یاتاقانها چگونه کار می کنند

آیا تا به حال، چگو نگی کارکرد وسایلی مانند چرخهای اسکیت یا موتور های الکتر یکی که به نرمی و با سرعت می چرخند شما را متعجب ساخته است ؟علت را می توان در کلمه ی کوچک و ساده ی یاتاقان (bearing)  یافت. یاتاقانها ممکن است در ابزارهایی که ما همه روزه از انها استفاده می کنیم وجود داشته باشند بدون یاتاقان، می بایست پیوسته اجزایی را که تحت اصطکا ک خراب می شوند عوض کرد.

دراین مقاله می آموزیم که یاتاقان ها چگونه کار می کنند و به برخی از انوا یاتاقان ها گذری اجمالی خواهیم داشت

مفاهیم اولیه:  

مفاهیم مربوط به یاتاقانها ساده می باشند چرخهای ماشین شما مانند یک یاتاقا ن بزرگ عمل می کنند. اگر شما چیزی مانند اسکیت را بجای چرخهای اتومبیل تان مورد استفاده قرار دهید، اتومبیل تان به سختی خوا هد توانست از یک سرازیری به پایین جاده حرکت کند. زیرا وقتی که اشیاء می لغزند اصطکاک بین آنهاباعث ایجاد نیرویی می شود که تمایل به کاهش سرعت آن شئ دارد، اما اگر دو سطح بتوانند نسبت به هم بغلتند اصطکاک به مقدار چشم گیری کاهش می یابد.

یاتاقانها بوسیله ی لایه های فلزی داخلی وخارجی ونیز غلتک یا ساچمه ها ی فلزی صیقلی که نسبت به هم می غلتند ،اصطکاک را کاهش می دهند. این غلتک ها یا ساچمه ها با تحمل بار وارده اجازه می دهند که وسیله بطور یکنواخت وبه نرمی بچرخد

بارگذاری یاتاقانها:  

یاتاقانها عموما به دو شکل بارگذاری می شوند، شعاعی (radial force) و محوری (force trust ) با توجه به جایی که یاتاقان در آنجا بکار می رود ممکن است تمام بار شعاعی یا محوری یا ترکیبی از هر دو باشد.

یاتاقان ها یی که متصل به شفت موتور و قرقره می باشند و تحت تاثیر بارهای شعاعی قرار دارند .

یاتاقانهای بکار رفته در موتور الکتریکی وقرقره در تصویر فوق تنها تحت تاثیربارهای شعاعی قرار دارند. بیشترین بارها از نیروی کشش تسمه مرتبط کننده ی در قرقره بوجود می آید.

یاتاقان بکاررفته در این صندلی تحت تاثیربار محوری می با شد.

یاتاقان نشان داده شده در شکل فوق ، مانند یاتاقانها ی بکار رفته در تکیه گا هها عمل می کند . این یاتاقان تحت تاثیر نیروهای محوری خا لص می باشد .وتمام بار ناشی از نیروی وزن شخصی می باشد که به روی صندلی نشسته است .

یاتاقانها ی بکار رفته در چرخ یک ماشین که تحت تاثیربارهای محوری وشعاعی می باشند .

یاتاقان فوق مانند یاتاقانی که در رینگ (توپی) چرخ ماشین شما قرار دارد، عمل می کند . این یاتاقانها هم متحمل بار محوری می شوند و هم متحمل بار شعاعی. بار شعاعی ناشی از وزن ماشین می باشد وبار محوری ناشی از نیروهای جانبی است که وقتی شما در پیچ جاده دور می زنید به آن اعمال می شود.

انواع یاتاقانها:  

گونه های بسیار زیاد ی از یاتاقانها وجود دارد که هریک برای هدفی خاص بکار می روند . برخی از آنها عبارتنداز: یاتاقان ساچمه ای (بلبرینگ) ، یاتاقان غلتکی(رولر برنیگ )، یاتاقان طولی- سا چمه ای ، یاتاقان محوری - ساچمه ای ، یاتاقان غلتکی محوری ویاتاقان غلتکی- مخروطی

یاتاقان های ساچمه ای :

یاتاقانهای ساچمه ای (آنچه در شکل نشان داده شده است)احتمالا رایج ترین نوع یاتاقان می باشند .آنها در هر چیز از اسکیت گرفته تا وسایل سنگین بکاررفته اند .این یاتاقانها هم بارهای محوری وهم بارهای شعاعی را تحمل می کنند .واغلب در جاهایی بکار می روند که بار نسپتا کو چک است .

نیم برشی از یاتاقان ساچمه ای

دریک یاتاقان ساچمه ای بار از جداره بیرونی به ساچمه ها منتقل می شود واز آنجا نیز یه جداره ی درونی انتقال می یابد. این ساچمه ها به علت کروی بودن در نقاط کوچکی با دیواره ها ی درونی وبیرونی تماس دارند که باعث می شوند به نرمی بچرخند .اما این موضوع سبب می شود که سطح کوچکی بار را تحمل کند، بنابر این اگر باراضافه بر یاتاقان وارد شود ساچمه ها دچار تغییر شکل یا لهشدگی می شوند که آنهم باعث خرابی یاتاقان خواهد شد.

یاتاقانهای غلتکی :

یاتاقانهای غلتکی - آنچه که در شکل زیر نشان داده شده است - در جاها یی مانند غلتک تسمه ی نقاله که باید بارها ی سنگین شعاعی را تحمل کنند به کار می روند.دراین یاتاقانها ، غلتک ها استوانه ای هتند بنابراین سطح تماس جداره ی داخلی

وخارجی باغلتک ها یک نقطه نیست، بلکه یک خط است . این توزیع باربر یک سطح گسترده تر به یاتاقانهای اجازه می دهد که بار بیشتری را نسبت به یاتاقانهای ساچمه ای تحمل کنند درحالیکه این نوع از یاتاقانها بارهای محوری را تحمل نمی کنند.

با اندکی تغییر، در این یاتاقانها واستفاده از غلتک های با شعاع بسیار کوچک یاتاقان سوزنی حاصل می شود . در این حالت یاتاقان در محلهایی کیپ قرار می گیرد (م : برای جلوگیر ی از نفوذ مایعات و...)

نیم برشی از یک یاتاقا غلتکی

یاتاقانهای محوری -ساچمه ای

یاتاقانهای محوری - ساچمه ای:آنچه که در زیر نشان داده شده است - عموما برای کارهای با سرعت پایین مورد استفاده قرار می گیرند و نمی توانند بارهای شعاعی زیادی تحمل کنند . در صندلی های چرخان ومیزهای دایره ای شکل (با پایه وسط )از این یاتاقانها استفاده می شود

یاتاقان محوری - ساچمه ای

یاتاقانهای محوری - غلتکی

یاتاقانهای محوری - غلتکی ( شبیه آنچه در زیر نشان داده شده است ) می توانند بارهای محوری زیادی را تحمل کنند.

آنها اغلب در جعبه دنده ها ، مانند سیستم انتقال قدرت اتومبیل ودر بین چرخ دنده ها ونیز بین محفظه شفت های دوار بکار می روند . چرخ دنده های حلزونی که در اغلب سیستم های انتقال قدرت بکار می روند دارای دندانه های زاویه دار می باشند که باعث ایجاد بارهای محوری می شود واین بارها را یاتاقانها تحمل می کنند .

یاتاقان محوری -غلتکی

یاتاقانهای غلتکی -مخروطی

یاتاقانهای غلتکی مخروطی می توانند بارهای بزرگ شعاعی ومحوری را تحمل نمایند .

نیم برش (شکل چپ)یک یاتاقان غلتکی با غلتکهای کره ای و (شکل سمت راست)یک یاتاقان مخروطی - غلتکی

یاتاقانهای غلتکی - مخروطی در رینگ (توپی)چرخ بکار می رود. در این حالت آنها همیشه بصورت دوتا دوتا ودر سوی مخالف هم نصب می شوند. تا بتوانند بارهای محوری را در هردو جهت تحمل کنند

برخی استفاده های جالب توجه :  

دراین قسمت برخی از یاتاقانها با استفاده های جالب توجه معرفی می شوند مانند یاتاقانهای مغناطیسی ویاتاقانهای غلتکی عظیم .

یاتاقانهای مغناطیسی:

در برخی از وسایل با سرعت بالا مانند سیستم های ذخیره انرژی چرخ لنگر پیشرفته از یاتاقانهای مغناطیسی استفاده می شود این یاتاقانها به چرخ لنگر اجازه می دهند تا در یک میدان مغناطیسی که بوسیله یاتاقان ایجاد می شود شناور بماند . برخی از این چرخ لنگرها با سرعتی بیش از 50000 دور بر دقیقه می چرخد . یاتاقانهای معمولی با غلتک یا ساچمه ممکن است در این سرعت ذوب یا منفجر شوند . یاتاقانهای مغناطیسی هیچ حرکت اجزائی ندارند وبه این علت می توانند این سرعت باور نکردنی را تحمل کنند .

یاتاقانهای غلتکی عظیم :

احتمالا اولین استفاده از یاتاقانها در گذشته به هنگام ساختن اهرام ثلاثه مصر باشد . آنهابه منظور غلتاندن سنگ های عظیم به محل ساختمان ها، کنده های گردی را در زیر این سنگ ها قرار می دادند. این روش ممکن است امروزه نیز به منظور جابه جایی اشیاء سنگین بکار گرفته شود .

ساختمانهای ضد زلزله :

فرودگاه جدید سا نفرانسیسکو از بسیاری از تکنولوژیهای پیشرفته ساختمان سازی به منظور مقاومت ساختمانهایش در برابر زلزله استفاده کرده است . یکی از این تکنولوژی ها، استفاده از یاتاقانهای غلتکی عظیم می باشد .

  267ستون هر کدام سوار بر بلبرینگ های ساچمه ای با قطر5 فوت ( 1.5 متر) که وزن ساختما نهای فرودگاه را تحمل می کنند . ساچمه ها در مکانهای مقعری که به زمین متصل است ساکن می باشند . در یک زمین لرزه، زمین می تواند 20 اینج (51 سانتیمتر )در تمام جهات حرکت داشته باشد . ستون هایی که بر روی این ساچمه ها قراردارند کمتر از این مقدار حرکت می کنند واین باعث می شود ساختمان از حرکت زمین در امان بماند . وقتی زمین لرزه شدید باشد جاذبه ستون ها را به مکان خود باز می گرداند

How Bearings Work

Have­ you ever wondered how things like inline skate wheels and electric motors spin so smoothly and quietly? The answer can be found in a neat little machine called a bearing.

The bearing makes many of the machines we use every day possible. Without bearings, we would be constantly replacing parts that wore out from friction. In this article, we'll learn how bearings work, look at some different kinds of bearings and explain their common uses, and explore some other interesting uses of bearings.

The Basics

The concept behind a bearing is very simple: Things roll better than they slide. The wheels on your car are like big bearings. If you had something like skis instead of wheels, your car would be a lot more difficult to push down the road.

That is because when things slide, the friction between them causes a force that tends to slow them down. But if the two surfaces can roll over each other, the friction is greatly reduced.  

Bearings reduce friction by providing smooth metal balls or rollers, and a smooth inner and outer metal surface for the balls to roll against. These balls or rollers "bear" the load, allowing the device to spin smoothly.

Bearing Loads

Bearings typically have to deal with two kinds of loading, radial and thrust. Depending on where the bearing is being used, it may see all radial loading, all thrust loading or a combination of both.

The bearings that support the shafts of motors and pulleys are subject to a radial load.

The bearings in the electric motor and the pulley pictured above face only a radial load. In this case, most of the load comes from the tension in the belt connecting the two pulleys.

The bearings in this stool are subject to a thrust load.

The bearing above is like the one in a barstool. It is loaded purely in thrust, and the entire load comes from the weight of the person sitting on the stool.

The bearings in a car wheel are subject to both thrust and radial loads.

The bearing above is like the one in the hub of your car wheel. This bearing has to support both a radial load and a thrust load. The radial load comes from the weight of the car, the thrust load comes from the cornering forces when you go around a turn.

Types of Bearings

There are many types of bearings, each used for different purposes. These include ball bearings, roller bearings, ball thrust bearings, roller thrust bearings and tapered roller thrust bearings.

Ball Bearings
Ball bearings, as shown below, are probably the most common type of bearing. They are found in everything from inline skates to hard drives. These bearings can handle both radial and thrust loads, and are usually found in applications where the load is relatively small.

Photo courtesy The Timken Company Cutaway view of a ball bearing

In a ball bearing, the load is transmitted from the outer race to the ball, and from the ball to the inner race. Since the ball is a sphere, it only contacts the inner and outer race at a very small point, which helps it spin very smoothly. But it also means that there is not very much contact area holding that load, so if the bearing is overloaded, the balls can deform or squish, ruining the bearing.

Roller Bearings
Roller bearings like the one illustrated below are used in applications like conveyer belt rollers, where they must hold heavy radial loads. In these bearings, the roller is a cylinder, so the contact between the inner and outer race is not a point but a line. This spreads the load out over a larger area, allowing the bearing to handle much greater loads than a ball bearing. However, this type of bearing is not designed to handle much thrust loading.

A variation of this type of bearing, called a needle bearing, uses cylinders with a very small diameter. This allows the bearing to fit into tight places.

Photo courtesy The Timken Company Cutaway view of a roller bearing

Ball Thrust Bearing
Ball thrust bearings like the one shown below are mostly used for low-speed applications and cannot handle much radial load. Barstools and Lazy Susan turntables use this type of bearing.

Photo courtesy The Timken Company Ball thrust bearing

Roller Thrust Bearing
Roller thrust bearings like the one illustrated below can support large thrust loads. They are often found in gearsets like car transmissions between gears, and between the housing and the rotating shafts. The helical gears used in most transmissions have angled teeth -- this causes a thrust load that must be supported by a bearing.

Photo courtesy The Timken Company Roller thrust bearing

Tapered Roller Bearings
Tapered roller bearings can support large radial and large thrust loads.

Photo courtesy The Timken Company Cutaway view of (left) a spherical roller thrust bearing and (right) a radial tapered roller bearing

Tapered roller bearings are used in car hubs, where they are usually mounted in pairs facing opposite directions so that they can handle thrust in both directions.

Some Interesting Uses

There are several types of bearings, and each has its own interesting uses, including magnetic bearings and giant roller bearings.

Magnetic Bearings
Some very high-speed devices, like advanced flywheel energy storage systems, use magnet bearings. These bearings allow the flywheel to float on a magnetic field created by the bearing.

Some of the flywheels run at speeds in excess of 50,000 revolutions per minute (rpm). Normal bearings with rollers or balls would melt down or explode at these speeds. The magnetic bearing has no moving parts, so it can handle these incredible speeds.

Giant Roller Bearings
Probably the first use of a bearing was back when the Egyptians were building the pyramids. They put round logs under the heavy stones so that they could roll them to the building site.

This method is still used today when large, very heavy objects like the Cape Hatteras lighthouse need to be moved.

Earthquake-Proof Buildings
The new San Francisco International Airport uses many advanced building technologies to help it withstand earthquakes. One of these technologies involves giant ball bearings.

The 267 columns that support the weight of the airport each ride on a 5-foot-diameter (1.5-meter) steel ball bearing. The ball rests in a concave base that is connected to the ground. In the event of an earthquake, the ground can move 20 inches (51 cm) in any direction. The columns that rest on the balls move somewhat less than this as they roll around in their bases, which helps isolate the building from the motion of the ground. When the earthquake is over, gravity pulls the columns back to the center of their bases