Các Yếu Tố Cơ Bản Để Lựa Chọn Vòng Bi, Bạc Đạn, Ổ Lăn

Mỗi loại ổ lăn đều có các đặc tính riêng, dựa trên thiết kế, giúp cho ổ lăn phù hợp nhiều hay ít với một ứng dụng nào đó. Ví dụ, ổ bi đỡ có khả năng chịu tải hướng kính cũng như tải dọc trục ở mức trung bình. Các ổ lăn này, kể cả thế hệ ổ lăn tiết kiệm năng lượng (Energy Efficient) SKF E2, có thể được chế tạo với cấp chính xác làm việc cao vào được cung cấp với nhiều biến thể có mức vận hành êm ái khác nhau. Do đó, chúng thích hợp để sử dụng cho động cơ điện cỡ nhỏ và cỡ trung.

Ổ tang trống và ổ lăn hình xuyến (ổ CARB) có thể chịu tải trọng rất cao và có khả năng tự lựa. Các đặc tính này làm cho chúng được sử dụng phổ biến trong những ứng dụng có tải trọng cao, có độ võng và độ lệch trục lớn.

Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, những yếu tố khác cần được quan tâm và cân nhắc khi lựa chọn một ổ lăn, do đó, không thể đưa ra một quy tắc lựa chọn chung. Thông tin đưa ra trong bài viết này chỉ cung cấp các yếu tố quan trọng nhất cần được xét đến khi chọn một vòng bi, ổ lăn tiêu chuẩn.

11 yếu tố cơ bản khi lựa chọn vòng bi

- Không gian bố trí

- Tải trọng

- Độ lệch trục

- Tốc độ

- Độ ma sát

- Vận hành êm

- Độ cứng vững

- Dịch chuyển dọc trục

- Cách tháo lắp

- Giải pháp làm kín

Các yếu tố tổng giá phí của hệ thống và vấn đề tồn trữ cũng có thể ảnh hưởng đến việc lựa chọn. Một số các yếu tố quan trọng nhất cần được xem xét khi thiết kế một kết cấu ổ lăn được trình bày. Bao gồm khả năng chịu tải và tuổi thọ, độ ma sát, tốc độ cho phép, khe hở trong của ổ lăn hay dự ứng lực, bôi trơn và giải pháp làm kín.

Không gian bố trí

Trong nhiều trường hợp, các kích thước chính của ổ lăn được xác định trước bởi người thiết kế máy. Ví dụ, đường kính trục xác định đường kính lỗ ổ lăn.

Đối với trục có đường kính nhỏ, tất cả các loại ổ đỡ đều có thể được sử dụng, các loại ổ bi đỡ đều có thể được sử dụng, các loại ổ đỡ phổ thông nhất cũng như các loại ổ kim đều thích hợp (hình 13). Đối với trục có đường kính lớn, ổ đũa, ổ côn, ổ tang trống và ổ lăn hình xuyến (ổ CARB) cũng như ổ bi đỡ đều sử dụng được (hình 14).

Khi khoảng không gian hướng kính bị giới hạn, nên chọn các ổ lăn có mặt cắt ngang nhỏ, thí dụ ổ lăn trong dãy đường kính 8 hoặc 9. Cụm con lăn kim và vòng cách, ổ kim có vỏ thép dập và ổ kim có hoặc không có vòng trong (hình 15) rất thích hợp cũng như các dãy kích thước nhỏ của ổ bi đỡ, ổ bi chặn tiếp xúc góc, ổ đũa, ổ côn, ổ tang trống và ổ lăn hình xuyến và ổ lăn hình xuyến (ổ CARB).Khi khoảng không gian hướng dọc trục bị giới hạn, các dải có kích thước bề dày nhỏ của ổ đũa và ổ bi đỡ có thể được sử dụng để chịu tải hướng kính hoặc tải hỗn hợp (hình 16). Ổ kim kết hợp (hình 17) cũng có thể được sử dụng. Nếu chỉ có tải dọc trục mà thôi, cụm ổ kim và vòng cách (có hoặc không có các vòng đệm) cũng như các ổ bi chặn và ổ đũa chặn có thể được sử dụng (hình 18).

Tải trọng

Độ lớn tải trọng

Độ lớn của tải trọng thông thường là một trong những yếu tố để quyết định kích cỡ ổ lăn cần sử dụng. Thông thường, ổ đỡ con lăn có khả năng chịu tải cao hơn ổ đỡ bi có kích thước tương đương (hình 19). Ổ lăn loại không có vòng cách (số con lăn nhiều hơn) có khả năng chịu tải cao hơn ổ lăn tương ứng có vòng cách. Ổ bi thông thường được sử dụng trong những ứng dụng có tải trọng nhẹ và trung bình (P≤0.1C). Ổ đỡ con lăn được sử dụng trong những ứng dụng có tải trọng cao hơn (P>0.1C), hoặc khi trục có kích thước lớn.

Hướng của tải trọng - tải trọng hướng kính

Ổ đũa loại NU và N, ổ kim và ổ lăn hình xuyến (ổ CARB) chỉ có thể chịu được tải trọng hướng kính (hình 20). Tất cả các loại ổ đỡ khác đều có thể chịu một phần tải trọng dọc trục bên cạnh việc chịu tải hướng kính.

Tải dọc trục

Ổ bi chặn và ổ bi tiếp xúc bốn điểm (hình 21) chỉ chịu tải dọc trục nhẹ và trung bình. Ổ bi chặn một hướng chỉ có thể chịu được tải dọc trục ở một hướng. Đối với tải dọc trục tác động cả hai hướng thì ổ bi chặn hai hướng cần được sử dụng.

Ổ bi tiếp xúc góc có thể chịu được tải dọc trục trung bình ở tốc độ cao. Ở đây, ổ bi chịu tải một hướng có thể chịu cả tải hướng kính tác động cùng một lúc trong khi ổ bi chịu tải hai hướng thông thường được sử dụng để chỉ chịu tải dọc trục.

Đối với các trường hợp chỉ có tải dọc trục ở một hướng, có độ lớn từ trung bình đến nặng, ổ đũa và ổ côn chặn là những loại ổ lăn phù hợp để sử dụng. Ổ tang trống chặn (hình 23) có thể chịu tải dọc trục chỉ từ một hướng và tải hướng kính. Trong trường hợp tải dọc trục nặng tác động cả hai hướng, hai ổ đũa chặn hoặc hai ổ tang trống chặn có thể được lắp cặp.

Tải tổng hợp

Tải tổng hợp gồm có tải hướng kính và tải dọc trục tác động cùng một lúc. Khả năng chịu tải dọc trục của một ổ lăn được xác định bởi góc tiếp xúc a. Góc tiếp xúc này càng lớn, khả năng chịu tải dọc trục của ổ lăn càng lớn. Điều này được biểu thị bằng hệ số tính toán Y, trị số của hệ số này nhỏ đi khi góc tiếp xúc a tăng. Khả năng chịu tải dọc trục của ổ bi đỡ tùy thuộc vào thiết kế bên trong của ổ bi và khe hở trong sau khi lắp.

Trong trường hợp có tải tổng hợp, các loại ổ bi tiếp xúc góc một dãy và hai dãy, ổ côn lắp đơn thường được sử dụng mặc dù ổ bi đỡ và ổ tang trống cũng phù hợp (hình 24). Ngoài ra, ổ bi tự lựa và ổ đũa các loại NJ và NJP cũng như các loại NJ và NU có vòng chặn góc HJ có thể được sử dụng trong trường hợp có tải tổng hợp với thành phần tải dọc trục tương đối nhỏ (hình 25).

Ổ bi tiếp xúc góc một dãy, ổ côn lắp đơn, ổ đũa loại NJ có vòng chặn góc HJ và ổ tang trống chặn có thể chịu tải dọc trục nhưng chỉ ở một hướng. Trong trường hợp có tải dọc trục ở cả hai hướng, các ổ lăn này phải chịu được kết hợp với một ổ lăn thứ nhì. Vì lý do này, ổ bi tiếp xúc góc loại lắp cặp bất kỳ và bộ ổ côn lắp cặp được sản xuất.

Khi thành phần dọc trục được tải tổng hợp tương đối lớn, một ổ lăn thứ nhì, không chịu tải hướng kính, có thể được cần đến. Bên cạnh ổ chặn, một vài loại các ổ đỡ như ổ bi đỡ hoặc ổ tiếp xúc bốn điểm (hình 26) đều phù hợp. Để đảm bảo các ổ lăn này chỉ chịu tải dọc trục, vòng ngoài của ổ lăn phải được lắp có khe hở với thân ổ.

Tải momen

Khi tải tác động lệch tâm lên ổ lăn, momen xoắn sẽ xuất hiện. Các loại ổ lăn hai dãy như ổ bi đỡ và ổ bi tiếp xúc góc có thể chịu momen xoắn nhưng ổ bi tiếp xúc góc lắp cặp và ổ côn kiểu lưng đối lưng phù hợp hơn (hình 27).

Độ lệch trục

Góc lệch giữa trục và gối đỡ xảy ra khi trục bị võng dưới tác động của tải khi làm việc. Hiện tượng lệch trục cũng có thể xảy ra khi khoảng cách giữa hai ổ lăn lớn. Các ổ lăn có độ cứng vững cao như ổ bi đỡ và ổ đũa chỉ có thể chịu được một độ lệch góc khoảng vài phút (của cung lượng giác) mà không bị hỏng. Các loại ổ tự lựa như ổ bi đỡ tự lựa, ổ tang trống, ổ lăn hình xuyến (ổ CARB) và ổ tang trống chặn (hình 28), có thể bù trừ được độ lệch trục cũng như độ lệch ban đầu do sai sót khi gia công hoặc do sai sót khi lắp. Giá trị cho phép của độ lệch trục được cho trong mỗi chương liên quan đến loại ổ lăn tương ứng nếu độ lệch trục vượt quá giá trị cho phép, vui lòng liên hệ bộ phận kỹ thuật SKF.

Ổ bi có vòng đệm ổ mặt tựa cầu và vòng đệm đỡ, cụm ổ bi Y và ổ kim tự lựa (hình 29) có thể bù trừ độ lệch ban đầu phát sinh do sai sót khi gia công hoặc khi lắp.

Cấp chính xác

Khi nói đến ổ lăn, cấp chính xác được mô tả bằng các cấp độ dung sai khi làm việc và kích thước. Thông tin về cấp chính xác của mỗi loại ổ lăn được cho ở phần mở đầu của chương liên quan đến loại ổ lăn đó. SKF sản xuất một dải đa dạng các loại ổ lăn có độ chính xác cao gồm ổ bi tiếp xúc góc một dãy, ổ bi đũa một dãy và hai dãy, ổ bi chặn tiếp xúc góc một hướng và hai hướng.

Tốc độ

Nhiệt độ làm việc cho phép hạn chế tốc độ mà ổ lăn có thể làm việc được. Các loại ổ lăn có độ ma sát thấp và phát ít nhiệt do ma sát là những loại ổ lăn phù hợp nhất để làm việc ở tốc độ cao. Ổ bi đỡ và ổ bi tự lựa (hình 30) là hai loại ổ bi có tốc độ làm việc cao nhất khi tải tác động chỉ là tải hướng kính. Ổ bi tiếp xúc góc (hình 31) thường được sử dụng khi có tải tổng hợp. Điều này đặc biệt đúng với ổ bi tiếp xúc góc có độ chính xác cao và ổ bi đỡ có viên bi gốm, còn có tên gọi khác là ổ bi hybrid. Do thiết kế, ổ bi chặn không thể làm việc ở tốc độ cao như ổ bi đỡ.

Ma sát

Ổ lăn còn được gọi là “ổ chống ma sát”. Tuy nhiên, vẫn có một ít ma sát phát sinh bên trong khi ổ lăn làm việc. Một yếu tố gây ra ma sát lăn trong ổ lăn là do sự biến dạng đàn hồi của các con lăn và rãnh lăn dưới tác động của tải trọng. Các nguồn khác, bao gồm, nhưng không chỉ giới hạn, là ma sát trượt phát sinh giữa các con lăn và vòng cách, gờ chặn và vòng dẫn hướng, và giữa mặt tì của phớt với môi phớt. Ma sát của chất bôi trơn cũng góp phần vào ma sát toàn phần.

Một cách tổng quát, ổ bi có momen ma sát thấp hơn ổ lăn. Trong trường hợp ma sát thấp là yêu cầu thiết yếu, ổ lăn SKF tiết kiệm năng lượng (Energy Efficient - E2) là loại ổ lăn nên được xem xét để sử dụng. Momen ma sát trong của loại ổ lăn SKF E2 thấp hơn ít nhất 30% so với ổ lăn SKF tiêu chuẩn có cùng kích thước. Ổ lăn SKF E2 gồm nhiều loại:

- Ổ bi đỡ

- Ổ bi Y

- Ổ bi tiếp xúc góc hai dây

- Ổ côn một dãy

- Ổ tang trống

- Ổ đũa

Vận hành êm ái

Trong một số ứng dụng như động cơ điện nhỏ cho dụng cụ gia đình hoặc dụng cụ văn phòng, độ ồn khi vận hành là yếu tố quan trọng và có thể ảnh hưởng đến việc lựa chọn loại ổ bi phù hợp. SKF sản xuất nhiều biến thể, thiết kế ổ bi đỡ đặc biệt cho ứng dụng này.

Độ cứng vững

Độ cứng vững của một ổ lăn được biểu thị bằng độ lớn của biến dạng đàn hồi bên trong ổ lăn dưới tác động của tải trọng. Thông thường, độ biến dạng này rất nhỏ và có thể được bỏ qua. Tuy nhiên, trong những ứng dụng như trục chính máy công cụ và trong bộ truyền động vi sai, độ cứng vững lại là yếu tố rất quan trọng trong vận hành.

Do các điều kiện tiếp xúc giữa các con lăn và rãnh lăn, các ổ lăn như ổ đũa hoặc ổ côn (hình 32), có độ cứng vững cao hơn ổ bi. Có thể tăng độ cứng vững của ổ lăn bằng cách đặt một dự ứng lực cho ổ lăn.

Dịch chuyển dọc trục

Trục hoặc các chi tiết quay khác của thiết bị, thông thường được đỡ bằng một ổ lăn định vị và một ổ lăn không định vị.

Ổ lăn ở phía định vị phải có khả năng định vị trục theo hướng dọc trục ở cả hai phía. Ổ lăn phù hợp nhất để định vị là các loại ổ lăn chịu được tải tổng hợp hoặc có khả năng dẫn hướng dọc trục kết hợp với ổ lăn thứ nhì.

Ổ lăn không định vị phải chịu được chuyển động dọc trục của trục để tránh không bị quá tải khi trục giãn nở. Các loại ổ lăn phù hợp với vị trí không định vị gồm ổ kim, ổ đũa loại NU và N (hình 33). Ổ đũa loại NJ và một vài loại ổ đũa không vòng cách cũng có thể được sử dụng. Trong những ứng dụng yêu cầu có độ dịch chuyển dọc trục tương đối lớn và có thể có lệch trục, ổ CARB là lựa chọn lý tưởng nhất để làm ổ lăn không định vị (hình 34).

Tất cả các loại ổ lăn này cho khả năng dịch chuyển dọc trục giữa trục và gối đỡ, từ bên trong ổ lăn. Các giá trị về độ dịch chuyển dọc trục cho phép bên trong ổ lăn được kê trong bảng thông số kỹ thuật tương ứng.

Nếu sử dụng loại ổ lăn không tách rời, ví dụ ổ bi đỡ hoặc ổ tang trống (hình 35) làm ổ lăn bên phía không định vị, một trong hai vòng của ổ lăn phải được lắp lỏng.

Tháo và lắp

Vòng bi lỗ thẳng

Ổ lăn có lỗ thẳng tháo lắp dễ dàng hơn nếu là loại có thể tách rời, đặc biệt trong trường hợp cả hai vòng của ổ lăn phải có mối lắp chặt. Ổ lăn loại có thể tách rời cũng thường được chọn trong trường hợp phải tháo và lắp thường xuyên vì vòng có cụm con lăn và vòng cách của các ổ lăn này có thể được lắp độc lập với vòng kia, ví dụ, ổ bi tiếp xúc bốn góc, ổ đũa, ổ kim và ổ côn (hình 36), cũng như các ổ bi chặn và ổ lăn chặn.

Vòng bi lỗ côn

Ổ lăn có lỗ côn (hình 37) có thể được lắp dễ dàng lên ngỏng trục côn hoặc lên ngỏng trục thẳng bằng cách sử dụng một ống lót côn đẩy hoặc rút (hình 38).

Các giải pháp làm kín

Để giữ không cho chất bôi trơn lọt ra ngoài và ngăn không cho dị vật lọt vào ổ lăn, SKF sản xuất loại ổ lăn có nắp che bụi hoặc phớt chặn cao su:

- Nắp chắn bụi (hình 39)

- Phớt chặn loại không tiếp xúc (hình 40)

- Phớt chặn loại có độ ma sát thấp (hình 41)

- Phớt chặn loại tiếp xúc (hình 42)

Các ổ lăn này mang lại giải pháp kinh tế và ít choán chỗ cho nhiều ứng dụng. Nhiều loại ổ lăn được sản xuất với nắp chặn như: