مبانی مهندسی: راهنمای جامع بلبرینگ ها (بخش اول)
مبانی مهندسی: راهنمای جامع بلبرینگ ها (بخش دوم)
۳. طراحی و کاربردهای یاتاقان‌های غلتشی (Rolling-element bearings)
یاتاقان‌های غلتشی که با نام یاتاقان‌های ضداصطکاک (antifriction bearings) نیز شناخته می‌شوند، نسبت به یاتاقان‌های ساده اصطکاک کمتر و نیاز کمتری به روانکاری دارند. نقش آن‌ها پشتیبانی و هدایت اجزای چرخان یا نوسانی ماشین مانند شافت‌ها، چرخ‌ها یا محور‌ها است و بارها را بین اجزای مختلف یک مجموعه منتقل می‌کنند.
این یاتاقان‌ها در اندازه‌های استاندارد تولید می‌شوند، به‌راحتی قابل تعویض بوده و مقرون‌به‌صرفه هستند. با به حداقل رساندن اصطکاک و امکان چرخش با سرعت‌های بالا، این یاتاقان‌ها حرارت و مصرف انرژی را کاهش داده و در نتیجه فرآیندها را کارآمدتر می‌سازند.
یاتاقان‌های ضداصطکاک معمولاً از دو مسیر غلتش (raceway) — حلقه‌ی داخلی و حلقه‌ی بیرونی —، المان‌های غلتان (که می‌توانند ساچمه یا غلتک باشند)، و قفسه‌ای تشکیل شده‌اند که المان‌های غلتان را در فواصل مشخص از هم جدا کرده و در جای خود نگه می‌دارد، در حالی‌که به آن‌ها اجازه چرخش آزاد می‌دهد.
اجزای یاتاقان‌ها
مسیرهای غلتش اجزایی از یاتاقان هستند که بارهای واردشده به دستگاه را تحمل می‌کنند. هنگامی که یاتاقان در یک مجموعه نصب می‌شود، حلقه‌ی داخلی روی محور یا شافت قرار می‌گیرد، در حالی‌که حلقه‌ی بیرونی درون پوسته (housing) جای می‌گیرد.
حلقه‌ها معمولاً از فولاد آلیاژی کروم مخصوص با خلوص و سختی بالا ساخته می‌شوند و سخت‌کاری، سنگ‌زنی و پرداخت (honing) می‌گردند. در صنایع خاصی که وزن کمتر موردنیاز است — مثلاً در صنعت خودروسازی — از مواد سرامیکی یا پلاستیکی نیز استفاده می‌شود. با این حال، این مواد نمی‌توانند دماها یا بارهایی به اندازه‌ی فولاد را تحمل کنند.
قفسه وظیفه دارد المان‌های غلتان را در جای خود نگه دارد و مانع از بیرون افتادن آن‌ها هنگام جابجایی یاتاقان شود. به لطف طراحی یاتاقان، بار هرگز مستقیماً بر قفسه وارد نمی‌شود. روش‌های مختلفی برای ساخت قفسه وجود دارد، از جمله قفسه‌های پرس‌شده، شکل‌داده‌شده و ماشین‌کاری‌شده. مواد متداول برای ساخت قفسه شامل فولاد، پلاستیک و برنج است.
در نهایت، المان‌های غلتان در دو گروه اصلی تقسیم می‌شوند که نوع پایه‌ای یاتاقان‌ها را نیز تعیین می‌کنند: ساچمه‌ها (در یاتاقان‌های ساچمه‌ای) و غلتک‌ها (در یاتاقان‌های غلتکی). در ساچمه‌ها تماس با مسیرهای غلتش در نقاط خاصی است، در حالی‌که در غلتک‌ها سطح تماس بزرگ‌تر و به صورت خطی است.
این ویژگی‌ها باعث می‌شود یاتاقان‌های ساچمه‌ای برای کاربردهایی که به سرعت‌های بالاتر نیاز دارند مناسب‌تر باشند، زیرا نواحی تماس کوچک‌تر منجر به اصطکاک چرخشی کمتر می‌شوند. با این حال، ظرفیت تحمل بار آن‌ها محدود است و در کاربردهایی که بارهای سنگین‌تر وجود دارد، یاتاقان‌های غلتکی ترجیح داده می‌شوند. به دلیل تماس بزرگ‌تر با مسیر غلتش، یاتاقان‌های غلتکی اصطکاک بیشتری دارند اما ظرفیت تحمل بار بالاتر و سرعت چرخش پایین‌تری دارند.
غلتک‌ها می‌توانند به شکل استوانه، مخروط، کره یا سوزنی ساخته شوند و معمولاً از فولاد آلیاژی کروم با خلوص بالا تهیه می‌شوند؛ هرچند در موارد خاص از مواد سرامیکی یا پلاستیکی نیز استفاده می‌شود.
یاتاقان‌های ساچمه‌ای (Ball Bearings)
یاتاقان‌های ساچمه‌ای بر اساس پیکربندی حلقه‌ها به دو گروه اصلی تقسیم می‌شوند:
- یاتاقان‌های ساچمه‌ای شیار عمیق (Deep Groove Ball Bearings)
- یاتاقان‌های ساچمه‌ای تماس زاویه‌ای (Angular Contact Ball Bearings)
هر دو نوع می‌توانند نیروهای شعاعی و محوری را تحمل کنند، بنابراین به‌ترتیب به یاتاقان‌های شعاعی و یاتاقان‌های محوری (Thrust Bearings) تقسیم می‌شوند.
یکی دیگر از معیارهای طبقه‌بندی، تعداد ردیف‌های ساچمه است — یک‌ردیفه، دو‌ردیفه یا چهار‌ردیفه — و اینکه آیا حلقه‌ها جداشدنی هستند یا خیر.
با توجه به این معیارها، چند مدل مختلف یاتاقان ساچمه‌ای داریم:
- ساچمه‌ای شیار عمیق یک‌ردیفه
- ساچمه‌ای تماس زاویه‌ای یک‌ردیفه
- ساچمه‌ای تماس زاویه‌ای دو‌ردیفه
- ساچمه‌ای چهار‌نقطه تماس
- ساچمه‌ای خودتنظیم
- یاتاقان ساچمه‌ای محوری یک‌جهته، و غیره
کاربرد یاتاقان‌های ساچمه‌ای از وسایل ساده‌ای مانند اسکیت‌برد گرفته تا ماشین‌آلات پیچیده یا موتورها گسترده است. در صنایع هوافضا، این یاتاقان‌ها در جعبه‌دنده‌ها، موتورها و قرقره‌ها به‌کار می‌روند. مواد مورد استفاده در این نوع یاتاقان‌ها می‌تواند شامل فولاد، سرامیک‌هایی مانند سیلیکون نیترید یا فولاد زنگ‌نزن ۴۴۰C با پوشش تیتانیوم کاربید باشد.
کاربردهای متداول دیگر شامل موتورها و ژنراتورها، پمپ‌ها و کمپرسورها، توربین‌ها، ماشین‌آلات کشاورزی، سیستم‌های انتقال نیرو، رباتیک، شیرآلات صنعتی و غیره است.
یاتاقان ساچمه‌ای شیار عمیق (Deep Groove Ball Bearings)
این نوع متداول‌ترین یاتاقان غلتشی است و در میان آن‌ها، نوع شیار عمیق بیشترین کاربرد را دارد. این یاتاقان‌های شعاعی ممکن است یک‌ردیفه یا دو‌ردیفه باشند و در انواع مختلفی مانند نوع Conrad یا Slot-fill ساخته می‌شوند.
نام این نوع از روی شیارهای عمیق موجود در حلقه‌های داخلی و خارجی گرفته شده است. در طراحی Conrad، حلقه داخلی در ابتدا به صورت خارج از مرکز نسبت به حلقه بیرونی قرار می‌گیرد و ساچمه‌ها از شکاف ایجادشده بین دو حلقه وارد یاتاقان می‌شوند. سپس حلقه‌ها هم‌مرکز شده و قفسه به آن اضافه می‌شود.
در نوع Slot-fill، امکان افزودن تعداد بیشتری ساچمه وجود دارد که ظرفیت بار شعاعی را افزایش می‌دهد، اما توان تحمل بار محوری کاهش می‌یابد.
یاتاقان‌های شیار عمیق ممکن است باز (Open) باشند — که روانکاری را آسان می‌کند ولی در معرض گردوغبار هستند — یا دارای محافظ (Shield) و آب‌بند (Seal) باشند که مانع آلودگی و نشت گریس می‌شوند.
قفسه‌ها معمولاً از فولاد، برنج یا پلی‌آمید ساخته می‌شوند. این یاتاقان‌ها چندمنظوره، مقاوم در برابر سایش، مناسب برای سرعت‌های بالا و نیازمند نگهداری کم هستند.
یاتاقان ساچمه‌ای تماس زاویه‌ای (Angular Contact Ball Bearings)
این نوع در طرح‌های متنوعی مانند تک‌ردیفه، دو‌ردیفه، جفت‌شده یا چهار‌نقطه تماس ساخته می‌شود. طراحی آن‌ها به‌گونه‌ای است که می‌توانند هم نیروهای محوری و هم نیروهای شعاعی را تحمل کنند.
برخلاف نوع شیار عمیق، در این یاتاقان‌ها مسیرهای غلتش نامتقارن‌اند و زاویه‌ی تماس بین ساچمه و حلقه‌ها در حین عملکرد شکل می‌گیرد. زاویه تماس معمولاً بین ۱۰ تا ۴۵ درجه است و با افزایش زاویه، ظرفیت تحمل نیروی محوری نیز افزایش می‌یابد.
این یاتاقان‌ها می‌توانند با آب‌بند یا محافظ تولید شوند و از فولاد ضدزنگ، مواد هیبریدی سرامیکی یا پلاستیک ساخته شوند و ممکن است از پیش روانکاری شده یا قابل روانکاری مجدد باشند.
یاتاقان‌های غلتکی (Roller Bearings)
یاتاقان‌های غلتکی بر اساس شکل غلتک‌ها به چهار گروه اصلی تقسیم می‌شوند:
- غلتکی استوانه‌ای (Cylindrical Roller Bearings)
- سوزنی (Needle Roller Bearings)
- مخروطی (Tapered Roller Bearings)
- غلتکی کروی (Spherical Roller Bearings)
غلتکی استوانه‌ای
طراحی شده برای تحمل بارهای شعاعی سنگین و بارهای محوری متوسط. این یاتاقان‌ها اصطکاک کم، صدای پایین و عمر طولانی دارند و برای سرعت‌های بالا مناسب‌اند.
در مدل‌های تک‌ردیفه، دو‌ردیفه و چهار‌ردیفه تولید می‌شوند. در برخی طرح‌ها قفسه حذف می‌شود تا ظرفیت بار افزایش یابد ولی سرعت مجاز کاهش پیدا می‌کند.
کاربردها: تولید نفت، نیروگاه‌ها، معادن، موتورهای الکتریکی، فن‌ها، پمپ‌ها، گیربکس‌ها و ماشین‌آلات نورد.
غلتکی کروی
مناسب برای سرعت‌های پایین تا متوسط و بارهای سنگین. خودتنظیم بوده و در شرایط ناهماهنگی زاویه‌ای، ارتعاش یا آلودگی عملکرد خوبی دارند.
طراحی شامل حلقه داخلی با دو مسیر غلتش، حلقه بیرونی کروی و دو ردیف غلتک استوانه‌ای است. این یاتاقان‌ها مقاوم، دارای اصطکاک کم و عمر طولانی هستند و در توربین‌های بادی، پمپ‌ها، فن‌ها و ماشین‌آلات سنگین استفاده می‌شوند.
غلتکی سوزنی
در این نوع، غلتک‌ها به شکل استوانه‌های نازک شبیه سوزن هستند. با وجود اندازه کوچک، ظرفیت بار بالایی دارند و فضای کمی اشغال می‌کنند.
دارای اصطکاک پایین، صلبیت زیاد و مناسب برای حرکت‌های نوسانی هستند. در صنایع خودروسازی (گیربکس، پمپ‌ها)، کشاورزی، ابزار برقی و لوازم خانگی استفاده می‌شوند.
انواع مختلف شامل:
- نوع شعاعی و نوع محوری
- نوع جامد، نوع فنجانی (Drawn Cup)، نوع ترکیبی (Radial + Thrust)
- رولرهای قفسه‌دار یا بدون قفسه
غلتکی مخروطی
شامل حلقه داخلی (Cone)، حلقه خارجی (Cup)، قفسه و غلتک‌های مخروطی است. این طراحی اجازه می‌دهد بارهای شعاعی و محوری سنگین در یک جهت تحمل شوند.
در انواع تک‌ردیفه، دو‌ردیفه و چهار‌ردیفه تولید می‌شوند و معمولاً در چیدمان‌های پشت‌به‌پشت برای تحمل نیرو از هر دو جهت به‌کار می‌روند.
کاربردها شامل یاتاقان چرخ خودرو، ماشین‌آلات کشاورزی، تجهیزات معدنی، توربین‌های بادی و گیربکس‌ها است.