VDI 2230 Phần 1 là tài liệu tính mối ghép bulong được dùng rộng rãi nhất trong cơ khí chính xác và ngành ô tô. Nó không phải bảng tra mà là một trình tự tính gồm 14 bước, ký hiệu R0 đến R13. Bài này không thay thế tiêu chuẩn — bản gốc dài hàng trăm trang — mà giải thích những bước cốt lõi để người đọc hiểu tiêu chuẩn đang kiểm soát cái gì, và vì sao một mối ghép "tính bằng cảm giác" thường sai ở đâu.
| Bước | Nội dung |
|---|---|
| R0 | Ước lượng sơ bộ đường kính bulong (bảng tra nhanh của tiêu chuẩn, chỉ để có điểm xuất phát). |
| R1 | Lực kẹp cần thiết FKerf: chống trượt, chống hở, làm kín. |
| R2 | Chia tải: xác định hệ số tải Φ từ độ mềm của bulong và của chi tiết bị kẹp. |
| R3 | Tổn thất lún bề mặt FZ. |
| R4 | Lực kẹp nhỏ nhất và lớn nhất, đưa hệ số siết αA vào. |
| R5–R7 | Mô men siết; kiểm ứng suất tương đương lúc siết và khi có tải làm việc. |
| R8 | Kiểm bền mỏi theo biên độ ứng suất thay đổi. |
| R9 | Kiểm áp lực mặt tựa dưới mũ bulong và dưới đai ốc. |
| R10 | Kiểm chiều sâu ăn khớp ren tối thiểu. |
| R11–R13 | Kiểm trượt ngang, kiểm biến dạng, và bổ sung nếu mối ghép lệch tâm. |
Bước đầu tiên trả lời: mối ghép cần ít nhất bao nhiêu lực kẹp để làm đúng nhiệm vụ? Ba nguồn yêu cầu:
Lấy giá trị lớn nhất trong ba yêu cầu. Đây là chỗ nhiều người tính sai theo hướng nguy hiểm: chỉ kiểm bulong chịu được tải kéo hay không, mà quên rằng mối ghép không được phép tiến tới trạng thái bulong phải chịu tải trực tiếp.
Khi tải ngoài FA tác dụng lên một mối ghép đã kẹp, nó không cộng thẳng vào lực bulong. Bulong nhận thêm một phần, phần còn lại thể hiện ở việc chi tiết bị kẹp giãn nén bớt. Tỉ lệ chia do độ mềm quyết định:
Φ = δP / (δS + δP) — với δS là độ mềm của bulong, δP độ mềm của chi tiết bị kẹp.
Với mối ghép thép điển hình, Φ thường rơi vào khoảng 0,1 đến 0,3: bulong chỉ nhận 10–30% biên độ tải ngoài. Đây chính là cơ chế chống mỏi của ứng suất trước — và nó chỉ hoạt động khi mặt bích còn ép chặt. Ngay khi lực kẹp không đủ và mặt bích hé mở, Φ nhảy lên 1,0: bulong nhận trọn 100% tải dao động. Đường cong tuổi thọ mỏi rơi thẳng đứng ở đúng thời điểm đó.
Hệ quả thiết kế ngược đời nhưng rất quan trọng: muốn mối ghép chịu mỏi tốt hơn, hãy làm bulong mềm hơn — dùng bulong dài hơn, hoặc bulong thân thắt (waisted). Bulong mềm thì δS lớn, Φ nhỏ, phần tải dao động rơi vào bulong ít đi. Đó là lý do bulong tay biên và bulong nắp máy trong động cơ thường dài và mảnh chứ không ngắn và to.
Không bề mặt nào phẳng tuyệt đối. Sau khi siết, các đỉnh nhấp nhô ở ren, dưới mũ bulong, ở mọi mặt phân giới bị nén phẳng dần. Bulong ngắn lại một chút, và vì bulong là lò xo rất cứng, một đoạn ngắn lại rất nhỏ cũng làm mất nhiều lực kẹp.
VDI 2230 cho tổn thất lún theo từng mặt tiếp xúc, ở bậc vài micromet mỗi mặt khi độ nhám Rz nhỏ hơn 10 µm, tăng lên khi bề mặt nhám hơn hoặc khi tải là cắt thay vì kéo. Tra bảng 5.4 của chính tiêu chuẩn cho trường hợp cụ thể. Ước lượng thực tế: một mối ghép có ren, mặt mũ, mặt đai ốc và hai mặt phân giới trong thì tổng lún vào cỡ 10–15 µm.
Tổn thất lực kẹp tương ứng: FZ = fZ / (δS + δP). Với bulong ngắn, δS nhỏ nên FZ lớn — có trường hợp mất trên 20% lực kẹp chỉ vì lún. Với bulong dài thì tổn thất tương đối nhỏ đi rõ rệt. Lại một lần nữa, bulong dài hơn cho mối ghép ổn định hơn.
Bước này nối phần lý thuyết với thực tế công trường. Lực kẹp nhỏ nhất và lớn nhất chênh nhau theo hệ số siết αA của phương pháp: cỡ 1,6–1,8 cho cần lực cơ khí, tiến gần 1,0 cho siết theo góc hoặc căng thủy lực (chi tiết trong bài ba cách siết bulong). Cách dùng:
Nếu hai điều kiện không cùng thỏa mãn, mối ghép không giải được bằng bulong đang chọn: phải lên cỡ, tăng số bulong, hoặc — thường là rẻ nhất — đổi sang phương pháp siết có αA nhỏ hơn.
Bulong cấp 12.9 lắp lên tấm nhôm hay gang không hỏng ở bulong mà hỏng ở vật liệu dưới mũ: mặt tựa lún, lực kẹp mất dần rồi mối ghép lỏng. Bước R9 so sánh áp lực dưới mũ với áp lực giới hạn của vật liệu bị kẹp. Khi không đạt, giải pháp là vòng đệm bản rộng, mũ bích, hoặc hạ lực kẹp và bù bằng nhiều bulong hơn.
Ren trong vật liệu mềm phải ăn khớp sâu hơn ren trong thép để trờn ren không xảy ra trước khi bulong đứt. Chi tiết và các con số ở bài số vòng ren ăn khớp tối thiểu.
Không phải mối ghép nào cũng cần 14 bước. Dùng bảng tra lực siết là đủ cho phần lớn công việc lắp đặt và cơ khí thông thường. Nên tính đầy đủ khi có ít nhất một trong các dấu hiệu:
Trong các trường hợp ấy, giá trị lớn nhất của tiêu chuẩn không nằm ở con số cuối cùng mà ở chỗ nó buộc người tính phải viết ra mọi giả thiết — ma sát, độ mềm, phương pháp siết, tổn thất — và giả thiết viết ra được thì kiểm tra được.
Không. VDI 2230 là hướng dẫn kỹ thuật của hiệp hội kỹ sư Đức, không phải quy chuẩn bắt buộc. Nhưng nó được nhiều hãng máy châu Âu và ngành ô tô lấy làm chuẩn tính toán, nên bản vẽ nhập khẩu thường viện dẫn nó. Với kết cấu thép xây dựng thì chuẩn tính thường là EN 1993-1-8 hoặc TCVN tương ứng, không phải VDI 2230.
Là tỉ lệ phần tải ngoài mà bulong thực sự phải gánh. Φ = 0,2 nghĩa là khi tải ngoài tăng 10 kN thì lực trong bulong chỉ tăng 2 kN, 8 kN còn lại thể hiện ở việc các chi tiết bị kẹp bớt bị nén. Đây là lý do mối ghép siết đủ chặt chịu mỏi tốt hơn nhiều so với mối ghép lỏng.
Bulong dài mềm hơn nên nhận ít biên độ tải dao động hơn (Φ nhỏ), đồng thời chịu được tổn thất lún bề mặt tốt hơn vì cùng một vài micromet lún làm mất ít lực kẹp hơn. Trong thiết kế, thêm bạc lót để kéo dài chiều dài kẹp là thủ thuật quen thuộc khi mối ghép ngắn hay bị lỏng.
Có, và đó là cách xử lý thông thường. Lún xảy ra chủ yếu trong những giờ và những chu kỳ tải đầu tiên, nên siết lượt hai sau khi thiết bị chạy thử sẽ khôi phục phần lực kẹp đã mất. Với mối ghép có gioăng mềm hoặc bề mặt sơn dày, bước siết lại nên được đưa hẳn vào quy trình nghiệm thu.