thường được gắn với ổ đỡ thứ hai cùng loại theo hướng mặt đối mặt hoặc quay trở lại. Họ cung cấp hỗ trợ trục cứng nhắc, giữ độ lệch đến mức tối thiểu. Điều này làm giảm độ lệch trục giảm thiểu tối đa phản ứng ngược của bánh răng. Vòng bi côn cũng có lợi thế là có khối lượng ít hơn nhưng hiệu quả cao, tuy nhiên điều này làm hạn chế tốc độ chung của chúng.

Trong các ứng dụng nơi vòng bi được gắn theo chiều dọc, chúng thường được định hướng trong thiết lập trực diện, trong khi các ứng dụng nằm ngang sử dụng thiết lập quay lại. Một số máy bơm sử dụng thiết kế này vì mối quan tâm lệch trục.