الرحمن الرحيم... بسم ا1

دانشكده مهندسي مكانيك

2طراحي اجزاء

Mechanical Engineering Design 2

سيد محمد بزرگ

(Bearings)ياتاقان يا تكيه گاه متحرك 2

در جاهايي كه لازمست دو قطعه اي كه به هم نيرو وارد مي كنند، بتوانند حركت نسبي –.داشته باشند، از ياتاقان استفاده مي شود

:انواع حركت نسبي ياتاقان–حركت رفت و برگشتي•حركت دوراني•

:مهمترين وظايف ياتاقان–كاهش اصطكاككاهش اصطكاك•كاهش سايش قطعات درگير•جلوگيري از افزايش نامطلوب درجه حرارت سطوح•

انواع ياتاقان ها3

:دو نوع كلي ياتاقان ها–(Sliding) يا لغزشي (Plain)ياتاقان هاي ساده •

(Anti-friction)يا ضد اصطكاك (Rolling)ياتاقان هاي غلتشي •

:انواع ياتاقان هاي ساده يا لغزشي–(boundary-lubricated)يا روغن كاري مرزي (thin-film)ياتاقان هاي لايه نازك روغن •

(rubbing bearing)با بوش هاي فلزي ساده يا ياتاقان هاي مالشي معمولي ياتاقان هاي–

)داراي حفره هاي نفوذ روغن(ياتاقان هاي با بوش هاي فلزي متخلخل –با بوش هاي فلزي ساده يا ياتاقان هاي مالشي معمولي ياتاقان هاي

)داراي حفره هاي نفوذ روغن(ياتاقان هاي با بوش هاي فلزي متخلخل – (porous-metal bearing)

(thick-film)ياتاقان هاي لايه ضخيم روغن •

ايجاد لايه روغن جداكننده سطوح به كمك پمپاژ روغن تحت : روغن كاري هيدروستاتيك–). نياز به دوران محور براي ايجاد لايه جداكننده روغن ندارد(فشار بالا به داخل ياتاقان

لايه روغن جداكننده سطوح در اثر دوران محور ايجاد مي شود : روغن كاري هيدروديناميك–) در حالت سكون و يا سرعت هاي پايين، روغن كاري مناسبي نداريم(

انتخاب نوع ياتاقان4دوراني مناسب : انتخاب نوع ياتاقان بر اساس–

سرعت دوراني محور•بار روي محور•قطر محور•

(Machinery’s Handbook)

يا (Plain Bearings) ياتاقان هاي ساده 5(Sliding Bearings)ياتاقان هاي لغزشي

ياتاقان هاي ساده داراي دو عضو هستند كه به سادگي روي يكديگر قرار گرفته وحركت مي –.كنند

.از روغن، هوا يا حتي پودري جامد، بين آنها قرار مي گيرد لايه جدا كنندهمعمولاً يك –:ياتاقان هاي ساده لايه نازك مزيت هايمهمترين –

هزينه كم؛ سادگي ساخت و نصب؛ فضاي كم؛•سرو صداي كم؛•عدم حساسيت به گرد وغبار و براده فلزات؛عدم حساسيت به گرد وغبار و براده فلزات؛•.دچار خستگي نمي شوند•

:ياتاقان هاي ساده لايه نازك معايب–اصطكاك نسبتاً زياد و اتلاف انرژي•محدوديت بار قابل تحمل •محدوديت سرعت •

:ياتاقان هاي ساده لايه ضخيم–نياز به سيستم جمع آوري روغن و برگشت آن •

.به محل ياتاقان را دارند. پرهزينه تر و نياز به نگهداري بيشتري دارد•

يا ياتاقان محور (Journal Bearings) ياتاقان ژورنال 6

:ياتاقان ژورنال–)داخل تكيه گاه (journal)حركت دوراني محور (ياتاقان ساده دورانينوع •

يا بوشي (Sleeve Bearings)ياتاقان هاي آستيني –جا زده (housing)داخل تكيه گاه ) مثلاً برنز(از جنس فلزي نرم و كم اصطكاك بوشي معمولاً •

. مي شود، كه محور روي آن قرار مي گيرد

ابعاد و تلرانس هاي استاندارد بوش هاي ياتاقان هاي محور 7

)مواد حفره دار(

روغن كاري ياتاقان هاي ساده8

: دلايل نياز به روغن كاري در ياتاقان هاي ساده–كاهش اصطكاك و توان اتلافي•كاهش سايش قطعات درگير•جلوگيري از افزايش درجه حرارت•

: (lubrication)انواع روغن كاري –:(boundary lubrication)يا روغن كاري مرزي (thin-film)روغن كاري لايه نازك •

ضخامت لايه روغن كم است، به طوري كه بلندي هاي دو سطح داراي زبري با يكديگر تماس :يا روغن كاري مرزي روغن كاري لايه نازك

ضخامت لايه روغن كم است، به طوري كه بلندي هاي دو سطح داراي زبري با يكديگر تماس –).سطوح كاملاً از هم جدا نمي شوند(پيدا مي كنند

:(thick-film)روغن كاري لايه ضخيم •ضخامت لايه روغن به قدر كافي بزرگ است و از تماس دو سطح ياتاقان و محور جلوگيري –

. مي كند.نيروي اصطكاك لغزشي در اين حالت خيلي كمتر است–

:(elastohydrodynamic)روغن كاري الاستوهيدروديناميك •. تحت تأثير نيروها قابل توجه است) نسبت به ضخامت لايه روغن(تغيير شكل قطعات –.در جاهايي كه بارهاي زيادي اعمال مي شود و ضخامت لايه روغن كم است، اتفاق مي افتد–بلبرينگ ها و چرخ دنده ها: در محل اعمال بارهاي زياد در تماس غلتشي مانند–

مودهاي ناكارآيي ياتاقان هاي لغزشي9

سايش سطوح در اثر حركت نسبي روي يكديگر–.در اين ياتاقان هاست ناكارآييمود غالب •.اين سايش تأثير زيادي دارد شدتدر ضخامت لايه روغن•.تأثير گذار استهم اصطكاكي ضخامت لايه روغن بر نيروها و گشتاورهاي •

افزايش درجه حرارت روغن –. مي شود كاهش ضخامت لايه روغنباعث كاهش چسبندگي روغن و در نتيجه، •

و در بارها و درجه حرارت هاي بالا، سايش سطوحكاهش ضخامت لايه روغن باعث افزايش . مي شود كاهش ضخامت لايه روغنباعث كاهش چسبندگي روغن و در نتيجه،

و در بارها و درجه حرارت هاي بالا، سايش سطوحكاهش ضخامت لايه روغن باعث افزايش •. مي شود (galling)سطوح به يكديگر جوش خوردنباعث

تسليم ياتاقان تحت بارهاي زياد–

با توجه به درجه (قطعات در اثر تركيبات موجود در روغن (corrosion)خوردگي شيميايي –)حرارت هاي نسبتاً بالاي ياتاقان

خواص مورد نياز براي مواد ياتاقان ها10

:با توجه به مودهاي ناكارآيي ياتاقان ها، مواد ياتاقان بايد داراي خواص زير باشند–ضريب اصطكاك پايين•)معمولاً از جنس نرمتري نسبت به محور انتخاب مي شود(باعث ساييدگي محور نشود •استحكام فشاري و خستگي نسبتاً خوب•انعطاف پذيري خوب زير بار در برابر ناهمراستايي محور و ياتاقان •هدايت گرمايي خوب براي انتقال حرارت ايجاد شده در ياتاقان به بيرون •

مواد مورد استفاده در ياتاقان ها11

:مواد زير براي ياتاقان بندي محورهاي فولادي مناسبند–) پايه قلع، سرب و مس(و آلياژهاي بابيت ) پايه مس و قلع(انواع آلياژهاي برنزي •از پودر فلزات؛ حفره هاي اين ياتاقان ها (sintered)فلزات ممزوج شده يا تف جوش شده •

.قابليت نفوذ روغن به سطح تماس را فراهم مي كندپليمر هايي مثل تفلون، نايلون و فنوليك كه داخل آنها دانه هاي گرافيت يا جامدات ديگر اضافه •

.مي شود تا خاصيت روغن كاري داشته باشددر مواردي كه استحكام بالا نياز است، بوش هاي فولادي با لايه هاي فلزات ديگر پوشانده مي •

. شوند. شوند

روغن كاري مرزي يا لايه نازك12

چنانچه در نمودار راهنماي انتخاب نوع ياتاقان مشاهده شد، ياتاقان ها با روغن كاري مرزي –.مناسبند بارها و سرعت هاي پايينبراي موتورهاي الكتريكي توان و سرعت پايين، برخي لوازم الكتريكي منزل مثل : نمونه كاربردها•

چرخ گوشت و كولر، جعبه دنده هاي سرعت پايين، مته ها:روغن كاري در اين روش–

)سرعت هاي پايين(به صورت دستي، بيشتر استفاده از گريس به جاي روغن •متخلخل براي نفوذ روغن (sintered)استفاده از ياتاقان هاي تف جوش شده •براي ) يا الياف ديگر(نمدي نفوذاستفاده از محفظه هاي روغن در اطراف بوش ياتاقان با سطح • براي ) يا الياف ديگر(نمدي نفوذاستفاده از محفظه هاي روغن در اطراف بوش ياتاقان با سطح •

نفوذ تدريجي روغن

براي جلوگيري از خروج روغن از دو طرف ياتاقان هاي با •روغن كاري مرزي، پيشنهاد مي شود نسبت عرض به قطر

. باشد 1<(L/d)ياتاقان از طرفي، ياتاقان هاي عريض، نسبت به ناهمراستايي •

حساس ترند و باعث افزايش تنش ها در دو طرف ياتاقان .باشد 1 < (L/d) < 2وي شود، بنابرين پيشنهاد مي شود

d

يا لايه نازك طراحي ياتاقان براي روغن كاري مرزي13

.و آزمايشگاهي هستند تجربي بيشتر نتايج در اين زمينه،–در حرارت ايجاد شدهيكي از پارامترهاي تعيين كننده در طراحي اين ياتاقان ها، مقدار –

.ياتاقان و مقدار افزايش درجه حرارت ياتاقان است:مهمترين عوامل در افزايش درجه حرارت–

V=(πdN)/60 :(V)دو سطح سرعت نسبي•

P=W/(dL) :(P)) فشار روي ياتاقان(ياتاقان نيرو روي سطح تصوير شده•مانند عوامل هندسي، ضرايب اصطكاك و جنس عوامل ديگريمقدار افزايش درجه حرارت به •

.دو سطح هم بستگي دارد، ولي مهمترين عوامل دو عامل بالا هستندمانند عوامل هندسي، ضرايب اصطكاك و جنس عوامل ديگريمقدار افزايش درجه حرارت به

.دو سطح هم بستگي دارد، ولي مهمترين عوامل دو عامل بالا هستند

ساس فشار، سرعت و سايشا طراحي ياتاقان بر14

سايش شديداگر سرعت نسبي و فشار روي ياتاقان از حدي بيشتر شوند، مي تواند باعث –.دو سطح درگير شود

ملاكي عمومي براي سايش: حاصلضرب سرعت در فشار–Wear ∝∝∝∝ P ×××× V

مورد استفاده در ياتاقان، زوج جنسبراي هر –.مقدار فشار روي ياتاقان بايد از يك مقدار مجاز كمتر باشد•.بايد از بيشترين سرعت مجاز، كمتر باشد) سرعت لغزش(مقدار سرعت نسبي دو قطعه •

:نيز بايد از بيشترين مقدار مجاز كمتر باشد) حاصلضرب سرعت در فشار(مقدار سايش .بايد از بيشترين سرعت مجاز، كمتر باشد) سرعت لغزش(مقدار سرعت نسبي دو قطعه

:نيز بايد از بيشترين مقدار مجاز كمتر باشد) حاصلضرب سرعت در فشار(مقدار سايش •P ×××× V < (P ×××× V)max

جدول بيشترين مقادير مجاز براي انواع جنس هاي ياتاقان، روي محور فولادي15

–

يا لايه نازك طراحي ياتاقان با روغن كاري مرزيمراحل 16

برآورد قطر لازم براي محور بر اساس نيروهاي وارده و استحكام محور1.

وارد بر ياتاقان با بررسي نيرويي محور و تكيه گاه ها Wبرآورد نيروي 2.

.جنس مورد نظر براي ياتاقان را انتخاب كنيد3.

با توجه به قطر انتخاب شده براي محور و سرعت كاري آن، سرعت خطي سطح محور را 4.براي جنس مورد نظر، مقايسه 10.1مجاز بدست آمده از جدول Vmaxمحاسبه كنيد و با

.كنيد.بدست آوريد 10.1مجاز را از جدول max(PV)براي جنس مورد نظر، 5. .بدست آوريد 10.1مجاز را از جدول max(PV)براي جنس مورد نظر، 5.را بدست آوريد P، مقدار فشار 5و 4بدست آمده از مراحل max(PV)و Vmaxبا توجه 6.

.براي جنس مورد نظر مقايسه كنيد 10.1داده شده در جدول Pmaxو با محاسبه مي (L)، طول ياتاقان Wو قطر محور و مقدار نيروي ياتاقان Pبا داشتن فشار 7.

.شود. قرار گيرد 1 < (L/d) < 2بايد سعي شود نسبت طول ياتاقان به قطر در محدوده مناسب 8.

.در صورت نياز و عدم تأمين هريك از شرايط فوق، بايد طراحي را تكرار كرد