Ảnh minh họa: cơ cấu trục khuỷu thanh truyền
1. Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền ô tô là gì?
Trục khuỷu thanh truyền (Crankshaft - Connecting rod) trên hệ thống động cơ ô tô có chức năng chuyển lực tác động của khí cháy lên đỉnh piston thành mô-men quay của trục khuỷu, để xuất cơ năng ra ngoài. Ngoài ra, bộ phận này biến chuyển động tịnh tiến tuần hoàn của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu. Cơ cấu trục khuỷu thanh truyền gồm 3 cụm là cụm thân động cơ, cụm piston - thanh truyền, cụm trục khuỷu - bánh đà.
2. Cơ cấu cụm thân động cơ
Cụm thân động cơ bao gồm các thành phần chính như thân máy, nắp xilanh, đệm xilanh, hộp dầu (các te dầu). Nguyên lý làm việc của cơ cấu này là thân máy kết hợp với các chi tiết khác (xilanh, nắp xi lanh, piston) hình thành không gian công tác của môi chất, thực hiện các quá trình nạp, nén, cháy giãn nở và thải sản phẩm cháy ra khỏi động cơ tạo nên chu trình làm việc liên tục. Cụm thân động cơ là nơi lắp đặt các linh kiện của động cơ, chịu tác động nội lực và ngoại lực tạo ra trong quá trình động cơ làm việc.
2.1. Thân máy
Thân máy được đúc liền với phần trên hộp trục khuỷu để tạo thành thân máy kiểu xilanh - hộp trục khuỷu. Loại thân máy này được sử dụng rất phổ biến trong động cơ ô tô. Thân máy động cơ 1ZR sử dụng vật liệu hợp kim nhôm. Phần phía trên thân máy gọi là xilanh, phần phía dưới thân máy là hộp trục khuỷu làm giá đỡ cho trục khuỷu, và phần rỗng bên trong là không gian chuyển động của trục khuỷu.
2.2. Hình dạng của thân máy
Dựa trên vị trí khác nhau giữa bề mặt lắp đặt hộp dầu và đường trục của gối đỡ trục khuỷu, thân máy được chia thành 3 loại là dạng đáy bằng (cũng được gọi là loại thường), dạng cổng và dạng đường hầm.
2.3. Phương pháp làm mát thân máy
Động cơ 1ZR sử dụng phương pháp làm mát bằng nước chủ yếu, nhưng cũng sử dụng quạt gió phụ trợ để hạ nhiệt. Khi sử dụng phương pháp làm mát bằng nước, xung quanh xilanh và nắp xilanh có khoảng không chứa nước, gọi là khoang nước (hoặc áo nước). Khoang nước ở thân máy và nắp máy được thiết kế thống với nhau. Nước lưu thông trong khoang nước sẽ mang theo nhiệt lượng của các linh kiện nhiệt độ cao. Lót xilanh được chia làm 2 kiểu là kiểu ướt và kiểu khô.
2.4. Cách thức sắp xếp xilanh
Động cơ ở ô tô thường sử dụng 5 phương pháp sắp xếp xilanh như đứng và thẳng hàng, chữ V, hai hàng song song nằm ngang, chữ W và hình ngôi sao.
2.5. Nắp xilanh (nắp máy)
Nắp xilanh có chức năng đậy kín đầu phía trên của xilanh. Nó cùng với xilanh và đỉnh piston tạo thành không gian buồng cháy. Nắp xilanh được lắp ở phía trên của thân máy. Hộp dầu, hay còn gọi là các te, có chức năng là nơi chứa dầu làm mát và bôi trơn khi động cơ hoạt động. Ngoài ra, nó còn có tác dụng che kín các chi tiết bên trong hộp trục khuỷu. Các te chịu lực nhỏ nên thường được làm bằng thép cán, hợp kim gang hoặc hợp kim nhôm.
2.6. Đệm nắp máy
Đệm nắp máy (gioăng nắp xilanh hoặc đệm xilanh) được đặt nằm giữa khối xilanh và nắp xilanh, dùng để bao kín, tránh lọt khí và rò rỉ nước mát ở mặt lắp ghép giữa nắp xilanh và thân máy. Cụm piston - thanh truyền chịu áp lực của khí cháy trong xilanh, đồng thời thông qua thanh truyền truyền lực này cho trục khuỷu, làm cho trục khuỷu quay.
3. Cơ cấu cụm piston - thanh truyền
Nguyên lý làm việc của piston là chịu lực tác động của khí cháy, đồng thời thông qua thanh truyền để truyền lực này cho trục khuỷu, làm cho trục khuỷu quay. Ngoài ra, đỉnh piston cùng với nắp xilanh và thành xilanh hình thành nên không gian buồng cháy. Piston gồm 3 phần là phần đỉnh, phần đầu và phần thân (hay còn gọi là phần váy).
3.1. Đỉnh piston
Đỉnh piston thường có 3 dạng là đỉnh bằng, đỉnh lõm và đỉnh lồi. Động cơ 1ZR của xe Corolla sử dụng loại piston đỉnh lõm. Đinh piston khoét lõm để tránh chạm vào tán xupáp đồng thời có lợi cho việc đốt cháy hỗn hợp khí. Trên đỉnh piston có dấu lắp đặt (->), dùng để quy định hướng lắp đặt. Phải lắp đặt để cho mũi tên chỉ về hướng phía trước của động cơ.
3.2. Đầu piston
Phần đầu piston là phần tính từ các rãnh lắp xéc-măng trở lên. Phần này khoét một số rãnh để lắp xéc-măng. Đầu piston động cơ 1ZR có 3 rãnh, hai rãnh phía trên lắp xéc-măng khí và rãnh dưới cùng lắp xéc-măng dầu.
3.3. Thân piston
Thân piston (phần váy) là phần dưới cùng của piston từ phía dưới rãnh lắp xéc-măng dầu trở xuống. Nó chịu tác động của lực đẩy của cơ cấu trục khuỷu thanh truyền, đồng thời dẫn hướng để piston chuyển động tuần hoàn trong lòng xilanh. Ngoài ra, nó còn truyền một phần nhiệt lượng của piston cho thành xilanh.
3.4. Chốt piston
Chốt piston có chức năng liên kết piston với đầu nhỏ của thanh truyền, truyền lực tác động của khí chảy lên piston cho thanh truyền. Có 2 phương thức liên kết thường được sử dụng là phương thức lắp lỏng và phương thức lắp chặt.
3.5. Xéc-măng
3.5.1. Nguyên lý làm việc
Dựa trên chức năng, các xéc-măng được chia thành xéc măng dầu và xéc-măng khí. Xéc-măng khí (xéc-măng nén) có chức năng bao kín không gian buồng cháy trong xilanh, không để cho lượng lớn khí cháy có áp suất cao, nhiệt độ cao trong buồng cháy thoát xuống hộp trục khuỷu. Đồng thời, nó còn truyền nhiệt lượng từ đỉnh piston cho thành xilanh, sau đó nhiệt lượng này sẽ được truyền cho nước làm mát hoặc không khí làm mát. Chức năng của xéc-măng dầu là gạt bỏ lượng dầu dư thừa trên thành xilanh, bằng cách tạo một lớp dầu mỏng đều trên thành xilanh. Nhờ vậy, có thể tránh được hiện tượng dầu chui lên xilanh và bị đốt cháy, đồng thời còn làm giảm lực ma sát và hao mòn của xilanh, piston và xéc-măng.
3.5.2. Khe hở xéc-măng
Khi động cơ làm việc, các chi tiết như xéc măng và piston sẽ bị giãn nở do nhiệt. Để đảm bảo xilanh được bao kín, tránh trường hợp xéc-măng bị kẹt trong xilanh hoặc bị kẹt trong rãnh lắp xéc-măng, xéc-măng cần để lại khe hở. Có 3 loại khe hở là khe hở miệng, khe hở bên và khe hở lưng.
3.5.3. Khe hở miệng
Khe hở miệng là khe hở ở miệng xéc-măng sau khi được lắp vào rãnh xéc-măng. Khe hở này thường nằm trong khoảng 0.25 - 0.50 mm.
3.5.4. Khe hở bên
Khe hở bên là khe hở giữa mặt trên của xéc-măng và rãnh lắp xéc-măng. Xéc-măng khí phía trên thường có khe hở trong khoảng 0.04 - 0.10 mm, còn xéc-măng khí phía dưới có khe hở trong khoảng 0.03 - 0.07 mm. Xéc-măng dầu có khe hở bên khá nhỏ, thường trong khoảng 0.025 - 0.07 mm.
3.5.5. Xéc-măng khí và xéc-măng dầu
Trên piston thường lắp đặt từ 2 đến 3 xéc-măng khí. Các xéc-măng khí được lắp đặt phía trên xéc-măng dầu. Xéc-măng thứ nhất (xéc-măng trên cùng) chịu nhiệt độ cao nhất và ma sát kém nhất. Để đảm bảo độ bền của nó, xéc-măng khí thường được xử lý bề mặt. Mặt cắt của xéc-măng khí có nhiều loại hình dạng khác nhau. Xéc-măng dầu có thể là dạng đơn hoặc dạng tổ hợp.
4. Cơ cấu cụm trục khuỷu - bánh đà
Cụm trục khuỷu - bánh đà gồm trục khuỷu, bánh đà cùng với các linh kiện và phụ kiện khác tạo thành. Chức năng của cụm trục khuỷu - bánh đà là biến chuyển động thẳng của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu, tạo ra mô-men quay cho hệ thống dẫn động và những cơ cấu cần động lực khác của ô tô. Ngoài ra, nó còn tích trữ năng lượng để khắc phục lực cản trong các kỳ nạp, nén, xả và các loại lực cản khác, giúp cho động cơ vận hành êm dịu.
4.1. Trục khuỷu
Trục khuỷu gồm các thành phần như đầu trục khuỷu, đuôi trục khuỷu, cổ khuỷu, chốt khuỷu, má khuỷu, đối trọng. Một khuỷu có cấu tạo gồm cổ khuỷu, chốt khuỷu và 2 má khuỷu. Đầu trục khuỷu thường được lắp vấu để khởi động hoặc quay puly dẫn động quạt gió, bơm nước, các bánh răng dẫn động trục cam, máy phát điện, máy nén điều hòa không khí. Cổ khuỷu là trục quay của trục khuỷu và được lắp trên ổ đỡ trên thân máy. Chốt khuỷu nối đầu to của thanh truyền và cổ khuỷu. Má khuỷu nối chốt khuỷu và cổ khuỷu, và trên má khuỷu lắp đối trọng. Đuôi trục khuỷu nối với bánh đà. Hình dạng của trục khuỷu và sự bố trí của các khuỷu được quyết định bởi số lượng xilanh, sự sắp xếp của xilanh và thứ tự đánh lửa của động cơ.
4.2. Bánh đà
Bánh đà có chức năng tích trữ năng lượng kỳ nổ của các xilanh, dùng để khắc phục lực cản trong các kỳ nạp, nén, xả và các loại lực cản khác, giúp cho trục khuỷu có thể quay đều. Chu vi bánh đà có đường răng ghép với bánh răng máy khởi động, phục vụ cho việc khởi động động cơ. Bộ ly hợp của xe cũng được lắp trên bích bánh đà để truyền công suất và mô-men lực của động cơ ra ngoài. Khi tháo lắp, vị trí giữa bánh đà và trục khuỷu cần được giữ cố định để không làm mất cân bằng.
