Một vòng bi cầu rãnh sâu 6208 chịu tải hướng kính 2.500 N có tuổi thọ tính toán xấp xỉ 39.000 giờ. Thêm 1.000 N tải dọc trục, tuổi thọ tính toán của chính vòng bi đó chỉ còn khoảng 21.000 giờ. Vòng bi không thay đổi, tốc độ không thay đổi và hợp lực chỉ tăng chưa đến 8%. Điều thay đổi là phương của một phần tải trọng, và kết quả tính theo danh mục làm tuổi thọ giảm gần một nửa (NSK, truy xuất ngày 2026-08-24).
Đó là toàn bộ lý do hướng tải xứng đáng được trình bày trong một bài riêng. Tải hướng kính tác dụng vuông góc với trục, tải dọc trục tác dụng dọc theo trục, còn danh mục vòng bi công bố một giá trị tải trọng danh định không trực tiếp trùng với thành phần nào. Hướng dẫn này trình bày ba nội dung. Tỷ số quyết định có phải tính tải dọc trục hay không. Phép tính theo ISO 281 để quy đổi hai thành phần lực thành một giá trị duy nhất dùng đối chiếu với tải trọng danh định. Và giới hạn tải dọc trục tuyệt đối của từng loại vòng bi, kể cả một số loại có giới hạn bằng không.
Điểm chính
- Tải hướng kính tác dụng vuông góc với trục; tải dọc trục, còn gọi là tải chặn, tác dụng dọc theo trục. Hầu như không có ứng dụng thực tế nào chỉ chịu thuần một loại, nên trường hợp tải kết hợp mới là cơ sở chi phối việc lựa chọn.
- Danh mục chỉ công bố một giá trị tải trọng danh định, vì vậy phải quy hai thành phần lực về một giá trị. Theo ISO 281, giá trị đó là tải trọng động tương đương, P = X Fᵣ + Y Fₐ.
- Dưới ngưỡng e riêng của từng vòng bi, tải dọc trục không làm thay đổi phép tính. Khi vượt ngưỡng, thành phần dọc trục được đưa vào phép tính tuổi thọ và gây ảnh hưởng lớn vì L₁₀ tỷ lệ với (C/P)³ đối với vòng bi cầu.
- Mỗi loại đều có giới hạn tải dọc trục tuyệt đối. Vòng bi cầu rãnh sâu một dãy tiêu chuẩn chỉ chịu tải dọc trục thuần túy đến Fₐ ≤ 0.5 C₀, và chỉ đến 0.25 C₀ đối với các dãy kích thước nhỏ hoặc nhẹ. Vòng bi đũa trụ NU không định vị hoàn toàn không chịu được tải này.
- Vòng bi cầu tiếp xúc góc và vòng bi đũa côn tự phát sinh tải dọc trục bên trong, ngay cả khi chỉ có tải hướng kính. Lực phát sinh này phải được đưa vào phép tính dù không có ngoại lực nào đẩy dọc theo trục.
Định nghĩa tải dọc trục và tải hướng kính
Tải hướng kính tác dụng vuông góc với trục. Tải dọc trục tác dụng song song với trục, còn tải chặn chỉ là cách gọi thông dụng của tải dọc trục. ISO 5593 quy định hệ thuật ngữ này. Điều đó quan trọng hơn tưởng tượng vì thuật ngữ trong tài liệu của các nhà cung cấp có thể không thống nhất, còn thuật ngữ ghi trên bản vẽ cần có tiêu chuẩn làm căn cứ.
Toàn bộ sự khác biệt chỉ có vậy, nhưng cần nêu rõ vì phần lớn tài liệu về chủ đề này dừng lại ở đây. Biết mũi tên chỉ theo hướng nào chưa đủ để biết nên mua vòng bi nào. Nếu cần nắm tổng quan trước khi tính toán, bài viết về các loại vòng bi khác nhau phân loại từng loại theo tải mà chúng có thể chịu.
Còn có một thành phần thứ ba thường bị bỏ qua hoàn toàn khi chỉ so sánh tải dọc trục với tải hướng kính. Tải mô-men xuất hiện bất cứ khi nào hợp lực không đi qua tâm vòng bi; tải này làm một phía của rãnh lăn chịu tải trong khi phía kia được giảm tải. Một vòng bi hẹp đơn lẻ không thể đỡ tải đó. Khi trường hợp tải có mô-men thực sự, giải pháp là thay đổi bố trí vòng bi chứ không phải thêm một hệ số vào công thức. Hãy dùng một cặp vòng bi đặt cách nhau, vòng bi hai dãy hoặc kết cấu tiếp xúc bốn điểm. Áp dụng các hệ số X và Y cho trục chịu tải mô-men sẽ cho kết quả đúng về số học nhưng sai về cơ học.
Trường hợp tải thực tế là tải kết hợp
Tải hướng kính thuần túy và tải dọc trục thuần túy là các trường hợp trong giáo trình. Trong máy móc công nghiệp, cả hai xuất hiện cùng lúc, và tỷ số giữa chúng mới thực sự quyết định loại vòng bi cần chọn.
Thành phần dọc trục thường phát sinh từ bộ truyền động chứ không phải từ một nguồn có vẻ rõ ràng là lực đẩy. Răng bánh răng nghiêng tạo ra lực này do hình học răng. Bánh răng côn và bộ truyền trục vít tạo ra thành phần dọc trục lớn; trên trục vít, đây thường là thành phần chi phối. Lực kéo của đai tạo ra lực vòng có độ lớn phụ thuộc vào mô-men truyền. Cặp vòng bi cầu tiếp xúc góc tự phát sinh tải dọc trục bên trong, nội dung này được trình bày riêng ở phần dưới. Sự giãn nở nhiệt của trục bị chặn bởi vòng bi định vị thứ hai cũng tạo ra tải dọc trục dù hoàn toàn không có ngoại lực.
Hai hệ số dùng để quy đổi lực truyền động lý thuyết thành tải tác dụng lên vòng bi, và cả hai đều lấy từ hướng dẫn lựa chọn của SKF (truy xuất ngày 2026-08-24):
| Nguồn | Điều kiện | Hệ số |
|---|---|---|
| Bánh răng | Sai số bước răng và biên dạng dưới 0.02 mm | 1.05 đến 1.1 |
| Bánh răng | Sai số bước răng và biên dạng từ 0.02 đến 0.1 mm | 1.1 đến 1.3 |
| Đai | Đai răng | 1.1 đến 1.3 |
Bánh răng có độ chính xác cao gần như không phát sinh lực bổ sung. Bánh răng có độ chính xác thấp hơn thì có, và đưa hệ số này vào trường hợp tải là cách phản ánh trung thực ảnh hưởng đó.
Trước khi bắt đầu tính toán, cần nêu rõ một giới hạn. Mọi phương pháp trong danh mục được trình bày ở đây đều coi trục là một dầm tĩnh định tựa trên các gối đỡ cứng, không truyền mô-men. Phương pháp bỏ qua biến dạng đàn hồi của vòng bi, vỏ ổ và khung máy, đồng thời bỏ qua mô-men do độ võng trục tạo ra. Chính các giả thiết đơn giản hóa này giúp có thể tính bằng tay, nhưng cũng là lý do một trục mềm trong vỏ ổ có độ đàn hồi cuối cùng phải được phân tích bằng phần mềm phân tích hệ thống thay vì chỉ dùng công thức. Biết giới hạn áp dụng của phương pháp là một phần của việc sử dụng phương pháp đúng cách.
Ngưỡng quyết định có phải tính tải dọc trục hay không
Đối với vòng bi hướng kính một dãy, tải dọc trục chỉ làm thay đổi phép tính tuổi thọ khi tỷ số Fₐ/Fᵣ vượt quá giá trị giới hạn e. Dưới e, tải trọng tương đương chỉ là P = Fᵣ và tải dọc trục không làm giảm tuổi thọ tính toán. Trên e, thành phần dọc trục được đưa vào và bắt đầu chi phối.
Sai lầm nằm ở việc coi e là hằng số. Giá trị này được công bố riêng cho từng vòng bi trong bảng sản phẩm; đối với vòng bi cầu rãnh sâu, nó thay đổi theo tỷ số f₀Fₐ/C₀ᵣ. Vì vậy, giá trị giới hạn phụ thuộc vào chính tải dọc trục đang được dùng để kiểm tra. Không thể tra một giá trị duy nhất cho "vòng bi cầu" rồi dùng lại cho mọi trường hợp.
Vòng bi hai dãy hoàn toàn không có khoảng tải dọc trục được bỏ qua. Đối với vòng bi hai dãy, tải dọc trục dù nhỏ vẫn ảnh hưởng đến tải trọng tương đương và phải được tính, trong khi vòng bi một dãy sẽ bỏ qua nếu tải thấp hơn e. Đây là một yếu tố lựa chọn thực sự và ngược với trực giác: tăng gấp đôi số dãy giúp tăng khả năng chịu tải, chứ không cho phép bỏ qua tải dọc trục chưa được đo.
Quy đổi tải hướng kính và tải dọc trục thành một giá trị
ISO 281 định nghĩa tải trọng động tương đương P là tải giả định gây ảnh hưởng đến tuổi thọ vòng bi tương đương với tải kết hợp thực tế, và tính theo:
P = _X F_ᵣ + _Y F_ₐ
| Ký hiệu | Ý nghĩa |
|---|---|
| P | tải trọng động tương đương của vòng bi [kN] |
| Fᵣ | tải hướng kính thực tế tác dụng lên vòng bi [kN] |
| Fₐ | tải dọc trục thực tế tác dụng lên vòng bi [kN] |
| X | hệ số tải hướng kính của vòng bi |
| Y | hệ số tải dọc trục của vòng bi |
Áp dụng cho vòng bi 6208 ở phần mở đầu theo chính ví dụ trong danh mục NSK. Các tải trọng danh định của vòng bi là Cᵣ = 32.000 N và C₀ᵣ = 17.900 N, với f₀ = 14.0. Trường hợp tải có Fᵣ = 2.500 N và Fₐ = 1.000 N.
- Xác định ngưỡng. f₀Fₐ/C₀ᵣ = 14.0 × 1.000 / 17.900 = 0.782, cho e ≈ 0.26.
- Kiểm tra tỷ số. Fₐ/Fᵣ = 1.000 / 2.500 = 0.4, lớn hơn e. Phải tính thành phần dọc trục.
- Tra các hệ số. X = 0.56 và Y = 1.67 theo phép nội suy tuyến tính trong bảng danh mục.
- Tính toán. P = 0.56 × 2.500 + 1.67 × 1.000 = 3.070 N.
Hai điểm trong biểu đồ này cần được xem xét kỹ. Hệ số hướng kính X = 0.56 làm giảm phần đóng góp của tải hướng kính đo được, từ 2.500 N xuống 1.400 N. Hệ số dọc trục Y = 1.67 làm tăng phần đóng góp của tải dọc trục đo được, từ 1.000 N lên 1.670 N. Vì vậy, thành phần dọc trục cuối cùng lớn hơn thành phần hướng kính dù tải dọc trục chỉ bằng 40% lực hướng kính.
Mức giảm tuổi thọ bắt nguồn từ số mũ. L₁₀ tỷ lệ với (C/P)³ đối với vòng bi cầu, nên khi P tăng từ 2.500 N lên 3.070 N, tuổi thọ tính toán được nhân với (2.500/3.070)³ = 0.54. Các hệ số tuổi thọ NSK công bố cho cùng trường hợp cũng giảm từ 4.26 xuống 3.47, tức vẫn bằng 0.54 khi tính theo cách khác, và kết quả là khoảng 39.000 giờ giảm còn khoảng 21.000 giờ. Khoảng 46% tuổi thọ tính toán đã mất đi. Chính độ nhạy này khiến tải vượt 10% làm giảm khoảng một phần tư tuổi thọ tính toán; nội dung được trình bày chi tiết hơn trong hướng dẫn về các dạng hư hỏng vòng bi.
Tại điểm làm việc này, một kilonewton tải dọc trục gây hại ít hơn một kilonewton tải hướng kính bổ sung. Thêm 1.000 N theo phương dọc trục cho P = 3.070 N. Nếu thay vào đó thêm cùng 1.000 N theo phương hướng kính, P = 3.500 N, vì tải hướng kính thuần túy được đối chiếu trực tiếp với tải trọng danh định mà không có hệ số giảm 0.56. Cách diễn giải phổ biến rằng tải dọc trục là phương đặc biệt nguy hiểm không đúng với kết quả tính toán này. Tải dọc trục nguy hiểm không phải do hệ số, mà do giới hạn được trình bày ở phần tiếp theo và do Y tiếp tục tăng khi tỷ số tải tăng trong khi X giữ nguyên.
Có một lưu ý đối với phép so sánh này: kết luận chỉ đúng tại điểm làm việc đã kiểm chứng và không thể ngoại suy cho toàn bộ đường đặc tính. Y cũng không phải hằng số vì nó giảm khi f₀Fₐ/C₀ᵣ tăng, nên điểm giao thay đổi theo từng trường hợp tải. Hãy tra các hệ số cho đúng vòng bi và đúng tải thực tế thay vì dùng lại một cặp hệ số.
Để tìm hiểu các giá trị tải trọng danh định C và C₀, cũng như cách xây dựng công thức L₁₀ và hệ số an toàn s₀ từ chúng, xem bài tải trọng động so với tải trọng tĩnh trong vòng bi.
Khía cạnh tĩnh của cùng một bài toán
Sự phân biệt theo phương tải cũng xuất hiện trong phép kiểm tra tĩnh, với các hệ số khác và theo một tiêu chuẩn khác. Đối với vòng bi cầu rãnh sâu một dãy, ISO 76 cho tải trọng tĩnh tương đương là P₀ = 0.6 Fᵣ + 0.5 Fₐ. Công thức đi kèm một điều kiện giới hạn dưới: nếu P₀ tính được nhỏ hơn Fᵣ thì lấy P₀ = Fᵣ.
Áp dụng cho cùng trường hợp 6208. P₀ = 0.6 × 2.500 + 0.5 × 1.000 = 2.000 N, nhỏ hơn tải hướng kính 2.500 N, nên điều kiện giới hạn dưới được áp dụng và P₀ = 2.500 N. Tải dọc trục hoàn toàn không còn ảnh hưởng đến phép kiểm tra tĩnh. Đây không phải lỗi của phương pháp; phương pháp không cho phép một giá trị trung bình có trọng số thể hiện thấp hơn tải mà vòng bi thực sự phải chịu.
Các hệ số tĩnh còn làm tăng tải tương đương theo kiểu bố trí, trong khi các hệ số động không có ảnh hưởng này. Đối với một bộ vòng bi ghép cặp lắp lưng đối lưng hoặc mặt đối mặt, cùng nguồn này cho P₀ = Fᵣ + 1.7 Fₐ. Hệ số dọc trục tăng hơn ba lần, từ 0.5 lên 1.7.
Giới hạn tải dọc trục theo từng loại
Mỗi loại vòng bi có giới hạn tuyệt đối về tải dọc trục có thể chịu, và giới hạn của một số loại bằng không. Giới hạn này độc lập với phép tính tải trọng tương đương: một trường hợp tải có thể đạt yêu cầu về tuổi thọ tính toán nhưng vẫn không được phép áp dụng.
| Loại vòng bi | Khả năng chịu tải dọc trục | Tải trọng động tương đương, trên e |
|---|---|---|
| Vòng bi cầu rãnh sâu, một dãy | Tải dọc trục thuần túy Fₐ ≤ 0.5 C₀ | P = X Fᵣ + Y Fₐ |
| Vòng bi cầu rãnh sâu, d ≤ 12 mm hoặc dãy đường kính 8, 9, 0, 1 | Tải dọc trục thuần túy Fₐ ≤ 0.25 C₀ | P = X Fᵣ + Y Fₐ |
| Vòng bi cầu rãnh sâu, thép không gỉ | Tải dọc trục thuần túy Fₐ ≤ 0.25 C₀ | P = X Fᵣ + Y Fₐ |
| Vòng bi cầu rãnh sâu, có rãnh nạp bi | Fₐ ≤ 0.6 Fᵣ | P = Fᵣ + Fₐ khi Fₐ/Fᵣ ≤ 0.6 |
| Vòng bi cầu rãnh sâu, hai dãy | Tải dọc trục thuần túy Fₐ ≤ 0.5 C₀ | P = X Fᵣ + Y Fₐ, luôn phải tính tải dọc trục |
| Vòng bi cầu tiếp xúc góc, một dãy | Theo góc tiếp xúc và kiểu bố trí | P = X Fᵣ + Y₂ Fₐ |
| Vòng bi đũa trụ, không định vị | Không chịu được | P = Fᵣ |
| Vòng bi đũa trụ, có gờ chặn trên cả hai vòng, loại định vị | Fₐ ≤ 0.5 Fᵣ | P = 0.92 Fᵣ + Y Fₐ |
| Vòng bi đũa côn, một dãy | Theo góc tiếp xúc, dùng theo cặp đối nhau | P = 0.4 Fᵣ + Y Fₐ |
| Vòng bi tang trống | Chịu được tải dọc trục thuần túy | P = 0.67 Fᵣ + Y₂ Fₐ |
| Vòng bi cầu chặn | Chỉ chịu tải dọc trục | P = Fₐ |
Nguồn của bảng là dữ liệu sản phẩm SKF theo từng loại, truy xuất ngày 2026-08-24.
Một số hàng cần được nhấn mạnh. Vòng bi đũa trụ không định vị hoàn toàn không chịu tải dọc trục, và tải trọng tĩnh tương đương của nó là P₀ = Fᵣ, không có thành phần dọc trục để cộng vào. Khi dùng vòng bi có gờ chặn trên cả hai vòng làm vòng bi định vị, nó chịu được Fₐ đến 0.5 Fᵣ. Đây là một chi tiết khác, không phải một phép tính khác cho cùng một chi tiết. Vòng bi cầu chặn không có thành phần hướng kính trong cả mô hình động lẫn mô hình tĩnh vì loại này không được thiết kế để chịu tải hướng kính. Khi tải dọc trục là toàn bộ trường hợp tải chứ không còn là một thành phần, việc lựa chọn chuyển sang vòng bi chặn chuyên dụng và không còn là bài toán về tỷ số hướng tải.
Vòng bi tang trống chịu được tải dọc trục và cả tải dọc trục thuần túy, nên là trường hợp khác biệt trong bảng. Giới hạn của loại này phụ thuộc vào cách lắp chứ không phải hình học vòng bi: khi được lắp đúng bằng ống lót côn trên trục trơn không có vai chặn cố định, tải dọc trục cho phép giảm xuống Fₐₚ = 0.003 B d. Vòng bi không yếu đi; giới hạn lúc này là lực ma sát giữ vòng bi trên trục.
Giới hạn tải dọc trục không phải giới hạn tải trọng tĩnh danh định
Đây là phần thường bị bỏ sót, đồng thời là lý do một trường hợp tải có thể đạt mọi yêu cầu tính toán ở trên nhưng vẫn phá hủy vòng bi.
Tải dọc trục cho phép của vòng bi cầu rãnh sâu là mức tải tại đó elip tiếp xúc vượt qua vai rãnh lăn. Khi tải dọc trục tăng, góc tiếp xúc thay đổi và vùng tiếp xúc hình elip dịch dần lên sườn rãnh cho đến khi một phần vượt khỏi mép. NSK nêu rõ đây là một giới hạn khác với giá trị P₀ được suy ra từ C₀ và hệ số tải dọc trục tĩnh Y₀. NSK cũng nêu rõ hậu quả: elip tiếp xúc có thể vượt qua vai ngay cả khi tải dọc trục thấp hơn giới hạn P₀ (Danh mục NSK E1103, truy xuất ngày 2026-08-24).
Đạt yêu cầu kiểm tra tĩnh không chứng minh tải dọc trục là cho phép. Tải trọng tĩnh danh định giới hạn biến dạng vĩnh viễn tại vùng tiếp xúc. Giới hạn tải dọc trục xác định vùng tiếp xúc có còn nằm hoàn toàn trên rãnh lăn hay không. Đây là hai cơ chế hư hỏng khác nhau với các giới hạn khác nhau, và giới hạn hình học có thể đạt trước.
Áp dụng cho ví dụ xuyên suốt: vòng bi 6208 thuộc dãy đường kính 2 và có đường kính lỗ 40 mm, nên không thuộc ngoại lệ nào. Giới hạn tải dọc trục thuần túy là 0.5 × 17.900 = 8.950 N. Tải dọc trục 1.000 N trong trường hợp này thấp hơn nhiều so với giới hạn. Nếu vẫn giữ đường kính lỗ 40 mm nhưng chuyển sang dãy đường kính 0, giới hạn giảm xuống còn một phần tư C₀. Đây là kiểu thay thế có kích thước trên bản vẽ trông hoàn toàn giống nhau nhưng không tương đương khi vận hành. Một dạng khác của cùng sai lầm xuất hiện khi đối chiếu chéo mã vòng bi giữa các nhà sản xuất.
Tải dọc trục không do ngoại lực tạo ra
Vòng bi cầu tiếp xúc góc một dãy hoặc vòng bi đũa côn một dãy truyền tải hướng kính từ rãnh lăn này sang rãnh lăn kia theo một góc so với trục vòng bi. Đường truyền tải nghiêng này tạo ra lực dọc trục bên trong dù không có tải dọc trục bên ngoài. Đây là hệ quả của góc tiếp xúc chứ không phải do máy tạo ra. Đó là lý do các vòng bi này được lắp theo cặp đối nhau thay vì lắp đơn lẻ: vòng bi còn lại tạo điểm phản lực cho lực phát sinh.
Hệ quả thực tế là phải đưa thành phần phát sinh này vào phép tính tải trọng tương đương đối với các bố trí đã điều chỉnh gồm hai vòng bi đơn hoặc hai cặp ghép cùng chiều. Nếu bỏ qua, phép tính không chỉ đánh giá thiếu an toàn mà hoàn toàn sai, vì vòng bi đang chịu tải dọc trục không hề xuất hiện trong trường hợp tải ban đầu.
Các phương trình trong danh mục cho những bố trí đó đi kèm các điều kiện dễ bị bỏ sót và cũng dễ bị vi phạm trên bản vẽ thực tế. Phương trình chỉ có hiệu lực khi cả hai vòng bi có góc tiếp xúc giống hệt nhau và được điều chỉnh với nhau để khe hở gần như bằng không mà không tạo tải đặt trước. Nếu lắp cặp vòng bi có khe hở, có tải đặt trước hoặc dùng hai góc tiếp xúc khác nhau, phương trình không còn mô tả đúng bố trí. Khi đó, bài toán phải được giải bằng phần mềm phân tích bố trí vòng bi thay vì bảng tính.
Còn có một lỗi bố trí liên quan có thể tự tạo ra tải dọc trục: hai vòng bi định vị trên cùng một trục. Cả hai đầu đều bị cố định theo phương dọc trục trong khi trục giãn nở do nhiệt. Trục không có chỗ giãn ra nên lực dọc trục truyền vào vòng bi dù lực này không xuất hiện trong trường hợp tải hay trên bản vẽ. Bố trí một vòng bi định vị và một vòng bi không định vị sẽ tránh được vấn đề này; đó cũng chính là lý do vòng bi đũa trụ không định vị trong bảng trên được thiết kế không chịu tải dọc trục.
Để tìm hiểu chi tiết về góc tiếp xúc và các mã bố trí DB, DF, DT, xem hướng dẫn về vòng bi cầu tiếp xúc góc. Để lựa chọn giữa hai loại vòng bi con lăn trong bố trí định vị và không định vị, xem bài vòng bi đũa côn so với vòng bi đũa trụ.
Tải quá nhỏ cũng là một trường hợp tải
Vòng bi chịu tải quá nhẹ sẽ hỏng do trượt lết và mài mòn dính thay vì do mỏi. Các phần tử lăn cần đủ tải để lăn chứ không trượt. Dưới mức đó, cơ chế hư hỏng thay đổi hoàn toàn, vì vậy mỗi vòng bi đều có tải tối thiểu bên cạnh tải tối đa.
Quy tắc chung của SKF (truy xuất ngày 2026-08-24) là 0.01 C đối với vòng bi cầu và 0.02 C đối với vòng bi con lăn. Với vòng bi 6208, giá trị này là 0.01 × 32.000 = 320 N, thấp hơn nhiều so với tải hướng kính 2.500 N.
Với những loại vòng bi cần phân biệt phương tải, tải tối thiểu được quy định riêng cho từng phương. Vòng bi đũa côn một dãy cần Fᵣₘ = 0.017 C hoặc Fₐₘ = 0.009 C/Y, tùy phương chịu tải. Vòng bi tang trống cần Pₘ = 0.01 C₀, giảm xuống 0.003 C₀ khi được bôi trơn bằng dầu và vận hành dưới 0.3 lần tốc độ tham chiếu.
Yêu cầu này trở nên quan trọng nhất khi tăng tốc nhanh, khởi động và dừng nhanh, cũng như ở tốc độ trên 50% tốc độ giới hạn được liệt kê trong bảng sản phẩm. Đây là những điều kiện phần tử lăn dễ mất lực bám nhất. Khi không thể đáp ứng tải tối thiểu, các biện pháp theo thứ tự là chọn dãy kích thước nhỏ hơn, dùng chất bôi trơn đặc biệt hoặc quy trình chạy rà, dùng vòng bi có lớp phủ, hoặc tạo tải đặt trước. Tải đặt trước là giải pháp phổ biến nhất và tương tác trực tiếp với nhóm khe hở được đặt mua, như trình bày trong hướng dẫn về khe hở bên trong vòng bi.
Quy trình kiểm tra hướng tải gồm sáu bước
Toàn bộ quy trình gồm sáu bước. Hai bước thường bị bỏ qua trong thực tế là tải phát sinh và giới hạn tải dọc trục; bỏ qua bất kỳ bước nào cũng tạo ra một phép tính trông có vẻ đầy đủ nhưng thực tế không hoàn chỉnh.
- Phân giải ngoại lực thành Fᵣ và Fₐ tại từng vị trí vòng bi, áp dụng hệ số tải bánh răng hoặc đai của bộ truyền động.
- Cộng lực dọc trục phát sinh nếu dùng vòng bi cầu tiếp xúc góc hoặc vòng bi đũa côn, trước khi thực hiện bất kỳ phép tính nào khác.
- Tra e cho vòng bi cụ thể, sau đó tính Fₐ/Fᵣ và so sánh.
- Tính P. Trên e, P = X Fᵣ + Y Fₐ với các hệ số của vòng bi đó. Dưới e, P = Fᵣ, nhưng chỉ áp dụng cho vòng bi một dãy.
- Kiểm tra giới hạn và trường hợp tĩnh. So sánh tải dọc trục với giới hạn cho phép của loại vòng bi, đồng thời kiểm tra riêng P₀ so với C₀ cho điều kiện tải đỉnh hoặc đứng yên.
- Kiểm tra tải tối thiểu tại mức tải thấp nhất trong chu kỳ làm việc, không chỉ kiểm tra mức cao nhất.
Khi thực hiện đầy đủ, trường hợp vòng bi 6208 cho kết quả:
- Bước 1. Fᵣ = 2.500 N và Fₐ = 1.000 N.
- Bước 2. Không có thành phần phát sinh vì đây là vòng bi cầu rãnh sâu.
- Bước 3. e ≈ 0.26 so với tỷ số 0.4, nên phải tính thành phần dọc trục.
- Bước 4. P = 3.070 N, so với Cᵣ = 32.000 N.
- Bước 5. Tải dọc trục 1.000 N so với giới hạn 8.950 N. P₀ = 2.500 N so với C₀ᵣ = 17.900 N, cho hệ số an toàn tĩnh bằng 7.2.
- Bước 6. Yêu cầu tải tối thiểu là 320 N, và ứng dụng đáp ứng yêu cầu này.
Mỗi con số trên đều truy nguyên được đến một tiêu chuẩn hoặc bảng sản phẩm đã công bố.
Khả năng truy nguyên chính là mục tiêu. Một vòng bi đáp ứng cả sáu bước có đủ cơ sở để giải trình với bộ phận chất lượng, bất kể do ai sản xuất. Lập luận dựa trên ISO 281, ISO 76 và các giá trị tải trọng danh định do nhà sản xuất công bố để có thể kiểm chứng. Khi quy định rõ các con số và tiêu chuẩn, vấn đề xuất xứ tự nó đã có câu trả lời.
Câu hỏi thường gặp
Vòng bi cầu có chịu được tải dọc trục không?
Có. Vòng bi cầu rãnh sâu một dãy tiêu chuẩn chịu tải dọc trục thuần túy đến Fₐ ≤ 0.5 C₀, tức tải trọng tĩnh cơ bản. Hai nhóm bị giới hạn ở một nửa mức đó, tức 0.25 C₀: vòng bi có đường kính lỗ từ 12 mm trở xuống và vòng bi thuộc dãy đường kính 8, 9, 0 và 1. Vòng bi cầu rãnh sâu bằng thép không gỉ cũng bị giới hạn ở 0.25 C₀. Vượt giới hạn có thể làm giảm đáng kể tuổi thọ, và cơ chế chi phối là elip tiếp xúc vượt qua vai rãnh lăn chứ không phải quá tải tĩnh.
Tải dọc trục và tải hướng kính khác nhau như thế nào?
Tải hướng kính tác dụng vuông góc với trục, còn tải dọc trục tác dụng dọc theo trục. Tải dọc trục còn được gọi là tải chặn. ISO 5593 quy định hệ thuật ngữ này. Trường hợp thứ ba là tải mô-men, xuất hiện khi hợp lực không đi qua tâm vòng bi. Trường hợp đó cần một cặp vòng bi hoặc kết cấu hai dãy thay vì một hệ số tải.
Loại vòng bi nào chịu tải kết hợp hướng kính và dọc trục tốt nhất?
Vòng bi đũa côn, vòng bi cầu tiếp xúc góc và vòng bi tang trống, nhưng mỗi loại xử lý tải kết hợp theo cách khác nhau. Vòng bi đũa côn một dãy dùng P = 0.4 Fᵣ + Y Fₐ khi vượt ngưỡng. Vòng bi cầu tiếp xúc góc một dãy dùng P = X Fᵣ + Y₂ Fₐ. Vòng bi tang trống dùng P = 0.67 Fᵣ + Y₂ Fₐ và chịu được tải dọc trục thuần túy, điều mà hai loại còn lại không làm được khi lắp đơn lẻ. Cả loại đũa côn và tiếp xúc góc đều cần lắp theo cặp đối nhau vì chúng tự phát sinh tải dọc trục bên trong.
Vòng bi đũa trụ có chịu được tải dọc trục không?
Chỉ loại có gờ chặn dùng trong bố trí định vị mới chịu được. Vòng bi đũa trụ có gờ chặn trên cả vòng trong và vòng ngoài chịu tải dọc trục đến Fₐ ≤ 0.5 Fᵣ cùng với tải hướng kính. Khi vượt ngưỡng, loại này dùng P = 0.92 Fᵣ + Y Fₐ. Khi dùng làm vòng bi không định vị, nó hoàn toàn không chịu tải dọc trục. Tải trọng động tương đương chỉ là P = Fᵣ, còn tải trọng tĩnh tương đương là P₀ = Fᵣ, không có thành phần dọc trục. Việc không chịu tải dọc trục là một đặc tính thiết kế vì nhờ đó trục có thể giãn nở do nhiệt mà không tạo tải lên vòng bi.
Điều gì xảy ra nếu đánh giá thấp tải dọc trục?
Hai hậu quả riêng biệt theo hai cơ chế riêng biệt. Đối với vòng bi cầu, tuổi thọ tính toán giảm theo lũy thừa bậc ba của mức tăng tải trọng tương đương, nên nếu tải dọc trục bị đánh giá thấp thì tuổi thọ sẽ bị đánh giá quá cao. Độc lập với điều đó, elip tiếp xúc có thể vượt qua vai rãnh lăn, và hiện tượng này có thể xảy ra ngay cả khi tải dọc trục thấp hơn giới hạn tĩnh P₀. Đạt yêu cầu kiểm tra tĩnh không chứng minh tải là cho phép. Hư hỏng phát sinh được phân loại theo ISO 15243, còn các dạng hư hỏng được trình bày trong hướng dẫn về hư hỏng vòng bi.
Kết luận
Hướng tải là một đại lượng phải đưa vào tính toán, không đơn thuần là một cách phân loại. Ba yếu tố quan trọng nhất là:
- Tỷ số quyết định. Dưới ngưỡng e riêng của vòng bi, tải dọc trục không được đưa vào phép tính tuổi thọ. Trên ngưỡng, P = X Fᵣ + Y Fₐ, và thành phần dọc trục có thể lớn hơn thành phần hướng kính dù tải dọc trục vẫn chỉ chiếm phần nhỏ của tổng lực.
- Phép quy đổi được tiêu chuẩn hóa. ISO 281 áp dụng cho trường hợp động và ISO 76 cho trường hợp tĩnh, với các hệ số được công bố theo từng vòng bi chứ không phải theo cả một loại. Hãy tra cho đúng chi tiết thực tế.
- Giới hạn phụ thuộc vào từng loại và độc lập với tải trọng danh định. 0.5 C₀ đối với vòng bi cầu rãnh sâu tiêu chuẩn, 0.25 C₀ đối với các dãy nhỏ và nhẹ, 0.5 Fᵣ đối với vòng bi đũa trụ định vị có gờ chặn, và bằng không đối với loại không định vị. Giới hạn hình học có thể đạt trước giới hạn tĩnh.
Nếu ứng dụng có cả hai thành phần tải, hãy gửi dữ liệu ứng dụng cho đội ngũ kỹ thuật của ANDE Bearing: tải hướng kính, tải dọc trục, tốc độ và kích thước bao yêu cầu. Chúng tôi sẽ đề xuất vòng bi kèm phép tính ISO 281 để phương án lựa chọn có thể được kiểm chứng thay vì phải được chấp nhận mà không có cơ sở kiểm tra. Bạn cũng có thể bắt đầu từ loại vòng bi đã xác định là cần thiết: vòng bi cầu rãnh sâu, vòng bi đũa côn hoặc vòng bi đũa trụ.
Về tác giả
Jeff Li viết về kỹ thuật vòng bi và tìm nguồn cung ứng toàn cầu cho ANDE Bearing. Anh làm việc trực tiếp với các bên mua hàng OEM và phụ tùng thay thế trong ngành ô tô, công nghiệp nặng và năng lượng tái tạo. Kết nối trên LinkedIn.
