Trí.H - Wiseco

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?

Ưu điểm của piston khối lượng thấp không chỉ dành riêng cho các động cơ có số vòng quay RPMs cao.
Ưu điểm của piston khối lượng thấp không chỉ dành riêng cho các động cơ có số vòng quay RPMs cao.

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 EllingerNick DiBlasi (các chuyên gia chế tạo piston có khối lượng nhẹ của Wiseco) sẽ được giải thích dưới đây.

 Piston động cơ của Wiseco
Piston động cơ của Wiseco

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.”
Thông qua Phần mềm Phân tích phần tử hữu hạn FEM, các khu vực có thể được gia công an toàn mà không ảnh hưởng đến độ bền của piston có thể được xác định trước khi một con chip duy nhất bay trên máy CNC. Các khu vực quan trọng là các chốt piston và các khu vực ở mặt dưới của đỉnh piston.
Thông qua Phần mềm Phân tích phần tử hữu hạn FEM, các khu vực có thể được gia công an toàn mà không ảnh hưởng đến độ bền của piston. Các khu vực quan trọng là các chốt piston và các khu vực ở mặt dưới của đỉnh piston.

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.

Khu vực thân piston cũng có thể giảm được khối lượng. Thiết kế cẩn thận có thể loại bỏ vật liệu ở những nơi không cần thiết mà không ảnh hưởng đến độ ổn định của piston trong lỗ chốt Piston.
Khu vực thân piston cũng có thể giảm được khối lượng.

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