Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền khái niệm, cấu tạo, vai trò (phần 1)

Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền: Khái niệm, cấu tạo, vai trò (Phần 1)
(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 trị của từng chi tiết này là gì? Hãy cùng tìm
hiểu CHI TIẾT thơng 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 trị 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.

Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền trên động động cơ
2. Vai trò của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền:
Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền có vai trị 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 cơng tác.
Chuyển đổi áp lực khí cháy thành lực đẩy lên thanh truyền để quay trục khuỷu.
Thực hiện q trình hút, nén hỗn hợp và xả khí cháy.
Ngồi 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 mịn hóa học: Tiếp xúc với sản vật cháy trong đó có nhiều chất ăn mịn hóa
học như hơi axit nên piston bị mịn, đặc biệt là đỉnh piston.
1.2. Kết cấu Piston:

Kết cấu của 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


Có
nhiều loại đỉnh piston khác nhau
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 xốy lốc của dịng
khí. Hình dạng của đỉnh phải phù hợp với buồng cháy và hướng của tia phun
nhiên liệu.
1.2.2. Đầu piston:

Mặt cắt của các loại đầu piston khác nhau


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 trị 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
trị đưa dầu sau khi bơi 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:

Tùy vào từng loại động cơ, thân piston sẽ có thiết kế khác nhau
Thân piston là phần nằm dưới đầu piston, có vai trị 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 nơi làm chuẩn thiết kế và gia công cắt gọt
Chân piston là phần mặt trụ bên trong của piston. Có các vai trị 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 nhơm. 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 cịn lại.
Hợp kim nhơm: Piston làm bằng hợp kim nhơm 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 trị làm kín khe hở giữa piston và xylanh nhằm cách ly
buồng công tác với phần dưới của thân máy.


Xéc
măng có vai trị làm kín khe hở giữa piston và xylanh
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 qn tính lớn, có chu kì và va đập.
Tải trọng nhiệt cao.
Ma sát lớn.
Ăn mịn 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 trị 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 khơng 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, cịn được gọi là xéc măng làm kín. Loại xéc
măng này có thể được mạ chrome hoặc khơng mạ, thường có màu xám đậm.

Xéc măng có nhiều kiểu tiết diện khác nhau
Xéc măng khí thường có tiết diện hình chữ nhật hoặc hình thang vng. Loại xéc
măng có tiết diện hình thang vng 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 cơng suất của động cơ.


Khi lắp ráp xéc
măng cần chú ý đến khe hở xéc măng
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 cơng 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.

Hiện tượng bơm dầu lên buồng cháy của xéc măng khí
Xéc măng dầu là những xéc măng được lắp đặt dưới những xéc măng khí. Có vai
trị ngăn dầu bơi 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.


Kết cấu của các loại xéc măng dầu
Về kết cấu, xéc măng dầu được tạo thành từ 2 vòng thép mỏng bên ngồi kẹp 1
vịng đàn hồi hướng tâm ở giữa. Vịng đàn hồi hướng tâm là 1 vịng 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 vịng 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 bơi trơn.
Xéc măng dầu có nhiệm vụ chính là gạt (gần hết) lớp dầu bơi 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 crơm 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 mơi trường bơi trơn kém, vì piston
chuyển động tịnh tiến nên khó giữ màng dầu bơi trơn hơn chuyển động quay như
trục khuỷu, chịu nhiệt độ cao. Nên trong quá trình làm việc xéc măng dễ bị mài
mịn 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 là chi tiết
trung gian 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 trị 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 hồn từ piston và thanh truyền.
Làm việc trong môi trường nhiệt độ cao và bơi 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, tơi 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.


Có

3

kiểu lắp ghép chốt piston
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
khơng 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 vịng hãm, giúp cố định vị

trí của chốt nằm trong piston, khơng 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.