TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CHẾ TẠO CỤM THÂN MÁY KIỂM TRA KHẢ NĂNG BÔI TRƠN CỦA DẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP MA SÁT. THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ GIA CÔNG CHI TIẾT BẠC

MỤC LỤC


2

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay khoa học kĩ thuật rất mạnh trong tất cả các ngành, các lĩnh vực. Đặc
biệt là ngành cơ khí chế tạo máy. Ngành cơ khí chế tạo máy là một trong những
ngày then chốt thúc đẩy sự phát triển của đất nước trong thời kì cơng nghiệp hóa
hiện đại hóa đất nước. Muốn đạt được điều đó thì vấn đề đặt ra ở đây phải có trang
thiết bị công nghệ và nguồn nhân lực. Nguồn nhân lực có trình độ chun mơn về
kỹ thuật mới có thể phân tích tổng hợp các yêu cầu kỹ thuật đặt ra của bản vẽ, để từ
đó đưa ra đường lối công nghệ hợp lý phục vụ cho nhu cầu sản xuất.
Trong những năm gần đây, đất nước ta đang trong quá trình hội nhập kinh tế với
các nước trong khu vực nói riêng và với các nước trên thế giới nói chung. Chính vì
lẽ đó mà cơ sở vật chật, hạ tầng cũng ngày càng phát triển theo. Trong các vấn đề
chung liên quan đến độ tin cậy, tuổi thọ của máy thì vấn đề “Ma sát, mịn, bơi
trơn” có vai trị rất quan trọng. Nó quyết định đến trên 95% độ tin cậy và tuổi thọ
của máy và thiết bị, phần lớn máy móc bị hỏng khơng phải do gãy mà do mòn và
do hư hỏng bề mặt ma sát trong các mối liên kết động. Vì vậy, với yêu cầu cấp thiết
có cơ sở và thực tiễn, em chọn nghiên cứu đề tài: “Tính tốn, thiết kế, chế tạo
máy kiểm tra khả năng bôi trơn của dầu bằng phương pháp ma sát”.
Trong nội dung của đồ án gồm các nội dung sau:
Chương 1: Tổng quan về dầu bơi trơn
Chương 2: Nghiên cứu cơ sở lí thuyết
Chương 3: Tính tốn, thiết kế, chế tạo cụm thân máy kiểm tra khả năng bôi
trơn của dầu bằng phương pháp ma sát.
Chương 4: Thiết kế QTCN gia công chi tiết bạc.


3

Chương 5: Vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa.
Từ lý thuyết đến thực tiễn thiết kế là cả một quá trình tìm hiểu, với sự hướng
dẫn nhiệt tình của thầy Dương Văn Ngụy đã củng cố thêm các kiến thức thực tế khi
thiết kế, chế tạo, lắp ráp. Xin chân thành cảm ơn thầy! Với hy vọng sản phẩm thiết
bị kiểm tra khả năng bôi trơn của dầu bằng phương pháp ma sát được đưa vào sản
xuất thực tiễn. Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy để sản phẩm
được hoàn thiện hơn.
Hà Nội, ngày … tháng … năm 2020
Sinh viên thực hiện
Tô Anh Tuấn


4

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ DẦU BÔI TRƠN
1.1. Nhu cầu sử dụng Dầu bôi trơn hiện tại
Những năm gần đây, nhu cầu về năng lượng của con người càng thêm đa dạng.
Năng lượng đóng vai trị vơ cùng quan trọng trong cuộc sống. Nó tác động đến
chính sách xã hội và nhu cầu của con người.
Tức là, năng lượng buộc con người phải xem xét các mục tiêu nhiên liệu, năng
lượng hạt nhân, mơi trường… Từ đó tạo thành các động lực thúc đẩy nhu cầu phát
triển của năng lượng trong tương lai.
Theo các nghiên cứu khoa học dự đoán dân số thế giới sẽ cán mốc 9 tỷ người
vào năm 2040. Điều đó có nghĩa là GDP tồn cầu sẽ tăng hơn 130% so với hiện tại.
Tuy nhiên, nhu cầu về năng lượng vẫn là vấn đề thường trực tại các nước phát triển.
Đặc biệt là khối nước châu Phi, châu Á Thái Bình Dương.


5

Hình 1.1: Nhu cầu sử dụng Dầu bơi trơn tăng lên khơng ngừng
Trong trường hợp đó, dầu nhớt bơi trơn đóng vai trị vơ cùng quan trọng. Tác
dụng chính của nó là ngăn chặn tổn thất và tiêu hao năng lượng khi ma sát. Nguyên
lý hoạt động của cúng là giảm ma sát trực tiếp, ngăn các lớp bề mặt chuyển động.
Bên cạnh đó, Dầu bơi trơn cũng giúp giảm ma sát thủy tĩnh giữa các lớp chất lỏng
di chuyển. Từ đó, chúng hạn chế mài mịn bằng cách bơi trơn các chi tiết máy nhằm
hạn chế nguyên nhân gây tổn thất năng lượng.
1.1.1. Tầm quan trọng của Dầu bôi trơn chất lượng
Dầu bôi trơn được sử dụng cho các loại máy móc cơng nghiệp. Chính vì thế, nếu
sử dụng dầu kém chất lượng sẽ gây ra những hậu họa không lường.
Cùng là dầu bôi trơn nhưng nếu sử dụng Dầu Cơng nghiệp có chỉ số độ nhớt
cao sẽ làm giảm hiện tượng đông đặc dầu. Đây là hiện tượng thường xảy ra khi
nhiệt độ môi trường hạ xuống gây tổn thất năng lượng khi bơm.
So với các loại dầu kém chất lượng thì dầu tốt mang lại nhiều hiệu quả hơn. Đầu
tiên là bôi trơn một cách tối ưu cho hệ thống máy móc cơng nghiệp. Tức là, loại
dầu này tạo thành một màng dầu bao phủ các chi tiết máy nhằm ngăn cản ma sát.
Do đó, khi máy móc vận hành khơng cịn tạo ra sự ma sát gây mài mịn nữa.
Khơng chỉ thế, Dầu Cơng nghiệp cịn giúp chống oxy hóa, chống gỉ sắt hoặc mài
mịn. Tùy theo từng hệ phụ gia mà chúng sẽ có tác dụng khác nhau. Thơng thường
là người tiêu dùng có thể lựa chọn từng loại dầu riêng biệt. Miễn sao chúng đáp
ứng tốt nhu cầu bôi trơn giảm ma sát là được.


6

Nếu khơng có dầu cơng nghiệp, máy móc sẽ nhanh chóng bị hỏng hóc. Ngun
nhân hỏng hóc chính là sự mài mịn hình thành khi vận hành. Máy càng hoạt động
với tải lớn thì càng nhanh hư hỏng. Chi phí sửa chữa và thay thế linh kiện hư hỏng
tương đối cao. Điều này gây thiệt hại đáng kể về mặt kinh tế.

Hình 1.2: Nếu khơng có dầu cơng nghiệp, máy móc sẽ nhanh chóng bị hỏng hóc
1.1.2. Khuynh hướng phát triển trong công nghiệp dầu nhớt hiện đại
Trong xã hội hiện đại, các ngành công nghiệp đang trên đà phát triển và hồn
thiện. Quy mơ các ngành cơng nghiệp càng lớn, nhu cầu sử dụng Dầu bôi trơn càng
thường trực. Tuy nhiên, điều đó cũng tạo nên những khuynh hướng phát triển nhất
định về nhu cầu sử dụng Dầu bôi trơn.
1.1.3. Điều kiện vận hành ngày càng khắc nghiệt hơn
Những ngành cơng nghiệp nặng ngày càng phát triển. Điều đó có nghĩa là nhu
cầu sử dụng dầu cơng nghiệp với chất lượng tốt trở nên cao hơn.


7

Hệ thống máy móc dùng cho cơng nghiệp nặng ln vận hành với nhiệt độ cao.
Khi hoạt động, các bánh răng sinh ra ma sát lớn để đẩy công suất tăng cao. Điều đó
thúc đẩy sự tăng tải trọng lên các trục đỡ, đồng thời cũng gây nóng dầu nhanh
chóng.
Vì thế, những loại Dầu Công nghiệp hiện đại phải được hồn thiện hơn về khả
năng bơi trơn. Chúng phải chịu được nhiệt độ, áp suất hay thậm chí là sự ăn mịn
trầm trọng từ máy móc.
Càng có khả năng chống chịu thì Dầu Cơng nghiệp càng hồn thiện tốt nhiệm
vụ bơi trơn máy móc. Đó cũng là yếu tố tất yếu khi điều kiện sử dụng khắc nghiệt
hơn.

Hình 1.3: Những loại Dầu bơi trơn hiện đại phải được hồn thiện hơn về khả năng
bôi trơn.


8

1.1.4. Số lượng dầu nhớt được sử dụng thấp hơn
Các loại máy móc có kích thước nhỏ thường được vận hành tuần hồn. Chúng
tiêu hao ít dầu cơng nghiệp hơn. Điều đó giúp gia tăng áp lực lên Dầu bơi trơn.
Nhờ sự vận hành trong nhiệt độ cao nên Dầu bơi trơn phải bền nhiệt và chống
oxy hóa tốt. Đó là những tính năng cơ bản quyết định hiệu quả sử dụng của Dầu
Cơng nghiệp.
Ngồi ra, lượng dầu tuần hồn cao có nghĩa là dầu hiện diện trong khoang chứa
máy móc ít hơn. Vì thế, dầu càng phải đáp ứng tốt về mặt tính tách khí, khả năng
chống tạo bọt và tách nước nhanh nhất.
1.1.5. Sự phức tạp của thiết bị máy móc cơng nghiệp
Cơng nghệ càng phát triển thì máy móc cơng nghiệp càng thêm phức tạp. Mục
đích chính của quá trình cải tiến là giảm thiểu lao động, gia tăng năng suất. Điều đó
cũng dẫn đến sự thay đổi về nhu cầu sử dụng Dầu bơi trơn.


9

Hình 1.4: Sự phức tạp của các thiết bị máy móc.
Một thiết bị cơng nghiệp đa năng sẽ tích hợp nhiều tính năng khác nhau. Dầu
bơi tởn cũng vậy. Sử dụng cho những loại máy móc phức tạp thì dầu phải có nhiều
tính năng. Ví dụ như là giảm ma sát, hạn chế mài mịn, chống oxy hóa và làm mát
tuần hồn.
Để đáp ứng u cầu đó người ta thường tích hợp nhiều cơng dụng trong một loại
dầu. Điều đó giúp tối ưu hóa lượng tồn khi Dầu Cơng nghiệp khi sử dụng. Hơn
nữa, lượng dầu phải dùng cũng ít hơn nhưng vẫn mang lại hiệu quả cao.
Có thể nói rằng Dầu bơi trơn đóng vai trị vơ cùng quan trọng đối với lĩnh vực
cơng nghiệp. Tác dụng chính của chúng là bôi trơn, giảm ma sát và tăng độ bền cho
chi tiết máy.

10

Trong tương lai, Dầu bôi trơn sẽ ngày càng thêm đa năng hơn. Điều đó cho
phép chúng đáp ứng tốt nhu cầu sử dụng đa dạng và phong phú trong lĩnh vực cơng
nghiệp.
1.2. Tính cấp thiết của đồ án
Những cỗ máy cơ khí được cấu thành từ nhiều cụm chi tiết, hệ thống lại với
nhau. Các chi tiết bên trong máy móc cơng nghiệp ln chuyển động tương đối
với nhau và đều được chế tạo từ kim loại. Do đó chúng cần một loại dầu bơi trơn
thích hợp, đạt tiêu chuẩn để làm giảm sự ma sát giữa các bề mặt các chi tiết
chuyển động, đồng thời tạo một lớp măng bảo vệ các chi tiết khỏi sự oxi hóa và
ăn mịn hóa học. Việc lựa chọn một loại nhớt đạt chuẩn, có chất lượng tốt dành
cho máy móc cơng nghiệp là một điều hết sức quan trọng, những loại nhớt kém
chất lượng có thể gây ra những hư hỏng nghiêm trong khơng đáng có.
Hầu hết những người sử dụng máy móc thay dầu và bảo dưỡng định kỳ chỉ
quan tâm đến giá thành của dầu bôi trơn mà bỏ qua yếu tố quan trọng là chất
lượng của loại dầu bơi trơn đó. Nhiều người trong số họ khơng biết rằng, trong
thành phần của dầu bôi trơn chứa một lượng chất phụ gia nhất định, chính những
chất phụ gia này sẽ quyết định đến chất lượng của loại nhớt.
Vì vậy, đặt ra một bài toán phải chế tạo ra một thiết bị kiểm tra khả năng bôi
trơn của dầu. Để giải quyết bài tốn đó địi hỏi ngành cơ khí phải thiết kế ra một
loại máy kiểm tra đáp ứng như cầu đặt ra của ngành năng lượng.
1.3. Thiết bị thông dụng để kiểm tra khả năng bôi trơn
1.3.1. Máy 4 bi


11

Là thiết bị dùng để đo sức bền của màng bơi trơn giữa các chi tiết có chuyển

động lăn và trượt, đo giá trị của momen ma sát. Sơ đồ được trình bày trên (hình
1.5). 4 viên bi có đường kính 12,7 mm được chế tạo từ thép làm ổ lăn có độ cứng
62 – 66 HRC là các chi tiết đề nghiên cứu.

Hình 1.5. Máy 4 bi dùng để nghiên cứu ma sát giới hạn
a) Tiếp xúc ma sát – 4 viên bi trong chen đựng dầu được kiểm tra
b) Sơ đồ của máy

1 – Động cơ dẫn động
2 – Viên bi phía trên
3 – Các viên bi đặt phía dưới


12

4 – Cốc chứa dầu được kiểm tra
5 – Bình giữ nhiệt
3 viên bi được giữ trong bình cố định trong cốc đựng dầu bơi trơn, viên thứ tư
ở phía trên giữ vào ngàm và cùng chuyển động cới ngàm trên với vận tốc 1500
v/ph tương ứng với vận tốc trượt v = 0,55 m/s. Tải trọng tác dụng vào các mẫu
thử được tác động nhờ hệ thống đòn bẩy cho phép tạo ra lực ép lên đến 12 000 N
và tại các điểm tiếp xúc giữa các viên bi lực ép có giá trị trong khoảng từ 0 đến
8000 N. Nhiệt độ của dầu có thể khống chế trong phạm vi từ -40 0C đến 3000C
(233-5730K), thường người ta thí nghiệm ở nhiệt độ bình thường trong phịng.
1.3.2. Máy Timken
Ngồi máy 4 bi người ta cịn sử dụng nhiều loại máy khác để đánh giá tính bơi
trơn của dầu, trong đó có máy Timken. Sơ đồ của thiết bị này được trình bày trên
(hình 1.6). Cặp ma sát được khảo nghiệm là tiếp xúc đường, trượt thuần túy. Máy
có thể khảo nghiệm được độ bền vững của màng dầu bôi trơn giữa hai chi tiết
trượt với nhau dạng tiếp xúc đường, đồng thời có thể đo được hệ số ma sát giữa

chúng. Mẫu thử dạng vòng xuyến tấm phẳng được làm từ thép nhiệt luyện để có
độ cứng bề mặt 60 – 62HRC. Vịng xuyến có chuyển động quay còn tấm phẳng
được giữ cố định và được ép vào vòng xuyến nhờ hệ thống tay đòn với lực biến
đổi từ 50 đến 1.000N. Tốc độ quay của vòng xuyến có thể điều chỉnh theo 4 cấp
500, 750, 1.000 và 1.500 vòng/phút, ứng với tốc độ trượt tương đối 0,92, 1,34,
1,84, và 2,74 m/s. Bề mặt ma sát giữa hai mẫu thử được bôi trơn bằng dầu khảo
nghiệm được chứa trên bình và cho chảy xuống mẫu thử liên tục đảm bảo dầu đi
vào bề mặt ma sát luôn ở trạng thái sạch.


13

Hình 1.6. Sơ đồ máy Timken
A – Sơ đồ của máy, B – Mẫu thử
1, 2 – Vòng xuyến và khối vật liệu ma sát,
3 – Quả nặng gây tải, 4 – Cần địn bẩy,
5 – Bơm, bình chứa dầu kiểm tra.
Thông số sau:
-

Tải trọng lớn nhất mà mẫu thử bị tróc,
Độ bền vững của màng dầu bơi trơn khi thay đổi P,V,T,
Hệ số ma số ma sát,
Diễn biến của q trình mịn.

Các kết quả khảo nghiệm trên máy Timken có thể phục vụ cho việc đánh giá
hiệu quả bơi trơn cho dầu nhớt bôi trơn cho ổ trượt và hộp số bánh răng. Đồng thời


14

cịn có thể dùng máy Timken để nghiên cứu khả năng phối hợp vật liệu của cặp ma
sát với môi trường bôi trơn.


15

Chương 2. NGHIÊN CỨU CƠ SƠ LÝ THUYẾT
1

Ma sát
2.1.1. Khái niệm, các thuật ngữ chính và phân loại ma sát

Ma sát là sự cản trở lại chuyển động khi một vật rắn có xu hướng hoặc chuyển
động tương đối với một vật rắn khác.
a)

Ma sát: là sự mất mát năng lượng cơ học trong quá trình: khởi động, chuyển

b)

động, dừng.
Ma sát khởi động: là sự mất mát năng lượng cơ học trong quá trình khởi

c)

động.
Ma sát dừng: là sự mất mát năng lượng quá trình cơ học trong quá trình dừng

d)

tại vùng tiếp xúc có chuyển động tương đối.
Ma sát động: là sự mất mát nặng lượng cơ học trong quá trình chuyển động

e)

tương đối tại vùng tiếp xúc.
Lực ma sát: là lực cản chuyển động tương đối của vật thể này trên vật thể

f)

khác, khi có chuyển động tương đối.
Ma sát ngoại: là ma sát xảy ra giữa bề mặt tiếp xúc của hai vật thể độc lập

g)

với nhau, khi có chuyển động tương đối.
Ma sát nội: là ma sát xảy ra trong quá trình chuyển động tương đối, trong

h)

cùng một vật thể.
Ma sát vĩ mô: là ma sát được kể đến do ảnh hưởng của các yếu tố trên bề mặt
tiếp xúc, cơ, lí, hóa, chất lượng bề mặt, bản chất vật liệu, các chế độ làm

i)

việc…
Ma sát vi mô: là ma sát được kể đến bản chất vật liệu, tính chuyển động của
các phân tử, tính liên kết hóa học và nhiệt động học dẫn đến sực mất mát

năng lượng cơ học.

Thước đo độ lớn của ma sát là lực cản tiếp tuyến với phương chuyển động của
vật thể. Trong trường hợp giữa hai bề mặt tiếp xúc có dịch chuyển tương đối ta có
ma sát động và nếu như vận tốc tương đối giữa 2 bề mặt bằng khơng ta có ma sát


16

tĩnh. Do đặc tính tiếp xúc, chuyển động và sự có mặt hay khơng của mơi trường bơi
trơn người ta phân ma sát thành các loại như được trình bày trên (hình 2.1).

Hình 2.1. Phân loại ma sát
2.1.2. Các định luật ma sát cơ bản
Cho tới nay tồn tại hai định luật ma sát thoả mãn một dải rộng các điều kiện làm
việc của các đôi ma sát trong kỹ thuật. Hai định luật ma sát này do Amontons - một


17

kỹ sư người Pháp rút ra từ thực nghiệm và cơng bố vào năm 1699, tất nhiên khơng
có một ngun tắc vật lý cơ bản nào bị vi phạm kể cả khi các định luật này không
nghiệm đúng.
-

Theo định luật 1: Lực ma sát độc lập với diện tích tiếp xúc danh nghĩa giữa

-

hai vật thể.

Theo định luật 2: Lực ma sát tỷ lệ thuận với tải trọng pháp tuyến tại chỗ tiếp
xúc của hai vật thể.

Sau này Coulomb (1785) bổ sung thêm định luật 3, đó là ma sát động gần như
độc lập với vận tốc trượt tương đối. Tuy nhiên, phạm vi ứng dụng của định luật này
hẹp hơn hai định luật đầu.
2.1.3. Hệ số ma sát
Theo định luật ma sát 2:

F = f.W

(2-1)

Trong đó: f là hệ số ma sát, là hằng số với mỗi cặp vật liệu trong một bộ điều kiện
nhất định. Để giải thích bản chất của các hiện tượng về ma sát chúng ta sẽ đi sâu
nghiên cứu các lý thuyết về hiện tượng ma sát.
2.1.4. Độ nhám bề mặt và tiếp xúc thực
Khi hai vật thể tiếp xúc với nhau, một dạng tương tác nào đó sẽ xảy ra ở các bề
mặt tiếp xúc là nguyên nhân cản trở lại chuyển động tương đối. Phần lớn các lý
thuyết đều giả thiết rằng lực cản trên một đơn vị diện tích tiếp xúc là một hằng số.
F = Ars

(2-2)

Trong đó: F là lực ma sát; Ar là diện tích tiếp xúc thực, s lực ma sát đơn vị.
Nếu giả thiết s = const là hợp lý, thì diện tích tiếp xúc thực Ar đóng vai trị rất
quan trọng đối với giá trị của lực ma sát.


18

Trường hợp tiếp xúc đỉnh nhấp nhơ ở dạng hình cầu hoặc một dãy các hình

-

cầu có cùng chiều cao nhấp nhô và biến dạng ở đỉnh các nhấp nhô là đàn hồi.
A ∝ W2/3

(2-3)

Khi biến dạng tiếp xúc ở đỉnh các nhấp nhô là dẻo.

-

A∝W

(2-4)

Đối bề mặt phân bố chiều cao nhấp nhô được biểu diễn bằng hàm số mũ.

-

A∝W

(2-5)

Trong cả trường hợp biến dạng đỉnh nhấp nhô là đàn hồi hoặc dẻo.
Đối bề mặt phân bố chiều cao nhấp nhô được biểu diễn theo phân bố chuẩn

-

Gauss.
A∝W

(2-6)

Cho tất cả các chế độ biến dạng ở đỉnh các nhấp nhô bề mặt. Chú ý rằng trong
thực tế phân bố chiều cao đỉnh các nhấp nhơ có dạng gần với phân bố Gauss. Các
kết quả nghiên cứu đã chứng tỏ rằng biến dạng ở đỉnh các nhấp nhơ nói chung là
dẻo nhưng trong một số trường hợp có thể là đàn hồi.
2

Bôi trơn
2.2.1. Khái niệm

Sự trượt trực tiếp giữa hai bề mặt chất rắn nói chung đặc trưng bởi hệ số ma sát
cao và mòn khốc liệt phụ thuộc vào các tính chất cơ, lý, hố của hai bề mặt tiếp xúc
Sự hấp thụ và hình thành các lớp màng bề mặt trong khơng khí là ngun nhân
giảm ma sát và mịn.
Tuy nhiên, khơng có gì đảm bảo cho sự tồn tại lâu dài của các lớp màng này
trong quá trình vận hành vì thế người ta tìm cách chủ động đưa các chất bôi trơn


19

vào vùng tiếp xúc chung giữa hai bề mặt để giảm ma sát và mịn. Bơi trơn có thể
dưới dạng thể rắn và màng lỏng (chất khí hoặc lỏng).
Bơi trơn thể rắn sử dụng vật liệu bôi trơn dưới dạng bột hoặc màng mỏng trên
bề mặt tiếp xúc để giảm ma sát và mịn bề mặt. Bơi trơn thể rắn được sử dụng cho
những tiếp xúc trượt hoặc ổ làm việc với tải trọng lớn và tốc độ thấp hoặc thay cho

các ổ bôi trơn thuỷ động yêu cầu dừng và khởi động liên tục.
Lớp màng mỏng so với chiều cao nhấp nhơ của hai bề mặt đối tiếp có tác dụng
giảm ma sát và mòn so với tiếp xúc trực tiếp. Lớp màng dày giữa hai bề mặt trong
chuyển động tương đối ngăn tiếp xúc trực tiếp giữa hai bề mặt có thể tạo ra hệ số
ma sát rất thấp đến (0,001 - 0,003) và loại trừ mòn.
2.2.2. Vùng bơi trơn màng chất lỏng
Có 5 dạng bơi trơn cơ bản là thuỷ tĩnh, thuỷ động, thuỷ động đàn hồi, bôi trơn
hỗn hợp và bôi trơn biên chỉ ra trên Hình 2.2
Vùng bơi trơn trong đó một lớp màng bơi trơn dày hơn chiều cao nhấp nhô giữa
hai bề mặt được duy trì nhờ bơm từ bên ngồi mà khơng cần hoặc chỉ cần một chút
chuyển động tương đối giữa chúng gọi là bôi trơn thuỷ tĩnh. Bôi trơn thuỷ tĩnh có
thể sử dụng cả chất lỏng nén được và chất lỏng không nén được. Nhược điểm của
kiểu bôi trơn này là áp suất chất bôi trơn cao nên cần bơm áp suất cao và các thiết
bị làm sạch dẫn đến tăng chi phí.


20

Hình 2.2: Mơ hình một số dạng bơi trơn ứng dụng trong kỹ thuật.
Bôi trơn thuỷ động đôi khi gọi là bôi trơn màng chất lỏng. Bôi trơn thuỷ động
thường được thực hiện ở vận tốc cao, sử dụng chất bơi trơn có độ nhớt lớn để tạo
nên khả năng chịu tải cao cho ổ. Màng chất lỏng này có thể được tạo nên do chuyển
động tịnh tiến khứ hồi hoặc dao động theo hướng vng góc với nhau với biên độ
thay đổi hoặc không đổi. Cơ chế chịu tải này dựa vào hiện tượng chất lỏng nhớt
không thể trào ra ngoài ngay tức khắc khi hai bề mặt tiến lại gần nhau. Chất lỏng
này cần một khoảng thời gian nhất định để các bề mặt tiếp xúc với nhau, tuy nhiên
do sức cản nén của chất lỏng, áp suất tạo nên trong lòng chất lỏng sẽ đủ để đỡ tải
trọng.
Khi bỏ tải hoặc khi hai bề mặt tách xa nhau, chất lỏng bị hút vào và tạo nên lớp
màng chất lỏng cho chu kỳ chịu tải tiếp theo. Hiện tượng màng ép là nguyên nhân

hình thành lớp màng nước dưới bánh ô tô và máy bay trên đường hoặc đường băng
ướt loại trừ hầu hết chuyển động trượt tương đối. Hiệu ứng màng ép được ứng
dụng để giảm ma sát ở chỗ tiếp xúc.


21

Bôi trơn thuỷ động là một biện pháp bôi trơn lý tưởng để tạo nên lớp màng bôi
trơn dày khoảng (5 μm - 500 μm) cao hơn chiều cao nhấp nhô của bề mặt ổ, loại trừ
tiếp xúc trực tiếp tại đỉnh các nhấp nhô. Hệ số ma sát giữa hai bề mặt có thể giảm
đến 0,001. Ma sát tăng khi tăng vận tốc trượt do sức cản nhớt tăng.
Trong bơi trơn thuỷ động, mịn do dính khơng xảy ra trong q trình khởi động
và tắt máy. Tuy nhiên mịn hố học có thể xảy ra do tương tác của bề mặt vật rắn
với chất bơi trơn. Để giảm mịn hoá học người ta tạo ra trên bề mặt tiếp xúc một
lớp màng trơn.

Hình 2.3: Thơng số lớp màng bơi trơn và hệ số ma sát là hàm số của
η N/P chỉ ra các vùng bôi trơn chất lỏng khác nhau khi khơng có trợ giúp của bơm
ngồi.


22

Bôi trơn thuỷ động là một biện pháp bôi trơn lý tưởng để tạo nên lớp màng bôi
trơn dày khoảng (5 μm - 500 μm) cao hơn chiều cao nhấp nhô của bề mặt ổ, loại trừ
tiếp xúc trực tiếp tại đỉnh các nhấp nhô. Hệ số ma sát giữa hai bề mặt có thể giảm
đến 0,001. Ma sát tăng khi tăng vận tốc trượt do sức cản nhớt tăng.
Trong bơi trơn thuỷ động, mịn do dính khơng xảy ra trong q trình khởi động
và tắt máy. Tuy nhiên mịn hố học có thể xảy ra do tương tác của bề mặt vật rắn
với chất bơi trơn. Để giảm mịn hoá học người ta tạo ra trên bề mặt tiếp xúc một

lớp màng trơn.
Bôi trơn đàn hồi thuỷ động là một dạng của bơi trơn thuỷ động trong đó biến
dạng đàn hồi tại chỗ tiếp xúc của hai bề mặt đóng vai trị quan trọng trong q trình
bơi trơn. Lớp màng bơi trơn có chiều dày mỏng hơn (khoảng 0,5 μm - 5μm) nhưng
tải trọng chủ yếu được đỡ bởi lớp màng bôi trơn này. Trên một số vùng biệt lập các
nhấp nhơ bề mặt có thể chạm vào nhau.
Vùng chuyển tiếp giữa bôi trơn thuỷ động hoặc đàn hồi thuỷ động và bôi trơn
biên (boundary) gọi là vùng bôi trơn hỗn hợp trong đó cả hai cơ chế bơi trơn có thể
cùng xảy ra. Tần xuất của các tiếp xúc trực tiếp ở đỉnh nhấp nhơ có thể nhiều hơn
nhưng một phần tải trọng tác dụng lên ổ được đỡ bởi màng bôi trơn thuỷ động. Các
tiếp xúc trực tiếp ở đỉnh các nhấp nhô không được bảo vệ có thể dẫn đến một chu
kỳ dính, chuyển vật liệu (material tranfer), sự hình thành hạt mịn và cuối cùng là
kẹt. Tuy nhiên sử dụng các màng bôi trơn hoạt tính về hố, lý có thể ngăn được sự
dính xảy ra đối với phần lớn các tiếp xúc nhấp nhô.
Khi tăng tải, giảm vận tốc hoặc độ nhớt của chất bơi trơn, hệ số ma sát có thể
tăng đáng kể và đạt tới mức cao (khoảng 0,1 hoặc cao hơn). Bôi trơn biên là dạng
bôi trơn mà các bề mặt rắn tiếp xúc gần nhau tới mức mà tương tác giữa các lớp
màng đơn hoặc đa phân tử của chất bơi trơn và đỉnh các nhấp nhơ rắn quyết định
tính chất tiếp xúc. Sự phá huỷ bề mặt bôi trơn boundary có thể là dính hoặc hố


23

học. Chất bơi trơn biên hình thành một lớp màng có sức bền cắt thấp (dễ cắt) trên
các bề mặt ổ dẫn đến làm giảm đến tối thiểu mòn do dính và mịn hố.
3

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến trạng thái ma sát và bôi trơn

Thực nghiệm đã chỉ ra, để tạo được lớp bôi trơn giữa hai bề mặt ma sát phải

cung cấp cho chất bôi trơn một áp suất nhất định để duy trì được lớp dầu bơi trơn
với độ dày cần thiết để có thể tách hai bề mặt ma sát không cho chúng tiếp xúc với
nhau, ngồi ra muốn tạo được lớp bơi trơn nhờ vào sự chuyển động của dịng chảy
chất bơi trơn trong khe hở tiếp xúc thì hình dáng của khe hở bơi trơn phải có hình
dáng đăc biệt và thường được gọi là “hình cái nêm”. Bằng hình dáng có thể tạo lên
áp lực thủy động để phân cách hai bề mặt ma sát được minh họa trên hình 2.4b.

Hình 2.4. Sự hình thành áp suất thủy động giữa hai bề mặt trượt có hình dạng khác
nhau; a) trượt giữa hai mặt nghiêng, b) có bước Rayleigh, c) ổ đỡ ngang thơng
thường.
Ngồi hình dáng thích hợp trạng thái ma sát và bôi trơn của cặp ma sát trong
trường hợp này thường phụ thuộc vào 3 thơng số chính là: áp lực pháp tuyến giữa


24

hai bề mặt, tốc độ trượt tương đối và độ nhớt của dầu. Ba thông số này thường
được đặc trưng bởi chỉ số He và được xác định bởi biểu thức:
He = η V/p

(2-7)

Hình 2.5. Ảnh hưởng giữa các thơng số p, v, η đến độ dày lớp dầu bôi trơn, chế
độ bôi trơn, hệ số ma sát. a) quan hệ giữa chế độ ma sát, giá trị hệ số ma sát với
trị số He = η V/p ; b) quan hệ độ dày lớp dầu với He
Ở công thức trên: p - áp lực pháp tuyến, V- vận tốc trượt giữa hai bề mặt, η - độ
nhớt động lực học của chất lỏng.
Quan hệ giữa He và chế độ bơi trơn được trình bày trên (hình 2.5).
Ngồi hai thơng số tải và tốc độ, độ nhớt của dầu bôi trơn là thơng số có diễn
biến phức tạp. Độ nhớt của chất bôi trơn không phải là một hằng số mà bị thay đổi

dưới tác dụng của lực cắt (dòng chảy), áp suất và nhiệt độ. Sự biến đổi này phụ
thuộc vào bản chất của từng loại chất lỏng.
Về tính lưu biến học của chất lỏng hiện nay người ta thường phân chất lỏng ra
các loại theo sơ đồ được trình bày trên (hình 2.6).


25

Hình 2.6. Sơ đồ phân loại tính lưu biến các lại chất lỏng
Theo sơ đồ này chất lỏng được chia ra 2 loại chính: chất lỏng Niu - Tơn và chất
lỏng phi Niu-Tơn.
Chất lỏng Niu-Tơn là chất lỏng thoả mãn phương trình xác định độ nhớt động
lực học của chất lỏng chảy tầng:
F
dv
= η.
S
dx

(2-8)