Rulman (makine elemanı)

Rulman, hareketli mekanik parçaları yataklayan(hareketlerini sınırlandıran), parçalar arasındaki sürtünmeyi azaltan bir makine elemanıdır . Yatağın tasarımı, örneğin, hareketli parçanın serbest doğrusal hareketini veya sabit bir eksen etrafında serbest dönümesini sağlayabilir; veya hareketli parçalara etkiyen normal kuvvetlere karşı direnç gösterir. Çoğu rulman, sürtünmeyi en aza indirerek istenen hareketi kolaylaştırır, sürtünmeden doğan doğrudan ve dolaylı enerji kayıplarını minimize eder. Rulmanlar, geometrisine, çalışma şekline, izin verilen hareketlere veya parçalara uygulanan yüklerin (kuvvetlerin) yönlerine göre geniş bir şekilde sınıflandırılır.

Döner rulmanlar, mekanik sistemlerde mil veya aks gibi dönen bileşenleri tutar ve eksenel ve radyal yükleri yükün kaynağından alır ve yapıyı destekleyen karkasa aktarır. En basit yatak şekli olan kaymalı yatak, bir delik içinde dönen bir milden oluşur. Sürtünmeyi azaltmak, rulman ömrünü arttırmak ve soğutma için yağlama kullanılır.

Bilyalı rulman ve makaralı rulmanda, kayma sürtünmesini azaltmak için, rulman tertibatının yuvaları veya muyluları arasına dairesel kesitli makaralar veya bilyeler gibi yuvarlanma elemanları yerleştirilir. Maksimum verimlilik, güvenilirlik, dayanıklılık ve performans için ve uygulamaların taleplerinin doğru bir şekilde karşılanmasını sağlamak için çok çeşitli rulman tasarımları mevcuttur.

En basit rulmanlar, yüzeyin şekli, boyutu, pürüzlülüğü ve konumu üzerinde değişen derecelerde kontrole sahip, kesilmiş veya bir parça halinde oluşturulmuş yatak yüzeyleridir .

En zorlu uygulamalar için en gelişmiş rulmanlar çok hassas bileşenlerdir; üretimleri, mevcut teknolojinin en yüksek standartlarını gerektirir. Makineleri yataklayan rulmanlar ve çevresel ekipmanlarının tasarımında ve üretiminde iyi eğitimli mühendisler ve teknisyenler görevlidir.

Taşınan bir nesneyi destekleyen veya taşıyan ahşap makaralar şeklindeki rulmanlı yatağın icadı çok eskiye dayanır. Düz bir yatak üzerinde dönen bir tekerleğin icadından dahi önce olabilir.

Salitis'in mezarındaki Mısırlıların kendi çizimleri, kaymalı yatakları oluşturacak sıvı yağlamalı kızaklar kullanarak büyük taş blokların kızaklar üzerinde hareket ettirilmesi sürecini göstermektedir.  El matkaplarıyla kullanılan kaymalı yatakların Mısır çizimleri de vardır.

Yuvarlanan eleman yatağının en eski örneği, İtalya'nın Nemi Gölü'ndeki Roma Nemi gemilerinin kalıntılarından dönen bir masayı destekleyen ahşap bir bilyedir . Batıkların MÖ 40 yılına ait olduğu tespit edilmiştir.

Leonardo da Vinci, 1500 yılı civarında bir helikopter tasarımına bilyeli rulman çizimlerini dahil etti; bu, bir havacılık tasarımında rulmanların kaydedilen ilk kullanımıdır. Bununla birlikte, Agostino Ramelli, makaralı ve eksenel yatakların çizimlerini yayınlayan ilk kişidir.

Bilyalı ve makaralı rulmanlarla ilgili bir sorun, bilyaların veya makaraların birbirine sürtünerek ek sürtünmeye neden olmasıdır. Dönen elemanların birbiriyle etileşimlerinin, her bir bilyeyi veya silindiri bir kafes içine alarak azaltılabileceği Galileo tarafından 17. YY.'da tespit edilmiştir.

İlk pratik kafesli makaralı rulman, 1740'ların ortalarında, saatçi John Harrison tarafından H3 marine timekeeper için icat edildi. Bu saatte kafesli yatak sadece çok sınırlı bir salınım hareketi için kullanıldı, ancak daha sonra Harrison, eş zamanlı bir regülatör saatinde gerçek bir dönme hareketi ile benzer bir yatak tasarımı uyguladı.

Bilyalı rulmanlarla ilgili ilk patent, 1794'te Carmarthen'de İngiliz mucit ve demir ustası Philip Vaughan'a verildi. Bu tasarım, bilyenin aks tertibatındaki bir oluk boyunca hareket ettiği ilk modern bilyeli yatak tasarımıydı.

Rulmanlar, gelişmekte olan Sanayi Devrimi'nde çok önemli bir rol oynamış ve yeni endüstriyel makinelerin verimli çalışmasına olanak sağlamıştır. Örneğin, önceki rulmansız tasarımlara kıyasla sürtünmeyi büyük ölçüde azaltmak için tekerlek ve aks gruplarını tutmak için kullanıldılar.

İlk düz ve döner elemanlı rulmanlar ahşaptı ve bunu bronz takip etti. Tarihleri boyunca rulmanlar, seramik, safir, cam, çelik, bronz ve diğer metaller dahil olmak üzere birçok malzemeden yapılmıştır. Daha yakın zamanlarda, diğer malzemelerin yanı sıra naylon, polioksimetilen, politetrafloroetilen ve UHMWPE'den yapılmış plastik yataklar da günümüzde kullanılmaktadır.

Temel malzemeler bile etkileyici dayanıklılığa sahip olabilir. Örneğin ahşap mesnetler, günümüzde hala eski saatlerde veya suyun soğutma ve yağlama sağladığı su değirmenlerinde görülebilmektedir.

Radyal tarzda bir bilyalı rulman için ilk patent, 3 Ağustos 1869'da Parisli bir bisiklet tamircisi olan Jules Suriray'a verildi. Rulmanlar daha sonra, James Moore'un bisikletine takıldı. Kasım 1869'da, dünyanın ilk bisiklet yolu yarışı olan Paris-Rouen'de, James Moore yarışı kazandı.

1883'te FAG'ın kurucusu Friedrich Fischer, bağımsız bir rulman endüstrisinin yaratılması için zemin hazırlayan uygun bir üretim makinesi aracılığıyla eşit boyutta ve tam yuvarlaklıkta bilyeleri üretmeye yarayan torna ve taşlama metodlarını rulman endüstrisine uyarladı. Memleketi Schweinfurt daha sonra bilyeli rulman üretiminde dünyanın önde gelen merkezi haline geldi.

Bilyalı rulmanın modern, kendini merkezleyen tasarımı, tasarımı konusunda İsveç patenti No. 25406'yı aldığı 1907'de SKF bilyalı rulman üreticisi Sven Wingquist'e atfedilir.

19. yüzyılın vizyon sahibi ve vagon üretiminde yenilikçi olan Henry Timken, 1898'de konik makaralı rulmanın patentini aldı. Ertesi yıl inovasyonunu üretmek için bir şirket kurdu. Bir yüzyıldan fazla bir süredir şirket, özel çelik rulmanlar ve bir dizi ilgili ürün ve hizmet dahil olmak üzere her türden rulman üretecek şekilde büyüdü.

Erich Franke, 1934'te tel bilezikli rulmanı icat etti ve patentini aldı. Odak noktası, mümkün olduğunca küçük bir kesite sahip ve muhafaza tasarımına entegre edilebilecek bir rulman tasarımıydı. İkinci Dünya Savaşı'ndan sonra, Gerhard Heydrich ile birlikte, telli yatakların geliştirilmesini ve üretimini desteklemek için Franke & Heydrich KG (bugünkü Franke GmbH) şirketini kurdu.

Richard Stribeck'in bilyalı rulman çelikleri üzerine kapsamlı araştırması , yaygın olarak kullanılan 100Cr6'nın (AISI 52100) metalurjisini tanımladı ve sürtünme katsayısını basıncın bir fonksiyonu olarak gösterdi.

1968'de tasarlanan ve daha sonra 1972'de patenti alınan Bishop-Wisecarver'ın kurucu ortağı Bud Wisecarver, hem dış hem de iç 90 derecelik V açısından oluşan bir tür doğrusal hareket yatağı olan V yatak kılavuz tekerlekleri keşfetti.

1980'lerin başında, Pacific Bearing'in kurucusu Robert Schroeder, lineer bilyalı rulmanlarla değiştirilebilir ilk kendini yağlayan kaymalı kayar burçları icat etti. Bu yatağın metal bir kabuğu (alüminyum, çelik veya paslanmaz çelik) ve ince bir yapışkan tabaka ile birbirine bağlanan bir Teflon bazlı malzeme tabakası vardı.

Günümüzün bilyalı ve makaralı rulmanları, dönen bir bileşen içeren birçok uygulamada kullanılmaktadır. Örnekler arasında dental matkaplardaki ultra yüksek hızlı rulmanlar, Mars Rover'daki gaz türbini rulmanları, otomobillerdeki dişli kutusu ve tekerlek rulmanları, optik hizalama sistemlerindeki eğilme rulmanları ve Koordinat ölçüm makinelerinde kullanılan havalı rulmanlar sayılabilir.

En yaygın yatak, genellikle yağ veya grafit gibi bir yağlayıcı ile sürtünme temasında yüzeyleri kullanan bir yatak olan kaymalı yataktır. Bir kaymalı yatak, ayrı bir cihaz olabilir veya olmayabilir. İçinden mil geçen bir deliğin iç yüzeyi olabilir. Uygun yağlama ile kaymalı yataklar(journal bearing) genelde minimum maliyetle kabul edilebilir doğruluk, ömür ve sürtünme sağlar. Bu nedenle, çok yaygın olarak kullanılırlar.

Ancak, daha uygun bir rulmanın verimliliği, doğruluğu, servis aralıklarını, güvenilirliği, çalışma hızını, boyutu, ağırlığı ve makine satın alma ve çalıştırma maliyetlerini iyileştirebileceği birçok uygulama vardır.

Rulmanlardaki sürtünmeyi azaltmak, verimlilik, aşınmayı azaltmak ve yüksek hızlarda uzun süreli kullanımı kolaylaştırmak ve rulmanın aşırı ısınmasını ve erken arızalanmasını önlemek için genellikle önemlidir. Esasen, bir yatak, şekli, malzemesi veya yüzeyler arasına bir sıvı girmesi ve içermesi veya yüzeyleri bir elektromanyetik alanla ayırması nedeniyle sürtünmeyi azaltabilir.

Akışkan parçalar arasında film tabakası oluşturarak, iki katı parçanın birbirine temas etmesini önler. Bu sayede parçaların birbirini deforme etmesini engeller ve/veya iki parça arasındaki normal kuvveti azaltır..

Rulman tasarımı, desteklemeleri gereken kuvvetlerin boyutuna ve yönlerine bağlı olarak değişir. Kuvvetler ağırlıklı olarak radyal, eksenel (baskı yatakları) veya ana eksene dik olan eğilme momentleridir.

Farklı rulman tipleri farklı çalışma hız limitlerine sahiptir. Hız tipik olarak maksimum bağıl yüzey hızları olarak belirtilir, genellikle ft/sn veya m/sn olarak belirtilir. Döner rulmanlar, performansı tipik olarak ürün DN'si cinsinden tanımlar; burada D, yatağın ortalama çapıdır (genellikle mm cinsinden) ve N, dakikadaki devir cinsinden dönüş hızıdır.

Genel olarak, rulman tipleri arasında önemli bir hız aralığı örtüşmesi vardır. Kaymalı yataklar tipik olarak yalnızca daha düşük hızları idare eder, yuvarlanan elemanlı yataklar daha hızlıdır, ardından sıvı yataklar ve son olarak, malzeme mukavemetini aşan merkezcil kuvvet ile sınırlanan manyetik yataklar gelir.

Bazı uygulamalar, değişen yönlerden rulman yükleri uygular ve uygulanan yük değiştikçe yalnızca sınırlı oynama veya "eğim" kabul eder. Bir hareket kaynağı, yataktaki boşluklar veya "oynaklık" dır.

İzin verilen oynaklık, kullanıma bağlı olarak büyük ölçüde değişir. Örnek olarak, bir el arabası tekerleği radyal ve eksenel yükleri destekler. Eksenel yükler, sola veya sağa yüzlerce newton kuvvet olabilir ve tekerleğin değişen yük altında 10mm'ye kadar sallanması tipik olarak kabul edilebilir. Buna karşılık, bir torna, bir kesme aletini ±0,002mm'ye konumlandırmak için binlerce Newton'u taşıyan aynı zamanda kesme aletini ±0,002mm'de tutabilen bir rulmana ihtiyaç duyar.

Rulmanlı yatak tasarlayan mühendislerin incelediği bir diğer konu, yatağın mukavemetinden kaynaklanan elastikliktir. Örneğin, bir bilyeli yataktaki bilyeler sert kauçuk gibidir ve yük altında yuvarlaktan hafif yassı bir şekle deforme olur. Bilezik esnektir ve topun üzerine bastığı yerde hafif bir eliptik oturma yüzeyi oluşturur.

Rulmanın rijitliği: rulman tarafından ayrılan parçalar arasındaki mesafenin uygulanan yük ile değişimidir. Bilyalı ve makaralı yataklarda bunun nedeni bilyenin ve yatağın gerinmesidir(elastik deformasyon). Akışkan yataklarda, akışkan sıvı basıncının boşlukla nasıl değiştiğinden kaynaklanır (doğru yüklendiğinde, akışkan yatakları tipik olarak yuvarlanan elemanlı yataklardan daha serttir).

Akışkan ve manyetik yatakların neredeyse sınırsız hizmet ömrü olabilir. Pratikte yaklaşık 1900 yılından beri neredeyse kesintisiz hizmet veren ve hiçbir aşınma belirtisi göstermeyen hidroelektrik santrallerinde yüksek yükleri destekleyen akışkan yataklar bulunmaktadır.

Rulmanlı eleman ömrü yük, sıcaklık, bakım, yağlama, malzeme kusurları, kirlilik, taşıma, kurulum ve diğer faktörler tarafından belirlenir. Bu faktörlerin hepsinin rulman ömrü üzerinde önemli bir etkisi olabilir. Örneğin, yatak sadece kendi ağırlığını taşırken depolamadan kaynaklı titreşimler nedeniyle yağlayıcı hasarına neden olmuştur. ortaya çıkan hasar genellikle yatak çizilmesidir. Rulman ömrü istatistikseldir: belirli bir rulmanın birkaç numunesi, genellikle daha iyi veya daha kötü ömür gösteren birkaç numuneyle birlikte, hizmet ömrü için istatistiksel bir eğri sergileyecektir. Rulman ömrü mikroskopik ve kirlilik nedeniyle çok değişir, makroskopik olarak aynı görünen rulmanların ömürleri dahi büyük ölçüde farklılık gösterebilir.

Rulmanlar genellikle bir "L10" ömrü verecek şekilde belirtilir (ABD dışında, "B10" ömrü olarak da anılabilir. ) Bu, söz konusu uygulamadaki rulmanların yüzde onunun klasik yorulma arızası (yağlama problemi, yanlış montaj vb. gibi başka herhangi bir arıza modu değil) nedeniyle arızalanmasının beklenebileceği ömür veya alternatif ömürdür. Rulmanın L10 ömrü teorik ömürdür ve rulmanın hizmet ömrünü temsil etmeyebilir. Rulmanlar ayrıca C 0 (statik yükleme) değeri kullanılarak derecelendirilir. Bu, gerçek bir yük değeri değil, referans olarak temel yük derecesidir.

Rulmanların hizmet ömrü, rulman üreticileri tarafından kontrol edilmeyen birçok parametreden etkilenir. Örneğin, rulman montajı, sıcaklık, dış ortama maruz kalma, yağlayıcı temizliği ve rulmanlardan geçen elektrik akımları vb.

Rulmanları takmak için genellikle sıkı geçme içeren birçok yöntem vardır. Bir rulmanı bir deliğe veya mile presleyerek veya sıkarak takarken, milin dış çapı ve deliğin iç çapını çok hassas tolerans aralıklarında tutmak önemlidir.

Birçok rulman erken arızayı engellemek için periyodik bakım gerektirir, ancak birçoğu da çok az bakım gerektirir. Sızdırmaz contalı-gresli rulmanlar birçok uygulamada başarıyla çalışarak bakım gerektirmeyen çalışma sağlarlar. Contalar tozu kiri dönen elemanlardan uzak tutarken gres rulmanın fonksiyonu için gereken yağlamayı sağlar.

Keçesiz(contasız) yataklarda genellikle bir gres tabancasıyla periyodik yağlama için bir gresörlük veya periyodik yağ doldurmak için bir yağ kabı bulunur. 1970'lerden önce, çoğu makinede sızdırmaz yatak bulunmazdı dolayısıyla yağlama ve gresleme bugün olduğundan daha yaygın bir faaliyetti. Örneğin, otomotiv şasileri, neredeyse motor yağı değiştikçe "yağlama yıkama" gerektiriyordu, ancak günümüzün otomobil şasileri çoğunlukla ömür boyu sızdırmazlık sağlayan makine elemanlarıyla donatılmıştır. 1700'lerin sonlarından 1900'lerin ortalarına kadar endüstride yağcılık bir meslek koluydu.

Günümüzde fabrika makinelerinde genellikle, merkezi bir pompanın bir hazneden yağlama hatları aracılığıyla makinenin yatak yüzeylerindeki, yatak muylularındaki, yastık bloklarındaki vb. çeşitli yağlama noktalarına periyodik olarak yağ veya gres yüklemesi yaptığı yağlama sistemleri bulunur. Bu tür yağlama döngülerinin zamanlaması ve sayısı, makinenin PLC veya CNC gibi bilgisayarlı kontrolü ve ayrıca bazen gerektiğinde manuel olarak kontrol edilir. Tüm modern CNC takım tezgahlarının ve diğer birçok modern fabrika makinesinin yağlanması otomatiktir. Benzer yağlama sistemleri otomatik olmayan makinelerde de kullanılır; bu durumda bir makine operatörünün günde bir kez (sürekli kullanımdaki makineler için) veya haftada bir kez pompalaması gereken bir el pompası vardır.

Modern bir otomotiv veya kamyon motorunun içindeki yağlama sistemi, yağın sürekli pompalanması dışında konsept olarak yukarıda bahsedilen yağlama sistemlerine benzer. Bu yağın çoğu, motor bloğuna ve silindir kafalarına açılan boşluklardan akar, doğrudan yataklara iletilir ve yağ devir daimi sağlamak için başka yerlere fışkırır. Yağ pompası basitçe sürekli olarak yağı pompalar ve kullanılan/sıkışan ve ısınan yağ sürekli olarak bir tahliye valfinden kartere geri kaçar.

Yüksek devirli operasyonlarda kullanılan rulmanların periyodik olarak yağlanması ve temizlenmesi gerekir ve birçok rulman olası aşınmaları en aza indirmek için ön yükleme ayarı gibi ayarlamalar gerektirir.

Rulmanlar temiz çalıştırıldığında ve iyi yağlandığında, komponent ömrü genellikle çok daha iyi olur. Ancak, birçok uygulama iyi bakımı zorlaştırır. Bir örnek, bir kaya kırıcının konveyöründeki rulmanların sürekli olarak sert aşındırıcı parçacıklara maruz kalmasıdır. Temizlemenin pek faydası yoktur çünkü temizlik genellikle rulmandan daha maliyetlidir. Bu nedenle, iyi bir bakım programı, yatakları sık sık yağlamayı gerektirebilir ancak temizlik için herhangi bir sökme işlemi içermez. Sık yağlama, doğası gereği, eski (kum dolu) yağı veya gresi yeni bir şarjla değiştirerek sınırlı bir tür temizleme eylemi sağlar; bu, bir sonraki döngü tarafından değiştirilmeden önce kumu toplar. Diğer bir örnek, rüzgar türbinlerindeki rulmanlardır; rulman kuvvetli rüzgar bölgelerinde yüksek bir yere yerleştirildiği için bakımı zorlaştırır. Ayrıca türbin her zaman çalışmaz ve farklı hava koşullarında farklı çalışma davranışlarına maruz kalır, bu da uygun yağlamayı zorlaştırır.

Rulmanın merkezine asılı duran gevşek bir segman vardır. Segman aşağıda bulunan yağ haznesine temas eder. Rulmanın her dönüşünde segman yüzeyine yapışan yağ dönüş hareketi sırasında makaraya veya bilyaya iletilir ve yağlama sağlanır.

Yağlamanın ilkel bir şekli sıçramalı yağlamadır . Bazı makinelerin alt kısmında, kısmen sıvıya daldırılmış dişliler veya cihaz çalışırken havuza doğru sallanabilen krank çubukları ile birlikte bir yağlayıcı havuzu bulunur. Dönen tekerlekler etraflarındaki havaya yağ savururken, krank çubukları yağın yüzeyine çarparak yağı rastgele motorun iç yüzeylerine sıçratır. Bazı küçük içten yanmalı motorlar, yağı, mekanizmanın iç kısmına rastgele dağıtan özel plastik sıçratma tekerlekleri içerir.

Yüksek hızlı ve yüksek güçlü makineler için, yağ kaybı, rulmanın hızlı ısınmasına ve sürtünme nedeniyle hasara neden olabilir. Ayrıca kirli ortamlarda, yağ, sürtünmeyi artıran toz veya kalıntılarla kirlenebilir. Bu uygulamalarda, rulmana ve diğer tüm temas yüzeylerine sürekli olarak yeni bir yağlayıcı tedarik edilir ve sistemdeki yağ, filtreleme, soğutma ve yeniden kullanım için toplanabilir. Basınçlı yağlama, büyük ve karmaşık içten yanmalı motorlarda, üstten supap tertibatları gibi, doğrudan sıçrayan yağın ulaşamadığı motor bölümlerinde yaygın olarak kullanılır. Yüksek hızlı turboşarjlar ayrıca tipik olarak, yatakları soğutmak ve türbinden gelen ısı nedeniyle yanmalarını önlemek için basınçlı bir yağ sistemine ihtiyaç duyar.

Kompozit rulmanlar, lamine metal sırtlı kendinden yağlamalı politetrafloroetilen - PTFE (teflon) astar ile tasarlanmıştır. PTFE astar, tutarlı, kontrollü sürtünme ve dayanıklılık sağlarken, metal destek, kompozit yatağın sağlam olmasını ve uzun ömrü boyunca yüksek yüklere ve gerilimlere dayanabilmesini sağlar. Tasarımı, aynı zamanda, geleneksel bir döner elemanlı rulmanın ağırlığının onda biri kadar hafif olmasını sağlar.