یاتاقان

[bigbang]

نمونه‌ای از یاتاقان ساچمه‌ای.

یاتاقان وام‌واژه‌ای ترکی و وسیله‌ای است که اجازه حرکت نسبی مقید را بین دو یا بیشتر از دو قطعه را می‌دهد که به طور نمونه به صورت چرخش یا حرکت خطی است. یاتاقان‌ها می‌توانند به صورت گسترده‌ای بر طبق حرکتی که مجازند داشته باشند و یا براساس اصول کاریشان و همچنین جهت بارهای اعمالی که می‌توانند تحمل کنند، طبقه بندی شوند.

چگونگی کاهش اصطکاک

یاتاقان‌های ساده به طرز گسترده‌ای استفاده می‌شوند و از سطوح برای تماس سایشی استفاده می‌کنند. علی الخصوص با وجود روانکاری، آنها معمولاً عمر و اصطکاک کاملا قابل قبولی می‌دهند. از سوی دیگر، یاتاقانهای با اصطکاک کم معمولاً به خاطر راندمانشان، کاهش فرسایش و استفاده گسترده درسرعت‌های بالا را تسهیل می‌کنند، دارای اهمی‌تند. اصولا یک یاتاقان می‌تواند اصطکاک را با امتیاز شکلش، با موادش و یا با معرفی و داشتن یک سیال بین سطوح و یا جداکردن سطوح با یک میدان الکترومغناطیسی، کاهش دهد.

• با کمک شکل: معمولاً مزایایش را با استفاده از غلطک‌ها و یا کره‌ها و یا با شکل دادن یاتاقان‌های خمشی حاصل می‌کند.
• با کمک مواد: با بهره گیری از طبیعت موادی که یاتاقان‌ها را تشکیل می‌دهند. (یک مثال می‌تواند استفاده از پلاستیک باشد که اصطکاک سطحی کمی دارد.)
• به کمک یک سیال: با بهره بردن از ویسکوزیته کم یک لایه سیال مانند یک روانساز و یا یک واسطه فشرده شده که از برخورد دو سطح جلوگیری کند؛ یا با کاهش نیروی عمودی بین آنها.
• به کمک میدان‌ها: با استفاده از میدان‌های الکترومغناطیسی، مانند میدان مغناطیسی، تا از برخورد سطوح جامد جلوگیری کند.

حتی می‌توان از ترکیبی از اینها در یک یاتاقان بهره برد. مثال این قسمت برای زمانی است که یک اتاقک از پلاستیک ساخته شده باشد و بین توپها/غلطک‌ها که با شکلشان اصطکاک را کم می‌کنند، فاصله ایجاد کند و تکمیلشان کند.

اصول عملکرد

انیمیشنی از یاتاقان ساچمه‌ای

حداقل شش اصل کاری معمول وجود دارد.

• یاتاقان‌های لغزشی که معمولاً بوش، یاتاقان‌های سرمحور، یاتاقان بوش، یاتاقان‌های خان دار، یا یاتاقان‌های ساده نامیده می‌شوند.
• یاتاقان‌های غلطشی مانند یاتاقان‌های ساچمه‌ای (بلبرینگ‌ها) و یاتاقان‌های غلطکی (رولربرینگ‌ها).
• یاتاقان‌های مرصع که نیروها در آن بوسیله پیچیدن جزئی خارج از مرکز محور، تحمل می‌شود.
• یاتاقان‌های لغزشی که در آن نیروها توسط یک سیال و یا گاز تحمل می‌شوند.
• یاتاقان‌های مغناطیسی که در آن نیرو با کمک یک میدان مغناطیسی تحمل می‌شود.
• یاتاقان‌های خمشی که در آن حرکت با المان نیروئی که خم می‌شود، تأمین می‌شود.

حرکت‌ها

حرکت‌های معمولی که یاتاقان‌ها اجازه آن را می‌دهند عبارتند از:

• چرخش محوری به عنوان مثال چرخش میله محور.

• حرکت خطی مانند کشو.

• حرکت کروی مانند لولای کاسه ساچمه‌ای

• حرکت مفصلی مانند درها

نیروها

یاتاقان‌ها تنوع گسترده‌ای در اندازه و جهتی که می‌توانند تحمل کنند دارند. نیروها می‌توانند به صورت نیروی غالب شعاعی، محوری (یاتاقان کف گرد) یا ممان عمود بر محور اصلی یاافقی باشند.

سرعت‌ها

انواع مختلف یاتاقان‌ها، محدودیت‌های سرعت عملکردی متفاوتی دارند. سرعت به طور نمونه به عنوان حداکثر سرعت سطحی نسبی تعریف می‌شود که واحدش اغلب ft/s یا m/sمی باشد. یاتاقان‌های چرخشی به عنوان نمونه، عملکرد را به صورت DN توصیف می‌کنندکه D قطر (اغلب به mm) یاتاقان و N سرعت چرخش با واحد دور بر دقیقه‌است. عموماً سرعت عملکرد یاتاقان‌ها در بازه قابل توجهی باهم تداخل دارد. به عنوان نمونه یاتاقان‌های ساده در سرعت‌های پائین کارآئی دارند. یاتاقان‌های غلتشی سریعتر هستند؛ به دنبال آن یاتاقان‌های لغزشی و سرانجام یاتاقان‌های مغناطیسی قرار دارند که نهایتاً توسط نیروی مرکزگرا و با غلبه بر مقاومت مواد، محدود می‌شوند.

لقی و الاستیسیته

بعضی کاربردها نیروهای یاتاقان‌ها را در جهات متنوعی به کار می‌برد و تنها لقی یا شیب محدودی را به عنوان نیروی متغیر اعمالی می‌پذیرد. یکی از منابع حرکت در یاتاقان‌ها، فواصل یا لقی هاست. برای مثال یک شفت ۱۰میلیمتری در یک سوراخ ۱۲ میلیمتری، ۲ میلیمتری لقی دارد. منبع دوم حرکت، الاستیسیته در خود یاتاقان هاست. برای مثال ساچمه‌ها در یاتاقان‌های ساچمه‌ای (بلبرینگ‌ها) مانند یک لاستیک سفت می‌ماند و تحت بار، از دایره به یک شکل جزئی مسطح تبدیل می‌شود. کاسه بلبرینگ نیز الاستیک است و یک فرورفتگی را در محلی که ساچمه‌ها بر روی آن فشار می‌آورند ایجاد می‌کند.

عمر

یاتاقان‌های مغناطیسی و لغزشی می‌توانند به صورت بالقوه عمر نامحدود بدهند. عمر یاتاقان‌های غلتشی آماری است اما بوسیله بار، دما، نگهداری و تعمیر، ارتعاش، روانکاری و سایر فاکتورها تعیین می‌شود. برای یاتاقان‌های ساده بعضی از مواد عمر بیشتری نسبت به بقیه می‌دهند. بعضی از ساعت‌های جان هریسون هنوز هم بعد از صدها سال کار می‌کنند چرا که از چوب درخت مقدش خشب الانبیا در ساختشان استفاده شده‌است. درحالیکه ساعتهای فلزی اش با توجه به فرسودگی بالقوه شان به ندرت کار کردند.

تعمیر و نگهداری

یاتاقان‌های بسیاری احتیاج به تعمیرات دوره‌ای دارند تا از خرابی پیش از موعد جلوگیری شود. گرچه بعضی از آنها نظیر یاتاقان‌های لغزشی یا مغناطیسی ممکن است احتیاج به نگهداری کمتری داشته باشند. بیشتر یاتاقان‌ها در عملکرد در دورهای بالا نیازمند روانکاری و تمیزکاری دوره‌ای هستند و ممکن است احتیاج به تنظیمات مجدد داشته باشند تا اثر فرسایش را به حداقل برسانند.

تاریخچه و تکامل

یک نوع متقدم از یاتاقان‌های خطی از سه بدنه استفاده می‌کند که بر روی هم و در زیر قلم بند قرار دارند. گرچه هیچ مدرک قاطعی وجود ندارد اما این تکنولوژی ممکن است به قدمت ساخت اهرام گیزا باشد. یاتاقان‌های خطی مدرن از اصول مشابهی استفاده می‌کنند با این تفاوت که بعضی مواقع از ساچمه به جای غلتک استفاده می‌شود.

اجزاء نخستین ساچمه‌های ساده و غلتکی، چوب بوده‌است اما سرامیک، یاقوت کبود و شیشه نیز کاربرد داشتند. آهن، برنز وبابیت و فولادهای دیگر، سرامیک‌ها و پلاستیک (برای مثال نایلون، پولی اکسی متیلین، تفلون و UHMWPE) همگی امروز معمولند. یک ساعت جیبی مرصع برای کاهش اصکاک از سنگ‌ها استفاده می‌کند و با این کار اجازه می‌دهد که زمان دقیق تر نگه داشته شود. حتی مواد قدیمی هم می‌توانند دوام خوبی داشته باشند. برای مثال، یاتاقان‌های چوبی امروزه هنوز هم می‌توانند در آسیاب‌های آبی قدیمی دیده بشوند که آب، سرما و روانکاری اش را تأمین می‌کند.

یاتاقان‌های چرخشی برای برای بسیاری از کاربردها مورد نیازند؛ از کاربردهای سنگین در محور چرخها و شفت‌های ماشین گرفته تا قسمت‌های دقیق ساعت‌ها. ساده‌ترین یاتاقان چرخشی یاتاقان بوش است که فقط یک سیلندر است که بین چرخ و محورش وارد می‌شود؛ این ساختار بوسیله یاتاقان غلتشی ادامه پیدا کرد که در آن بوش بوسیله تعدادی غلتک سیلندری جایگزین شد. هر غلتک به عنوان یک چرخ جدا رفتار می‌کند. اولین یاتاقان غلتکی اتاق دار عملی در اواسط دهه ۱۷۴۰ میلادی بوسیله جان هریسون که ساعت ساز بود برای یک کارمند وقت نگهدار دریائی ابداع شد.. این وسیله از یاتاقان برای یک حرکت نوسانی بسیار محدود استفاده کرد ولی او همچنین در همان زمان از یک یاتاقان مشابه در یک وسیله واقعا دوار در یک ساعت معمولی نیز استفاده کرد.

یک مثال قدیمی از بلبرینگ چوبی که یک میز چرخنده را پشتیبانی می‌کرد، از کشتی رومی نمی‌در دریاچه نمی‌به جا مانده‌است. خرابی کشتی به ۴۰ قبل از میلاد برمی گردد. گفته می‌شود لئوناردو داوینچی یک نوع یاتاقان ساچمه‌ای (بلبرینگ) را در حدود سال ۱۵۰۰ شرح داده‌است. مسئله‌ای در ارتباط با بلبرینگ‌ها، مالش ساچمه‌ها در مقابل یک دیگر است که موجب اصکاک مضاعف می‌شود. اما مالش می‌تواند بوسیله محبوس کردن ساچمه‌ها درون یک قفس جلوگیری شود. یاتاقان غلتشی اتاق دار در اصل بوسیله گالیله در دهه ۱۹۶۰ شرح داده شد. قرار دادن یاتاقان‌ها در یک ردیف تا سال‌ها زیادی بعد از آن انجام نشد. اولین امتیاز حق ثبت کاسه ساچمه متعلق به فیلیپ وگان از کارمارتن در ۱۷۹۴ بود.

ایده فردریش فیشر در سال ۱۸۸۳ برای فرزکاری و سنگ زدن ساچمه‌ها در اندازه‌ها و گردی یکسان به کمک وسیله‌ای با ماشین تولید مناسب، اساس خلق یک صنعت مستقل بلبرینگ سازی را ایجاد داد.

یک حق امتیازی که به عنوان اولین حق امتیاز گزارش شده‌است، به یک تعمیرکار دوچرخه پاریسی در آگوست ۱۸۶۹رسید. این یاتاقان‌ها سپس در دوچرخه‌ای که بوسیله جیمز مور در اولین دوره مسابقات جهانی دوچرخه سواری در جاده پاریس- روئن در نوامبر ۱۸۶۹به مقام قهرمانی رسید، گنجانده شد.

طراحی مدرن یاتاقان خود تنظیم به اسون وینگوئیست از شرکت تولید کننده بلبرینگ skf در سال ۱۹۰۷ مربوط می‌شد. هنری تیمکن، یک رویاگرا و مبتکر در صنعت حمل و نقل در قرن ۱۹، امتیاز یاتاقان با غلتک مخروطی را در ۱۸۹۸به ثبت رساند. سال بعدش، او یک شرکت تأسیس کرد تا ابداعش را به تولید برساند. در طول یک سده، شرکت آنقدر رشد کرد که یاتاقان‌ها را از همه نوعی درست می‌کرد؛ به خصوص فولاد و ارائه محصولات و خدمات مربوطه اش.

اریش فرانکه در سال ۱۹۳۴ بلبرینگ کاسه سیمی را اختراع و به ثبت رساند. توجه او در طراحی یاتاقان بر کوچک بودن سطح مقطع تا حداقل مقدار ممکن بود که بتواند در یک طراحی بسته جمع بشود. بعد از جنگ جهانی دوم او به همراه گرهارد هیدریچ، شرکت «فرانک و گرهارد» را تأسیس کرد تا به تولید و بسط بلبرینگ کاسه سیمی سرعت ببخشد.

شرکت تیمکن، شرکت SKF، گروه شافلر (خصوصی)، شرکت NSK، و شرکت یاتاقان سازی NTN در حال حاضر بزرگ‌ترین تولیدکنندگان یاتاقان در جهانند.

امروزه، یاتاقان‌ها در کاربردهای متنوعی به کار می‌روند. یاتاقان‌های فوق سریع در قطعات دستی دندانپزشکی به کار می‌رود، یاتاقان‌های هوافضائی در مریخ نورد به کار رفته‌اند، و یاتاقان‌های خمشی در سیستم‌های همتراز نوری استفاده شده‌اند.