Nghiên cứu cơ tính lớp kim loại đắp của trục cam động cơ ô tô bị hỏng do mài mòn được phục hồi bằng hàn đắp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------Vương Văn Quế

NGHIÊN CỨU CƠ TÍNH LỚP KIM LOẠI ĐẮP CỦA TRỤC CAM ĐỘNG
CƠ Ô TÔ BỊ HỎNG DO MÀI MÒN ĐƯỢC PHỤC HỒI BẰNG HÀN ĐẮP

Chuyên ngành : Hàn và Công nghệ kim loại

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hàn và Công nghệ kim loại

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. VŨ HUY LÂN

Hà Nội – Năm 2010


Lêi cam ®oan
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất cứ công trình
nào khác.
Hà Nội, Ngày tháng năm 2010
Tác giả luận văn

Vương Văn Quế


MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa

Lời cam đoan
Danh mục bảng
Danh mục hình
MỞ ĐẦU

1

Chương 1 - TỔNG QUAN

2

1.1 Lý do chọn đề tài luận văn

2

1.2 Mục tiêu chính của đề tài

2

1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

2

Chương 2 - ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP

4

NGHIÊN CỨU
2.1 Khảo sát trục cam đối tượng nghiên cứu của đề tài

4

2.1.1 Sơ lược về động cơ ô tô

4

2.1.2 Khảo sát trục cam

5

2.2 Nội dung nghiên cứu của đề tài

15

2.3 Phương pháp nghiên cứu

15

Chương 3 - PHÂN TÍCH LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ PHỤC HỒI

17

TRỤC CAM
3.1 Điều kiện làm việc và các hư hỏng thường gặp của trục cam

17

3.2 Yêu cầu kỹ thuật đối với trục cam sau khi sửa chữa

20

3.2.1 Kiểm tra khe hở dầu của trục cam

20

3.2.2 Kiểm tra độ thẳng của trục cam

21

3.2.3 Kiểm tra độ mòn của cổ trục

22

3.2.4 Kiểm tra độ mòn của các vấu cam

24

3.3 Phân tích lựa chọn phương pháp phục hồi trục cam
3.3.1 Các phương pháp phục hồi

25
25


3.3.2 Chọn vật liệu hàn (que hàn)
3.4 Các khó khăn khi phục hồi trục cam

41
41

3.4.1 Đánh giá tính hàn của kim loại cơ bản

54

3.4.2 Đánh giá tính hàn của kim loại đắp

56

3.4.3 Các giải pháp

57

Chương 4 - LẬP QUY TRÌNH HÀN ĐẮP PHỤC HỒI TRỤC

59

CAM
4.1 Sơ đồ quy trình công nghệ hàn đắp phục hồi trục cam

59

4.2 Chuẩn bị mài sạch trục trước khi hàn

60

4.3 Tính toán chế độ hàn

61

4.3.1 Đường kính que hàn

61

4.3.2 Cường độ dòng điện hàn

64

4.3.3 Điện áp hàn

65

4.3.4 Số lớp hàn

65

4.3.5 Năng lượng đường

66

4.3.6 Vận tốc hàn

67

4.3.7 Máy hàn

67

4.4 Nghiên cứu nhiệt độ nung nóng sơ bộ

68

4.5 Kỹ thuật hàn

70

4.5.1 Quy trình hàn thử trên mẫu

70

4.5.2 Kỹ thuật hàn đắp trên trục cam

72

4.6 Xử lý nhiệt sau khi hàn

75

Chương 5 - GIA CÔNG CƠ KHÍ ĐẢM BẢO ĐỘ CHÍNH XÁC

77

THEO YÊU CẦU KỸ THUẬT
5.1 Lựa chọn công nghệ gia công cơ khí

77

5.2 Nguyên lý mài chép hình

78

5.3 Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng bề mặt sau gia công cơ

80

5.3.1 Độ nhám bề mặt và chỉ tiêu đánh giá

80


5.3.2 Độ sóng bề mặt

83

5.3.3 Tính chất cơ lý lớp bề mặt sau gia công cơ

83

Chương 6 - KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM

87

6.1 Phân tích, lựa chọn các quá trình kiểm tra chất lượng hàn

87

6.1.1 Lựa chon quá trình kiểm tra

87

6.1.2 Lựa chọn thiết bị, dụng cụ kiểm tra

87

6.2 Kỹ thuật kiểm tra

89

6.2.1 Kỹ thuật kiểm tra ngoại dạng

89

6.2.2 Phương pháp thử độ cứng

94

6.3 Kiểm tra vĩ mô

94

Chương 7 - TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU

98

THỰC NGHIỆM
7.1 Mô tả phương pháp thí nghiệm

98

7.2 Tiến hành thí nghiệm

101

7.2.1 Nhiệt độ nung nóng sơ bộ

101

7.2.2 Chế độ hàn liên quan tới độ cứng bề mặt và hình dạng mối

105

hàn đắp
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

110

1 Kết luận

110

2 Kiến nghị những nghiên cứu tiếp theo

110

TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

112


DANH MỤC BẢNG

Trang
Bảng 2.1 Thành phần hóa học của thép các bon kết cấu 40Cr……………….6
Bảng 2.2 Cơ tính của thép các bon kết cấu 40Cr……………………………..6
Bảng 2.3 Thông số kỹ thuật của một số Panme................................................8
Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật của một số thước kẹp...........................................9
Bảng 2.5 Thông số kỹ thuật của đồng hồ so....................................................11
Bảng 2.6 Chu kỳ làm việc của các xi lanh trên trục khuỷu...……….……….14
Bảng 3.1 So sánh năng suất hàn…………………………..…………………37
Bảng 3.2 So sánh về tiêu thụ điện…………………………..……………….37
Bảng 3.3 Vật liệu hàn cần thiết để tạo ra 1 kg kim loại nóng chảy……...…..38
Bảng 3.4 Giá thành 1 kg kim loại nóng chảy……………….……………… 38
Bảng 3.5 Thành phần vật liệu hàn………………….………………………. 41
Bảng 3. 6 Thành phần hóa học kim loại cơ bản là thép 40Cr……………… 54
Bảng 3.7Thành phần hóa học của kim loại đắp của que hàn E10UM60GRZ56
Bảng 3.8 Cơ tính của mối hàn đắp của que hàn E10 – UM- 60-GRZ………57
Bảng 3.9 Kích thước, dòng điện của que hàn E10 – UM- 60-GRZ…………57
Bảng 4.1 Đặc tính kỹ thuật của tủ sấy que hàn………………………..…….64
Bảng 4.2 Cường độ dòng điện hàn theo khuyến cáo của hãng sản suất……..65
Bảng 4.3 Thông số hàn của lớp 1……………………………………………71
Bảng 4.4 Thông số hàn của lớp 2…………………………………………....71
Bảng 4.5 Thông số hàn của lớp 3……………………………………………72
Bảng 5.1 Thông số kỹ thuật của máy mài TV - G6002……………..……… 79
Bảng 5.2 Các giá trị của Ra và Rz và chiều dài chuẩn l ứng với các cấp độ
nhám bề mặt....................................................................................................82
Bảng 5.3 Mức độ và chiều sâu lớp biến cứng của các phương pháp gia công
cơ.....................................................................................................................84


Bảng 6.1 Kiểm tra độ cứng và chất lượng mối hàn đắp trục cam…………..87
Bảng 6.2 Mức độ chấp nhận khuyết tật ngoại dạng theo TWI……………...96

Bảng 7.1 Bảng thông số thực nghiệm và kết quả đo tẩm thực………….…103
Bảng 7.2 Kết quả đo độ cứng và hình dạng mối hàn đắp...………………. 107


DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1 Hình dáng và biên dạng trục cam.………………………………....7
Hình 2.2 Panme.……………………………………………………………..8
Hình 2.3 Thước kẹp ..………………………………………………………..9
Hình 2.4 Biên dạng cam……………………………………………………..9
Hình 2.5 Đồng hồ so………………………………………………………...10
Hình 2.6 Mô phỏng hoạt động của động cơ 6 xilanh, xếp hình chữ V (V6) ..11
Hình 2. Các kiểu biên dạng cam...............................................……………..13
Hình 2.8a, b Mô phỏng hoạt động của cơ cấu phối khí……………………..14
Hình 3.1 Cổ trục bị mòn...…………………………………………………...17
Hình 3.2 a,b Vấu cam bị mòn và vấu cam bị mòn, rỗ...……………………..18
Hình 3.3 Biên dạng cam bị sai lệch...................................…………………..19
Hình 3.4 Đường tâm trục cam...........................................…………………..20
Hình 3.5 Hình ảnh về kiểm tra khe hở dầu của trục cam......………………..20
Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý kiểm tra và nắn trục.........................……………..21
Hình 3.7 Mô hình các kích thước để xác định cốt sửa chữa ..................…..22
Hình 3.8 Các kích thước cần kiểm tra độ mòn của vấu cam………………...24
Hình 3.9 Sơ đồ thiết bị phun hồ quang điện....................................................28
Hình 3.10a Sơ đồ nguyên lý thiết bị phun phủ ngọn lửa.................................29
Hình 3.10b Sơ đồ súng phun khí-bột kim loại ROTOTEC-80 (Thuỵ Sỹ)......30
Hình 3.11 Nguyên lý phun phủ plasma...........................................................31
Hình 3.12 Nguyên lý hàn hồ quang tay ..........................................................34
Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý của máy hàn tự động ..........................................35
Hình 3.14 Sơ đồ máy hàn tự động trong môi trường khí bảo vệ.....................36
Hình 3.15 Sự phân bố các tầng nhiệt độ theo mặt cắt ngang của trục khi hàn
đắp không nung nóng trước ở 366 0C.............................................................50

Hình 3.16 Sơ đồ tạo thành ứng suất tức thời và ứng suất dư ở trục khi hàn...52


Hình 3.17 Quan hệ của CE theo hàm lượng % nguyên tố vật liệu............…...55
Hình 4.1 Quy trình công nghệ hàn đắp phục hồi trục cam..............................59
Hình 4.2 Biên dạng cam nguyên thuỷ.............................................................60
Hình 4.3a,b Mài sạch trước khi hàn...........………………………………….60
Hình 4.4a,b,c Nguyên lý kiểm tra nứt mỏi và nứt dọc trục bằng từ trường....61
Hình 4.5 Kết cấu que hàn hồ quang điện.........................................................62
Hình 4.6 Hình ảnh về que hàn không đạt yêu cầu...........................................63
Hình 4.7 Tủ sấy que hàn ZYH 100...................................…………………..64
Hình 4.8 Máy hàn R3R-400 K1285-16...........................................................68
Hình 4.9 Mẫu hàn..…………………………………………………………..70
Hình 4.10 Trình tự các đường hàn..…………………………………………73
Hình 4.11 Sắp xếp các đường hàn đắp....……………………………………74
Hình 4.12 Sơ đồ hàn đắp bề mặt cam.............……………………………….74
Hình 4.13 Mối quan hệ giữa nhiệt độ và ứng suất dư........... ……………….76
Hình 5.1 Máy mài trục cam TV-G6002...…………………………………...78
Hình 5.2 Sơ đồ nguyên lý mài chép hình..........................…………………..80
Hình 5.3 Độ nhám bề mặt..............................……………………………….81
Hình 5.4 Quan hệ giữa bán kính mũi dao và chiều sâu lớp biến cứng với các
lượng chạy dao khác nhau.........................................................................…..85
Hình 6.1 Dưỡng để kiểm tra kích thước mối hàn............................................88
Hình 6.2 Máy kiểm tra độ cứng Vickers HV10........................……………..88
Hình 6.3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy kiểm tra độ cứng......………..89
Hình 6.4 Dụng cụ, thiết bị kiểm tra vĩ mô............................………………...89
Hình 6.5 Kiểm tra bằng mắt quan sát mối hàn.....…………………………...90
Hình 6.6 Nguyên lý chỉ báo bột từ............................………………………..91
Hình 6.7 Các khả năng lỗi có thể chứng minh..................…………………..92
Hình 6.8 Kiểm tra độ cứng................................……………………………..94

Hình 6.9 Xác định mức độ chấp nhận được của khuyết tật hàn .....................95
Hình 7.1a,b,c,d ……………………………………………………………...98
Hình 7.2 Bảng thông số máy hàn và nút điều chỉnh …....................………..99
Hình 7.3 Hộp đựng que hàn đắp Ledurit61………………………………....99
Hình 7.4 am pe kìm.......................................................................................100
Hình 7.5 Súng bắn nhiệt................................................................................100
Hình 7.6 Mỏ hàn khí gia nhiệt.......................................................................101
Hình 7.7 Đo nhiệt độ nung nóng sơ bộ..........................................................101
Hình 7.8 Kiểm tra dòng điện hàn..................................................................102
Hình 7.9 Đoạn trục cam sau khi hàn bề mặt cam..........................................102
Hình 7.10a,b,c ……………………………………………………………..103
Hình 7.11a,b,c ……………………………………………………………..104
Hình 7.12a,b,c ……………………………………………………………..105
Hình 7.13 Biểu đồ quan hệ giữa nhiệt độ nung nóng sơ bộ và khuyết tật hàn
đắp phục hồi trục cam....................................................................................105
Hình 7.14 Các đặc trưng hình học của mối hàn............................................106
Hình 7.15 Sơ đồ khối nghiên cứu qui trình công nghệ hàn đắp....................106
Hình 7.16 Hình dáng mối hàn và ảnh hưởng của cường độ dòng điện hàn..108


MỞ ĐẦU
Trong công cuộc đổi mới đất nước hiện nay, công nghiệp hoá và hiện đại hoá
là vấn đề được đặt lên hàng đầu. Trong đó thì ngành công nghiệp cơ khí nói chung
đã có những bước phát triển vượt bậc, tuy nhiên phần lớn máy móc và thiết bị phục
vụ trong ngành cơ khí lại được sản xuất và nhập khẩu từ nước ngoài, có nhiều
chủng loại khác nhau. Trong quá trình vận hành sẽ xảy ra những sự cố hỏng hóc chi
tiết nên chi phí để thay thế và sửa chữa sẽ rất lớn do chúng ta phải nhập chi tiết từ
nước ngoài hoặc làm mới hoàn toàn.

Việc áp dụng các công nghệ khác nhau vào việc phục hồi các thiết bị chi tiết
máy để giảm giá thành là rất cần thiết. Hàn và hàn đắp là một trong các công nghệ
chủ yếu đóng vai trò quan trọng trong nhiệm vụ này, qua kinh nghiệm và số liệu
tổng kết trong thực tế, chi tiết được phục hồi bằng công nghệ hàn chiếm tỷ trọng lớn
số chi tiết của ôtô, máy kéo, thiết bị cơ khí… cần sửa chữa, mang lại hiệu quả kinh
tế rất lớn trong sản xuất.
Với đề tài “Nghiên cứu cơ tính lớp kim loại đắp của trục cam động cơ ôtô bị
hỏng do mài mòn được phục hồi bằng hàn đắp”. Đây là một đề tài thực tế, có tính
ứng dụng cao. Trong thời gian thực hiện đã có nhiều cố gắng, nhưng do thời gian và
kiến thức còn nhiều hạn chế. Vì vậy, bản luận văn của tôi còn tồn tại nhiều thiếu sót
mà chưa nhận ra được, tôi mong nhận được sự góp ý của các thầy và các bạn đồng
nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo trong bộ môn Hàn và Công nghệ kim loại
của trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã giúp đỡ, chỉ bảo những kiến thức chuyên
môn trong thời gian vừa qua, đặc biệt là thầy hướng dẫn TS. Vũ Huy Lân, đã rất
nhiệt tình và tạo mọi điều kiện giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành luận văn một cách
tốt nhất.

1


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1 Lý do chọn đề tài luận văn
Sử dụng các phương pháp hàn đắp, phun phủ để phục hồi các chi tiết máy bị
hỏng do mài mòn có ý nghĩa rất to lớn trong lĩnh vực công nghiệp khai khoáng, giao
thông và công nghiệp vật liệu xây dựng. Nhằm tiết kiệm chi phí, hạ giá thành và
chủ động trong phục vụ sửa chữa thay thế các chi tiết máy được chế tạo bằng vật
liệu quý, nhập khẩu từ nước ngoài. Trong đó cơ tính của lớp kim loại đắp quyết
định đến khả năng làm việc, độ bền, độ tin cậy của chi tiết sau khi hàn đắp phục hồi.

Trong quá trình làm việc trực tiếp cũng như hiện nay hoạt động tại đơn vị Tư
vấn chuyên ngành thuộc Tổng công ty công nghiệp xi măng Việt Nam. Tôi nhận
thức rất rõ tác dụng của công nghệ hàn đắp phục hồi các chi tiết máy trong các thiết
bị sản xuất chính của một Nhà máy. Có thể nêu một vài ví dụ điển hình về công
nghệ hàn đắp sử dụng để hàn phục hồi các chi tiết bị hỏng do mài mòn đã và đang
được ứng dụng tại các đơn vị sản xuất xi măng lớn như: trục máy cán, tấm lót bàn
nghiền và con lăn máy nghiền đứng, búa đập của máy đập đá...
Nhận thức rõ tầm quan trọng của việc sử dụng các phương pháp hàn đắp để
hàn phục hồi các chi tiết máy bị hỏng do mài mòn. Đồng thời khả năng ứng dụng
thực tiễn của đề tài này rất có ý nghĩa và thiết thực trong lĩnh vực công tác của bản
thân.
Chính vì vậy mà Tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu cơ tính lớp kim loại đắp của
trục cam động cơ ô tô bị hỏng do mài mòn được phục hồi bằng hàn đắp”.
1.2 Mục tiêu chính của đề tài
Lựa chọn công nghệ hàn đắp phục hồi trục cam động cơ ôtô hợp lý trên cơ sở
kết quả nghiên cứu cơ tính của lớp kim loại đắp theo một số phương pháp hàn đắp.
1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Hiện nay ở Việt Nam số lượng loại ô tô tải hạng nặng trong các lĩnh vực giao
thông, xây dựng và khai khoáng rất lớn. Sau quá trình làm việc các trục khuỷu, trục
cam động cơ ô tô bị hỏng do mài mòn. Vì chúng là những chi tiết có kết cấu phức

2


tạp và yêu cầu kỹ thuật cao, khó chế tạo và giá thành chế tạo mới rất cao, nên
thường phải nhập ngoại. Tuy nhiên, ở Việt Nam việc phục hồi trục cam còn chưa
được chú ý đúng mức. Do vậy việc nghiên cứu phục hồi các trục cam động cơ ô tô
để thay thế nhập mới từ nước ngoài với giá đắt, đáp ứng kịp thời nhu cầu của các cơ
sở sản xuất là vấn đề rất cấp thiết và có hiệu quả kinh tế cao.
Dựa trên sự phát triển của các phương pháp hàn và vật liệu hàn tiên tiến hiện

nay hoàn toàn có thể cho phép hàn đắp phục hồi trục cam ô tô bị hỏng do mài mòn.
Để đảm bảo chất lượng của trục cam phục hồi, việc nghiên cứu cơ tính của chúng
có ý nghĩa khoa học quan trọng, làm cơ sở để quyết định công việc phục hồi trục
cam đồng thời phục hồi các chi tiết máy dạng trục bị hỏng do mài mòn.
Do vậy việc nghiên cứu phục hồi các trục cam động cơ ô tô để thay thế nhập
mới từ nước ngoài với giá đắt, đáp ứng kịp thời nhu cầu của các cơ sở sản xuất là
vấn đề rất cấp thiết và có hiệu quả kinh tế cao.
Đề tài: “Nghiên cứu cơ tính lớp kim loại đắp của trục cam động cơ ô tô bị hỏng
do mài mòn được phục hồi bằng hàn đắp” có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao.

3


CHƯƠNG 2
ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1

Khảo sát trục cam đối tượng nghiên cứu của đề tài

2.1.1 Sơ lược về động cơ ô tô
Ý tưởng về động cơ được hình thành từ năm 1506, từ những bức vẽ của danh
họa nổi tiếng Leonardo de Vinci. Hơn một thế kỉ sau, nhà vật lý học người Đức
Christian Huygens tiếp tục phát triển ý tưởng của Leonardo de Vinci khi thiết kế
loại động cơ chạy bằng thuốc súng đầu tiên vào năm 1673. Tuy nhiên, loại động cơ
này đã không được đưa vào sản xuất.
Vào năm 1807, Francois Isaac De Rivaz, người Thụy Điển, đã phát minh ra loại
động cơ đốt trong dùng hỗn hợp khí Hydro và Oxi làm nhiên liệu. Rivaz cũng thiết
kế riêng một chiếc xe sử dụng động cơ này. Tuy nhiên, thiết kế của ông đã không
thành công như mong đợi.
Năm 1823, dựa trên ý tưởng của Leonardo, Samual Brown cho ra đời một loại

động cơ được cải tiến từ động cơ hơi nước. Được chạy thử thành công trên một
chiếc xe ở khu đồi Shooter (Anh) nhưng loại động cơ này đã không trở nên phổ
biến vì nó khá lạc hậu so với tình hình giao thông lúc bấy giờ.
Mãi tới năm 1860, lịch sử ngành động cơ xe hơi mới được chính thức bắt đầu
khi chiếc xe chạy bằng động cơ đốt trong đầu tiên được cấp bằng sáng chế.
Động cơ đốt trong là một loại động cơ nhiệt, tạo ra công cơ học bằng cách đốt
nhiên liệu bên trong động cơ. Hỗn hợp không khí và nhiên liệu được đốt trong xy
lanh của động cơ đốt trong. Khi đốt cháy, nhiệt độ tăng, làm cho khí đốt giãn nở tạo
nên áp suất tác dụng lên một pít tông, đẩy pít tông này di chuyển đi. Chuyển động
tịnh tiến của pittông làm quay trục cơ, sau đó làm bánh xe chuyển động nhờ xích tải
hoặc trục truyền động.
Động cơ đốt trong được phát minh vào năm 1860 bởi kỹ sư người Pháp có tên
Jean Joseph Etienne Lenoir. Chiếc động cơ đầu tiên mà Lenoir chế tạo sử dụng
nhiên liệu khí than và được trang bị một xy-lanh nằm ngang. Sau đó, vào năm 1864,
Siegfried Marcus người Áo đã cải tiến động cơ đốt trong của Lenoir từ sử dụng

4


nhiên liệu khí than sang sử dụng gas. Chiếc động cơ này được gắn vào một một
chiếc xe có thể vận hành với vận tốc 16km/h.
Tuy nhiên, động cơ một xilanh thường nặng nề, gây ồn và tiêu hao công suất
của động cơ vì động cơ một xilanh phải bố trí thêm một bánh đà nặng tận dụng
quán tính để giữ cho động cơ quay đều ở tốc độ không đổi. Bánh đà càng nặng thì
lực phân bổ càng đều nhưng nó làm cho động cơ khó điều khiển và kém nhạy hơn,
đó là lý do người ta cần các loại động cơ nhiều xilanh.
Đối với động cơ nhiều xilanh, các xilanh được sắp xếp theo những cách khác
nhau: thành một hàng dọc (xilanh xếp thẳng hàng), thành hình chữ V (xilanh xếp
hình chữ V), hai xilanh xếp đối nhau nằm ngang (xilanh xếp đối đỉnh) hoặc hình sao
(động cơ máy bay). Mỗi cách sắp xếp có những ưu, nhược điểm riêng về độ êm dịu

khi hoạt động, giá thành sản xuất, hình dạng kết cấu. Những ưu, nhược điểm của
từng loại sẽ làm cho chúng phù hợp với từng loại phương tiện giao thông. Động cơ
chữ V hoặc 1 hàng dọc và ít xilanh thường sử dụng cho ôtô, động cơ 1 hàng dọc và
nhiều xi lanh thường được dùng cho tàu thuỷ còn động cơ hình sao thì thường dùng
trên máy bay... Trong chế tạo ô tô động cơ chữ V được sử dụng phổ biến nhất bởi
tính nhỏ gọn, giá thành sản xuất thấp và vẫn đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật như
phân bổ lực đều, cân bằng chống dao động… Các động cơ ô tô hiện đại sau này
thường sử dụng các động cơ 2, 3, 4, 6, 8, 10, 12 xilanh, thẳng hàng hoặc xếp hình
chữ V, nhưng động cơ V6 và V12 được ưa chuộng nhất vì nó đạt đến độ cân bằng
gần như hoàn hảo.
2.1.2

Khảo sát trục cam

2.1.2.1 Vật liệu
Theo thông tin từ đề tài thì đây là trục cam của động cơ ô tô 4 kì, 6 xilanh xếp
hình chữ V đơn trục cam.
Vật liệu để chế tạo trục cam: Trục cam là chi tiết trục lại có cam nên nó phải
có khả năng chịu tải lại cần chịu mòn tốt (có cam). Mà trục cam làm việc trong điều
kiện chịu va đập và mài mòn nên trục cam được nhiệt luyện để bề mặt đạt độ cứng
cao nhưng vẫn đảm bảo tính mềm dẻo để tránh nứt, gãy trong quá trình làm việc.

5


Các mặt ma sát của trục cam (mặt làm việc của cam, cổ trục, mặt đầu trục cam)
đều được thấm than và tôi cứng bề mặt. Độ sâu thấm than thường vào khoảng 0,7 ÷
2mm, độ cứng đạt HRC 52 ÷ 55, các bề mặt khác và lõi trục cam độ cứng thấp hơn,
thường vào khoảng 30 ÷ 40 HRC.
Dựa vào yêu cầu khi chế tạo trục và kinh nghiệm thực tế khi sửa chữa phục

hồi trục cam thì loại vật liệu làm trục thường là thép cấu hợp kim 40X (GOST),
thép 40Cr (TCVN). Thành phần hoá học và cơ tính của thép 40Cr như trình bày
trong bảng 2.1 và 2.2.
Thành phần hoá học của thép cacbon kết cấu 40Cr:
Bảng 2.1. Thành phần hóa học của thép cacbon kết cấu 40Cr
Mác
thép

Hàm lượng của các nguyên tố(%)

C

Cr

Mn

Ni

Si

S

P

0,36-0,44

0,8- 1,10

0,5 – 0,8

<0,3

0,17-0,37

<0,035

<0,035

40Cr

Cơ tính của thép cacbon kết cấu 40Cr:
Bảng 2.2. Cơ tính của thép cacbon kết cấu 40Cr
Sau khi nhiệt luyện hóa tốt thép 40Cr có cơ tính như sau:
Mác thép
40Cr
Trục có đường
kính D< 100
Trục có đường
kính D< 50

Giới hạn bền
σb
N/mm2 (MPa)

Giới hạn bền
chảy qui ước
σ0,2
N/mm2 (MPa)

Độ giãn dài

tương đối δ
%

Độ dai va
đập
ak
kJ/m2

750

520

15

600

800 - 950

650-750

10

600

2.1.2.2 Kết cấu của trục cam

6


Hình dáng của trục cam như hình 2.1

1255.8

2

1

33.7

25.8

4

5

6

10.0

10.0

50.0

66.0

25.8

58.0

10.0

3

30.0

Hình 2.1 Hình dáng và biên dạng trục cam
Do đề tài hàn đắp lên trục cam của động cơ ô tô là một bài toán thực tế ta
không có những tài liệu hướng dẫn kỹ thuật cũng như kích thước và bản vẽ chính
xác trục từ nhà sản xuất. Do đó số liệu mà ta cần khảo sát được đo bằng tay, độ
chính xác phụ thuộc vào thiết bị đo và những kích thước ta đo được là kích thước
danh nghĩ của trục cam nên ta không đo được dung sai kích thước.
Yêu cầu của trục cam sau khi sửa chữa là
+ Độ đảo ngõng trục so với đường tâm không quá 0,05 mm
+ Độ bóng bề mặt gia công cấp 8 trở lên
+ Vấu cam đúng biên dạng, đảm bảo thải sạch khí và nạp đầy
+ Độ cứng bề mặt làm việc sau khi phục hồi đạt là 55-60 HRC
Để tiến hành đo trục cam ta cần các đụng cụ đo sau: Panme, thước kẹp, đồng
hồ số…

7


Panme: dùng để đo đường kính các chi tiết hình trụ hay dạng ống. Panme có
độ chính xác cao tuy nhiên tính vạn năng kém và có nhiều loại kích cỡ khác nhau
như 0- 25mm, 25-50, 50-100, hình 2.2
Panme đo ngoài, tiêu chuẩn DIN 863
Độ chia 0.01mm

Hình 2.2 Panme
Bảng 2.3.Thông số kỹ thuật của một số Panme

Kích thước (mm)

Đường kính trục

Đường kính thân

Trọng lượng (g)

(mm)

(mm)

0…..25

6,5

18

320

25…50

6,5

18

490

50…75

6,5

18

635

75…100

6,5

18

815

100…125

6,5

18

1000

Thước kẹp: Dùng đo kích thước như chiều dài, rộng của chi tiết hình trụ,
vuông hay đo đường kính trong, đường kính ngoài của các chi tiết dạng lỗ. Có rất
nhiều loại thước tùy theo yêu cầu khoảng đo hay độ chính xác là bao nhiêu mà ta
đưa ra cách chọn cho phù hợp. Thường độ chính xác của thước kẹp là 0,05mm.

8

Thước kẹp Calipers tiêu chuẩn Din862 bằng thép không gỉ có khóa định vị, hình 2.3

Hình 2.3 Thước kẹp
Có các loại thước kẹp sau, bảng 2.4
Bảng 2.4. Thông số kỹ thuật của một số thước kẹp
Kích thước (mm)

Độ chính xác

Chiều dài đầu kẹp

Trọng lượng (g)

(mm)
100

0,05

40

90

150

0,05

40

110

200

0,05

50

160

300

0,05

50

400

Tiến hành đo ta sử dụng Panme đo ngoài cỡ 50 – 75, 75 – 100. Đo chiều cao
A, chiều rộng B để xác định biên dạng cam, sử
dụng thước kẹp (530-104) để đo các kích thước
H

còn lại của trục cam.
Trong đó:
A - Chiều cao biên dạng cam.

A

B - Chiều rộng biên dạng cam
(đường kính vòng cơ sở).
H - Chiều cao vấu cam.

Hình 2.4

B

Đồng hồ so: là dụng cụ đo với độ chính xác

9

Bien dang cam


từ 0,01mm ÷ 0,001mm, đồng hồ so điện tử còn chính xác hơn nữa. Đồng hồ so
dùng nhiều trong việc kiểm tra sai lệch hình dạng hình học và vị trí của chi tiết như
độ côn, độ thẳng, độ song song, vuông góc, độ không đồng trục
Ta sử dụng Đồng hồ so MW400-06B, hình 2.5.

Hình 2.5 Đồng hồ so
Đặc tính:
•

Thân đồng hồ so làm bằng satin-crôm

•

Với đầu đo bằng vonfram cacbon

•

Với chỉ số đo kép dùng để đo mm

•

Chịu được va đập

•

Phiên bản micrômet bằng đá quý

•

Nút điều chỉnh nằm ở đầu đồng hồ

•

Được đóng gói trong hộp xốp

Thông số kỹ thuật: trình bày trong bảng 2.5

10


Bảng 2.5.Thông số kỹ thuật của đồng hồ so
Model

Dải chia

Độ chia

Đường kính

MW400-06B

0-10 mm

0,01 mm

54 mm

2.1.2.3 Độ nhám và độ cứng của bề mặt trục cam
Do ta không tiến hành đo được độ cứng cũng như độ nhám bề mặt của cam
nên ta chỉ có thể xác định hai yếu tố độ cứng và độ nhám qua kinh nghiệm thực tế
khi sửa chữa và tiêu chuẩn chung khi khi tiến hành sửa chữa phục hồi trục cam thì
độ cứng sau khi phục hồi phải đạt từ 55 - 60 HRC, độ bóng bề mặt gia công phải đạt
từ cấp 8 trở lên.
2.1.2.4 Góc phân bố của các cam
Theo thông tin được cung cấp từ đơn vị yêu cầu sửa chữa, đây là trục cam của
động cơ diezen 4 kì đơn trục cam, động cơ hình chữ V, hai hàng xilanh nghiêng một
góc 600. Là loại trục cam có cam dẫn động bơm cao áp ở giữa hai cam dẫn động
xupap nạp và xupap xả. Xupap được đặt trên xi lanh nên trục cam của động cơ này
là loại dẫn động gián tiếp thông qua một giàn thanh đòn bẩy. Hình 2.6 mô phỏng
hoạt động của động cơ.

Hình 2.6 Mô phỏng hoạt động của động cơ 6 xilanh, xếp hình chữ V (V6)
Đối với động cơ 4 kỳ, một xy-lanh cần 720 độ góc quay của trục khuỷu (2
vòng) để thực hiện một chu trình. Nói cách khác, khi trục khuỷu quay 2 vòng thì

11


chu trình cháy diễn ra một lần. Chỉ có 1 kỳ sinh công (kỳ nổ) tạo ra công có ích,

trong khi đó, kỳ nạp, kỳ thải, kỳ nén lại tiêu tốn công, đặc biệt là kỳ nén. Do đó,
động cơ một xy-lanh sinh ra công ở dạng xung tuần hoàn.
Muốn phân bổ lực kéo đồng đều, động cơ phải sử dụng một bánh đà nặng
nhằm tận dụng quán tính để giữ cho động cơ quay đều ở tốc độ không đổi. Và dĩ
nhiên, bánh đà càng nặng thì lực được phân bổ càng đều, nhưng nó cũng làm cho
động cơ kém nhạy hơn, khó điều khiển hơn. Vì vậy sự rung động của động cơ
không thể được loại trừ hoàn toàn bằng một bánh đà lớn. Đó cũng là lý do mà
chúng ta cần các loại động cơ nhiều xy-lanh. Trong khi động cơ một xy-lanh, mỗi
một kỳ nổ ứng với hai vòng quay trục khuỷu và một vòng quay của trục cam. Với
động cơ 6 xi lanh, một kỳ nổ chỉ ứng với 7200/6 = 1200 vòng quay của trục khuỷu,
ứng với nó là 600 vòng quay của trục cam.
Thông thường góc giữa cam điều khiển xupap xả và cam điều khiển xupap nạp
cách nhau một góc 1500. Cam dẫn động bơm cao áp phun trước khi pittong lên đến
ĐCT nên thường sớm hơn khoảng 50 ÷ 100 so với góc giữa 2 cam dẫn động xupap
nạp và xupap xả. Tuy nhiên, với mỗi loại động cơ, với mỗi hãng sản xuất động cơ
khác nhau thì góc phối khí tối ưu của cam điều khiển xupap nạp và xả là khác nhau,
dẫn đến hai bán kính cong ở hai bên vấu cam khác nhau so với hình dạng cơ bản
của biên dạng cam. Chính sự khác nhau của bán kính cong hai bên vấu cam dẫn đến
thời điểm phối khí: góc xả sớm, góc xả muộn, góc nạp sớm và góc nạp muộn thay
đổi. Một số hình ảnh biên dạng cam, hình 2.7

12


Biên dạng cam mở muộn và đóng sớm

Biên dạng cam mở sớm và đóng muộn

Biên dạng cam thẳng đóng mở bình
thường

Hình 2.7 Các kiểu biên dạng cam
Qua phân tích ở trên ta thấy, các góc phối khí có ảnh hưởng trực tiếp đến chất
lượng quá trình nạp-xả, qua đó ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật của
động cơ. Việc lựa chọn hoặc điều chỉnh đúng các góc phối khí sẽ ảnh hưởng trực

13


tiếp đến công suất và hiệu suất của động cơ. Góc phối khí lớn hay nhỏ tuỳ thuộc
trước hết vào tốc độ quay của động cơ và phương pháp nạp-xả. Thông thường, trị số
của các góc phối khí được lựa chọn bằng con đường thực nghiệm và được cho trong
những tài liệu hướng dẫn sửa chữa. Do đó, ta không thể đo hoặc xác định bằng thực
nghiệm thời điểm của các góc phối khí. Hình 2.8 mô phỏng hoạt động của cơ cấu
phối khí

Mô phỏng hoạt động của cơ cấu phối khí

Hình 2.8a, b
Bảng 2.6 Chu kỳ làm việc của các xy lanh trên trục khuỷu

14


Góc
cam

0

30

60

120 150 180 210 240 270 300

330

360

Góc
xilanh

0

60

120 180 240 300 360 420 480 540 600

660

720

1
2

90

Nổ

Xả

Xả

Hút

Hút

Nén

Nén

Nổ

Xả

3

Hút

Nén

Nổ

Xả

Hút

4

Nổ

Xả

Hút

Nén

Nổ

5
6

Nén

Nổ

Hút

Xả
Nén

Hút
Nổ

Nén
Xả

Theo những số liệu ban đầu, trục cam cần phục hồi là trục cam của động cơ 6
xylanh xếp hình chữ V, nghiêng một góc 600. Qua quan sát thực tế, dự đoán thứ tự
nổ của các xylanh lần lượt là 1-5-3-6-2-4. Đó cũng chính là thứ tự nổ tối ưu nhất đối

với động cơ 6 xylanh nhằm đảm bảo cho trục cam được bền đều, giảm ứng suất
xoắn tập trung liên tiếp vào các ổ trục gần nhau.
2.2

Nội dung nghiên cứu của đề tài
Sử dụng phương pháp hàn đắp để phục hồi dạng trục cam điển hình.
Nghiên cứu các chỉ tiêu cơ tính và làm việc chủ yếu của lớp kim loại đắp, trên

cơ sở đó lựa chọn được công nghệ hàn đắp hợp lý để phục hồi các trục cam bị hỏng
do mài mòn.
2.3

Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu, tổng hợp phần lý thuyết liên quan mật thiết đến đề tài của các tác

giả trong và ngoài nước. Cụ thể là về công nghệ hàn nóng chảy, tính hàn của thép
và kim loại mầu, phun phủ kim loại và công nghệ phục hồi bề mặt bằng công nghệ
hàn, vật liệu hàn... Trên cơ sở đó chọn lựa được vật liệu hàn và phương pháp hàn

15