Tải trọng chịu lực: Các số liệu lực quan trọng trong ứng dụng kết cấu thép

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Tải trọng chịu lực là lực hoặc áp suất tác dụng lên một bộ phận hoặc hệ thống chịu lực trong các cụm cơ khí, đặc biệt là trong các kết cấu thép và máy móc. Tải trọng này biểu thị các lực bên ngoài mà ổ trục phải chịu trong khi vẫn duy trì chức năng, độ ổn định về kích thước và tính toàn vẹn của cấu trúc.

Trong khoa học và kỹ thuật vật liệu, tải trọng ổ trục là một thông số quan trọng quyết định việc lựa chọn các loại thép, phương pháp xử lý nhiệt và thiết kế hình học phù hợp cho các thành phần chịu ứng suất cơ học. Khái niệm này bao gồm cả tải trọng tĩnh (lực không đổi) và tải trọng động (lực thay đổi hoặc tuần hoàn) mà ổ trục phải chịu trong quá trình vận hành.

Trong lĩnh vực luyện kim rộng hơn, phân tích tải trọng chịu lực nằm ở giao điểm của thiết kế cơ khí, lựa chọn vật liệu và ma sát học. Nó kết nối các đặc tính nội tại của hợp kim thép với hiệu suất chức năng của chúng trong các ứng dụng chịu lực, ảnh hưởng đến các quyết định trong toàn bộ chuỗi sản xuất từ ​​quá trình phát triển hợp kim đến thiết kế thành phần cuối cùng.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ vi cấu trúc, tải trọng chịu lực tạo ra các trường ứng suất lan truyền qua mạng tinh thể của thép. Các ứng suất này gây ra biến dạng đàn hồi thông qua sự dịch chuyển tạm thời của các nguyên tử khỏi vị trí cân bằng của chúng trong cấu trúc tinh thể. Vượt quá giới hạn đàn hồi, biến dạng dẻo xảy ra thông qua chuyển động trật khớp dọc theo các mặt phẳng trượt.

Trong thép chịu lực, sự phân bố và tương tác của các cacbua, tạp chất và pha nền ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chịu tải. Các cấu trúc martensitic cứng với các cacbua phân tán mịn thường cung cấp khả năng chống chịu tối ưu đối với ứng suất tiếp xúc tập trung. Sự hiện diện của austenit giữ lại có thể ảnh hưởng đến độ ổn định kích thước dưới tải, trong khi các tạp chất phi kim loại thường đóng vai trò là điểm tập trung ứng suất.

Mô hình lý thuyết

Lý thuyết tiếp xúc Hertzian hình thành nên nền tảng lý thuyết chính để phân tích tải trọng chịu lực. Được Heinrich Hertz phát triển vào năm 1882, mô hình này mô tả ứng suất và biến dạng xảy ra khi hai bề mặt cong tiếp xúc với nhau dưới tải trọng, cung cấp các phương trình cơ bản để tính toán phân phối áp suất tiếp xúc.

Hiểu biết lịch sử đã phát triển từ các mô hình đàn hồi tuyến tính đơn giản đến các phương pháp tiếp cận phức tạp hơn kết hợp lý thuyết bôi trơn thủy động lực học đàn hồi (EHL) vào giữa thế kỷ 20. Sự tiến bộ này đã công nhận vai trò quan trọng của màng bôi trơn trong phân phối tải và hiệu suất ổ trục.

Các phương pháp tiếp cận hiện đại bao gồm phân tích phần tử hữu hạn (FEA) cho hình học phức tạp và điều kiện tải, phương pháp phần tử biên cho các vấn đề tiếp xúc và các mô hình đa vật lý tích hợp các khía cạnh cơ học, nhiệt và ma sát. Mỗi phương pháp tiếp cận cung cấp các lợi thế khác nhau về độ chính xác, hiệu quả tính toán và khả năng áp dụng cho các cấu hình ổ trục cụ thể.

Cơ sở khoa học vật liệu

Khả năng chịu tải liên quan trực tiếp đến cấu trúc tinh thể, với cấu trúc lập phương tâm khối (BCC) và cấu trúc lập phương tâm mặt (FCC) trong thép thể hiện các phản ứng khác nhau với lực tác dụng. Các ranh giới hạt đóng vai trò là rào cản đối với chuyển động trật khớp, với các cấu trúc hạt mịn hơn thường cung cấp độ bền cao hơn và khả năng phân phối tải tốt hơn.

Cấu trúc vi mô của thép chịu lực thường có martensite tôi luyện với các cacbua phân tán, mang lại sự kết hợp tối ưu giữa độ cứng và độ dẻo dai. Các cấu trúc tôi xuyên suốt cung cấp khả năng chịu tải đồng đều, trong khi các thiết kế tôi vỏ cung cấp một dải các đặc tính được tối ưu hóa cho ứng suất tiếp xúc bề mặt và độ dẻo dai của lõi.

Các nguyên lý khoa học vật liệu cơ bản như gia cường Hall-Petch, làm cứng kết tủa và làm cứng biến dạng ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu tải. Các cơ chế này xác định cách các cấu trúc vi mô thép phản ứng với lực tác dụng, kiểm soát giới hạn đàn hồi, hành vi biến dạng dẻo và chế độ hỏng hóc cuối cùng.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Phương trình tải trọng chịu lực cơ bản liên hệ lực tác dụng với diện tích chịu lực dự kiến:

$$p = \frac{F}{A}$$

Ở đâu:
- $p$ = áp suất chịu lực (MPa hoặc psi)
- $F$ = lực tác dụng (N hoặc lbf)
- $A$ = diện tích chịu lực dự kiến ​​(mm² hoặc in²)

Công thức tính toán liên quan

Đối với ổ trục lăn, tải trọng động cơ bản được tính như sau:

$$C = b_c \cdot f_c \cdot (i \cdot cos\alpha)^{0.7} \cdot Z^{2/3} \cdot D_w^{1.4}$$

Ở đâu:
- $C$ = tải trọng động cơ bản định mức (N)
- $b_c$ = hệ số chịu lực phụ thuộc vào hình dạng chịu lực
- $f_c$ = hệ số liên quan đến chất lượng sản xuất và vật liệu
- $i$ = số hàng của các phần tử lăn
- $\alpha$ = góc tiếp xúc
- $Z$ = số phần tử lăn trên mỗi hàng
- $D_w$ = đường kính của phần tử lăn (mm)

Để tính tuổi thọ của vòng bi, công thức tiêu chuẩn ISO là:

$$L_{10} = \left(\frac{C}{P}\right)^p$$

Ở đâu:
- $L_{10}$ = tuổi thọ định mức cơ bản tính bằng triệu vòng quay
- $C$ = tải trọng động cơ bản định mức (N)
- $P$ = tải trọng động tương đương (N)
- $p$ = số mũ (3 đối với ổ bi, 10/3 đối với ổ lăn)

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các công thức này giả định biến dạng đàn hồi trong giới hạn vật liệu và không tính đến biến dạng dẻo hoặc hiệu ứng mỏi. Chúng thường có giá trị trong điều kiện tải ổn định với bôi trơn thích hợp và nhiệt độ hoạt động bình thường.

Mô hình tiếp xúc Hertzian giả định bề mặt hoàn toàn nhẵn, trong khi ổ trục thực tế có độ nhám bề mặt ảnh hưởng đến phân phối tải. Ngoài ra, các mô hình này thường giả định điều kiện đẳng nhiệt, mặc dù ổ trục thực tế trải qua các gradient nhiệt độ ảnh hưởng đến đặc tính vật liệu.

Tính toán tiêu chuẩn giả định môi trường vận hành sạch và lắp đặt đúng cách. Nhiễm bẩn, sai lệch hoặc lắp đặt không đúng cách có thể làm thay đổi đáng kể phân phối tải thực tế và làm mất hiệu lực các dự đoán lý thuyết.

Phương pháp đo lường và đặc tính

Thông số kỹ thuật thử nghiệm tiêu chuẩn

• ASTM F2477: Phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn để xác định tải trọng tĩnh cho ổ trục
• ISO 76: Vòng bi lăn - Tải trọng tĩnh định mức
• ISO 281: Vòng bi lăn - Tải trọng động định mức và tuổi thọ định mức
• ASTM F2222: Tiêu chuẩn kỹ thuật cho bộ chuyển đổi lực vòng thử nghiệm
• DIN 51819: Thử nghiệm chất bôi trơn - Thử nghiệm cơ học-động lực học trong thiết bị thử nghiệm ổ trục lăn FE8

Mỗi tiêu chuẩn cung cấp các phương pháp cụ thể để xác định khả năng chịu tải của ổ trục trong các điều kiện vận hành khác nhau. Ví dụ, ISO 281 tập trung vào các định mức tải động và tính toán tuổi thọ mỏi, trong khi ISO 76 đề cập đến định mức tải tĩnh và giới hạn biến dạng vĩnh viễn.

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Thiết bị thử nghiệm thông thường bao gồm máy thử nghiệm vạn năng được trang bị đồ gá chuyên dụng để áp dụng tải trọng được kiểm soát vào mẫu vật chịu lực. Cảm biến tải trọng và máy đo ứng suất đo lực tác dụng và biến dạng kết quả với độ chính xác cao.

Các giàn thử nghiệm ổ trục chuyên dụng mô phỏng các điều kiện ứng dụng thực tế bằng cách áp dụng tải trọng hướng tâm và hướng trục trong khi quay các thành phần ở tốc độ quy định. Các hệ thống này thường kết hợp kiểm soát nhiệt độ, hệ thống bôi trơn và giám sát độ rung để đánh giá hiệu suất trong các điều kiện thực tế.

Đặc tính nâng cao sử dụng cảm biến phát xạ âm thanh để phát hiện vết nứt dưới bề mặt, nhiệt đồ để lập bản đồ phân bố nhiệt độ và kính hiển vi tại chỗ để quan sát bề mặt tiếp xúc theo thời gian thực trong quá trình tải.

Yêu cầu mẫu

Các mẫu thử nghiệm tiêu chuẩn thường yêu cầu dung sai kích thước chính xác, thường trong phạm vi ±0,01mm đối với các kích thước quan trọng. Các thành phần ổ trục phải duy trì dung sai độ tròn và độ trụ cụ thể, thường dưới 0,002mm đối với các ứng dụng chính xác.

Chuẩn bị bề mặt bao gồm mài đến độ nhám cụ thể (thường là Ra 0,1-0,4μm đối với bề mặt lăn) và các quy trình làm sạch để loại bỏ các chất gây ô nhiễm có thể ảnh hưởng đến phân bổ tải hoặc độ chính xác của phép đo.

Các mẫu vật phải được xử lý nhiệt đúng cách để đạt được các cấu trúc vi mô và độ cứng được chỉ định. Đối với các ổ trục được tôi xuyên, tính đồng nhất về độ cứng là rất quan trọng, trong khi các mẫu vật được tôi vỏ yêu cầu độ sâu vỏ cụ thể và xác minh độ dốc độ cứng.

Thông số thử nghiệm

Thử nghiệm tiêu chuẩn thường diễn ra ở nhiệt độ phòng (20-25°C), mặc dù các thử nghiệm chuyên biệt có thể đánh giá hiệu suất trong phạm vi hoạt động từ -40°C đến hơn 200°C tùy thuộc vào yêu cầu ứng dụng.

Tốc độ tải thay đổi tùy theo loại thử nghiệm, trong đó thử nghiệm tải tĩnh tác dụng lực dần dần (thường là 50-500 N/giây) để tránh các tác động động, trong khi thử nghiệm mỏi tác dụng tải tuần hoàn ở tần số từ 10-50 Hz tùy thuộc vào kích thước ổ trục và mục tiêu thử nghiệm.

Điều kiện bôi trơn phải được kiểm soát cẩn thận, với độ nhớt của dầu, lưu lượng và nhiệt độ được duy trì trong phạm vi quy định. Thời gian thử nghiệm thay đổi từ tải thử nghiệm ngắn hạn (phút) đến thử nghiệm độ bền dài hạn (hàng nghìn giờ).

Xử lý dữ liệu

Thu thập dữ liệu chính bao gồm việc theo dõi liên tục tải trọng, độ dịch chuyển, nhiệt độ và mức độ rung động được áp dụng. Hệ thống thu thập dữ liệu tốc độ cao ghi lại các sự kiện thoáng qua và biến động tải trọng trong quá trình thử nghiệm động.

Phân tích thống kê thường sử dụng phân phối Weibull để mô tả dữ liệu tuổi thọ mỏi, với các khoảng tin cậy được tính toán để tính đến sự thay đổi của mẫu. Phân tích ngoại lệ xác định và điều tra các kết quả bất thường có thể chỉ ra các khuyết tật vật liệu hoặc sự bất thường trong thử nghiệm.

Tải trọng ổ trục cuối cùng được tính toán bằng cách áp dụng các hệ số an toàn vào dữ liệu thử nghiệm thô, thường sử dụng tuổi thọ L10 (độ tin cậy 90%) làm điểm tham chiếu cho các ứng dụng động hoặc tải trọng gây ra biến dạng vĩnh viễn gấp 0,0001 lần đường kính phần tử lăn cho xếp hạng tĩnh.

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép	Phạm vi giá trị điển hình	Điều kiện thử nghiệm	Tiêu chuẩn tham khảo
AISI 52100 (Rèn cứng)	Sức chịu tĩnh 1800-2200 MPa	Nhiệt độ phòng, biến dạng vĩnh viễn 0,0001	Tiêu chuẩn ISO76
AISI 8620 (Được tôi cứng)	Sức chịu tĩnh 1400-1700 MPa	Nhiệt độ phòng, biến dạng vĩnh viễn 0,0001	Tiêu chuẩn ISO76
Thép công cụ M50	Sức chịu tĩnh 2000-2400 MPa	Nhiệt độ hoạt động lên đến 300°C	Tiêu chuẩn ASTM F2477
Thép không gỉ AISI 440C	Sức chịu tĩnh 1600-1900 MPa	Kiểm tra môi trường ăn mòn	Tiêu chuẩn ISO76

Sự khác biệt trong mỗi phân loại thường là kết quả của sự khác biệt trong các thông số xử lý nhiệt, đặc biệt là nhiệt độ austenit hóa và nhiệt độ tôi ảnh hưởng đến độ cứng cuối cùng và phân phối cacbua. Hàm lượng cacbon cao hơn thường tương quan với khả năng chịu tải tăng nhưng độ dẻo dai giảm.

Khi diễn giải các giá trị này, các kỹ sư phải xem xét các yếu tố cụ thể của ứng dụng như tải trọng va chạm, độ rung và biến động nhiệt độ có thể cần phải giảm công suất. Các giá trị này biểu thị các điều kiện lý tưởng phải được điều chỉnh cho các biến số thực tế.

Một xu hướng đáng chú ý giữa các loại thép là sự đánh đổi giữa khả năng chống ăn mòn và khả năng chịu tải tối đa, với các loại thép không gỉ thường có mức tải thấp hơn so với thép crom tôi cứng. Các ứng dụng nhiệt độ cao thường yêu cầu hợp kim chuyên dụng có cấu trúc vi mô ổn định ở nhiệt độ cao.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư thường áp dụng các hệ số an toàn trong khoảng từ 1,2-2,5 cho tải trọng chịu lực được tính toán, với các hệ số cao hơn được sử dụng cho các ứng dụng liên quan đến an toàn của con người, tải trọng không thể đoán trước hoặc các hoạt động quan trọng. Các hệ số này tính đến sự không chắc chắn trong ước tính tải trọng, biến động vật liệu và các yếu tố môi trường.

Tính toán tải trọng chịu lực ảnh hưởng đến việc lựa chọn vật liệu bằng cách thiết lập các yêu cầu về độ cứng tối thiểu, khả năng chống mài mòn cần thiết và ngưỡng độ bền mỏi. Đối với các ứng dụng chịu tải trọng cao, thép crom tôi cứng như AISI 52100 thường được ưu tiên, trong khi môi trường ăn mòn có thể cần đến thép không gỉ giàu nitơ mặc dù khả năng chịu tải thấp hơn.

Xếp hạng tải trọng động phải tính đến các hiệu ứng tốc độ, với nhiều ổ trục bị giảm khả năng chịu tải ở tốc độ quay cao hơn do lực ly tâm, hiệu ứng nhiệt và thách thức về bôi trơn. Các kỹ sư phải cân bằng độ bền tĩnh với các yêu cầu về hiệu suất động.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Trong hệ thống truyền động ô tô, tải trọng ổ trục rất quan trọng đối với các thành phần truyền động và ổ trục bánh xe, nơi chúng phải chịu được tải trọng thay đổi trong khi vẫn duy trì vị trí chính xác. Các ứng dụng này đòi hỏi khả năng chống mỏi tuyệt vời và khả năng xử lý sai lệch và chu kỳ nhiệt.

Vòng bi trục chính của tua bin gió là một ứng dụng quan trọng khác, trong đó vòng bi cực lớn phải chịu tải trọng hướng tâm và hướng trục kết hợp trong điều kiện tốc độ thay đổi trong vòng đời thiết kế hơn 20 năm. Những ứng dụng này đòi hỏi độ sạch đặc biệt trong sản xuất thép và xử lý bề mặt chuyên dụng.

Trong các ứng dụng cấy ghép y tế, tải trọng chịu lực trong các khớp nhân tạo phải được hỗ trợ bởi các vật liệu tương thích sinh học như hợp kim coban-crom hoặc thép phủ gốm. Các ổ trục chuyên dụng này hoạt động trong điều kiện bôi trơn ranh giới với chất lỏng sinh học và phải duy trì chức năng trong nhiều thập kỷ mà không cần bảo trì.

Đánh đổi hiệu suất

Tăng khả năng chịu tải thông qua độ cứng cao hơn thường làm giảm khả năng chống va đập và độ bền gãy. Các kỹ sư phải cân bằng giữa định mức tải trọng tối đa với nguy cơ hỏng hóc thảm khốc trong điều kiện tải trọng va đập hoặc sai lệch.

Khả năng chịu tải thường xung đột với mục tiêu giảm ma sát, vì vật liệu cứng hơn và dung sai chặt chẽ hơn làm tăng chi phí sản xuất và có thể yêu cầu hệ thống bôi trơn tinh vi hơn. Sự đánh đổi này đặc biệt rõ ràng trong các thiết kế tiết kiệm năng lượng, trong đó giảm ma sát được ưu tiên.

Trong các ứng dụng nhiệt độ cao, các kỹ sư phải cân bằng khả năng chịu tải ở nhiệt độ phòng với khả năng giữ độ cứng khi nóng. Các vật liệu được tối ưu hóa cho hoạt động ở nhiệt độ cao thường hy sinh một số khả năng chịu tải ở nhiệt độ bình thường, đòi hỏi phải kết hợp cẩn thận các đặc tính hợp kim với cấu hình hoạt động thực tế.

Phân tích lỗi

Mỏi dưới bề mặt (bong tróc) là chế độ hỏng ổ trục phổ biến nhất liên quan đến tải trọng quá mức. Nó bắt đầu bằng sự khởi đầu của vết nứt tại các tạp chất hoặc giao diện cacbua bên dưới bề mặt tiếp xúc, tiến triển thông qua sự lan truyền vết nứt song song với bề mặt và cuối cùng dẫn đến bong tróc vật liệu và hư hỏng dần dần.

Cơ chế hỏng hóc tăng tốc khi tải vượt quá các thông số thiết kế, với tốc độ lan truyền vết nứt tăng theo cấp số nhân với ứng suất tiếp xúc. Bôi trơn không đủ làm trầm trọng thêm quá trình này bằng cách làm giảm độ dày của lớp màng đàn hồi thủy động, làm tăng tiếp xúc trực tiếp với độ nhám.

Các chiến lược giảm thiểu bao gồm cải thiện độ sạch của thép để giảm hàm lượng tạp chất, xử lý bề mặt như thấm cacbon hoặc thấm nitơ để tạo ra các cấu hình ứng suất dư có lợi và các công thức bôi trơn tiên tiến với các chất phụ gia chịu áp suất cực cao tạo thành lớp màng ranh giới bảo vệ dưới áp suất tiếp xúc cao.

Các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp kiểm soát

Ảnh hưởng của thành phần hóa học

Hàm lượng cacbon ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu tải của ổ trục, với hàm lượng cacbon cao hơn (thường là 0,8-1,1%) mang lại độ cứng và cường độ nén cao hơn thông qua sự hình thành martensite và kết tủa cacbua lớn hơn. Crom (1,3-1,6%) tăng cường khả năng tôi và tạo thành cacbua ổn định chống biến dạng dưới tải.

Các nguyên tố vi lượng như phốt pho và lưu huỳnh có thể làm giảm đáng kể hiệu suất ổ trục khi có trên ngưỡng tới hạn (thường là 0,025% và 0,015%). Các nguyên tố này phân tách thành ranh giới hạt, tạo ra các đường nứt tiềm ẩn dưới ứng suất tiếp xúc cao.

Thép chịu lực hiện đại thường kết hợp vanadi (0,1-0,3%) để tạo thành các cacbua mịn, ổn định, ức chế sự phát triển của hạt trong quá trình xử lý nhiệt, dẫn đến khả năng chịu tải được cải thiện thông qua quá trình tinh chế hạt. Việc bổ sung molypden (0,2-0,5%) giúp tăng cường khả năng giữ độ cứng khi nóng cho các ứng dụng nhiệt độ cao.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Kích thước hạt mịn hơn cải thiện đáng kể khả năng chịu tải của ổ trục thông qua cơ chế gia cố Hall-Petch. Các ổ trục hiệu suất cao thông thường duy trì kích thước hạt ASTM là 8-10 (khoảng 11-22 μm), đạt được thông qua quá trình austenit hóa có kiểm soát và xử lý trước.

Phân bố pha ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất, với thép chịu lực tối ưu chứa 90-95% martensite đã tôi, austenit giữ lại tối thiểu (<10%) và cacbua phân tán mịn. Lượng austenit giữ lại quá nhiều làm giảm khả năng chịu tải và độ ổn định kích thước, trong khi các cacbua chính lớn có thể đóng vai trò là vị trí bắt đầu nứt.

Các tạp chất phi kim loại, đặc biệt là oxit nhôm và sunfua mangan lớn, làm giảm đáng kể tuổi thọ ổ trục dưới tải trọng cao. Các quy trình khử khí chân không và nấu chảy lại bằng điện xỉ hiện đại tạo ra thép siêu sạch với xếp hạng tạp chất ASTM E45 A1B1C1D1 hoặc cao hơn, giúp tăng đáng kể khả năng chịu tải.

Xử lý ảnh hưởng

Các thông số xử lý nhiệt về cơ bản xác định khả năng chịu tải, với nhiệt độ austenit hóa (thường là 830-870°C) kiểm soát sự hòa tan cacbua và kích thước hạt. Mức độ tôi ảnh hưởng đến sự hình thành martensite, trong khi nhiệt độ tôi (150-180°C) cân bằng giữa việc duy trì độ cứng với việc giải phóng ứng suất dư.

Các quy trình gia công cơ học, đặc biệt là cán và rèn có kiểm soát, tinh chỉnh cấu trúc vi mô ban đầu và phá vỡ các mô hình phân tách. Tỷ lệ giảm 8:1 hoặc cao hơn trong quá trình rèn giúp đảm bảo các cấu trúc vi mô đồng nhất và các tạp chất được căn chỉnh theo hướng giúp giảm thiểu tác động có hại của chúng.

Tốc độ làm mát trong quá trình tôi có ảnh hưởng quan trọng đến độ biến dạng và các mẫu ứng suất dư. Các quy trình hiện đại sử dụng các kỹ thuật tôi ngắt quãng hoặc tôi khí áp suất cao để giảm thiểu độ biến dạng trong khi vẫn đạt được độ cứng cần thiết, giảm yêu cầu mài tiếp theo và cải thiện độ chính xác về kích thước cuối cùng.

Các yếu tố môi trường

Nhiệt độ vận hành ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chịu tải của ổ trục, với mức giảm điển hình là 1-3% cho mỗi lần tăng 10°C so với nhiệt độ phòng do độ bền vật liệu và độ nhớt của chất bôi trơn giảm. Ở nhiệt độ trên 150°C, có thể cần đến thép chịu nhiệt độ cao chuyên dụng hoặc ổ trục gốm lai.

Môi trường ăn mòn làm giảm đáng kể khả năng chịu tải bằng cách tạo ra các vết rỗ bề mặt đóng vai trò là điểm tập trung ứng suất. Ngay cả độ ẩm nhẹ cũng có thể làm giảm tuổi thọ ổ trục từ 20-40% thông qua cơ chế giòn do hydro nếu không duy trì được độ kín và bôi trơn thích hợp.

Các hiệu ứng phụ thuộc thời gian bao gồm giãn ứng suất dưới tải trọng liên tục, có thể làm giảm tải trước trong các ứng dụng chính xác. Sự khuếch tán hydro từ ô nhiễm nước hoặc một số sản phẩm phân hủy chất bôi trơn có thể gây nứt chậm dưới tải trọng, đặc biệt là trong thép chịu lực có độ bền cao hơn.

Phương pháp cải tiến

Cải tiến luyện kim bao gồm việc bổ sung nitơ có kiểm soát (0,15-0,25%) kết hợp với nhôm để tạo thành các chất kết tủa nhôm nitrua mịn giúp tăng cường độ ổn định ở nhiệt độ cao và khả năng chịu tải. Phương pháp này đặc biệt hiệu quả trong thép chịu lực cho các ứng dụng hàng không vũ trụ.

Các cải tiến dựa trên quá trình xử lý bao gồm xử lý đông lạnh sâu (-185°C) sau khi tôi để chuyển đổi austenit giữ lại thành martensite, tăng độ ổn định kích thước dưới tải. Các phương pháp xử lý bề mặt như cacbonit tạo ra các lớp vỏ giàu nitơ với ứng suất dư nén giúp cải thiện đáng kể khả năng chống mỏi tiếp xúc.

Tối ưu hóa thiết kế bao gồm các rãnh định hình với bán kính cong được sửa đổi đôi chút tạo ra sự phân bố ứng suất thuận lợi hơn dưới tải trọng. Định hình đỉnh của các thành phần con lăn bù đắp cho sự không thẳng hàng và các hiệu ứng tải cạnh, trong khi các thiết kế rỗng có thể giảm khối lượng và tải trọng ly tâm trong các ứng dụng tốc độ cao.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Mỏi tiếp xúc là hư hỏng tiến triển xảy ra trên bề mặt chịu lực chịu các chu kỳ ứng suất lặp lại, biểu hiện là rỗ, bong tróc hoặc vết nứt bắt đầu từ bề mặt. Hiện tượng này liên quan trực tiếp đến khả năng chịu tải của ổ trục vì nó xác định tuổi thọ sử dụng thực tế trong các điều kiện tải nhất định.

Bôi trơn thủy động đàn hồi mô tả sự hình thành lớp màng chất lỏng mỏng giữa các bề mặt ổ trục chịu tải trong chuyển động tương đối, trong đó biến dạng đàn hồi của các bề mặt và độ nhớt do áp suất gây ra tăng lên trong chất bôi trơn chi phối sự phân phối tải. Cơ chế này rất quan trọng đối với hiệu suất ổ trục chịu tải cao.

Brinelling là hiện tượng biến dạng vĩnh viễn của bề mặt ổ trục do tải tĩnh hoặc tải va đập quá mức, tạo ra các vết lõm khớp với hình dạng của các bộ phận lăn. Brinelling giả, một thuật ngữ liên quan, mô tả hư hỏng do ma sát xảy ra trong quá trình chuyển động dao động nhỏ dưới tải.

Mối quan hệ giữa các thuật ngữ này tập trung vào sự đóng góp của chúng vào việc hiểu cách ổ trục phản ứng với tải trọng tác dụng trên các thang thời gian khác nhau, từ biến dạng đàn hồi tức thời đến các quá trình mỏi dài hạn.

Tiêu chuẩn chính

ISO 281:2007 "Ổ trục lăn - Tải trọng động định mức và tuổi thọ định mức" cung cấp chuẩn mực quốc tế để tính toán khả năng chịu tải của ổ trục và tuổi thọ dự kiến. Tiêu chuẩn này kết hợp các yếu tố điều chỉnh tuổi thọ tiên tiến có tính đến điều kiện bôi trơn, ô nhiễm và đặc tính vật liệu.

ASTM A295/A295M "Tiêu chuẩn kỹ thuật cho thép chịu lực chống ma sát có hàm lượng cacbon cao" thiết lập các yêu cầu về vật liệu đối với thép chịu lực được tôi xuyên suốt, bao gồm giới hạn thành phần hóa học, yêu cầu về khả năng tôi và hạn chế hàm lượng tạp chất ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu tải.

Có sự khác biệt đáng kể giữa các tiêu chuẩn về cách chúng giải quyết các mức độ tin cậy. Trong khi các tiêu chuẩn ISO thường dựa trên các tính toán về tuổi thọ L10 (độ tin cậy 90%), các tiêu chuẩn hàng không vũ trụ như SAE AS8279 thường yêu cầu các tính toán về tuổi thọ L1 (độ tin cậy 99%), dẫn đến xếp hạng tải bảo thủ hơn cho các ứng dụng quan trọng.

Xu hướng phát triển

Nghiên cứu hiện tại tập trung vào các công nghệ cảm biến tích hợp cho phép theo dõi tải trọng ổ trục theo thời gian thực và phát hiện sớm tình trạng quá tải. Ổ trục thông minh có đồng hồ đo ứng suất nhúng hoặc cảm biến sợi quang có thể cung cấp phản hồi liên tục cho các hệ thống bảo trì dự đoán.

Các công nghệ kỹ thuật bề mặt mới nổi, bao gồm lớp phủ carbon giống kim cương và phương pháp xử lý bề mặt nano-composite, hứa hẹn có khả năng tăng đáng kể khả năng chịu tải bằng cách giảm ma sát và tăng độ cứng bề mặt mà không ảnh hưởng đến độ bền của vật liệu nền.

Các phát triển trong tương lai có thể sẽ tập trung vào các mô hình tính toán dự đoán tốt hơn hiệu suất ổ trục trong điều kiện tải phức tạp, kết hợp các phương pháp đa vật lý đồng thời giải quyết các khía cạnh cơ học, nhiệt và ma sát của hoạt động ổ trục. Những tiến bộ này sẽ cho phép khớp chính xác hơn các thông số kỹ thuật ổ trục với các yêu cầu ứng dụng, tối ưu hóa cả hiệu suất và chi phí.