Vòng bi có tác dụng làm giảm ma sát giữa các bộ phận chuyển động bằng cách chuyển ma sát trượt thành ma sát lăn. Khi kim loại tiếp xúc trực tiếp với kim loại sẽ tạo ra một lực ma sát lớn. Lực ma sát này làm tăng sự mài mòn của bề mặt kim loại, gây ra hiện tượng mài sát và dần làm hỏng chi tiết của sản phẩm.  

Tải trọng tác động lên vòng bi có thể là tải trọng hướng tâm (radial load) hoặc tải dọc trục (thrust load). Tùy vị trí lắp đặt vòng bi trong cơ cấu mà nó có thể chịu tải hoàn toàn theo lực hướng tâm, theo lực đẩy dọc trục hoặc kết hợp cả hai. Ví dụ, vòng bi ở bánh xe ô tô vừa chịu tải hướng tâm do trọng lượng xe, vừa chịu tải dọc trục khi xe rẽ trái hoặc rẽ phải.

Cấu tạo của vòng bi gồm bi hoặc con lăn kim loại trơn lăn giữa bề mặt vòng kim loại trong và ngoài. Dưới đây là các loại vòng bi phổ biến. 

Vòng bi cầu (Ball Bearings)

Vòng bi cầu là loại vòng bi phổ biến nhất, có thể chịu được cả tải hướng tâm và tải dọc trục. Vòng bi cầu hay còn được gọi là vòng bi rãnh sâu (deep-groove single-row bearings) hoặc vòng bi Conrad. Vòng trong thường được lắp cố định vào trục quay, còn rãnh trên đường kính ngoài đóng vai trò là rãnh lăn cho bi.  

Các viên bi di chuyển trong rãnh lăn và khi có tải, lực sẽ truyền từ rãnh ngoài sang bi, rồi từ bi sang rãnh trong. Bán kính cong của rãnh lăn thường nằm trong khoảng 51,5% – 53% đường kính viên bi.  

Rãnh có bán kính cong nhỏ thì bi khớp chặt hơn, nhưng dễ gây ma sát lăn cao do độ khớp chặt giữa bi và rãnh, trong khi rãnh có bán kính cong (curvature) lớn có thể làm giảm tuổi thọ mỏi (fatigue life) do ứng suất (Stress) tăng lên tại một điểm tiếp xúc cao, nếu tình trạng kéo dài có thể làm viên bi bị hư hỏng hoặc nứt, méo theo thời gian.

Vòng bi cầu (Conrad) thường được dùng trong các ứng dụng tải nhẹ. Do tiếp xúc giữa viên bi và rãnh ngoài chỉ là điểm nhỏ (theo hình cầu), bi quay rất trơn tru. Tuy nhiên, vì diện tích tiếp xúc nhỏ, nếu vòng bi chịu tải quá lớn tại một điểm thì viên bi có thể bị biến dạng, dẫn đến hỏng vòng bi. Vì vậy, vòng bi cầu thường chỉ dùng trong ứng dụng có tải nhỏ và vừa. 

Vòng bi trụ (Straight / Cylindrical Roller Bearings)

Vòng bi trụ có con lăn hình trụ chạy trong rãnh trụ, loại vòng bi này có ma sát thấp, khả năng chịu tải hướng tâm lớn và tốc độ quay cao. Khác với vòng bi cầu có tiếp xúc điểm, vòng bi trụ có tiếp xúc dạng đường giữa con lăn và rãnh, nhờ đó tải được phân bố trên diện tích lớn hơn, cho phép chịu tải nặng hơn. Để hạn chế hiện tượng lệch vòng bi, chiều dài con lăn không lớn hơn nhiều so với đường kính của nó. 

Vòng bi trụ thường được dùng trong các ứng dụng như con lăn băng tải, nơi cần chịu tải hướng tâm lớn.  

Trong cấu tạo của vòng bi trụ, một vòng có gờ chặn ở cả hai bên để giữ và dẫn hướng con lăn, còn vòng kia thì không có gờ. Nhờ vậy, vòng bi có khả năng giãn nở khi nhiệt độ thay đổi.  

Nếu bổ sung thêm gờ chặn ở một bên của vòng còn lại, vòng bi có thể chịu được tải dọc trục một chiều. Nếu có gờ chặn ở cả hai bên, vòng bi sẽ chịu được tải dọc trục hai chiều. 

Vòng bi côn (Tapered Roller Bearings)

Vòng bi côn được thiết kế để chịu đồng thời tải hướng tâm và tải dọc trục, thường được dùng trong moay-ơ bánh xe ô tô do đặc tính chịu tải lớn. 

Trong vòng bi côn, cả vòng và con lăn đều có dạng côn cụt, cho phép cùng lúc chịu được tải dọc trục và tải hướng tâm. Tỷ lệ tải mà vòng bi chịu được phụ thuộc vào góc nghiêng giữa trục con lăn và vòng bi. Góc càng lớn thì khả năng chịu tải dọc trục càng cao. Góc tiếp xúc của vòng bi côn thường nằm trong khoảng 10 – 16 độ, với ứng dụng yêu cầu tải dọc trục lớn, góc tiếp xúc có thể lên đến 30 độ. 

Vòng bi côn thường được lắp theo cặp để tăng khả năng chịu tải hướng tâm. Với ứng dụng tải nặng, có thể dùng loại vòng bi côn hai dãy hoặc bốn dãy tích hợp trong cùng một cụm vòng bi lớn. 

Vòng bi tang trống (Spherical Roller Bearings)

Vòng bi tang trống gồm hai dãy con lăn có hình hơi phình ở giữa, thuôn ở hai đầu, giống chiếc thùng (gọi là con lăn tang trống). Hình dạng này giúp phân tán tải trọng đều trên bề mặt tiếp xúc và chịu được tải trọng rất lớn. 

Các con lăn này chạy giữa hai rãnh lăn: một rãnh nằm trên vòng trong, và một rãnh dạng cầu nằm ở mặt trong của vòng ngoài. Rãnh này không phải hình trụ, mà có biên dạng cong giống mặt cầu. 

Nhờ thiết kế rãnh dạng cầu, vòng bi có thể tự điều chỉnh khi trục khi bị lệch góc nhẹ mà vẫn hoạt động ổn định. Hình dạng con lăn khớp gần như hoàn toàn với rãnh lăn, giúp vòng bi vững chắc hơn và chịu được tải trọng rất lớn. 

Trong thực tế, loại vòng bi này thường được lắp thành cặp đối xứng, quay ngược chiều nhau trong cùng một ổ đỡ để có thể chịu tải theo cả hai hướng. Ngoài ra, vòng bi tang trống cũng được ứng dụng phổ biến trong hộp giảm tốc, máy cán, máy nghiền đá, lĩnh vực khai thác mỏ, v.v, vì chúng có khả năng chịu tải hướng tâm lớn (vuông góc với trục) và tải trọng dọc trục (song song với trục) cùng lúc. 

Vòng bi kim (Needle Roller Bearings)

Vòng bi kim sử dụng các con lăn hình trụ rất nhỏ và dài. Đặc điểm của chúng là đường kính nhỏ nhưng chiều dài lại khá lớn, tỷ lệ đường kính trên chiều dài của con lăn thường nằm trong khoảng 1:2,5 đến 1:10. 

Ưu điêm của vòng bi kim là chiếm rất ít không gian theo hướng tâm (tức là theo chiều từ tâm trục ra ngoài), nên thường được dùng trong các thiết bị có không gian lắp đặt hẹp 

Tuy nhiên do kích thước nhỏ nên gặp nhiều khó khăn trong việc dẫn hướng và tạo ra ma sát cao. Khả năng vận hành ở tốc độ lớn kém hơn so với các loại vòng bi khác, vì vậy vòng bi kim thường chỉ dùng cho tốc độ thấp và chuyển động dao động (qua lại trong một hành trình ngắn).  

Để cải thiện nhược điểm này, người ta thường sử dụng vòng cách (cage) để giữ và dẫn hướng các con lăn. Vòng cách giúp con lăn không bị lệch vị trí, giảm ma sát và tăng độ ổn định khi hoạt động. 

Vòng bi kim thích hợp cho các thiết kế bị hạn chế nghiêm ngặt về không gian, nhưng không đòi hỏi tốc độ cao. 

Vòng bi đẩy (Thrust Bearings)

Vòng Bi Đẩy (Thrust Bearings) là tên gọi chung cho tất cả các loại vòng bi chuyên chịu tải dọc trục (tải theo chiều song song trục quay). 

Bên trong nhóm này, có nhiều loại khác nhau, trong đó phổ biến nhất là: 

• Vòng bi lực đẩy con lăn (Roller Thrust Bearings) 
• Vòng bi đẩy bi (Ball Thrust Bearings) 

1. Vòng bi lực đẩy con lăn (roller-thrust bearings)

Vòng bi lực đẩy con lăn được thiết kế để chịu tải dọc trục lớn, thường gặp trong bộ truyền số ô tô, giữa các bánh răng hoặc giữa vỏ hộp và trục quay. Các bánh răng xoắn trong hộp số ô tô tạo ra tải dọc trục lớn, và vòng bi lực đẩy con lăn sẽ chịu tải này.  

Khi vòng bi quay, con lăn không chỉ lăn mà còn có hiện tượng trượt nhẹ so với bề mặt rãnh lăn. Lý do là bởi ở tâm con lăn và ở đầu con lăn, bán kính quay khác nhau, dẫn đến tốc độ bề mặt tại các điểm tiếp xúc cũng khác. Vì tốc độ bề mặt không đồng đều như vậy, nên nếu con lăn trượt như bình thường thì sẽ xảy ra hiện tượng mài mòn nhanh. Để khắc phục, con lăn vừa lăn vừa trượt nhẹ để “bù” cho sự khác biệt tốc độ bề mặt này.

Hiện tượng này là đặc trưng của loại vòng bi lực đẩy con lăn và cũng là nguyên nhân khiến chúng không đạt được tốc độ cao như vòng bi cầu. 

2. Vòng bi đẩy bi (ball-thrust bearings)

Vòng bi đẩy bi chủ yếu chỉ chịu tải dọc trục trong các ứng dụng tải nhẹ và tốc độ thấp, ví dụ như trong ghế xoay, nơi chúng chịu tải từ mặt ghế. Vòng bi đẩy bi gồm hai đĩa rãnh và một dãy bi nằm giữa. Khi tốc độ quay tăng, lực ly tâm tác động lên viên bi làm cho hiện tượng trượt tại chỗ tiếp xúc giữa bi và rãnh lăn trở nên rõ rệt hơn. 

Vòng bi lực đẩy con lăn bị giới hạn ở khoảng 20% tốc độ của vòng bi hướng kính tương ứng, còn vòng bi đẩy bi chỉ hoạt động ở khoảng 30% tốc độ so với vòng bi hướng tâm có kích thước tương đương. 

Trên đây là tổng hợp những điểm khác nhau giữa các loại vòng bi, mỗi loại đều có ưu điểm riêng và phù hợp với từng ứng dụng cụ thể. Trong sản xuất công nghiệp, khi lựa chọn vòng bi, doanh nghiệp thường quan tâm đến các tiêu chí như khả năng chịu tải, độ chính xác khi vận hành, và tuổi thọ ổn định. Ở những ứng dụng đòi hỏi chuyển động chính xác và bền bỉ, các loại vòng bi cầu và vít me bi thường được đánh giá cao nhờ hiệu suất lăn mượt, ít ma sát và duy trì độ chính xác lâu dài.

Bên cạnh các loại vòng bi truyền thống được sử dụng trong cơ cấu quay, Tập đoàn THK (Nhật Bản) còn phát triển nhiều giải pháp hệ thống dẫn hướng tiên tiến khác. Tiêu biểu là dẫn hướng tuyến tính (LM Guide), giúp các bộ phận máy móc di chuyển mượt mà và ổn định theo phương thẳng, và vít me bi (Ball Screw), biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến.  

Cả hai sản phẩm này đều kế thừa nguyên lý cơ bản của vòng bi, thay ma sát trượt bằng ma sát lăn, nhưng được ứng dụng ở cấp độ hiện đại hơn, phục vụ cho các ngành công nghiệp đòi hỏi độ chính xác, độ bền và sự ổn định cao.  

Hiện nay, Temas là đơn vị phân phối chính hãng các sản phẩm THK tại Việt Nam. Với danh mục đa dạng gồm các sản phẩm dẫn hướng tuyến tính (LM Guide), vít me bi (Ball Screw) và nhiều giải pháp cơ khí chính xác khác. Quý khách có thể tham khảo chi tiết các sản phẩm THK tại đây. 

(Tất cả hình ảnh trong bài viết được tham khảo từ Đại học Cambridge)