Trong quá trình hoạt động, động cơ đốt trong luôn tạo ra rung động do chuyển động lên xuống của piston và các bộ phận liên quan. Để hạn chế rung lắc gây khó chịu và giảm tuổi thọ linh kiện, nhiều hãng xe đã trang bị thêm trục cân bằng – một bộ phận đặc biệt có nhiệm vụ triệt tiêu rung động cơ học phát sinh từ chuyển động quay. Bài viết này sẽ giúp bạn hiểu rõ vai trò, nguyên lý hoạt động của trục cân bằng động cơ ô tô hiện đại.
1. Giới thiệu
Trong động cơ piston, chuyển động tịnh tiến của piston và thanh truyền trong các kỳ nạp, nén, nổ và xả gây ra các lực quán tính và mô men không cân bằng. Những lực này tạo ra rung động ảnh hưởng đến độ êm ái, hiệu suất và độ bền của động cơ. Để triệt tiêu các rung động này, trục cân bằng (balance shaft) được sử dụng nhằm tạo ra lực ngược chiều với các lực động không cân bằng phát sinh trong quá trình vận hành.
Trục cân bằng được phát minh bởi kỹ sư người Anh Frederick W. Lanchester và được cấp bằng sáng chế vào năm 1907. Ngày nay, hệ thống trục cân bằng được sử dụng rộng rãi trong các động cơ ô tô và xe máy, đặc biệt là các cấu hình có độ mất cân bằng tự nhiên như I4 (4 xi-lanh thẳng hàng) và V6.
2. Trục cân bằng trên động cơ: Giải pháp triệt tiêu rung động và nâng cao sự êm ái
Trong các động cơ đốt trong piston, chuyển động tịnh tiến qua lại của pít-tông và thanh truyền trong các kỳ nạp, nén, nổ và xả không phải lúc nào cũng diễn ra một cách hoàn hảo. Sự thay đổi vận tốc và hướng chuyển động này tạo ra các lực quán tính và mô-men không cân bằng.
Những lực này, nếu không được xử lý, sẽ tạo ra rung động ảnh hưởng trực tiếp đến độ êm ái, hiệu suất, và đặc biệt là độ bền lâu dài của động cơ. Để đối phó với thách thức này, trục cân bằng (balance shaft) đã được phát minh bởi kỹ sư người Anh Frederick W. Lanchester và được cấp bằng sáng chế vào năm 1907, trở thành một giải pháp kỹ thuật quan trọng.
Ngày nay, hệ thống trục cân bằng được ứng dụng rộng rãi trong các động cơ ô tô và xe máy, đặc biệt là những cấu hình động cơ có khuynh hướng mất cân bằng tự nhiên cao như động cơ 4 xi-lanh thẳng hàng (I4) và V6.
3. Phân loại và nguồn gốc các lực không cân bằng
Để hiểu rõ chức năng của trục cân bằng, cần nắm được bản chất của các lực không cân bằng phát sinh trong động cơ piston:
- Lực quán tính bậc nhất (Primary Inertia Forces):
- Phát sinh do chuyển động tịnh tiến của các khối lượng quán tính (piston, thanh truyền) và có tần số bằng tần số quay của trục khuỷu (1x RPM).
- Trong các động cơ đa xi-lanh được thiết kế tốt (ví dụ: V6, V8, 6 xi-lanh thẳng hàng), các lực bậc nhất này thường tự cân bằng hoặc gần như cân bằng nhờ sự bố trí đối xứng của các pít-tông. Tuy nhiên, vẫn còn mô-men bậc nhất gây rung lắc dọc hoặc ngang động cơ.
- Lực quán tính bậc hai (Secondary Inertia Forces):
- Phát sinh do sự thay đổi vận tốc không đồng đều của pít-tông trong quá trình chuyển động. Pít-tông di chuyển nhanh hơn một chút ở giữa hành trình và chậm hơn ở các điểm chết.
- Các lực này có tần số gấp đôi tần số quay của trục khuỷu (2x RPM).
- Đây là loại lực mà trục cân bằng chủ yếu được thiết kế để triệt tiêu, đặc biệt quan trọng trong động cơ 4 xi-lanh thẳng hàng (I4). Trong động cơ I4, pít-tông số 1 và 4 di chuyển cùng hướng, pít-tông số 2 và 3 di chuyển ngược lại, tạo ra một tổng lực quán tính bậc nhất cân bằng. Tuy nhiên, các lực quán tính bậc hai của chúng lại cùng hướng, dẫn đến một tổng lực bậc hai đáng kể gây rung động.
- Mô-men quán tính (Inertia Moments):
- Là mô-men xoắn gây ra bởi các cặp lực không cân bằng, dẫn đến động cơ bị nghiêng hoặc lắc. Các mô-men này có thể là bậc nhất hoặc bậc hai tùy thuộc vào sự bố trí xi-lanh.
4. Chức năng của trục cân bằng
Trục cân bằng đóng vai trò thiết yếu trong việc nâng cao chất lượng vận hành của động cơ thông qua các chức năng chính:
- Triệt tiêu các lực quán tính bậc hai: Đây là chức năng quan trọng nhất của trục cân bằng, đặc biệt đối với các động cơ 4 xi-lanh thẳng hàng (I4). Bằng cách tạo ra một lực ngược chiều với lực quán tính bậc hai phát sinh từ chuyển động pít-tông, trục cân bằng loại bỏ hiệu quả nguyên nhân gây rung động khó chịu này.
- Giảm rung động dọc trục hoặc ngang trục: Ngoài các lực bậc hai, trục cân bằng cũng góp phần giảm các rung động khác gây ra bởi sự mất cân bằng trong chuyển động của piston, thanh truyền và trục khuỷu nói chung.
- Cải thiện độ êm ái của động cơ: Việc loại bỏ hoặc giảm thiểu rung động giúp động cơ hoạt động mượt mà hơn, giảm tiếng ồn khó chịu.
- Tăng độ bền của chi tiết cơ khí: Rung động quá mức có thể gây mỏi vật liệu và giảm tuổi thọ của các bộ phận động cơ. Trục cân bằng giúp kéo dài tuổi thọ của các chi tiết này.
- Nâng cao trải nghiệm lái xe: Động cơ êm ái hơn trực tiếp mang lại cảm giác lái thoải mái và dễ chịu hơn cho người sử dụng.
5. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Hệ thống trục cân bằng thường bao gồm một hoặc hai trục quay, được đặt bên trong thân máy động cơ.
- Cấu tạo: Mỗi trục cân bằng được trang bị các đối trọng lệch tâm (counterweights/eccentric masses). Các đối trọng này được thiết kế và đặt ở vị trí cụ thể để tạo ra lực ly tâm theo ý muốn khi trục quay.
- Vị trí và Tốc độ quay:
- Trong cấu hình phổ biến nhất, đặc biệt là cho động cơ I4, hệ thống sử dụng hai trục cân bằng. Các trục này được đặt song song với trục khuỷu, thường nằm thấp trong thân máy.
- Các trục này được dẫn động bởi trục khuỷu (thông qua bánh răng hoặc xích) và thường quay ngược chiều nhau.
- Điểm mấu chốt là chúng quay với tốc độ gấp đôi tốc độ quay của trục khuỷu (2×RPM). Tốc độ này được lựa chọn để trùng khớp với tần số của lực quán tính bậc hai.
- Nguyên lý triệt tiêu rung động:
- Khi quay, các đối trọng lệch tâm trên trục cân bằng tạo ra lực ly tâm dao động.
- Các trục cân bằng được thiết kế để tạo ra lực dao động có cường độ tương đương nhưng ngược chiều với các lực động không cân bằng (đặc biệt là lực quán tính bậc hai) phát sinh từ chuyển động của pít-tông.
- Khi hai lực này (lực do pít-tông gây ra và lực do trục cân bằng tạo ra) gặp nhau, chúng sẽ triệt tiêu lẫn nhau, từ đó giảm thiểu hoặc loại bỏ rung động.
6. Các cấu hình trục cân bằng và ứng dụng cụ thể
- Động cơ 4 xi-lanh thẳng hàng (I4):
- Đây là loại động cơ phổ biến nhất được trang bị trục cân bằng. Do có tổng lực quán tính bậc hai đáng kể, động cơ I4 thường sử dụng hai trục cân bằng quay ngược chiều nhau và gấp đôi tốc độ trục khuỷu.
- Một trục thường nằm ở một bên của động cơ, trục còn lại ở phía đối diện, giúp cân bằng cả lực và mô-men.
- Với trục cân bằng, động cơ I4 có thể vận hành êm ái hơn nhiều, đặc biệt là ở vòng tua máy cao.
- Động cơ V6:
- Động cơ V6 có thể có độ mất cân bằng bậc nhất và bậc hai tùy thuộc vào góc giữa hai hàng xi-lanh (góc V).
- Một số thiết kế V6 (ví dụ: góc V không tiêu chuẩn như 90 độ hoặc 60 độ) có thể cần một trục cân bằng duy nhất để triệt tiêu các lực hoặc mô-men không cân bằng còn sót lại. Trục này thường được đặt trong khe chữ V của động cơ.
- Động cơ 3 xi-lanh:
- Động cơ 3 xi-lanh có độ mất cân bằng bậc nhất và bậc hai đáng kể. Chúng thường sử dụng một trục cân bằng duy nhất quay ngược chiều với trục khuỷu và ở tốc độ trục khuỷu hoặc gấp đôi, tùy thuộc vào lực cần triệt tiêu chính.
- Động cơ 5 xi-lanh thẳng hàng:
- Động cơ này có sự mất cân bằng bậc nhất và bậc hai khá phức tạp. Chúng thường cần một trục cân bằng duy nhất quay ở tốc độ gấp đôi trục khuỷu để xử lý lực bậc hai.
7. Những cân nhắc và hạn chế
Mặc dù trục cân bằng mang lại nhiều lợi ích, nhưng nó cũng đi kèm với một số cân nhắc:
- Tăng độ phức tạp: Thêm các bộ phận quay (trục, đối trọng, bánh răng/xích dẫn động) làm tăng độ phức tạp cơ khí của động cơ.
- Tăng trọng lượng: Việc bổ sung trục cân bằng và các chi tiết liên quan làm tăng tổng trọng lượng của động cơ.
- Tăng tổn thất ma sát: Các trục quay sẽ tạo ra ma sát, tiêu hao một phần công suất động cơ và có thể ảnh hưởng nhỏ đến hiệu quả nhiên liệu.
- Chi phí sản xuất: Việc chế tạo và lắp đặt trục cân bằng làm tăng chi phí sản xuất động cơ.
Hy vọng với những chia sẻ trên bạn đã hiểu hơn về trục cân bằng trên động cơ. Và nếu bạn có đang đam mê hoặc muốn tìm hiểu về các khóa học trong ngành ô tô thì liên hệ ngay với trung tâm VATC theo thông tin dưới đây để được tư vấn chi tiết nhất nhé!
Trung Tâm Huấn Luyện Kỹ Thuật Ô Tô Việt Nam – VATC
- Địa chỉ: Số 4-6, Đường số 4, Phường Hiệp Bình Phước, Thành Phố Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh
- Điện thoại: 0945711717
- Email: info@oto.edu.vn
Xem thêm:
