Gần như tất cả các sản phẩm kỹ thuật có độ phức tạp khác nhau đều sử dụng renốc vít. So với hầu hết các phương pháp kết nối khác, ưu điểm chính của ốc vít có ren là chúng có thể được tháo rời và tái sử dụng.
Tính năng này thường là lý do tại sao ốc vít có ren được ưa thích hơn các phương pháp kết nối khác và chúng thường đóng một vai trò quan trọng trong việc duy trì tính toàn vẹn cấu trúc của sản phẩm.
Tuy nhiên, chúng cũng là nguyên nhân chính gây ra các vấn đề trong máy móc và các bộ phận khác. Nguyên nhân của những vấn đề này nằm ở cơ chế-tự nới lỏng của chúng. Cơ chế tự-nới lỏng này từ lâu đã là một vấn đề và trong hơn 150 năm qua, các nhà thiết kế đã phát triển các phương pháp để ngăn chặn sự cố này xảy ra.
Nhiều loại phương pháp khóa phổ biến dành cho ốc vít có ren đã được phát minh cách đây hơn 100 năm, tuy nhiên, chỉ trong những năm gần đây, người ta mới hiểu được cơ chế chính dẫn đến việc tự{1}}tự nới lỏng. Có nhiều cơ chế có thể khiến các ốc vít có ren bị lỏng, có thể chia thành nới lỏng xoay và nới lỏng-không quay.
Nới lỏng xoay và không{0}}xoay
Trong phần lớn các ứng dụng, các ốc vít có ren được siết chặt và áp dụng tải trước cho kết nối. Nới lỏng có thể được hiểu là hiện tượng mất tải trước sau khi quá trình siết chặt hoàn tất. Điều này có thể xảy ra theo hai cách:
Nới lỏng quay, thường được gọi là tự nới lỏng, đề cập đến sự quay của dây buộc dưới tác động của tải trọng bên ngoài.
Nới lỏng không{0}}xoay đề cập đến việc mất tải trước mà không có chuyển động tương đối giữa ren trong và ren ngoài.
Nới lỏng dây buộc do không-nới lỏng quay
Hiện tượng lỏng-không quay có thể xảy ra do biến dạng của dây buộc hoặc các bộ phận được kết nối sau khi lắp ráp. Đây là kết quả của sự sụp đổ nhựa một phần của các giao diện này.
Hình ảnh phóng to của bề mặt thô tiếp xúc
Khi hai bề mặt tiếp xúc với nhau, mỗi bề mặt chịu tải trọng bề mặt ổ trục. Bởi vì diện tích tiếp xúc thực tế nhỏ hơn nhiều so với diện tích bề mặt, ngay cả khi chịu tải vừa phải, ứng suất cục bộ rất cao vẫn liên tục tồn tại, vượt quá giới hạn chảy của vật liệu.
Điều này có thể dẫn đến sụp đổ một phần bề mặt sau khi hoàn thành thao tác siết chặt; sự sụp đổ này thường được gọi là sự nhúng.
Lượng lực kẹp bị mất do bị chôn vùi phụ thuộc vào độ cứng của bu lông và các bộ phận được kết nối, số lượng bề mặt tiếp xúc có trong mối nối, độ nhám bề mặt và ứng suất bề mặt ổ trục tác dụng.
Trong điều kiện ứng suất bề mặt vừa phải, lực bám thường gây ra tổn thất lực kẹp khoảng 1% đến 5% trong vòng vài giây đầu tiên sau khi mối nối được siết chặt. Sau đó, khi mối nối chịu tác dụng của tải trọng động, lực kẹp có thể giảm thêm do sự thay đổi áp suất xảy ra trên bề mặt tiếp xúc của mối nối.
Nếu ứng suất chịu lực bề mặt được giữ dưới cường độ chảy nén của vật liệu thành phần được kết nối thì lượng tổn thất do chôn lấp có thể được tính toán và bù đắp trong thiết kế kết nối.
Lý thuyết về khả năng tự buộc dây buộc của Junker-Nới lỏng
Năm 1969, Gerhard Junker đã sử dụng kết quả kiểm tra kỹ thuật để hỗ trợ lý thuyết của mình về lý do tại sao các ốc vít có ren tự động lỏng ra. Phát hiện quan trọng của ông là khi xảy ra chuyển động tương đối giữa các ren đối xứng và giữa bề mặt chịu lực của dây buộc và vật liệu kẹp, dây buộc được nạp trước sẽ lỏng ra do chuyển động quay.
Người ta cũng nhận thấy rằng tải trọng động ngang gây ra hiện tượng lỏng lẻo nghiêm trọng hơn tải trọng động dọc trục. Lý do là chuyển động hướng tâm dưới tác dụng của tải trọng dọc trục nhỏ hơn đáng kể so với chuyển động hướng tâm khi chịu tải trọng ngang.
Chuyển động ngang của các kết nối bắt vít
Junker đã chỉ ra rằng dây buộc được nạp sẵn sẽ tự-nới lỏng khi xảy ra chuyển động tương đối giữa các ren tiếp giáp và bề mặt chịu lực của dây buộc. Điều này xảy ra khi lực ngang tác dụng lên khớp lớn hơn lực ma sát do tải trọng trước của bu lông tạo ra.
Đối với các chuyển vị ngang nhỏ, chuyển động tương đối có thể xảy ra giữa các mặt ren và bề mặt tiếp xúc của ổ trục. Sau khi khắc phục được khe hở ren, bu lông sẽ chịu lực uốn và nếu trượt ngang vẫn tiếp tục xảy ra hiện tượng trượt ở bề mặt ổ trục dưới đầu bu lông.
Sau khi bắt đầu, sẽ tạm thời không có ma sát ở ren và dưới đầu bu lông. Mômen xoắn tự nới lỏng được tạo ra bởi tải trước tác động lên góc xoắn của ren gây ra chuyển động quay tương ứng giữa đai ốc và bu lông. Dưới các chuyển động ngang lặp đi lặp lại, cơ chế này có thể khiến dây buộc bị lỏng hoàn toàn.
Để nghiên cứu nguyên nhân khiến dây buộc bị lỏng, Junker đã phát triển một máy thử nghiệm như minh họa trong hình bên dưới để định lượng hiệu quả chống lỏng của các thiết kế dây buộc.
Máy kiểm tra dây buộc Junker
Vòng bi được sử dụng để loại bỏ hiệu ứng ma sát giữa các tấm chuyển động và cố định. Khi chuyển động ngang được áp dụng từ tấm chuyển động kẹp đai ốc, cảm biến tải trọng sẽ liên tục theo dõi tải trọng của bu lông.
So với các tiêu chuẩn kiểm tra độ rung thông thường, sự mất tải trước có thể được đo trong quá trình thử nghiệm và có thể vẽ biểu đồ về tải trước so với số chu kỳ.
Nguyên lý của máy Junker là chuyển vị ngang do cam tạo ra làm cho dây buộc dao động, thắng lực ma sát của dây buộc tạo ra sự lỏng lẻo.
Ảnh chụp màn hình của Máy kiểm tra Junker
Đường cong nới lỏng thử nghiệm rung Junker
Thông qua thử nghiệm Junker, có thể so sánh hiệu suất của nhiều thiết kế chống nới lỏng dây buộc khác nhau. Trong hai thập kỷ qua, một số lượng lớn nghiên cứu về các thiết kế chống lỏng-dây buộc hiện có đã được hoàn thành để so sánh các đặc tính chống-năng lỏng của chúng.
Để so sánh hiệu quả, điều quan trọng là phải sử dụng cùng biên độ rung vì điều này có tác động đáng kể đến kết quả. Hình dưới đây thể hiện kết quả thử nghiệm điển hình của vòng đệm lò xo.
Thử nghiệm cho thấy rằng việc đặt vòng đệm lò xo xoắn ốc dưới đầu bu lông thực sự đã làm tăng tốc độ nới lỏng. Những người khác cũng đã chứng minh rằng việc sử dụng các vòng đệm như vậy có hiệu quả tương tự như việc sử dụng bu lông mà không có bất kỳ thiết bị khóa nào.
Nhiều OEM lớn nhận thức được những phát hiện này nên không còn chỉ định những vòng đệm như vậy trong tiêu chuẩn nội bộ của họ nữa.
Nhiều thiết bị khóa được sử dụng cho ốc vít có ren dựa trên việc ngăn chặn chuyển động tương đối giữa các ren (ví dụ: đai ốc khóa nylon) hoặc chuyển động tương đối giữa bề mặt ổ trục và các bộ phận được kết nối (ví dụ: các loại vòng đệm "khóa" khác nhau).
Tuy nhiên, cả Junker và các nhà nghiên cứu tiếp theo khác đều chỉ ra tầm quan trọng của việc ngăn chặn chuyển động ngang của khớp: thiết kế kết nối bu lông phù hợp đảm bảo rằng lực kẹp của bu lông đủ để ngăn chặn chuyển động ngang thông qua ma sát của các tấm kết nối, do đó tránh bị lỏng.
Trong giai đoạn thiết kế, điều này có thể đạt được bằng cách chọn kích thước và độ bền của dây buộc thích hợp để tải trước có thể tạo ra đủ ma sát để chống lại chuyển động của khớp do tải trọng bên ngoài gây ra.
Kết luận của Vít Jun
Nguyên nhân cơ bản của việc lỏng dây buộc ren là do chuyển động của khớp, đặc biệt là sự trượt ngang củaren bu lôngvà các bề mặt chịu lực. Nếu bu lông có thể nhận đủ tải trước để ngăn chặn chuyển động của khớp thì không cần thiết bị khóa vì ma sát sẽ giữ các bộ phận lại với nhau.
Vấn đề chính trong thiết kế dây buộc có ren là đảm bảo rằng tải trước đủ để giữ các bộ phận chắc chắn với nhau khi có thay đổi về điều kiện ma sát.
Biểu đồ này cho thấy ảnh hưởng của sự thay đổi ma sát lên tải trước của bu lông.
Chìa khóa để ngăn chặn việc nới lỏng là cung cấp đủ tải trước cho bu-lông
Nói chung, các mối nối phải được thiết kế dựa trên tải trước tối thiểu được tạo ra ở hệ số ma sát tối đa; thiết kế sử dụng giá trị tải trước trung bình sẽ dẫn đến nới lỏng nhiềubu lông.
Đồng thời, cũng cần xét đến tổn hao trước tải do chôn lấp. Để hạn chế mức độ chôn vùi, cần đảm bảo phạm vi ứng suất tối đa mà vật liệu được kẹp có thể chịu được.
Trong trường hợp không thể ngăn chặn chuyển động của khớp, ví dụ, khi có sự giãn nở nhiệt thì phải quy định một thiết bị khóa có khả năng đã được chứng minh.
