Thiết kế máy #29: Dung sai lắp ghép theo hệ lỗ cơ bản

Thiết kế máy #29: Dung sai và lắp ghép — Cách chọn hệ lỗ cơ bản

Hai chi tiết cùng có kích thước danh nghĩa 20 mm vẫn có thể lắp lỏng, lắp vừa hoặc không thể lắp bằng tay. Khác biệt nằm ở miền dung sai của lỗ và trục, không nằm ở con số kích thước danh nghĩa.

Bài viết này trình bày cách đọc ký hiệu dung sai lắp ghép, cách chọn kiểu lắp theo chức năng và những điểm cần kiểm tra trước khi ghi dung sai lên bản vẽ. Nội dung được viết lại theo góc nhìn thiết kế và gia công thực tế; không thay thế việc tra phiên bản tiêu chuẩn hiện hành cho kích thước cụ thể.

1. Dung sai lắp ghép giải quyết vấn đề gì?

Trong thiết kế máy, một cặp lỗ–trục thường phải thực hiện một trong ba nhiệm vụ:

chuyển động tương đối, như trục quay trong bạc;
định vị chính xác nhưng vẫn tháo được;
giữ chặt để truyền lực hoặc tránh dịch chuyển.

Nếu chỉ ghi cùng kích thước danh nghĩa cho cả lỗ và trục, xưởng vẫn chưa biết giới hạn kích thước cho phép. Sai lệch nhỏ do gia công, nhiệt độ, lớp phủ và phương pháp đo có thể làm chức năng lắp thay đổi hoàn toàn.

Dung sai lắp ghép tạo ra một “vùng cho phép” cho lỗ và trục. Quan hệ giữa hai vùng này quyết định khe hở hoặc độ dôi sau lắp.

2. Ba kiểu lắp cơ bản

2.1 Lắp có khe hở (clearance fit)

Kích thước lỗ luôn lớn hơn kích thước trục trong mọi tổ hợp giới hạn. Sau lắp luôn tồn tại khe hở.

Phù hợp khi:

chi tiết cần quay hoặc trượt;
cần lắp tháo nhanh;
có bôi trơn hoặc cần chừa chỗ cho giãn nở nhiệt;
sai lệch đồng tâm nhỏ phải được hấp thụ.

Khe hở quá nhỏ có thể gây bó khi nhiệt độ tăng hoặc khi bề mặt có lớp phủ. Khe hở quá lớn làm tăng rung, tiếng ồn và sai số vị trí.

2.2 Lắp trung gian (transition fit)

Tùy kích thước thực tế, cặp lắp có thể có khe hở rất nhỏ hoặc độ dôi nhẹ.

Phù hợp khi:

cần định vị tốt hơn lắp lỏng;
vẫn muốn tháo bằng dụng cụ thông thường;
cụm lắp không truyền mô-men lớn chỉ nhờ bề mặt lắp.

Đây là vùng dễ gây hiểu nhầm nhất. Nhà thiết kế phải xác định rõ phương pháp lắp, lực tháo dự kiến và cơ cấu giữ bổ sung như vít, then hoặc vòng chặn.

2.3 Lắp có độ dôi (interference fit)

Kích thước trục luôn lớn hơn kích thước lỗ trong mọi tổ hợp giới hạn. Việc lắp cần ép, gia nhiệt chi tiết ngoài hoặc làm lạnh chi tiết trong.

Phù hợp khi:

cần truyền mô-men hoặc lực dọc trục qua bề mặt lắp;
không muốn chi tiết dịch chuyển trong vận hành;
cụm được xem là ít tháo hoặc không tháo thường xuyên.

Độ dôi không thể chọn chỉ bằng kinh nghiệm. Cần kiểm tra ứng suất vòng, biến dạng, vật liệu, chiều dày thành, độ nhám, nhiệt độ lắp và khả năng kiểm soát lực ép.

3. Cách đọc ký hiệu như H7/g6

Trong hệ thống dung sai ISO:

chữ in hoa dùng cho lỗ;
chữ thường dùng cho trục;
chữ cái biểu thị vị trí miền dung sai so với đường kích thước danh nghĩa;
số biểu thị cấp dung sai IT — số nhỏ hơn thường tương ứng miền dung sai hẹp hơn.

Ví dụ, ký hiệu dạng H7/g6 mô tả miền dung sai của lỗ H7 kết hợp với miền dung sai của trục g6. Ký hiệu này chưa tự cho biết giá trị sai lệch bằng micromet nếu chưa biết kích thước danh nghĩa và chưa tra bảng tiêu chuẩn tương ứng.

Một lỗi thường gặp là nhớ một cặp ký hiệu rồi dùng cho mọi đường kính. Giá trị giới hạn thay đổi theo dải kích thước, nên bản vẽ và khâu kiểm tra phải dùng đúng dải.

4. Vì sao hệ lỗ cơ bản được dùng phổ biến?

Trong hệ lỗ cơ bản, miền dung sai H của lỗ được giữ làm mốc; kiểu lắp thay đổi chủ yếu bằng cách chọn miền dung sai của trục.

Cách này thường thuận lợi vì:

dụng cụ tạo lỗ tiêu chuẩn như mũi khoan, doa và reamer khó thay đổi liên tục theo từng kiểu lắp;
trục thường dễ điều chỉnh kích thước bằng tiện hoặc mài;
quản lý dụng cụ và kiểm tra lỗ đơn giản hơn.

Hệ trục cơ bản vẫn hữu ích khi trục có kích thước cố định do vật liệu tiêu chuẩn, thanh kéo sẵn, bearing hoặc một chi tiết mua ngoài. Khi đó nhà thiết kế giữ trục làm mốc và thay đổi miền dung sai của lỗ.

Nguyên tắc thực tế: chọn hệ giúp sản xuất và đo kiểm ổn định nhất, không chọn chỉ vì thói quen của bản vẽ cũ.

4b. Các kiểu lắp ưu tiên và khi nào dùng

Thay vì tự nghĩ ra một tổ hợp lỗ–trục cho mỗi chi tiết, phần lớn xưởng chuẩn hóa theo một số ít kiểu lắp ưu tiên. Kiểu lắp ưu tiên giúp đơn giản hóa dụng cụ, đồ gá đo và trao đổi với nhà cung cấp, đồng thời đủ dùng cho đa số nhu cầu thiết kế máy thông thường. Bảng dưới liệt kê các kiểu lắp ưu tiên theo hệ lỗ cơ bản, sắp theo chức năng.

Ký hiệu chỉ mô tả loại lắp. Giá trị khe hở hoặc độ dôi thực tế (micromet) phụ thuộc kích thước danh nghĩa và phải tra bảng ISO 286-2 hiện hành cho đúng dải kích thước — đừng giả định một giá trị dùng cho mọi đường kính.

Kiểu lắp ưu tiên (hệ lỗ)	Nhóm lắp	Đặc tính điển hình	Dùng ở đâu
H11/c11	Khe hở (lỏng nhiều)	Khe hở lớn, lắp rất dễ	Định vị thô, chốt khe hở rộng, chi tiết chịu bụi/nóng
H9/d9	Khe hở (chạy tự do)	Khe hở rộng rãi	Trục quay có bôi trơn kém hoặc chiều dài lớn
H8/f7	Khe hở (chạy sát)	Khe hở vừa	Lắp quay có bôi trơn tốt, tốc độ vừa
H7/g6	Khe hở (trượt)	Khe hở nhỏ, dẫn hướng chính xác	Chi tiết trượt cần định vị tốt, spigot, bạc dẫn hướng
H7/h6	Khe hở (định vị)	Khe hở gần bằng 0, vẫn tháo được	Định vị chính xác chi tiết tĩnh, lắp bằng tay
H7/k6	Trung gian	Khe hở nhỏ hoặc dôi nhẹ	Định vị chắc, moay-ơ có then
H7/n6	Trung gian (chặt)	Thường dôi nhẹ	Định vị chắc, có then/vít gánh tải chính
H7/p6	Dôi (ép nhẹ)	Độ dôi ổn định	Chi tiết định vị bằng ép, giữ không cần then ở cỡ nhỏ
H7/s6	Dôi (ép vừa)	Độ dôi lớn hơn	Moay-ơ, vòng cố định truyền mô-men qua bề mặt lắp

Đọc từng dòng cùng với §2: lắp trung gian (H7/k6, H7/n6) có thể ra một trong hai phía của số 0 tùy chi tiết thực tế, nên không được dựa vào nó một mình để gánh mô-men lớn. Lắp dôi (H7/p6, H7/s6) vẫn phải qua bước kiểm ứng suất vòng và chiều dày thành ở §6 trước khi phát hành.

Ví dụ có số: trục 20 mm trong bạc

Giả sử một trục 20 mm phải quay trong bạc, định vị chính xác và tháo được khi bảo trì. Chạy qua quy trình §5:

Chức năng — cặp lắp cần quay và định vị, không truyền tải qua bề mặt. Loại

ngay nhóm lắp dôi.

Ứng viên — H7/g6 (trượt) hoặc H8/f7 (chạy sát). H8/f7 cho khe hở nhiều hơn

để bôi trơn/tốc độ; H7/g6 cho dẫn hướng chặt hơn.

Điều kiện vận hành — tải nhẹ, lắp bằng tay, tốc độ vừa, bôi trơn tốt →

H7/g6 giữ dẫn hướng chặt mà vẫn tháo bằng tay được.

Kiểm chứng — tra sai lệch của H7 và g6 cho dải 18–30 mm trong bảng ISO

286-2 hiện hành, rồi xác nhận khe hở nhỏ nhất không gây bó ở nhiệt độ vận hành và khe hở lớn nhất vẫn đạt độ chính xác vị trí yêu cầu.

Ký hiệu H7/g6 là quyết định; trị số giới hạn từ tiêu chuẩn xác nhận nó đúng cho đúng cỡ 20 mm này.

5. Quy trình chọn kiểu lắp

Bước 1: Xác định chức năng

Hỏi rõ cặp lắp cần quay, trượt, định vị hay truyền lực. Một vị trí vừa cần định vị vừa cần tháo bảo trì sẽ có yêu cầu khác vị trí ép vĩnh viễn.

Bước 2: Xác định trạng thái xấu nhất

Kiểm tra hai đầu giới hạn:

khe hở nhỏ nhất có đủ để không bó không;
khe hở lớn nhất có làm mất độ chính xác không;
độ dôi lớn nhất có làm nứt hoặc biến dạng chi tiết không;
độ dôi nhỏ nhất có đủ giữ tải không.

Bước 3: Xem điều kiện thực tế

Nhiệt độ giữa lúc lắp và lúc vận hành có khác nhau không?
Chi tiết có mạ, anodize, sơn hoặc xử lý bề mặt sau gia công không?
Có bụi, dầu, môi trường sạch hoặc ăn mòn không?
Xưởng có khả năng gia công và đo cấp dung sai đó ổn định không?

Bước 4: Chọn hệ lỗ hoặc hệ trục cơ bản

Ưu tiên hệ lỗ cơ bản khi lỗ được tạo bằng dụng cụ tiêu chuẩn và trục có thể điều chỉnh. Dùng hệ trục cơ bản khi kích thước trục đã bị ràng buộc bởi chi tiết tiêu chuẩn hoặc vật liệu sẵn có.

Bước 5: Tra tiêu chuẩn hiện hành

Tra đúng dải kích thước trong bảng dung sai và sai lệch giới hạn. Không lấy giá trị từ một bảng cũ hoặc ảnh trên mạng mà không biết phiên bản.

Bước 6: Xác nhận với gia công và đo kiểm

Một dung sai rất chặt nhưng không có phương pháp đo phù hợp sẽ tạo tranh cãi thay vì tạo chất lượng. Trước khi phát hành, cần thống nhất:

quy trình gia công cuối;
dụng cụ đo;
nhiệt độ tham chiếu;
cách xử lý ba via và lớp phủ;
tiêu chí nghiệm thu.

6. Những lỗi thiết kế thường gặp

Chọn dung sai càng chặt càng tốt

Dung sai chặt làm tăng số công đoạn, thời gian đo, tỷ lệ phế và chi phí. Chỉ chọn chặt đến mức chức năng yêu cầu.

Không tính lớp xử lý bề mặt

Lớp phủ trên trục làm đường kính tăng; lớp phủ trong lỗ làm đường kính hữu hiệu giảm. Cần xác định kích thước bản vẽ là trước hay sau xử lý.

Dùng lắp dôi cho chi tiết thành mỏng

Lực ép và ứng suất vòng có thể làm méo lỗ hoặc nứt chi tiết. Cần kiểm tra vật liệu, chiều dày và phương pháp lắp.

Bỏ qua nhiệt độ

Hai vật liệu có hệ số giãn nở khác nhau có thể làm khe hở thay đổi đáng kể. Cụm chạy nóng phải được kiểm tra ở nhiệt độ vận hành, không chỉ ở nhiệt độ phòng.

Chỉ ghi ký hiệu nhưng không nghĩ đến cách đo

Ký hiệu đúng tiêu chuẩn chưa đảm bảo sản xuất được. Độ không tròn, độ côn và độ nhám có thể làm kết quả lắp khác với kích thước đo tại một điểm.

7. Checklist trước khi phát hành bản vẽ

Cặp lắp cần chuyển động, định vị hay truyền lực?
Đã kiểm tra khe hở/độ dôi ở cả hai giới hạn chưa?
Chọn hệ lỗ hay hệ trục cơ bản có phù hợp quy trình gia công không?
Có lớp phủ hoặc xử lý nhiệt sau gia công không?
Nhiệt độ vận hành có làm thay đổi chức năng lắp không?
Thành chi tiết có đủ cứng cho lắp ép không?
Có yêu cầu về độ tròn, độ trụ, đồng tâm hoặc độ nhám đi kèm không?
Xưởng có dụng cụ đo phù hợp không?
Cụm có cần tháo bảo trì không?
Đã tra đúng phiên bản tiêu chuẩn và đúng dải kích thước chưa?

Câu hỏi thường gặp

H7/g6 nghĩa là gì?

H7 là miền dung sai của lỗ, g6 là miền dung sai của trục. Chữ in hoa (H) chỉ miền của lỗ, chữ thường (g) chỉ miền của trục; chữ cái xác định vị trí miền so với đường kích thước danh nghĩa, còn số là cấp dung sai IT (số nhỏ hơn thì miền hẹp hơn). H7/g6 là kiểu lắp khe hở nhỏ ("trượt"), dùng khi chi tiết cần định vị chính xác nhưng vẫn trượt hoặc tháo được bằng tay.

Hệ lỗ cơ bản khác hệ trục cơ bản ở đâu?

Trong hệ lỗ cơ bản, miền dung sai lỗ (H) được cố định và đổi kiểu lắp bằng cách chọn miền trục khác. Trong hệ trục cơ bản, miền trục (h) được cố định và thay đổi miền lỗ. Hệ lỗ cơ bản thường rẻ hơn vì dụng cụ tạo lỗ tiêu chuẩn (khoan, reamer) khó chỉnh, trong khi trục dễ tiện/mài về đúng cỡ. Dùng hệ trục cơ bản khi kích thước trục đã bị cố định bởi bearing, thanh tiêu chuẩn hoặc chi tiết mua ngoài.

Dung sai càng chặt có phải càng tốt?

Không. Dung sai chặt hơn làm tăng công đoạn, thời gian đo, phế phẩm và chi phí mà không cải thiện chức năng một khi kiểu lắp đã đạt yêu cầu. Chỉ siết đến cấp mà chức năng cần, và bảo đảm xưởng có phương pháp đo kiểm chứng được cấp đó.

Chọn kiểu lắp cho lắp dôi (ép) thế nào?

Bắt đầu từ mô-men hoặc lực dọc trục mối ghép phải gánh, rồi kiểm ứng suất vòng, chiều dày thành, vật liệu, độ nhám và phương pháp lắp (ép, gia nhiệt hoặc làm lạnh). Đừng bao giờ chọn lắp dôi chỉ bằng kinh nghiệm — H7/p6 và H7/s6 ứng xử rất khác nhau trên chi tiết thành mỏng so với moay-ơ đặc.

Kết luận

Dung sai lắp ghép không phải là một cặp ký hiệu để sao chép từ bản vẽ cũ. Nó là quyết định chức năng giữa hai chi tiết, đồng thời ràng buộc gia công, đo kiểm, lắp ráp và bảo trì.

Cách làm an toàn là bắt đầu từ chức năng, kiểm tra trạng thái giới hạn, chọn hệ cơ bản phù hợp năng lực sản xuất rồi mới tra bảng tiêu chuẩn. Khi bản vẽ trả lời được cả “lắp như thế nào” và “kiểm tra bằng gì”, dung sai mới thực sự giúp giảm lỗi thay vì chỉ làm bản vẽ trông chính xác hơn.

Đọc tiếp trong chuỗi dung sai

Xem tất cả bài viết kỹ thuật MINATA