Chương 10: Mối ghép ren Chương 10: (2 tiết) MỐI GHÉP REN MỤC TIÊU: Sau khi học xong bài học này, sinh viên có khả năng: - Phân biệt được các loại ren và ứng dụng. - Giải thích được các thông số hình học của chi tiết có ren, phân loại chi tiết dùng trong mối ghép ren. - Phân biệt và nêu được công thức tính toán trong trường hợp bu lông lắp có và không có khe hở. - Vận dụng được công thức để tính toán và chọn bu lông theo tiêu chuẩn. NỘI DUNG: I. Đại cương 1. Định nghĩa và phân loại ren 2. Thông số hình học chính của mối ren 3. Các loại ren thường dùng 4. Các chi tiết máy dùng trong mối ghép ren 5. Vật liệu của tiết máy có ren 6. Ưu nhược điểm của mối ghép ren II. Tính Bulông (Vít) 1. Các dạng hỏng của mối ghép ren và chỉ tiêu tính toán: 2. Tính toán độ bền mối ghép bằng ren chịu tải trọng tĩnh 3. Ví dụ tính toán Câu hỏi ôn tập NHỮNG LƯU Ý VỀ GIẢNG DẠY VÀ HỌC TẬP: 1. Tập trung giải thích các thông số hình học và tiêu chuẩn của chi tiết bu lông, đai ốc, so sánh với các mối ghép cố định và tháo được. Vận dụng các công thức để tính toán, chọn kích thước bu lông . Chuẩn bị tài liệu phát tay về bài tập tính toán bu lông. 2. Sinh viên phải đọc trước các nội dung trước khi đến lớp. Liên hệ thực tiễn và đọc thêm các tài liệu tham khảo. Thảo luận nhóm và liên hệ với giảng viên để giải bài tập tính toán bu lông. Giáo trình Chi tiết máy 119 Chương 10: Mối ghép ren I. ĐẠI CƯƠNG 1. Định nghĩa và phân loại ren: a) Định nghĩa: Mối ghép ren thuộc loại mối ghép tháo được, các tấm ghép được liên kết với nhau nhờ các chi tiết máy có ren, như: bu lông, vít, vít cấy, đai ốc, các lỗ có ren. (Hình 10.1) b) Phân loại ren: - Căn cứ theo hướng đi lên của ren: + Ren phải: đi lên từ trái sang phải. + Ren trái: đi lên từ phải sang trái. - Căn cứ theo số đầu mối: + Ren một đầu mối. + Ren hai, ba đầu mối. - Căn cứ theo công dụng: + Ren ghép chặt: dùng để ghép chặt các chi tiết máy lại với nhau. Đối với ren ghép chặt, yêu cầu chủ yếu là độ bền cao, ma sát lớn để giữ mối ghép không tự tháo. + Ren ghép chặt kín: ngoài chức năng ghép chặt các chi tiết máy còn để giữ không cho chất lỏng hay chất khí chảy qua. + Ren truyền động: dùng để truyền chuyển động như trong cơ cấu vít me - đai ốc. + Ren chịu tải: như trong cơ cấu kích ép. 2. Thông số hình học chính của mối ren - Bước ren, ký hiệu là p, mm, là khoảng cách theo chiều trục giữa hai vòng ren kề nhau. Giá trị của p được tiêu chuẩn hóa theo d. Giá trị bước ren theo TCVN, mm: 0,5; 0,6; 0,7; 0,75; 0,8; 1,0; 1,25; 1,5; 1,75; 2,0; 2,5; 3,0; 3,5; 4,0. - Bước xoắn ốc p z : khoảng cách theo chiều trục giữa hai vòng ren kề nhau của cùng một mối ren. p z = z.p (z là số mối ren) - Đường kính ngoài d, mm, còn gọi là đường kính đỉnh ren, gía trị của d lấy theo dãy số tiêu chuẩn. Ví dụ: 2; 2,5; 3; 4; 5; 6; 8; 10; 12; (14); 16; 18; 20; (24); (27); 30; (33); 36; 42; 48; - Đường kính chân ren d1, mm, được tiêu chuẩn hóa theo d. Giáo trình Chi tiết máy 120 Hình 10.1: Mối ghép bulông (a), vít (b), vít cấy (c) Chương 10: Mối ghép ren - Đường kính trung bình d2, mm, 1 2 2 d d d + = 1 2 2 d d d + = - Chiều dài của thân bu lông l, mm, được lấy theo chiều dày của các tấm ghép. - Chiều dài đoạn cắt ren của bu lông l1, thường lấy l1≥ 2,5d. - Chiều cao mũ bu lông, ký hiệu là H1, mm, thường lấy H1 = (0,5 ÷ 0,7) d. - Chiều cao của đai ốc H, thường lấy H = (0,6 ÷ 0,8) d. - Tiết diện mặt cắt ngang của ren, có diện tích mặt cắt A, tiết diện của ren được tiêu chuẩn hoá. Ren hệ Mét, tiết diện ren là hình tam giác đều. Ren hệ Anh, tiết diện ren là hình tam giác cân, có góc ở đỉnh là 55 0 . - Chiều cao làm việc của tiết diện ren h, mm. - Góc nâng của đường xoắt vít, γ; ta có tgγ = 2 .d p z π . - Số đầu mối ren z, thường dùng ren một đầu mối. Ren một đầu mối có p z = p, Ren hai đầu mối có p z = 2p. 3. Các loại ren thường dùng a) Ren hệ mét: Có tiết diện tam giác đều. Ren hệ mét có 2 loại: ren bước lớn và ren bước nhỏ. - Ren bước lớn: lâu mòn hơn so với ren bước nhỏ, độ bền ren ít chịu ảnh hưởng của sai sót trong quá trình chế tạo. Ren hệ mét bước lớn ký hiệu bằng chữ M kèm theo con số chỉ đường kính ngoài của ren. Ví dụ: M14, M16, . . . - Ren bước nhỏ: so với ren bước lớn thì ren bước nhỏ có ưu điểm độ bền cao hơn vì có đường kính trong d 1 lớn hơn, khả năng tự hãm lớn hơn vì góc nâng ren γ nhỏ. Ren hệ mét bước nhỏ ký hiệu bằng chữ M kèm theo con số chỉ đường kính ngoài của ren và con số chỉ giá trị bước ren. Ví dụ: M10x0,75; M12x1; M22x2. . . . Giáo trình Chi tiết máy 121 Hình 10.2: Các thông số hình học mối ghép ren h p H 1 d d 1 l 1 l S 1 S 2 H d Hình 10.3: Ren hệ mét p Bulông Đai ốc Chương 10: Mối ghép ren b) Ren hệ Anh: Có tiết diện là tam giác cân, góc ở đỉnh α = 55 0 . Đường kính đo bằng đơn vị inches, bước ren được đặt trưng bằng số ren trên chiều dài 1 inch. c) Ren ống: Là loại ren hệ Anh bước nhỏ, dùng để ghép kín các ống, có hai loại: đỉnh bằng và đỉnh tròn. Ren đỉnh bằng dễ chế tạo, dùng trong các ống chịu áp suất nhỏ; ren đỉnh tròn tiếp xúc kín hơn, dùng trong các ống chịu áp suất lớn. d) Ren tròn: Dùng trong các tiết máy chịu tải trọng lớn, va đập, hoặc trong môi trường bẩn cần phải thường xuyên tháo lắp để vệ sinh. Do có bán kính nên ít có tập trung ứng suất. e) Ren vuông: Có tiết diện là hình vuông, α = 0 0 , có hiệu suất cao nhưng ít được sử dụng do khó chế tạo, độ bền không cao, khó khắc phục khe hở dọc trục sinh ra khi ren bị mòn. g) Ren hình thang cân: Có tiết diện là hình thang cân, α = 30 0 , có độ bền cao hơn ren vuông, dùng để truyền động và chịu tải hai chiều. h) Ren răng cưa: Có tiết diện hình thang không cân, được dùng trong truyền động một chiều. i) Ren côn: Được dùng để nối các đường ống, nút kín các hộp chứa dầu, đảm bảo không rò rỉ và không cần dùng thêm vòng đệm kín. 4. Các chi tiết máy dùng trong mối ghép ren - Bu lông, thường là thanh kim loại hình trụ, một đầu có ren để vặn với đai ốc, một đầu có mũ hình sáu cạnh hoặc hình vuông, để tra các chìa vặn xiết bu lông (Hình 10-6). Ren trên bu lông được gia công bằng bàn ren, tiện ren, hoặc cán ren. Giáo trình Chi tiết máy 122 Hình 10.4: Ren ống Đỉnh bằng Đỉnh tròn Hình 10.5: Ren răng cưa Bulông Đai ốc Chương 10: Mối ghép ren Bu lông được phân ra: bu lông thô, bu lông bán tinh, bu lông tinh, bu lông lắp có khe hở, bu lông lắp không có khe hở. Bu lông có ren hệ Mét và bu lông ren hệ Anh. Bu lông có ren trái, bu lông có ren phải. Bu lông là chi tiết máy được tiêu chuẩn hóa cao. - Vít, có hình dạng, kích thước tương tự như bu lông, chỉ khác ở phần mũ (Hình 10-7). Mũ vít có nhiều hình dạng, mũ vít được xẻ rãnh, hoặc làm lỗ 6 cạnh chìm để tra các chìa vặn. Vít cũng được tiêu chuẩn hóa. - Vít cấy: là thanh hình trụ, hai đầu có ren (Hình 10-8). Một đầu ren cấy vào lỗ ren của tấm ghép, đầu còn lại vặn với đai ốc. - Đai ốc có 6 cạnh, có ren trong (Hình 10-9). Ren trên đai ốc được gia công bằng ta rô, hoặc tiện. Đai ốc cũng được chia ra: đai ốc thô, đai ốc bán tinh và đai ốc tinh. - Vòng đệm, chủ yếu để bảo vệ bề mặt các tấm ghép không bị xước, một số đệm còn có tác dụng phòng lỏng. Các loại đệm thường dùng: đệm thường, đệm vênh, đệm gập, đệm cánh (Hình 10-10). Ngoài ra còn sử dụng chốt chẻ, dây buộc để hãm bulông, đai ốc. 5. Vật liệu của tiết máy có ren Vật liệu chủ yếu là thép cacbon thường, thép cacbon chất lượng tốt hoặc thép hợp kim. Đai ốc được chế tạo cùng loại vật liệu như bulông hoặc vật liệu có độ bền thấp hơn chút ít. 6. Ưu nhược điểm của mối ghép ren a) Ưu điểm: - Cấu tạo đơn giản. - Mối ghép bảo đảm. - Các kiểu ren đa dạng. Giáo trình Chi tiết máy 123 Hình 10.7: Vít Hình 10.6: Bulông Hình 10.8: Vít cấy Hình 10.9: Đai ốc Hình 10.10: Đệm thường, đệm vênh, đệm gập, đệm cánh Chương 10: Mối ghép ren - Có thể cố định các tiết máy ghép ở bất kỳ vị trí nào nhờ khả năng tự hãm. - Dễ tháo lắp, có thể tháo lắp nhiều lần. - Có thể chịu được lực dọc trục lớn. - Giá thành tương đối thấp do được tiêu chuẩn hóa và được chế tạo bằng các phương pháp có năng suất cao như cán ren. b) Nhược điểm: - Có tập trung ứng suất tại chân ren cho nên làm giảm độ bền mỏi của mối ghép. II. TÍNH BULÔNG (VÍT) 1. Các dạng hỏng của mối ghép ren và chỉ tiêu tính toán: - Khi siết chặt bu lông và đai ốc, các vòng ren của bu lông và đai ốc tiếp xúc với nhau. Các vòng ren của đai ốc chịu lực siết V. Các vòng ren trên bu lông chịu phản lực Ft (Hình 10-11). Trên mối ghép ren có thể xuất hiện các dạng hỏng sau: + Thân bu lông bị kéo đứt tại phần có ren, hoặc tại tiết diện sát mũ bu lông. Hoặc bị xoắn đứt trong quá trình siết đai ốc. + Các vòng ren bị hỏng do cắt đứt ren, dập bề mặt tiếp xúc, hoặc bị uốn gãy. Nếu tháo lắp nhiều lần, các vòng ren có thể bị mòn. + Mũ bu lông bị hỏng do dập bề mặt tiếp xúc, cắt đứt, hoặc bị uốn gãy. - Ngoại lực tác dụng gồm có lực dọc trục và lực ngang. Lực dọc trục có tác dụng giống như khi siết chặt bu lông và đai ốc. Lực ngang có tác dụng làm dập, cắt đứt thân bulông, làm dập lỗ lắp bulông hoặc cắt đứt tấm ghép. Kích thước của mối ghép bu lông đã được tiêu chuẩn hóa, các kích thước được tính theo đường kính d với một tỷ lệ nhất định trên cơ sở đảm bảo sức bền đều của các dạng hỏng. Do đó chỉ cần tính toán để hạn chế một dạng hỏng là các dạng hỏng khác cũng không xảy ra. - Các chỉ tiêu tính toán của bulông: + Tính và kiểm tra mối ghép ren theo điều kiện bền: σ ≤ [σ k ], dùng cho mối ghép ren ghép có khe hở. + Tính và kiểm tra mối ghép ren theo điều kiện cắt: τ ≤ [τ c ], dùng cho mối ghép ren ghép không có khe hở, chịu lực ngang là chủ yếu. Giáo trình Chi tiết máy 124 Hình 10.11: Lực tác dụng lên bulông và ren M x M x F t Chương 10: Mối ghép ren 2. Tính toán độ bền mối ghép bằng ren chịu tải trọng tĩnh a) Bulông lắp không có khe hở Trường hợp này cả thân bulông và lỗ đều được gia công chính xác. Lực tác dụng thẳng góc với đường tâm của bulông như trên hình (10.12) tạo nên ứng suất cắt và dập thân bulông. Đường kính thân bulông tính theo điều kiện độ bền cắt: d b ≥ c i Q ][ 4 τπ trong đó [τ] c ứng suất cắt cho phép của vật liệu làm bulông, [τ] c =(0,2-0,3)σ ch , σ ch là ứng suất chảy, tính theo N/mm 2 ; Q-lực tác dụng lên mối ghép, tính theo N; i-số mặt chịu cắt (trên hình 10.12, i=1); d b - đường kính thân bulông, mm. *Đường kính thân bulông tính theo độ bền dập: d b ≥ d Q ][ min σδ trong đó: δ min - chiều dày của tấm mỏng nhất trong các tấm ghép chịu dập cùng thân bulông, mm; [σ] d : ứng suất dập cho phép của vật liệu làm bulông, N/mm 2 -Thép cacbon lấy: [σ] d =(0,8-1) σ ch ; -Thép hợp kim lấy: [σ] d =(0,6-0,8) σ ch ; -Gang lấy: [σ] d =(0,6-0,8) σ bk (ứng suất bền kéo) σ ch và σ bk chọn theo bảng vật liệu. Đối với thép CT.3 có thể lấy σ ch =190-220 N/mm 2 . Đối với gang độ bền thấp, trung bình và cao lấy lần lượt bằng 12-15, 19- 21 và 26-32 N/mm 2 . b) Bulông lắp có khe hở * Trường hợp tải trọng thẳng góc với đường tâm (hình 10.13) Để chống trượt giữa các mặt tiếp xúc làm cong bulông thì cần phải siết bulông thật chặt để tạo nên lực căng V, sao cho : V= fi Q2,1 Trong đó: Q- tải trọng ngang hay lực trượt, N ; f-hệ số ma sát. Với các tấm ghép là gang hay thép thì f= 0,1-0,15 khi mặt trượt khô, f= 0,06 khi mặt trượt có dầu. Khi có phun cát hoặc các biện pháp khác làm tăng hệ số ma sát thì giá trị của f cũng tăng và được lấy theo sổ tay; i- số mặt trượt (trên hình 10.13, i=1); 1,2- hệ số an toàn. Giáo trình Chi tiết máy 125 Q ur Hình 10.12: Bulông lắp không có khe hở d b Q ur Hình 10.13: Bulông lắp có khe hở Q ur Q ur V ur Chương 10: Mối ghép ren *Tính đường kính bulông Sử dụng công thức: 1 3,1 F V ≤ [σ] tt hay [ ] tt V d σπ 3,1 2 1 ≥ ; d 1 là đường kính chân bulông. Trong đó: V là lực siết đai ốc; 1,3 là hệ số xét đến ảnh hưởng của mômen xoắn do xiết đai ốc sinh ra; F 1 là diện tích tiết diện bulông tại đường kính chân ren d 1 , với F 1 = 4 2 1 d π . Giá trị F 1 và d 1 đều có sẵn trong bảng chọn bulông tiêu chuẩn. [σ] tt là ứng suất tính toán, với [σ] tt = ][n ch σ (N/mm 2 ) ; σ ch là ứng suất chảy của vật liệu làm bulông (N/mm 2 ), lấy theo bảng trong sổ tay. [n] là hệ số an toàn cho phép, được chọn như sau: - Khi lực căng V có thể điều khiển được thì lấy [n]≈1,6 đối với bulông thép cacbon, [n] ≈2 đối với bulông thép hợp kim. - Khi lực căng V không thể điều khiển được thì [n] được chọn theo đường kính chân ren d 1 như trong bảng sau: Vật liệu làm bulông Giá trị [n] khi đường kính chân ren d 1 [mm] 6 - 16 > 16 - 30 > 30 - 60 Thép cacbon 5 - 4 4 - 2,5 2,5 - 1,7 Thép hợp kim 6,5 - 5 5 - 3,3 3,3 - 3 3. Ví dụ tính toán: Chọn đường kính bulông cho mối ghép như trên hình 10.13, chịu tải trọng ngang Q=1000N. Biết rằng các tấm ghép làm bằng thép, bề mặt tiếp xúc giữa chúng ở trạng thái khô. Bulông bằng thép CT.3 có ứng suất chảy σ ch = 210N/mm 2 , ren bước lớn. Tính cho trường hợp lực căng có thể điều khiển được. Giải: Để hai tấm ghép khỏi trượt lên nhau, ta cần tạo một lực căng V tính theo công thức: V= fi Q2,1 Ở đây số cặp mặt trượt là i=1. Hệ số ma sát f lấy bằng 0,12. Do đó: V= 112,0 10002,1 x x =10.000N Áp dụng công thức , ta tính được diện tích tiết diện bulông tại chân ren F 1 : F 1 = u V ][ 3,1 σ Vì lực căng V có thể điều khiển được nên lấy hệ số an toàn [n] = 1,6. Do đó ứng suất tính toán cho phép sẽ là: [σ] u = ][n ch σ = 6,1 210 =131,25N/mm 2 Giáo trình Chi tiết máy 126 Chương 10: Mối ghép ren Áp dụng công thức ta tính được diện tích tiết diện bulông tại chân ren F 1 : F 1 = u V ][ 3,1 σ = 25,131 10000.3,1 ≈ 99,05mm 2 Vì F 1 = 4 2 1 d π nên từ đó ta có thể tính ra đường kính chân ren d 1 : d 1 = π 1 4F = 14,3 05,99.4 ≈ 11,25mm Tra bảng tiêu chuẩn, ta chọn bulông bước lớn M14 có đường kính chân ren d 1 = 11,835 mm CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Phân loại các dạng ren của chi tiết bu lông, đai ốc. Ứng dụng đối với từng loại. 2. Ý nghĩa của việc tiêu chuẩn hóa đối với chi tiết bu lông, đai ốc. 3. Giải thích vì sao bu lông có bước ren càng nhỏ thì độ bền càng lớn, và khả năng tự hãm càng cao? BÀI TẬP : Đối với mối ghép như hình 10.14, biết: Q = 1000N; σ ch = 210N/mm 2 ; δ = 10mm. Tính đường kính thân bulông d b . Giáo trình Chi tiết máy 127 Hình 10.14: . và kiểm tra mối ghép ren theo điều kiện bền: σ ≤ [σ k ], dùng cho mối ghép ren ghép có khe hở. + Tính và kiểm tra mối ghép ren theo điều kiện cắt: τ ≤ [τ c ], dùng cho mối ghép ren ghép không. máy 119 Chương 10: Mối ghép ren I. ĐẠI CƯƠNG 1. Định nghĩa và phân loại ren: a) Định nghĩa: Mối ghép ren thuộc loại mối ghép tháo được, các tấm ghép được liên kết với nhau nhờ các chi tiết máy có ren, . Chương 10: Mối ghép ren Chương 10: (2 tiết) MỐI GHÉP REN MỤC TIÊU: Sau khi học xong bài học này, sinh viên có khả năng: - Phân biệt được các loại ren và ứng dụng. - Giải