Tài liệu chuyên khảo về vòng bi (Phần 1)

Gần đây công nghệ đã đạt được những tiến bộ đáng kể với tốc độ rất nhanh và cùng với nó là sự ra đời của một loạt các sản phẩm mới ở nhiều lĩnh vực khác nhau như máy tính, thiết bị tự động dành cho văn phòng, thiết bị nghe nhìn, thiết bị y tế và nhiều lĩnh vực khác nữa. Những tiến bộ đáng kinh ngạc này đã đem đến cho các doanh nghiệp sản xuất vòng bi một thức thách mới do nhu cầu về vòng bi tăng nhanh hơn bao giờ hết và đòi hỏi cao hơn về độ chính xác, độ tin cậy cũng như khả năng chịu tải. 

Các doanh nghiệp sản xuất các thiết bị công nghiệp luôn chịu áp lực đòi hỏi vòng bi có tốc độ cao hơn, mô-men ma sát nhỏ hơn, độ ồn và rung động ít hơn, ít, hoặc không cần bảo dưỡng, chịu được môi trường khắc nghiệt, và tích hợp được trong tổ hợp các thiết kế khác nhau. Bài viết này mang tính chất học thuật cao, chứa đựng hàm lượng thông tin khoa học - kỹ thuật về vòng bi. Nó phù hợp cho nhân viên kỹ thuật hoặc những ai thực sự muốn khám phá lĩnh vực vòng bi - một loại vật tư công nghiệp quan trọng bậc nhất.

1 Tổng quan về đặc điểm của vòng bi và phân loại

1.1 Thiết kế và phân loại

Vòng bi thường gồm có vòng trong, vòng ngoài, các con lăn và một vòng cách. Chúng được chia thành loại hướng kính hoặc chặn lọc trục tùy thuộc vào hướng của tải trọng chính. Ngoài ra, tùy theo loại con lăn, chúng lại được chia thành vòng bi cầu và vòng bi đũa. Và tùy thuộc sự khác nhau về thiết kế và mục đích sử dụng. Chúng sẽ được phân chia nhỏ hơn.

1.2 Đặc điểm của vòng bi

So với ổ trượt, ổ vòng bi có những ưu điểm chính sau:

• Mô men khởi động hay lực ma sát nhỏ và sự chênh lệch giữa mô men khởi động và mô men xoắn khi làm việc cũng nhỏ.
• Được tiêu chuẩn hóa quốc tế, vòng bi có mặt khắp nơi trên thế giới và có thể lắp lẫn được.
• Dễ bảo dưỡng thay thế và kiểm tra bởi kết cấu vòng bi đơn giản.
• Nhiều vòng bi có khả năng chịu được tải trọng hướng kính hoặc dọc trục đồng thời hay độc lập.
• Có thể sử dụng vòng bi ở các nhiệt độ khác nhau.
• Có thể tạo áp lực ban đầu( dự ứng lực) cho vòng bi để tăng cường độ cứng cho kết cấu ổ-trục..

2 Các loại vòng bi thường gặp trong thực tế

2.1 Vòng bi cầu một dãy

Là loại vòng bi phổ biến nhất,rộng rãi. Rãnh mặt lăn trên cả hai vòng đệm trong và ngoài đều có cùng bán kính lớn hơn một chút so với bi. Ngoài tải hướng kính vòng bi còn chịu được tải hướng trục trên hai hướng. Do mô men quay thấp nên chúng rất phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi tốc độ cao và tổn hao năng lượng thấp.

Ngoài các vòng bi loại mở, những vòng bi này thường có nắp chắn bảo vệ bằng thép hay bằng cao su trên một hoặc cả hai bên và được bôi trơn bằng dầu hoặc mỡ. Tương tự đôi khi vòng định vị cũng được dùng ở ngoài. Vòng cách làm bằng thép dập được sử dụng phổ biến nhất. Ký hiệu của vòng bi này thường có 4 mã số bắt đầu bằng số 6.

2.2 Vòng bi magneto

Có kết cấu tương tự vòng bi cầu, song rãnh trong của vòng bi loại này nông hơn một chút so với vòng bi cầu. Vì vòng ngoài chỉ có duy nhất một vai ở một bên nên có thể tách vòng ngoài ra khỏi vòng bi. Như thế sẽ dễ lắp hơn. Thông thường,  người ta cho hai vòng bi như vậy được ghép thành 1 cặp để dễ sử dụng.

Vòng bi magneto là loại vòng bi nhỏ có đường kính lỗ từ 4 đến 20mm và thường được dùng cho con quay hồi chuyển, dụng cụ chính xác… Loại này thường sử dụng vòng cách chịu lực bằng đồng.

2.3 Vòng bi cầu đỡ chặn

Vòng bi loại này còn có tên gọi là vòng bi tiếp xúc gpc, có khả năng chịu tải hướng tâm và hướng trục theo 1 hướng. Lực được truyền qua vòng bi này theo 4 loại góc( gọi là góc tiếp xúc) 15*, 25*, 30*, 40*. Góc tiếp xúc càng lớn, tải trọng hướng trục càng cao. Tuy nhiên, đối với các ứng dụng có tốc độ cao người ta vẫn ưa chuộng góc tiếp xúc nhỏ hơn. Thường thì người ta ghép cặp hai vòng bi loại này và khe hở giữa chúng được điều chỉnh cho thích hợp với yêu cầu chịu tải cũng như độ cứng vững của cụm ổ trục.

Vòng cách làm bằng thép dập được sử dụng rất phổ biến. Tuy nhiên đối với vòng bi chính xác cao có góc nghiêng tiếp xúc nhỏ hơn 30* người ta thường sử dụng vòng cách bằng nhựa polamit. Ký hiệu: gồm 4 mã số bắt đầu từ số 7.

2.4 Cụm vòng bi ghép cặp

Tổ hợp hai vòng bi hướng tâm được gọi là cụm vòng bi ghép cặp, và thường chúng được tạo thành từ vòng bi tiếp xúc góc hoặc vòng bi đũa côn. Ngoài ra, ta có thể tạo thêm những tổ hợp khác như đổi mặt, có mặt vòng ngoài tiếp xúc với nhau( loại DF ), giáp lưng (loại DB ), hay cả hai mặt trước cùng nhìn về một hướng ( loại DT ). Vòng bi đôi DF và DB đều có khả năng chịu tải hướng kính và tải hướng trục theo cả hai hướng. Người ta sử dụng loại DT khi có một tải hướng kính lớn trên 1 hướng và nên đặt tải lên mỗi vòng bi bằng nhau.

2.5 Vòng bi tiếp xúc góc hai dãy

Về cơ bản, vòng bi tiếp xúc góc hai dãy thực ra là hai vòng bi tiếp xúc với một dãy được lắp ráp lưng  vì chúng chỉ có một vòng tròn trong và một đệm ngoài, mỗi vòng đều có hai mặt rãnh lăn. Chúng có thể được tải hướng trục lên cả hai hướng.
Ký hiệu quốc tế của loại vòng bi này thường có 4 chữ số cơ bản bắt đầu bằng số 3 hoặc số 5.

2.6 Vòng bi tiếp xúc 4 điểm

Vòng trong và vòng ngoài của vòng bi này có thể tách rời riêng rẽ bởi vì vòng trong được chia nửa trên mặt phẳng xuyên tâm. Chúng chỉ chịu được tải hướng trục từ hai hướng. Vòng bi có góc truyền lực(góc tiếp xúc) 35*. Người ta thường dùng vòng bi loại này để thay thế cho hai vòng bi đỡ chặn ghép giáp mặt hay giáp lưng, để chịu tải trọng dọc trục của kết cấu.

Vòng cách gia công bằng đồng được sử dụng rất phổ biến. Ký hiệu quốc tế của chủng loại vòng bi này thường được bắt đầu bằng cụm từ QJ.

2.7 Vòng bi cầu tự lựa

Vòng bi loại này có hai dãy cầu bi, vòng trong có hai mặt lăn và vòng ngoài có một mặt lăn hình cầu với tâm mặt cầu trùng với trục của ổ. Do đó, trục của vòng trong bi và vòng cách có thể xoay quanh vòng này mà không gây ra ứng lực phụ tải nào. Điều này cho phép vòng bi có thể làm việc trong điều kiện có sự lệch trục giữa mặt trụ của vòng trong và vòng ngoài một góc nhỏ( lỗi gia công, hoặc và lắp ráp). Vì vậy, chúng có tên là vòng bi tự lựa. Loại vòng bi này thường có thể có lỗ côn dùng để lắp ráp bằng cách sử dụng ống lót côn.

Ký hiệu quốc tế của loại vòng bi này thường có 4 chữ số chính bắt đầu từ số 1 hoặc 2. Trong ổ loại này, con lăn hình trụ tiếp xúc trên một đường thẳng với mặt lăn. Chúng có thể chịu được tải trọng hướng kính rất lớn và phù hợp với vận tốc cao.

2.8 Vòng bi đũa

Có nhiều loại thiết kế khác nhau: NU, NJ, NUP, N và NF dành cho ổ một dãy và NNU, NN dành cho ổ hai dây, phụ thuộc vào thiết kế hay giờ cạnh.
Tất cả các vòng ngoài và trong đều có thể tách rời riêng biệt.

Một số vòng bi đũa không có giờ ở vòng trong hoặc vòng ngoài, cho nên các vòng đó có thể di chuyển tương đối với nhau theo hướng dọc trục. Những vòng bi này thường được sử dụng vào chức năng ổ tự do. Các vòng bi đũa có vòng trong hoặc vòng ngoài có hai gờ và vòng còn lại có một gờ, sẽ có khả năng chịu tải hướng trục theo một hướng. Vòng bi đũa hai dãy có độ cứng vững hướng tâm rất cao và chủ yếu được dùng cho các trục chính của máy công cụ chính xác.

2.9 Vòng Bi Kim

Vòng bi kim bao gồm nhiều con lăn hình trụ nhỏ với chiều dài gấp 3 đến 10 lần đường kính của chúng. Do đó, tỷ lệ giữa đường kính ngoài của ổ với đường kính đường tròn nội tiếp rất nhỏ và chúng chịu được tải trọng hướng kính rất lớn

Có rất nhiều loại khác nhau và nhiều loại trong số đó không có vòng trong. Loại hình chén( drawn-up) có vòng ngoài bằng thép dập, còn lại loại liền khối có vòng ngoài gia công bằng máy. Có cả những thiết kế chỉ có tổ hợp con lăn và vùng cách, mà không có vòng  trong ngoài. Hầu hết ổ này đều có vòng cách bằng thép dập, nhưng cũng có thiết kế không có vòng cách.

2.10 Vòng Bi Côn

Vòng bi côn sử dụng con lăn côn lăn quanh các mặt dẫn côn trên vòng trong và vòng ngoài. Những ổ này có khả năng chịu tải trọng hướng kinh và hướng trục ( trên một hướng )  rất cao. NSK sản xuất nhóm vòng bi côn đặc biệt, có ký hiệu bắt đầu bằng HR, có các con lăn côn có kích cỡ và số lượng cao hơn, do đó khả năng chịu được tải trọng cao hơn các vòng bi tiêu chuẩn.

Chúng ta thường được lắp thành đôi tương tự như vòng bi đầu cỡ chặn. Trong trường hợp này có thể đạt được khe hở trong thích hợp bằng cách điều chỉnh khoảng cách hướng trục giữa vòng trong, hoặc vòng ngoài của hai vòng bi đổi nhau. Do kết cấu của mình, vòng trong và vòng ngoài của vòng bi côn có thể lắp riêng biệt.

2.11 Vòng bi tang trống

Vòng thu tang trống có 2 dãy con lăn dạng tang trống ở giữa vòng trong có hai mặt lăn và vòng ngoài có một mặt lăn hình cầu. Vì tâm của bề mặt bên trên vòng ngoài trùng với trục của ô nên chúng có khả năng tự lựa tương tự như vòng bi cầu tự lựa tự chỉnh.

Vòng bi tang trống được đặc trưng bởi khả năng chịu tải trọng hướng kính rất lớn, đồng thời côn có thể chịu được tải hướng trục trên cả hai hướng. Cộng thêm khả năng tự lựa tốt, chúng là sự lựa chọn thường xuyên của các ứng dụng có tải trọng rất cao trong các thiết bị lớn.

Vòng bi loại này có thể có lỗ côn và có thể được lắp trực tiếp trên trục chính côn hoặc trục trụ sử dụng măng xông ( ống lót) côn.
Vòng cách thường được gia công đồng nguyên khối, đúc từ polyamit, hoặc làm từ thép dập. Ký hiệu quốc tế của vòng bi loại này thường có 5 chữ số chính bắt đầu bằng số 2.

2.12 Vòng bi chặn trục một hướng

Có kết cấu bao gồm vòng trên, vòng dưới và cụm con lăn-vòng cách đặt ở chính giữa. Vòng trên thường được lắp ghép chặt với trục, và có vai trục tựa lên để truyền lực dọc trục từ trục qua ổ. Vòng dưới thường được lắp ghép chặt với thân ổ và tựa vào vai ổ để truyền lực dọc trục lên thân máy.

2.13 Vòng bi chặn hai hướng

Vòng bi chặn hai hướng có 3 vòng đỡ, trong đó vòng ở giữa( vòng trung tâm) được gắn cố định vào trục, 2 vòng còn lại lắp ghép với thân ổ.
Để tăng khả năng tự lựa ( chịu sự lệch tâm trục do sai số lắp ráp) một số vòng bi chặn trục được chế tạo vơi đế dưới có mặt cầu, được lắp cùng 1 vòng đế khác.

Người ta thường sử dụng vòng cách làm bằng thép dập trong các vòng bi nhỏ hơn và vòng cách đồng gia công liền khối cho các vòng bi lớn hơn.
Ký hiệu quốc tế: gồm 5 chữ số bắt đầu bằng số 5.

2.14 Vòng bi chặn trục, bi tang trống

Có mặt con lăn hình cầu ở vòng trên và vòng dưới, có con lăn hình tang trống được lắp với 1 góc nghiêng 45*. Vì mặt lăn là mặt cầu nên những vòng bi này có khả năng tự lựa. Chúng có thể chịu tải trọng hướng trục rất lớn và có khả năng chịu tải hướng kính vừa phải. Người ta thường sử dụng vòng cách gia công đồng liền khối hoặc thép dập. Ký hiệu quốc tế: gồm 5 chữ số bắt  đầu từ 2 số 29.

3 Quy trình lựa chọn vòng bi

Vòng bi có rất nhiều ứng dụng khác nhau. Điều kiện và môi trường hoạt động cũng rất khác nhau. Điều kiện hoạt động và yêu cầu đối với vòng bi vẫn ngày một đa dạng hơn cùng với sự tiến bộ của KHCN. Để lựa chọn chính xác 1 vòng bi trong số hàng nghìn loại và kích cỡ có sẵn trên thị trường ta nên nghiên cứu vòng bi thật kỹ lưỡng từ nhiều góc độ khác nhau.

Khi lựa chọn 1 loại vòng bi cần xem xét điều kiện hoạt động, cách bố trí ổ đỡ, khả năng lắp đặt trong máy, khoảng không gian lắp ổ cho phép, chi phí, điều kiện thực tế và các yếu tố khác.

Sau khi lựa chọn kích thước ổ đáp ứng yêu cầu về tuổi thọ chúng ta cần quan tâm về các yếu tố khác: tuổi thọ mỡ bôi trơn, tiếng ồn, độ dao động, độ mòn, nhiệt độ. các yếu tố này sẽ ảnh hưởng đến tuổi thọ vận hành( thực tế) của vòng bi. Không có quy trình lựa chọn ổ cố định cho mọi ứng dụng. Bạn nên dựa trên kinh nghiệm từ các ứng dụng và nghiên cứu tương tự với các yêu cầu riêng cụ thể riêng của mình. Hãy liên hệ với STDP - tổng kho đại lý vòng bi NSK ở Việt Nam để nhận được tư vấn cần thiết.

Nếu bạn cảm thấy những thông tin này hữu ích với bản thân trong quá trình nghiên cứu về vòng bi, hãy tiếp tục ghé thăm website của chúng tôi để đón đọc những bài viết tiếp theo về chủ đề này nhé.

Sản phẩm doanh nghiệp: cong ty truyen thong