Làm thế nào để chế tạo piston động cơ nhẹ quy trình chế tạo piston của hãng 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 khơng 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 khơng 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
vịng quay RPMs cao.
Ở tốc độ 6.500 vịng/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 qn tính G-Force. Nó
phải đảm bảo “đủ tiêu chuẩn an tồn” 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
khơng 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 thơng 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 ln 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 khơng 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.

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 sốt, 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 xơ 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-tơng, 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 cơng an tồn mà khơng 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.
Per DiBlasi cho biết: “Nếu có thể bỏ bớt càng nhiều trọng lượng ra khỏi cụm
thanh truyền và pít-tơng, 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 khơng 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: “Ngồi 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 thơng thường) quyết
định đến khối lượng của Piston. Có hai cách sản xuất phổ biến nhất đối với các
piston là đúc (trong đó nhơm nóng chảy được đổ vào khn) và rèn. Một phơi
nhơm 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.

Loại piston được vát mỏng, tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng (nếu nghiêng về hiệu
suất không nghiêng về độ bền thì nên dùng)
Ellinger giải thích: “Thơng 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 ln
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. Thơng 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.


Khơng chỉ chốt piston, piston, cịn có thanh truyền có thể giảm khối lượng
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). Ngồi 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 cơng suất khơng 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,…).


Động cơ Boxer

Động cơ V8 đòi hỏi sự cân bằng lớn ở các chi tiết bên trong
Sử dụng loại piston nhẹ khơng làm tăng cơng 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 cơng 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 khơng đủ tốt để sử dụng.
Ở vịng tua máy cao hơn nên ưu tiên việc sử dụng loại piston nặng có thể tốt hơn.