Hầu hết lò xo trong máy móc chịu tải theo chu kỳ — nén-nhả, đóng-mở liên tục hàng nghìn tới hàng triệu lần trong vòng đời sử dụng. Kiểm tra bền tĩnh một lần theo công thức ứng suất cắt là chưa đủ — mỏi (fatigue) mới là cơ chế hỏng chi phối tuổi thọ thực tế của lò xo, đúng nguyên tắc "tải mỏi nguy hiểm hơn tải tĩnh" đã nêu ở bài chi tiết máy.
Ứng suất trung bình và ứng suất biên độ
Khi lò xo chịu tải chu kỳ dao động giữa hai giá trị lực (ví dụ từ lực nén nhỏ nhất tới lực nén lớn nhất trong một chu kỳ đóng-mở van), ứng suất cắt tương ứng cũng dao động và được phân tích thành hai thành phần:
- Ứng suất trung bình (mean stress): giá trị trung bình giữa ứng suất lớn nhất và nhỏ nhất trong chu kỳ.
- Ứng suất biên độ (alternating/amplitude stress): một nửa hiệu số giữa ứng suất lớn nhất và nhỏ nhất — phần dao động quanh giá trị trung bình.
Biểu đồ Goodman
Biểu đồ Goodman (một dạng biểu đồ Haigh) biểu diễn vùng an toàn mỏi trên hệ trục ứng suất trung bình (trục hoành) và ứng suất biên độ (trục tung). Đường giới hạn Goodman nối điểm giới hạn mỏi thuần túy (ứng suất trung bình bằng 0) với điểm độ bền kéo tới hạn (ứng suất biên độ bằng 0) — điểm làm việc thực tế của lò xo phải nằm trong vùng an toàn phía dưới đường này thì mới đảm bảo tuổi thọ mỏi thiết kế.
Thiết kế lò xo cho tải chu kỳ hiện đại thường dùng giới hạn mỏi xác định qua thử nghiệm theo phương pháp Zimmerli (cho dây lò xo thép) kết hợp tiêu chí Goodman, thay vì chỉ dựa vào độ bền kéo tĩnh — vì giới hạn mỏi thực tế của dây lò xo thường thấp hơn đáng kể so với độ bền kéo tĩnh, đặc biệt khi bề mặt dây có khuyết tật nhỏ (vết xước, ăn mòn điểm).
Ý nghĩa thực hành
- Chất lượng bề mặt dây quan trọng ngang vật liệu: vết nứt mỏi hầu như luôn khởi phát từ bề mặt — dây lò xo chất lượng cao thường được xử lý bề mặt (phun bi tăng bền — shot peening) để tạo ứng suất dư nén trên bề mặt, kéo dài tuổi thọ mỏi đáng kể so với dây cùng vật liệu không xử lý.
- Biên độ tải càng lớn, tuổi thọ càng ngắn: giảm biên độ dao động lực tác động (ví dụ dùng lò xo có độ cứng thấp hơn nhưng hành trình dài hơn cho cùng lực) có thể kéo dài tuổi thọ mỏi hiệu quả hơn tăng đường kính dây.
- Không thể suy luận tuổi thọ mỏi chỉ từ ứng suất tĩnh: hai lò xo có cùng ứng suất cắt tĩnh lớn nhất nhưng khác biên độ dao động có thể có tuổi thọ mỏi chênh lệch hàng chục lần.
Thuật ngữ
- Ứng suất trung bình (mean stress): giá trị trung tâm của chu kỳ ứng suất dao động.
- Ứng suất biên độ (alternating stress): biên độ dao động quanh ứng suất trung bình trong một chu kỳ tải.
- Phun bi tăng bền (shot peening): xử lý cơ học bắn hạt nhỏ vào bề mặt tạo ứng suất dư nén, cải thiện độ bền mỏi.
Tài liệu tham khảo
- MechanixCalc, DIN 2089 Calculator — Helical Spring Rate, Stress & Fatigue (tiêu chí Zimmerli–Goodman, biểu đồ Haigh): https://www.mechanixcalc.com/standards/din-2089