یاتاقان | کاربرد یاتاقان در الکتروموتور
کاربرد یاتاقان در الکتروموتور
در این مطلب با یاتاقان و کاربرد آن در الکتروموتور آشنا می شویم.
همانطور که می دانیم، الکتروموتور دارای قطعات و اجزای بسیاری است که هر کدام از این آنها دارای وظیفه و نقشی در الکتروموتور می باشد. در اصل یاتاقان یا برینگ، به قطعه ای گفته می شود که بین دو قطعه دیگر قرار می گیرد و حرکت نسبی را بین آن دو قطعه مشخص می کند. یاتاقان ها بر اساس باری که می توانند تحمل کنند و یا دامنه حرکتی که مجاز هستند دسته بندی می شوند.
یاتاقان ها موجب پایین آمدن فرسایش و بالا رفتن سرعت شده و اصطکاک را بین قطعات متحرک کاهش می دهد و با به حداقل رساندن اصطکاک، حرکت مورد نظر را تسهیل می کنند. این کاهش اصطکاک معمولاً بوسیله طراحی ظاهری، یا موادی که دارد و یا همراه داشتن یک سیال بین سطوح و یا جدا کردن سطوح بوسیله ایجاد میدان مغناطیسی صورت می گیرد.
یاتاقان که با اصطلاح انگلیسی آن یعنی برینگ هم شناخته می‌شود از اجزای اصلی الکتروموتور است و وسیله‌ای است که امکان حرکت را بین دو جسم ایجاد می‌کند. این قطعه به شکل نیم‌دایره نازک است. جنس آنها از فلز است و دربرابر حرارت و ضربه مقاوم است. ساختمان آن شامل یک پوسته بیرونی از جنس فولاد یا برنز و یک یا چند لایه مواد یاتاقانی می‌شود.
مواد یاتاقانی از ترکیب آلیاژ فلزات قلع، آنتیموان، مس و سرب یا جیوه، قلع، گالیم و آلومینیوم به دست می‌آید. گاهی هم از بابیت، قلع و سرب استفاده می‌شود. این تغییر ترکیبات نقش مستقیم بر وزن آن دارد و در موتورهای مختلف براساس تعداد یاتاقانی که مورد استفاده قرار می‌گیرد و تاثیری که بر وزن نهایی آن می‌گذارند انتخاب می‌شوند.
لایه‌های مواد یاتاقانی که به ضخامت چند هزارم اینچ هستند به تعداد مختلف در یاتاقان‌های موتورهای متفاوت استفاده می‌شوند و باز هم با توجه به وزن موتور این مواد در لایه های دو، سه یا چهارتایی روی پوسته قرار داده می‌شوند. لایه‌های مواد یاتاقانی به ترتیب زیر، روی پوسته قرار می‌گیرند:
- لایه آلیاژ مس و سرب
- لایه نیکل
- لایه آلیاژ سرب و قلع
- مواد پودری قلع
آشنایی با کاربرد یاتاقان
همانطور که گفتیم یاتاقان ها دسته های متفاوتی و همچنین سرعت های مختلفی دارند که در ادامه توضیح می دهیم. برای مثال نوع ساده آنها در سرعت های کم عملکرد بهتری دارند، نوع غلتشی در سرعت های بالا عملکرد بهتری دارند و از دو رینگ و تعدادی ساچمه بین آنها تشکیل می‌شود. ساچمه‌ها مماس با هم هستند و از توری‌‌های برنجی برای جداسازی آنها استفاده می‌شود. فاصله‌ی دو رینگ و قطر ساچمه‌ها در تمام قسمت‌های یاتاقان غلتشی برابر است.
و همینطور یاتاقان های لغزشی و مغناطیسی با استفاده از مواد و ایجاد میدان مغناطیسی عملکرد خوبی دارند. در این نوع لایه‌های مختلف مواد یاتاقان روی هم و به ترتیب قرار گرفته و ایجاد یک محفظه محافظ می‌کنند. این یاتاقان‌ها معمولا به عنوان نگهدارنده و محافظ حرکات استفاده می‌شوند.
یاتاقان های عمودی یا استوانه ای را بوش می نامند و معمولا در الکتروموتور هایی کاربرد دارند که بار موتور سبک و محیطی که الکتروموتور در آن قرار دارد از رطوبت نسبی برخوردار باشد. بوش ها ساخته شده از کمی گرافیت و مس مخلوط با هم هستند. نقش بوش در الکتروموتور هم همانند یاتاقان تسهیل حرکت داخل الکتروموتور می باشد. اما برای اینکه بوش عملکرد خوبی داشته باشد باید شرایطی را داشته باشد، که عبارتند از:
- باید جنس آن تا حدودی خاصیت اسفنجی داشته باشد، به طوریکه اگر داخل آن را با روغن موتور پر کردیم و با دستمان در آن را گرفتیم و به سمت پایین فشار دادیم روغن از درز های آن خارج شود این خاصیت از خوردگی محور روتور در داخل بوش جلوگیری می کند.
- بوش ها باید در داخل محفظه ای قرار گیرند که مدام با روغن در تماس باشند زیرا سطح تماس بوش با روتور بسیار بالاست و وجود روغن موجب تسهیل در حرکت این دو می شود.
- به علت اینکه محور روتور و بوش دائم با هم در تماس هستند باید یک فاصله استانداردی بین آنها قرار بگیرد که فاصله کم باعث ساییدگی و فاصله زیاد باعث مشکل در راه اندازی و عملکرد الکتروموتور می شود.
چگونه یک یاتاقان کار می کند؟
یاتاقان ها اصطکاک را با استفاده از توپک ها یا غلتک های صاف و در مقابل سطح فلزی داخلی و خارجی صاف برای غلتیدن توپ ها بر روی آن، کاهش می دهند. این غلتک‌ها با تحمل بار به دستگاه اجازه می‌دهند تا به آرامی بچرخد.
در واقع بدون آنها، ما باید دائماً قطعاتی را که در اثر اصطکاک فرسوده می‌شوند را تعویض کنیم. یاتاقان باعث می شود ساخت بسیاری از ماشین هایی که ما هر روز استفاده می کنیم امکان پذیر باشد.
اجزای یاتاقان
اجزای استاندارد و اساسی یاتاقان عبارتند از:
1-حلقه داخلی: یک شیار در سطح بیرونی خود دارد تا یک مسیر عبور برای توپک ها باشد. سطح مسیر قطر بیرونی با تلرانس های بسیار کوچک ایجاد و به صورت سطحی بسیار صاف تراش داده شده است. حلقه داخلی بر روی شفت نصب شده است و قطعه ای چرخان است.
2-حلقه خارجی: روی حلقه بیرونی، یک شیار در سطح داخلی آن وجود دارد تا مسیری برای توپک ها باشد. همچنین همانند حلقه داخلی دارای پرداخت با دقت بالا است. حلقه بیرونی معمولاً ثابت می باشد.
3-اجزای چرخان(توپک یا غلتک): اجزا چرخان حلقه داخلی و حلقه بیرونی را از هم جدا می کنند و به یاتاقان اجازه می دهند تا با حداقل اصطکاک بچرخد. ابعاد اجزای چرخان کمی کوچکتر از شیار حلقه های داخلی و خارجی ساخته شده است. ابعاد اجزای چرخان با دقت بسیار بالا کنترل می شود. پرداخت سطح و تغییرات اندازه از ویژگی های مهم هستند. این ویژگی ها تا سطح میکرو اینچ کنترل می شوند.
4-قفس(نگهدارنده): هدف از نگهدارنده جداسازی اجزای چرخان، حفظ فاصله ثابت بین حلقه های داخلی و خارجی، هدایت دقیق اجزای چرخان در مسیر در حین چرخش و جلوگیری از سقوط اجزا چرخان است.
5-روان کاری: روان کننده بخشی جدایی ناپذیر از اجزای استاندارد این قطعه مهم است. روان کاری در بین حلقه های داخلی و خارجی برای کاهش تلفات ناشی از اصطکاک استفاده می شود.
6-صفحات محافظ یا سپر: صفحه محافظ به شکل یک دیسک فلزی است. صفحه محافظ در یک شیار بسیار کوچک در لبه سطح داخلی حلقه بیرونی با فشار جای می گیرد. فاصله یا شکاف کوچکی بین قطر بیرونی حلقه داخلی و صفحه محافظ وجود دارد. از آنجایی که صفحه محافظ با حلقه داخلی یاتاقان تماس ندارد، هیچ اصطکاک اضافی بین صفحه محافظ و یاتاقان وجود ندارد که منجر گشتاور کم آن می شود. هدف از صفحه محافظ جلوگیری از ورود ذرات گرد و غبار و آلودگی به داخل آن است.
7-آب بندها: آب بند همچنین در محل لبه قطر داخلی حلقه بیرونی در شیار بسیار کوچک وارد می شود. لبه داخلی آب‌بند به شکل خاص ساخته می شود.
8-سایر اجزا: سایر اجزای اضافی مانند صفحات محافظ و آب بند(کاسه نمد)، عملکرد و عمر بیرینگ را افزایش می دهند. این قطعات اختیاری بر اساس نیاز مشتری برای افزایش عملکرد این قطعه اضافه می شوند.
انواع یاتاقان
همانطور که گفتیم، یاتاقان ها دارای انواع مختلفی هستند که عبارتند از:
- غلتشی
- ساچمه ای
- غلتکی
- غلتک استوانه ای
- کف گرد ساچمه ای
- راستاپذیر ساچمه ای
- شیار عمیق ساچمه ای
- تماس مایل ساچمه ای
یاتاقان غلتشی (Rolling Element Bearing)
یاتاقان های غلتشی حاوی عناصر غلتان به شکل توپ یا استوانه هستند. همانطور که می دانیم، چرخاندن چرخ آسان تر از لغزش آن بر روی زمین است چون میزان اصطکاک غلتشی کمتر از اصطکاک لغزشی است. با توجه به این اصل. یاتاقان های غلتشی برای تسهیل حرکت آزاد قطعات در حرکت چرخشی استفاده می شوند.
حتی زمانی که در کارها به حرکت خطی نیاز داریم، تبدیل حرکت چرخشی به حرکت خطی آسانتر است. مانند پله برقی یا نوار نقاله، که اگرچه حرکت خطی دارند اما با غلتک هایی که توسط موتورها حرکت می کنند، به حرکت در می آید. و یا یک پمپ رفت و برگشتی که می تواند انرژی دورانی موتور را با کمک اتصالات به حرکت انتقالی تبدیل کند.
عناصر غلتشی بار را بدون اصطکاک زیاد حمل می کنند چون اصطکاک لغزشی با اصطکاک غلتشی جایگزین می شود. یاتاقان های غلتشی را می توان به دو نوع اصلی تقسیم کرد: یاتاقان ساچمه ای و غلتکی.
یاتاقان ساچمه ای (Ball Bearings)
یاتاقان ساچمه ای یکی از رایج ترین انواع یاتاقان های مورد استفاده است و شامل یک ردیف توپ به عنوان عناصر چرخان است. به این نوع یاتاقان،یاتاقان توپی یا بلبرینگ هم می گویند. آنها بین دو قطعه فلزی حلقوی شکل قرار دارند که این قطعات فلزی به عنوان ساچمه رو (Race) نیز شناخته می شوند. ساچمه رو داخلی برای چرخش آزاد است در حالی که ساچمه رو بیرونی ساکن است.
یاتاقان های ساچمه ای اصطکاک بسیار کمی را در طول چرخش ایجاد می کنند اما ظرفیت تحمل بار محدودی دارند، این به دلیل ناحیه تماس کوچک بین توپ و ساچمه رو است. آنها علاوه بر بارهای شعاعی می توانند بارهای محوری را در دو جهت تحمل کنند و برای کنترل حرکت نوسانی و چرخشی استفاده می شوند در عین حال برای قطعات مکانیکی که با سرعت حرکت بالایی دارند نیز می توان به سراغ بلبرینگ ها رفت.
به عنوان مثال، در موتورهای الکتریکی که شفت آزادانه می چرخد ولی محفظه موتور ثابت است، از این نوع یاتاقان برای اتصال شفت به محفظه موتور استفاده می شود.
یاتاقان غلتکی (Roller Bearings)
در یاتاقان غلتکی یا رولبرینگ به جای توپ ها به عنوان عناصر حمل کننده بار در بین ساچمه روها، از غلتک استفاده می شود که عمدتا هم استوانه ای شکل هستند، استفاده می شود. یک عنصر در صورتی غلتک محسوب می شود که طول آن از قطر آن بیشتر باشد. از آنجایی که آنها در تماس خطی با ساچمه روهای داخلی و خارجی هستند (به جای تماس نقطه ای مانند یاتاقان ساچمه ای)، می توانند بارگذاری بیشتری را تحمل کنند.
یاتاقان های غلتکی نیز در انواع مختلف موجود می باشند. نوع مناسب ممکن است پس از در نظر گرفتن نوع و میزان بارگذاری، شرایط سرویس و احتمال نامیزان بودن انتخاب شود. یاتاقان غلتکی می تواند بار شعاعی بالایی را تحمل کند و برای چرخش در سرعت بالا نیز گزینه ای مناسب هستند. یاتاقان های غلتکی در برابر نفوذ آلاینده ها مقاومت بیشتری دارند، بنابراین برای قطعاتی که دسترسی به آن ها ساده نیست، معمولا رولبرینگ را انتخاب می کنند.
یاتاقان های غلتک استوانه ای (Cylindrical Roller Bearings)
این نوع یاتاقان، ساده ترین نوع از خانواده غلتکی ها هستند. این یاتاقان ها می توانند بارگذاری شعاعی سنگین و سرعت بالا را تحمل کنند. آنها همچنین سختی مناسب، انتقال بار محوری، اصطکاک کم و مدت زمان کارکرد طولانی را دارا هستند.
ظرفیت بار را می توان با اجتناب از استفاده قفس ها یا نگهدارنده هایی که معمولاً برای نگه داشتن غلتک های استوانه ای در محل قرار دارند، افزایش داد. این عمل اجازه می دهد تا غلتک های بیشتری برای حمل بار نصب شوند. آنها به صورت تک ردیفی، دو ردیفه و چهار ردیفی موجود هستند. آنها همچنین در انواع دوبخشی و آب بند شده هستند.
نوع دوبخشی برای مناطقی که دسترسی به آنها دشوار است مانند میل لنگ موتور استفاده می شود. در نوع آب بند شده، از آلوده شدن یاتاقان جلوگیری می شود و روان کننده حفظ می شود و معمولاً نیاز به تعمیر و نگهداری ندارند.
یاتاقان کف گرد ساچمه ای (Thrust Ball Bearings)
یاتاقان های کف گرد نوع خاصی هستند که به طور خاص برای بارهای محوری طراحی شده‌اند. آنها به هیچ عنوان نمی توانند بارهای شعاعی را تحمل کنند. یاتاقان های کف گرد صدای کم و عملکرد نرمی دارند و قادر به کاربردهای با سرعت بالا هستند. آنها به عنوان تک یا دو جهتی موجود هستند و انتخاب با توجه به اینکه بار یک طرفه یا دو طرفه است، می باشد.
یاتاقان راستاپذیر ساچمه ای (Self-Aligning Ball Bearings)
این نوع یاتاقان در هنگام ناهماهنگی بین شفت و غلاف که ممکن است به دلیل انحراف شفت یا خطاهای نصب رخ دهد، بکار می رود. حلقه داخلی دارای شیارهای عمیق مشابه شیار عمیق است که به دنبال آن دو ردیف توپ و حلقه بیرونی قرار دارند. حلقه بیرونی یک شکل مقعر دارد و این به حلقه داخلی آزادی عمل می دهد تا بسته به نامیزانی خود را تغییر دهد.
یاتاقان شیار عمیق ساچمه ای (Deep Groove Ball Bearings)
حلقه ای از توپ ها بین دو ساچمه رو قرار دارد که بار را منتقل می کند و امکان حرکت چرخشی دو ساچمه رو را فراهم می کند. توپ ها توسط یک نگهدارنده در جای خود ثابت می شوند. اصطکاک غلتشی بسیار کمی دارند و برای سر و صدا و لرزش بهینه شده اند. این باعث می شود آنها برای کاربردهای با سرعت بالا مناسب باشند. نصب آنها آسان است و کمتر نیاز به تعمیر و نگهداری دارند. در هنگام نصب بر روی شفت باید مراقب باشید تا فرورفتگی بر روی ساچمه رو ها ایجاد نشود.
یاتاقان تماس مایل ساچمه ای (Angular Contact Ball Bearings)
در این نوع یاتاقان، ساچمه روهای داخلی و خارجی نسبت به یکدیگر در امتداد محور جابجا می شوند. این نوع یاتاقان علاوه بر تحمل بارهای شعاعی برای تحمل مقادیر بیشتری از بارهای محوری در هر دو جهت طراحی شده است.
با توجه به جابجایی در ساچمه های داخلی و خارجی، بار محوری را می توان از طریق یاتاقان به غلاف منتقل کرد. این نوع برای کاربردهایی که تکیه گاه محوری صلب مورد نیاز است مناسب است. یاتاقان های تماس مایل به طور گسترده در تجهیزات کشاورزی، خودروها، گیربکس ها، پمپ ها و سایر کاربردهای پرسرعت استفاده می شوند.
انتخاب نوع یاتاقان
انتخاب یک یاتاقان مناسب برای کاربرد مورد نظر بسیار حائز اهمیت است. مواردی که برای انتخاب آن مناسب باید رعایت شود، عبارتند از:
- انتخاب نوع ساچمه ای برای بارهای کم و متوسط، و نوع غلتکی برای بارهای سنگین.
- در صورت عدم تراز بین شفت ها از یاتاقان های راستاپذیر یا یاتاقان غلتکی استفاده می شود.
- استفاده از بیرینگ های کف گرد ساچمه ای برای بار محوری متوسط و یاتاقان های کف گرد استوانه ای برای بارهای محوری سنگین.
- برای شرایطی که دارای مولفه محوری و شعاعی بار هستیم از یاتاقان های شیار عمیق، تماس زاویه ای و غلتک کروی استفاده می کنیم.
- برای کاربردهای با سرعت بالا، یاتاقان های شیار عمیق، یاتاقان‌های تماس زاویه‌ای و غلتک استوانه‌ای توصیه می‌شوند.
- هنگامی که صلبیت سیستم نیاز اصلی ما است مانند ماشین ابزارها، از غلتک استوانه ای دو ردیفه یا غلتک مخروطی استفاده می کنیم.
- زمانی که کاهش سر و صدا معیار اصلی ما باشد، از بلبرینگ شیار عمیق استفاده می کنیم.
مزایا و معایب یاتاقان ها
مزایا
- مقاومت اصطکاک و اتلاف توان کم است، دارای راندمان مکانیکی بالا و قابلیت آسان شروع به کار
- استاندارد سازی اندازه، قابلیت تعویض، نصب و جداسازی آسان، تعمیر آسان
- ساختار فشرده، وزن سبک و اندازه محوری باریک
- دقت بالا، بار زیاد و عمر طولانی
- دارای عملکرد تنظیم خودکار محور در برخی از یاتاقان ها
- بار ترکیبی شعاعی و محوری را می توان به طور همزمان تحمل کند.
- در محدوده بار-سرعت زیاد، طراحی منحصر به فرد یاتاقان می تواند عملکرد عالی را به دست آورد.
معایب
- سر و صدا زیاد در نوع غلتشی
- ساختار آن پیچیده است.
- حتی اگر به خوبی روغن کاری شده و به درستی نصب شده باشند و به خوبی آب بندی شوند و عملکرد آنها عادی باشد، در نهایت به دلیل خستگی سطح تماس اجزا چرخان از کار می افتند.
تفاوت یاتاقان و بلبرینگ در چیست؟
بیشتر ماشین‌ها و دستگاه ها برای عملکرد خود نیازمند قطعات متحرک هستند.زیرا بدلیل حرکت ماشین ها، اصطکاک بوجود می‌آید که باعث هدر رفتن انرژی و آسیب رسیدن به قطعات متحرک می‌شود. برای کاهش اصطکاک میان قطعات متحرک از قطعاتی استفاده می‌کنند که حرکت را راحت‌تر و روان‌تر می‌سازد. به این قطعات یاتاقان گفته می‌شود. یاتاقان بطور کلی به هر تکیه‌گاهی که باعث راحت‌تر شدن حرکت و کاهش اصطکاک شود گفته می‌شود. یاتاقان‌ها انواع مختلفی دارند و بر اساس فاکتورهای مختلف از جمله ساختار و نوع حرکت دسته بندی می‌شوند.
یکی از این دسته‌ها بلبرینگ است. معمولاً از لفظ یاتاقان برای اشاره به یاتاقان‌های لغزشی استفاده می‌شود. در بلبرینگ‌ها تعدادی گوی برای لغزش بر روی یک سطح صیقلی قرار داده‌شده است درحالی‌که در یاتاقان‌های لغزشی دو سطح مستقیما بر روی یکدیگر می‌لغزند و حرکت توسط مایع روان‌ساز آسانتر می‌شود.
ویژگیهای یاتاقان
یک یاتاقان مناسب و کارآمد، باید خصوصیاتی داشته باشد که منجر به بهینه شدن عملکرد آن شود. بنابراین باید در ساخت و تولید آنها دقت لازم را داشت. خصوصیات و ویژگیهای یک یاتاقان خوب عبارتند از:
- مقاومت بالا
- نرمی و انعطاف‌پذیری در لایه داخلی و مواد یاتاقانی
- توانایی جذب ذرات گرد و غبار و خاک
- مقاومت پوسته در برابر ترک یا شکستگی
- مقاومت در برابر خوردگی
- مقاومت در برابر سایش
نتیجه گیری
همانطور که در این مطلب توضیح دادیم، انواع یاتاقان در سیستم های مکانیکی به منظور تسهیل حرکت اجزای آن ها نسبت به یکدیگر استفاده می شوند. نام دیگر آن، بیرینگ است که بسیاری از متخصصان از این واژه استفاده می کنند.
در برخی از تجهیزات، یاتاقان به صورت مستقیم با اجزا در تماس است و به همین دلیل حین حرکت اصطکاک زیادی ایجاد می شود. اما در برخی دیگر یاتاقان ها به واسطه سیالاتی مانند آب، روغن و… با اجزا ارتباط برقرار می کنند و به همین دلیل اصطکاک کمتری ایجاد می شود.
برای کاهش میزان اصطکاک، از توپ ها یا غلتک های فلزی صیقلی در بدنه داخلی یا خارجی آن استفاده می شود. نیروی وارد شده به یاتاقان به صورت مستقیم به توپ ها یا غلتک ها وارد می شود بنابراین باید از استحکام بالایی برخوردار باشند.