راهنمای یاتاقان موتور

تاریخچه توسعه یاتاقان:

با پیشرفت علوم و فنون و گامهای موثری که جهت ساخت یاتاقان های موتور برداشته شده تکامل و توسعه این قسمت اصلی از موتور تا حدود قابل ملاحظه ای مشهود و نمایان است. زمانی که اولین تلاشها به منظور به حرکت در آوردن مستقیم قطعات چرخان در محفظه داخل موتور با شکست مواجه گردید از نوعی فلز سفید رنگ ریختگی، جهت روکش دهی یاتاقان و افزایش مقاومت یاتاقان در برابر خوردگی و اصطکاک استفاده شد و نتیجه کار بوجود آمدن و شکل گیری اولین یاتاقان قابل استفاده در عمل بود.

اولین یاتاقانهای مورد استفاده به شکل امروزی، یاتاقانهای مجزا بودند شامل نیم پوسته یا بوش. مواد تشکیل دهنده این یاتاقان ها یا تماماً همان ماده سفید رنگ ذکر شده در بالا بود و یا لایه ای از این ماده که در محفظه و داخل موتور نشانده می شد و سپس به اندازه مورد نظر ماشین کاری میگردید.

یاتاقان های آماده و قابل تعویض امروزی در مقایسه با سایر یاتاقان ها نشان دهنده آخرین و جدیدترین تحولات و تلاشهای بسیار بمنظور بکارگیری و استفاده از یاتاقان های غلتان Rolling element bearing در موتورهای رفت و برگشتی به وجود آمده است. مشکلات مونتاژ و اتصالات قطعات مختلف و نیز مقاومت کم آنها در برابر نیروهای ضربه ای و شرایط خاص رطوبت پذیری و فضای مورد نیاز یاتاقان در موتور و وزن بیش از اندازه این نوع یاتاقانها، استفاده از آنها را تنها برای چند مورد خاص محدود کرده است.

با پیشرفت علوم و تمایل انسان به افزایش بازدهی موتور و در کنار آن تقلیل اندازه و کاهش وزن و بکارگیری مواد مختلف همراه با اصلاحاتی که مرحله به مرحله جهت بهبود و تکامل این امر انجام گردیده ، پیشرفت قابل ملاحظه ای را در طرح کلی موتور و یاتاقان موجب گردیده است .

به موازات پیشرفتهای اصولی در تکنولوژی ساخت یاتاقان و در ارتباط با نتایج حاصل از طراحی موتور که شامل محفظه داخلی، محورها و کلیه اجزاء ثابت و متحرک موتور می باشد و روشهایی که سازندگان برای دسترسی آسانتر به اجزاء داخلی و روغنکاری آنها به کار گرفته اند و مجموعاً بررسیهای علمی انجام شده در اصول فنی و کارکرد یاتاقان و وابستگی آن با سایر اجزاء موتور، موجب ایجاد عوامل موثری در پیشرفت تکنولوژی ساخت یاتاقان گردیده است.

 

 

انواع یاتاقان ها:

در درجه بندی و تقسیم بندی یاتاقانها نظرهای مختلف مطرح می شود. در یک تقسیم بندی ممکن است به محدودیت حرکت توجه شود و در دیگری مثلاً به نوع طرح و یا به نحوه ارتباط متقابل سطوح متحرک. پس درجه بندیهای مختلف و رده بندیهای گوناگون کاملاً طبیعی می باشد. ذکر نکاتی چند در این مورد به شرح زیر خالی از فایده نخواهد بود.

الف- درجه بندی از نظر محدودیت حرکت

یاتاقان ممکن است محدودیت عرضی (و یا شعاعی ) ایجاد کند یعنی مانع انحراف عرضی محور گردد، مثل یاتاقانهای ژورنال معمولی و بلبیرینگها و رولربیرینگهای معمولی. یاتاقان ممکن است محدودیت طولی ایجاد کند، در این صورت کف گرد خوانده میشود. رولبیرینگهای مخروطی هر دو محدودیت مزبور را هم زمان ایجاد میکنند.

ب- درجه بندی از نظر ارتباط سطوح

در این مورد دو تقسیم بندی  عمده دیگر، لغزش و غلتشی مطرح است. که در اولی عمدتاً لغزش و در دومی غلتش حکم فرماست. یاتاقانهای ژورنال، بلبرینگها و رولربرینگها از مثالهای بارز این دو دسته به شمار میروند.

قطعات اصلی یاتاقانهای غلتشی

پ- درجه بندی از نظر نوع طرح:

در این مورد نیز میتوان تقسیمات متعددی در نظر گرفت. مثلاً وقتی اتصال یاتاقان به شاسی  فوق العاده سفت باشد آنرا سفت و اگر تا حدودی دارای انعطاف پذیری باشد آنرا انعطاف پذیر می- نامند. طرحهای خاصی موجود است که نا همراستایی را تا حدودی جبران می کند و خود همراستا- کن نامیده می شود. از طرحهای دیگر باید از قطعات لولا شده نام برد که در آن یاتاقان از قسمتهای متعدد لولا دار تشکیل شده است. هر کدام از انواع و طرحهای فوق موارد استعمال خاص داشته ودر انتخاب آنها ملاحظات فنی و اقتصادی مطرح است.

یاتاقان های لغزشی در موتور :

یاتاقان قطعه ای است که حد فاصل شاتون و میل لنگ (یاتاقان متحرک) و میل لنگ و بدنه موتور (یاتاقان ثابت) بوده و به صورت یک عایق عمل می نماید و از آنجائیکه بدنه میل لنگ فولادی و شاتون از جنس چدن سخت می باشد، در صورت تماس در اثر حرارت به یکدیگر می چسبند، لذا از یاتاقان که جنس نرمتری نسبت به آنها دارد و موجب عدم اصطکاک آنها می گردد، استفاده می شود.

مهمترین انواع یاتاقانهای مصرفی در موتور، یاتاقانهای دو تکه مثل یاتاقانهای ثابت و متحرک، یاتاقانهای لبه دار (فلنج)  و واشرهای محوری (تراست واشر) می باشند، همچنین از این نوع می توان بوشهای لبه دار و بی لبه را نام برد که جهت حرکات محوری مورد استفاده قرار می گیرند.

قابل ذکراست که از واشرهای محوری برای مهار حد فاصل حرکت عمودی در میل لنگ استفاده می شود که در موتورهای بنزینی به نام تراست واشر و در موتورهای دیزلی فلنج نام دارد.

وظیفه کاری یاتاقانها در موتور:

وظیفه یاتاقان انتقال همزمان نیرو و حرکت می باشد. تماس مستقیم سطوح لغزنده روی یکدیگر اصطکاک خشک ایجاد و این عمل فرسودگی و از بین رفتن سریع قطعات را موجب می گردد. برای دستیابی به عملکرد مناسب و مطمئن و افزایش عمر قطعات می باید با روغنکاری، اصطکاک را کاهش داد. بهترین و مناسبترین حالت، زمانی است که سطوح میل لنگ با لایه ای روغن از یاتاقان کاملاً مجزا باشد، این عمل ( روغنکاری هیدرولیکی ) به میزان چند درصد در مقایسه با حالت خشک اصطکاک را کاهش می دهد.

اگر چه با استفاده از روغنکاری میزان اصطکاک کاهش می یابد لیکن همین مقدار اصطکاک نیز می بایست با تبادل حرارتی روغن به خارج از یاتاقان منتقل شده تا لایه روغن بین سطوح محور و یاتاقان همواره در شرایط یکسان و تثبیت شده ای بکار خود ادامه دهند. در صورتیکه از روغن کاملاً تمیز استفاده و مواد مقاوم تری جهت ساخت یاتاقان بکار رفته باشند، از فرسودگی قطعات به میزان قابل ملاحظه ای جلوگیری به عمل می آید و ضریب اطمینان عمل و عمر یاتاقان افزایش   می یابد.

 

مبانی عملکرد یاتاقان هیدرودینامیک:

در تحقیقات گسترده ای که درمورد اصول و مبانی کارکرد یاتاقان بعمل آمده حالت و چگونگی روش روغنکاری که مورد نیاز یاتاقان می باشد تشریح و تعریف شده است . هر گاه صحبتی از این مسئله به میان می آید نامهای دانشمندانی چون رینولدز، سامرفلد، و گامبل و تحقیقات آنها در این زمینه در اذهان شکل می گیرد.

لازمه انتقال بار در یک حرکت شعاعی محور در داخل یاتاقان، وجود لایه ای از روغن به ضخامت متغیر در درون حفره یاتاقان می باشد یا به عبارت دیگر میتوان گفت محور با مرکزی جدا از مرکز یاتاقان گردش میکند.

در تصویر پایین همانگونه که مشاهده می شود محور در داخل یاتاقان با شعاعی بزرگتر از خود گردش می کند که این اختلاف شعاع ها در واقع لقی محور و یاتاقان نامیده می شود، فضای موجودی را که بواسطه مجاز ( لقی ) بین محور و یاتاقان در نظر می گیرند در واقع همان فاصله ای است که با روغن پر می گردد. همانگونه که در تصویر شماره ۱ رسم شده است، محور در زمان حرکت و گردش ، روغن را به داخل شکاف باریکی که بین محور و یاتاقان وجود دارد می راند که این عمل سبب افزایش فشار روغن می گردد. در امتداد محور ( با توجه به تصویر ۱- ب ) موقیت فشار ماکزیمم در وسط یاتاقان قرار دارد و تدریجاً که به دو سر یاتاقان نزدیک می شویم، میزان فشار به اندازه فشار محیط دور تنزل پیدا می کند .

میزان فشار و (منحنی گامبل) در روغنکاری هیدرودینامیکی نیروی وارده بر محور که نتیجه فشار روغن می باشد همواره با بار( نیروی ) خارجی که بر محور وارد می شود متعادل است. برای باری که جهت و مقدار سرعت چرخش ثابتی دارد و اصطلاحاً آنرا تحت عنوان وضیعت بارگزاری ایستا می نامند، مرکز محور در یک وضیعت پایدار قرار می گیرد که به اندازه-e- از مرکز یاتاقان فاصله وho را خروج از مرکز محور نسبت به یاتاقان می نامیم.

کمترین فاصله بین سطح خارجی محور و سطح داخلی یاتاقان که اصطلاحاً به نام حداقل ضخامت لایه روغن نامیده می شود ناشی از این خروج از مرکز است. زمانیکه مقدار بار و سرعت تغییر می کند مرکز محور روی نیم دایره ای که به نام (منحنی گامبل ) نامیده می شود به حرکت در      می آید. اگر مقدار بار کم و سرعت زیاد باشد مرکز محور به مرکز یاتاقان نزدیک و فاصله کم می گردد و بالعکس اگر مقدار بار زیاد و سرعت کم باشد این فاصله بیشتر می شود.

تغییرات در بار و سرعت باعث تغییر کمترین ضخامت لایه روغن خواهد شد وعلاوه بر آن تغییر کمترین ضخامت لایه روغن تحت تأثیر ابعاد یاتاقان میزان لقی محور و یاتاقان و همچنین غلظت روغن نیز می باشد. دریک یاتاقان مشخص زمانیکه مقدار بار کاهش یافته و سرعت چرخش محور ویا غلظت روغن افزایش یابد ضخامت لایه روغن بیشتر و به عبارت دیگر می توان گفت فاصله بین سطوح لغزنده روی هم (سطح خارجی محور وسطوح داخلی یاتاقان ) بیشتر می گردد.

با آنچه گفته شد می توان نتیجه گرفت کم کردن لقی بین محور و یاتاقان موجب ازدیاد ضخامت لایه روغن شده و در نتیجه تقلیل و کاهش میزان لقی یکی از عوامل مطلوب در طراحی یاتاقان می باشد. با توجه به محدودیت هایی که از نظر عدم هم محوری، نقایص هندسی، تغییر مکانی و مقدار روغن جهت خنک سازی در شرایط عملی وجود دارد، حد پائین لقی را نمی توان از یک مقدار مشخص کمتر در نظر گرفت، به عنوان یک الگوی عملی حد پایین برای این مقدار لقی را می توان ۰.۰۶  قطر محور برای یاتاقانهای متحرک و ۰.۰۷۵ برای یاتاقانهای ثابت در نظر گرفت. میزان حد بالای لقی تابع حدود مجاز روشهای ساخت انواع یاتاقان می باشد.

۳-۲ شرایط عملکرد یاتاقان

زمانیکه موتور خاموش است(تصویر پایین)، تمام وزن میل لنگ همراه با فلایویل  Flywheel روی سطح یاتاقان قرار دارد.

در هنگام روشن کردن موتور، محور در جهت خلاف حرکت دورانی خود از کف (پائین) یاتاقان به بالا صعود می کند، اصطکاک بین محور و یاتاقان در این هنگام اصطکاک مختلط است.  زمانیکه سرعت گردش محور به نقطه سرعت گذرا می رسد محور و یاتاقان بدلیل عکس العمل هیدرودینامیکی روغن از یکدیگر جدا میشود .

هنگام کار طبیعی و شرایط مختلف کاری موتور مانند کار با حداکثر توان، کار با توان کمتر یا کار با حداکثر گشتاور و نیز هرز گشتن موتور در دورهای بالا و پائین با الگوهای متفاوت بار گذاری، مدارهای چرخشی مختلف بوده و به مقادیر متناوبی در اندازه کمترین ضخامت لایه روغن در هر تناوب منجر میگردد.

 

۴-۲ منطقه اصلی بار گذاری

بدلیل تغییر ضخامت لایه روغن، فرسودگی در یاتاقانهای موتور در بعضی قسمتها بیشتر از نقاط دیگر است، منطقه ای که متحمل بار بیشتری می باشد در یاتاقانهای متحرک در پوسته قسمت فوقانی و در یاتاقانهای ثابت در پوسته قسمت تحتانی می باشد.

رنگ‌بندی در یاتاقان:

 بیشترین عمر یاتاقان وقتی بدست می‌آید که لقی مورد نظر طراح موتور وجود داشته باشد. به

همین منظور لازم است که میل‌لنگ، یاتاقان و پوسته موتور با دقت بالائی ساخته شوند. اما افزایش دقت خود به معنی افزایش ضایعات و در نتیجه افزایش قیمت محصول است که این امر قابلیت رقابت را از بین می‌برد. برای از بین بردن این مشکل ، دقت در قطعات گران قیمت‌تر (میل‌لنگ و پوسته موتور) کمتر شده است (یعنی آنکه تلروانس ها بازتر شده است) که این به معنی کاهش ضایعات این قطعات است. برای جبران این امر یاتاقانهای استاندارد نیز در چند محدوده از نظر ضخامت تولید می‌شوند و هریک از این محدوده ‌ها با یک رنگ مشخص می‌شوند.

 

مثلاً یاتاقان استاندارد سبز، استاندارد قرمز، و همه این یاتاقانها استاندارد هستند، ولی در ضخامت تفاوتهای بسیار کم (در حد چند میکرون) دارند و نباید آنها را با یاتاقانهای تعمیری مقایسه کرد. در کارخانه موتورسازی و در مقابل اپراتور مونتاژکار موتور یک جدول وجود دارد. قطر هر دهانه میل‌لنگ و هر نشیمنگاه در پوسته موتور قبلاً اندازه‌گیری شده است.

باتوجه به آنکه قطر میل لنگ و پوسته چقدر باشد، جدول به اپراتور می‌گوید که چه رنگی از یاتاقان را در آن دهانه استفاده کند. در موتورهای امروزی اغلب از این سیستم استفاده می‌شود که بعنوان مثال می‌توان به یاتاقانهای پراید و پژو اشاره کرد.