Έδρανο

Ιστορική Αναδρομή

Έδρανα χρησιμοποιούνται από την εποχή της εφεύρεσης του τροχού, που ανάγεται στην 5η χιλιετία π.Χ.. Εικάζεται ωστόσο ότι η εφαρμογή της κύλισης, εν είδει γραμμικού εδράνου κύλισης (ρουλεμάν), με τη μορφή ξύλινων κυλίνδρων από κορμούς δέντρων, είναι προγενέστερη ακόμα και της εφεύρεσης του τροχού.
Ωστόσο, σε όλη την αρχαιότητα, ο βασικός τύπος εδράνου ήταν τα έδρανα τριβής. Ήταν συνήθως ξύλινα, και ως λιπαντικό χρησιμοποιούταν το ζωικό λίπος. Τυπικές εφαρμογές εδράνων ήταν στους τροχούς των αμαξών και των αρμάτων, καθώς και στους άξονες των μηχανών (μύλων κλπ). Αντίστοιχα υλικά τριβής και λίπανσης χρησιμοποιούντο και στην περίπτωση που ήταν επιθυμητή η γραμμική κίνηση.
Κατασκευές αυτού του τύπου σώζονται σε λειτουργία μέχρι σήμερα με τυπικό παράδειγμα, για τον Ελλαδικό χώρο, τους παραδοσιακούς ανεμόμυλους.
Το αρχαιότερο δείγμα ρουλεμάν, που έχει ανακτηθεί από τα ερείπια του ρωμαϊκού πλοίου Nemi του 40 μ.Χ., είναι ένα ξύλινο ρουλεμάν, που υποστηρίζει ένα περιστρεφόμενο τραπέζι.
Γύρω στα 1500μ.Χ. εντοπίστηκαν σχέδια από ρουλεμάν για το σχεδιασμό ενός ελικοπτέρου του Λεονάρντο ντα Βίντσι, ενώ τα πρώτα σχέδια κυλινδρικού ρουλεμάν ήταν του Αγκοστίνο Ραμέλλι. Ένα πρόβλημα με τα σφαιρικά και κυλινδρικά ρουλεμάν είναι ότι οι σφαίρες ή οι κύλινδροι τρίβονται μεταξύ τους προκαλώντας επιπρόσθετη αντίσταση. Το πρόβλημα αυτό συνήθως αντιμετωπίζεται με την χρήση μίας στεφάνης η οποία διατηρεί τα στοιχεία κύλισης σε συγκεκριμένες θέσεις. Η πρώτη περιγραφή ενός ρουλεμάν αυτού του τύπου αποδίδεται στον Γαλιλαίο, τον 17ο αιώνα. Το πρώτο δίπλωμα ευρεσιτεχνίας σφαιρικού ρουλεμάν με δακτυλίους απονεμήθηκε στον Philip Vaughan, στο Carmarthen το 1794.
Στο βάθος των χρόνων αλλά και σήμερα έχουν χρησιμοποιηθεί πολλά υλικά κατασκευής όπως ξύλο (παλιά έδρανα, νερόμυλους), μπρούτζο, κεραμικά , ζαφείρι(σε ρολόγια), γυαλί ,χάλυβα ,ορείχαλκο , άλλα μέταλλα και πλαστικά (π.χ., νάιλον , πολυοξυμεθυλένιο , πολυτετραφθοροαιθυλένιο και UHMWPE ).
Πρακτικά το πρώτο κυλινδρικό ρουλεμάν επινοήθηκε στα μέσα στο 1740 από τον ωρολογοποιό Τζων Χάρρισον (John Harrison) για τον υποβρύχιο χρονομετρητή H3. Σύμφωνα με πληροφορίες το πρώτο δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για ρουλεμάν απονεμήθηκε στον Ζυλ Συριρέ (Jules Suriray), Γάλλο μηχανικό ποδηλάτων, στις 3 Αυγούστου 1869. Στη συνέχεια τα έδρανα τοποθετήθηκαν στο νικητήριο ποδήλατο του αναβάτη τον Τζέιμς Μουρ (James Moore) στον πρώτο αγώνα ποδηλασίας του κόσμου, Παρίσι - Ρουέν τον Νοέμβριο του 1869.
Το 1883, ο Φρίντριχ Φίσερ (Friedrich Fischer), ιδρυτής της FAG, ανέπτυξε μια μέθοδο για την μηχανουργική κατεργασία και λείανση σφαιριδίων ίσου μεγέθους και υψηλής ακρίβειας όσον αφορά στη σφαιρικότητα, μέσω μιας κατάλληλης μηχανής και αποτέλεσε τη βάση για τη δημιουργία μιας ανεξάρτητης βιομηχανίας παραγωγής ρουλεμάν.
Ο σύγχρονος σχεδιασμός αυτορρυθμιζόμενων ρουλεμάν οφείλεται στον Σβεν Βίνγκκβιστ (Sven Wingquist) της κατασκευαστικής εταιρείας ρουλεμάν SKF το 1907. Το 1898 απονεμήθηκε στον Χένρυ Τίμκεν (Henry Timken), οραματιστή και πρωτοπόρο στον τομέα της βιομηχανικής παραγωγής αμαξών, δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για το κωνικό ρουλεμάν. Τον επόμενο χρόνο ίδρυσε μια εταιρεία να παράγει το νέο προϊόν. Η εταιρεία επεκτάθηκε στο να παράγει έδρανα όλων των τύπων, συμπεριλαμβανομένων των ειδικών χαλύβων που απαιτούντο, καθώς και μιας σειράς από σχετικά προϊόντα και υπηρεσίες. Ο Έριχ Φράνκε (Erich Franke) κατοχύρωσε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας την εφεύρεση του για ρουλεμάν με σύρμα το 1934. Μετά τον Β΄ Παγκόσμιο Πόλεμο ίδρυσε μαζί με τον Gerhard Heydrich την εταιρεία Franke & Heydrich KG (σήμερα Franke GmbH) για να ωθεί την ανάπτυξη και την παραγωγή των ρουλεμάν αυτών.
Στις αρχές της δεκαετίας του 1980, ο ιδρυτής του Pacific Bearing Ρόμπερτ Σρέντερ (Robert Schroeder) επινόησε το πρώτο έδρανο τριβής πολυστρωματικής κατασκευής που ήταν εναλλάξιμο ως προς το μέγεθος με τα γραμμικά ρουλεμάν. Αυτό το έδρανο είχε ένα μεταλλικό κέλυφος (αλουμίνιο, χάλυβα ή ανοξείδωτο χάλυβα), και ένα στρώμα από Teflon που συνδέεται με ένα λεπτό στρώμα κόλλας.
Σήμερα τα ρουλεμάν που χρησιμοποιούνται σε πολλές εφαρμογές οι οποίες περιλαμβάνουν ένα περιστρεφόμενο εξάρτημα. Παραδείγματα περιλαμβάνουν υπερ-υψηλής ταχύτητας ρουλεμάν για εργαλεία οδοντιάτρων, έδρανα για την αεροδιαστημική (aerospace bearings) του Mars Rover, το κιβώτιο ταχυτήτων και τα ρουλεμάν των τροχών για αυτοκίνητα,  ρουλεμάν σε συστήματα οπτικής ευθυγράμμισης(τηλεσκόπια) και σε ζάντες τροχών ποδηλάτου.

Γενικά

Ο πιο διαδεδομένος τύπος εδράνου είναι τα έδρανα τριβής, με ή χωρίς λίπανση. Στην πιο απλή τους μορφή τα έδρανα αυτά είναι απλώς μία κυκλική οπή στο εσωτερικό της οποίας στρέφεται ένας πείρος. Συνήθη, απλά παραδείγματα εδράνων αυτού του τύπου είναι οι μεντεσέδες στις πόρτες και τα παράθυρα, ή οι αρθρώσεις των κινητών μερών (κεραίες, μπράτσα, μπούμες) στα μηχανήματα έργου (εκσκαφείς, γερανοί κλπ) και στα γεωργικά μηχανήματα.
Το τμήμα του άξονα ή της ατράκτου που έρχεται σε επαφή με το έδρανο ονομάζεται "στροφέας". Οι στροφείς συνήθως είναι κατάλληλα λειασμένοι ώστε να μειώνεται η τριβή και η φθορά στο έδρανο. Για τον ίδιο λόγο εξάλλου συνηθίζεται στις περισσότερες περιπτώσεις η χρήση κάποιου λιπαντικού (λάδι, γράσο κλπ).
Τα έδρανα που χρησιμοποιούνται στις διάφορες μηχανές κατασκευάζονται με γνώμονα την ασφαλή παραλαβή των φορτίων των αξόνων, την αξιόπιστη λειτουργία, τον μεγάλο χρόνο ζωής, την μειωμένη τριβή, την ακρίβεια στην περιστροφική κίνηση, την μειωμένη απαίτηση συντήρησης και την ελαχιστοποίηση του κατασκευαστικού κόστους. Η σπουδαιότητα των απαιτήσεων αυτών εξαρτάται από την εκάστοτε εφαρμογή. Έτσι, μπορεί άλλοτε να απαιτείται υψηλή φέρουσα ικανότητα (οι τροχοί μιας αμαξοστοιχίας), άλλοτε υψηλή ακρίβεια στην περιστροφική κίνηση (τα έδρανα ενός σκληρού δίσκου) και άλλοτε υψηλή αξιοπιστία με μηδενική συντήρηση (διαστημικές εφαρμογές). Για να καλυφθούν οι απαιτήσεις των διαφόρων εφαρμογών, έχουν αναπτυχθεί πολλοί τύποι εδράνων, που διαφέρουν κατά το σχήμα, το υλικό, την λίπανση, την αρχή λειτουργίας τους, και τα λοιπά χαρακτηριστικά τους.

Φορτία

Τα ρουλεμάν ποικίλλουν σε μεγάλο βαθμό πάνω από το μέγεθος και τις κατευθύνσεις των δυνάμεων που μπορούν να υποστηρίξουν. Δυνάμεις μπορούν να είναι κατά κύριο λόγο ακτινικά, αξονική ( ωστικά έδρανα - thrust bearings) ή ροπές κάμψεως (bending moments) κάθετα προς τον κύριο άξονα.

Ταχύτητες

Διαφορετικοί τύποι ρουλεμάν έχουν διαφορετικά όρια ταχύτητας λειτουργίας. Ταχύτητα τυπικά ορίζεται ως μέγιστη σχετική επιφανειακές ταχύτητες, συχνά ορίζεται ft / s ή m / s. Περιστροφικά έδρανα περιγράφουν τυπικά επιδόσεις από την άποψη του προϊόντος DN όπου D είναι η διάμετρος (συνήθως σε mm) του εδράνου και Ν είναι ο ρυθμός περιστροφής σε στροφές ανά λεπτό(rpm). Σε γενικές γραμμές, υπάρχει σημαντική κάλυψη μεταξύ ενός εύρος στροφών που φέρουν τους τύπους. Απλά έδρανα χρησιμοποιούνται συνήθως για χαμηλότερες ταχύτητες, τα κυλινδρικά έδρανα είναι πιο γρήγορα,καθώς και τα ρουλεμάν για ρευστά και τελικά μαγνητικά έδρανα που περιορίζονται τελικά από την κεντρομόλο δύναμη υπερβαίνοντας την αντοχή των υλικών.

Play

Ορισμένες εφαρμογές που έχουν ρουλεμάν από διαφορετικές κατευθύνσεις και δέχεται μόνο περιορισμένες "play", όπως εφαρμόζεται στις αλλαγές φορτίου. Μια πηγή της κίνησης είναι κενά ή "παίζουν" στο έδρανο. Για παράδειγμα, ένας άξονας 10 χιλιοστών σε μία οπή 12 χιλιοστών έχει 2 χιλιοστά play. Το επιτρεπόμενο play διαφέρει σημαντικά ανάλογα με τη χρήση. Για παράδειγμα, ένας τροχός ενός καροτσιού στηρίζει ακτινικές και αξονικές καταπονήσεις(κάμψη,διάτμηση,κτλ). Αξονικά φορτία μπορεί να είναι εκατοντάδες newtons αναγκάζουν αριστερά ή δεξιά, και είναι συνήθως αποδεκτό για τον τροχό να ταλαντεύονται κατά τόσο όσο 10 χιλιοστά κάτω από το μεταβαλλόμενο φορτίο. Σε αντίθεση, ένας τόρνος δύναται να τοποθετήσει ένα εργαλείο κοπής με ± 0,02 mm με τη χρήση ενός κοχλία μολύβδου κατέχονται από περιστρεφόμενα έδρανα. Τα έδρανα υποστηρίζουν αξονικά φορτία χιλιάδων newtons σε κάθε κατεύθυνση, και πρέπει να συγκρατεί την βίδα μολύβδου για ± 0,002 χιλιοστά σε όλη αυτή την περιοχή των φορτίων.

Δυσκαμψία

Μια δεύτερη πηγή κίνησης είναι η ελαστικότητας του ίδιου του εδράνου. Για παράδειγμα, οι σφαίρες σε ένα ρουλεμάν είναι σαν άκαμπτο καουτσούκ, και κάτω από το φορτίο παραμορφώνουν από στρογγυλό σε ένα ελαφρώς πεπλατυσμένο σχήμα. Ο δακτύλιος είναι επίσης ελαστικός και αναπτύσσει ένα μικρό βαθούλωμα, που πιέζονται από τις σφαίρες. Η δυσκαμψία ενός εδράνου είναι το πώς η απόσταση μεταξύ των τμημάτων του, που διαχωρίζονται από το έδρανο, ποικίλει ανάλογα με το εφαρμοζόμενο φορτίο. Σε κυλινδρικά έδρανα εξαρτάται από το υλικό κατασκευής. Σε έδρανα για ρευστά αυτό οφείλεται στην πίεση του ρευστού και ποικίλλει ανάλογα με το διάκενο (όταν φορτωθεί σωστά, τα έδρανα για ρευστά είναι τυπικά πιο άκαμπτα από τα κυλινδρικά έδρανα).

Συντήρηση και λίπανση

Πολλά έδρανα απαιτούν περιοδική συντήρηση για να αποτραπεί η πρόωρη αποτυχία, αν και μερικά όπως για ρευστά ή τα μαγνητικά έδρανα μπορεί να απαιτούν λιγότερη συντήρηση. Τα περισσότερα ρουλεμάν σε εφαρμογές υψηλών περιστροφών χρειάζεται περιοδική λίπανση και καθαρισμός, και μπορεί να απαιτήσει ρύθμιση για την μείωση των επιπτώσεων της φθοράς. Η διάρκεια ζωής συχνά παρατείνεται όταν το ρουλεμάν διατηρείται καθαρό και λιπαίνεται καλά. Ωστόσο, πολλές εφαρμογές κάνουν την καλή συντήρηση δύσκολη. Για παράδειγμα, τα ρουλεμάν για έναν ιμάντα που μεταφέρει πετρώματα εκτίθενται συνεχώς σε σκληρά σωματίδια. Η καθαριότητα είναι μικρής χρησιμότητας, διότι είναι ακριβή, αφού τα ρουλεμάν μολύνονται καθ όλη τη λειτουργία. Έτσι, ένα καλό πρόγραμμα συντήρησης μπορεί να λιπαίνει τα έδρανα συχνά, αλλά να τα καθαρίζει.

Συσκευασία (packing)

Μερικά έδρανα χρησιμοποιούν ένα παχύ γράσο (grease) για λίπανση, η οποία ωθείται μέσα στα διάκενα μεταξύ των δύο επιφανειών, επίσης γνωστή ως συσκευασία . Το γράσο συγκρατείται στη θέση του από ένα πλαστικό, δέρμα ή ελαστικό αδένα ([rubber gasket]) που καλύπτει τα εσωτερικά και εξωτερικά άκρα του ρουλεμάν για να κρατήσει το γράσο. Τα έδρανα μπορούν επίσης να συσκευάζονται με άλλα υλικά. Ιστορικά, τροχοί βαγονιών χρησιμοποιούσαν ρουλεμάν με χιτώνιο γεμάτα με απόβλητα ή υπολείμματα από βαμβάκι ή μάλλινες ίνες εμποτισμένα στο λάδι και αργότερα χρησιμοποιούσαν στερεά μαξιλάρια από βαμβάκι.

Λιπαντήρας - Δακτύλιος

Τα έδρανα μπορούν να λιπαίνονται από ένα μεταλλικό δακτύλιο που οδηγεί το λιπαντικό χαλαρά στο κεντρικό περιστρεφόμενο άξονα του εδράνου. Ο δακτύλιος κρέμεται από ένα θάλαμο που περιέχει λιπαντικό έλαιο. Καθώς περιστρέφεται το έδρανο, το παχύρρευστο και κολλώδες λάδι κινείται από το δακτύλιο πάνω στον άξονα, όπου το έλαιο πάει στο έδρανο για να τη λιπαίνει. Η υπερβολική λιπαρότητα δεν προτιμάται και συλλέγει και πάλι αποθέματα.

Λίπανση Splash

Μερικά μηχανήματα περιέχουν ένα απόθεμα του λιπαντικού στον πυθμένα, με γρανάζια μερικώς βυθισμένα στο υγρό, ή στρόφαλο ράβδους που μπορεί να ταλαντεύεται μέσα στην αποθέματα, καθώς η συσκευή λειτουργεί. Οι περιστρεφόμενοι τροχοί εκτοξεύουν λάδι γύρω τους, ενώ οι ράβδοι στροφάλου στην επιφάνεια του λαδιού, πιτσιλάν προς τυχαία κατεύθυνση πάνω στις εσωτερικές επιφάνειες της μηχανής. Μερικές μικρές μηχανές εσωτερικής καύσης περιέχουν ειδικούς πλαστικούς τροχούς οι οποίοι σκορπάν έλαιο σε τυχαία κατεύθυνση γύρω από το εσωτερικό του μηχανισμού.

Λίπανση πίεσης

Για μηχανές υψηλής ταχύτητας και ισχύος, μια απώλεια λιπαντικού μπορεί να οδηγήσει σε ταχεία θέρμανση του εδράνου και σε βλάβες λόγω τριβής. Επίσης σε βρώμικο περιβάλλον το έλαιο μπορεί να μολυνθεί με σκόνη ή υπολείμματα που αυξάνουν την τριβή. Σε αυτές τις εφαρμογές, μία νέα παροχή λιπαντικού μπορεί να τροφοδοτεί συνεχώς τα ρουλεμάν και όλες τις άλλες επιφάνειες επαφής, και η περίσσεια μπορεί να συλλεχθεί για διήθηση, ψύξη, και ενδεχομένως επαναχρησιμοποίηση. Η λίπανση πίεσης χρησιμοποιείται συνήθως σε μεγάλες και πολύπλοκες μηχανές εσωτερικής καύσης σε μέρη του κινητήρα, όπου το έλαιο που πιτσιλίζεται δεν μπορεί να φθάσει απευθείας, όπως επάνω σε εναέρια συγκροτήματα βαλβίδας. Υψηλής ταχύτητας στροβιλοσυμπιεστές απαιτούν επίσης τυπικά ένα πεπιεσμένο σύστημα ελαίου να ψυχθεί τα έδρανα και να αποφευχθεί η καύση λόγω της θερμότητας από το στρόβιλο.