Tính toán mô men xoắn bu lông: Công thức, hệ số tới hạn và ví dụ thực tế

Bu lông bị gãy khi siết chặt và khớp bị lỏng sau vài tuần sử dụng là hai dạng hư hỏng trái ngược nhau có cùng nguyên nhân gốc rễ: mối quan hệ không đáng tin cậy giữa mô-men xoắn tác dụng lên cờ lê và lực kẹp thực tế được tạo ra trong khớp. Công thức tiêu chuẩn T = K × D × F chuyển đổi mô-men xoắn thành tải trước của bu lông, nhưng độ chính xác của việc chuyển đổi đó phụ thuộc gần như hoàn toàn vào hai đầu vào: tải trọng kẹp mục tiêu và hệ số đai ốc K. Làm đúng hai điều đó và mô-men xoắn được tính toán sẽ tạo ra khớp nối luôn chặt mà không đẩy bu-lông về phía chảy. Nếu hiểu sai, cách cài đặt cờ lê tương tự sẽ làm gãy bu-lông hoặc khiến kết nối bị lỏng một cách nguy hiểm. Bài viết này giải thích cách tính toán, các biến quyết định độ chính xác của nó và cách quản lý các biến đó trong công việc sản xuất và bảo trì thực tế.

Công thức mômen bu-lông tiêu chuẩn hoạt động như thế nào

Mọi tính toán mômen bu lông thông thường đều sử dụng cùng một mối quan hệ:

T = K × D × F

Ở đâu:

• T là mô men xoắn tác dụng, tính bằng newton-mét (N·m) hoặc pound-feet (lbf·ft).
• K là hệ số đai ốc, hay hệ số mô men xoắn, một giá trị không thứ nguyên biểu thị tác động kết hợp của hình dạng ma sát và ren.
• D là đường kính bu lông danh nghĩa, tính bằng mét hoặc inch.
• F là tải trước mục tiêu, lực kẹp tính bằng newton hoặc lực pound mà bu lông phải tạo ra trong mối nối.

Chỉ có khoảng 10 đến 16 phần trăm mô-men xoắn tác dụng lên cờ lê trở thành lực kẹp. Phần còn lại được tiêu hao bởi ma sát dưới đầu bu lông, ma sát giữa các ren tham gia và tác động nêm của chuỗi xoắn ren. Hệ số hạt tồn tại để nắm bắt tất cả những tổn thất đó bằng một con số thực nghiệm duy nhất. Nó không phải là hằng số vật chất và không thể tra cứu một lần và sử dụng lại ở mọi nơi. Đó là sai lầm phổ biến nhất trong tính toán mômen bu lông.

Đặt tải trước mục tiêu (F)

Tải trước mục tiêu là lực thực sự giữ khớp lại với nhau. Nó phải đủ cao để giữ cho mối nối luôn đóng khi chịu tải trọng làm việc, nhưng đủ thấp để duy trì dưới cường độ chảy của vật liệu bu lông. Cách tiếp cận tiêu chuẩn là làm việc dựa trên tải trọng cố định của bu lông.

Tải trọng bằng chứng = cường độ bằng chứng × diện tích ứng suất kéo (A _s )

Đối với hầu hết các mối nối kết cấu và máy móc, tải trước mục tiêu được đặt ở mức 75% tải trọng thử đối với các mối nối không cố định và lên đến 90% đối với các mối nối cố định mà bu lông sẽ không được tháo ra. Các khớp nối đệm thường ở mức từ 50 đến 60 phần trăm để bảo vệ vòng đệm khỏi bị nén quá mức.

Cấp độ bền xác định mức độ chịu tải của bu lông trước khi bị biến dạng vĩnh viễn. Bu lông cấp 8,8 có cường độ kiểm chứng khoảng 580 MPa, cấp 10,9 khoảng 830 MPa và cấp 12,9 khoảng 970 MPa. Các cấp cao hơn cho phép tải trước cao hơn ở cùng một kích thước bu lông, nhưng chúng cũng làm cho việc siết chặt chính xác trở nên quan trọng hơn vì khoảng cách giữa tải trước mục tiêu và điểm chảy dẻo thu hẹp lại.

Tìm hiểu yếu tố hạt (K)

Hệ số đai ốc là nguồn không chắc chắn lớn nhất trong bất kỳ phép tính mô men xoắn nào của bu lông. Kích thước bu lông và tải trước mục tiêu có thể được xác định với độ tin cậy hợp lý, nhưng K thay đổi khi xử lý bề mặt, bôi trơn, dung sai ren, tốc độ siết chặt và thậm chí cả số lần sử dụng dây buộc. Một sự thay đổi nhỏ về K sẽ tạo ra một sự thay đổi lớn về mô-men xoắn cần thiết để đạt được cùng một tải kẹp.

Các phạm vi này là điểm bắt đầu, không phải giá trị được đảm bảo. Độ dày lớp mạ, loại chất bôi trơn và độ hoàn thiện ren đều ảnh hưởng đến kết quả của một lô ốc vít cụ thể. Một nhà sản xuất kiểm soát quá trình phủ và ren của riêng mình có thể cung cấp hướng dẫn mô-men xoắn dựa trên các bộ phận sản xuất thực tế, an toàn hơn đáng kể so với việc dựa vào một bảng chung.

Ví dụ tính toán mô-men xoắn bu-lông từng bước

Hãy xem xét một bu lông M10 x 1.5 cấp 8.8, mạ kẽm và bôi trơn nhẹ, lắp đặt trong mối nối kết cấu không cố định. Việc tính toán tiến hành theo năm bước.

1. Xác định diện tích ứng suất kéo. Đối với ren thô M10, A _s = 58,0mm ² .
2. Tìm độ bền chứng minh của vật liệu. Lớp 8,8 có độ bền khoảng 580 N/mm ² .
3. Tính tải trọng thử: 580 × 58,0 = 33.640 N, hay khoảng 33,6 kN.
4. Đặt tải trước mục tiêu ở mức 75 phần trăm tải thử: 0,75 × 33.640 = 25.230 N.
5. Chọn hệ số đai ốc cho điều kiện bề mặt thực tế. Đối với dây buộc mạ kẽm được bôi trơn nhẹ, K = 0,20 là giá trị hợp lý. Khi đó T = 0,20 × 0,010 m × 25.230 N = 50,5 N·m.

Mô-men xoắn tính toán là khoảng 50 N·m. Bây giờ lặp lại bước cuối cùng với K = 0,30, giá trị này thực tế đối với cùng một bu lông mạ kẽm ở điều kiện khô ráo: T = 0,30 × 0,010 × 25.230 = 75,7 N·m. Mô-men xoắn tăng 50 phần trăm mặc dù tải kẹp mục tiêu không thay đổi. Đây là lý do tại sao việc sao chép giá trị mô-men xoắn từ biểu đồ chung là rất rủi ro; cùng một bu lông có thể yêu cầu cài đặt mô-men xoắn rất khác nhau tùy thuộc vào cách nó được phủ và bôi trơn.

Các tổ hợp máy móc sử dụng bu lông đầu lục giác cấp 8,8 oxit đen tuân theo cùng một đường tính toán, nhưng lớp phủ làm thay đổi hệ số đai ốc. Bu lông oxit đen có màng dầu nhẹ thường nằm trong khoảng 0,15 đến 0,20, điều này làm giảm mô-men xoắn cần thiết cho cùng một tải trước.

Bu lông đầu lục giác toàn ren oxit đen cấp 8,8 để tải trước có kiểm soát Những bu lông đầu lục giác này sử dụng lớp phủ oxit đen làm thay đổi hệ số đai ốc đến khoảng 0,15–0,20 bằng dầu nhẹ, cho phép tính toán mô-men xoắn đến tải trước chính xác. Hãy xem xét chúng khi điều kiện lắp ráp và hiệu ứng lớp phủ quan trọng. Xem sản phẩm →

Các biến thực tế làm thay đổi mô-men xoắn cần thiết

Ngay cả giá trị mô-men xoắn được tính toán chính xác cũng có thể bị hỏng trên dây chuyền lắp ráp nếu các điều kiện lắp đặt không được kiểm soát. Các yếu tố sau đây thường xuyên khiến tải kẹp đo được khác với giá trị tính toán.

• Bôi trơn là biến có ảnh hưởng nhất. Sự thay đổi từ điều kiện khô sang điều kiện bôi dầu nhẹ có thể giảm K từ 0,10 trở lên, điều này dẫn đến giảm 25 đến 40 phần trăm mô-men xoắn cần thiết cho cùng tải trước.
• Quá trình phủ quan trọng. Lớp mạ kẽm được sản xuất trên các dây chuyền khác nhau có đặc tính ma sát khác nhau và các bộ phận được mạ mới sẽ có đặc tính khác với các bộ phận được bảo quản trong nhiều tuần.
• Bu lông được tái sử dụng sẽ tạo ra ma sát ren cao hơn, do đó K sẽ trôi lên trên ở lần lắp đặt thứ hai và thứ ba. Nhiều quy trình chất lượng giới hạn số chu kỳ tái sử dụng đối với ốc vít có độ bền cao.
• Nhúng thư giãn tiếp tục sau khi thắt chặt. Mối nối lắng xuống độ nhám bề mặt và tải trước giảm xuống trong những giờ sử dụng đầu tiên. Các mối nối quan trọng có thể cần phải siết chặt lại hoặc tải trước ban đầu cao hơn một cách có chủ ý.
• Độ chính xác của công cụ giới hạn toàn bộ quá trình. Cờ lê lực đã hiệu chỉnh thường có độ chính xác trong khoảng 3 đến 5 phần trăm, trong khi cờ lê tác động có thể vượt quá 30 phần trăm hoặc hơn.

Rung động là một vấn đề riêng biệt mà chỉ mô-men xoắn không thể giải quyết được. Nếu khớp mất tải trước khi làm việc mặc dù có mô men xoắn ban đầu chính xác thì nguyên nhân thường là trượt hoặc uốn mà ma sát không thể cưỡng lại. Hiểu biết tại sao bu lông lục giác bị lỏng trong quá trình sử dụng giúp tách vấn đề tải trước khỏi vấn đề thiết kế chung.

Điều chỉnh tính toán cho các thiết kế dây buộc đặc biệt

Các bảng tiêu chuẩn bao gồm các bu lông lục giác thông thường, nhưng nhiều ứng dụng công nghiệp sử dụng các ốc vít không hoạt động giống như bu lông tiêu chuẩn. Ba nhóm chỉ ra nơi tính toán phải được điều chỉnh.

Bu lông mặt bích có kết cấu chống trượt

Bu lông mặt bích phân phối áp lực kẹp trên một khu vực chịu lực rộng hơn, giúp giảm tổn thất do nhúng và cải thiện khả năng duy trì tải trước. Kết cấu chống trượt tăng thêm ma sát chống lại sự xoay và làm cho mối nối ổn định hơn dưới tải trọng động. Công thức mô-men xoắn vẫn được áp dụng, nhưng hệ số đai ốc phải được thiết lập cho hình dạng mặt bích thực tế và xử lý bề mặt. Ví dụ điển hình là bu lông mặt bích mạ kẽm cấp 10.9 có kết cấu chống trượt và thông số mô-men xoắn của nó phải đến từ các thử nghiệm trên bề mặt mạ thực thay vì từ biểu đồ bu lông lục giác.

Bu lông mặt bích mạ kẽm lớp 10.9 có kết cấu chống trượt Bu lông mặt bích phân phối áp lực kẹp trên một khu vực chịu lực rộng hơn và kết cấu chống trượt giúp tăng thêm ma sát để ổn định khớp dưới tải trọng động. Ví dụ này nêu bật lý do tại sao thông số mô-men xoắn phải được xác nhận trên bề mặt mạ thực tế. Xem sản phẩm →

Bu lông quang điện cường độ cao

Các cấu trúc gắn quang điện thường sử dụng bu lông cấp 12,9 vì độ bền cao mang lại khả năng kẹp chắc chắn trong kích thước nhỏ gọn. Phạm vi tính toán thực tế rất hẹp: ở mức 75% tải trọng thử, bu-lông 12,9 được ứng suất tới khoảng 970 MPa và việc siết quá chặt từ 10 đến 15% có thể đẩy vật liệu tới mức chảy dẻo. Hệ số đai ốc đã được xác minh và các công cụ hiệu chỉnh là rất cần thiết trong ứng dụng này. Bu lông cày cổ vuông đầu vuông mạ kẽm loại 12,9 được sử dụng trong các cấu trúc PV là một minh họa điển hình về các ốc vít yêu cầu mức độ kiểm soát này.

Bu lông cày cổ vuông mạ kẽm lớp 12,9 Bu lông máy cày 12,9 cường độ cao chịu ứng suất gần 970 MPa với tải trọng kiểm chứng 75%, yêu cầu hệ số đai ốc được xác minh và các công cụ hiệu chỉnh. Thiết kế cổ vuông chìm của chúng phù hợp với các cấu trúc gắn quang điện trong đó việc kẹp chính xác là rất quan trọng. Xem sản phẩm →

Vít ống dầu rỗng

Bu lông rỗng, chẳng hạn như vít ống dầu có đường dẫn bên trong, có tiết diện hiệu dụng giảm. Diện tích ứng suất kéo của bu lông đặc có cùng kích thước danh nghĩa đánh giá quá cao khả năng chịu tải, do đó phép tính tiêu chuẩn tạo ra tải trước không an toàn. Diện tích ứng suất thực tế của phần rỗng phải được đo hoặc phải thực hiện kiểm tra độ bền kéo trước khi có thể tin cậy được thông số mô-men xoắn.

Khuyến nghị cuối cùng về thông số kỹ thuật mô-men xoắn đáng tin cậy

Bắt đầu mọi tính toán mômen xoắn của bu lông từ tải trọng thử của vật liệu bu lông chứ không phải từ giá trị biểu đồ. Xác định tải trước mục tiêu từ cấp độ bu lông và vùng ứng suất, chọn hệ số đai ốc phù hợp với trạng thái lớp phủ và bôi trơn chính xác, đồng thời xác nhận kết quả trên một lô mẫu bất cứ khi nào mối nối có liên quan đến an toàn.

Đối với các khớp quan trọng, việc điều khiển góc mô-men xoắn đáng tin cậy hơn so với chỉ điều khiển mô-men xoắn. Chạy dây buộc đến mô-men xoắn thấp, sau đó đẩy đai ốc theo một góc quay xác định. Phương pháp này phụ thuộc ít hơn vào hệ số đai ốc và tạo ra tải trước ổn định hơn trong các biến thể thông thường của lớp phủ và bôi trơn.

Khi một dự án yêu cầu hình dạng đầu không đạt tiêu chuẩn, dạng ren đặc biệt hoặc cấp độ bền ngoài các bảng chung, các công thức tiêu chuẩn sẽ mất đi cơ sở. Vào thời điểm đó, con đường nhanh nhất để có được thông số kỹ thuật đáng tin cậy là làm việc trực tiếp với nhà sản xuất dây buộc. Đối với các dự án cần sản xuất dây buộc tùy chỉnh , thảo luận về thiết kế với nhà máy là con đường ngắn nhất để đạt được thông số mô-men xoắn hoạt động trên sàn sản xuất.