Ốc vít

Một số loại ốc vít

Một bu-lông (có đai ốc) và đinh vít

Vít còn được gọi là ốc vít, đinh vít hay đinh ốc. Vít xuất phát từ tiếng Pháp là vis. Vít và bu lông là những chi tiết lắp xiết tương tự nhau, thường được làm bằng kim loại và có thiết kế đặc trưng rãnh xoắn, được gọi là ren ngoài. Vít và bu lông được sử dụng để kẹp chặt các vật liệu với nhau bằng cách gắn ren vít với một rãnh ren tương tự (gọi là ren trong) trong một bộ lắp nối. Chiều xoắn của ốc có thể xác định qua quy tắc bàn tay phải, ngược lại quy tắc cái đinh ốc (cũng tương đương với quy tắc bàn tay phải trong việc xác định chiều của cảm ứng từ cũng như chiều dòng điện).

Khi vặn vít (ốc vít, đinh vít) vào vật liệu, các vòng xoắn của vít cắt vào vật liệu, tạo ra một gắn kết bên trong giúp các vật liệu buộc chặt lại với nhau và ngăn lực tách ra. Có nhiều ốc vít cho nhiều loại vật liệu; những thứ thường được gắn chặt bằng ốc vít bao gồm gỗ, kim loại tấm và nhựa.

Giới thiệu

Vít là sự kết hợp của các máy cơ đơn giản như mặt phẳng nghiêng và nêm. Về cơ bản, vít là một mặt phẳng nghiêng được quấn quanh trục trung tâm, nhưng đồng thời ren vít cũng có cấu tạo mặt phẳng nghiêng có cạnh sắc xung quanh hướng ra ngoài, đóng vai trò hình nêm khi nó đẩy vào vật liệu mà vít gắn vào.

Cấu tạo của một vít bắt gỗ:
a) đầu vít;
b) thân vít không có ren;
c) thân vít có ren;
d) đầu mút.

Vít, cùng với vít cấy (stud), bu lông, đai ốc, là một loại chi tiết lắp xiết (hay còn gọi là chi tiết kẹp chặt). Điểm chung của những chi tiết lắp xiết là chúng đều có ren (răng) vít có thể gắn vào vật liệu hoặc đai ốc khi vặn. Chi tiết lắp xiết có ren vặn hoặc rãnh xoắn trên bề mặt bên ngoài trục được gọi là ren ngoài, thường gặp ở vít, vít cấy, hoặc bu lông. Bộ phận có ren hoặc rãnh xoắn trên bề mặt bên trong được gọi là ren trong, thường gặp ở đai ốc hoặc lỗ ren.

Thông thường, vít có cấu tạo gồm các phần như đầu vít, thân vít, và đầu mút. Thân ren có thể là dạng thân lắp ren một phần hoặc thân lắp ren toàn bộ (ren trên toàn bộ phần thân ren). Hình dạng thiết kế của rãnh xoắn tạo thành ren được gọi là "dạng ren" hay "profin ren". Profin ren là đường bao của mặt cắt ren khi mặt phẳng cắt chứa trục ren. Profin ren bao gồm ba phần chính là đỉnh ren, chân ren (đáy ren), và cạnh ren. Đỉnh ren là phần nổi cao nhất của ren, đáy ren là phần thấp nhất của ren, còn cạnh ren là phần nối tiếp giữa đỉnh và đáy ren.

Đường kính danh nghĩa (đường kính ngoài cơ sở, ký hiệu: d) của ren được định nghĩa bằng đường kính vòng đỉnh ren đối với ren ngoài và bằng đường kính vòng đáy ren đối với ren trong. Ngược lại, đường kính trong của ren là đường kính vòng đáy ren đối với ren ngoài và đường kính vòng đỉnh ren đối với ren trong. Bước ren (ký hiệu: P) là khoảng cách giữa hai đỉnh ren kề nhau theo chiều dọc trục. Bước xoắn (ký hiệu: Ph hoặc L) là khoảng cách di chuyển dọc trục của một điểm trên đỉnh ren khi vít xoay một vòng (360°) quanh trục. Đối với ren một bước xoắn, bước xoắn bằng với bước ren, nghĩa là một điểm trên đỉnh ren sẽ trở thành đỉnh ren kế tiếp sau khi ren xoay được một vòng.

Hướng của đường xoắn ốc tạo thành ren được gọi là hướng xoắn. Đa số các loại vít được vặn bằng cách quay theo chiều kim đồng hồ, được gọi là ren phải. Tuy nhiên, vít có ren trái được sử dụng trong một trường hợp đặc biệt, khi lực tải có xu hướng làm lỏng ren phải. Một số ví dụ sử dụng vít ren trái là bàn đạp bên trái của xe đạp, bóng đèn trên tàu hỏa (để tránh bị mất cắp), hoặc vít đóng nắp quan tài. Theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5907:1995 (ISO 6410-1-1993), trên các chi tiết lắp xiết như vít, đối với ren phải, không cần ghi hướng xoắn của ren; còn đối với ren trái, hướng xoắn được ký hiệu bằng "LH", ghi sau kích thước bước ren. Nếu trên cùng một chi tiết có cả ren phải và ren trái, thì phải ghi rõ hướng xoắn cho từng loại ren ("RH" cho ren phải và "LH" cho ren trái).

Bu lông

Bài chi tiết: Bu lông

Bu lông được gắn với đai ốc và vòng đệm

Bu lông hay bù loong (tiếng Pháp: boulon), là một sản phẩm cơ khí được sử dụng để lắp ráp, ghép nối các chi tiết lại thành một khối, là chi tiết kẹp chặt, thường có dạng thanh trụ, một đầu có mũ 6 cạnh ngoài hoặc trong (chìm), một đầu có ren để vặn với đai ốc. Mối lắp ghép bằng bu lông có thể chịu được tải trọng kéo cũng như uốn rất tốt, nó lại có độ bền, độ ổn định lâu dài. Việc tháo lắp cũng như hiệu chỉnh mối ghép bu lông rất thuận tiện, nhanh chóng và không đòi hỏi những công nghệ phức tạp như các mối lắp ghép khác. Do có nhiều ưu điểm nên bu lông được sử dụng rộng rãi trong các máy móc, thiết bị công nghiệp, các công trình xây dựng, công trình giao thông, cầu cống... ở khắp mọi nơi trên thế giới.

Phân biệt bu lông và vít

Sách Machinery's Handbook (Sổ tay Cơ khí) định nghĩa sự khác biệt giữa bu lông và vít như sau:

Bu lông là một chi tiết lắp xiết có ren ngoài được thiết kế có thể xuyên qua qua lỗ trên các bộ phận lắp ráp và thường được dùng để siết chặt hoặc tháo ra bằng cách vặn đai ốc. Vít là một chi tiết lắp xiết có ren ngoài có có thể xuyên qua qua lỗ trên các bộ phận lắp ráp, kết hợp với ren trong đã được định hình sẵn hoặc tạo thành rãnh ren của chính nó, và có thể được siết chặt hoặc nhả ra bằng cách xoay đầu vít. Một chi tiết lắp xiết có ren ngoài không bị xoay trong quá trình lắp ráp và có thể được siết chặt hoặc tháo ra chỉ bằng cách vặn đai ốc được gọi là một bu lông. (Ví dụ: bu lông đầu tròn, bu lông đầu có rãnh, bu lông đầu bằng thân trụ vuông.) Một chi tiết lắp xiết ren ngoài có profin ren sao cho không thể lắp ráp với đai ốc có ren thẳng nhiều bước ren được gọi là vít. (Ví dụ: vít gỗ, vít tự cắt ren.)

Các loại liên kết

Liên kết chịu kéo

Có hai loại liên kết chịu kéo: không tiền siết và có tiền siết.

Liên kết chịu kéo không tiền siết

Các liên kết này không được siết đến một lực tiền siết chính xác, và lực kéo chủ yếu chỉ dùng để giữ các chi tiết lại với nhau mà không tạo ra lực kẹp lớn. Tải trọng kéo tác dụng có thể gây tách rời liên kết. Loại liên kết này không nên sử dụng trong các trường hợp thường xuyên chịu tải kéo biến đổi.

Liên kết chịu kéo có tiền siết

Ứng dụng tiền siết trong cụm bánh xe của giày trượt inline

Trong các liên kết này, bu lông được siết để tạo ra một lực tiền siết xác định, sinh ra lực kéo trong bu lông và một lực nén tương đương trong các chi tiết được kẹp. Điều này đảm bảo rằng các tải kéo tác dụng sẽ được phân bố giữa bu lông và các chi tiết được kẹp (xem phần lý thuyết), mang lại một số ưu điểm:

• Đối với tải kéo chu kỳ, bu lông không phải chịu toàn bộ biên độ tải, từ đó tăng tuổi thọ mỏi. Nếu vật liệu có giới hạn bền mỏi (endurance limit), tuổi thọ của phần tử liên kết có thể kéo dài vô hạn.
• Bu lông vẫn giữ được độ chắc chắn mà không có chuyển động tương đối gây lỏng, có thể loại bỏ nhu cầu sử dụng các cơ cấu chống lỏng bổ sung.

Liên kết nên được thiết kế sao cho lực tiền siết luôn lớn hơn tải kéo bên ngoài để ngăn hiện tượng tách rời. Nếu tải kéo bên ngoài vượt quá lực tiền siết, liên kết sẽ bị tách, cho phép chuyển động tương đối giữa các chi tiết, có thể gây lỏng bu lông và làm tăng tải tác dụng lên nó.

Trong cả liên kết chịu kéo có tiền siết và liên kết chịu cắt chống trượt, một mức tiền siết nhất định trong bu lông và lực nén tương ứng trong các chi tiết kẹp là yếu tố thiết yếu để đảm bảo tính toàn vẹn của liên kết. Mục tiêu tiền siết có thể đạt được bằng nhiều phương pháp: áp dụng mô-men xoắn đo được lên bu lông, đo độ giãn dài của bu lông, gia nhiệt để làm giãn nở bu lông rồi siết đai ốc, siết đến giới hạn chảy, kiểm tra bằng siêu âm, hoặc xoay tương đối các chi tiết ren một góc xác định. Mỗi phương pháp đều có mức độ không chắc chắn nhất định, một số có thể rất lớn.

Liên kết chịu cắt

Có hai loại liên kết chịu cắt: chống trượt và dạng chịu ép.

Liên kết chịu cắt chống trượt

Trong các liên kết này, bu lông được siết đến một lực tiền siết xác định. Lực tiền siết này tạo ra ma sát giữa các chi tiết được kẹp, cho phép tải cắt được truyền qua bề mặt tiếp xúc bằng ma sát, thay vì truyền trực tiếp qua bu lông. Chuyển động tương đối giữa các chi tiết được ngăn chặn, do đó tránh được hiện tượng mài mòn vi động (fretting) có thể dẫn đến hình thành các vết nứt mỏi. Các tải kéo tác dụng lên các liên kết này thường chỉ có ảnh hưởng thứ cấp, nhưng chúng vẫn làm giảm lực tiền siết hiệu dụng.

Độ cứng tương đối giữa bu lông và các chi tiết liên kết ít quan trọng hơn trong việc tính toán lực tiền siết đối với liên kết chống trượt so với liên kết chịu kéo có tiền siết (xem phần lý thuyết). Các phương pháp tạo lực tiền siết được mô tả trong phần liên kết chịu kéo có tiền siết.

Liên kết chịu cắt dạng chịu ép

Các liên kết này không được siết đến một lực tiền siết chính xác, và lực kéo chủ yếu chỉ dùng để giữ các chi tiết lại với nhau mà không tạo ra lực kẹp lớn. Trong loại liên kết này, tải cắt được truyền thông qua tiếp xúc chịu ép giữa bu lông và thành lỗ bu lông của các chi tiết liên kết. Khi có tải cắt tác dụng, các chi tiết liên kết dịch chuyển và thân bu lông tiếp xúc với thành lỗ, truyền tải từ chi tiết sang bu lông. Điều này gây ra ứng suất cắt trong bu lông tại vị trí tiếp giáp giữa các chi tiết, và bu lông chống lại thông qua độ bền cắt của nó. Vì các liên kết dạng chịu ép phụ thuộc vào tiếp xúc trực tiếp này, chúng dễ bị mài mòn và biến dạng lỗ bu lông dưới tải lớn hoặc lặp lại, có thể dẫn đến mỏi bu lông hoặc giãn lỗ theo thời gian. Các tải kéo tác dụng lên các liên kết này thường chỉ có ảnh hưởng thứ cấp, nhưng có thể làm giảm khả năng chịu cắt của bu lông.

Liên kết chốt càng (clevis), vốn dựa vào cơ cấu khóa (như vòng đệm khóa, keo khóa ren và đai ốc khóa), là một dạng liên kết chịu cắt kiểu chịu ép.

Lý thuyết

Các khái niệm chính

Thông thường, một bu lông được kéo căng (tiền siết) bằng cách áp dụng mô-men xoắn lên đầu bu lông hoặc đai ốc. Mô-men xoắn này làm cho bu lông “leo” theo ren, từ đó tạo ra lực kéo trong bu lông và lực nén tương đương trong các chi tiết được kẹp. Lực tiền siết hình thành trong bu lông là kết quả của mô-men xoắn áp dụng và phụ thuộc vào đường kính bu lông, hình học của ren, cũng như hệ số ma sát tồn tại trong ren và dưới đầu bu lông hoặc đai ốc khi siết.

Độ cứng của các chi tiết được kẹp không ảnh hưởng đến giá trị lực tiền siết được tạo ra bởi mô-men xoắn. Tuy nhiên, độ cứng tương đối giữa bu lông và các chi tiết được kẹp lại quyết định phần tải kéo bên ngoài mà bu lông phải chịu, và từ đó xác định mức tiền siết cần thiết để ngăn liên kết bị tách rời, đồng thời giảm biên độ ứng suất mà bu lông phải chịu khi tải kéo lặp lại. Điều này quyết định độ bền của bu lông khi làm việc dưới tải kéo chu kỳ.

Duy trì lực tiền siết đủ lớn cũng giúp ngăn trượt tương đối giữa các chi tiết liên kết, tránh hiện tượng mài mòn vi động (fretting) có thể dẫn đến phá hỏng do mỏi.

Lực kẹp (clamp load), còn gọi là lực tiền siết của phần tử liên kết, được tạo ra khi áp dụng mô-men xoắn, từ đó sinh ra lực kéo tiền siết thường chiếm một tỷ lệ đáng kể so với giới hạn chứng minh (proof strength) của phần tử liên kết. Các phần tử liên kết được sản xuất theo nhiều tiêu chuẩn khác nhau, trong đó quy định các đặc tính như độ bền. Bảng mô-men xoắn (torque charts) được sử dụng để xác định mô-men cần thiết cho một loại bu lông nhất định dựa trên cấp chất lượng (property class – độ chính xác chế tạo và lắp ghép) và cấp bền (grade – độ bền kéo).

Mô hình tương tự lò xo cho liên kết bu lông

Khi một bu lông được siết chặt, lực tiền siết kéo xuất hiện trong bu lông, đồng thời lực tiền siết nén tương đương xuất hiện trong các chi tiết được kẹp. Hệ thống này có thể được mô hình khoa học như một cụm lò xo, trong đó các chi tiết kẹp chịu biến dạng nén, còn bu lông chịu biến dạng kéo.

Khi có tải kéo bên ngoài tác dụng, nó sẽ làm giảm biến dạng nén trong các chi tiết kẹp và tăng biến dạng kéo trong bu lông. Tải trọng được phân chia giữa bu lông và các chi tiết kẹp theo tỷ lệ độ cứng của chúng, vì cả hai đều chịu cùng một biến dạng. Do đó, tải bên ngoài được phân bố trong toàn bộ liên kết thay vì chỉ do bu lông chịu.

Trong một liên kết được thiết kế tốt, khoảng 10–20% tải kéo tác dụng sẽ do bu lông chịu, phần lớn còn lại được truyền qua các chi tiết kẹp vì chúng cứng hơn nhiều so với bu lông. Việc giảm tỷ lệ tải truyền vào bu lông là rất quan trọng trong các ứng dụng có tải chu kỳ, vì bu lông có độ bền mỏi thấp do hiện tượng tập trung ứng suất tại các ren.

Trong một số ứng dụng, liên kết được thiết kế sao cho phần tử liên kết (bu lông) sẽ hỏng trước các chi tiết đắt tiền hơn. Trong trường hợp này, việc thay thế bằng bu lông có độ bền cao hơn có thể gây hư hỏng thiết bị. Vì vậy, thông thường nên thay thế bu lông cũ bằng bu lông mới cùng cấp bền.

Công thức

Lực trong bu lông của một liên kết chưa bị tách rời là$$F_{b}=F_{p}+C\cdot F_{e}$$và trong các chi tiết được kẹp$$F_{c}=-F_{p}+(1-C)\cdot F_{e}$$trong đó

$F_{e}$ là lực bên ngoài tác dụng, và

${\textstyle F_{p}}$ là lực tiền siết của bu lông.

Phần tải bên ngoài do bu lông chịu được xác định bởi tỷ số độ cứng của liên kết:$$C=k_{b}/(k_{b}+k_{c})$$trong đó

${\textstyle k_{b}}$ là độ cứng của bu lông,

$k_{c}$ là độ cứng của các chi tiết được kẹp.

Hiện tượng tách rời giữa các chi tiết kẹp xảy ra khi lực tại bề mặt tiếp xúc bằng không (${\textstyle F_{c}=0}$), do đó lực gây tách là$$F_{ec}=F_{p}/(1-C)$$

Hiện tượng tách tại đầu bu lông xảy ra khi lực trong bu lông bằng không ($(F_{b}=0)$), do đó lực gây tách là$$F_{eb}=-F_{p}/C$$

Tỷ số độ cứng của liên kết bu lông và phân bố tải

Biểu đồ và bảng kèm theo minh họa cách mà độ cứng tương đối giữa các chi tiết kẹp và bu lông ảnh hưởng đến phần tải được truyền qua bu lông. Ví dụ, khi độ cứng của các chi tiết kẹp bằng với độ cứng của bu lông (đường màu xanh), tải ngoài trong khoảng từ âm đến dương gấp đôi lực tiền siết chỉ làm 50% tải được truyền vào bu lông, vì tổng tải trong bu lông chỉ thay đổi gấp đôi lực tiền siết.

Nếu tải kéo vượt quá hai lần lực tiền siết, các chi tiết kẹp sẽ bị tách rời và toàn bộ tải sẽ do bu lông chịu. Ngược lại, nếu tải nén nhỏ hơn hai lần lực tiền siết, hiện tượng tách tại đầu bu lông xảy ra và lực trong bu lông bằng không.

Đường cong tương ứng với tỷ số độ cứng giữa chi tiết kẹp và bu lông bằng 0,01 cho thấy khi độ cứng của chi tiết kẹp rất thấp, gần như toàn bộ tải sẽ truyền vào bu lông, cho đến khi tải nén bằng lực tiền siết và xảy ra tách tại đầu bu lông, làm lực trong bu lông giảm về 0.

Ảnh hưởng của tỷ số độ cứng giữa bu lông và chi tiết kẹp

Độ cứng chi tiết kẹp Độ cứng bu lông $(k_{c}/k_{b})$	Liên kết Độ cứng Tỉ số $(C$$=k_{b}/(k_{b}+k_{c}))$	Phần tải tác dụng truyền vào bu lông $(=C)$	Giới hạn toàn vẹn liên kết Tải tác dụng so với lực tiền siết
			Tách tại đầu bu lông $(-1/C)$	Tách các chi tiết kẹp $(1/(1-C))$
0.01	0.99	99 %	-1.0	100
0.5	0.67	66 %	-1.5	3.0
1.0	0.50	50 %	-2.0	2.0
3.0	0.25	25 %	-4.0	1.3

Tính toán mô-men siết

Các liên kết kỹ thuật yêu cầu mô-men siết phải được lựa chọn để tạo ra lực tiền siết phù hợp. Việc áp dụng mô-men lên các phần tử liên kết thường được thực hiện bằng cờ lê lực (torque wrench). Giá trị mô-men cần thiết cho một ứng dụng cụ thể có thể được quy định trong tiêu chuẩn, do nhà sản xuất đưa ra hoặc được tính toán. Phía của liên kết ren có ma sát nhỏ hơn nên được áp dụng mô-men, trong khi phía còn lại phải được giữ cố định hoặc ngăn không cho quay.

Một mối quan hệ phổ biến để tính toán mô-men cần thiết cho một lực tiền siết mong muốn có xét đến hình học ren và ma sát trong ren cũng như dưới đầu bu lông hoặc đai ốc. Công thức sau áp dụng cho bu lông và ren theo tiêu chuẩn ISO hoặc tiêu chuẩn quốc gia:

$T=KP_{pre}d$

trong đó

$T$ là mô-men cần thiết

$K$ là hệ số đai ốc (nut factor)

$P_{pre}$ là lực tiền siết mong muốn

$d$ là đường kính bu lông

Hệ số đai ốc K xét đến hình học ren, ma sát và bước ren. Khi sử dụng ren ISO và Unified National Standard, hệ số này được xác định như sau:

$K={\frac {d_{m}}{2d}},\left({\frac {\tan \psi +\mu \sec \alpha }{1-\mu \tan \psi \sec \alpha }}\right)+0.625\mu _{c}$

trong đó

$d_{m}$ = đường kính trung bình của ren (gần với đường kính bước)

$d$ = đường kính danh nghĩa của bu lông

$\tan \psi$ = (bước ren)/(pi * d_m)

Bước ren = 1/N, với N là số vòng ren trên mỗi inch hoặc mm

$\mu$ = hệ số ma sát trong ren

$\alpha$ = nửa góc ren (thường 60°) = 30°

$\mu _{c}$ = hệ số ma sát dưới đầu bu lông hoặc đai ốc

Khi $\mu$ = $\mu _{c}$ = 0.15, với mọi kích thước bu lông tiêu chuẩn, hệ số K xấp xỉ 0.20, khi đó quan hệ mô-men – lực tiền siết trở thành:

$T=0.20P_{pre}d$

Một nghiên cứu về ảnh hưởng của việc siết hai mẫu bu lông (một có bôi trơn và một không bôi trơn), bu lông 1/2 in.-20 UNF được siết đến 800 lb-in, cho thấy lực tiền siết trung bình giống nhau là 7700 lbf. Tuy nhiên, mẫu không bôi trơn có độ lệch chuẩn 1100 lbf, trong khi mẫu có bôi trơn là 680 lbf. Khi dùng các giá trị này để tính lại hệ số K, thu được K = 0.208, rất gần với giá trị khuyến nghị 0.20.

Độ chính xác của lực tiền siết bu lông theo phương pháp đo

Phương pháp	Độ chính xác
Cờ lê lực với bu lông không bôi trơn	± 35%
Cờ lê lực với bu lông mạ cadimi	± 30%
Cờ lê lực với bu lông có bôi trơn	± 25%
Vòng đệm chỉ thị lực tiền siết	± 10%
Cờ lê điều khiển bằng máy tính (dưới giới hạn chảy)	± 15%
Cờ lê điều khiển bằng máy tính (phát hiện chảy)	± 8%
Đo độ giãn dài bu lông	± 5%
Cảm biến biến dạng (strain gauge)	± 1%
Đo siêu âm	± 1%

Lực tiền siết khuyến nghị trong kết cấu thường phải đạt ít nhất 75% tải chứng minh của bu lông đối với bu lông cường độ cao, và có thể lên đến 90% đối với liên kết cố định. Để đạt hiệu quả tiền siết, lực kẹp phải lớn hơn tải gây tách liên kết. Trong một số trường hợp, cần nhiều bu lông để liên kết; các bu lông này phải được siết sơ bộ bằng tay trước khi siết cuối cùng để đảm bảo bề mặt lắp ghép đều.

Lực tiền siết sinh ra do phần mô-men có hiệu quả. Ma sát trong ren và dưới đầu bu lông hoặc đai ốc tiêu hao một phần mô-men. Thông thường:

• 50% mô-men bị mất do ma sát dưới đầu bu lông/đai ốc
• 40% bị mất trong ren
• chỉ 10% dùng để kéo giãn bu lông tạo lực tiền siết

Ban đầu, mô-men phải thắng ma sát tĩnh, sau đó là ma sát động khi bu lông bắt đầu kéo giãn. Giá trị mô-men phụ thuộc lớn vào ma sát trong ren và dưới đầu bu lông, cũng như vật liệu liên kết hoặc vòng đệm. Ma sát này thay đổi khi có bôi trơn hoặc mạ (ví dụ cadimi hoặc kẽm). Nếu bôi trơn bu lông được thiết kế để siết khô, có thể dẫn đến siết quá mức, gây hư ren hoặc kéo giãn bu lông vượt giới hạn đàn hồi, làm giảm lực kẹp.

Có thể siết mô-men ở đầu bu lông hoặc đai ốc. Nếu một phía có diện tích tiếp xúc lớn hơn hoặc hệ số ma sát cao hơn, sẽ cần mô-men lớn hơn để đạt cùng lực tiền siết. Bu lông chỉ nên được siết khi lắp trong lỗ hở (clearance hole).

Cờ lê lực không đo trực tiếp lực tiền siết trong bu lông.

Các phương pháp chính xác hơn dựa trên việc đo hoặc xác định độ giãn dài của bu lông. Ngoài ra, có thể đo góc quay của đai ốc để suy ra độ giãn dài dựa trên bước ren. Đo trực tiếp độ giãn dài giúp tính toán lực kẹp rất chính xác, bằng các phương pháp như:

• đồng hồ so (dial test indicator)
• đo biến dạng đầu bu lông
• cảm biến biến dạng
• đo chiều dài bằng siêu âm

Lực tiền siết cũng có thể được kiểm soát bằng cách siết bu lông đến giới hạn chảy. Khi đó, người vận hành có thể cảm nhận được sự giảm lực cần thiết để xoay khi vật liệu bắt đầu chảy. Lúc này lực tiền siết được xác định bởi diện tích bu lông và giới hạn chảy của vật liệu. Phương pháp này chính xác hơn khi dùng máy chuyên dụng, nhưng do chi phí cao và yêu cầu lực tiền siết lớn, nó chủ yếu dùng trong các ứng dụng đặc biệt như động cơ hiệu suất cao.

Hiện chưa có phương pháp đơn giản để đo trực tiếp lực kéo của bu lông khi đang lắp. Hầu hết các phương pháp đều phải nới lỏng rồi siết lại để đo độ giãn dài, gọi là “siết lại” (re-torqueing) hoặc “tái tạo lực căng” (re-tensioning).

Các công nghệ sử dụng bao gồm:

• Cờ lê lực điện tử để đo mô-men khi siết
• kiểm tra siêu âm để đo lực căng với độ chính xác ±1%
• Vòng đệm biến dạng (crush washer) chứa vật liệu RTV, khi đạt lực sẽ xuất hiện vật liệu màu cam (độ chính xác ±10%)

Các nhà sản xuất quy mô lớn (như ngành ô tô) thường sử dụng máy siết đai ốc (nut driver) điều khiển bằng máy tính. Máy sẽ tự động ngắt khi đạt mô-men cài đặt. Các hệ thống này thường dùng trên dây chuyền lắp ráp, ví dụ siết bu lông bánh xe, và cả trong các trạm lắp lốp công nghiệp.

Chiều dài ăn ren

Chiều dài ăn ren (thread engagement) là chiều dài hoặc số vòng ren tham gia ăn khớp giữa vít (bu lông) và ren cái. Các liên kết bu lông được thiết kế sao cho thân bu lông bị phá hủy do kéo trước khi ren bị phá hủy do cắt; tuy nhiên, để đảm bảo điều này, cần đạt được một chiều dài ăn ren tối thiểu. Công thức sau xác định chiều dài ăn ren tối thiểu:

$L_{e}={\frac {2\times A_{t}}{0.5\pi \left(D-0.64952p\right)}}$

Trong đó L_e là chiều dài ăn ren, A_t là diện tích chịu kéo (tensile stress area), D là đường kính ngoài của vít, và p là bước ren. Công thức này chỉ đúng khi vật liệu của vít và ren cái là giống nhau. Nếu khác vật liệu, có thể sử dụng các công thức sau để xác định chiều dài ren bổ sung cần thiết:

$J={\frac {\text{giới hạn bền kéo của vật liệu ren ngoài}}{\text{giới hạn bền kéo của vật liệu ren trong}}}$

$L_{e2}=J\times L_{e}$

Trong đó L_e2 là chiều dài ăn ren yêu cầu mới.

Mặc dù các công thức trên đưa ra giá trị tối thiểu tuyệt đối, nhiều ngành công nghiệp quy định rằng liên kết bu lông phải có ít nhất toàn bộ chiều dài ren ăn khớp hoàn toàn. Ví dụ, Cục Hàng không Liên bang Hoa Kỳ (FAA) xác định rằng trong các trường hợp thông thường, ít nhất phải có một vòng ren nhô ra khỏi liên kết bu lông. [(http://rgl.faa.gov/Regulatory_and_Guidance_Library/rgAdvisoryCircular.nsf/0/99c827db9baac81b86256b4500596c4e/$FILE/Chapter%2007.pdf)]

Các dạng hư hỏng

Khi phân tích các dạng hư hỏng của bu lông bị gãy, lỏng hoặc ăn mòn, cần xem xét kỹ các cơ chế hư hỏng sau:

Quá tải

Quá tải xảy ra khi lực làm việc của ứng dụng tạo ra tải vượt quá lực kẹp, khiến liên kết bị lỏng dần theo thời gian hoặc hư hỏng đột ngột.

Siết quá lực

Siết quá lực có thể gây hư hỏng bằng cách làm hỏng ren và biến dạng phần tử liên kết, mặc dù quá trình này có thể xảy ra trong thời gian dài. Siết thiếu lực có thể gây hư hỏng do liên kết bị lỏng, đồng thời cho phép liên kết bị uốn, dẫn đến phá hủy do mỏi.

Mỏi

Khi tải dọc trục hoặc tải ngang vượt quá lực tiền siết của bu lông hoặc làm bu lông trượt ngang, chuyển động trong bu lông có thể tạo ra các vết nứt nhỏ tích tụ trong vật liệu, cuối cùng dẫn đến phá hủy do mỏi của bu lông hoặc chi tiết ren ngoài. Theo Bill Eccles từ boltscience: [Trong phần lớn các ứng dụng, cách hiệu quả nhất để đảm bảo bu lông chống mỏi là siết đủ lực...]

Lún Brinell

Hiện tượng Brinell có thể xảy ra với vòng đệm chất lượng kém, dẫn đến mất lực kẹp và sau đó gây phá hủy do mỏi của liên kết.

Các dạng hư hỏng khác

Các dạng hư hỏng khác bao gồm ăn mòn, lún bề mặt (embedment), và vượt quá giới hạn ứng suất cắt.

Liên kết bu lông đôi khi được sử dụng có chủ đích như các chi tiết hy sinh (sacrificial part), tức là được thiết kế để hỏng trước các chi tiết khác, như trong chốt cắt.

Cơ cấu chống lỏng

Các liên kết bu lông trong bánh xe ô tô. Ở đây các phần tử bên ngoài là bốn bu lông cấy với ba trong số bốn đai ốc cố định bánh xe. Đai ốc trung tâm (có nắp khóa và chốt chẻ) giữ ổ bi bánh xe với trục quay.

Bài chi tiết: Locknut

Các cơ cấu chống lỏng giúp ngăn liên kết bu lông bị nới lỏng. Chúng cần thiết khi dao động hoặc chuyển động của liên kết gây mất lực kẹp và dẫn đến hư hỏng liên kết, cũng như trong các thiết bị mà an toàn của liên kết bu lông là yếu tố quan trọng. Một phép thử phổ biến để đánh giá hiện tượng tự nới lỏng là thử nghiệm Junker.

Đai ốc hãm kép (jam nut)

Hai đai ốc được siết chặt vào nhau. Trong ứng dụng này, một đai ốc mỏng được đặt sát liên kết, và một đai ốc dày hơn được siết lên nó. Đai ốc dày tạo lực lớn hơn lên liên kết, trước tiên làm giảm lực trên ren của đai ốc mỏng, sau đó tạo lực theo hướng ngược lại. Nhờ đó, đai ốc dày ép chặt vào phía ren xa liên kết, trong khi đai ốc mỏng ép vào phía ren gần liên kết, giúp khóa chặt hai đai ốc theo cả hai hướng.

Đai ốc tạo mô-men cản (prevailing torque nuts) (đai ốc khóa)

Một chi tiết chèn trong ren trong (kim loại hoặc phi kim, ví dụ đai ốc Nyloc) hoặc một lớp vật liệu phi kim trên ren ngoài được lắp vào. Vật liệu này tạo ma sát với ren của chi tiết ghép, sinh ra mô-men cản, giúp chống lại hiện tượng tự nới lỏng hoặc tuột ra của liên kết.

Hợp chất khóa ren (keo khóa ren)

Việc sử dụng hợp chất hóa học giúp liên kết các ren lại với nhau khi chất này đóng rắn. Ví dụ bao gồm các hợp chất kỵ khí như Loctite, đóng rắn trong điều kiện không có oxy và hoạt động như chất kết dính để khóa các ren của liên kết. Các phương pháp khóa hóa học tạo ra ma sát sau khi phá vỡ mô-men ban đầu. Mô-men cản thường lớn hơn 0 vì polymer đã đóng rắn vẫn tạo ma sát khi xoay đai ốc.

Dây an toàn (lockwire)

Các lỗ được khoan trên đai ốc và đầu bu lông, sau đó luồn dây qua để ngăn quay ngược. Phương pháp này tốn công nhưng vẫn được sử dụng cho các liên kết quan trọng.

Đai ốc khóa

Một phần của đai ốc bị biến dạng đàn hồi trong quá trình siết để tạo hiệu ứng khóa.

Vòng đệm lò xo và vòng đệm khóa

Vòng đệm bị uốn theo phương trục khi siết. Vòng đệm lò xo tạo thêm lực theo phương trục, trong khi vòng đệm khóa có các chi tiết ăn khớp với bề mặt để tạo lực cản trực tiếp chống lại sự quay.

Hiện tượng “bolt banging”

Bolt banging (hiện tượng va đập bu lông) xảy ra trong các công trình xây dựng khi các liên kết bu lông trượt sang trạng thái “chịu ép” (bearing under load), tạo ra âm thanh lớn giống như tiếng súng trường bắn. Hiện tượng này không có ý nghĩa về mặt kết cấu và không gây nguy hiểm cho người sử dụng.

Một liên kết bu lông giữa hai cấu kiện có thể hoạt động như liên kết chịu ép hoặc liên kết ma sát. Trong liên kết ma sát, các cấu kiện được kẹp chặt với lực đủ lớn để ma sát giữa các bề mặt kẹp ngăn chúng trượt tương đối theo phương ngang.

Trong liên kết chịu ép, chính bu lông giới hạn chuyển động ngang của các cấu kiện thông qua thân bu lông (phần không có ren gần đầu bu lông) tỳ lên thành lỗ của các cấu kiện được kẹp. Loại liên kết này yêu cầu lực kẹp thấp hơn, vì không cần ma sát lớn giữa các bề mặt kẹp. Độ hở lắp ghép (clearance) giữa bu lông và lỗ cho phép một lượng dịch chuyển nhỏ trước khi bu lông tỳ vào thành lỗ, nhằm bù cho giãn nở nhiệt và các chuyển động nhỏ khác.

Ngay cả khi được thiết kế như liên kết chịu ép, ma sát giữa các bề mặt kẹp vẫn có thể đủ để chống lại chuyển động trong một khoảng thời gian, đặc biệt khi công trình chưa chịu đủ tải – do đó ban đầu nó hoạt động như một liên kết ma sát. Khi lực ngang đủ lớn để thắng ma sát này, các cấu kiện sẽ dịch chuyển cho đến khi thành lỗ tỳ vào thân bu lông. Chuyển động này – gọi là “trượt sang chịu ép” (slip into bearing) – thường xảy ra rất đột ngột, giải phóng năng lượng đàn hồi trong các cấu kiện dưới dạng âm thanh, tạo ra tiếng “đập” lớn nhưng vô hại.

Xem thêm

• Đinh
• Bu lông
• Đai ốc

Tham khảo

Tài liệu

• Bickford, John H.; Nassar, Sayed (1998), Handbook of bolts and bolted joints, CRC Press, ISBN 9780824799779.
• Colvin, Fred Herbert; Stanley, Frank Arthur (1914), American Machinists' Handbook and Dictionary of Shop Terms (ấn bản thứ 2), McGraw-Hill.
• Huth, Mark W. (2003), Basic Principles for Construction, Cengage Learning, ISBN 1401838375.
• Oberg, Erik; Jones, Franklin D.; Horton, Holbrook L.; Ryffel, Henry H. (2000), Machinery's Handbook (ấn bản thứ 26), New York: Industrial Press Inc., ISBN 0-8311-2635-3.
• Rybczynski, Witold (2000). One Good Turn: A Natural History of the Screwdriver and the Screw. Toronto, ON, Canada: Harper Collins. ISBN 978-0-00-638603-2.
• Ryffel, Henry H., biên tập (1988), Machinery's Handbook (ấn bản thứ 23), New York: Industrial Press, ISBN 978-0-8311-1200-4.
• Smith, Carroll (1990), Carroll Smith's Nuts, Bolts, Fasteners, and Plumbing Handbook, MotorBooks/MBI Publishing Company, ISBN 0879384069.

Liên kết ngoài

• Tư liệu liên quan tới Screws tại Wikimedia Commons
• Vít tại Từ điển bách khoa Việt Nam
• Screw (machine component) tại Encyclopædia Britannica (bằng tiếng Anh)
• Screw Information and Specifications
• Metric coarse thread dimensions