BÀI THÍ NGHIỆM SỐ XÁC ĐỊNH HỆ SỐ XIẾT VÀ HỆ SỐ NGOẠI LỰC TRÊN MỐI GHÉP BULÔNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ Bộ môn Thiết kế máy BÀI THÍ NGHIỆM SỐ 03 và 04 XÁC ĐỊNH HỆ SỐ XIẾT VÀ HỆ SỐ NGOẠI LỰC TRÊN MỐI GHÉP BULÔNG Giảng viên hướng dẫn: Thân Trọng Khánh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

Bộ môn Thiết kế máy

BÀI THÍ NGHIỆM SỐ 03 và 04 XÁC ĐỊNH HỆ SỐ XIẾT VÀ HỆ SỐ NGOẠI LỰC

TRÊN MỐI GHÉP BULÔNG

Giảng viên hướng dẫn: Thân Trọng Khánh Đạt

Sinh viên thực hiện:

1

BÀI THÍ NGHIỆM SỐ 03 XÁC ĐỊNH HỆ SỐ XIẾT TRÊN MỐI GHÉP BULÔNG

I Mục tiêu thí nghiệm

1 Sử dụng được cờ lê đo mômen xiết để xác định mômen xiết;

2 Hiểu được nguyên lý, sử dụng được máy đo bulông bằng sóng siêu âm để đo lực xiết trên bulông;

3 Hiểu được nguyên lý, sử dụng được loadcell để đo lực xiết trên bulông;

4 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

− Đường kính danh nghĩa bulong: 𝑑𝑑 = 12 (mm)

− Đường kính lỗ lắp bulong: 𝑑𝑑𝑜𝑜 = 1.1 × 𝑑𝑑 = 1.1 × 12 = 13.2 (mm)

− Đường kính ngoài mặt tựa của đai ốc: 𝐷𝐷𝑜𝑜 = 2 × 𝑑𝑑 = 2 × 12 = 24 (mm)

− Đường kính trung bình:

𝐷𝐷𝑡𝑡𝑡𝑡 =(𝐷𝐷𝑜𝑜+ 𝑑𝑑𝑜𝑜)

(24 + 13.2)

2 = 18.6 (mm)

− Đường kính trung bình 𝑑𝑑2 = 10.863 (mm)

− Góc nâng ren 𝛾𝛾 = 2.5𝑜𝑜

− Góc ma sát trên mặt ren 𝜌𝜌, = 6.28𝑜𝑜

− Hệ số ma sát giữa chi tiết ghép và đai ốc 𝑓𝑓 = 0.11

2

2 Kết quả đo

Số

lần

đo

Tiến hành thí nghiệm trên bulông có đường kính danh nghĩa

𝒅𝒅 = 𝟏𝟏𝟏𝟏 (𝐦𝐦𝐦𝐦)

Mômen xiết 𝑻𝑻𝒗𝒗 (𝐍𝐍𝐦𝐦) Lực xiết 𝑽𝑽 (𝐍𝐍) đo bằng loadcell Hệ số xiết

𝑲𝑲 = 𝑻𝑻𝒗𝒗/(𝑽𝑽𝒅𝒅)

3 Đồ thị phụ thuộc hệ số xiết vào mômen xiết

4 Tính toán hệ số xiết 𝐊𝐊 bằng lý thuyết theo công thức (8) với các hệ số ma sát tra bảng và so sánh với kết quả đo

𝐾𝐾 = 𝑇𝑇𝑣𝑣

𝑉𝑉 × 𝑑𝑑 = 0.5 ×

𝑑𝑑2

𝑑𝑑 × �

𝐷𝐷𝑡𝑡𝑡𝑡

𝑑𝑑2 × 𝑓𝑓 + 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 (𝛾𝛾 + 𝜌𝜌,) �

0.100 0.150 0.200 0.250 0.300 0.350 0.400 0.450 0.500

Momen xiết [Nm]

Hệ số xiết

3

= 0.5 ×10.86312 × �10.86318.6 × 0.11 + 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡(2.5𝑜𝑜 + 6.28𝑜𝑜)�

= 0.155

So sánh với kết quả đo:

δ = |0.169 − 0.155|

0.169 × 100% = 8.28%

IV Nhận xét kết quả và kết luận

• Trên đồ thị ta thấy khi tăng momen xiết 𝑇𝑇𝑣𝑣 từ 8 (N.m) lên 28 (N.m) thì hệ số xiết 𝐾𝐾 dao động trong khoảng từ 0.155 ÷ 0.185

• Giá trị của 𝐾𝐾 thường nằm trong khoảng 0.086 ÷ 0.5 ⇒ 𝐾𝐾 = 0.185 vẫn nằm trong khoảng cho phép

• Sai số giữa lý thuyết và thực tế 8.28%

• Sai số giữa lý thuyết và thí nghiệm là do hệ số 𝐾𝐾 chủ yếu phụ thuộc vào điều kiện lắp, điều kiện bôi trơn, vật liệu và các tính chất của bề mặt ren, hệ số 𝐾𝐾 rất khó để xác định chính xác do hệ số ma sát giữa bề mặt đai ốc và chi tiết ghép

o Do trong phép tính 𝐾𝐾𝑙𝑙𝑡𝑡, hệ số ma sát 𝑓𝑓, góc nâng ren vít 𝛾𝛾, góc ma sát trên mặt ren 𝜌𝜌′

đều được chọn trong khoảng cho phép

o Do sai số dụng cụ đo, người làm thí nghiệm chưa thật chính xác

⇒ Giá trị 𝐾𝐾𝑡𝑡𝑡𝑡 bị lệch 8.28%

• Ý nghĩa: hệ số xiết 𝐾𝐾 cho thấy sự tổng hợp của tất cả các yếu tố ảnh 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

V Câu hỏi ôn tập

1 Vai trò vả tầm quan trọng của việc xác định lực xiết và môment xiết trong thực tế

Thực tế, lực xiết của bu lông là lực hữu ích kết hợp với cánh tay đòn của dụng cụ xiết tạo thành mô-men xoắn (mômen xiết bu lông) đủ lớn tác động lên đầu bu lông hoặc đai ốc nhằm tạo ra ứng suất căng ban đầu trong thân bu lông để đảm bảo mối liên kết bằng bu lông được kẹp chặt theo đúng yêu cầu kỹ thuật

4

Nếu như việc xác định lực xiết bu lông đai ốc không chuẩn, lực chưa đủ sẽ dẫn đến hiện tượng các con ốc bulong bị lỏng, từ đó khiến cho các điểm tiếp nối hay gắn kết bị giảm chất lượng rất nhiều; xiết quá mức sẽ gây hỏng bu lông hoặc mối ghép bu lông Do

đó cần phải siết đúng lực, tiêu chuẩn cho từng loại bu lông

2 Ý nghĩa của hệ số xiết 𝑲𝑲

Hệ số xiết 𝐾𝐾 cho thấy sự tổng hợp của tất cả các yếu tố ảnh 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

3 Nguyên lý hoạt động của máy đo siêu âm

Phép đo siêu âm của tải trọng kẹp thu được thông qua sự giảm có thể dự đoán được trong vận tốc âm thanh bên trong thân bu lông khi tải trọng kéo tăng lên Bằng cách đưa một xung âm vào một đầu của bu lông và đo chính xác thời gian cần thiết để tiếng vọng trở lại từ đầu đối diện, độ dài siêu âm được xác định Khi đai ốc được siết chặt, sự thay đổi trong chiều dài siêu âm này được sử dụng để tính toán và hiển thị lực kẹp thực tế được tạo ra

4 Nguyên lý hoạt động của loadcell đo lực

• Một điện áp kích thích được cung cấp cho ngõ vào loadcell (2 góc (1) và (4) của cầu điện trở Wheatstone) và điện áp tín hiệu ra được đo giữa hai góc khác

• Tại trạng thái cân bằng (trạng thái không tải), điện áp tín hiệu ra là số không hoặc gần bằng không khi bốn điện trở được gắn phù hợp về giá trị Đó là lý do tại sao cầu điện trở Wheatstone còn được gọi là một mạch cầu cân bằng

• Khi có tải trọng hoặc lực tác động lên thân loadcell làm cho thân loadcell bị biến dạng (giãn hoặc nén), điều đó dẫn tới sự thay đổi chiều dài và tiết diện của các sợi kim loại của điện trở strain gauges dán trên thân loadcell dẫn đến một sự thay đổi giá trị của các điện trở strain gauges Sự thay đổi này dẫn tới sự thay đổi trong điện áp đầu ra

• Sự thay đổi điện áp này là rất nhỏ, do đó nó chỉ có thể được đo và chuyển thành số sau khi đi qua bộ khuếch đại của các bộ chỉ thị cân điện tử (đầu cân)

5

Hình mô tả nguyên lý làm việc của loadcell

5 So sánh hệ số xiết các trường hợp mối ghép có và không có bôi trơn, rút ra kết luận

Vai trò của việc bôi trơn mối ghép bulông

• Chất bôi trơn làm giảm lượng mômen xiết cần thiết để bulông được xiết chặt, vì thế

hệ số xiết 𝐾𝐾 sẽ giảm

• Chất bôi trơn cung cấp khả năng chống mài mòn tốt hơn, cho phép các bề mặt trượt trơn tru qua nhau — đặc biệt quan trọng đối với một số vật liệu như thép không gỉ, có

xu hướng hàn nguội, gây ra hiện tượng rỗ ren (Galling)

• Chất bôi trơn giúp việc tháo lắp dễ dàng hơn nhiều, đồng thời ngăn ngừa rỉ sét và ăn mòn

Mặc dù là bôi trơn bulông có ren có rất nhiều lợi ích, nhưng đi kèm với nó là mối quan ngại lớn hơn là chất bôi trơn sẽ thay đổi mômen xiết cần thiết để tạo ra lực xiết thích hợp

6

trên bulông, và điều đó có thể ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của mối ghép bulông Một

số ước tính rằng việc bổ sung chất bôi trơn có thể làm giảm tới 40% chỉ số mômen xiết cần thiết!

Kết luận:

Mặc dù việc bôi trơn mối ghép bulong có các đặc tính có lợi, tuy nhiên đa số các nhà máy sẽ không sử dụng, vì họ không hoặc khó xác định được sự ảnh hưởng của chất bôi trơn đến độ chặt của bu lông

Những ảnh hưởng này bao gồm: loại chất bôi trơn, lượng chất bôi trơn, bôi trơn như thế nào, bôi trơn ở đâu, độ nhiễm bẩn của chất bôi trơn,…

7

BÀI THÍ NGHIỆM SỐ 04 XÁC ĐỊNH HỆ SỐ NGOẠI LỰC MỐI GHÉP BULÔNG

I Mục tiêu thí nghiệm

− Giúp cho sinh viên nắm rõ về phương pháp xác định hệ số ngoại lực bằng lý thuyết

− Giúp sinh viên tính lực xiết trong trường hợp lực tác dụng theo phương bất kỳ

− Giúp cho sinh viên được tiếp cận với các phương pháp, dụng cụ đo và xác định lực xiết, xử lý kết quả thực nghiệm để xác định hệ số ngoại lực

II Các quy tắc kỹ thuật an toàn

Sinh viên tuân thủ các yêu cầu an toàn trong phòng thí nghiệm

III Báo cáo thí nghiệm

Góc nghiêng 𝛼𝛼 = −10𝑜𝑜

Lực 𝐹𝐹 lớn nhất, 𝐹𝐹 = 4414.5 N

Bước thay đổi lực ∆𝐹𝐹 = 1000 N

𝑙𝑙1 = 100 mm, ; 𝑙𝑙2 = 300 mm

𝑡𝑡 = 150 mm; 𝑏𝑏 = 300 mm; 𝑒𝑒 = 200 mm

1 Tính hệ số ngoại lực lý thuyết

Đo các kích thước bu lông và chi tiết ghép để xác định hệ số ngoại lực bằng lý thuyết

𝜒𝜒 = 0,25

8

2 Tính lực xiết V

Lực xiết để bề mặt không bị tách hở:

𝑉𝑉 =𝑘𝑘𝑘𝑘𝑧𝑧 (1 − 𝜒𝜒) �𝐹𝐹𝑘𝑘𝑉𝑉+𝑊𝑊𝑀𝑀

𝑢𝑢� Lực xiết để bề mặt không bị trượt:

𝑉𝑉𝑡𝑡𝑡𝑡ượ𝑡𝑡 =𝑘𝑘𝐹𝐹𝐻𝐻 + (1 − 𝜒𝜒)𝑓𝑓𝐹𝐹𝑉𝑉

𝑓𝑓𝑧𝑧 Trong đó:

𝐹𝐹𝑉𝑉 = 𝐹𝐹 × sin(−10𝑜𝑜) = 4414.5 × sin(−10𝑜𝑜) = −766.57 N

𝐹𝐹𝐻𝐻 = 𝐹𝐹 × 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐(−10𝑜𝑜) = 4414.5 × 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐(−10𝑜𝑜) = 4347.43 𝑁𝑁

𝑀𝑀 = −𝐹𝐹𝑉𝑉𝑙𝑙1+ 𝐹𝐹𝐻𝐻𝑙𝑙2 = 1.38 × 106 Nmm

𝑊𝑊𝑢𝑢 =𝑡𝑡𝑏𝑏62 =150 × 3006 2 = 2.25 × 106 mm3

𝑘𝑘 = 150 × 300 = 45 × 103 mm2

𝜒𝜒 = 0.25: hệ số ngoại lực

𝑘𝑘 = 1.4: hệ số an toàn

𝑓𝑓 = 0.3: hệ số ma sát

𝑧𝑧 = 2: số bu lông Suy ra:

𝑉𝑉ℎở =1.4 × 45 × 102 3(1 − 0.25) �−766.5745 × 103+1.38 × 102.25 × 1066� = 14096.87 N

𝑉𝑉𝑡𝑡𝑡𝑡ượ𝑡𝑡 =1.4 × 4347.43 + (1 − 0.25) × 0.3 × (−766.57)0.3 × 2 = 9856.54 N Lực xiết 𝑉𝑉𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = max{𝑉𝑉ℎở, 𝑉𝑉𝑡𝑡𝑡𝑡ượ𝑡𝑡} = 14096.87 N

9

3 Kết quả đo và xử lý

STT Tải 𝐹𝐹𝑖𝑖 (N) 𝑉𝑉𝑡𝑡𝑡𝑡𝑖𝑖 (N)

4 Tính toán hệ số ngoại lực

Tính các giá trị:

𝐹𝐹𝑉𝑉𝑖𝑖 = 𝐹𝐹𝑖𝑖sin 𝛼𝛼; 𝐹𝐹𝐻𝐻𝑖𝑖 = 𝐹𝐹𝑖𝑖cos 𝛼𝛼

𝑀𝑀𝑖𝑖 = 𝐹𝐹𝐻𝐻𝑖𝑖𝑙𝑙2− 𝐹𝐹𝑉𝑉𝑖𝑖𝑙𝑙1

𝑉𝑉0 = 1.3𝑉𝑉𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 18325.93 N Với 𝑦𝑦1 = 𝑦𝑦2 = 𝑒𝑒/2

𝑉𝑉𝑡𝑡𝑡𝑡1 = 𝑉𝑉0+ 𝜒𝜒 �𝐹𝐹𝑧𝑧𝑉𝑉1+𝑀𝑀∑1𝑦𝑦𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑦𝑦

𝑗𝑗2

2 𝑗𝑗=1 � = 𝑉𝑉0+ 𝜒𝜒 �𝐹𝐹2𝑉𝑉1+𝐹𝐹𝐻𝐻1𝑙𝑙2− 𝐹𝐹𝑒𝑒 𝑉𝑉1𝑙𝑙1�

𝑉𝑉𝑡𝑡𝑡𝑡2 = 𝑉𝑉0+ 𝜒𝜒 �𝐹𝐹𝑉𝑉2

𝑧𝑧 +

𝑀𝑀2𝑦𝑦𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚

∑2 𝑦𝑦𝑗𝑗2 𝑗𝑗=1 � = 𝑉𝑉0+ 𝜒𝜒 �𝐹𝐹𝑉𝑉2

2 +

𝐹𝐹𝐻𝐻2𝑙𝑙2− 𝐹𝐹𝑉𝑉2𝑙𝑙1

…

𝑉𝑉𝑡𝑡𝑡𝑡𝑖𝑖 = 𝑉𝑉0+ 𝜒𝜒 �𝐹𝐹𝑧𝑧𝑉𝑉𝑖𝑖+∑𝑀𝑀𝑖𝑖𝑦𝑦𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑦𝑦

𝑗𝑗2

2 𝑗𝑗=1 � = 𝑉𝑉0+ 𝜒𝜒 �𝐹𝐹2𝑉𝑉𝑖𝑖 +𝐹𝐹𝐻𝐻𝑖𝑖𝑙𝑙2− 𝐹𝐹𝑒𝑒 𝑉𝑉𝑖𝑖𝑙𝑙1� Khi đó hệ số ngoại lực 𝜒𝜒 được xác định theo công thức:

10

𝜒𝜒𝑖𝑖 = 𝑉𝑉𝑡𝑡𝑡𝑡𝑖𝑖 − 𝑉𝑉𝑡𝑡𝑡𝑡1

�𝐹𝐹𝑉𝑉𝑖𝑖− 𝐹𝐹𝑉𝑉1

𝑧𝑧 + (𝐹𝐹𝐻𝐻𝑖𝑖 − 𝐹𝐹𝐻𝐻1)𝑙𝑙2− (𝐹𝐹𝑒𝑒 𝑉𝑉𝑖𝑖− 𝐹𝐹𝑉𝑉1)𝑙𝑙1� Theo thí nghiệm: 𝑧𝑧 = 2; 𝑒𝑒 = 200 mm; 𝑙𝑙1 = 100 mm; 𝑙𝑙2 = 300 mm

Hệ số ngoại lực trung bình qua N lần đo:

𝜒𝜒 = 𝜒𝜒1+ 𝜒𝜒2𝑁𝑁 − 1+ ⋯ + 𝜒𝜒𝑁𝑁−1 Bảng kết quả: (Giá trị lực lấy giá trị đại số)

STT Lực 𝐹𝐹𝑖𝑖, N 𝑉𝑉𝑡𝑡𝑡𝑡𝑖𝑖 Lực 𝐹𝐹𝑉𝑉𝑖𝑖, N Lực 𝐹𝐹𝐻𝐻𝑖𝑖, N Hệ số ngoại lực 𝜒𝜒

1 414.5 18485.1 -71.98 408.20 0.260

2 1414.5 18880.7 -245.63 1393.01 0.268

3 2414.5 19289.4 -419.27 2377.82 0.277

4 3414.5 19711.2 -592.92 3362.63 0.286

5 4414.5 20144.5 -766.57 4347.43 0.293

Hệ số ngoại lực trung bình:

𝜒𝜒 =0.260 + 0.268 + 0.277 + 0.286 + 0.2935 = 0.277

11

III Nhận xét kết quả và kết luận

Dựa vào biểu đồ đường cong phụ thuộc 𝜒𝜒 vào lực 𝐹𝐹, ta có thể thấy khi 𝐹𝐹 tăng dần thì

𝜒𝜒 tăng dần theo, tức là khi 𝐹𝐹 càng lớn, thì phần trăm của lực 𝐹𝐹 tác dụng trực tiếp vào bulông càng lớn

Đối với ngoại lực lớn, bề dày tấm ghép 𝛿𝛿1 và 𝛿𝛿2 cần phải lớn để đảm bảo an toàn, khi

đó tổng bề dày 𝛿𝛿1+ 𝛿𝛿2 tăng lên, điều này khiến 𝜆𝜆𝑚𝑚 tăng, từ đó hệ số ngoại lực 𝜒𝜒 tăng theo

IV Câu hỏi ôn tập

1 Vai trò và tầm quan trọng của việc xác định lực xiết và mômen xiết trong thực tế

Lực xiết của bu lông đai ốc có vai trò rất quan trọng được xem như một yếu tố tất yếu quyết định tới chất lượng và hiệu quả của công việc Nếu như việc xác định lực xiết bu lông đai ốc không chuẩn, lực chưa đủ sẽ dẫn đến hiện tượng các con ốc bulong bị lỏng Từ đó khiến cho các điểm tiếp nối hay gắn kết bị giảm chất lượng rất nhiều

Trong nhiều trường hợp việc xiết lỏng bulông sẽ dẫn đến nhiều hậu quả đáng tiếc nếu như mối ghép đó tách ra Hoặc nếu xiết quá chặt có thể làm biến dạng bề mặt ghép, ảnh hưởng xấu đến chất lượng mối ghép

2 Ý nghĩa của hệ số ngoại lực 𝜒𝜒 và xác định hệ số này bằng lý thuyết

0.200 0.220 0.240 0.260 0.280 0.300 0.320

Lực 𝐹𝐹𝑖𝑖

Biểu đồ đường cong phụ thuộc 𝜒𝜒 vào 𝐹𝐹

12

Từ hệ số ngoại lực và ngoại lực tác dụng vào mối ghép bulông, ta có thể xác định lực

mà ngoại lực đó tác dụng vào bulông và tác dụng làm giảm biến dạng nén của các tấm ghép

là bao nhiêu Từ đó có thể kiểm tra bền các bulông, chọn vật liệu có độ bền phù hợp