Vòng bi tiếp xúc góc hai dãy là gì?

A vòng bi tiếp xúc góc hai dãy là một ổ bi lăn có chứa hai hàng bi được sắp xếp cạnh nhau trong một vòng ngoài duy nhất, cả hai hàng tiếp xúc với mương của chúng ở một góc tiếp xúc xác định—thường là 25° hoặc 30° —không phải ở góc 90° so với trục ổ trục. Hình dạng tiếp xúc góc này cho phép ổ trục chịu đồng thời tải trọng hướng tâm (vuông góc với trục) và tải trọng trục (dọc theo trục trục) theo cả hai hướng, trong khi việc bố trí hai hàng cung cấp khả năng chịu tải cao hơn đáng kể và độ cứng cao hơn trước mô men nghiêng so với ổ trục tiếp xúc góc một hàng có cùng đường kính ngoài.

Trong thuật ngữ kỹ thuật thực tế, vòng bi tiếp xúc góc hai hàng thay thế những gì lẽ ra sẽ yêu cầu hai vòng bi tiếp xúc góc một hàng riêng biệt được gắn mặt đối mặt hoặc lưng đối lưng, làm như vậy trong không gian trục hẹp hơn và không cần tải trước phù hợp trong quá trình lắp ráp. Điều này làm cho nó trở thành giải pháp vòng bi hiệu quả cao cho các ứng dụng kết hợp tải trọng kết hợp nặng với hạn chế về không gian—đáng chú ý nhất là trục quay máy công cụ, trục bánh xe ô tô, hộp số và máy bơm.

Nguyên tắc tiếp xúc góc: Tại sao góc tiếp xúc lại quan trọng

Đặc điểm xác định của bất kỳ ổ trục tiếp xúc góc nào—hàng đơn hoặc hàng đôi—là góc tiếp xúc: góc giữa đường nối các điểm tiếp xúc của quả bóng với mương bên trong và bên ngoài và mặt phẳng vuông góc với trục ổ trục. Trong ổ bi rãnh sâu, góc này thực tế bằng 0 trong điều kiện không tải; trong ổ trục tiếp xúc góc, nó là một hình dạng cố định được thiết kế.

Góc tiếp xúc ảnh hưởng đến khả năng tải như thế nào

Góc tiếp xúc xác định tỷ lệ giữa khả năng chịu tải hướng trục và hướng tâm. Góc tiếp xúc lớn hơn làm tăng khả năng chịu tải dọc trục so với khả năng xuyên tâm; góc tiếp xúc nhỏ hơn thì ngược lại. Mối quan hệ này gần như tuyến tính trong phạm vi góc tiếp xúc thực tế được sử dụng trong vòng bi thương mại:

• Góc tiếp xúc 15° - công suất hướng tâm tương đối cao, công suất hướng trục vừa phải; được sử dụng khi tải trọng xuyên tâm chiếm ưu thế và cần một số hỗ trợ tải trọng trục
• Góc tiếp xúc 25° - khả năng hướng tâm và hướng trục cân bằng; góc phổ biến nhất trong vòng bi tiếp xúc góc hai dãy dùng cho máy công cụ nói chung và các ứng dụng máy bơm
• Góc tiếp xúc 30° - khả năng chịu lực dọc trục cao hơn; được sử dụng trong các ứng dụng có lực dọc trục được duy trì đáng kể, chẳng hạn như một số cách bố trí hộp số và máy nén
• Góc tiếp xúc 40° hoặc 45° - khả năng chịu lực dọc trục rất cao; được tìm thấy trong các ứng dụng chuyên dùng lực đẩy; ít phổ biến hơn trong cấu hình hàng đôi

Ảnh hưởng của tải trọng trục cảm ứng

Ổ trục tiếp xúc góc một hàng chịu tải hướng tâm sẽ tạo ra thành phần lực dọc trục bên trong do góc tiếp xúc của nó—đây là tải trọng dọc trục cảm ứng. Khi hai vòng bi tiếp xúc góc một hàng được ghép cặp, chúng được bố trí sao cho tải trọng dọc trục cảm ứng của chúng đối lập nhau và triệt tiêu. Trong ổ trục tiếp xúc góc hai hàng, sự cân bằng này đạt được bên trong bộ phận ổ trục đơn vì hai hàng có góc tiếp xúc đối nhau: một hàng chịu lực dọc trục theo một hướng, hàng kia chịu lực dọc trục theo hướng ngược lại. Kết quả là một ổ trục vốn đã được cân bằng cho tải trọng dọc trục hai chiều mà không cần bất kỳ sự bố trí lắp đặt đặc biệt nào.

Cấu trúc và hình học bên trong của ổ trục tiếp xúc góc hai dãy

Việc hiểu cấu trúc bên trong của ổ trục tiếp xúc góc hai hàng sẽ giải thích được cả ưu điểm về hiệu suất và các yêu cầu vận hành cụ thể của nó.

Vòng ngoài

Vòng ngoài là một bộ phận nguyên khối có hai rãnh mương được gia công theo độ cong chính xác cần thiết cho kích thước bi và góc tiếp xúc được chỉ định. Cấu trúc nguyên khối đảm bảo độ đồng tâm hoàn hảo giữa hai mương và mang lại độ cứng kết cấu giúp hàng đôi chịu được mô men nghiêng—một khả năng không có trong cách sắp xếp hàng đơn ghép đôi trong đó hai vòng là các bộ phận độc lập.

Vòng trong: Một mảnh hoặc chia đôi

Vòng trong của ổ trục tiếp xúc góc hai hàng có thể là kết cấu một mảnh hoặc kết cấu tách rời (hai mảnh). Vòng trong nguyên khối mang lại độ cứng tối đa và được sử dụng trong phần lớn các thiết kế hàng đôi tiêu chuẩn. Vòng trong tách rời—trong đó vòng trong bao gồm hai nửa có thể tách rời—cho phép lắp ráp các bộ phận bi lớn hơn, tăng khả năng chịu tải; tuy nhiên, khớp nối phân chia tạo ra nguồn tập trung ứng suất tiềm ẩn và giới hạn tốc độ tối đa mà ổ trục có thể hoạt động đáng tin cậy.

Bóng bổ sung và lồng

Mỗi hàng của vòng bi tiếp xúc góc hai hàng chứa đầy đủ các quả bóng—số lượng quả bóng tối đa có thể chứa được trong khi vẫn duy trì khoảng cách tối thiểu cần thiết giữa các quả bóng liền kề. Lồng (bộ phận giữ) duy trì khoảng cách bóng đồng đều trong mỗi hàng, ngăn chặn sự tiếp xúc giữa bóng với bóng và dẫn bóng qua vùng không tải khi ổ trục quay. Vòng cách cho vòng bi tiếp xúc góc hai hàng thường được làm từ thép ép, polyamit (nylon) hoặc đồng thau gia công, tùy thuộc vào tốc độ vận hành, nhiệt độ và điều kiện bôi trơn.

Tải trước

Vòng bi tiếp xúc góc hai dãy được sản xuất với một tải trước bên trong xác định—một lực nén trước được áp dụng cho các quả bóng giữa mương vòng trong và vòng ngoài trong quá trình sản xuất, trước khi áp dụng bất kỳ tải trọng bên ngoài nào. Tải trước này giúp loại bỏ khe hở bên trong, tăng độ cứng của ổ trục và cải thiện đáng kể độ chính xác khi chạy. Tải trước được chỉ định là nhẹ (C), trung bình (CA) hoặc nặng (CB) và là thông số quan trọng đối với các ứng dụng trục chính máy công cụ yêu cầu độ chính xác lệch tâm dưới micromet. Ổ trục có tải trước quá mức sẽ quá nóng và hỏng sớm; tải trước không đủ sẽ tạo ra rung động và giảm độ chính xác khi chịu tải.

Đặc tính hiệu suất: Khả năng chịu tải, độ cứng và tốc độ

Các đặc tính hoạt động của vòng bi tiếp xúc góc hai hàng được xác định bởi hình dạng, kích thước cũng như vật liệu và chất lượng của các bộ phận của chúng. Các mối quan hệ định lượng sau đây là trọng tâm để hiểu khi nào và tại sao phải chỉ định loại ổ trục này.

Khả năng tải động và tĩnh

Định mức tải trọng động (C) của ổ trục tiếp xúc góc hai hàng—tải trọng mà ổ trục có tuổi thọ định mức lý thuyết là một triệu vòng quay—là xấp xỉ 1,6 đến 1,8 lần mức tải trọng động của ổ trục tiếp xúc góc một dãy có thể so sánh được có cùng đường kính và dãy lỗ khoan. Sự gia tăng này phản ánh số hàng bóng bổ sung chia sẻ tải trọng tác dụng. Xếp hạng tải trọng tĩnh (C₀), xác định tải trọng tối đa mà ổ trục có thể duy trì mà không gây ra biến dạng vĩnh viễn của mương hoặc bi, cho thấy mức tăng tỷ lệ tương tự so với các mức tương đương một hàng.

Độ cứng và khả năng mô men nghiêng

Độ cứng của ổ trục—khả năng chống lại sự biến dạng đàn hồi khi chịu tải—là một thông số quan trọng trong các trục máy công cụ, trong đó độ lệch trực tiếp chuyển thành sai số kích thước trong phôi được gia công. Vòng ngoài nguyên khối của ổ trục tiếp xúc góc hai hàng cung cấp một khoảng cách cố định, xác định giữa các điểm tiếp xúc của hai hàng, tạo ra cánh tay đòn ổn định chống nghiêng trục dưới tải trọng dụng cụ nhô ra hoặc lực phôi lệch tâm. Khả năng chống mômen nghiêng này là một trong những lý do chính khiến vòng bi tiếp xúc góc hai hàng là lựa chọn tiêu chuẩn trong trục máy công cụ cho cả thiết bị tiện, phay và mài bằng tay và CNC.

Giới hạn tốc độ

Tốc độ vận hành tối đa của ổ trục tiếp xúc góc hai hàng thấp hơn tốc độ vận hành tối đa của ổ trục tiếp xúc góc một hàng tương đương, do nhiệt sinh ra lớn hơn từ hai hàng con lăn và ứng suất bên trong cao hơn liên quan đến hoạt động được tải trước. Danh mục vòng bi thường chỉ định hai giới hạn tốc độ:

• Giới hạn tốc độ nhiệt - tốc độ sinh và tiêu tán nhiệt đạt đến trạng thái cân bằng trong điều kiện bôi trơn chuẩn; vượt quá giới hạn này sẽ gây ra sự gia tăng nhiệt độ lũy tiến làm suy giảm chất bôi trơn và làm tăng tốc độ mài mòn của vòng bi
• Giới hạn tốc độ cơ học - tốc độ mà lực ly tâm của lồng và quả bóng đạt đến giới hạn kết cấu của vật liệu lồng; thường cao hơn giới hạn nhiệt đối với hầu hết các vòng bi được bôi trơn

Đối với ổ trục tiếp xúc góc hai hàng điển hình có đường kính lỗ khoan 70 mm, giới hạn tốc độ trong phạm vi 5.000 đến 12.000 vòng/phút là phổ biến tùy thuộc vào dòng sản phẩm, vật liệu vòng cách, phương pháp bôi trơn và mức tải trước. Sự bôi trơn bằng phun sương hoặc phun dầu giúp tăng tốc độ có thể đạt được vượt quá giới hạn nhiệt được bôi trơn bằng mỡ.

Vòng bi tiếp xúc góc hai dãy so với các bố trí vòng bi thay thế

Để hiểu vị trí phù hợp nhất của vòng bi tiếp xúc góc hai dãy, hãy so sánh chúng với các lựa chọn thay thế phổ biến nhất để làm rõ những ưu điểm và hạn chế cụ thể của chúng.

Các ứng dụng chính của Vòng bi tiếp xúc góc đôi hàng

Sự kết hợp cụ thể của các đặc tính được cung cấp bởi vòng bi tiếp xúc góc hai hàng khiến chúng trở thành thiết kế tối ưu cho một số ứng dụng đòi hỏi khắt khe trong đó các giải pháp thay thế không đủ hoặc kém hiệu quả hơn.

Trục máy công cụ

Trục máy công cụ—trong máy tiện, máy phay, máy mài và trung tâm gia công—yêu cầu vòng bi đồng thời rất cứng, rất chính xác, có khả năng chịu lực cắt hướng tâm và hướng trục kết hợp, đồng thời đủ nhỏ gọn để vừa với hộp trục chính. Vòng bi tiếp xúc góc hai dãy, được chỉ định trong cấp độ chính xác ISO P5, P4 hoặc P2 (tương đương với ABEC 5, 7 hoặc 9), đạt được giá trị đảo hướng tâm thấp đến mức 1 đến 3 micromet trong các lớp có độ chính xác cao nhất, cho phép hoàn thiện bề mặt và dung sai kích thước trong các phôi được gia công mà không thể thực hiện được với các bố trí vòng bi có độ chính xác thấp hơn.

Trung tâm bánh xe ô tô

Cụm trục bánh trước không dẫn động của ô tô hiện đại (và trong một số thiết kế, cụm bánh sau) sử dụng vòng bi tiếp xúc góc hai hàng làm bộ phận chịu tải trung tâm. Trọng lượng xe đóng vai trò như một tải trọng hướng tâm lớn, lực vào cua bổ sung thêm thành phần trục hai chiều, phanh và khả năng tăng tốc tạo ra mô men nghiêng ở trục bánh xe—sự kết hợp khiến cho tiếp xúc góc hai hàng trở thành sự lựa chọn tự nhiên. Vòng bi trục bánh xe dành cho ô tô thường là các bộ phận được làm kín trọn đời với mặt bích tích hợp để gắn bánh xe và đĩa phanh, không yêu cầu điều chỉnh bôi trơn tại hiện trường trong suốt thời gian sử dụng của chúng. 150.000 đến 250.000 km .

Máy bơm, máy nén và quạt

Máy bơm và quạt ly tâm tạo ra tải trọng hướng tâm đáng kể từ trọng lượng cánh quạt và lực thủy lực/khí động học, kết hợp với tải trọng dọc trục do chênh lệch áp suất và độ lệch của đai hoặc khớp nối. Vòng bi tiếp xúc góc hai hàng trong thân ổ trục của những máy này xử lý các tải kết hợp này một cách hiệu quả đồng thời mang lại độ chính xác khi vận hành cần thiết để bịt kín trục đáng tin cậy—một yêu cầu quan trọng vì hỏng phốt trục là nguyên nhân chính gây ra thời gian ngừng hoạt động của máy bơm trong hầu hết hồ sơ bảo trì nhà máy.

Hộp số và hộp giảm tốc

Trong các giai đoạn bánh răng côn và bánh răng xoắn, hình dạng bánh răng tạo ra đồng thời cả lực hướng tâm và lực dọc trục trên trục. Vòng bi tiếp xúc góc hai hàng đơn có thể chịu các tải trọng kết hợp này tại trục bánh răng, thay thế những gì lẽ ra cần có hai vòng bi một hàng trong bố trí nhịp. Điều này giúp đơn giản hóa thiết kế vỏ hộp số, giảm số lượng bộ phận và giảm thời gian lắp ráp—tất cả đều góp phần giảm chi phí sản xuất cho nhà thiết kế hộp số.

Robot và khớp quay chính xác

Các khớp nối rô-bốt công nghiệp và các bệ định vị quay chính xác yêu cầu vòng bi có độ cứng rất cao, độ đảo thấp và khả năng chịu tải trọng từ cánh tay đúc hẫng và tải trọng. Vòng bi tiếp xúc góc hai dãy có mặt cắt mỏng—đặc trưng bởi mặt cắt ngang rất mỏng so với đường kính lỗ khoan—được sử dụng trong các mối nối rô-bốt trong đó mỗi milimet không gian trục đều rất quan trọng và ổ trục phải cung cấp toàn bộ khả năng chịu tải của ổ trục có tiết diện sâu thông thường trong phạm vi một phần chiều rộng trục.

Chỉ định và đặc điểm kỹ thuật: Đọc mã vòng bi

Vòng bi tiếp xúc góc hai hàng được xác định bằng mã chỉ định tiêu chuẩn hóa mã hóa các thông số chính của vòng bi. Việc hiểu các mã này cho phép các kỹ sư chỉ định, tìm nguồn và tham chiếu chéo vòng bi từ các nhà sản xuất khác nhau.

Ký hiệu vòng bi tiếp xúc góc hai hàng điển hình tuân theo cấu trúc sau:

• Ký hiệu kiểu - tiền tố hoặc số dẫn xác định ổ trục là loại tiếp xúc góc hai hàng (ví dụ: 32, 33, 52, 53 trong hệ thống ký hiệu ISO/DIN, trong đó 52 và 53 biểu thị vòng bi tiếp xúc góc hai dãy có vòng trong một mảnh)
• Mã lỗ khoan - hai chữ số chỉ đường kính lỗ khoan (ví dụ: 08 = 40 mm, 10 = 50 mm, 12 = 60 mm trong hệ thống 5× đối với mã lỗ khoan 04 trở lên)
• Chuỗi chiều rộng - một chữ số biểu thị chiều rộng trục tương ứng với đường kính lỗ khoan
• Mã hậu tố - các chữ cái biểu thị góc tiếp xúc (A = 30°), mức tải trước (C, CA, CB), cấp chính xác (P5, P4, P2), độ kín (RS, 2RS) và loại lồng (M = đồng thau, TN = polyamit)

Ví dụ, một ổ trục được chỉ định 3206 A-2RS là ổ trục tiếp xúc góc hai dãy có lỗ khoan 30 mm, góc tiếp xúc 30° và gioăng cao su hai mặt để giữ dầu mỡ và loại trừ chất gây ô nhiễm trong các ứng dụng kín suốt đời.

Các cân nhắc về bôi trơn, làm kín và bảo trì

Việc bôi trơn đúng cách là điều cần thiết để đạt được tuổi thọ định mức của bất kỳ ổ trục lăn nào và ổ trục tiếp xúc góc hai hàng đưa ra các yêu cầu cụ thể khác với các loại ổ trục đơn giản hơn.

Mỡ bôi trơn cho các ứng dụng tiêu chuẩn

Phần lớn vòng bi tiếp xúc góc hai hàng trong các ứng dụng công nghiệp nói chung được bôi trơn bằng mỡ. Khoang ổ trục được đổ đầy dầu mỡ trong quá trình lắp ráp đến khoảng 30 đến 50% dung lượng trống — Đổ đầy quá sẽ tạo ra nhiệt do khuấy trộn và có thể gây hỏng ổ trục sớm. Đối với các vòng bi hoạt động ở tốc độ và nhiệt độ vừa phải, loại mỡ phức hợp lithium chất lượng cao có độ đặc NLGI 2 và phạm vi nhiệt độ từ -30°C đến 120°C là phù hợp. Để vận hành tốc độ cao hơn, mỡ bôi trơn có độ nhớt thấp hơn, tổn thất khuấy trộn thấp được chỉ định.

Dầu bôi trơn cho các ứng dụng máy công cụ tốc độ cao

Trong các trục máy công cụ hoạt động gần hoặc ở giới hạn tốc độ của ổ trục, có thể sử dụng bôi trơn bằng sương mù dầu, bôi trơn bằng dầu-không khí hoặc bôi trơn bằng tia dầu thay cho dầu mỡ. Những phương pháp này giúp bổ sung chất bôi trơn liên tục và làm mát tích cực ổ trục, cho phép vận hành ở tốc độ cao hơn 20 đến 50% so với giới hạn tốc độ nhiệt được bôi trơn bằng mỡ. Độ nhớt của chất bôi trơn được chọn dựa trên thông số tốc độ vận hành của ổ trục (n·dm, trong đó n là tốc độ tính bằng vòng/phút và dm là đường kính ổ trục trung bình tính bằng mm), với các loại dầu có độ nhớt thấp hơn được sử dụng ở các thông số tốc độ cao hơn.

Vòng bi kín và mở

Vòng bi tiếp xúc góc hai hàng có sẵn ở dạng cấu hình mở (không được che chắn), được che chắn (tấm chắn kim loại, ký hiệu 2Z) và kín (phớt cao su, ký hiệu 2RS). Vòng bi kín được đổ đầy dầu mỡ suốt đời và không cần bôi trơn lại—chúng là lựa chọn tiêu chuẩn cho trục bánh xe ô tô và cho các ứng dụng công nghiệp trong môi trường bị ô nhiễm, nơi việc thay thế vòng bi thực tế hơn việc bôi trơn định kỳ. Vòng bi hở được sử dụng trong trục máy công cụ và các ứng dụng chính xác khác trong đó hệ thống bôi trơn là một phần của thiết kế máy và sự nhiễm bẩn được kiểm soát bằng các phương tiện khác (phớt mê cung, áp suất không khí dương).