(News.oto-hui.com) – Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền là phần truyền động chính của động cơ. Bao gồm các chi tiết: Piston, xéc măng, chốt piston, thanh truyền và trục khuỷu. Vậy thì cấu tạo và vai trò của từng chi tiết này là gì? Hãy cùng tìm hiểu CHI TIẾT thông qua bài viết này nhé.
*Lưu ý: Có thể bạn đã đọc được những bài viết về cơ cấu trục khuỷu thanh truyền, piston, xylanh, xéc măng,… trên OTO-HUI trước đó. Tuy nhiên, đó là những bài viết đơn lẻ, chưa đầy đủ nội dung. Và đây là bài tổng hợp đầy đủ nhất về các khái niệm, cấu tạo, cũng như vai trò của các chi tiết trên.
I. Tìm hiểu về cơ cấu trục khuỷu thanh truyền:
1. Khái niệm Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền:
Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền là phần chuyển động của động cơ bao gồm các chi tiết: Piston, xéc măng, chốt piston, thanh truyền và trục khuỷu.
2. Vai trò của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền:
Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền có vai trò tiếp nhận năng lượng nhiệt từ khí cháy chuyển hóa thành cơ năng làm quay trục khuỷu trong kì nổ. Sử dụng momen quay của trục khuỷu để thực hiện các quá trình hút, nén và xả.
II. Các chi tiết trong cơ cấu trục khuỷu thanh truyền:
1. Piston:
1.1. Khái niệm và vai trò của Piston:
Piston là một chi tiết chuyển động tịnh tiến trong cơ cấu trục khuỷu thanh truyền và đảm nhận các nhiệm vụ sau:
- Tạo hình cần thiết cho buồng đốt, đảm bảo độ kín cho khoang công tác.
- Chuyển đổi áp lực khí cháy thành lực đẩy lên thanh truyền để quay trục khuỷu.
- Thực hiện quá trình hút, nén hỗn hợp và xả khí cháy.
Ngoài ra, piston là một trong những chi tiết có điều kiện làm việc khắc nghiệt nhất trong cơ cấu trục khuỷu thanh truyền khi phải chịu các ảnh hưởng sau:
- Tải trọng cơ học lớn và thay đổi có chu kì: Áp lực khí thể và lực quán tính rất lớn.
- Chịu tác dụng của tải trọng nhiệt cao: Nhiệt độ của khí cháy rất cao và điều kiện làm mát khó khăn.
- Lực ma sát lớn: Do lực ngang và điều kiện bôi trơn khó khăn.
- Sự ăn mòn hóa học: Tiếp xúc với sản vật cháy trong đó có nhiều chất ăn mòn hóa học như hơi axit nên piston bị mòn, đặc biệt là đỉnh piston.
1.2. Kết cấu Piston:
Tùy theo nhiệm vụ và những đặc điểm kết cấu riêng mà piston được chia thành 4 phần: Đỉnh, đầu, thân và chân piston.
1.2.1. Đỉnh piston
Đỉnh piston có thể chia thành 4 dạng: đỉnh lõm, đỉnh lồi, đỉnh bằng và đỉnh chứa buồng cháy. Mỗi loại đỉnh piston có ưu điểm và chức năng khác nhau.
- Đỉnh bằng thường được sử dụng với động cơ chạy dầu Diezel dạng buồng cháy xoáy lốc lốc do có thiết kế khá đơn giản. Diện tích chịu nhiệt tương đối nhỏ.
- Đỉnh lồi thường được sử dụng với loại động cơ chạy xăng 2 và 4 kỳ do nó có diện tích chịu nhiệt lớn, thiết kế mỏng, nhẹ cùng sức bền lớn.
- Đỉnh lõm được sử dụng cho cả 2 loại động cơ chạy xăng và dầu Diezel. Nhược điểm của nó là sức bền cơ khí kém, ưu điểm là không gian chịu nhiệt lớn hơn so với piston đỉnh bằng.
- Đỉnh chứa buồng cháy là dạng đỉnh có khả năng tận dụng được xoáy lốc của dòng khí. Hình dạng của đỉnh phải phù hợp với buồng cháy và hướng của tia phun nhiên liệu.
1.2.2. Đầu piston:
Có 3 yêu cầu đặt ra cho đầu piston đó là khả năng bao kín, tản nhiệt và sức bền lớn.
Đầu piston có chứa các rãnh xéc măng là nơi lắp đặt các xéc măng khí và xéc măng dầu, có vai trò bao kín buồng đốt, ngăn lọt khí từ buồng cháy xuống cate và ngăn sục dầu từ cate lên buồng cháy. Trong rãnh xéc măng dầu có các lỗ có vai trò đưa dầu sau khi bôi trơn trở về lại cate. Tùy vào từng loại động cơ, piston có thể có số lượng các rãnh xéc măng khác nhau.
Vì đầu piston là phần nối tiếp với đỉnh piston, nơi trực tiếp tiếp xúc với khí cháy và áp lực khí thể nên phải có kết cấu đảm bảo được khả năng tản nhiệt và sức bền lớn.
1.2.3. Thân piston:
Thân piston là phần nằm dưới đầu piston, có vai trò dẫn hướng chuyển động cho piston. Trên thân piston có lỗ để lắp chốt piston kết nối piston với thanh truyền.
Kết cấu của piston có một số yêu cầu sau:
- Chiều cao của thân piston phải đảm bảo yêu cầu về áp suất tiếp xúc.
- Vị trí tâm chốt được bố trí lệch với tâm xylanh một giá trị e về phía giảm lực ngang.
1.2.4. Chân piston:
Chân piston là phần mặt trụ bên trong của piston. Có các vai trò là làm tăng độ cứng vững cho piston, là nơi gá đặt để gia công piston, cắt gọt khi cần giảm trọng lượng của piston.
1.3. Vật liệu chế tạo:
Có 3 loại vật liệu được sử dụng phổ biến để chế tạo piston đó là gang, thép và hợp kim nhôm. Mỗi loại vật liệu đều có các ưu nhược điểm khác nhau như sau:
- Gang: Piston làm bằng gang có ưu điểm là sức bền nhiệt cao, sức bền cơ học khá cao, hệ số giản nở dài nhỏ, dễ đúc và giá thành rẻ. Nhược điểm là khả năng tản nhiệt kém và khối lượng riêng của piston lớn. Thường được sử dụng trong các động cơ diesel thấp tốc.
- Thép: Piston làm bằng thép có ưu điểm là sức bền cao. Nhược điểm là hệ số dẫn nhiệt nhỏ, khó đúc. Loại vật liệu này thường được sử dụng ít hơn so với hai loại vật liệu còn lại.
- Hợp kim nhôm: Piston làm bằng hợp kim nhôm có ưu điểm là khối lượng riêng nhỏ, hệ số dẫn nhiệt lớn, hệ số ma sát với gang nhỏ, dễ đúc và dễ gia công. Nhược điểm là có hệ số giãn dài lớn nên dễ bị bó kẹt và sức bền giảm nhanh ở nhiệt độ cao. Piston làm bằng hợp kim nhôm được sử dụng phổ biến trong cả động cơ xăng và diesel.
2. Xéc măng:
2.1. Khái niệm, vai trò và kết cấu Xéc măng:
Xéc măng là chi tiết có vai trò làm kín khe hở giữa piston và xylanh nhằm cách ly buồng công tác với phần dưới của thân máy.
Giống với piston, xéc măng cũng là một trong những chi tiết có điều kiện làm việc khắc nghiệt nhất trong cơ cấu trục khuỷu thanh truyền khi phải chịu những ảnh hưởng sau:
- Tải trọng cơ học lớn, đặc biệt là xéc măng đầu tiên khi phải chịu áp suất của khí cháy rất lớn, lực quán tính lớn, có chu kì và va đập.
- Tải trọng nhiệt cao.
- Ma sát lớn.
- Ăn mòn hóa học.
- Ứng suất uốn ban đầu khi lắp ráp xéc măng vào rãnh ở piston.
Có 2 loại xéc măng đó là xéc măng khí và xéc măng dầu.
2.1.1. Xéc măng khí:
Xéc măng khí là những xéc măng được lắp phía trên (tính từ đỉnh piston đi xuống), mỗi piston thường có 2 đến 4 xéc măng khí tùy vào từng loại động cơ. Vai trò của xéc măng khí là:
- Bao kín buồng đốt, làm nhiệm vụ ngăn cách giữa 2 phần không gian trong xylanh là phía trên buồng đốt và phía dưới buồng đốt.
- Tạo độ kín cho khí nén (được tạo ra từ piston và đầu quylat) trong buồng đốt, duy trì áp suất nén trong buồng đốt, ngăn không cho khí cháy từ trên buồng đốt lọt xuống đáy dầu của phần máy bên dưới.
- Kềm giữ piston trong xylanh.
- Truyền nhiệt từ piston qua thành xylanh, xéc măng truyền phần lớn nhiệt lượng từ đầu piston sang thành xylanh, rồi ra nước làm mát hoặc gió để làm mát động cơ.
Xéc măng khí lại thường được chia thành 2 loại nhỏ đó là xéc măng lửa và xéc măng ép:
- Xéc măng lửa: Là xéc măng nằm trên cùng (từ trên đỉnh đầu piston đếm xuống), tiếp xúc trực tiếp với khí cháy (hỗn hợp xăng gió). Loại xéc măng này thường có mặt trên dưới, mặt ngoài mạ chrome để tăng độ bền, nên thường có màu trắng xung quanh.
- Xéc măng ép: Là xéc măng thứ 2 nằm ở giữa, ngay kế tiếp vòng xéc măng lửa, hình dáng giống như xéc măng lửa, còn được gọi là xéc măng làm kín. Loại xéc măng này có thể được mạ chrome hoặc không mạ, thường có màu xám đậm.
Xéc măng khí thường có tiết diện hình chữ nhật hoặc hình thang vuông. Loại xéc măng có tiết diện hình thang vuông có ưu điểm là nhanh chóng rà khít với thành xylanh, do diện tích tiếp xúc với thành xylanh nhỏ, áp suất tiếp xúc lớn và có khả năng làm kín tốt hơn. Miệng xéc măng có thể được cắt thẳng hoặc xiên dưới một góc 30o, 45o hay 60o, hoặc có dạng bậc thang.
Khi lắp đặt xéc măng vào piston cần phải chú ý điều chỉnh các khe hở xéc măng (khe hở rãnh xéc măng và khe hở miệng xéc măng) sao cho phù hợp với thông số của nhà sản xuất. Nếu khe hở xéc măng quá nhỏ sẽ dẫn tới piston bị bó kẹt, gây hư hỏng động cơ. Ngược lại, nếu khe hở piston quá lớn sẽ gây ra hiện tượng bị lọt khí, làm giảm công suất của động cơ.
2.1.2. Xéc măng dầu:
Trong quá trình hoạt động của hệ thống bôi trơn, dù là vung té hay cưỡng bức, một phần dầu bôi trơn sẽ bám vào thành xylanh để bôi trơn cho chuyển động, đồng thời làm mát các chi tiết thuộc cụm piston-thanh truyền. Tuy nhiên, nếu dầu bôi trơn bị lọt lên trên buồng đốt và cháy cùng với nhiên liệu thì sẽ sinh ra muội than, gây ra hiện tượng cháy kích nổ làm giảm công suất của động cơ. Dầu bị đốt cháy sẽ làm lượng dầu bôi trơn bị hao hụt nhanh chóng và phải bổ sung thường xuyên.
Xéc măng dầu là những xéc măng được lắp đặt dưới những xéc măng khí. Có vai trò ngăn dầu bôi trơn đi lên buồng đốt và dàn đều dầu lên bề mặt xylanh. Trên piston thường có từ 1 đến 2 xéc măng dầu tùy vào từng loại động cơ.
Về kết cấu, xéc măng dầu được tạo thành từ 2 vòng thép mỏng bên ngoài kẹp 1 vòng đàn hồi hướng tâm ở giữa. Vòng đàn hồi hướng tâm là 1 vòng có thiết kế phay các rãnh, tạo thành các khe nhỏ trên bề mặt, tiếp xúc với thành xylanh. Do đó một số thợ thường gọi là bộ bạc 5 lá (2 vòng xéc măng khí và 3 vòng cấu tạo của xéc măng dầu).
Khi động cơ hoạt động, dầu bôi trơn được bắn lên thành xylanh bôi trơn các chi tiết là xylanh, piston và xéc măng, giúp làm giảm ma sát. Khi đó trên thành xylanh (phần xylanh nằm phía dưới buồng đốt) sẽ đọng 1 lớp váng dầu bôi trơn. Xéc măng dầu có nhiệm vụ chính là gạt (gần hết) lớp dầu bôi trơn còn đọng lại trên thành xylanh này đi và thải trở lại cacte bên dưới.
Giống với xéc măng khí, khi lắp đặt xéc măng dầu cũng cần phải chú ý điều chỉnh các khe hở xéc măng sao cho phù hợp.
2.2. Vật liệu chế tạo Xéc măng:
Chính vì phải làm việc trong những điều kiện rất khắc nghiệt nên vật liệu chế tạo xéc măng phải đảm bảo độ đàn hồi tốt ở nhiệt độ cao, chịu mài mòn tốt. Hầu hết các xéc măng được chế tạo bằng gang xám pha hợp kim, xéc măng đầu tiên có thể được mạ crôm xốp có chiều dày 0,03÷0,06 mm, giúp tuổi thọ có thể tăng 3÷3,5 lần.
Xéc măng thường làm việc trong điều kiện môi trường bôi trơn kém, vì piston chuyển động tịnh tiến nên khó giữ màng dầu bôi trơn hơn chuyển động quay như trục khuỷu, chịu nhiệt độ cao. Nên trong quá trình làm việc xéc măng dễ bị mài mòn và tính đàn hồi giảm dần.
3. Chốt piston:
3.1. Khái niệm, vai trò và kết cấu:
Chốt piston là chi tiết trung gian có vai trò kết nối piston với thanh truyền.
Chốt piston có kết cấu dạng hình trụ rỗng. Tuy có kết cấu đơn giản nhưng đây lại là chi tiết đóng vai trò khá quan trọng trong cơ cấu trục khuỷu thanh truyền khi nó là chi tiết kết nối trung gian giữa hai chi tiết có phương chuyển động khác nhau là piston và thanh truyền.
Cũng giống như những chi tiết đã trình bày bên trên, chốt piston cũng có điều kiện làm việc rất khắc nghiệt như sau:
- Phải chịu lực có tính chất va đập và tuần hoàn từ piston và thanh truyền.
- Làm việc trong môi trường nhiệt độ cao và bôi trơn khó khăn.
Chính vì phải làm việc trong điều kiện khắc nghiêt như vậy nên chốt piston phải được chế tạo từ những vật liệu đảm bảo được sức bền và độ mài mòn cao. Những loại vật liệu thường được sử dụng để làm chốt piston là thép ít cacbon hoặc thép hợp kim. Bề mặt của chốt piston được thấm than hoặc xianua, tôi cao tần và mài bóng. Giúp tăng độ bền và khả năng chịu mài mòn cho chốt piston.
3.2. Các kiểu lắp ghép chốt piston:
Có 3 cách lắp ghép chốt piston đó là: cố định chốt trên đầu nhỏ thanh truyền, cố định chốt trên bệ chốt piston và lắp tự do cả hai mối ghép.
3.2.1. Cố định chốt trên đầu nhỏ thanh truyền:
Ở trường hợp này, phần giữa của chốt piston sẽ được lắp cố định với đầu nhỏ thanh truyền bằng bulong siết. Hai đầu của chốt piston được lắp lỏng so với piston để có thể chuyển động quay tự do.
3.2.2. Cố định chốt trên bệ chốt piston:
Ở trường hợp này, chốt piston được cố định trên bệ chốt piston nhờ vít hãm và không thể chuyển động quay tự do quanh tâm trục. Chốt piston được lắp lỏng so với đầu nhỏ thanh truyền.
3.2.3. Lắp tự do cả hai mối ghép:
Ở trường hợp này, chốt piston được lắp lỏng so với piston và đầu nhỏ thanh truyền. Trên piston, phần lỗ lắp chốt sẽ có rãnh để lắp vòng hãm, giúp cố định vị trí của chốt nằm trong piston, không cho chốt piston di chuyển dọc trục làm ảnh hưởng đến quá trình chuyển động của piston (nếu chốt piston dịch chuyển ra ngoài vị trí cố định thì có thể cào vào thành xylanh và gây hư hỏng động cơ). Đây là cách lắp ghép được sử dụng phổ biến nhất hiện nay.
Còn nữa…
Một số bài viết liên quan:
- Những nguyên nhân hư hỏng của Piston động cơ
- Khe hở xéc măng có quan trọng không và kiểm tra nó như thế nào?
- Khe hở Piston là gì? Tại sao cần phải có khe hở giữa Piston và xy lanh?
- Công nghệ Freevalve của Koenigsegg giúp tạo 600 mã lực từ động cơ 3 xylanh ra sao?
- Giải mã động cơ M139 có 4 xy-lanh mạnh nhất thế giới của Mercedes
- Cách nhận biết công suất động cơ yếu nhờ thông số từ cảm biến oxy?
- Tại sao động cơ diesel ồn hơn động cơ xăng?
- Hệ thống nhiên liệu Common Rail Diesel
