Trong ổ trượt thủy động đang vận hành bình thường, trục "nổi" trên một màng dầu tự sinh (không tiếp xúc trực tiếp với bạc) nhờ áp suất thủy động do chính chuyển động quay tạo ra. Để tính sơ bộ đặc tính của ổ (chiều dày màng dầu, ma sát, lưu lượng dầu cần thiết), kỹ thuật kinh điển là gom tất cả các biến thiết kế vào 1 tham số vô thứ nguyên duy nhất — số Sommerfeld.
Nguyên lý — nhắc lại và định lượng hóa
Nguyên lý màng dầu thủy động (nêm dầu tạo áp suất nâng trục) đã trình bày ở bôi trơn ổ và màng dầu: nguyên lý thủy động — bài đó dừng ở mức ĐỊNH TÍNH (3 chế độ bôi trơn, đường Stribeck). Bài này đào sâu tầng ĐỊNH LƯỢNG: tính sơ bộ các đặc trưng cụ thể của ổ trượt thủy động bằng số Sommerfeld. Nguyên lý ổ trượt và cấu tạo bạc trượt cơ bản xem thêm ở bài về ổ trượt/bạc lót.
Số Sommerfeld — gom biến thiết kế
S = (r/c)² · (μN/P)
với:
- r: bán kính trục
- c: khe hở bán kính (radial clearance, = bán kính lỗ bạc trừ bán kính trục) — tỉ lệ c/r điển hình trong thực tế cơ khí thường rất nhỏ, cỡ vài phần nghìn (khoảng 0,5–2‰ tùy ứng dụng).
- μ: độ nhớt động lực học của dầu bôi trơn
- N: tốc độ quay tương đối (vòng/giây)
- P: áp suất riêng của ổ (tải trọng chia cho diện tích chiếu, P = W/(L·D))
Số Sommerfeld là đại lượng KHÔNG THỨ NGUYÊN — cho phép so sánh trực tiếp các ổ có kích thước/vật liệu/điều kiện vận hành khác nhau trên cùng một biểu đồ chuẩn.
Đọc biểu đồ Raimondi-Boyd
Từ số Sommerfeld S và tỉ số chiều dài/đường kính ổ (L/D, thường thiết kế quanh giá trị L/D≈1, dao động thực tế khoảng 0,25–2 tùy ứng dụng), có thể tra trên biểu đồ chuẩn Raimondi-Boyd (công bố lần đầu trong tài liệu kỹ thuật kinh điển về ổ trượt, được trích dẫn rộng rãi trong các giáo trình thiết kế máy như Shigley) để suy ra 3 đại lượng thiết kế quan trọng:
- h₀/c: tỉ số chiều dày màng dầu nhỏ nhất trên khe hở bán kính — từ đó suy ra chiều dày màng dầu tuyệt đối h₀.
- (r/c)f: tham số liên quan hệ số ma sát f của ổ.
- Q: lưu lượng dầu cần cung cấp để duy trì màng dầu liên tục.
Lưu ý quan trọng: các trị số cụ thể đọc từ biểu đồ Raimondi-Boyd phụ thuộc chính xác vào hình dạng đường cong trong biểu đồ gốc — bài này không nội suy hay ước lượng số cụ thể thay cho biểu đồ chuẩn, vì sai số nội suy có thể dẫn đến kết luận thiết kế sai. Khi cần trị số cụ thể cho một ổ thực tế, cần tra trực tiếp biểu đồ Raimondi-Boyd từ tài liệu tham khảo chuẩn (ví dụ giáo trình Shigley Mechanical Engineering Design, chương về ổ trượt thủy động).
Tổn hao ma sát — công thức Petroff
Với ổ trượt tải nhẹ và khe hở rất nhỏ (gần đúng ổ đồng tâm), mô-men ma sát có thể ước tính sơ bộ bằng công thức Petroff:
T₀ = 4π²·μ·N·r³·L / c
Công thức Petroff là mô hình đơn giản hóa (giả định trục đồng tâm hoàn toàn với bạc, không lệch tâm) — dùng để ước tính nhanh tổn hao ma sát ở điều kiện tải nhẹ, không thay thế được tính toán đầy đủ qua biểu đồ Raimondi-Boyd khi tải lớn (trục lệch tâm đáng kể).
Điều kiện an toàn màng dầu — so với độ nhám bề mặt
Màng dầu chỉ thực sự bảo vệ được bề mặt khi đủ dày để vượt qua các đỉnh nhấp nhô của cả 2 bề mặt (trục và bạc). Điều kiện an toàn thường biểu diễn qua tỉ số màng:
Λ = h₀ / √(Rq1² + Rq2²)
với Rq1, Rq2 là độ nhám căn quân phương (RMS roughness) của bề mặt trục và bạc. Λ càng lớn (màng dầu càng dày so với độ nhám), ổ càng an toàn khỏi tiếp xúc trực tiếp kim loại-kim loại — ngưỡng Λ cụ thể coi là "an toàn" cần tra theo tài liệu chuẩn tương ứng với ứng dụng cụ thể (tương tự khái niệm tỉ số màng λ dùng cho bánh răng, nhưng là 2 quy ước riêng biệt, không dùng lẫn).
Liên hệ với ổ lăn
Ổ trượt thủy động (bài này) và ổ lăn (bi, đũa) là 2 họ ổ đỡ khác nhau về cơ chế cơ bản: ổ trượt dựa vào màng dầu thủy động để tách hoàn toàn 2 bề mặt trượt tương đối; ổ lăn dùng viên lăn để thay ma sát trượt bằng ma sát lăn giữa các bộ phận. Xem lắp ghép ổ lăn lên trục và gối để so sánh.
FAQ
Số Sommerfeld dùng để làm gì trong thực tế thiết kế? Số Sommerfeld gom nhiều biến thiết kế (kích thước ổ, khe hở, độ nhớt dầu, tốc độ, tải) thành 1 con số duy nhất, cho phép tra trực tiếp trên biểu đồ chuẩn (Raimondi-Boyd) để biết ngay các đặc trưng quan trọng của ổ (chiều dày màng dầu, ma sát, lưu lượng cần thiết) mà không cần giải lại phương trình thủy động phức tạp từ đầu cho mỗi thiết kế cụ thể.
Vì sao bài không cho sẵn bảng trị số cụ thể đọc từ biểu đồ Raimondi-Boyd? Vì các trị số đó phụ thuộc chính xác vào hình dạng đường cong trong biểu đồ gốc (không phải công thức toán đơn giản có thể tính trực tiếp) — nội suy hoặc ước lượng số từ trí nhớ có nguy cơ sai lệch đáng kể so với biểu đồ thật, dẫn đến kết luận thiết kế sai. Cách an toàn là luôn tra trực tiếp biểu đồ chuẩn từ tài liệu tham khảo gốc khi cần số cụ thể.
Công thức Petroff có thể dùng thay cho biểu đồ Raimondi-Boyd trong mọi trường hợp không? Không — Petroff chỉ là mô hình đơn giản hóa cho trường hợp tải nhẹ, trục gần như đồng tâm với bạc (độ lệch tâm rất nhỏ). Khi tải lớn hơn, trục lệch tâm đáng kể so với bạc, mô hình Petroff không còn chính xác — cần dùng biểu đồ Raimondi-Boyd (dựa trên lý thuyết đầy đủ, có xét độ lệch tâm) để có kết quả đáng tin cậy hơn.
Khe hở c quá nhỏ hoặc quá lớn thì ảnh hưởng gì đến ổ? Khe hở quá nhỏ (c/r rất nhỏ) làm tăng nguy cơ tiếp xúc kim loại-kim loại nếu có sai lệch lắp ráp/nhiệt nhỏ, đồng thời tăng tổn hao ma sát (theo Petroff, T₀ tỉ lệ nghịch với c); khe hở quá lớn làm giảm khả năng tạo áp suất thủy động đủ nâng trục ổn định và tăng độ rung/lỏng lẻo. Vì vậy khe hở c cần được thiết kế trong dải phù hợp, không phải "càng nhỏ càng chính xác" hay "càng lớn càng an toàn".