یاتاقانها قطعاتی هستند که به محورهای دوار اجازه میدهند در حالیکه نیرویی بر روی آنها قرار دارد بگردند. یاتاقان کلمه ای ترکی است که در فارسی به معنی بستر و جایگاه مورد استفاده قرار گرفته است. این کلمه در زبان انگلیسی Bearing نامیده می شود.
لازم است بین محور در حال دوران و بستر، اصطکاک در حد کافی پایین باشد تا تماس مستقیم سبب خوردگی و از بین رفتن این دو نگردد. از اینرو، در این فاصله از یک واسط استفاده می شود. گاهی اوقات از قطعاتی غلتنده بعنوان واسط استفاده می شود. یاتاقان هایی که از این روش برای جداسازی محور و بستر استفاده می کنند را یاتاقانهای غلتشی مینامند. چنانچه از روغن برای جداسازی محور دوار و بستر استفاده شود یاتاقان را لغزشی می نامند.
در یاتاقانهای لغزشی از یک لایه بسیار نازک سیال (معمولا روغن) برای جداسازی محور دوار و بستر ثابت استفاده می شود.
فرض کنید وارد اتوموبیل خود شده اید و قصد استارت زدن دارید. تا پیش از استارت زدن، میللنگ موتور خودروی شما در اثر وزن خود روی یاتاقان افتاده است و تنها لایهای بسیار نازک از روغن، خلل و فرج سطوح میللنگ و یاتاقان را پر کرده است. در این حالت بخشی از زبری سطوح با هم درگیری دارند، ولی با اعمال مقدار کمی نیرو بر روی یکدیگر سر می خورند. این حالت از اصطکاک را اصطکاک خشک می نامند.
به محض استارت زدن، میللنگ در جهت گردش عقربه های ساعت شروع به گردش می کند. در همان چند دور اول، روی سطح یاتاقان میغلتد و در سمت راست یاتاقان به سمت بالا حرکت می کند. عاملی که سبب غلتش می شود وجود حالتی از اصطکاک است که به آن اصطکاک مختلط میگوییم. در اصطکاک مختلط، فرورفتگی ها و برجستگیهای سطوح میللنگ و یاتاقان تا حدی با هم درگیر میشوند.
روغن سیالی چسبنده و دارای غلظت یا ویسکوزیته است و به همین دلیل به سطح میللنگ میچسبد. همچنان که میللنگ دوران می کند، روغن چسبیده به آن نیز تمایل دارد از فاصله مابین یاتاقان و میللنگ عبور کند. با ادامه دوران میللنگ (مشروط بر آنکه سرعت دوران به حد مناسبی برسد) فشار روغن برای عبور از محل قرارگیری میللنگ بر روی یاتاقان افزایش مییابد. روغن به محل غلتش وارد میشود و سبب میشود میللنگ از روی سطح یاتاقان بلند شود و اینبار در نیمه سمت چپ یاتاقان به گردش خود ادامه دهد. نیرویی که میللنگ را از روی یاتاقان بلند میکند نیروی هیدرودینامیک نامیده می شود.
نیروی هیدرودینامیک همان نیرویی است که سبب میشود هواپیما از روی زمین بلند شود. به شکل زیر توجه فرمایید:
برای برخاستن هواپیما از روی زمین لازم است ابتدا به سرعت افقی لازم برسد. در این حالت با توجه به شکل هندسی بال، سرعت جریان هوا روی بال بیشتر از زیر خواهد بود و به عکس، فشار زیر بال نسبت به فشار روی بال افزایش خواهد یافت. تفاوت این دو فشار است که هواپیما را به سمت بالا حرکت میدهد.
همین شرایط عینا در یاتاقان هیدرودینامیک دیده می شود و پروفیل فشاری را که در شکل 1 میبینیم ایجاد مینماید. نتیجه این پروفیل فشار، بالا رفتن محور دواربه سمت بالا و جدایش از سطح یاتاقان است.
بعنوان مثالی دیگر فرض كنيد داخل اتومبيل در حال حركت نشسته‌ايد و دست خود را از پنجره بيرون آورده‌ايد. چنانچه انگشتان خود را بهم چسبانده باشيد و امتداد انگشتان شما به موازات حركت اتومبيل قرار نگيرد (مثلا” به سمت بالا باشد) نيرويي به كف دست شما وارد مي شود كه مي‌خواهد دست شما را به سمت بالا حركت دهد. حالت عكس آن هنگامي است كه امتداد انگشتان دست شما به سمت پايين باشد كه در اين صورت نيرويي به روي دست شما وارد ميشود. علت ايجاد اين نيرو آن است كه هوا مي‌خواهد با سرعت از فضاي زير يا روي دست شما عبور كند و با توجه به آنكه اين فضا تنگ است, براي عبور مجبور است نيرويي به دست شما وارد كند تا آن را از مسير عبور خود به كنار بزند. از همين اصل ساده در ياتاقان استفاده ميشود تا محور و ياتاقان كاملا” از هم جدا شوند و با هم سايش نداشته باشند.
همانگونه كه در تصوير فوق مشاهده ميشود محور در داخل ياتاقان با شعاعي بزرگتر از خود گردش ميكند كه اين اختلاف شعاعها لقي محور و ياتاقان ناميده ميشود. فضاي موجودي را كه بواسطه اين فاصله مجاز (لقي) بين محور و ياتاقان در نظر ميگيرند با روغن پر ميگردد. محور در زمان حركت و گردش، روغن را به داخل شكاف باريكي كه بين محور و ياتاقان وجود دارد ميراند كه اين عمل سبب افزايش فشار روغن ميگردد. همين فشار است كه سبب ميشود محور از ياتاقان فاصله بگيرد.
مواد تشكيل دهنده ياتاقان
ياتاقاني كه امنيت و سلامت كاري مطلوب و مؤثر را حتي تحت فشار نيروهاي وارده سنگين و حالتهاي سخت كار، بدون بروز اشكال، ارائه دهد بايد شرايط زير را دارا باشد:
- در برابر دماي بالا مقاومت داشته باشد.
- بتواند فشار ناشي از بستن و سفت كردن ياتاقان را تحمل كند.
- چنانچه ذرات ريز در روغن وجود داشته باشد آنرا در خود جای دهد تا عملكرد آن مختل نشود.
- در مقابل سايش مقاوم باشد.
- تحمل نيروهاي ناشي از بستن و نيروهاي اعمال شده از ميل‌لنگ را داشته باشد.
- در صورت ايجاد تماس با ميل‌لنگ به آن آسيب نرساند.
- تا حدي بتواند خود را با ناراستيهاي ميل‌لنگ سازگار كند.
- در مقابل روغن موتور و مواد خورنده موجود در آن مقاوم باشد.
- مقاومت خستگي بالايي داشته باشد.
چنين ياتاقاني بايد شامل چندين لايه از مواد گوناگون باشد چرا كه هيچ يك از مواد به تنهائي نمي توانند كليه خواص را كه لازمه ساخت يك ياتاقان خوب است يكجا داشته باشند.
یاتاقانهای مورد استفاده در صنعت معمولا تک لایه، دو لایه، سه لایه و در مواردی بسیار نادر 5 لایه هستند. مجموع این لایه ها خواص مورد نیاز یاتاقان را با توجه به نوع کاربرد آن ایجاد میکند.
در یاتاقانهای صنعتی بطور كلي دو نوع آلياژ وجود دارد كه بعنوان لايه دوم روي لايه فولادي مي‌نشيند:
فلزات سفيدرنگ ريختگي (پوششي) آلياژ بابيت
فلز پايه در اين آلياژ عمدتاً قلع يا سرب است. اين نوع تنها براي بارهاي كم و حرارتهاي پائين و نیز هنگامیکه محور داخل یاتاقان سنگین و گرانقیمت است عملكرد مناسبي دارند. از ویژگیهای این نوع یاتاقانها آنستکه چنانچه جداره ضخیم داشته باشند قابل تعمیرند.
برنزهاي سربدار (آلياژهاي سرب و برنز يا كاپر- ليد)
اساساً تركيبات اين آلياژها را فلزات مس، قلع و سرب تشكيل ميدهند. بدليل مقاومت زياد، اين آلياژها در ياتاقانهائي مورد استفاده قرار ميگيرد كه با تحمل بار سنگين و مدت طولاني عمل ميكنند. تنها عيب اين نوع آلياژ وجود نقطه ضعفي در خواص تريبولوژي (Tribology) آن است و به اين دليل در اكثر موارد استفاده، ياتاقانها را با يك لايه خارجي آبكاري مي كنند. اين لايه آبكاري نرمي و نيز برخي ويژگي هاي لازم ديگر را به ياتاقان ميدهد.