Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu và tính toán thực nghiệm mối ghép có độ dôi giữa thép và hợp kim màu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

LÂM VĨ PHONG

NGHIÊN CỨU VÀ TÍNH TOÁN THỰC NGHIỆM

MỐI GHÉP CÓ ĐỘ DÔI GIỮA THÉP VÀ HỢP KIM MÀU

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ Mã số: 8520103

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS TS NGUYỄN HỮU LỘC

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS TRẦN HẢI NAM

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS PHẠM HỮU LỘC

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 10 tháng 01 năm 2023

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOAĐộc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

• Nghiên cứu tổng quát về mối ghép có độ dôi, tìm hiểu những kết quả khoa học đã được thực hiện về vấn đề cải thiện khả năng làm việc của mối ghép có độ dôi;

• Nghiên cứu lý thuyết liên quan đến chất lượng bề mặt và những tác động từ yếu tố này đến khả năng tải của mối ghép có độ dôi;

• Thực nghiệm và phân tích đặc trưng của bề mặt ghép trong trường hợp mối ghép có độ dôi giữa thép và đồng thau

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 05/09/2022 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/01/2023

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS NGUYỄN HỮU LỘC

Để hoàn thành được Luận văn Thạc sĩ này, tôi xin chân thành bày tỏ sự cảm kích đến Phó giáo sư Tiến sĩ Nguyễn Hữu Lộc – Người thầy, người đã định hướng, dẫn dắt và cố vấn cho tôi trong cả quá trình thực hiện đề tài này Quá trình làm việc cùng thầy không ngắn cũng không quá dài, nhưng đủ tạo cho tôi nguồn động lực lớn, sự say mê trong nghiên cứu khoa học và định hướng sự nghiệp của tôi trong tương lai Một lần nữa, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy bằng tất cả tấm lòng và sự biết ơn của mình

Tôi xin tỏ lòng biết ơn đến cha mẹ, gia đình và bạn bè đã luôn đồng hành, luôn ủng hộ tôi trong cuộc sống, trong công việc cũng như trong thời gian tôi hoàn thành Luận văn này

Trong mọi kết cấu kỹ thuật nói chung không thể thiếu những thành phần liên kết, chúng đóng vai trò trung gian kết nối các cụm chức năng khác nhau thành một hệ thống hoàn chỉnh có thể đáp ứng được các vấn đề kỹ thuật Xét riêng lĩnh vực cơ khí, các phần tử liên kết có thể được kể đến dưới dạng các mối ghép, có thể cố định hoặc tháo lắp được Trong số đó, mối ghép có độ dôi là một trong những loại liên kết cơ khí quan trọng, ứng dụng của chúng có thể xuất hiện từ rất đơn giản như giữa ổ lăn bàn đạp và khung xe đạp, cho đến những ứng dụng phức tạp như lắp ghép cụm phanh trong một số ô tô cao cấp Ưu điểm lớn nhất của mối ghép có độ dôi đến từ kết cấu đơn giản, khả năng tải của mối ghép đến trực tiếp từ lượng chênh lệch đường kính thực tế của các chi tiết ghép Tuy vậy, các bước tính toán thiết kế và xác định dung sai cho mối ghép có độ dôi gặp phải một vấn đề lớn Do các tiêu chuẩn tính toán thiết kế hiện có đang xét riêng cho trường hợp tổng quát giữa cặp vật liệu thép với thép, trong khi đó thực tế mối ghép có độ dôi được thấy rất nhiều dưới dạng những cặp vật liệu ghép khác như giữa thép với hợp kim màu, giữa các loại hợp kim màu, vật liệu composite hoặc các vật liệu phi kim loại Ngoài ra, các công cụ tính toán thiết kế chưa đạt hiệu quả cao

Từ những vấn đề kể trên, đề tài Luận văn này được xác định và đi vào tiến hành giải quyết các nội dung gồm nghiên cứu tổng hợp các lý thuyết liên quan đến tính toán thiết kế mối ghép có độ dôi, xác định các tiêu chuẩn tính toán và xây dựng phần mềm tính toán tự động theo phương pháp min-max, tiếp tục đi vào xây dựng các mô hình thực nghiệm mối ghép riêng cho trường hợp giữa thép và hợp kim màu, cụ thể ở đây là hợp kim đồng-kẽm Thông qua thực nghiệm, kết quả của Luận văn này đã tìm được các hệ số tính toán mới dành riêng cho trường hợp cặp vật liệu thép và hợp kim đồng-kẽm, việc này mang ý nghĩa lớn trong việc gia tăng độ chính xác trong tính toán thiết kế mối ghép có độ dôi Không chỉ thế, với các bước thực nghiệm và phương pháp phân tích được xây dựng trong bài Luận văn này có thể được dùng làm nền tảng để thực nghiệm xác định cho hầu hết các trường hợp cặp vật liệu khác, mang ý nghĩa lớn trong việc mở rộng khả năng ứng dụng, nâng cao được độ tin cậy trong tính toán thiêt kế mối ghép có độ dôi trong lĩnh vực cơ khí chế tạo

In all technical structures, it is indispensable to have interconnecting components, which play an intermediary role in connecting different functional clusters into a complete system that can meet technical problems In the mechanical field, the connecting elements can be mentioned in the form of joints, which can be fixed or removable Among them, interference fits are one of the important types of mechanical connections, their applications can range from very simple such as between the pedal bearing and the bicycle frame, to complex applications as assembling braking systems in automobiles The biggest advantage of the interference fit comes from its simplicity, the load capacity of the fit comes directly from the difference in the actual diameter of the assembly parts However, the steps of designing, calculating and tolerance determining for the fit have a big problem The existing standards are only considering the general case between steel and steel parts, while in reality, interference fits are seen a lot in the form of other pairs of materials such as between steel with non-ferrous alloys, between non-ferrous alloys, composite materials, or non-metallic materials Moreover, the calculating methods are not yet highly efficient

From the above issues, the topic of this Thesis was determined and went into implementation to solve the content including research, synthesis of theories related to calculation and design of interference fits, then, determination of standardized calculation steps and build a computer software for automatic calculation according to min-max method From here, continue to build experimental models of interference fits for the specific assembly case between steel and non-ferrous alloy parts In this Thesis, the materials pair is between steel and copper-zinc alloy Through experimentation, the results of this Thesis have found new calculation coefficients specifically for the case of steel and copper-zinc alloy, which has great significance in increasing the accuracy in design calculations for interference fits Not only that, the experimental steps and analytical methods developed in this Thesis can be used as a good reference for experimental determination for most other material pairs, which is of great significance in the field of analysis expanding the applicability, improving the reliability in calculating and designing interference fits in the field of mechanical engineering.

Tôi xin cam đoan Luận văn Cao học này với đề tài “Nghiên cứu và tính toán thực nghiệm mối ghép có độ dôi giữa thép và hợp kim màu” là công trình nghiên cứu cá nhân của tôi trong thời gian qua Dưới sự hướng dẫn của PGS TS Nguyễn Hữu Lộc Mọi số liệu sử dụng phân tích trong Luận văn là kết quả đúc kết được của riêng tôi trong quá trình thực nghiệm, đồng thời các phân tích trong bài đều mang tính khách quan, trung thực và chưa được công bố dưới bất kỳ hình thức nào

Nếu phát hiện những vấn đề về sao chép kết quả từ những công trình trước đây, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm trước Nhà trường và Hội đồng

Tp HCM, ngày 10 tháng 01 năm 2023

HỌC VIÊN THỰC HIỆN

Lâm Vĩ Phong

1.1.3 Nội dung đề tài 1

1.1.4 Đối tượng nghiên cứu 1

1.1.5 Tính cấp thiết 2

1.1.6 Tính khoa học và ứng dụng 3

1.2 Lập kế hoạch nghiên cứu 3

1.2.1 Xác định các nội dung cần thực hiện 3

1.2.2 Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu của từng nội dung 3

1.2.3 Xác định nhiệm vụ và bảng kế hoạch 4

1.3 Tổng quan tài liệu 5

1.4 Những vấn đề còn tồn đọng trong nghiên cứu 7

1.5 Kết luận Chương 1 8

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9

2.1 Tính toán mối ghép có độ dôi 9

2.1.1 Tổng quát 9

2.1.2 Đặc trưng mối ghép có độ dôi 10

2.1.3 Tính toán lựa chọn dung sai mối ghép theo yêu cầu kỹ thuật về khả năng tải 12

2.1.4 Thông số cần thiết khi lắp ghép theo phương pháp ép dọc trục 17

2.1.5 Kiểm bền mối ghép – Ứng suất phẳng sinh ra trên bề mặt ghép 18

2.1.6 Lượng biến dạng hướng kính lý tưởng trên các chi tiết ghép trong mối ghép có độ dôi 21

2.2 Đặc tính ứng suất và biến dạng của cặp vật liệu thép-đồng thau 21

2.3 Chất lượng bề mặt chi tiết ghép trong mối ghép có độ dôi 24

2.3.1 Tổng quan về chất lượng bề mặt ghép và độ nhám bề mặt 24

2.3.2 Vấn đề tiếp xúc giữa các bề mặt nhám trong mối ghép có độ dôi 28

2.4 Đánh giá khả năng tải của mối ghép có độ dôi 29

2.5 Kết luận Chương 2 31

3.2.1 Nội dung nghiên cứu 32

4.2 Tính khoa học, tính mới và tính thực tiễn của đề tài 44

4.3 Kiến nghị những nghiên cứu tiếp theo 45

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC 46

TÀI LIỆU THAM KHẢO 47

PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 50

Hình 2.1 Mối ghép bề mặt trơn cơ bản 9

Hình 2.2 Mô hình mối ghép có độ dôi cơ bản 10

Hình 2.3 Sơ đồ thông số hình học cơ bản của mối ghép có độ dôi 12

Hình 2.4 Phần mềm hỗ trợ tính toán lựa chọn dung sai mối ghép độ dôi 17

Hình 2.5 Kết quả mô phỏng ứng suất và biến dạng tại bề mặt ghép cho cặp vật liệu 24

Hình 2.6 Sơ đồ biểu diễn cơ bản các đặc trưng bề mặt 26

Hình 2.7 Mô tả tính toán thông số độ nhám 26

Hình 2.8 Độ nhám theo Ra một số phương pháp gia công truyền thống 27

Hình 3.1 Thông số hình dáng mẫu thực nghiệm và hình ảnh mẫu thực tế 33

Hình 3.2 Máy đo tọa độ và máy đo độ nhám 34

Hình 3.3 Thông số kích thước các chi tiết gá phụ 36

Hình 3.4 Mô hình 3D và mẫu gá thực tế trên bàn máy ép 37

Hình 3.5 Đồ thị giữa lực dọc trục và dịch chuyển tương đối giữa các chi tiết ghép 38

Hình 3.6 Đồ thị giá trị độ nhám bề mặt chi tiết ghép ban đầu và sau hai lần ghép-tháo 41

Hình 3.7 Cặp mẫu và bề mặt trục sau hai chu kỳ tải 41

Bảng 1.1 Kế hoạch thực hiện từng nhiệm vụ của Luận văn 5

Bảng 2.1 Áp suất bề mặt nhỏ nhất [pmin] theo trường hợp tải tác động 13

Bảng 2.2 Hệ số ma sát theo phương pháp lắp cho các cặp vật liệu cơ bản trong mối ghép có độ dôi 14

Bảng 2.3 Bảng thông số vật liệu chế tạo chi tiết ghép thông dụng 14

Bảng 2.4 Giá trị độ nhám bề mặt Rz theo cấp nhám gia công 15

Bảng 2.5 Hệ số ma sát động với các cặp vật liệu thông dụng 18

Bảng 2.6 So sánh kết quả ứng suất và biến dạng 22

Bảng 3.1 Cơ tính vật liệu chế tạo chi tiết ghép 33

Bảng 3.2 Các giá trị đo được từ thực nghiệm trước và sau các lần ghép-tháo 35

• Tên tiếng Anh: Calculation study and experimental research of interference fit

between steel and non-ferrous alloy parts;

• Từ khóa: Mối ghép độ dôi; thép và hợp kim màu; tính toán thực nghiệm

1.1.2 Mục tiêu đề tài

Đề tài tập trung nghiên cứu các yếu tố liên quan bề mặt ghép (cụ thể thông qua giá trị độ nhám bề mặt), xem xét ảnh hưởng của những yếu tố này đến khả năng tải và các đặc trưng khác của mối ghép có độ dôi giữa thép và hợp kim của đồng với kẽm (đồng thau)

1.1.3 Nội dung đề tài

• Nghiên cứu tổng quát về mối ghép có độ dôi, tìm hiểu những kết quả khoa học đã được thực hiện về vấn đề cải thiện khả năng làm việc của mối ghép có độ dôi;

• Nghiên cứu lý thuyết liên quan đến chất lượng bề mặt và những tác động từ yếu tố này đến khả năng tải của mối ghép có độ dôi;

• Thực nghiệm và phân tích đặc trưng của bề mặt ghép trong trường hợp mối ghép có độ dôi giữa thép và đồng thau

1.1.4 Đối tượng nghiên cứu

• Mối ghép có độ dôi có bề mặt trơn, bề mặt ghép hình trụ, cụ thể giữa một chi tiết trục và một chi tiết bạc;

• Chi tiết trục là trục đặc có d1 = 0 mm;

• Cặp vật liệu giữa trục thép C45 và bạc đồng thau C2680;

• Giá trị tải dọc trục tới hạn; • Giá trị độ nhám bề mặt ghép

1.1.5 Tính cấp thiết

Hiện nay, việc thiết kế chế tạo các chi tiết máy, các hệ thống cơ khí đều được nghiên cứu ứng dụng tự động hóa Điều này đặt ra vô vàn bài toán tối ưu cho các chuyên gia kỹ thuật, từ các giải pháp giúp tiết kiệm chi phí cho đến các giải pháp rút ngắn thời gian sản xuất

Trong đó, việc chọn ra những phương án lắp ghép phù hợp cho các cấu kiện, lắp ghép giữa các khâu trong hệ thống đóng vai trò rất quan trọng Tuy nhiên, các phương pháp lắp ghép, liên kết chi tiết máy thông dụng như sử dụng then, chốt hoặc mối ghép ren, thường đi kèm những yêu cầu kỹ thuật phức tạp làm tăng chi phí và kéo dài thời gian sản xuất

Mối ghép có độ dôi (hay còn gọi là mối ghép chặt) là một trong những phương án lắp ghép thay thế được ứng dụng rộng rãi Loại liên kết này hoạt động dựa trên nguyên lý về biến dạng đàn hồi của vật liệu, cụ thể phụ thuộc vào giá trị chênh lệch giữa đường kính thực tế giữa các bề mặt lắp ghép Đặc biệt, mối ghép có độ dôi không yêu cầu thêm chi tiết phụ như then, chốt, ưu điểm này giúp tối ưu được kích thước và thời gian sản xuất tại các vị trí ghép trong hệ thống cơ khí Từ những lý do trên, có thể nhận thấy nhu cầu thực tế đối với những nghiên cứu về mối ghép có độ dôi là rất lớn

Nghiên cứu đối với mối ghép có độ dôi chủ yếu bao quát về những nguyên lý thiết kế mối ghép, cũng như những yếu tố tác động đến khả năng làm việc của mối ghép Cơ bản nhất liên quan đến các thông số hình học chi tiết ghép, các thông số vật liệu dùng để chế tạo, điều kiện làm việc và phương pháp lắp ghép

Hiện trạng các nghiên cứu khoa học liên quan đến mối ghép độ dôi đang chú trọng vào cải thiện khả năng làm việc thông qua cải thiện chất lượng bề mặt ghép, tối ưu các thông số thiết kế và lựa chọn phương án lắp ghép phù hợp nhất Từ đây, mục đích nghiên cứu của đề tài cũng được hình thành

1.1.6 Tính khoa học và ứng dụng

Đề tài nghiên cứu về phương pháp tính toán, thiết kế và thực nghiệm những yếu tố tác động đến mối ghép có độ dôi giữa thép và hợp kim màu, cụ thể là đồng thau Đề tài bổ sung được một số phân tích thực nghiệm xét cho cặp vật liệu thép-đồng thau vào cơ sở những nghiên cứu đã có trong nước và quốc tế

Một trong những đóng góp chính của đề tài là việc xác định được giá trị độ dôi tương đối và hằng số mối ghép cho trường hợp giữa thép và đồng thau

1.2 Lập kế hoạch nghiên cứu

1.2.1 Xác định các nội dung cần thực hiện

Nội dung 1: Lập kế hoạch;

Nội dung 2: Nghiên cứu về cơ sở lý thuyết tính toán mối ghép có độ dôi và các vấnđề liên quan;

Nội dung 3: Nghiên cứu, thực nghiệm và phân tích đặc trưng mối ghép có độ dôi giữa thép-đồng thau;

Nội dung 4: Viết báo cáo và thuyết minh đề tài nghiên cứu

1.2.2 Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu của từng nội dung

Nội dung 1: Lập kế hoạch

• Mục tiêu nội dung 1: Xác định cụ thể các công việc cần hoàn thành trong quá trình nghiên cứu, phân bổ tài nguyên phù hợp và đưa ra lịch trình làm việc cụ thể

• Sản phẩm khoa học dự kiến và chỉ tiêu đánh giá: Bảng kế hoạch thực hiện theo tuần cho từng nội dung nghiên cứu

• Công việc thực hiện: Đánh giá các yêu cầu của đề tài; đặt ra những nội dung sơ bộ cần thực hiện; phân bố tài nguyên thích hợp cho lịch trình thực hiện dựa trên

khoảng thời gian cho phép thực hiện Luận văn theo quy định

• Phương pháp: Khảo sát và tổng hợp

Nội dung 2: Giới thiệu về mối ghép có độ dôi và các vấn đề liên quan

• Sản phẩm khoa học dự kiến và chỉ tiêu đánh giá: Nội dung tập hợp các công trình nghiên cứu đã công bố quốc tế và trong nước liên quan đến đề tài

• Công việc thực hiện: Tìm và chọn lọc các tài liệu thông qua các nguồn tài liệu có uy tín; trình bày nội dung các thông số ảnh hưởng và các yếu tố liên quan đến mối ghép có độ dôi

• Phương pháp: Khảo sát, thực nghiệm, phân tích và tổng hợp Nội dung 4: Viết báo cáo và thuyết minh đề tài nghiên cứu

• Mục tiêu nội dung 4: Hoàn thành báo cáo và thuyết minh của đề tài

• Sản phẩm khoa học dự kiến và chỉ tiêu đánh giá: Báo cáo tổng kết đề tài; bài báo khoa học đăng tạp chí và hội nghị

• Công việc thực hiện: Tổng hợp các kết quả phân tích thực nghiệm; hệ thống các nội dung dự kiến báo cáo; viết báo cáo và thuyết minh đề tài; tổng hợp nội dung các bài báo khoa học

• Phương pháp: Phân tích và tổng hợp

1.2.3 Xác định nhiệm vụ và bảng kế hoạch

Xác định những nhiệm vụ cụ thể với các nội dung đã tổng hợp sơ bộ, bao gồm: • Nhiệm vụ 1: Lập kế hoạch;

• Nhiệm vụ 2: Nghiên cứu lý thuyết;

• Nhiệm vụ 3: Thực nghiệm đặc trưng mối ghép thép-đồng thau;

• Nhiệm vụ 4: Phân tích kết quả thực nghiệm đặc trưng mối ghép thép-đồng thau; • Nhiệm vụ 5: Tổng hợp nội dung đặc trưng mối ghép thép-đồng thau;

• Nhiệm vụ 6: Báo cáo đề tài

Bảng 1.1 Kế hoạch thực hiện từng nhiệm vụ của Luận văn

Học viên thực hiện: Lâm Vĩ Phong GVHD: PGS TS Nguyễn Hữu Lộc Ngày bắt đầu: 22/08/2022

Tuần

STT Nhiệm vụ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

1 Lập kế hoạch 2 Nghiên cứu lý thuyết 3 Thực nghiệm đặc trưng mối

ghép thép-đồng thau 4

Phân tích kết quả thực nghiệm đặc trưng mối ghép thép-đồng thau

5 Tổng hợp nội dung đặc trưng mối ghép thép-đồng thau 6 Báo cáo đề tài

1.3 Tổng quan tài liệu

Những nghiên cứu về mối ghép có độ dôi từ trước đến nay thường tập trung vào cơ sở lý thuyết tính toán và thiết kế mối ghép, đồng thời kết hợp một số phân tích thực nghiệm nhằm đưa ra những nhận xét, giải pháp kỹ thuật giúp nâng cao khả năng làm việc của mối ghép

Theo Timoshenko và Goodier, cơ sở của mối ghép có độ dôi xuất phát từ bài toán ống dày, dựa trên lý thuyết đàn hồi của vật liệu [1] Lý thuyết này đặt ra nền móng xây dựng hầu hết các tiêu chuẩn tính toán, lựa chọn mối ghép có độ dôi như DIN 7190-1 [2], hay tương ứng ISO 286-1 [3]

Về cơ bản, các tiêu chuẩn như DIN 7190-1 [2] nêu ra hàng loạt các lý thuyết tính toán đã được kiểm chứng, cùng những yếu tố ảnh hưởng đến kết quả tính toán,

cụ thể như giá trị độ nhám bề mặt ghép của các chi tiết và ngoài ra xem xét một số vấn đề liên quan đến ứng suất sinh ra trong mối ghép Tuy nhiên, lý thuyết được dùng nhiều hơn cả từ tiêu chuẩn DIN 7190-1 có liên quan đến lý thuyết đàn hồi của bài toán ống dày, rõ ràng hơn thông qua phương pháp min-max để xác định dung sai mối ghép có độ dôi

Khả năng tải của mối ghép có độ dôi được thể hiện qua giá trị áp suất tiếp xúc sinh ra trên bề mặt ghép [1], nhưng để đo trực tiếp giá trị này trong thực tế vô cùng khó khăn Vì thế, giá trị này thường được đánh giá một cách gián tiếp thông qua việc xác định giá trị lực tháo dọc trục hay mô-men tháo tới hạn G M Yang và đồng sự đã đưa ra một hướng dự đoán khả năng tải của mối ghép có độ dôi có độ chính xác cao hơn các tiêu chuẩn tính tại thời điểm đó, cụ thể thông qua việc xác định chính xác những phần thất thoát độ dôi phụ thuộc vào độ nhám bề mặt chi tiết ghép, kết hợp lượng thất thoát do biến dạng dẻo của những phần nhấp nhô trên bề mặt ghép [4, 5] Ngoài ra, một nghiên cứu khác của nhóm tác giả M D McMillan đã đưa ra các kết luận liên quan đến giới hạn làm việc của mối ghép có độ dôi khi xét nhiều chịu tải khác nhau [6]

Đi sâu hơn vào phân tích thực nghiệm, những công trình nghiên cứu đã có thường tập trung vào xem xét các yếu tố tính toán thiết kế và vấn đề ảnh hưởng đến khả năng làm việc thực tế của mối ghép, hướng đến cải thiện những vấn đề này thông qua phát triển các giải pháp kỹ thuật Trong số những nội dung đó, Booker và các đồng sự đã chỉ ra tác động của hệ số ma sát đến giá trị áp suất tiếp xúc tại bề mặt ghép là rất lớn [7] Tuy vậy, với tính toán thông dụng người thiết kế thường chọn hệ số ma sát theo các giá trị chuẩn Trong khi đó, các nghiên cứu thực tế đã chứng minh hệ số ma sát đối với những trường hợp mối ghép chịu tải khác nhau, thông số hình dạng, kích thước khác nhau sẽ cho ra những giá trị khác nhau [8]

Xét ở góc nhìn rộng hơn, có thể nói chất lượng bề mặt ghép của chi tiết ghép đóng vai trò không nhỏ trong việc quyết định đặc tính của mối ghép có độ dôi Nội dung nghiên cứu này phần lớn xoay quanh phân tích những thay đổi về giá trị độ nhám bề mặt ghép, xác định ảnh hưởng của giá trị này đến khả năng tải của mối ghép [9], rút ra các kết luận với mục tiêu cải thiện khả năng làm việc của mối ghép có độ

dôi [10] Một phần nhiều các đề tài nghiên cứu liên quan bề mặt ghép hướng đến những thay đổi vi mô của những phần nhấp nhô bề mặt, yếu tố đặc trưng bởi phương pháp gia công và vật liệu chế tạo chi tiết ghép, đặc biệt tập trung chủ yếu phân tích những sự khác biệt xuất hiện giữa trước và sau khi ghép Theo nhóm tác giả Ramamoorthy và Radhakrishnan, hiện tượng thay đổi về giá trị độ nhám bề mặt xuất phát từ sự san phẳng của những phần vật liệu nhấp nhô, hệ quả từ việc hai bề mặt vật liệu tiếp xúc nhau dưới một áp lực lớn [11]

Khả năng làm việc và đặc tính của mối ghép có độ dôi còn được quyết định bởi các thông số kích thước, hình dáng của chi tiết ghép Xét sự sai lệch về các thông số hình học đến đặc trưng của mối ghép, ta có thể thấy tồn tại những tác động đáng kể đến đặc trưng của mối ghép, khiến cho hiệu quả làm việc của mối ghép không đạt yêu cầu kỹ thuật A P Raj và các đồng sự đã đưa ra kết luận tổng hợp về những ảnh hưởng của sai lệch về độ tròn, độ trụ của chi tiết ghép đến khả năng tải dọc trục của mối ghép có độ dôi [12] Hay nghiên cứu của Zimmerman về tác động của bề mặt ghép dạng côn đến khả năng làm việc của mối ghép, khi xét cùng ở một mức độ dôi so với những mối ghép có bề mặt ghép dạng trụ chuẩn thông thường [13]

Những yếu tố tác động khác như đặc tính cặp vật liệu chế tạo chi tiết ghép, yêu cầu kỹ thuật về khả năng tải, môi trường làm việc đều có một số nghiên cứu nhất định cho các trường hợp tổng quát [14] Tuy mức độ phổ biến và tầm quan trọng của những nội dung nghiên cứu về mối ghép có độ dôi rất cao, nhưng ở nước ta các nghiên cứu chuyên sâu không nhiều, chủ yếu xuất hiện trong các tài liệu về chi tiết máy và dung sai đo lường

1.4 Những vấn đề còn tồn đọng trong nghiên cứu

Những nghiên cứu hiện có về vấn đề mối ghép có độ dôi thường chỉ xét trường hợp cặp vật liệu giữa thép-thép, tuy nhiên loại liên kết này ngày càng được ứng dụng dưới những trường hợp cặp vật liệu giữa thép-hợp kim màu, hoặc giữa hợp kim màu-hợp kim màu Chính vì thế, cần có những nghiên cứu mở rộng hơn để xét các trường hợp này, củng cố nền tảng kiến thức đã có về mối ghép có độ dôi

Trước hết, xét các tiêu chuẩn tính toán, thiết kế mối ghép độ dôi như DIN 1 [2], hay tương ứng ISO 286-1 [3] ta thấy những hằng số thường được xét chung cho tất cả các trường hợp cặp vật liệu, việc này vô tình khiến cho kết quả tính toán, thiết kế mối ghép ở một số trường hợp là không hoàn toàn phù hợp Tương tự điều này, khi xét vấn đề nghiên cứu thực nghiệm các yếu tố bề mặt ghép và khả năng tải của mối ghép có độ dôi [4–13], các nghiên cứu chỉ tập trung vào cặp vật liệu ghép cơ bản thép-thép, dẫn đến một khoảng trống nghiên cứu lớn cho các trường hợp cặp vật liệu ghép khác như giữa thép-hợp kim màu, giữa hợp kim màu-hợp kim màu, hoặc kết hợp các vật liệu phi kim loại Những thiếu xót này ảnh hưởng lớn đến quá trình tính toán thiết kế, từ đó giới hạn phạm vi ứng dụng của mối ghép có độ dôi

• Nghiên cứu, thực nghiệm và phân tích đặc trưng liên quan đến yếu tố bề mặt đối với mối ghép có độ dôi giữa thép-đồng thau: Chỉ ra được sự khác biệt giữa mối ghép thép-đồng thau so với các nghiên cứu trước đây giữa thép-thép • Xác định giá trị độ dôi tương đối và hằng số mối ghép cho trường hợp mối ghép

độ dôi giữa thép-đồng thau.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tính toán mối ghép có độ dôi

2.1.1 Tổng quát

Các chi tiết trong một hệ thống cơ khí thường được liên kết với nhau cố định (bu-lông và đai ốc) hoặc dịch chuyển tương đối (pít-tông di chuyển trong xy-lanh), hay còn được gọi là các mối ghép Bề mặt ghép trong mối ghép là bề mặt các chi tiết tác động qua lại với nhau, cơ bản nhất gồm bề mặt bao bên ngoài và bề mặt bị bao

bên trong (Hình 2.1 Mối ghép bề mặt trơn cơ bản)

Hình 2.1 Mối ghép bề mặt trơn cơ bản

(Trái) – Mối ghép trục-bạc; (Phải) – Mối ghép rãnh trượt

Ở mối ghép trục-bạc, bề mặt chi tiết trục(1) là bề mặt bị bao và bề mặt bạc(2) là bề mặt bao, với mối ghép rãnh trượt tương ứng ta có bề mặt bị bao là bề mặt con trượt(1) và bề mặt bao là bề mặt rãnh trượt(2) Đối với mối ghép trục-bạc có bề mặt

ghép hình trụ, bề mặt bao được ký hiệu là D và bề mặt bị bao là d Tương ứng với mối ghép rãnh trượt, ta có B và b Kích thước danh nghĩa của mối ghép là chung cho cả bề mặt bao và bề mặt bị bao, ta có: DN = dN (hay BN = bN)

Tính chất của mối ghép bề mặt trơn được quyết định bởi hiệu số kích thước bề

mặt bao và bề mặt bị bao Nếu hiệu số này có giá trị dương (D – d > 0) mối ghép sẽ có độ hở, còn được gọi là mối ghép lỏng, nếu hiệu số có giá trị âm (D – d < 0) mối

ghép có độ dôi (hay còn được gọi là mối ghép chặt)

2.1.2 Đặc trưng mối ghép có độ dôi

Trong mối ghép có độ dôi, kích thước bề mặt bao luôn nhỏ hơn kích thước bề

mặt bị bao, nhằm đảm bảo được mối ghép luôn có độ dôi (Hình 2.2 Mô hình mối

ghép có độ dôi cơ bản) với độ dôi của mối ghép được ký hiệu δ và được xác định

như sau:

= −

Hình 2.2 Mô hình mối ghép có độ dôi cơ bản

Các thông số cơ bản của một mối ghép có độ dôi bao gồm:

Độ dôi trung bình

Cơ sở mối ghép có độ dôi dựa trên lý thuyết về sức bền vật liệu, cụ thể là bài toán ống dày xuất phát từ lý thuyết đàn hồi theo Timoshenko và Goodier [1] Ưu điểm chính của mối ghép có độ dôi đến từ việc không cần các loại then, chốt, nên độ bền mối ghép được cải thiện và kích thước các chi tiết ghép được tối ưu Các ứng suất

sinh ra trên bề mặt ghép có thể xét dưới dạng ứng suất phẳng, gồm hai ứng suất cơ bản:

• Ứng suất tiếp (Tangential stress) – σt: Ứng suất trên phương tiếp tuyến của đường kính đang xét;

• Ứng suất pháp (Radial stress) – σr: Ứng suất trên phương bán kính của đường kính đang xét

Tương tự các liên kết cơ khí khác, đặc trưng của mối ghép độ dôi được thể hiện qua yếu tố khả năng tải và phụ thuộc vào một số yếu tố kỹ thuật:

• Các thông số kích thước, hình dạng: Xuất phát từ yêu cầu kỹ thuật và thiết kế của mối ghép có độ dôi mà các thông số hình học thay đổi, dẫn đến giá trị độ dôi thực tế và khả năng tải thay đổi;

• Ma sát: Cụ thể là tình trạng tiếp xúc tại bề mặt ghép, thể hiện qua giá trị hệ số ma sát, phụ thuộc vào cặp vật liệu được chọn và điều kiện bôi trơn tại bề mặt ghép;

• Chất lượng bề mặt: Tình trạng bề mặt chi tiết ghép sau khi gia công, thể hiện qua giá trị độ nhám bề mặt, được quyết định một phần bởi chất lượng phôi ban đầu (sự tồn tại của bọt khí, mật độ vật liệu) và việc công nghệ gia công chi tiết; • Điều kiện tải tác động: Mối ghép có độ dôi được ứng dụng để chịu tải dọc trục, mô-men xoắn và đôi khi đồng thời cả hai tác động Tùy vào trường hợp cường độ, tính chất của tải tác động mà đặc trưng mối ghép sẽ khác nhau;

• Phương pháp lắp ghép: Phương pháp nung nóng-làm lạnh và phương pháp ép là hai phương pháp lắp ghép phổ biến nhất Trong đó, mỗi phương pháp có những ảnh hưởng nhất định đến các yếu tố khác của mối ghép Cụ thể phương pháp nung nóng-làm lạnh sẽ nung nóng chi tiết bao hoặc làm lạnh chi tiết bị bao, trong những trường hợp giá trị độ dôi lớn cả hai chi tiết sẽ được tác dụng nhiệt tương ứng Chính từ những tác dụng nhiệt này, một số cơ tính của chi tiết ghép sẽ bị thay đổi nếu tính toán khi lắp ghép thiếu chính xác Đối với phương pháp ép sẽ thường thông qua những hệ thống ép thủy lực, khi ép các yếu tố vi mô trên bề mặt ghép sẽ chịu những tác động nhất định dẫn đến những thay đổi

2.1.3 Tính toán lựa chọn dung sai mối ghép theo yêu cầu kỹ thuật về khả năng tải

Khi tiến hành lựa chọn mối ghép có độ dôi cần phải đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật cơ bản nhất:

• Đảm bảo độ bền mối ghép: Giữa các chi tiết không được xuất hiện sự dịch chuyển tương đối khi chịu tác dụng của ngoại lực, đồng nghĩa với việc giá trị

độ dôi luôn cần phải duy trì ở mức một giá trị nhỏ nhất [δpmin];

• Đảm bảo độ bền chi tiết ghép: Ứng suất sinh ra trên bề mặt ghép không được vượt quá ứng suất giới hạn của vật liệu chế tạo chi tiết ghép, đồng nghĩa với

việc giá trị độ dôi cần được duy trì ở một giá trị lớn nhất [δpmax]

Hình 2.3 Sơ đồ thông số hình học cơ bản của mối ghép có độ dôi

Quá trình tính toán, lựa chọn dung sai mối ghép có độ dôi thường bao gồm

những thông số hình học cơ bản (Hình 2.3) và được tiến hành theo các bước sau [2,

3]:

Bước 1: Xác định áp suất tiếp xúc nhỏ nhất [pmin]

Áp suất nhỏ nhất [pmin] (hay áp lực riêng nhỏ nhất) trên bề mặt tiếp xúc, là giá trị cần có để đảm bảo các chi tiết ghép được cố định với nhau khi đáp ứng yêu cầu về

khả năng tải Hay nói cách khác là giới hạn ma sát tĩnh Ff [N] giữa các chi tiết ghép tại bề mặt tiếp xúc, thường được xét theo ba trường hợp:

• Chỉ truyền mô-men xoắn T [Nmm]:

Bảng 2.1 Áp suất bề mặt nhỏ nhất [pmin] theo trường hợp tải tác động Trường hợp

Áp suất bề mặt nhỏ nhất

[pmin] [MPa]

2  10 N  

K T

 N a

Trong đó: dN là đường kính danh nghĩa của mối ghép [mm]; L là chiều dài bề mặt lắp ghép [mm]; μ là hệ số ma sát tĩnh, phụ thuộc vào cặp vật liệu chế tạo chi tiết ghép và phương pháp lắp ghép (Bảng 2.2); K là hệ số an toàn trong bài toán tiếp xúc, thường

được chọn với mục đích tăng độ cậy của quá trình tính toán thiết kế, giúp phòng ngừa ảnh hưởng của hiện tượng ăn mòn tiếp xúc trong mối ghép có độ dôi (đối với trường

hợp bánh răng trục đầu ra, đầu trục còn lại được lắp với nối trục ta có K = 3, với đĩa xích ta có K = 3.5, với bánh đai ta có K = 4; đối với trường hợp trục trung gian ta có

K = 4.5)

Bảng 2.2 Hệ số ma sát theo phương pháp lắp cho các cặp vật liệu cơ bản trong mối

(2.12)

Trong đó: d1 là đường kính của chi tiết bị bao [mm], với trục đặc ta có d1 = 0; d2 là đường kính ngoài của chi tiết bao [mm]; νs, νh là hệ số Poisson của chi tiết trục và

bạc, thường được chọn theo tiêu chuẩn (Bảng 2.3)

Bảng 2.3 Bảng thông số vật liệu chế tạo chi tiết ghép thông dụng

Đồng thau Đồng thanh thiếc

Hợp kim nhôm

18 17 23

(Trích [15] – Bảng 11.13 trang 308)

Bước 3: Xác định độ dôi tính toán nhỏ nhất đảm bảo yêu cầu kỹ thuật về khả năng tải

 _

shmin cminN

với Es, Eh lần lượt là mô-đun đàn hồi vật liệu chế tạo chi tiết trục và chi tiết bạc [MPa]

Bước 4: Khoảng giá trị nhấp nhô bề mặt bị phá hủy

Trong quá trình lắp ghép mối ghép có độ dôi theo phương pháp ép dọc trục, bề mặt giữa các chi tiết ghép sẽ chịu tác động lớn bởi áp suất tiếp xúc dẫn đến sự san phẳng của những phần nhấp nhô bề mặt, khiến cho giá trị độ nhám bề mặt thay đổi

và gián tiếp thay đổi giá trị độ dôi thực tế của mối ghép Lượng giá trị san phẳng H

[mm] này theo tiêu chuẩn DIN 7190-1 [2] có thể được dự đoán theo công thức:

ghép, các thông số hình học, điều kiện bôi trơn khi lắp ghép; Rzs, Rzh/Ras, Rah lần lượt là giá trị độ nhám theo Rz và Ra bề mặt chi tiết trục và bạc, khi thiết kế giá trị

này thường được tham khảo lý tưởng theo cấp nhám gia công (Bảng 2.4)

Bảng 2.4 Giá trị độ nhám bề mặt Rz theo cấp nhám gia công

Ngoài ảnh hưởng của độ nhám, trong các trường hợp cụ thể còn cần xét đến ảnh hưởng của những yếu tố khác đến sự thay đổi độ dôi tính toán, như điều kiện làm việc, ảnh hưởng của tải tác động và những yếu tố môi trường

Bước 5: Xác định độ dôi nhỏ nhất khi xét đến lượng san phẳng bề mặt [mm]

 δmin =δmin c_ +0.8(Rzs +Rzh) (2.15)

Bước 6: Xác định áp suất lớn nhất cho phép [pmax]

Để đảm bảo độ bền chi tiết ghép thì ứng suất sinh ra trên bề mặt tiếp xúc không được vượt quá ứng suất tới hạn của vật liệu chế tạo chi tiết ghép Vì vậy giá trị áp suất lớn nhất cho phép cần phải xét theo chi tiết có giá trị giới hạn thấp hơn

Ta có ps, ph lần lượt là giá trị áp suất bề mặt tới hạn của chi tiết trục và chi tiết bạc [MPa]:

Bước 9: Chọn mối ghép tiêu chuẩn

Từ các tiêu chuẩn tính DIN 7190-1 hay tương ứng ISO 286-1, ta tiến hành chọn

dung sai mối ghép có giới hạn chuẩn về độ dôi nhỏ nhất [∆min] [mm] và lớn nhất

[∆max] [mm]:

    ΔΔ 

Từ quy trình tính toán theo phương pháp min-max vừa kể, ta có thể xây dựng các công cụ hỗ trợ trên máy tính trong việc lựa chọn dung sai mối ghép

Hình 2.4 Phần mềm hỗ trợ tính toán lựa chọn dung sai mối ghép độ dôi

2.1.4 Thông số cần thiết khi lắp ghép theo phương pháp ép dọc trục

Lực ép mối ghép Fp [N] được xác định theo công thức:

= rr

Trong đó: p, δ là giá trị áp suất và độ dôi lý tưởng được chọn theo tính toán lý thuyết;

pr, δr là giá trị áp suất và độ dôi dự đoán khi thực tế lắp ghép

Bảng 2.5 Hệ số ma sát động với các cặp vật liệu thông dụng

2.1.5 Kiểm bền mối ghép – Ứng suất phẳng sinh ra trên bề mặt ghép

Như đã trình bày ở phần trên, ứng suất tại bề mặt ghép của mối ghép có độ dôi

có thể được thể hiện dưới dạng các ứng suất phẳng Ứng suất pháp σr [MPa] và ứng

suất tiếp σt [MPa] tổng quát trong mối ghép có độ dôi có dạng như sau:

δp

p rB

p rσ r r

rrprrσ r r

Tương tự như khi xét chi tiết trục, ta rút được hệ phương trình: