Các loại vòng bi: Hướng dẫn toàn diện

Mọi cỗ máy chuyển động đều có một điểm chung: chúng phụ thuộc vào vòng bi để vận hành trơn tru. Từ bánh xe trượt ván đến trục tuabin của động cơ phản lực, vòng bi là bộ phận cho phép các chi tiết quay hoặc trượt tương đối với nhau với ma sát tối thiểu và phân bố tải trọng hợp lý.

Tuy nhiên, hầu hết mọi người khó có thể kể tên quá một hai loại — và ngay cả các kỹ sư đôi khi cũng chỉ dựa vào kinh nghiệm thay vì hiểu sâu về các lựa chọn hiện có. Bài viết này sẽ giúp bạn nắm rõ vấn đề. Dù bạn là người tìm hiểu, sinh viên hay kỹ sư muốn ôn lại kiến thức nền tảng, bạn sẽ có được cái nhìn rõ ràng và thực tiễn về các loại vòng bi khác nhau, nguyên lý hoạt động và lý do tồn tại của từng loại.

Vòng bi là gì?

Vòng bi (bearing) là chi tiết máy có chức năng ràng buộc chuyển động tương đối giữa hai bộ phận theo đúng dạng mong muốn — thường là chuyển động quay hoặc tịnh tiến — đồng thời giảm ma sát và chịu tải trọng cơ học.

Vòng bi thực hiện chức năng này thông qua một trong hai cơ chế cơ bản:

• Tiếp xúc lăn — các viên bi hoặc con lăn được đặt xen giữa hai bề mặt chuyển động, thay thế ma sát trượt bằng ma sát lăn có giá trị nhỏ hơn nhiều.
• Tiếp xúc trượt — một lớp bôi trơn ngăn cách các bề mặt chuyển động, cho phép chúng trượt êm thay vì cọ xát trực tiếp.

Mọi loại vòng bi hiện có đều là biến thể hoặc sự kết hợp của hai nguyên lý này.

Các nhóm vòng bi chính

1. Ổ bi cầu (Ball Bearings)

Ổ bi cầu là loại vòng bi phổ biến nhất. Cấu tạo gồm vòng trong, vòng ngoài, một bộ viên bi thép và vòng cách (cage) giữ các viên bi cách đều nhau. Khi chịu tải, các viên bi lăn giữa hai vòng, truyền lực thông qua tiếp xúc điểm.

Nguyên lý hoạt động: Vì tiếp xúc giữa mặt cầu và mặt phẳng về lý thuyết chỉ là một điểm, nên lực cản lăn cực kỳ nhỏ. Điều này khiến ổ bi cầu rất phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu tốc độ cao và tải trọng vừa phải.

Các loại chính:

• Ổ bi cầu rãnh sâu — loại vòng bi phổ biến nhất trên thế giới. Rãnh lăn sâu so với đường kính viên bi, cho phép chịu cả tải trọng hướng tâm (vuông góc với trục) lẫn tải trọng dọc trục (thrust) ở mức vừa phải. Được sử dụng trong động cơ điện, hộp số, bơm và thiết bị gia dụng.
• Ổ bi cầu tiếp xúc góc — vòng trong và vòng ngoài được bố trí lệch nhau sao cho tải trọng truyền qua một góc tiếp xúc xác định (thường là 15°, 25° hoặc 40°). Hình học này cho phép chịu tải kết hợp hướng tâm và dọc trục hiệu quả hơn. Được dùng trong trục chính máy công cụ, moay-ơ bánh xe ô tô và bơm tốc độ cao.
• Ổ bi cầu tự lựa — có rãnh ngoài dạng cầu cho phép vòng trong nghiêng tương đối so với vòng ngoài, bù trừ độ võng trục hoặc sai lệch lắp đặt. Thường gặp trong máy nông nghiệp, băng tải và thiết bị dệt.
• Ổ bi cầu chặn — thiết kế chuyên chịu tải dọc trục; không chịu được tải hướng tâm. Được dùng trong cơ cấu nhả ly hợp ô tô và các ứng dụng chịu lực dọc trục của bơm đứng.

Hạn chế: Ổ bi cầu có khả năng chịu tải tương đối hạn chế do tiếp xúc điểm. Dưới tải trọng lớn, ứng suất tiếp xúc có thể gây mỏi rãnh lăn sớm.

2. Ổ bi đũa (Roller Bearings)

Nếu ổ bi cầu sử dụng viên bi hình cầu, thì ổ bi đũa sử dụng con lăn hình trụ, hình côn hoặc hình tang trống. Điểm khác biệt then chốt nằm ở hình học tiếp xúc: con lăn tiếp xúc với rãnh lăn theo một đường thay vì một điểm. Tiếp xúc đường phân bố tải trọng trên diện tích lớn hơn, giúp tăng đáng kể khả năng chịu tải.

Các loại chính:

• Ổ bi đũa trụ — con lăn là các hình trụ song song. Chịu tải hướng tâm rất lớn nhưng thường không chịu được tải dọc trục (trừ khi có gờ chặn). Được dùng trong động cơ điện lớn, máy cán và trục bánh xe đường sắt.
• Ổ bi đũa côn — cả con lăn và rãnh lăn đều có dạng côn. Hình học này cho phép chịu đồng thời tải hướng tâm lớn và tải dọc trục đáng kể theo một chiều. Đây là một trong những loại vòng bi quan trọng nhất trong ngành ô tô — được dùng trong moay-ơ bánh xe, vỏ vi sai và hộp số. Phải lắp thành cặp đối nhau để chịu lực dọc trục hai chiều.
• Ổ bi đũa cầu (ổ bi tang trống) — con lăn hình tang trống nằm trong rãnh ngoài dạng cầu. Tương tự ổ bi cầu tự lựa, loại này bù trừ được độ lệch trục hoặc độ võng đáng kể — nhưng với khả năng chịu tải lớn hơn nhiều. Được dùng trong thiết bị khai thác mỏ, nhà máy giấy và hộp số công nghiệp nặng.
• Ổ bi kim — con lăn cực mảnh (tỷ lệ chiều dài/đường kính lớn hơn 4:1). Tiết diện nhỏ khiến chúng lý tưởng cho các vị trí hạn chế không gian hướng tâm. Thường gặp trong cò mổ ô tô, thanh truyền động cơ hai kỳ và khớp các-đăng.
• Ổ bi đũa hình xuyến (Toroidal roller bearings) — phát triển hiện đại kết hợp khả năng bù lệch trục của ổ bi đũa cầu với khả năng chịu dịch chuyển dọc trục mà không sinh lực dọc trục. Được dùng trong máy xeo giấy và một số hệ truyền động công nghiệp.

3. Ổ trượt tuyến tính (Linear Bearings)

Ổ trượt tuyến tính hỗ trợ và dẫn hướng trục trong chuyển động tịnh tiến chính xác dọc theo trục của nó, mở rộng nguyên lý lăn hoặc trượt từ chuyển động quay sang chuyển động thẳng. Trong thiết bị tự động hóa và dụng cụ chính xác, chúng là nền tảng không thể thiếu.

Các loại chính:

• Ổ tuyến tính kiểu bi — sử dụng mạch bi tuần hoàn để các viên bi thép lăn trong rãnh kín, tạo ra hệ số ma sát cực thấp (0,001–0,003) và chuyển động nhẹ nhàng. Được sử dụng rộng rãi trong máy in 3D, máy CNC, thiết bị đóng gói bán dẫn và các thanh trượt tự động hóa nói chung.
• Ổ tuyến tính kiểu trượt — sử dụng bạc lót tự bôi trơn (như đồng thanh thiêu kết hoặc composite PTFE) tiếp xúc trực tiếp với trục. Nhỏ gọn hơn, không có phần tử lăn, vận hành êm và chống nhiễm bẩn tốt. Phù hợp cho các cơ cấu tịnh tiến tải trọng và độ chính xác trung bình như máy đóng gói và thanh dẫn hướng thiết bị y tế.

Sự khác biệt chính giữa ổ tuyến tính và ổ quay nằm ở dạng chuyển động: ổ tuyến tính chịu tải hướng tâm vuông góc với hướng di chuyển trong khi cho phép trượt dọc trục tự do. Khi lựa chọn cần xem xét chiều dài hành trình, độ chính xác dẫn hướng và khả năng chịu tải mô-men.

4. Ổ trượt (Plain Bearings / Sleeve Bearings / Journal Bearings)

Ổ trượt không có phần tử lăn. Chúng hoạt động dựa trên tiếp xúc trượt giữa hai bề mặt — thường là trục quay bên trong bạc lót hoặc ống lót. Sự ngăn cách giữa trục và ổ được duy trì bởi màng bôi trơn, có thể là:

• Thủy động (Hydrodynamic) — bản thân trục quay tạo ra một nêm dầu có áp suất nâng và đỡ trục trong lỗ ổ. Ở tốc độ đủ lớn, không xảy ra tiếp xúc kim loại với kim loại. Đây là nguyên lý của ổ trục khuỷu động cơ lớn và ổ tuabin công nghiệp.
• Thủy tĩnh (Hydrostatic) — chất lỏng có áp suất được cấp từ bên ngoài vào khe hở ổ, đảm bảo ngăn cách toàn phần ngay cả khi tốc độ bằng không. Được dùng trong máy công cụ chính xác và giá đỡ kính thiên văn lớn.
• Bôi trơn biên / hỗn hợp (Boundary / mixed film) — màng bôi trơn mỏng hoặc không liên tục. Tiếp xúc kim loại xảy ra gián đoạn. Phụ thuộc vào dầu bôi trơn có độ nhớt cao và độ cứng bề mặt.

Ưu điểm: Ổ trượt có cấu tạo đơn giản, kích thước nhỏ gọn, vận hành êm và có thể chịu tải trọng rất lớn khi được bôi trơn đúng cách. Trục khuỷu động cơ diesel chạy trên ổ trượt vì không có ổ lăn nào chịu nổi tải trọng va đập trong điều kiện đó.

Hạn chế: Đòi hỏi quản lý bôi trơn cẩn thận. Nếu màng bôi trơn bị phá vỡ — do thiếu dầu, nhiễm bẩn hoặc nhiệt độ quá cao — mài mòn sẽ tăng nhanh. Ổ trượt thủy động phụ thuộc vào tốc độ trục tối thiểu để tạo màng ngăn cách hoàn toàn; ở tốc độ rất thấp hoặc khi khởi động/dừng thường xuyên, tiếp xúc biên xảy ra và mài mòn cao nhất trong các giai đoạn chuyển tiếp này. Hạn chế này chỉ áp dụng cho chế độ thủy động; ngược lại, ổ trượt thủy tĩnh đạt được ngăn cách toàn phần ở tốc độ bằng không và là giải pháp khi chế độ khởi động/dừng thường xuyên là không thể tránh khỏi.

Vật liệu phổ biến: Hợp kim thiếc (Babbitt), đồng thanh, đồng thanh thiêu kết (tự bôi trơn), composite PTFE và polymer kỹ thuật.

5. Ổ chặn (Thrust Bearings)

Ổ chặn được phân loại không theo loại phần tử lăn mà theo hướng tải: chúng được thiết kế để chịu tải trọng dọc trục (thrust) — lực tác dụng dọc theo trục. Hầu hết ổ bi hướng tâm có thể chịu một phần tải dọc trục, nhưng ổ chặn chuyên dụng được sử dụng khi lực dọc trục chiếm ưu thế hoặc rất lớn.

• Ổ chặn bi cầu — cho tải dọc trục nhẹ và tốc độ vừa phải. Được dùng trong ghế xoay, mâm xoay và trụ lái ô tô.
• Ổ chặn đũa côn — khả năng chịu tải cao hơn, dùng trong hộp số và cầu xe.
• Ổ chặn tấm nghiêng (Tilting pad thrust bearings) — biến thể tinh vi của ổ trượt. Các tấm phân đoạn nghiêng động theo tải để tạo màng thủy động. Được dùng trong hệ thống đẩy tàu thủy, máy nén lớn và tuabin thủy điện, nơi tải dọc trục có thể đạt hàng triệu newton.

6. Ổ cầu trượt (Spherical Plain Bearings / Joint Bearings)

Ổ cầu trượt là loại ổ trượt chuyên dụng được thiết kế để chịu chuyển động lắc và bù lệch góc. Cấu trúc cốt lõi gồm vòng trong có bề mặt ngoài dạng cầu nằm bên trong vòng ngoài, cho phép nghiêng theo mọi hướng để bù sai lệch lắp đặt, độ võng trục hoặc biến dạng kết cấu.

Nguyên lý hoạt động: Bề mặt cầu của vòng trong trượt trên vòng ngoài, cho phép tự lựa góc nhưng không phù hợp cho quay liên tục tốc độ cao. Hầu hết ổ cầu trượt sử dụng lớp lót tự bôi trơn (như vải PTFE) hoặc cần bổ sung mỡ định kỳ.

Ứng dụng điển hình: Đầu thanh truyền xi-lanh thủy lực, khớp nối cơ cấu liên kết trong máy xây dựng, điểm bản lề trên bề mặt điều khiển bay của máy bay, và bất kỳ tình huống nào yêu cầu dao động tần số thấp kết hợp bù góc. Chúng đóng vai trò giao diện quan trọng giữa các bộ phận kết cấu và cơ cấu liên kết chuyển động.

7. Vòng bi vật liệu đặc biệt

Khi điều kiện vận hành vượt quá khả năng của thép ổ bi tiêu chuẩn (như GCr15), gốm tiên tiến và vật liệu lai sẽ phát huy tác dụng.

• Vòng bi toàn gốm — vòng trong, vòng ngoài và phần tử lăn đều được chế tạo từ silicon nitride (Si₃N₄) hoặc zirconia (ZrO₂). Cung cấp khả năng chống ăn mòn tuyệt đối, cách điện hoàn toàn, chịu nhiệt độ cao (lên đến 800°C trở lên) và tiềm năng tự bôi trơn. Được sử dụng trong thiết bị sản xuất bán dẫn, trục chính siêu cao tốc và môi trường từ trường mạnh.
• Vòng bi gốm lai — vòng thép kết hợp với bi silicon nitride. Bi gốm chỉ có 40% mật độ của thép, giảm đáng kể lực ly tâm và hiện tượng trượt phần tử lăn ở tốc độ cao, đồng thời cung cấp cách điện tự nhiên. Phổ biến trong trục chính điện hiệu suất cao và động cơ dẫn động xe điện.

Vòng bi gốm đã vượt ra khỏi phòng thí nghiệm và hiện là giải pháp tiêu chuẩn cho nhiều ứng dụng điều kiện khắc nghiệt.

8. Ổ từ (Magnetic Bearings)

Ổ từ sử dụng trường điện từ hoặc từ trường vĩnh cửu được điều khiển để nâng trục quay với không tiếp xúc cơ học. Ổ từ chủ động (AMB) sử dụng cảm biến và bộ điều khiển phản hồi để điều chỉnh dòng điện nam châm điện theo thời gian thực, duy trì vị trí trục với độ chính xác cỡ micron.

Ưu điểm: Không ma sát, không cần bôi trơn, có thể đạt tốc độ cực cao, phù hợp với môi trường chân không và sạch.

Hạn chế: Chi phí cao, hệ thống điều khiển phức tạp và cần ổ dự phòng (touchdown bearing) trong trường hợp mất điện.

Ứng dụng: Máy tuabin tốc độ cao, hệ thống tích trữ năng lượng bánh đà, thiết bị sản xuất bán dẫn và máy ly tâm y tế.

9. Ổ màng khí (Fluid Film Bearings / Gas Bearings)

Đây là nhóm con chuyên biệt của ổ trượt, trong đó chất lưu ngăn cách hai bề mặt là khí (thường là không khí hoặc nitơ) thay vì dầu. Điều này loại bỏ hoàn toàn nguy cơ nhiễm bẩn và cho phép vận hành ở tốc độ cực cao.

Được dùng trong trục chính máy công cụ chính xác, mũi khoan nha khoa và bơm phân tử tuabin tốc độ cao — bất kỳ ứng dụng nào mà nhiễm dầu là không chấp nhận được và tốc độ rất cao.

10. Ổ đá quý (Jewel Bearings)

Trong các thiết bị chính xác — đồng hồ cơ, dụng cụ đo lường và thiết bị khoa học — ổ đá quý làm từ sapphire hoặc ruby tổng hợp được sử dụng. Các vật liệu này có hệ số ma sát cực thấp và ổn định, độ cứng tuyệt vời và ổn định kích thước.

Trục xoay của bánh lắc đồng hồ chạy trên ổ đá quý có kích thước chỉ vài phần mười milimet. Đá quý ở đây không phải để trang trí — chúng là lựa chọn kỹ thuật chính xác mang tính chức năng.

11. Gối đỡ vòng bi (Mounted Bearings / Bearing Units)

Gối đỡ vòng bi không phải là một cơ chế tiếp xúc mới mà là các đơn vị mô-đun trong đó vòng bi lăn (thường là ổ bi cầu rãnh sâu hoặc ổ bi cầu tự lựa/ổ bi đũa cầu) được lắp sẵn bên trong thân gối bằng gang, thép dập hoặc thép không gỉ. Đơn vị được bắt bu-lông trực tiếp vào khung máy, loại bỏ nhu cầu gia công lỗ gối đỡ riêng biệt.

Các cấu hình phổ biến: Gối đỡ đứng (loại P), gối đỡ mặt bích hình thoi, gối đỡ mặt bích vuông và nhiều loại khác. Được sử dụng rộng rãi trong băng tải nông nghiệp, thiết bị chế biến thực phẩm và hệ thống truyền động công nghiệp nói chung. Ưu điểm nổi bật là sự đơn giản "lắp đặt là dùng được" và bảo trì dễ dàng.

Cách chọn loại vòng bi phù hợp

Lựa chọn vòng bi là một quyết định kỹ thuật có hệ thống. Các thông số chính cần xem xét:

Nguyên tắc chung:

• Tốc độ cao, tải nhẹ đến vừa → ổ bi cầu
• Tải nặng, tốc độ vừa → ổ bi đũa trụ hoặc ổ bi đũa cầu
• Tải kết hợp hướng tâm + dọc trục → ổ bi đũa côn hoặc ổ bi cầu tiếp xúc góc
• Chuyển động tuyến tính chính xác → ổ tuyến tính (kiểu bi hoặc kiểu trượt)
• Dao động tần số thấp và bù góc → ổ cầu trượt
• Tải hướng tâm rất nặng, tốc độ liên tục đủ lớn → ổ trượt (khởi động/dừng thường xuyên thì bổ sung hỗ trợ thủy tĩnh)
• Yêu cầu sạch tuyệt đối, tốc độ cực cao hoặc chân không → ổ màng khí hoặc ổ từ
• Nhiệt độ cao, môi trường ăn mòn hoặc yêu cầu cách điện → vòng bi gốm hoặc gốm lai
• Thiết bị chính xác → ổ đá quý
• Đơn giản hóa lắp đặt và bảo trì → gối đỡ vòng bi

Hai khái niệm bổ sung thường bị bỏ qua nhưng cực kỳ quan trọng là tuổi thọ vòng bi và khe hở nội bộ / dự ứng lực. Tuổi thọ vòng bi lăn thường được biểu thị bằng tuổi thọ danh định cơ bản L10 (độ tin cậy 90%), tỷ lệ nghịch với lũy thừa bậc ba của tải trọng động tương đương đối với ổ bi cầu và lũy thừa 10/3 đối với ổ bi đũa — đây chính là lý do cơ bản giải thích tại sao tải nặng đòi hỏi chuyển sang ổ bi đũa. Việc lựa chọn khe hở nội bộ và áp dụng dự ứng lực trực tiếp quyết định độ cứng, độ chính xác quay và mức sinh nhiệt. Đối với các ứng dụng độ chính xác cao như trục chính máy công cụ, việc thiết lập đúng các thông số này là thiết yếu.

Câu hỏi thường gặp

H: Loại vòng bi phổ biến nhất là gì?

Ổ bi cầu rãnh sâu là loại vòng bi được sản xuất nhiều nhất trên thế giới. Khả năng chịu cả tải hướng tâm lẫn tải dọc trục vừa phải ở tốc độ cao, kết hợp với chi phí thấp và thiết kế nhỏ gọn, khiến nó trở thành lựa chọn mặc định cho vô số ứng dụng — từ động cơ điện nhỏ đến quạt tản nhiệt máy tính.

H: Sự khác biệt giữa ổ bi cầu và ổ bi đũa là gì?

Khác biệt cơ bản nằm ở hình học tiếp xúc. Ổ bi cầu tiếp xúc với rãnh lăn tại một điểm, nghĩa là ma sát rất thấp và khả năng chạy tốc độ cao tốt nhưng khả năng chịu tải hạn chế. Ổ bi đũa tiếp xúc theo một đường, phân bố tải trên diện tích lớn hơn, tăng đáng kể khả năng chịu tải — nhưng ma sát cao hơn và giới hạn tốc độ thường thấp hơn.

H: Vòng bi có thể chịu đồng thời tải hướng tâm và dọc trục không?

Có, nhiều loại vòng bi được thiết kế cho tải kết hợp. Ổ bi cầu tiếp xúc góc, ổ bi đũa côn và ổ bi cầu rãnh sâu đều có thể chịu đồng thời tải hướng tâm và dọc trục, dù khả năng chịu tải tương đối của chúng khác nhau. Các ổ thuần hướng tâm (như một số ổ bi đũa trụ) và ổ chặn thuần không nên chịu tải đáng kể theo hướng mà chúng không được thiết kế.

H: Tất cả vòng bi đều cần bôi trơn không?

Hầu hết đều cần, nhưng có ngoại lệ. Ổ trượt tự bôi trơn và ổ cầu trượt làm từ đồng thanh thiêu kết hoặc composite PTFE mang sẵn chất bôi trơn trong vật liệu. Ổ từ và ổ màng khí hoàn toàn không cần bôi trơn. Tuy nhiên, đối với đại đa số ổ lăn, bôi trơn đầy đủ — dù là mỡ hay dầu — là điều kiện thiết yếu để đạt tuổi thọ định mức.

Kết luận

Vòng bi là một trong những thành tựu kỹ thuật quan trọng nhất nhưng ít được chú ý nhất trong máy móc hiện đại. Loại vòng bi bạn chọn — bi cầu, bi đũa, ổ trượt, tuyến tính, cầu trượt, ổ chặn, ổ từ hay loại khác — không chỉ quyết định hiệu suất của máy mà còn ảnh hưởng đến tuổi thọ, mức tiêu thụ năng lượng và khả năng vận hành trong môi trường cụ thể.

Mỗi loại vòng bi đều kết tinh hàng thập kỷ cải tiến kỹ thuật, và sự khác biệt giữa chúng hiếm khi là ngẫu nhiên. Hiểu rõ những khác biệt đó — hình học tiếp xúc, hướng tải, dạng chuyển động, chế độ bôi trơn, khoa học vật liệu, giới hạn tốc độ — giúp bạn có vị thế vững chắc hơn để phân tích, đặc tả hoặc đơn giản là trân trọng những cơ cấu giữ cho thế giới vận hành.