BÀI THÍ NGHIỆM SỐ 3
XÁC ĐỊNH HỆ SỐ XIẾT TRÊN MỐI GHÉP REN
I. Mục tiêu thí nghiệm
-
-
Giúp sinh viên nắm vững lý thuyết khớp vít và các giai đoạn quá trình xiết.
Giúp cho sinh viên nắm rõ hơn về mối quan hệ giữa mômen xiết và lực xiết ban đầu thông qua
việc xác định hệ số xiết K. Đồng thời qua đó, sinh viên còn có thể hiểu rõ hơn về các yếu tố của
điều kiện lắp ảnh hưởng đến mối ghép bulông.
Giúp cho sinh viên được tiếp cận với các phương pháp, dụng cụ đo và xác định lực xiết, mômen
xiết.
II. Các quy tắc kỹ thuật an toàn
Sinh viên tuân thủ các quy tắc kỹ thuật an toàn trong phòng thí nghiệm.
III. Cơ sở lý thuyết
1. Các giai đoạn xiết bu lông
Để bulông làm việc ta phải xiết các bulông bằng lực xiết, chính là lực kẹp để liên kết các chi tiết
ghép. Để xiết được bulông, ta phải tạo ra một mômen xiết TV để “xoay” đai ốc hoặc đầu bulông để tạo
ra lực xiết V.
Hình 1 Mômen xiết và lực xiết
Trong quá trình xiết bằng mômen xiết TV, mối ghép ren có thể trải qua năm giai đọan:
1. Xoay tự do: ren xoay hầu như không có sự cản trở cho đến khi có sự liên kết giữa các
chi tiết của mối ghép.
2. “Xâm nhập”: các chi tiết ghép bắt đầu “tương thích” với nhau, không còn các khe hở
và nhấp nhô bề mặt.
3. Vùng đàn hồi: Lực kẹp tăng lên trên bề mặt chi tiết ghép bởi lực xiết trên bulông trong
giới hạn đàn hồi.
4. Giới hạn đàn hồi: Lực kẹp có xu hướng chững lại bởi bulông bắt đầu đạt đến giới hạn
đàn hồi.
5. Vùng dẻo: lực xiết (kéo) đạt đến giá trị tối đa bởi bulông đã vượt điểm giới hạn đàn hồi
và dẫn đến hỏng hóc.
1
Hình 2 Đường biểu diễn khi tác dụng mômen xiết đai ốc (hay bulông)
Để xác định lực xiết người ta có thể đo trực tiếp các thiết bị đo lực. Một cách đơn giản hơn để
xác định lực xiết V là thông qua mômen xiết TV:
TV  KVd .103
trong đó: TV – mômen xiết, Nm;
(1)
V – lực xiết ban đầu, N; d – đường kính danh nghĩa
bulông, mm; K – hệ số xiết, hay còn được gọi là hệ số đai ốc, hệ số mômen xiết.
2- Lý thuyết khớp vít
Mặt khác theo lý thuyết khớp vít để xiết bulông với lực xiết dọc trục V (H.3a) ta cần phải
có tạo mômen xiết TV, được xác định theo công thức [1]:
TV = Tms + Tr
trong đó:
(2)
Tms - mômen lực ma sát trên mặt tiếp xúc của đai ốc;
Tr - mômen lực tác dụng trên ren, gọi tắt mômen trên ren.
Mômen ma sát Tms trên mặt tiếp xúc của đai ốc với chi tiết ghép:
Tms 
trong đó:
VfD tb
2
(3)
Dtb = (Do + do)/2
do - đường kính lỗ lắp bulông ;
Do - đường kính ngoài mặt tựa của đai ốc (H.3c);
f - hệ số ma sát giữa đai ốc và chi tiết ghép.
Theo hình 3a, giữa Ft và V có sự phụ thuộc:
tan(   ') 
suy ra:
do đó:
Ft
V
Ft = Vtan( + ')
(4)
Tr = 0,5Vd2tan( + ')
(5)
2
trong đó:  - góc nâng ren vít
’ = arctanf ’ - góc ma sát trên mặt ren, với f ’ - hệ số ma sát tương đương trên ren.
Hình 3 Lực tác dụng bu lông trong quá trình xiết đai ốc [1]
Thay các biểu thức xác định Tr và Tms vào công thức (1) ta có:
 D 

TV  0, 5Vd2  tb  f  tan(   ') 
 d2 

(6)
Trong công thức trên đơn vị V là N, các đường kính là mm. Để đơn vị TV là Nm thì công
thức (5) được viết thành:
 D 

TV  0, 5Vd2 .103  tb  f  tan(   ') 
 d2 

(7)
3. Hệ số xiết K
Trong nhiều tài liệu [2], hệ số K có nhiều cách gọi khác nhau chẳng hạn như nut factor, torque
coefficient, tightening factor và là thuật ngữ được sử dụng để thể hiện mối quan hệ giữa lực xiết và
mômen xiết. Hệ số xiết K là hệ số thực nghiệm, và nếu so sánh với lý thuyết khớp vít theo công thức (7)
thì có sự quan hệ sau:

 d   D 
 0, 5  2   tb  f  tan(   ') 
(8)
 d   d 
Vd


  2 
Do đó, hệ số xiết K là sự tổng hợp của tất cả các yếu tố ảnh hưởng hưởng đến mối quan hệ giữa
mômen xiết và lực xiết trong thực tế, bao gồm cả ma sát, sự xoắn, uốn, biến dạng đàn hồi của ren và rất
nhiều các yếu tố khác mà chúng ta có thể đã biết hoặc chưa biết. Do đó, rất khó để xác định chính xác
hệ số xiết, nó chỉ có thể được xác định tương đối thông qua thực nghiệm cho mỗi ứng dụng cụ thể.
Thông thường, trong từng ứng dụng cụ thể, người ta thường xác định một dải giá giá trị của K để dự
đoán giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của lực xiết từ đó đưa ra giá trị mômen xiết ban đầu.
K 
Tr
Hệ số K chủ yếu phụ thuộc vào điều kiện lắp, điều kiện bôi trơn, vật liệu và các tính chất của bề
mặt ren. Nhìn chung, hệ số K rất khó để xác định chính xác do hệ số ma sát giữa bề mặt đai ốc và chi
3
tiết ghép cũng như hệ số ma sát trên ren ta khó đo được giá trị chính xác. Do đó bằng con đường thực
nghiệm ta có thể xác định hệ số xiết K này.
Giá trị của K thường nằm trong khoảng 0,086 ÷ 0,5. Đối với mối ghép thép -với-thép thường
lấy K trong khoảng 0,14 ÷ 0,23. Thông thường, chọn K = 0,2 khi không xác định được điều kiện lắp.
Hình 4 Biểu đồ tần suất xuất hiện các giá trị của hệ số xiết K đối với mối ghép thép-với-thép [2]
IV. Mô tả thí nghiệm
Hình 5 Mô hình thí nghiệm xác định hệ số xiết K
Mô hình xác định hệ số xiết K bao gồm các thành phần như hình 5
-
Một mối ghép đơn giản gồm có bulông, đai ốc, vòng đệm và hai tấm ghép. Trong đó bulông
phải xác định được cơ tính của vật liệu làm bulông.
Một cờ lê xiết có thể xác định được mômen xiết (hình 6).
4
a) Cờ lê dạng cơ;
b) Cờ lê điện tử
Hình 6. Cờ lê xác định mômen xiết
-
Bộ thiết bị xác định lực xiết có thể bằng loadcell hoặc bằng sóng siêu âm gồm các đầu đo và
các máy xử lý và xuất tín hiệu.
Thí nghiệm được thực hiện bằng cách xác định mômen xiết thông qua cờ lê xiết và xác định lực xiết
thông qua loadcell hoặc máy đo siêu âm trên một mối ghép có bulông được chọn trước. Thông qua việc
xác định tỷ số giữa mômen xiết và lực xiết ta xác định được hệ số xiết K.
V. Trình tự thực hiện
1. Lựa chọn bulông cần thí nghiệm, xác định được đường kính danh nghĩa và thông số vật liệu của
bulông.
2. Lắp đặt và hiệu chỉnh các thiết bị đo lực xiết
2.1 Lắp đặt loadcell vào mối ghép và với các thiết bị xử lý tín hiệu (máy hiển thị hoặc máy tính)
như hình 7.
Hình 7. Cách lắp loadcell vào mối ghép
2.2 Tiến hành calíp vật liệu trên máy đo siêu âm, bôi dung dịch “khử nhiễu sóng” lên đầu đo và
đầu bulông.
3. Tiến hành xiết bulông bằng cơ lê và đồng thời quan sát kết quả hiện thị trên máy đo siêu hoặc máy
đo loadcell. Ghi nhận các kết quả mômen xiết, lực xiết bằng hai phương pháp vào bảng số liệu.
5
4. Tính toán hệ số xiết thông qua công thức (7) và ghi nhận vào bảng số liệu. Và theo công thức (7) ta
có thể xác định hệ số ma sát trên ren và giữa bề mặt đai ốc và chi tiết ghép (giả sử hai hệ số má sát này
bằng nhau).
Thực hiện thí nghiệm tương tự trên mối ghép bulông có bôi trơn bằng dầu.
5. Tính toán hệ số xiết bằng lý thuyết với các hệ số ma sát tra bảng va so sánh với kết quả đo.
6. Rút ra nhận xét và kết luận.
Tài liệu tham khảo.
1. Nguyễn Hữu Lộc. Giáo trình Cơ sở thiết kế máy. NXB Đại học Quốc gia TP Hồ
Chí Minh. 2016.
2. John H. Bickford. Introduction to the Design and Behavior of Bolted Joints - Fourth
Edition, Non-Gasketed Joints. CRC Press, Taylor & Francis Group. 2008.
3. John H. Bickford. Handbook of bolts and bolted joints. MARCEL DEKKER, INC.
1998.
6
MẪU BÁO CÁO THÍ NGHIỆM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
Bộ môn Thiết kế máy
BÀI THÍ NGHIỆM SỐ 3
XÁC ĐỊNH HỆ SỐ XIẾT TRÊN MỐI GHÉP REN
Sinh viên thực hiện:
Nhóm:
Lớp:
Giáo viên hướng dẫn:
Tp. Hồ Chí Minh, 1/2016
7
I. Mục tiêu thí nghiệm
1. Nắm rõ lý thuyết khớp vít
2. Sử dụng được cờ lê đo mômen xiết để xác định mômen xiết;
3. Hiểu được nguyên lý, sử dụng được máy đo bulông bằng sóng siêu âm để đo lực xiết trên bulông;
4. Hiểu được nguyên lý, sử dụng được loadcell để đo lực xiết trên bulông;
5. Xác định được hệ số xiết, thông qua đó hiểu được mối quan hệ giữa mômen xiết và lực xiết, cũng
như các yếu tố của điều kiện lắp đối với mối ghép.
II. Các quy tắc kỹ thuật an toàn
Sinh viên tuân thủ các quy tắt an toàn của phòng thí nghiệm
III. Báo cáo thí nghiệm
1. Xác định các thông số mối ghép ren và các dụng cụ đo
2. Kết quả đo
Bảng 1. Kết quả đo
Số
lần
đo
Tiến hành thí nghiệm trên bulông có đường kính danh nghĩa d = … (mm)
Lực xiết V, N
Hệ số xiết
Mômen xiết TV ,
Tr
Đo bằng máy đo
Nm
K

Đo bằng loadcell
siêu âm
Vd
1
2
3
4
5
3. Đồ thị phục thuộc hệ số xiết vào mô men xiết
4. Tính toán hệ số xiết bằng lý thuyết theo công thức (8) với các hệ số ma sát tra bảng và so sánh với
kết quả đo.
8
IV Nhận xét kết quả và Kết luận
IV. Câu hỏi ôn tập
1. Vai trò vả tầm quan trọng của việc xác định lực xiết và mômen xiết trong thực tế
2. Ý nghĩa của hệ số xiết K
3. Nguyên lý hoạt động của máy đo siêu âm và chìa khóa đo lực
4. Xác định hệ số xiết theo lý thuyết khớp vít.
5. So sánh hệ số xiết các trường hợp mối ghép có và không có bôi trơn, rút ra kết luận.
9