Mối nối thực sự cần vòng đệm nào — Vòng đệm phẳng, lò xo, Belleville hay cách điện?

Mối nối có cần vòng đệm để phân bố tải không?

Hãy bắt đầu từ bề mặt tựa. Mặt dưới đầu bu lông truyền lực nén vào mối nối, và một bề mặt phẳng, nhẵn sẽ trải áp lực đó đều trong khi siết ¹⁴. Khi bề mặt đó nhám, biến dạng hoặc quá nhỏ so với ứng dụng, nó có thể đâm vào vật liệu và làm giảm lực siết trước theo thời gian — nhiệm vụ của vòng đệm là mở rộng diện tích tiếp xúc và bảo vệ bề mặt bị kẹp ¹⁴. Ở liên kết kết cấu, cùng cơ chế đó chạy theo chiều ngược lại: không có vòng đệm, đầu bu lông hoặc đai ốc cắn vào vật liệu, thu hẹp diện tích tựa hiệu dụng và làm tăng nguy cơ bị kéo xuyên (pull-through) ²³. Từ đó có một phép thử thực tiễn đầu tiên. Nếu vật liệu bị kẹp đủ mềm để bị lún dưới đầu bu lông, hoặc vết tiếp xúc nhỏ hơn nhu cầu của mối nối, thì vòng đệm phẳng đang làm việc thực sự chứ không phải thói quen. Các nguồn không công bố giá trị ứng suất tựa cho phép cũng như phương pháp tính để quyết định khi nào diện tích tiếp xúc đầu bu lông là không đủ, nên việc kiểm tra phải dựa trên tiêu chuẩn chi phối hoặc dữ liệu của vật liệu bị kẹp, chứ không phải từ bằng chứng này ^{14, 23}. Một ranh giới cần lưu ý trước khi bạn quyết định. Với liên kết kết cấu cường độ cao, tấm shim và vòng đệm không được phép theo các tiêu chuẩn hiện hành, và ảnh hưởng của chúng đến thiết kế liên kết phải được đánh giá và định lượng trước khi sử dụng ⁵. Đó là chế độ khác với các mối nối máy chung, và được đề cập trong bảng xung đột bên dưới.

Vòng đệm lò xo kẽ có tự mình gánh được trường hợp rung động không?

Vòng đệm lò xo kẽ chống việc lỏng do rung động bằng cách tạo lực căng giữa đầu bu lông và bề mặt, nhưng hiệu quả của nó thay đổi tùy ứng dụng và có thể không ngăn được hoàn toàn việc lỏng ³. Độ võng của nó rất hạn chế, và đó là lý do cơ học khiến nó không thể tiếp tục ấn chặt khi mối nối đã giãn ²². Hãy coi đó là một biện pháp trong nhiều biện pháp, chứ không phải câu trả lời cho mối nối rung động. Các phương án thay thế đánh đổi khác nhau. Lớp phủ ren (thread patch) được tạo sẵn và làm giảm đáng kể việc lỏng, đặc biệt hiệu quả trong ứng dụng rung động cao, nhưng hầu hết bu lông có lớp phủ không thể siết lại mà không làm lớp phủ mòn đi ³. Ke khóa ren cho khả năng chống rung mà không giảm ma sát như chất chống kẹt ren (anti-seize); loại tím cho phép tháo rời trong khi loại đỏ tạo thành lắp ráp vĩnh viễn cần gia nhiệt để tháo ¹⁹. Đai ốc chèn nylon giữ được khả năng khóa đến 121°C và còn giúp bịt ren chống rò rỉ dầu, nước, xăng và dầu hỏa ¹⁷. Vậy lựa chọn phụ thuộc vào khả năng tái sử dụng và nhiệt độ chứ không phải thứ hạng. Nếu mối nối được bảo trì nhiều lần, lớp phủ mòn đi khi siết lại là lựa chọn kém phù hợp; nếu nhiệt độ làm việc tiến đến giới hạn của nylon, đai ốc chèn là thiết bị sai ^{3, 17}. Các nguồn không cung cấp dữ liệu thử nghiệm so sánh định lượng vòng đệm lò xo với ke khóa ren, đai ốc chèn nylon hoặc mép bích có răng, nên không thể rút ra thứ hạng hiệu quả từ bằng chứng này ³.

Khi nào mối nối cần vòng đệm Belleville?

Vòng đệm Belleville, còn gọi là lò xo đĩa hoặc vòng đệm lò xo côn, có hình nón cạn. Việc siết bu lông làm san phẳng dần hình nón và nó đẩy ngược lại bằng lực lò xo, nên khi mối nối lỏng hoặc khe hở mở ra — do trôi (creep) hoặc đệm lắng xuống — vòng đệm giãn ra để lấy hết độ hở và tiếp tục ấn chặt mối nối ²². Đó là hành vi lò xo lực không đổi mà vòng đệm phẳng hay lò xo kẽ không tái tạo được, vì độ võng của vòng đệm lò xo kẽ rất hạn chế ²². Logic lựa chọn xuất phát từ đó. Một vòng Belleville được chọn đúng sẽ tạo lực siết trước cao hơn một chút so với tải kẹp tối thiểu mong muốn, nên lò xo vẫn còn ăn khớp kể cả khi bu lông giãn ²⁷. Điều này quan trọng vì lực siết trước phải vượt tải làm việc của mối nối; lực siết trước quá ít mời gọi lỏng do rung động, mỏi, tách mối nối và trượt, trong khi quá nhiều có thể làm bu lông chảy và góp phần gây nứt do ăn mòn ứng suất ^{8, 18}. Vòng đệm Belleville cho bu lông được chuẩn hóa theo DIN 6796, với DIN 2093 bao quát lò xo đĩa nói chung, và thường bằng thép lò xo hoặc thép hợp kim được tôi ram, có cả inox và hợp kim chịu nhiệt ²⁷. Ở nơi mối nối giữ ổn định — không trôi, không đệm, không chu kỳ nhiệt — tác dụng lò xo không mang lại gì và vòng đệm phẳng đã phủ trường hợp bề mặt tựa. Ở nơi mối nối giãn theo thời gian, Belleville là loại được thiết kế để bù lại. Các nguồn không cho đường cong tải–độ võng và không có quy trình chọn cỡ từng bước cho một lực siết trước bu lông và độ cứng mối nối cụ thể, nên việc chọn cỡ phải đến từ tiêu chuẩn hoặc nhà cung cấp ²⁷.

Mối nối có cần cách điện không, và vòng đệm có chịu được không?

Trong lắp ráp nhiều vật liệu, câu trả lời thường là bộ lắp nối cách điện thay vì đổi sang hợp kim khác. Vòng đệm, ống bọc, vòng đệm chặn và vòng đệm làm kín ghép bản bằng vật liệu phi kim ngắt sự tiếp nối điện và giữ ẩm khỏi giao diện, điều này có thể hiệu quả hơn việc chỉ đổi vật liệu chi tiết liên kết ⁹. Cơ chế rất đơn giản: ăn mòn điện hóa cần một mạch, và việc chèn vòng đệm, ống lót hoặc đệm không dẫn điện giữa hai kim loại sẽ ngắt mạch đó ²⁹. Đây là trường hợp liên quan khi bắt aluminium vào thép, inox vào aluminium, hoặc tôn có lớp phủ vào phần cứng quý hơn ⁹. Cơ chế hư hỏng cần thiết kế phòng ngừa chính là bản thân vòng đệm. Các chi tiết cách điện phải chịu được nén, nhiệt độ, tia UV và tiếp xúc hóa học; nếu ống lót nứt hoặc vòng đệm bị chảy lạnh (cold-flow) dưới lực siết trước, tiếp xúc kim loại–kim loại quay lại và hoạt động điện hóa tiếp diễn ⁹. Sự thay đổi chiều dày bộ lắp do vòng đệm thêm vào cũng ảnh hưởng đến tải kẹp và phản ứng mô-men xoắn, nên mối nối phải được kiểm tra lại chứ không thể được coi là không thay đổi ⁹. Hai giới hạn được áp dụng. Vòng đệm điện môi và ống bọc bu lông có thể đạt cách ly hoàn toàn bu lông, nhưng mọi vật liệu điện môi cần được đánh giá độ tương thích với điều kiện tải, và với liên kết cường độ cao, shim và vòng đệm không được phép theo các tiêu chuẩn hiện hành ⁵. Các nguồn không chỉ rõ vật liệu điện môi nào phù hợp điều kiện tải và nhiệt độ nào, cũng không đưa ra quy tắc chung khi nào cách ly là bắt buộc thay vì tùy chọn ^{9, 5}.

Kiểm tra tương thích vật liệu và lớp phủ trước khi phát hành BOM

Vòng đệm là một phần của bộ vật liệu, và bộ đó quyết định mối nối bị ăn mòn hay kẹt ren. Cùng họ vật liệu với độ cứng tương đương là trường hợp mặc định: không có thế điện hóa, không có nguy kẹt ren, chỉ cần lưu ý cấp độ bền của chi tiết liên kết phù hợp với tải của mối nối ¹¹. Khi vật liệu khác nhau, khớp theo một con số là không đủ — inox A4-80 và cấp 8.8 cùng có độ bền kéo danh nghĩa 800 MPa, nhưng giới hạn chảy, độ dẻo, độ cứng, ma sát, phản ứng khi siết, hành vi kẹt ren và yêu cầu về đai ốc, vòng đệm tương thích của chúng đều có thể khác nhau ²⁵. Chất bôi trơn và lớp phủ mang theo quy tắc tương thích riêng. Chất chống kẹt gốc đồng thúc đẩy ăn mòn điện hóa giữa các kim loại khác nhau và không bao giờ dùng trên chi tiết aluminium hay với chi tiết liên kết mạ kẽm; công thức gốc nikel ngăn kẹt ren trên inox mà không có lo ngại điện hóa đó ¹⁹. Chi tiết liên kết mạ kẽm tiếp xúc với gỗ xử lý áp lực hiện đại bị ăn mòn nhanh, và mạ kẽm nhúng nóng hoặc inox là phương án được chỉ định ở đó ²³. Riêng với vòng đệm, phép kiểm tra thực tiễn là vật liệu và độ cứng của nó đặt hợp lý trước cả bu lông lẫn vật liệu bị kẹp. Các nguồn không cho giá trị độ cứng vòng đệm cụ thể so với bu lông và vật liệu bị kẹp, nên phép so sánh đó phải dựa trên tiêu chuẩn hoặc dữ liệu của nhà cung cấp ²⁵.

Xác nhận kích thước theo tiêu chuẩn trước khi đặt hàng

Tầng bằng chứng không có bảng kích thước cho vòng đệm phẳng, lò xo kẽ hay vòng đệm rộng (fender), nên đường kính trong, đường kính ngoài và độ dày không thể đọc từ các nguồn này. Vòng đệm Belleville là loại duy nhất có mốc kích thước được nêu tên: DIN 6796 cho vòng đệm lò xo côn trong liên kết bu lông, và DIN 2093 cho lò xo đĩa nói chung ²⁷. Mọi thứ còn lại phải được xác minh theo tiêu chuẩn chi phối và khe hở thực tế giữa bu lông và lỗ.

• Xác nhận đường kính trong của vòng đệm thoát thân bu lông và khớp tiêu chuẩn ghi trên bản vẽ ²⁷.
• Xác nhận đường kính ngoài phù hợp bề mặt bị kẹp và khe hở lỗ, vì không có giới hạn ứng suất tựa nào được công bố ở đây ¹⁴.
• Xác nhận độ dày theo tiêu chuẩn, vì thay đổi chiều dày bộ lắp ảnh hưởng đến tải kẹp và phản ứng mô-men xoắn ⁹.
• Với vòng đệm Belleville, xác minh kích thước và đặc tính tải theo DIN 6796 hoặc DIN 2093 ²⁷.
• Xác nhận vật liệu và độ cứng của vòng đệm trước bu lông và vật liệu bị kẹp, vì không có giá trị độ cứng nào được đưa ra ở đây ²⁵.

Mua vòng đệm: hàng tồn chuẩn hay đặt riêng

Tính sẵn có có thể quan trọng ngang giá đơn vị. Với hoạt động xây dựng, một dự án bị chậm vì nhà cung cấp hết hàng tốn kém hơn nhiều so với vài xu mỗi chi tiết liên kết ²⁸. Đó là cách chính nhà cung cấp đặt ra vấn đề đánh đổi, và nó chỉ ra phép kiểm tra đáng làm: kích thước và lớp hoàn thiện bạn quy định có sẵn trong kho hay phải sản xuất. Lựa chọn lớp hoàn thiện cùng nằm trong quyết định đó. Mạ kẽm điện phân đắt gấp đôi phosphat và dầu nhưng cho khả năng chống ăn mòn cao hơn, và yêu cầu mạ kẽm phổ biến nhất là ASTM B633 Type II SC2 ở 8 µm ²⁶. Khi cần kích thước, vật liệu hoặc lớp hoàn thiện không chuẩn, một số nhà cung cấp cung cấp sản phẩm đặc biệt bao gồm sản xuất số lượng nhỏ và chi tiết chế tạo theo bản vẽ ¹⁷. Bằng chứng không cho chênh lệch giá đơn vị giữa các loại vòng đệm, chi phí khuôn cho vòng đệm đặt riêng, số lượng đặt hàng tối thiểu hay thời gian giao hàng, nên các con số đó phải lấy từ báo giá ^{26, 17}.

Nơi các nguồn bất đồng về vòng đệm trong liên kết kết cấu cường độ cao

Hai quan điểm dưới đây không thể hòa giải từ bằng chứng này. Một bên coi vòng đệm là biện pháp phân bố tải và bảo vệ bề mặt; bên kia coi nó là thứ tiêu chuẩn chi phối có thể cấm trong liên kết cường độ cao, điều này làm thay đổi ảnh hưởng thiết kế và lắp đặt phải được định lượng trước khi dùng ^{14, 23, 5}. Người mua phải xác định mối nối thuộc chế độ nào trước khi quy định vòng đệm ở đó.

Câu hỏi thường gặp

Trang liên quan

• Bu lông đầu tròn cổ vuông (carriage bolt) cho mối nối gỗ và kim loại-gỗ: Khi nào cổ vuông là lựa chọn đúng
• Tải thử so với giới hạn chảy và độ bền kéo trong lựa chọn bu lông: Những gì bộ bằng chứng xác định
• Lựa chọn cấp bền bu lông: ISO 898-1 8.8/10.9/12.9 so với ASTM A307 và A325
• Chi tiết liên kết có ren so với snap-fit, đinh tán và keo dán: bằng chứng có thể kết luận được gì trước khi bạn ra chỉ định
• Zinc flake đối đầu kẽm-niken cho bu lông cường độ cao: Bằng chứng khẳng định điều gì về hydro, phun muối, ma sát và tiêu chuẩn