Mối ghép độ dôi (interference fit / ép căng) truyền lực hoàn toàn nhờ ma sát sinh ra từ áp suất tiếp xúc giữa trục và lỗ — không cần then, chốt hay các chi tiết ghép cơ khí khác. Áp suất này đến từ độ dôi δ (đường kính trục lớn hơn đường kính lỗ một chút trước khi ép).
Vì sao mối ghép độ dôi truyền được lực
Gọi δ = d_trục − d_lỗ (độ dôi, đường kính trục danh nghĩa lớn hơn lỗ). Khi ép trục vào lỗ (hoặc nong lỗ ra để lắp trục), cả hai chi tiết biến dạng đàn hồi để "nhường chỗ" cho nhau — biến dạng đàn hồi này sinh ra một áp suất tiếp xúc p giữa 2 bề mặt. Áp suất này, nhân với hệ số ma sát, tạo ra lực ma sát đủ lớn để truyền mô-men xoắn và/hoặc lực dọc trục mà không cần liên kết cơ khí bổ sung.
Tính áp suất tiếp xúc (bài toán ống dày — Lamé)
Với mô hình ống dày (thick-walled cylinder) theo lý thuyết Lamé, áp suất tiếp xúc liên hệ với độ dôi qua độ cứng vững đàn hồi tương đối của trục và moay ơ (bạc/bánh răng bao ngoài):
p = δ / [d·((C_moayơ/E) + (C_trục/E))]
với d là đường kính danh nghĩa mối ghép, E là mô-đun đàn hồi vật liệu, C_moayơ và C_trục là các hệ số hình học phụ thuộc đường kính ngoài/trong của moay ơ và trục (dạng rút gọn đơn giản hơn khi trục đặc và cùng vật liệu với moay ơ). Trong thực tế thiết kế, độ nhám bề mặt của cả 2 chi tiết cũng làm giảm độ dôi hiệu dụng thực tế so với độ dôi danh nghĩa đo được — cần hiệu chỉnh khi tính chính xác.
Mô-men và lực dọc truyền được
Từ áp suất tiếp xúc p, mô-men xoắn tối đa truyền được (trước khi trượt) và lực dọc trục tối đa (trước khi tuột) tính theo:
M = μ·p·π·d·L·(d/2)
F = μ·p·π·d·L
với μ là hệ số ma sát giữa 2 bề mặt ép, L là chiều dài mối ghép. Cả 2 công thức đều tuyến tính theo áp suất p, hệ số ma sát μ và diện tích tiếp xúc (π·d·L) — tăng bất kỳ đại lượng nào trong 3 yếu tố này đều tăng khả năng truyền lực/mô-men.
Kiểm bền moay ơ
Áp suất tiếp xúc p càng lớn thì moay ơ (vòng ngoài) càng chịu ứng suất vòng (hoop stress) lớn — nếu p quá lớn, moay ơ có thể chảy dẻo hoặc nứt trước khi đạt được mối ghép mong muốn. Việc kiểm bền moay ơ đòi hỏi tính ứng suất tiếp xúc thực tế và so với giới hạn chảy của vật liệu theo đúng lý thuyết Lamé đầy đủ — cần tra chuẩn thiết kế cơ khí, không dùng số trong bài này làm cơ sở thiết kế trực tiếp cho kết cấu chịu tải quan trọng.
Lắp ép nguội và lắp ép nóng/lạnh
- Lắp ép nguội (cold press fit): dùng lực cơ học trực tiếp (máy ép thủy lực) đẩy trục vào lỗ ở nhiệt độ phòng — lực ép cần thiết xấp xỉ F_ép = μ·p·π·d·L (cùng công thức lực dọc ở trên, vì bản chất là thắng ma sát trong quá trình lắp). Phương pháp đơn giản nhưng có thể làm xước bề mặt tiếp xúc nếu không có biện pháp dẫn hướng/bôi trơn phù hợp.
- Lắp ép nóng (shrink fit): nung nóng moay ơ để nó giãn nở, tạo khe hở tạm thời đủ để lắp trục vào dễ dàng, sau đó để nguội tự nhiên — moay ơ co lại ôm chặt trục, tạo độ dôi thiết kế. Độ chênh nhiệt độ cần thiết ước tính: ΔT ≈ (δ + khe lắp)/(α·d), với α là hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu moay ơ.
- Lắp ép lạnh (cold shrink fit): ngược lại, làm lạnh trục (thường bằng nitơ lỏng) để trục co lại, dễ dàng lắp vào lỗ, sau đó để trục ấm trở lại nhiệt độ phòng và giãn nở ra để tạo độ dôi.
Cả 2 phương pháp nhiệt (ép nóng/lạnh) tránh được nguy cơ xước bề mặt do ma sát trực tiếp khi ép cơ học, thường cho chất lượng mối ghép đồng đều hơn ép nguội.
So với mối ghép then
Mối ghép độ dôi có độ dôi ĐỦ LỚN có thể truyền mô-men mà không cần then — phù hợp khi cần bề mặt trục/lỗ trơn nhẵn (không có rãnh gây tập trung ứng suất) hoặc cần độ đồng tâm rất cao. Tuy nhiên với tải va đập hoặc tải thay đổi đột ngột, mối ghép độ dôi đơn thuần có thể không đủ tin cậy — thực tế thường kết hợp cả độ dôi và then để vừa có bề mặt truyền lực phân bố đều (độ dôi) vừa có phần tử cơ khí dự phòng chắc chắn (then) khi tải va đập vượt dự tính. Xem thêm then và mối ghép then.
Liên hệ với bài khác
Cấp lắp chặt cụ thể (H7/p6, H7/s6...) tra tại tra dung sai lắp ghép theo hệ lỗ – hệ trục — bài này không lặp lại bảng dung sai. Lắp ổ lăn (một dạng mối ghép có độ dôi kiểm soát riêng theo tiêu chuẩn ổ) xem ở lắp ghép ổ lăn lên trục và gối.
FAQ
Độ dôi δ thường có giá trị bao lâu so với đường kính trục? Tỉ lệ δ/d điển hình trong thực tế cơ khí thường nằm trong khoảng rất nhỏ, cỡ một phần nghìn đường kính (ví dụ δ/d≈0,001–0,003) — độ dôi lớn hơn nhiều so với mức này có nguy cơ gây ứng suất vượt giới hạn bền của moay ơ.
Tại sao lắp ép nóng lại tránh được nguy cơ xước bề mặt mà lắp ép nguội có thể gặp? Vì lắp ép nóng tạo ra khe hở TẠM THỜI (moay ơ giãn nở do nhiệt) trước khi lắp, nên trục trượt vào lỗ gần như không ma sát — khác với ép nguội, nơi trục phải "cưỡng bức" đi qua lỗ nhỏ hơn ngay từ đầu, ma sát trực tiếp trong suốt hành trình ép dễ làm xước bề mặt nếu không kiểm soát tốt.
Vì sao đôi khi vẫn cần kết hợp cả độ dôi và then thay vì chỉ dùng một trong hai? Vì mối ghép độ dôi truyền lực tốt với tải ổn định nhưng có thể không đủ tin cậy khi gặp tải va đập/thay đổi đột ngột (có nguy cơ trượt cục bộ); then là phần tử cơ khí cứng, chịu va đập tốt nhưng gây rãnh tập trung ứng suất trên trục. Kết hợp cả hai tận dụng ưu điểm của từng phương án: độ dôi chịu tải thường xuyên, then là dự phòng an toàn khi tải đột biến.
Độ nhám bề mặt ảnh hưởng thế nào đến mối ghép độ dôi thực tế? Bề mặt trục và lỗ thực tế luôn có độ nhám nhất định (không hoàn toàn nhẵn) — khi ép, các đỉnh nhấp nhô bị "san phẳng" một phần, làm giảm độ dôi hiệu dụng thực tế so với độ dôi danh nghĩa đo được trước khi ép. Vì vậy tính toán chính xác cần hiệu chỉnh bù độ nhám, không dùng trực tiếp độ dôi danh nghĩa.