Một vòng bi 6210 C3 rời nhà máy với 18 đến 36 micromet khe hở hướng tâm. Lắp nó bằng mối lắp ép và cho chạy nóng, thì phần lớn khe hở đó đã biến mất trước khi máy đạt nhiệt độ ổn định. Chính khoảng chênh lệch giữa khe hở bạn đặt hàng và khe hở mà vòng bi thực sự làm việc là toàn bộ lý do tồn tại của các cấp khe hở nội bộ, và đó cũng là nơi phần lớn sai lầm khi lựa chọn xảy ra.
Khe hở hướng tâm bên trong (RIC) là tổng khoảng dịch chuyển hướng tâm mà một vòng có thể di chuyển so với vòng còn lại trước khi lắp ráp, khi không có tải. ISO 5753-1 phân nó thành các nhóm từ chặt đến lỏng. Hướng dẫn này đưa ra các giá trị micromet thực tế cho một cỡ lỗ phổ biến, chỉ ra cách mối lắp có độ dôi và nhiệt độ làm việc tiêu hao chúng, giải một ví dụ từ đầu đến cuối, và biến kết quả thành quy tắc chọn cấp. Nếu bạn cần giải mã hậu tố C3 trên một vòng trước tiên, hãy bắt đầu với hướng dẫn cách đọc mã vòng bi.
Những điểm chính
- Khe hở hướng tâm bên trong được ISO 5753-1 phân cấp C2 < CN (Normal) < C3 < C4 < C5. Cùng các nhóm này được định nghĩa giống hệt trong DIN 620-4, nên các nhãn được dùng chung xuyên suốt các tiêu chuẩn.
- CN là mặc định và không mang hậu tố. Một chữ cái chỉ xuất hiện với nhóm khác Normal, chẳng hạn
6210 C3. Chữ cái cao hơn nghĩa là khe hở xuất xưởng lớn hơn, không phải chất lượng thấp hơn.- Khe hở làm việc nhỏ hơn khe hở bạn đặt hàng. Mối lắp có độ dôi tiêu hao khoảng 70 đến 90% độ dôi của vòng, và vòng trong chạy nóng hơn vòng ngoài làm khe hở thu hẹp thêm. Đẳng thức là Δe = Δ0 − δf − δt.
- Hãy nhắm đến khe hở làm việc dương nhẹ. Tuổi thọ mỏi đạt đỉnh tại một giá trị âm nhẹ, nhưng người thiết kế giữ nó chỉ ngay trên mức không vì khe hở âm gây ra tải trước, sinh nhiệt và kẹt cứng.
- Chọn cấp dựa trên mối lắp và nhiệt độ, không phải theo thói quen. Mối lắp ép và chạy nóng đẩy bạn về phía lỏng hơn (C3, C4 hoặc CM); mối lắp nhẹ và yêu cầu độ ồn thấp kéo bạn về phía chặt hơn (C2).
Khe hở hướng tâm bên trong là gì?
Khe hở hướng tâm bên trong là tổng khoảng cách mà một vòng có thể dịch chuyển theo hướng tâm so với vòng còn lại trước khi vòng bi được lắp, khi không có tải tác dụng. ISO 5753-1 sắp xếp khe hở đó thành các nhóm chạy từ C2 (chặt) qua CN, C3, C4, đến C5 (lỏng), cùng với một cấp C1 hiếm dùng chặt hơn C2. CN nằm ở giữa và là giá trị bạn nhận được nếu đặt hàng vòng bi hoàn toàn không có hậu tố khe hở.
Hai điểm khiến nhiều người nhầm lẫn. Thứ nhất, CN không được in trên vòng. Ký hiệu chỉ mang mã khe hở khi nhóm khác Normal, nên 6210 là vòng bi CN và 6210 C3 là biến thể lỏng hơn của cùng một chi tiết. Điều này khớp với logic hậu tố trong hướng dẫn mã vòng bi của chúng tôi. Khe hở là một trong số ít mã giống hệt nhau giữa SKF, NSK, NTN và FAG, vì nó bắt nguồn từ ISO chứ không phải quy ước riêng của từng hãng. Thứ hai, toàn bộ thang này nói về khe hở hướng tâm. Vòng bi tiếp xúc góc và vòng bi đũa côn được chi phối bởi khe hở nội bộ dọc trục, được định nghĩa cho loại tiếp xúc bốn điểm trong ISO 5753-2, và được thiết lập dưới dạng cặp đã điều chỉnh hoặc đặt tải trước thay vì bằng cách chọn một nhóm hướng tâm.
Có một mã đặc biệt đáng nhắc đến ngay bây giờ. CM là dải khe hở thu hẹp nhắm đến vòng bi động cơ điện, nơi các mối lắp và nhiệt độ được xác định rõ và một khe hở làm việc chặt hơn, nhất quán hơn giúp động cơ chạy êm. Nó hoạt động như một dải được nhà máy tinh chỉnh nằm giữa CN và C3 cho riêng ứng dụng đó.
Bảng khe hở C2 đến C5 (µm cho lỗ 50 mm)
Các nhóm khe hở là các dải, không phải con số đơn lẻ, và các dải này chồng lấn nhau. Đối với một ổ bi cầu rãnh sâu 6210 (lỗ 50 mm, đường kính ngoài 90 mm), các dải khe hở hướng tâm bên trong theo ISO 5753-1 là các giá trị dưới đây, được sao chép trong catalogue kỹ thuật của NTN (NTN Catalog 2203, Bảng 8.8). Vì một vòng bi C3 gần đáy dải của nó chồng lấn với một vòng bi CN gần đỉnh dải của nó, phát biểu "C3 lỏng hơn CN" chỉ đúng khi so nhóm với nhóm, không phải chi tiết với chi tiết.
Các dải tỷ lệ theo cỡ lỗ, nên hãy luôn đọc hàng ứng với lỗ thực tế của bạn. Bảng dưới đây đưa ra lỗ 50 mm cùng với dải cỡ lớn hơn kế tiếp để bạn thấy được sự dịch chuyển.
| Dải cỡ lỗ | C2 | CN (Normal) | C3 | C4 | C5 |
|---|---|---|---|---|---|
| trên 40 đến 50 mm (vd. 6210) | 1 đến 11 | 6 đến 23 | 18 đến 36 | 30 đến 51 | 45 đến 73 |
| trên 50 đến 65 mm | 1 đến 15 | 8 đến 28 | 23 đến 43 | 38 đến 61 | 55 đến 90 |
Giá trị tính bằng µm, khe hở hướng tâm bên trong theo ISO 5753-1 (NTN Catalog 2203, Bảng 8.8).
Cấp khe hở không giống cấp dung sai
Khe hở nội bộ và độ chính xác là hai đặc tính độc lập được chi phối bởi hai tiêu chuẩn khác nhau, và gộp lẫn chúng là hiểu lầm phổ biến nhất về chủ đề này. Khe hở nội bộ (C2 đến C5, định nghĩa bởi ISO 5753-1) mô tả các vòng có thể dịch chuyển bao xa so với nhau. Độ chính xác, hay cấp dung sai (P0, P6, P5 và thang ABEC, định nghĩa bởi ISO 492 và ANSI/ABMA 20), mô tả mức độ chặt chẽ của dung sai lỗ, đường kính ngoài, chiều rộng và độ chính xác quay.
Một vòng bi C3 không cho bạn biết gì về cấp ABEC của nó. Hai mã này nằm trên các trục riêng biệt và có thể kết hợp tự do. Một ký hiệu như
6205 C3 P5chỉ định một vòng bi có khe hở hướng tâm lớn hơn Normal và độ chính xác quay cao cùng lúc. Đặt hàng C3 khi bạn thực sự cần độ chính xác P5, hay trả tiền cho P5 khi ứng dụng chỉ cần thay đổi khe hở, cả hai đều xuất phát từ việc coi một thang như thể nó bao hàm thang kia.
Nếu bạn cần xác nhận một vòng bi đã qua sử dụng hoặc không có nhãn thực sự có khe hở nào, có thể kiểm tra khe hở dư bằng căn lá trên vòng bi đã lắp. Hướng dẫn cách đo vòng bi của chúng tôi trình bày cách làm đó. Để biết sự khác biệt thực tế giữa các cấp độ chính xác, và khi nào bạn thực sự cần P5 trở lên, hãy xem hướng dẫn của chúng tôi về tiêu chuẩn ABEC.
Tại sao khe hở làm việc nhỏ hơn khe hở bạn đặt hàng
Khe hở chi phối cách một vòng bi vận hành không phải là giá trị trong catalogue. Đó là khe hở làm việc (hiệu dụng), khe hở còn lại sau khi vòng bi được lắp và đã đạt nhiệt độ làm việc. Cả việc lắp ráp lẫn nhiệt đều làm giảm nó, và mối quan hệ là một phép trừ đơn giản (NTN Catalog 2203, Eq. 8.1):
Δe = Δ0 − δf − δt
Ở đây Δ0 là khe hở ban đầu từ catalogue, δf là phần mất do mối lắp có độ dôi, và δt là phần mất do chênh lệch nhiệt độ giữa hai vòng. Điều này cho ba trạng thái riêng biệt: khe hở ban đầu trước khi lắp, khe hở dư sau khi áp dụng mối lắp, và khe hở làm việc khi vòng bi nóng lên dưới tải. NSK mô tả cùng một tiến trình từ khe hở ban đầu đến khe hở dư đến khe hở hiệu dụng.
Mất do lắp (δf). Ép một vòng lên trục hoặc vào vỏ làm nó giãn ra hoặc bị nén lại, và điều đó nuốt mất khe hở. NTN đưa ra phần mất khoảng 70 đến 90% độ dôi hiệu dụng (NTN Eq. 8.2), chính là dạng chính xác của quy tắc kinh nghiệm "khoảng 80%" vẫn được lan truyền mà không có nguồn. Mối lắp chặt hơn đem lại định vị tốt hơn và ít hiện tượng trượt vòng hơn, nhưng nó phải tiêu tốn khe hở hướng tâm để làm được điều đó.
Mất do nhiệt (δt). Ở phần lớn máy móc, vòng trong chạy nóng hơn vòng ngoài, thường là 5 đến 10 °C, vì nó gần nguồn nhiệt hơn và tản nhiệt kém hơn. Do đó vòng trong giãn nở nhiều hơn vòng ngoài, và khe hở khép lại. SKF đưa ra mức giảm là δt = 0,012 × ΔT × dm, trong đó ΔT là chênh lệch nhiệt độ giữa hai vòng tính bằng °C và dm là đường kính trung bình của vòng bi, (d + D) / 2, tính bằng milimét. Chế độ vận hành càng nóng, số hạng này càng quan trọng, đây cũng là lý do lựa chọn bôi trơn và nhiệt độ làm việc ảnh hưởng trực tiếp đến việc chọn khe hở. Hướng dẫn của chúng tôi về bôi trơn vòng bi trình bày khía cạnh màng dầu và nhiệt độ của vấn đề đó.
Ví dụ tính toán: Từ đơn đặt CN đến khe hở làm việc
Đặt các con số thực vào đẳng thức và lý do tồn tại của các cấp khe hở trở nên rõ ràng. Lấy một 6210 với khe hở CN, lắp bằng mối lắp có độ dôi trên trục và chạy với chênh lệch nhiệt độ 10 °C giữa vòng trong và vòng ngoài. Đường kính trung bình dm là (50 + 90) / 2 = 70 mm. Phép tính dưới đây dùng độ dôi hiệu dụng minh họa là 15 µm; hệ số lắp và công thức nhiệt độ lấy từ các catalogue.
Δ0 (CN, mid-band) = 15 µm
δf (interference-fit loss) = 0.80 × 15 ≈ 12 µm (0.70 to 0.90 × effective interference)
δt (10 °C gradient loss) = 0.012 × 10 × 70 ≈ 8.4 µm (dm = (50 + 90) / 2 = 70 mm)
Δe = Δ0 − δf − δt = 15 − 12 − 8.4 ≈ −5.4 µm → NEGATIVE: the bearing is preloaded
Kết quả âm nghĩa là các phần tử lăn bị ép chặt trước khi bất kỳ tải ngoài nào tác dụng. Ngay cả ở đỉnh dải CN (23 µm), khe hở làm việc chỉ vừa vặn trên mức không, và ở đáy dải (6 µm) nó âm rất nhiều. Với mối lắp này và nhiệt độ này, CN là lựa chọn sai. Biểu đồ thác nước dưới đây cho thấy khe hở đi đâu.
Bây giờ chạy cùng mối lắp và nhiệt độ đó trên một vòng bi C3:
Δ0 (C3, mid-band) = 27 µm
Δe = 27 − 12 − 8.4 ≈ +6.6 µm → slightly positive: on target
Cùng trục, cùng nhiệt, kết quả trái ngược. Đây là lý do tại sao "cứ dùng CN" thất bại trên ứng dụng lắp ép, chạy nóng, và tại sao "luôn nâng lên C3" cũng sai không kém trên mối lắp nhẹ ở nhiệt độ vừa phải, nơi C3 sẽ để lại quá nhiều khe hở làm việc. Cấp phải khớp với mối lắp và nhiệt độ, chính là logic lựa chọn trong hai phần tiếp theo.
Quá lỏng hay quá chặt: Khe hở tác động thế nào đến tuổi thọ
Khe hở làm việc có một giá trị tối ưu, và cả hai phía của nó đều khiến bạn phải trả giá. Mối quan hệ giữa khe hở làm việc và tuổi thọ vòng bi là lý do khiến toàn bộ bài toán này quan trọng.
Khe hở quá lớn làm rộng vùng không chịu tải, nên tại mỗi thời điểm có ít phần tử lăn cùng chia sẻ tải hơn. Điều đó làm tăng rung động và độ ồn và giảm tuổi thọ mỏi. Khe hở quá nhỏ, hoặc một giá trị âm, đặt tải trước lên các phần tử lăn trước khi bất kỳ tải ngoài nào tác dụng, làm ứng suất tiếp xúc tăng vọt, sinh nhiệt, và trong trường hợp xấu nhất dẫn đến quá nhiệt mất kiểm soát và kẹt cứng. Về lý thuyết, tuổi thọ mỏi dài nhất tại một khe hở làm việc âm nhẹ. Người thiết kế vẫn nhắm đến một giá trị dương nhỏ, vì việc duy trì khe hở âm trước sự phân tán thực tế của mối lắp và nhiệt độ là rủi ro, như ví dụ tính toán đã cho thấy.
Hiệu ứng vùng chịu tải liên hệ trực tiếp đến cách một vòng bi được định mức. Cung không chịu tải rộng hơn nghĩa là tải làm việc dồn lên ít phần tử hơn, đó là lý do thực tế khiến khe hở làm việc tác động vào bức tranh tuổi thọ mỏi mà chúng tôi trình bày trong tải trọng động vs tải trọng tĩnh. Khi khe hở sai và hư hỏng xuất hiện ngoài hiện trường, nó thường biểu hiện dưới dạng hư hại rãnh lăn và nhiệt bất thường. Đó chính là các triệu chứng được mổ xẻ trong bài phân tích hỏng vòng bi máy cán dải nóng của chúng tôi.
Cách chọn cấp khe hở
Hãy bắt đầu từ mục tiêu: một khe hở làm việc dương nhẹ khi vòng bi đã lắp và đã nóng. Sau đó suy ngược từ mối lắp và nhiệt độ về cấp xuất xưởng đưa bạn đến đó. Sơ đồ quyết định dưới đây bao quát các trường hợp phổ biến.
Khe hở âm không phải lúc nào cũng là lỗi. Khi nó được chủ ý và kiểm soát, một giá trị âm nhỏ được gọi là tải trước, và đó chính là điều mà vòng bi tiếp xúc góc và vòng bi đũa côn sử dụng để làm cứng trục và loại bỏ khe hở. Các loại đó được thiết lập bằng tải trước dọc trục thay vì bằng cách chọn một nhóm hướng tâm, đó là lý do các hướng dẫn của chúng tôi về vòng bi tiếp xúc góc và về vòng bi đũa côn vs vòng bi đũa trụ coi tải trước là một điều chỉnh khi lắp, không phải một hậu tố catalogue.
Cuối cùng, các tên nhóm được dùng chung xuyên suốt các tiêu chuẩn, nên một đặc tả viết theo một hệ thống chuyển đổi gọn gàng sang hệ thống khác.
| ISO 5753-1 | ANSI/ABMA 20 | DIN 620-4 | JIS B 1520 |
|---|---|---|---|
| C2 | Group 2 | C2 | C2 |
| CN (Normal) | Normal | CN | CN |
| C3 | Group 3 | C3 | C3 |
| C4 | Group 4 | C4 | C4 |
| C5 | Group 5 | C5 | C5 |
Các nhóm khe hở hướng tâm bên trong được định nghĩa giống hệt trong ISO 5753-1 và DIN 620-4; các giá trị Bắc Mỹ nằm trong ANSI/ABMA 20.
Câu hỏi thường gặp
Hỏi: Khe hở nội bộ trong vòng bi là gì?
Khe hở nội bộ là tổng khoảng cách mà một vòng có thể dịch chuyển so với vòng còn lại. Khe hở hướng tâm bên trong là chuyển động đó đo theo hướng tâm, trước khi lắp và khi không có tải. ISO 5753-1 phân nó thành các nhóm chạy C2 < CN (Normal) < C3 < C4 < C5, từ chặt đến lỏng.
Hỏi: Khác biệt giữa khe hở C3 và Normal (CN) là gì?
C3 là một nhóm khe hở hướng tâm lỏng hơn CN. Đối với một 6210 (lỗ 50 mm), CN trải từ 6 đến 23 µm và C3 trải từ 18 đến 36 µm theo ISO 5753-1, nên các dải chồng lấn nhau. C3 được chọn khi mối lắp có độ dôi hoặc nhiệt làm việc nếu không sẽ khép khe hở lại quá nhiều, chứ không phải vì nó là vòng bi chất lượng cao hơn.
Hỏi: Khe hở C3 có luôn tốt hơn CN không?
Không. Trên mối lắp nhẹ ở nhiệt độ vừa phải, C3 để lại quá nhiều khe hở làm việc, làm rộng vùng không chịu tải và làm tăng độ ồn cùng rung động trong khi cắt giảm tuổi thọ mỏi. C3 chỉ hữu ích khi mối lắp và nhiệt tiêu hao đủ khe hở để biện minh cho việc khởi đầu lỏng hơn. Hãy khớp cấp với ứng dụng, không phải theo thói quen luôn nâng cấp.
Hỏi: Khe hở C4 nghĩa là gì và khi nào bạn cần nó?
C4 là một nhóm khe hở lỏng hơn C3. Đối với một 6210, nó trải từ 30 đến 51 µm theo ISO 5753-1. Bạn cần nó khi điều kiện vận hành ngốn một lượng lớn khe hở, chẳng hạn nhiệt độ rất cao, chênh lệch nhiệt độ lớn giữa vòng trong và vòng ngoài, hoặc mối lắp có độ dôi nặng, khiến một khởi đầu ở CN hoặc C3 rốt cuộc lại thành âm.
Hỏi: Mối lắp có độ dôi và nhiệt độ làm việc làm giảm khe hở như thế nào?
Cả hai đều trừ đi từ giá trị ban đầu: Δe = Δ0 − δf − δt. Mối lắp có độ dôi tiêu hao khoảng 70 đến 90% độ dôi hiệu dụng của vòng (δf), và chênh lệch nhiệt độ giữa hai vòng tiêu hao δt = 0,012 × ΔT × dm, trong đó dm là đường kính trung bình của vòng bi. Khe hở làm việc thực tế của vòng bi luôn nhỏ hơn giá trị trong catalogue.
Kết luận
Khe hở nội bộ là một con số nhỏ quyết định liệu một vòng bi chạy êm đến hết tuổi thọ định mức hay quá nhiệt và kẹt cứng. Kỷ luật rút lại còn vài điểm:
- Giá trị bạn đặt hàng, C2 đến C5 theo ISO 5753-1, là khe hở ban đầu. Khe hở làm việc nhỏ hơn sau khi mối lắp và nhiệt lấy phần của chúng.
- Chọn cấp dựa trên mối lắp và nhiệt độ, dùng Δe = Δ0 − δf − δt để kiểm tra bạn rơi vào đâu. Nhắm đến dương nhẹ.
- CN là mặc định. Chuyển sang C3, C4 hoặc CM cho mối lắp ép và chạy nóng, và chỉ sang C2 cho mối lắp nhẹ nơi độ ồn thấp hoặc định vị chính xác là ưu tiên.
- Cấp khe hở và cấp độ chính xác là các đặc tính riêng biệt. Một vòng bi C3 có thể ở bất kỳ cấp ABEC nào.
Nếu bạn đang chỉ định một vòng bi cho mối lắp trục và vỏ, tốc độ và nhiệt độ đã xác định, và muốn kiểm tra cấp dựa trên tính toán khe hở dư trước khi đặt hàng, hãy gửi dữ liệu ứng dụng cho đội ngũ kỹ thuật của ANDE Bearing và chúng tôi sẽ trả về nhóm được khuyến nghị cùng khe hở làm việc dự kiến. Bạn cũng có thể bắt đầu từ cỡ bạn cần trong ổ bi cầu rãnh sâu của chúng tôi.
Về tác giả
Jeff Li viết về kỹ thuật vòng bi và tìm nguồn cung ứng toàn cầu cho ANDE Bearing. Ông làm việc trực tiếp với khách hàng OEM và thị trường phụ tùng thay thế trong các ngành ô tô, công nghiệp nặng và năng lượng tái tạo. Kết nối trên LinkedIn.
