Sau khi xác định chỉ số lò xo C và hệ số Wahl, bước tiếp theo là tính ứng suất cắt lớn nhất trong dây. Trả lời trực tiếp: τ = K·8FD/(πd³) — ứng suất tăng TUYẾN TÍNH theo lực và đường kính vòng, nhưng giảm theo LŨY THỪA BẬC 3 của đường kính dây — tăng nhẹ đường kính dây giảm ứng suất rất nhanh, là lý do tăng đường kính dây thường là giải pháp đầu tiên khi lò xo quá tải. Ứng suất cho phép ước lượng bằng khoảng MỘT NỬA độ bền kéo vật liệu (τ cho phép ≈ 0,5×độ bền kéo) — độ bền kéo phụ thuộc cả mác vật liệu VÀ đường kính dây cụ thể (dây càng mảnh, độ bền kéo do kéo nguội càng cao), cần tra bảng vật liệu tiêu chuẩn (ví dụ EN 10270) chứ không dùng một giá trị cố định.
Công thức ứng suất cắt đã hiệu chỉnh Wahl
τ = K · 8FD / (πd³)
Trong đó:
- τ: ứng suất cắt lớn nhất tại mặt trong cuộn dây (MPa).
- K: hệ số Wahl, tính từ chỉ số lò xo C (xem bài trước).
- F: lực tác động lên lò xo (N).
- D: đường kính trung bình vòng lò xo (mm).
- d: đường kính dây (mm).
Công thức cho thấy ứng suất tăng tuyến tính theo lực và đường kính vòng, nhưng giảm theo lũy thừa bậc 3 của đường kính dây — tăng nhẹ đường kính dây giảm ứng suất rất nhanh, là lý do vì sao tăng đường kính dây thường là giải pháp đầu tiên khi lò xo bị quá tải.
Ứng suất cho phép
Ứng suất cắt cho phép của dây lò xo thường lấy bằng khoảng một nửa độ bền kéo của vật liệu:
τ cho phép ≈ 0,5 × độ bền kéo dây
Độ bền kéo dây lò xo phụ thuộc mác vật liệu VÀ đường kính dây cụ thể (dây càng mảnh, độ bền kéo do kéo nguội càng cao) — tra theo bảng vật liệu tiêu chuẩn tương ứng (ví dụ EN 10270 cho dây thép lò xo châu Âu) thay vì dùng một giá trị cố định cho mọi đường kính.
Hệ số an toàn
Thiết kế lò xo an toàn khi:
τ (ứng suất thực tế) < τ cho phép
với hệ số an toàn phù hợp mục đích sử dụng — lò xo chịu tải tĩnh một lần có thể chấp nhận hệ số an toàn thấp hơn lò xo chịu tải chu kỳ hàng triệu lần (xem độ bền mỏi lò xo — bài toán mỏi là bài toán khác, nghiêm ngặt hơn nhiều so với kiểm tra bền tĩnh một lần).
Bảng ảnh hưởng các yếu tố tới ứng suất cắt
| Yếu tố | Ảnh hưởng tới τ |
|---|---|
| Lực F | Tăng tuyến tính |
| Đường kính vòng D | Tăng tuyến tính |
| Đường kính dây d | Giảm theo lũy thừa bậc 3 |
FAQ
Công thức ứng suất cắt lò xo τ=K·8FD/(πd³) cho thấy điều gì quan trọng? Ứng suất tăng tuyến tính theo lực F và đường kính vòng D, nhưng giảm theo lũy thừa bậc 3 của đường kính dây d — tăng nhẹ đường kính dây giảm ứng suất rất nhanh.
Ứng suất cho phép của dây lò xo ước lượng thế nào? Khoảng một nửa độ bền kéo của vật liệu (τ cho phép ≈ 0,5×độ bền kéo) — nhưng độ bền kéo cụ thể cần tra bảng vật liệu tiêu chuẩn theo đúng đường kính dây, không dùng một giá trị cố định.
Vì sao độ bền kéo dây lò xo phụ thuộc cả đường kính dây? Dây càng mảnh, độ bền kéo do kéo nguội càng cao — không phải một giá trị cố định cho mọi đường kính dù cùng mác thép.
Giải pháp đầu tiên khi lò xo bị quá tải là gì? Tăng đường kính dây — vì ứng suất giảm theo lũy thừa bậc 3 của đường kính dây, hiệu quả hơn nhiều so với các điều chỉnh khác.
Thuật ngữ
- Ứng suất cắt (shear stress): ứng suất do lực tác động vuông góc với trục dây gây ra, đại lượng chính kiểm soát độ bền lò xo xoắn ốc.
- Độ bền kéo (tensile strength): ứng suất kéo lớn nhất vật liệu chịu được trước khi đứt, dùng làm cơ sở tính ứng suất cắt cho phép.
Tài liệu tham khảo
- MechanixCalc, DIN 2089 Calculator — Helical Spring Rate, Stress & Fatigue: https://www.mechanixcalc.com/standards/din-2089
Xem thêm trong chủ đề này: tần số dao động riêng và hiện tượng surge ở lò xo → · thiết kế trục → · kích thước then và rãnh then → · bạc lót: phân loại và vật liệu (đồng, babbitt, nhựa kỹ thuật) → · dung sai lắp ghép trục — bạc lót → · vật liệu và nhiệt luyện trục → · chọn mối ghép → · nguyên lý mối ghép rivet (đinh tán) → · cấp bền bu lông theo TCVN 1916 → · lò xo cơ khí → · thiết kế trục theo độ bền → · lắp ổ lăn lên trục & vào gối → · tốc độ tới hạn của trục & rung động do mất cân bằng → · cân bằng động và tĩnh → · cơ học mối ghép ren → · ổ đỡ chặn → · hệ số an toàn & ứng suất cho phép → · mỏi chi tiết máy → · dao động cưỡng bức hệ 1 bậc tự do → · mối ghép độ dôi (ép căng) →