Hai mối ghép nhìn giống hệt nhau — cùng bulong M20 cấp 8.8, cùng hai tấm thép — nhưng nếu một cái truyền lực dọc trục bulong còn cái kia truyền lực ngang, thì cách tính, cách chọn và cách siết đều khác nhau. Nhầm lẫn giữa hai trường hợp này là nguyên nhân của nhiều hỏng hóc mà nhìn bề ngoài rất khó hiểu: bulong đủ cấp bền, đủ số lượng, vẫn đứt hoặc vẫn để kết cấu xê dịch.
Tải ngoài tác dụng dọc theo trục bulong, có xu hướng tách hai chi tiết ra. Ví dụ điển hình: bích ống chịu áp suất, nắp xy-lanh, chân đế bơm chịu lực nhổ.
Nguyên tắc thiết kế trung tâm là lực kẹp phải lớn hơn tải kéo lớn nhất, để mặt tiếp xúc không bao giờ hé mở. Như đã phân tích ở bài tính mối ghép theo VDI 2230, khi mặt bích còn ép chặt thì bulong chỉ nhận 10–30% biên độ tải ngoài (hệ số tải Φ). Ngay khi hé mở, con số ấy nhảy lên 100% và tuổi thọ mỏi sụp đổ.
Vậy nên câu "bulong M20 8.8 chịu được 150 kN nên tải 100 kN là an toàn" là cách nghĩ sai. Đúng phải là: lực kẹp ban đầu phải lớn hơn 100 kN, và bulong phải chịu được lực kẹp ấy cộng với phần tải nó nhận thêm.
Tải tác dụng vuông góc với trục bulong, có xu hướng làm hai tấm trượt lên nhau. Ở đây EN 1993-1-8 phân biệt rõ hai cơ chế truyền lực, và đây là chỗ nhiều bản thiết kế lẫn lộn.
Lực ngang được truyền bằng ma sát giữa hai bề mặt tấm, do lực kẹp của bulong tạo ra. Bulong không hề chạm vào thành lỗ; nó chỉ làm nhiệm vụ ép. Khả năng chống trượt:
Fs = n × μ × Fp,C — với n số mặt ma sát, μ hệ số ma sát trượt của bề mặt, Fp,C lực kẹp dự ứng lực.
EN 1993-1-8 phân loại bề mặt để lấy μ: bề mặt phun bi làm sạch tới cấp cao lấy 0,50; phun bi và sơn kẽm silicat lấy 0,40; làm sạch bằng bàn chải thép lấy 0,30; bề mặt chưa xử lý lấy 0,20. Chênh lệch giữa đầu và cuối thang là hai lần rưỡi — xử lý bề mặt ở đây quan trọng ngang với cỡ bulong.
Điều kiện áp dụng: liên kết ma sát bắt buộc dùng bulong dự ứng lực siết có kiểm soát (theo EN 1090-2), thường là cấp 8.8 hoặc 10.9 với quy trình siết mô men – góc. Siết bằng cảm giác thì cơ chế ma sát không tồn tại và liên kết âm thầm chuyển sang kiểu tì ép mà không ai tính cho nó.
Chấp nhận hai tấm trượt một chút cho tới khi thân bulong tì vào thành lỗ, rồi lực truyền qua thân bulong chịu cắt và thành lỗ chịu ép mặt. Cần kiểm hai điều kiện:
Suy ra một quy tắc chọn hàng rất thực tế: nếu mối ghép chịu cắt kiểu tì ép, hãy chọn bulong ren lửng theo ISO 4014 và tính chiều dài sao cho phần thân trơn đi hết qua mặt cắt. Dùng bulong ren suốt ISO 4017 cho vị trí ấy là tự nguyện giảm khả năng chịu cắt và đặt mặt cắt vào đúng chỗ có rãnh ren tập trung ứng suất.
Mối ghép tì ép luôn cần một khe hở lắp ráp giữa bulong và lỗ. Dưới tải ngang dao động, khe hở ấy cho phép vi trượt — dịch chuyển tương đối rất nhỏ, lặp đi lặp lại. Ba hậu quả:
Vì thế trong máy móc, giải pháp đúng gần như luôn là: bulong lo lực kẹp, chi tiết khác lo định vị. Cụ thể là chốt định vị lắp chặt trong lỗ doa để nhận lực ngang, hoặc bulong định vị có đoạn thân tinh chế đúng dung sai. Bulong thường không được thiết kế để làm chốt.
Nhiều liên kết thực tế chịu đồng thời cả hai. EN 1993-1-8 xử lý bằng công thức tương tác: tỉ số sử dụng theo cắt cộng với tỉ số sử dụng theo kéo (có hệ số) phải nhỏ hơn hoặc bằng 1. Với liên kết ma sát, tải kéo còn có tác dụng phụ nguy hiểm hơn: nó làm giảm chính lực kẹp đang tạo ra ma sát. Kéo càng lớn, khả năng chống trượt càng nhỏ — hai hiệu ứng cộng dồn theo hướng bất lợi, và tiêu chuẩn giảm khả năng chống trượt tương ứng.
| Tiêu chí | Chịu kéo | Chịu cắt — ma sát | Chịu cắt — tì ép |
|---|---|---|---|
| Lực truyền qua | Lực kẹp dọc trục | Ma sát giữa hai mặt tấm | Thân bulong + thành lỗ |
| Lực kẹp quan trọng? | Quyết định | Quyết định | Thứ yếu về mặt truyền lực |
| Xử lý bề mặt | Ít ảnh hưởng | Rất quan trọng (μ 0,20 – 0,50) | Ít ảnh hưởng |
| Kiểu bulong nên dùng | Ren suốt hay ren lửng đều được | Bulong dự ứng lực, siết kiểm soát | Ren lửng ISO 4014, thân trơn qua mặt cắt |
| Chịu rung tốt không | Tốt nếu lực kẹp đủ | Tốt | Kém — nên thêm chốt định vị |
| Dấu hiệu hỏng | Bulong đứt do mỏi ở chân ren | Kết cấu trượt, bulong vẫn nguyên | Lỗ bị ovan, bulong cong hoặc cắt |
Được, nhưng phải tính đúng cơ chế. Liên kết kết cấu thép loại tì ép cho bulong chịu cắt trực tiếp và EN 1993-1-8 có công thức cho việc đó. Điều nên tránh là để bulong chịu cắt trong môi trường rung động mà không có chốt định vị, vì khe hở lắp ráp sinh vi trượt làm mối ghép tự lỏng và mòn fretting.
Hai lý do. Diện tích chịu cắt ở phần ren là diện tích chịu kéo A_s, nhỏ hơn tiết diện thân trơn khoảng 15–20%. Ngoài ra EN 1993-1-8 hạ hệ số α_v từ 0,6 xuống 0,5 cho bulong cấp 10.9 khi mặt cắt qua ren. Cộng lại, khả năng chịu cắt giảm đáng kể, chưa kể chân ren là vùng tập trung ứng suất.
Liên kết ma sát đòi hỏi xử lý bề mặt tiếp xúc đúng cấp (phun bi, không sơn phủ tùy tiện) và siết bulong dự ứng lực có kiểm soát, có ghi hồ sơ. Liên kết tì ép chỉ cần siết chặt bình thường vì lực truyền qua thân bulong. Sơn lên mặt tiếp xúc của một liên kết ma sát là lỗi thi công nghiêm trọng dù nhìn bề ngoài rất gọn gàng.
Khi có tải ngang dao động và vị trí tương đối giữa hai chi tiết phải chính xác: bệ máy, hộp giảm tốc, khuôn, đồ gá. Chốt lắp trong lỗ doa không có khe hở nên nhận lực ngang mà không cho vi trượt, còn bulong chỉ lo lực kẹp. Đây là cách tách chức năng chuẩn mực trong thiết kế máy.