Làm thế nào để chế tạo Piston động cơ nhẹ? Quy trình chế tạo Piston của hãng Wiseco

(News.oto-hui.com) – Giảm trọng lượng của piston động cơ là điều mà nhiều nhà sản xuất luôn muốn hướng tới ngày nay. Thế nhưng tại sao phải giảm trọng lượng của piston và làm thế nào để có thể giảm mà không phải ảnh hưởng đến sức mạnh hay sức chịu đựng của Pison? Dưới đây những giải thích cơ bản về quy trình chế tạo piston nhẹ của hãng Wiseco (hãng chuyên sản xuất linh kiện cao cấp dành cho động cơ).

Nhiều kỹ sư sáng chế luôn băn khoăn với câu hỏi: Làm thế nào để giảm khối lượng của Piston mà không bị mất đi “sức mạnh”? Có quy trình nào chế tạo Piston với khối lượng nhẹ hơn mà vẫn giữ được “sức mạnh” của chúng hay không?

Ở tốc độ 6.500 vòng/phút, một piston đơn sẽ đổi hướng hơn 200 lần mỗi giây. Trong 4 kỳ của động cơ đốt trong, tốc độ trung bình của piston di chuyển là 80km/h. Tuy nhiên đây chỉ là tốc độ trung bình, nó cũng phải khựng lại một khoảng thời gian đáng kể khi di chuyển chạm đến điểm chết trên và điểm chết dưới.

Điểm mấu chốt tạo nên hiệu suất của một Piston đó là lực quán tính G-Force. Nó phải đảm bảo “đủ tiêu chuẩn an toàn” để piston không bị hư hỏng khi vận hành.

Để sản xuất loại piston nhẹ, hai yếu tố chính quyết định đến là gia tốc và lực quán tính G-Force. Tuy nhiên, gia tốc của Piston là điều mà nhiều nhà hãng sản xuất không thể tác động đến. Vì gia tốc piston chịu ảnh hưởng bởi một hàm toán học liên quan đến tốc độ động cơ, các đối trọng và thanh truyền, piston. Do đó, nếu tác động đến Gia tốc phải điều chỉnh rất nhiều thứ. Để đơn giản hơn, lực quán tính G là lực mà nhà sản xuất có thể can thiệp thông qua trọng lượng piston. Giảm hoặc tăng khối lượng của Piston là điều có thể thực hiện dễ dàng và ít tốn chi phí hơn.

Có thể ta luôn thắc mắc nhưng thực tế thì một piston nhẹ hơn lại có thể bền hơn một piston nặng hơn. Vì nếu có vật liệu thừa ở những vị trí không đúng chỗ, sẽ ảnh hưởng đến quá trình chuyển động của piston. Để hiểu rõ cách thức và những lý do làm cho piston nhẹ hơn, tổng hợp ý kiến của Vic Ellinger và Nick DiBlasi (các chuyên gia chế tạo piston có khối lượng nhẹ của Wiseco) sẽ được giải thích dưới đây.

1. Tổng quan:

Ellinger cho biết: “Mọi sự hỗn loạn giữa hỗn hợp nhiên liệu đang diễn ra bên trong một động cơ đốt trong đều có thể kiểm soát, dù ít hay nhiều. Các lực đẩy và lực kéo sẽ liên tục làm biến dạng mọi thành phần của “cụm quay” (cụm piston – thanh truyền – trục khuỷu) của động cơ.”

• Lấy ví dụ: Hãy nghĩ về việc quay một xô đá buộc trên dây so với một viên sỏi trên đầu dây. Quá trình chuyển động sẽ chống lại các chu kỳ hoạt động như của động cơ; pít-tông, thanh truyền và chốt đều cố gắng hất tung khỏi khối theo đúng nghĩa đen.”

Các piston và thanh truyền chịu một số ứng suất cực đại nhất ở điểm chết dưới trong quá trình chuyển đổi giữa kỳ xả và nạp. Đây là kỳ có rất ít lực cản đối với chuyển động đi lên của piston từ áp suất trong buồng đốt, và piston sẽ đột ngột thay đổi hướng khi chuyển động của tay quay trục khuỷu bắt đầu.

DiBlasi cũng giải thích rằng: “Dưới tác động của các lực khi chuyển động, khi các bộ phận được thiết kế chính xác, mọi thứ sẽ chạy ổn định. Khối lượng lớn đồng nghĩa sẽ tạo ra nhiều lực tác động hơn, đặc biệt là khi các chi tiết chuyển động ngày càng xa đường tâm của trục khuỷu.”

2. Giảm trọng lượng Piston động cơ

Để giảm các ứng suất đó, việc giảm khối lượng của “cụm piston quay” là chìa khóa quan trọng. Và tiếng nổ sinh ra bởi việc giảm trọng lượng các chi tiết, chắc chắn sẽ có âm thanh lớn hơn.

Per DiBlasi cho biết: “Nếu có thể bỏ bớt càng nhiều trọng lượng ra khỏi cụm thanh truyền và pít-tông, thì càng giảm bớt “sự căng thẳng” (những lực, áp suất, ứng suất,…) tác động lên các chi tiết như vòng bi và ổ trục.“

• Thế nhưng, khi động cơ ở số vòng tua cao, tải trọng và tốc độ có thể gây ra thiệt hại theo cấp số nhân. 
• Mỗi gram bớt đi sẽ tạo ra sự khác biệt rất lớn ở điểm đó. 
• Một piston cực nặng cũng đẩy giới hạn, gây ức chế với bu lông thanh truyền lên cao hơn. 

Trong một số trường hợp đặc biệt, chẳng hạn như động cơ thường xuyên hoạt động với tần suất lớn ở tốc độ cao, không có cách nào khác là phải thêm khối lượng trong piston động cơ để giải nhiệt kịp thời cũng như ngăn chặn tình trạng kích nổ và cung cấp diện tích đủ rộng để giải thoát cho lượng nhiệt năng ra khỏi piston cả. Nhưng nếu không có những điều kiện đặc biệt đó, piston nhẹ hơn, chắc chắn sẽ tốt hơn.

Theo Ellinger: “Các piston nhẹ hơn sẽ rất tốt cho động cơ hút khí tự nhiên (tốt nhất là cho động cơ xăng) sẽ đạt được hiệu quả tối ưu hơn và có thể giảm trọng lượng xe. Thông qua sử dụng cụm piston quay với lực quay nhẹ hơn, có thể giảm nguy cơ hỏng hóc các bộ phận.” 

DiBlasi cho biết thêm: “Ngoài ra đó là cách động cơ phản ứng. Khối lượng quay nhẹ hơn cho phép động cơ phản ứng nhanh hơn khi quay.”

3. Sản xuất Piston động cơ nhẹ hơn bằng phương pháp nào?

Phương thức sản xuất “di truyền” (cách piston được sản xuất thông thường) quyết định đến khối lượng của Piston. Có hai cách sản xuất phổ biến nhất đối với các piston là đúc (trong đó nhôm nóng chảy được đổ vào khuôn) và rèn. Một phôi nhôm được nung nóng, sau đó được tạo hình trong khuôn dưới áp suất cực lớn. 

• Phương pháp sản xuất nào cũng đều có những ưu và nhược điểm về độ bền, vật liệu được sử dụng và tất nhiên là giá cả. Rèn hay đúc đều phụ thuộc vào mục đích thiết kế.

Ellinger giải thích: “Thông thường, một piston động cơ sản xuất theo phương pháp đúc thường nặng hơn trong hầu hết các trường hợp. Điều này là do nhiều nhà sản xuất sử dụng một đế đúc duy nhất cho nhiều loại thiết kế piston. Ta luôn có thể loại bỏ vật liệu khỏi máy đúc, nhưng thời gian để máy loại bỏ phần dư thừa không cần thiết cho một mục đích thiết kế khác sẽ tốn tiền và mất thời gian hơn. Do đó, các piston đúc thường nặng hơn mức cần thiết (nặng hơn rèn).”

Ellinger tiếp tục: “Khả năng tạo ra các piston theo phương pháp rèn sẽ gần giống với hình dạng mong muốn hơn và ít khối lượng hơn phương pháp đúc, có thể loại bỏ khối lượng ngay từ đầu.“

DiBlasi cho biết thêm: “Tùy thuộc vào mục đích thiết kế, các piston có thể nhẹ hơn đáng kể. Thông thường, trong với các động cơ hút khí tự nhiên, các kỹ sư chuyên ngành thường sử dụng loại piston nhẹ hơn vì thiết kế chính xác với trọng lượng nhẹ hơn, đảm bảo tối ưu cho loại động cơ này so với loại có turbo tăng áp hay supercharger. Ngược lại, với điều kiện làm việc khắc nghiệt của Piston, chúng ta thường thấy nó sẽ được đúc.”

Giảm khối lượng piston luôn là việc ưu tiên hàng đầu trong kỹ thuật công nghệ chế tạo.

• 

DiBlasi cho biết: “Phương pháp rèn có thể giảm trọng lượng ở hầu hết mọi khu vực của piston do vật liệu chế tạo sẽ đặc biệt hơn, thiết kế chính xác hình học piston tốt hơn với tiết diện mỏng hơn của piston. Độ dày của đỉnh piston (Piston Crown), độ dày của thân piston (Piston Skirt) và lỗ trục piston (Piston Pin Boss) là những khu vực mà vật liệu được loại bỏ nhiều nhất. Một piston đúc có thể có độ dày đỉnh là 5.588 mm (0,22 inches) trong khi với phương pháp rèn có thể có độ dày mỏng hơn với 4.572 mm (0,18 inches). Ngoài ra, nếu có thể sử dụng thiết kế có chốt piston ngắn hơn, có thể giảm 25% trọng lượng của chốt.”

Việc sử dụng phần mềm FEA (hoặc FEM ứng dụng cho phân tích tuyến tính, phi tuyến, Nhiệt, mỏi của vật liệu) trong thiết kế Piston để có cái nhìn tổng quan hoặc chi tiết, từ đó nghiên cứu được ứng suất ở mỗi điểm của Piston và khắc phục chúng.

Wiseco cũng cho biết việc sử dụng loại piston của họ sẽ tốt hơn so với hàng OEM nhưng nó chỉ đảm bảo cho các động cơ có công suất không cao, với số vòng quay cực đại thấp.

4. Nên sử dụng piston nhẹ hay nặng?

Bằng cách giảm chiều dày của lỗ trục piston, chốt piston, đỉnh piston, thân piston, ta có thể lược bỏ bớt 30-50 gram trong quá trình chế tạo theo phương pháp rèn cùng với việc giảm khối lượng chốt piston đi. Qua đó sẽ giảm bớt đi 7-10% tổng khối lượng của cụm Piston.

Tuy nhiên, việc sử dụng loại piston nhẹ này chỉ nên áp dụng với động cơ xăng hút khí tự nhiên hoặc loại động cơ có dung tích thấp. Một Piston rèn thường nặng dưới 500 gram, trong khi loại piston đúc là 700gram trở lên. Với động cơ chữ V yêu cầu sự cân bằng nên việc sử dụng loại piston nhẹ này sẽ không phù hợp. Chúng thật sự chỉ hợp với động cơ thẳng hàng I hoặc với động cơ đối đỉnh (boxer,…).

Sử dụng loại piston nhẹ không làm tăng công suất nhưng nó sẽ quay nhanh hơn, có thể cần năng lượng đạt đến ít hơn so với loại piston nặng khi ở số vòng quay động cơ thấp. Ở đầu và cuối mỗi hành trình, khi piston động cơ dừng lại, cần một lực để làm cho piston chuyển động trở lại, khối lượng càng lớn thì lực sẽ càng lớn để làm cho nó chuyển động. Nếu ít va chạm với đầu và cuối của hành trình thì những ảnh hưởng đến công suất, mã lực của động cơ có thể sẽ tăng lên. Tuy nhiên cần có lực để dừng một cái gì đó đang chuyển động và cũng để bắt đầu nó chuyển động lại.

• Piston nhẹ cũng giúp giảm bớt căng thẳng lên các bộ phận động cơ khác, thanh truyền, bu lông, tay quay và thậm chí cả cụm tay quay thanh truyền trục khuỷu piston. Và bởi vì lực cần thiết ít hơn và trọng lượng quay nhỏ hơn, động cơ cũng trở nên nhỏ hơn và tăng tốc nhanh hơn. Nhưng nếu piston nhẹ cho việc đáp ứng chế độ hoạt động cao hơn, nó chắc chắn sẽ không đủ tốt để sử dụng.
• Ở vòng tua máy cao hơn nên ưu tiên việc sử dụng loại piston nặng có thể tốt hơn.

Bài viết liên quan:

• Các kiểu thiết kế đỉnh piston
• Những nguyên nhân hư hỏng của Piston động cơ
• Piston trong cỗ máy 1000 mã lực của Honda được tạo ra như thế nào?