Cấu trúc và chức năng

NSK đã và đang có những đóng góp to lớn vào sự phát triển và lớn mạnh của nhiều nhanh công nghiệp. Là một nhà sản xuất vòng bi toàn diện, NSK đáp ứng được dải rộng các yêu cầu trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Một số lượng vòng bi lớn đáng ngạc nhiên có thể tìm thấy ở mọi nơi quanh chúng ta. Lấy ngành công nghiệp ô-tô làm ví dụ, có thể có từ 100 đến 150 vòng bi khác nhau trong mỗi chiếc xe thông dụng. Không có các vòng bi, các bánh xe sẽ long xòng xọc, các bánh răng truyền động mất khả năng ăn khớp và chiếc xe của bạn sẽ không thể vận hành trơn tru.

Vòng bi, tất nhiên, không chỉ được ứng dụng trong nhanh xe hơi, mà còn được sử dụng trong tất cả các chủng loại máy móc khác từ các thiết bị to lớn như:

• Tàu hỏa
• Máy bay…

Tới các thiết bị gia dụng như:

• Máy giặt
• Tủ lạnh
• Điều hòa không khí
• Máy hút bụi
• Máy photocopy
• Máy vi tính…

Và tới cả các thiết bị không gian như:

• Vệ tinh
• Kính viễn vọng…

Các vòng bi gia tăng tính năng làm việc cho các máy móc và giúp tiết kiệm nhiên liệu. Chúng hoạt động một cách thầm lặng, trong những điều kiện làm việc ngặt nghèo, ẩn sâu trong các cỗ máy. Và đóng vai trò quan trọng giúp thiết bị hoạt động ổn định và đảm bảo khả năng làm việc tối ưu của chúng. Nghĩa gốc của từ vòng bi trong tiếng Anh (bearing) là sự kết hợp của “mang vác”, “chống đỡ”, “chịu đựng”. Liên hệ tới vai trò thực sự của các vòng bi là hỗ trợ, chịu tải cho các trục quay. Hai hỉnh ảnh dưới đây minh họa rõ ràng những vòng bi cơ bản.

Vòng bi cầu

 

Vòng bi con lăn

Các vòng bi được cấu tạo gồm 4 bộ phận và có cấu trúc rất đơn giản như sau:

Ca ngoài:

Một vòng lớn, tạo ra rãnh lăn bên ngoài

Ca trong:

Một vòng nhỏ, tạo ra rãnh lăn bên trong

Các con lăn (hoặc viên bi):

Nhiều con lăn/viên bi được bố trí trong không gian nằm giữa rãnh lăn ngoài và rãnh lăn trong

Vòng cách:

 Có vai trò cố định các con lăn/viên bi.

Chức năng cơ bản của các vòng bi là nhằm giảm ma sát cơ khí. Giảm ma sát giúp cho:

1. Máy móc hoạt động hiệu quả hơn
2. Giảm thiểu mài mòn do ma sát, kéo dài tuổi thọ làm việc của thiết bị
3. Ngăn ngừa hiện tượng cháy do ma sát, tránh các sự cố cơ khí.

Vòng bi cũng góp phần giảm thiểu năng lượng tiêu thụ nhờ giảm ma sát và giúp tăng hiệu suất truyền động. Đó chỉ là một trong những khía cạnh để thấy rõ tác động tích cực của vòng bi tới môi trường.

Lịch sử.

Nguyên lý của vòng bi đã được biết đến từ xa xưa, và ứng dụng đầu tiên của vòng bi đã được phát hiện từ khoảng thế kỷ thứ 8 TCN ở các di chỉ tại Mesopotamia. Hình minh họa dưới đây mô tả lại một hình ảnh có thật về việc xây dựng dưới thời Mesopotamia cổ đại.

Sau đó, một thiên tài nổi tiếng trong thời Phục Hưng, Leonardo da Vinci, đưa ra một ý tưởng về một cấu trúc hoàn toàn tương tự như một vòng bi hiện đại.

Cuộc cách mạng công nghiệp ở thế kỷ 18 đã dẫn tới sự phát triển của các vòng bi hiện đại.

Năm 1916, NSK khai trương nhà máy sản xuất vòng bi chuyên dụng đầu tiên tại Nhật Bản. Tuy nhiên, phải tới cuối Thế Chiến thứ Hai, công nghệ vòng bi Nhật Bản mới đạt được những tiến bộ đáng kể. Năm 1955 đánh dấu khởi đầu cho sự tăng trưởng nhu cầu lớn dành cho ngành công nghiệp ô-tô xe máy cá nhân, bổ sung thêm vào nhu cầu vòng bi đối với các sản phẩm gia dụng như máy giặt, tủ lạnh, điều hòa không khí. Trong điều kiện đó, một yêu cầu kỹ thuật quan trọng của người Nhật là độ ồn thấp đối với các sản phẩm gia dụng. Trong khi đó, các nhà sản xuất vòng bi bên ngoài nước Nhật không quá coi trọng yêu cầu này, do đó các nhà sản xuất Nhật Bản phải tự tạo ra các bí kíp của minh thông qua những nỗ lực nghiên cứu và phát triển hướng tới mục tiêu sản xuất ra những vòng bi hoạt động yên tĩnh nhất thế giới.

Sau đó, các vòng bi Nhật Bản độ ồn thấp đã được xuất khẩu sang Mỹ và châu Âu. Không lâu sau đó, các vòng bi này cũng được biết đến với tuổi thọ dài.

Các thông số kỹ thuật của vòng bi đã được tiêu chuẩn hóa theo các tiêu chuẩn quốc tế ISO. Vòng bi sản xuất tại Nhật Bản được đanh giá cao trên toàn thế giới vì khả năng làm việc xuất sắc và chất lượng cao. Có khoảng 3 tỷ vòng bi được sản xuất tại Nhật Bản mỗi năm, trong số đó hơn 40% là dành cho ngành ô-tô xe máy. Và khoảng 30% được xuất khẩu.

Vòng bi được thiết kế và phát triển trên phạm vi toàn cầu, và các kết quả của những nghiên cứu nhằm giảm ma sát luôn được bồi đắp, đáp ứng với các nhu cầu cũng luôn phát triển. Các thách thức vẫn luôn tồn tại, hướng tới:

• Giảm khối lượng
• Tăng độ tinh gọn
• Kéo dài tuổi thọ
• Cắt giảm năng lượng tiêu hao
• Giảm thiểu tác động tới môi trường

Các chủng loại vòng bi

Bất kỳ một thiết bị nào, cũng đều cần sử dụng vòng bi trong đó. Các vòng bi phải đáp ứng các yêu cầu rất đa dạng, và chúng luôn được cải tiến để hoàn thanh nhiệm vụ của minh.

Vòng bi cầu rãnh sâu

1. Đây là thiết kế vòng bi được sử dụng rộng rãi nhất trên toàn thế giới.

Vòng bi cầu đỡ chặn

2. Trong thiết kế này, các viên bi tiếp xúc với rãnh lăn trong và ranh lăn ngoài theo một góc tiếp xúc nhất định. Nhờ đó, vòng bi có thể chịu được cả tải trọng dọc trục lẫn tải trọng hướng kinh.

Vòng bi cầu chặn trục

3. Vòng bi cầu chặn trục có khả năng chịu tải dọc theo hướng của trục quay. Chúng có khả năng mang được tải trọng lớn.

Vòng bi đũa trụ

4. Trong vòng bi đũa trụ, các thành phần lăn được cấu tạo từ các con lăn hình đũa trụ.

Vòng bi đũa trụ

5. Trong thiết kế này, các con lăn cũng có hình đũa trụ, nhưng với thiết kế vòng cách khác biệt so với thiết kế (4).

Vòng bi côn

6. Các thành phần lăn có hình dạng đũa côn. Với các con lăn đũa côn, vòng bi này có khả năng chịu cả tải dọc trục cũng như tải hướng kinh.

Vòng bi tang trống tự lựa

7. Thiết kế này mang lại khả năng tự động điều chỉnh (tự lựa) của vòng bi, giúp bù trừ những sai lệch nhỏ trong quá trình hoạt động giữa ca trong và ca ngoài của vòng bi.

Vòng bi kim chặn trục

8. Thiết kế vòng bi này được sử dụng trong các bộ phận như trong các máy nén khí, giúp vận hành các thiết bị điều hòa không khí trong xe hơi.

Vòng bi kim không ca

9. Đây là một trong nhiều chủng loại vòng bi được sử dụng trong các bộ li hợp của các phương tiện vận tải. Là một thiết kế vòng bi mang lại độ bền cao.

Thế giới kỳ diệu của các vòng bi

Vòng bi có các kích thước rất nhỏ từ 2mm đến khổng lồ 6m.

Có đủ các loại kích cỡ vòng bi khác nhau: Những vòng bi nhỏ nhất thế giới “miniature bearings”, có đường kính ca trong chỉ 0.6mm, đường kính ca ngoài chỉ 2.0mm và bề rộng chỉ 0.8mm. Chúng được ứng dụng trong các động cơ siêu nhỏ gọn. Ở một thái cực khác, có những vòng bi khổng lồ với đường kính ca ngoài lên tới 6m, và có trọng lượng lên tới 15 tấn. Những vòng bi rất lớn này được sử dụng trong các thiết bị khoan hầm khổng lồ, thi công các đường hầm quan trọng như đường hầm châu Âu nối liền Pháp và Anh bên dưới lòng eo biển Dover (trong khu vực eo biển Manche)

Tốc độ 400,000 vòng / phút

Các thiết bị khoan nha khoa cần sử dụng vòng bi tốc độ siêu cao. Những thiết bị nha khoa này sử dụng một cặp vòng bi siêu chinh xác với đường kính trong chỉ nhỏ 3.0mm, đường kinh ngoài 6.0mm và bề rộng chỉ 2.0mm, với các viên bi có đường kinh 1.0mm. Các vòng bi này phải làm việc ở tốc độ tới 400,000 vòng/phút. Tốc độ siêu cao này, cùng với độ chinh xác hoàn hảo, gần như loại bỏ hoàn toàn các rung động trong thiết bị khoan nha khoa, giúp các bệnh nhân có thể được điều trị một cách êm ái và an toàn.

Các vòng bi quay với tốc độ dài 160 mét/giây

Các vòng bi này được sử dụng trong trục chinh của động cơ phản lực V2500 ứng dụng trong máy bay chở khách quốc tế. Các thành phần lăn trong vòng bi này phải quay với tốc độ dài lên tới 160 mét mỗi giây, tương đương 580 km/h. Lần tới, khi bạn sử dụng máy bay, bạn có thể hoàn toàn thư giãn khi biết rằng những động cơ phản lực mạnh mẽ, an toàn tốc độ cao được nâng đỡ bởi chính những vòng bi tính năng cao, tốc độ cao này.

Rung động nhỏ hơn 100 nanometers

Không quá khi nói rằng độ chính xác của máy móc phụ thuộc vào độ chính xác làm việc của các vòng bi. Mỗi vòng bi đỡ cho một đầu trục quay. Chúng ta không thể hy vọng thiết bị sẽ làm việc tốt nếu có sự sai lệch khỏi tâm của trục quay đó. Sự sai lệch từ tâm trục quay của một ổ cứng máy tính, thiết bị sử dụng các vòng bi siêu chinh xác, bắt buộc phải nhỏ hơn 100nm (1nm = 1 phần tỷ của 1 mét). Điều giúp tạo ra độ chính xác siêu cao đó chính là độ chính xác của từng viên bi/con lăn trong các vòng bi nói trên.

15 năm ngoài không gian

Các vòng bi là thành phần thiết yếu đối với ngành khoa học không gian. Các thông tin như dự báo thời tiết, truyền hình vệ tinh, hệ thống dẫn đường cho các phương tiện giao thông đều được cung cấp từ các vệ tinh bay trong quỹ đạo của trái đất. Những vệ tính đó có bao gồm một thiết bị được biết tới với tên gọi bánh lái, thiết bị này giúp vệ tinh duy trì được vị trí và phương hướng so với trái đất. Bên trong bánh lái đó chinh là các vòng bi siêu chinh xác. Những vòng bi này đã và vẫn kiên nhẫn làm việc ngoài không gian suốt 15 năm qua!

Từ 253 độ âm tới 500 độ.

Các vòng bi được ứng dụng tại những nhiệt độ lạnh nhất là vòng bi được lắp trong các bơm nhiên liệu lỏng trong các tên lửa không gian, chúng phải quay trong hydro lỏng ở nhiệt độ -253oC. Ở thái cực ngược lại, những vòng bi làm việc trong môi trường có nhiệt độ rất cao bao gồm các vòng bi tính năng cao được sử dụng trong các thiết bị Chụp CT trong ngành y tế. Ngay cả trong các ống chân không, nơi tia X-quang được phát ra, nhiệt độ lên tới từ 300^oC đến 500oC, các vòng bi vẫn phải tiếp tục quay, hỗ trợ sức khỏe cho chính chúng ta.

Tương lai của vòng bi

Cuối cùng, chúng tôi xin giới thiệu một số xu hướng về những cải tiến tiếp theo của vòng bi.

1. Tiết kiệm năng lượng hơn nữa. Thiết bị được thiết kế ngày càng nhỏ gọn, kéo theo các chi tiết bên trong cũng giảm kích thước. Hơn nữa, thiết bị càng nhỏ, yêu cầu về độ chính xác lại càng tăng lên, và điều này có nghĩa là dù chỉ một ma sát nhỏ cũng có thể dẫn đến ngừng máy. Trong khi đó, bất kể thiết bị nhỏ thế nào đi nữa, tổng lượng tiêu hao vẫn tăng trên toàn cầu (do nhu cầu luôn tăng). Để có thể cắt giảm tiêu thụ năng lượng, chúng ta cần tiếp tục tìm kiếm các giải pháp vòng bi thậm chí tốt hơn nhằm giảm thiểu ma sát.
2. Sạch hơn. Cải thiện công nghệ vòng bi có thể mang lại những lợi ích cho môi trường ví dụ như cắt giảm khí thải của các phương tiện giao thông. Thêm vào đó, phần lớn vòng bi được chế tạo từ thép, không bao gồm các hợp chất hóa học nguy hại. Việc tái chế lượng thép này trở thành nguyên liệu mới là rất đơn giản.
3. Sự thoải mái. Máy móc cần phải thỏa mãn cả con người lẫn môi trường. Trong quá khứ, các loại máy móc có nhiệm vụ chính là tăng sản lượng. Tuy nhiên, yêu cầu quan trọng cả ở hiện tại và tương lai chuyển thành khả năng giúp con người và xã hội có được cuộc sống hài hòa hơn, thông qua giáo dụng, dịch vụ y tế, chăm sóc sức khỏe và giải trí. Vòng bi sẽ phải đáp ứng các yêu cầu khác so với trong các máy móc trước kia…

 

Căn cứ trên những xu hướng nói trên, NSK sẽ tiếp tục làm việc, nghiên cứu và phát triển “cho con người và cho hành tinh”.