Cấp dung sai trục và vỏ ổ trục cho vòng bi: Cách chọn lớp lắp quyết định khe hở bên trong

Trước tiên xác định vòng nào quay tương đối so với tải

Việc chọn lớp lắp bắt đầu từ một câu hỏi: hướng tải có quay tương đối so với vòng hay vòng đứng yên dưới tải?

Một vòng quay tương đối so với tải có xu hướng trượt bám quanh vị trí lắp nếu lớp lắp không giữ được nó, nên vị trí lắp cần lớp lắp ép hoặc lắp chuyển tiếp.

Vòng có hướng tải đứng yên thì giữ nguyên vị trí, nên lớp lắp khe hở là chấp nhận được và thường được mong muốn vì nó cho phép vòng dịch chuyển theo trục. Hai vị trí lắp được liệt kê trong các bảng riêng biệt.

Trên trục, tải vòng trong quay đòi hỏi các cấp có độ dư như h5, js5, js6, k5, k6, m5, m6, n6, p6 hoặc r6 tùy theo tải và đường kính, còn tải vòng trong đứng yên dùng g6 khi vòng phải di chuyển êm hoặc h6 khi không cần².

Trên vỏ ổ trục, tải vòng ngoài đứng yên dùng các lớp lắp khe hở H7, H8, G7 hoặc F7, còn tải vòng ngoài quay dùng M7, N7 hoặc P7⁵.

Cả hai bảng đều là hàm của dạng tải, dạng vòng bi và kích thước, nên không thể chọn cấp chỉ dựa vào hướng tải²⁵. Sai ở đây phải trả giá gấp đôi.

Vị trí lắp lỏng cho phép rãnh lăn quay và ma sát mài mòn vào trục hoặc vỏ ổ trục (ăn mòn tiếp xúc), còn vị trí lắp không đỡ đúng phần rãnh mỏng sẽ rút ngắn tuổi thọ sử dụng và có thể buộc trục hoặc vỏ ổ trục phải được tái tạo điều kiện trước khi lắp vòng bi thay thế¹¹.

Tra cấp trục từ bảng tải-và-đường kính

Với vòng trong quay, cấp trục được tra theo độ lớn tải và đường kính trục, và lớp lắp được định nghĩa tương đối so với dung sai chuẩn của đường kính lỗ vòng bi — nghĩa là cùng một cấp chữ cái cho độ dư tuyệt đối khác nhau ở các đường kính khác nhau²¹².

Bảng dưới đây là trường hợp tải nhẹ và tải thông thường cho vòng bi lỗ trụ thuộc cấp 0, 6X và 6; tải nặng hoặc tải va đập đẩy cấp lên n6, p6 hoặc r6 và đòi hỏi vòng bi có khe hở bên trong lớn hơn tiêu chuẩn².

Hai ngoại lệ lưu ý. Khi yêu cầu độ chính xác cao, js5, k5 và m5 thay cho js6, k6 và m6².

Với vòng bi lăn nón một dãy và vòng bi tiếp xúc góc, k5 và m5 có thể được thay bằng k6 và m6 vì không cần xét đến việc giảm khe hở bên trong do lớp lắp gây ra².

Tra cấp vỏ ổ trục từ bảng tải-và-dịch chuyển

Cấp vỏ ổ trục phụ thuộc vào việc vòng ngoài có phải dịch chuyển được theo trục hay không, vào dạng tải và vào mức độ nóng của trục và vòng trong khi vận hành. Vì vậy một cấp mặc định duy nhất là sai cho vòng ngoài quay hoặc trục nóng⁵.

Khi tải vòng ngoài đứng yên và vòng phải dễ dàng dịch chuyển, H7 là lựa chọn thông thường; G7 có thể áp dụng cho vòng bi kích thước lớn hoặc chênh lệch nhiệt độ lớn giữa vòng ngoài và vỏ ổ trục⁵.

Khi trục và vòng trong chạy nóng, cấp vỏ ổ trục chuyển sang G7, với F7 cho vòng bi lớn hoặc chênh lệch nhiệt độ lớn⁵. Tải vòng ngoài quay không dịch chuyển được và nhận M7, N7 hoặc P7 tùy theo tải và tiết diện vỏ ổ trục⁵.

Kiểm tra xem độ dư có nuốt hết khe hở bên trong hay không

Lớp lắp ép làm nở vòng trong, và sự nở đó làm giảm khe hở bên trong khi gia công (khe hở tại bàn lắp) của vòng bi¹⁹.

Lớp lắp chặt trên vỏ ổ trục tạo hiệu ứng tương tự từ bên ngoài bằng cách nén vòng ngoài, nên hai mức giảm này cộng dồn³.

Nếu không tính đến mức giảm này, có thể không còn đủ khe hở tại bàn lắp để chừa lại khe hở vận hành, và vòng bi có thể rơi vào khe hở âm, ma sát quá mức và hỏng sớm³¹⁹. Mức giảm không đơn thuần bằng độ dư danh nghĩa.

Độ dư hiệu dụng được tính bằng hai phần ba độ dư danh nghĩa trừ đi một kích thước làm phẳng, áp dụng cho cả vòng trong và vòng ngoài, và mức thay đổi khe hở kết quả phụ thuộc vào độ dư hiệu dụng, đường kính trục lắp ghép và độ dày thành lỗ vỏ ổ trục⁹.

Đó là lý do lớp lắp và cấp khe hở phải được chọn cùng lúc chứ không lần lượt.

Ở nơi lớp lắp chặt, nhiệt độ vận hành liên tục cao hoặc tốc độ vượt phạm vi tiêu chuẩn, cấp khe hở lớn hơn như C3 là lựa chọn phù hợp; C4 dành riêng cho nhiệt độ đặc biệt cao, chênh lệch nhiệt đáng kể giữa trục và vỏ ổ trục, vỏ ổ trục thành mỏng hoặc lệch trục nghiêm trọng²⁰.

Một nhà cung cấp nêu C3 là khuyến nghị mặc định cho nhiều mô tơ công nghiệp và hộp số thông dụng — đó là lập trường của nhà cung cấp đó chứ không phải quy tắc cho mọi ứng dụng²⁰.

Chênh lệch nhiệt độ và bố trí bên tự do

Khe hở cũng dịch chuyển theo nhiệt độ.

Khi vòng trong hoặc trục được dự báo chạy nóng hơn và giãn nở nhiều hơn vòng ngoài hoặc vỏ ổ trục, khoảng chơi của vòng bi giảm khi vận hành, nên cần khe hở theo hướng kính cao hơn ngay từ đầu; nếu vòng ngoài giãn nhiều hơn vòng trong, khe hở lại tăng lên⁴.

Cùng logic đó chi phối cấp khe hở: C3 khi nhiệt độ vận hành liên tục cao, lớp lắp chặt hoặc tốc độ trên tiêu chuẩn, và C4 khi chênh lệch nhiệt giữa trục và vỏ ổ trục đáng kể²⁰.

Vòng bi phía bên tự do là cách khác để hấp thụ chuyển động đó.

Nó bù cho sự giãn nở hoặc co rút do thay đổi nhiệt độ vận hành, và khi dùng vòng bi không tháo rời được ở bên tự do, một lớp lắp khe hở được bố trí giữa vòng ngoài và vỏ ổ trục, hoặc trong một số trường hợp giữa trục và vòng trong²¹.

Lớp lắp khe hở đó là chủ đích về mặt nhiệt, không phải phiên bản lỏng hơn của lớp lắp phía định vị.

Giới hạn độ dư từ cả hai đầu

Lớp lắp phải đủ chặt để ngăn vòng trượt bám và đủ lỏng để không quá tải nó.

Lớp lắp đúng ngăn rãnh lăn quay tương đối so với trục hoặc vỏ ổ trục cùng hậu quả mài mòn tiếp xúc và bám dính đi theo, đồng thời đỡ các rãnh vòng bi tương đối mỏng; dung sai trục và vỏ ổ trục cho phép chỉ lớn hơn chút ít so với của các chi tiết vòng bi lắp ghép¹¹.

Ép vòng vào trong làm tăng ứng dụng phương tiếp tuyến trong vòng.

Với một trường hợp cụ thể — vòng bi đẩy trục chính tiếp xúc góc đường kính lỗ 120 mm bằng thép M50 cho động cơ phản lực tăng áp — nguồn khuyến nghị rằng thành phần ứng suất phương tiếp tuyến do lắp ép này không được vượt quá khoảng 140 MPa¹⁷.

Con số đó đến từ một ứng dụng hàng không tốc độ cao duy nhất và không phải giới hạn chung cho toàn ngành; hãy xem nó như lời nhắc rằng độ dư tối đa bị chặn bởi ứng suất vòng, và hỏi nhà cung cấp vòng bi về giới hạn áp dụng cho vòng bi của bạn.

Chọn phương pháp lắp đặt đạt được lớp lắp

Độ dư trên bản vẽ phải đạt được mà không làm hỏng rãnh lăn. Vòng bi lỗ trụ thường được lắp bằng cách ép, hoặc bằng cách gia nhiệt vòng trong để nở đường kính lỗ trước khi lắp ráp — lắp co nhiệt²⁶.

Với vòng bi lớn hơn hoặc độ dư cao hơn, lắp nóng giảm nguy cơ hỏng rãnh lăn khi ép, và khi vòng ngoài cần lắp ép, vòng bi có thể được làm lạnh trước bằng đá khô, với việc xử lý chống gỉ được thực hiện từ trước²⁶.

Dụng cụ quan trọng ngang nhiệt độ. Máy ép vòng bi, thiết bị gia nhiệt cảm ứng hoặc máy ép thủy lực nên được sử dụng theo dạng vòng bi và lớp lắp, và không bao giờ được tác dụng lực trực tiếp lên các phần tử lăn — chỉ lên vòng đang lắp¹³.

Những gì cần xác nhận trên bản vẽ trước khi đặt hàng

Lớp lắp được viết dưới dạng kết hợp chữ cộng số như m6 và H7, trong đó chữ thường là đường kính ngoài trục và chữ hoa là đường kính lỗ vỏ ổ trục, và mỗi ký hiệu đều được định nghĩa tương đối so với dung sai chuẩn của đường kính lỗ hoặc đường kính ngoài vòng bi¹².

Vì những dung sai chuẩn đó tăng theo kích thước vòng bi, cùng một cấp cho lớp lắp tuyệt đối khác nhau trên vòng bi lớn hơn, nên bản vẽ chưa đầy đủ nếu thiếu cấp dung sai vòng bi mà nó dựa vào¹².

Các nguồn không cho giá trị số về hình học vị trí lắp hay bề mặt, nên những giá trị đó phải được viết dưới dạng hạng mục kiểm tra xác nhận chứ không phải con số sao chép.

• ✓Nêu cấp dung sai vòng bi mà lớp lắp được định nghĩa dựa vào, theo ký hiệu ISO, DIN, ANSI/ABEC hoặc JIS mà nhà cung cấp sử dụng [S12][S14][S25]
• ✓Xác nhận cấp trục đối chiếu với trường hợp tải và dải đường kính trục thực tế, không dùng cấp mặc định [S2]
• ✓Xác nhận cấp vỏ ổ trục đối chiếu với nhu cầu dịch chuyển của vòng ngoài và nhiệt độ trục [S5]
• ✓Nêu cấp khe hở bên trong (CN, C3 hoặc C4) và lớp lắp mà nó được chọn cùng [S20]
• ✓Yêu cầu xưởng kiểm tra đường kính ngoài trục, kích thước đường kính lỗ vỏ ổ trục, độ nhẵn bề mặt và dung sai hình học trước khi lắp ráp [S11]
• ✓Yêu cầu nhà cung cấp xác nhận mức giảm khe hở dự kiến cho lớp lắp đã chỉ định [S19][S9]
• ✓Nêu rõ phương pháp lắp đặt và dụng cụ để độ dư đã chỉ định đạt được mà không hỏng rãnh lăn [S26][S13]

Nơi các nguồn mâu thuẫn hoặc im lặng

Các bảng ở trên đến từ hướng dẫn chọn lớp lắp của nhà cung cấp, và chúng không cùng chỉ về một hướng.

Các dòng dưới đây giữ mỗi lập trường tách biệt; bằng chứng không giải quyết được lập trường nào áp dụng cho một máy cụ thể, nên người mua xác minh đối chiếu với ứng dụng thực tế.

Điều các nguồn không xác lập

• Không nguồn nào cho các giá trị số của độ lệch lỗ và đường kính ngoài Δdmp/ΔDmp cho một vòng bi cụ thể, nên không thể tính lượng quá khớp thực tế từ bài viết này.
• Không nguồn nào cho các khoảng số của khe hở trong hướng tâm cho CN, C3 hay C4 trước khi lắp.
• Không nguồn nào cho công thức đầy đủ của hệ số tỷ số vòng để giảm khe hở; chỉ nêu hệ số 2/3 và kích thước dẹt G*.
• Không nguồn nào cho các tính toán số về giãn nở nhiệt hay chênh lệch nhiệt độ mà C3 hay C4 trở nên cần thiết.
• Không nguồn nào cho công thức quá khớp tối thiểu để chống trượt hay mài mòn fretting, hay giới hạn chung về quá khớp tối đa cho nứt hay ứng suất chu vi.
• Không nguồn nào cho yêu cầu số về độ nhám bề mặt (Ra), độ trụ, độ tròn hay vuông góc vai trục.
• Không nguồn nào cho các giá trị quá khớp đạt được hay yêu cầu, hay giá trị lực lắp, cho ép ép lỗ (press fit), gia nhiệt cảm ứng, tiêm dầu hay đai ốc thủy lực.
• Không nguồn nào cho dung sai hình học số của chỗ lắp trục hay vỏ so với dung sai vòng bi.