مقایسه کاربری بلبرینگ تماس زاویه ای و شیار عمیق

بلبرینگ های نوع شعاعی Axial ball bearing با توجه به گستردگی بسیار بالای شافت های افقی در صنایع از شافت های اتصال گیربکس ها گرفته تا الکتروموتور ها در طراحی های مختلفی عرضه می شوند. دو مورد از پر کاربرد ترین نوع بلبرینگ های شعاعی عبارتند از شیار عمیق Deep Groove Ball bearing و بلبرینگ تماس زاویه ای Angular contact ball bearing. اما این سوال پیش می آید که این دو نوع بلبرینگ چه تفاوت هایی در طراحی و کاربری دارند که در ادامه به مقایسه این دو نوع یاتاقان برینگ می پردازیم.

بلبرینگ های شیار عمیق پر کاربرد ترین نوع بلبرینگ های صنعتی هستند که در بسیاری از اتصالات محور های افقی که سرعت دورانی متوسطی دارند بکار می روند. این سری از بلبرینگ ها تنها دارای قابلیت تعلیق بار در جهت عمود بر محور یا بار شعاعی را دارند. البته در صورتیکه عمق شیار رینگ اتصالی بر روی ساچمه های این بلبرینگ زیاد باشد تا اندازه ای به قابلیت تعلیق بار های ترکیبی آن افزوده می شود. این در حالی است که بلبرینگ های تماس زاویه ای عملا بلبرینگ هایی هستند که نه تنها قابلیت تعلیق بار در راستای شعاعی را در تمام جهات دارند بلکه بار های محوری تک جهته را نیز تعلیق می کنند. از این منظر بلبرینگ تماس زاویه ای کاربری مشابه با رولبرینگ مخروطی دارد. این قابلیت از بلبرینگ تماس زاویه ای با استفاده از دو نوع طراحی مختلف در ساختار پدید می آید که به قرار زیر هستند.

• طراحی ویژه قفسه بلبرینگ تماس زاویه ای که به شکل کونیک یا مخروطی طراحی شده است و ساچمه ها بر روی یک بدنه زاویه دار قفسه قرار گرفته و بار های ترکیبی را تعلیق می کنند.
• طراحی ویژه رینگ های بلبرینگ تماس زاویه ای بگونه ای که لبه های داخلی رینگ ها دارای یک قوس که دو رینگ بیرونی و درونی قوس هایی در خلاف جهت دارند بگونه ای که خط شعاعی آنها با محور مرکزی بلبرینگ متقاطع است. این نوع طراحی رینگ نیز قابلیت تعلیق بار های ترکیبی را برای بلبرینگ تماس زاویه ای پدید می آورد.

به لحاظ کاربری اتصال بلبرینگ های تماس زاویه ای اغلب بر روی شافت هایی صورت می پذیرد که در وضعیت افقی قرار دارند اما به واسطخ سرعت زاویه ای بالایی که دارند در آستانه انحراف از محور قرار گرفته و قابلیت تعلیق بار های ترکیبی در بلبرینگ های تماس زاویه ای به تعلیق بار اضافی در آنها می پردازد.

مزایا و معایب بلبرینگ کف گرد نسبت به رولبرینگ کف گرد

در صنایع زمانیکه شافت اتصالی و دوار در وضعیت عمودی قرار دارد از نوع برینگ های کف گرد شامل بلبرینگ کف گرد، رولبرینگ کف گرد و حتی یاتاقان های پیچ و مهره ای کف گرد استفاده می شود. اما کجا و در چه شرایطی بلبرینگ کف گرد به رولبرینگ از این نوع ترجیح داده می شود و مزایا و معایب هر یک کدام هستند. در زیر به این موضوع می پردازیم.

ساختار برینگ های کف گرد در کل دارای دو بخش اصلی و ثابت یعنی ساچمه و قفسه Cage که وظیفه نگهداری ساچمه ها در شرایط و موقعیت مشخص را دارند تشکیل می شود. با این وجود اغلب برینگ های کف گرد دارای رینگ هایی که از بیرون ساچمه ها را پوشش می دهند نیز می باشند. در اتصال بلبرینگ و رولبرینگ کف گرد تمامی ساچمه ها بصورت هم فاز در ارتفاعی برابر در اتصال قرار می گیرند که این امر از تمرکز تنش بر روی ساچمه ها کاهش می دهد. این در حالی است که ساچمه های برینگ های شعاعی در ارتفاع های مختلفی قرار داشته و ساچمه ای که در بالای اتصال قرار دارد بیشترین میزان تنش فشاری و سایشی را تحمل می کند. البته لازم به ذکر است که هر چند تمرکز تنش کمتری بر روی ساچمه های بلبرینگ و رولبرینگ کف گرد وجود دارد اما با توجه به وضعیت عمودی شافت بخش عمده ای از وزن شافت و اتصالات مرتبط نیز بر روی بدنه برینگ قرار می گیرد. بنابراین در کل میزان بار وارده بر بلبرینگ های کف گرد بالاتر از بلبرینگ های شعاعی اما سرعت دورانی این اتصالات کمتر است.

تفاوت اصلی بلبرینگ و رولبرینگ کف گرد در نوع ساچمه های اتصالی آنها می باشد. این تفاوت شکل هندسی ساچمه ها هم بر روی قابلیت تعلیق، تمرکز تنش، اصطکاک و حرارت و هم بر روی درجه آزادی حرکتی تاثیر می گذارد. در یک مقایسه ساده بین بلبرینگ و رولبرینگ کف گرد می توان گفت.

• میزان تمرکز تنش در ساچمه های کروی بلبرینگ های کف گرد بیشتر از رولبرینگ های کف گرد بوده و از این رو در مواردی که با میزان بسیار بالایی از بار و به دنبال آن تنش های فشاری بالایی روبرو هستیم بکارگیری رولبرینگ کف گرد مناسب تر می باشد.
• به سبب تماس خطی بین ساچمه های رولبرینگ کف گرد نسبت به بلبرینگ کف گرد میزان سایش و به دنبال آن حرارت بالاتری در تماس انتظار می رود. از این رو اغلب در سرعت های دورانی بالا استفاده از بلبرینگ کف گرد منطقی تر به نظر می رسد.
• ساچمه های کروی بلبرینگ کف گرد دارای درجه آزادی حرکتی بیشتری نسبت به ساچمه های رولبرینگ های کف گرد می باشند.

خاطر نشان می کنیم بکارگیری شکل های مختلفی از ساچمه های استوانه ای، مخروطی، بشکه ای و سوزنی قابلیت های متفاوتی را برای رولبرینگ های کف گرد پدید می آورد که در این بین رولبرینگ بشکه ای کف گرد بیشترین درجه آزادی و کمترین اصطکاک را دارد. از نظر قابلیت تعلیق میزان بالای بار رولبرینگ های استوانه ای در بالاترین سطح قرار دارند.

مقایسه قابلیت های بلبرینگ و رولبرینگ

بلبرینگ و رولبرینگ دو شکل کاربردی از یاتاقان برینگ ها محسوب می شوند. در واقع بلبرینگ ها با دارا بودن ساچمه های کروی تنها یکی از انواع رولبرینگ ها محسوب می شوند چرا که رولبرینگ ها دارای ساچمه هایی در اشکال مختلف دیگر نیز هستند که به قرار زیر هستند.

• رولبرینگ استوانه ای Cylindrical roller bearing: از ساچمه های استوانه ای شکل در ساختار رولبرینگ استوانه ای استفاده می شود. ساچمه استوانه ای حداکثر قابلیت بارگذاری را داشته و در قیاس با ساچمه کروی بلبرینگ مقاومت وزنی بسیار بالاتری داشته و از این رو در اتصالات چرخ بیل مکاینیک و دیگر ماشین آلات راهسازی از این سری رولبرینگ ها استفاده می شود. رولبرینگ استوانه ای هم بصورت شعاعی و هم بصورت کف گرد مورد استفاده قرار می گیرد.
• رولبرینگ مخروطی Tapered roller bearing: یکی از توانمند ترین نوع رولبرینگ ها که شبیه به بلبرینگ تماس زاویه ای با قابلیت تعلیق بار های ترکیبی طراحی می شود رولبرینگ مخروطی است.ساچمه مخروطی هم قابلیت تعلیق میزان بالایی از بار را داشته و هم بار های شعاعی را بصورت تک محور تعلیق می کند. در قیاس با بلبرینگ ها رولبرینگ مخروطی درجه آزادی کمتری داشته و توان بارگذاری بالاتری دارد.
• رولبرینگ با ساچمه بشکه ای Spherical roller bearing: ساچمه های بشکه ای برای اولین بار توسط برند SKF اروپا به دنیا معرفی شدند. رولبرینگ بشکه ای هم قابلیت مناسبی در تعلیق میزان بالایی از بار دارد و هم شبیه به بلبرینگ ها دامنه حرکت گسترده ای دارد.

رولبرینگ های سوزنی یا نیدل برینگ Needle bearing نیز زیر دسته رولبرینگ استوانه ای قرار گرفته و برای اتصالات در طراحی هایی که با محدودیت فضا روبرو هستند مورد استفاده قرار می گیرند. در کل باید گفت که بلبرینگ با دارا بودن ساچمه کروی با تمرکز تنش بالایی روبرو بوده و برای بارگذاری های فوق سنگین مناسب نمی باشد. در عوض رولبرینگ ها با داشتن تماس خطی بین ساچمه و کونس یا رینگ اصطکاک یایشی بیشتری داشته و حرارت بالاتری تولید می کند. روانکاری رولبرینگ ها به سبب اصطکاک و حرارت بالاتر کاری اغلب با گریس نسوز صورت می پذیرد.

به منظور انتخاب نوع صحیح بلبرینگ و رولبرینگ در نظر داشتن شرایط کاری بالاخص بار وارده بر این یاتاقان برینگ ها از اهمیت بالایی برخوردار است. در صورتیکه بار بصورت تک محوره شعاعی وارد می شود برای بار های سبک بلبرینگ و برای بار های سنگین تر رولبرینگ استوانه ای پیشنهاد می شود. در صورتی که بار بصورت مورب وارد می شود نیاز به استفاده از بلبرینگ یا رولبرینگ ترکیبی می باشد. از میان بلبرینگ ها نوع خود تنظیم و در میان رولبرینگ ها نوع مخروطی پیشنهاد می شوند.