Phần tử lăn (rolling element) là chi tiết hình cầu hoặc con lăn nằm giữa vòng trong và vòng ngoài của vòng bi, trực tiếp truyền tải trọng từ vòng này sang vòng kia thông qua tiếp xúc lăn.
Đây là chi tiết chịu ứng suất tiếp xúc Hertz cao nhất trong toàn bộ vòng bi. Ứng suất tiếp xúc trên bi thép 52100 có thể đạt 1.500–3.000 MPa — gấp 3–5 lần giới hạn chảy của thép thông thường — nhưng vì là ứng suất nén tức thời không liên tục nên vật liệu chịu được. Hình dạng phần tử lăn xác định toàn bộ đặc tính của vòng bi: loại tải chịu được, tốc độ giới hạn, và cơ chế hỏng.
Các loại phần tử lăn
Bi cầu (ball) là phổ biến nhất. Tiếp xúc điểm với rãnh lăn tạo ra ma sát thấp nhất — lý tưởng cho tốc độ cao. Bi cầu chịu tải hướng tâm và dọc trục, nhưng vùng tiếp xúc nhỏ nên tải giới hạn thấp hơn con lăn cùng kích thước. Ví dụ: vòng bi 6308 (d=40, D=90) dùng 8 bi đường kính 15,875 mm.
Con lăn trụ (cylindrical roller) tiếp xúc đường với rãnh lăn — diện tích tiếp xúc lớn hơn bi cầu cùng đường kính, tải hướng tâm cao hơn 50–100%. Series NU, N, NJ dùng con lăn trụ. Ví dụ: NU2216 E (d=80, D=140) có 11 con lăn dài 27 mm.
Con lăn côn (tapered roller) tiếp xúc đường trên bề mặt côn — góc côn tạo ra phân lực dọc trục. Khi ghép đôi mặt đối mặt (DB) hoặc lưng đối lưng (DF), vòng bi côn chịu được tải kết hợp lớn. Series 302xx, 322xx phổ biến trong hộp số và cầu xe.
Con lăn tang trống (spherical roller) có bề mặt cung tròn — cho phép vòng bi tự lựa góc đến 2–3°. Series 222xx, 223xx dùng con lăn tang trống để thích ứng sai số lắp đặt và độ võng trục.
Ví dụ thực tế: 22220 EK/C3
Vòng bi tự lựa hai dãy 22220 EK/C3 (d = 100, D = 180, B = 46 mm, C = 365 kN, C₀ = 490 kN) dùng con lăn tang trống đối xứng. Ký hiệu EK chỉ vòng trong có lỗ côn 1:12 — lắp trên ống côn để điều chỉnh khe hở hướng tâm.
Tại một nhà máy xi măng ở Hà Nam, 22220 EK/C3 trên trục vít tải liệu chịu tải hướng tâm 180 kN. Sau 3 năm vận hành ở 480 rpm, kiểm tra con lăn bằng thiết bị đo biên dạng — bề mặt tang trống mòn đều 0,02 mm, nằm trong dung sai cho phép. Thay định kỳ sau 25.000 giờ theo lịch bảo trì dự phòng.
| Loại phần tử lăn | Tiếp xúc | Tải hướng tâm | Tải dọc trục | ndm điển hình |
|---|---|---|---|---|
| Bi cầu | Điểm | Trung bình | Có | Cao (800K–1,2M) |
| Con lăn trụ | Đường | Cao | Không | Trung bình (400K–700K) |
| Con lăn côn | Đường nghiêng | Cao | Cao (ghép đôi) | Thấp–Trung (200K–500K) |
| Con lăn tang trống | Đường cong | Rất cao | Có | Trung bình (300K–600K) |
Vật liệu và độ chính xác phần tử lăn
Phần tử lăn tiêu chuẩn làm từ thép 100Cr6 (AISI 52100) — tôi cứng 60–64 HRC toàn phần. Đối với môi trường nhiệt độ cao trên 200°C, dùng thép M50 hoặc M62. Bi gốm silicon nitride (Si₃N₄) dùng trong ứng dụng tốc độ cực cao (ndm > 2.000.000) hoặc khi cần cách điện — nhẹ hơn thép 60%, cứng hơn 3 lần theo NSK bearing materials guide.
Độ tròn của bi được kiểm soát đến cấp G10 theo ISO 3290 (sai số hình dạng ≤ 0,25 µm) cho vòng bi tiêu chuẩn, G5 (≤ 0,13 µm) cho vòng bi chính xác cao. Sai số đường kính giữa các bi trong cùng một vòng ≤ 1 µm — nếu lớn hơn, tải sẽ tập trung vào bi to nhất, gây hỏng cục bộ sớm.