Cân Bằng động Cơ đốt Trong ô Tô Là Gì?

Động cơ đốt trong biến đổi hóa năng từ nhiên liệu thành nhiệt năng trong kỳ cháy giãn nở và từ đó chuyển hóa thành cơ năng làm động lực cho ô tô. Vì các chi tiết chuyển động liên tục trong quá trình hoạt động của xe, vấn đề cân bằng động cơ là vấn đề quan trọng để giúp máy không bị rung lắc hay gây tiếng ồn.

Nội dung chính:

• 1. Vì sao động cơ bị mất cân bằng?
• 2. Phân loại mất cân bằng động cơ:
  • • a. Mất cân bằng sơ cấp:
    • b. Cân bằng thứ cấp:
• 3. Các phương pháp giảm thiểu mất cân bằng động cơ:

1. Vì sao động cơ bị mất cân bằng?

Trong quá trình vận hành, trong động cơ luôn tồn tại các lực và moment luôn thay đổi về chiều và độ lớn. Các thành phần lực và moment này tác động lên bệ máy và thân máy, khiến cho động cơ rung động, gây ồn và làm mất cân bằng động cơ. Ngoài ra còn các ảnh hưởng đến từ thiết kế, cấu tạo, cách sắp xếp xi lanh, số lượng xi lanh, thứ tự công tác và các hệ thống điều khiển động cơ cũng đều có tác động lớn đến sự cân bằng. Sau đây là một số nguyên nhân chính cho sự mất cân bằng này:

• Lực tác dụng lên các cơ cấu bên trong động cơ liên tục thay đổi theo góc quay trục khuỷu (phương, chiều và độ lớn);
• Các momen lật, momen quay, momen quán tính sinh ra trong quá trình hoạt động của động cơ;
• Các hệ thống điều khiển động cơ gặp lỗi (như hệ thống cung cấp nhiên liệu, hệ thống đánh lửa, áp suất nén bị thiếu…) sẽ dẫn đến hiện tượng bỏ máy;
• Các bộ phận trên động cơ bị sai lệch về kích thước, khối lượng (thay thế các bộ phận không đồng bộ khiến khối lượng các chi tiết, cụm chi tiết khác nhau).

2. Phân loại mất cân bằng động cơ:

Người ta chia mất cân bằng động cơ làm 2 loại mất cân bằng: Mất cân bằng sơ cấp và mất cân bằng thứ cấp.

a. Mất cân bằng sơ cấp:

Sự mất cân bằng sơ cấp tạo ra rung động ở tần số quay cơ bản của trục khuỷu.

Cân bằng sơ cấp là hoạt động cân bằng các lực xuất hiện trong mỗi vòng quay của trục khuỷu. Các lực này sinh ra từ các khối lượng chuyển động tịnh tiến (chủ yếu là các piston chuyển động lên xuống). Cân bằng sơ cấp sử dụng đối trọng trên trục khuỷu để triệt tiêu thành phần lực theo phương thẳng đứng trên mỗi piston. Điều này giúp cân bằng các lực quán tính để động cơ không bị rung khi hoạt động.

b. Cân bằng thứ cấp:

Mất cân bằng thứ cấp tạo ra rung động với tần số gấp đôi tần số quay của trục khuỷu.

Cân bằng thứ cấp là những hoạt động bổ sung cho:

• Động năng tịnh tiến của piston không được đối trọng chuyển hóa hết thành chuyển động quay.
• Chuyển động không theo hình sin của các piston.
• Các chuyển động ngang so với trục cân bằng.

Động cơ một hoặc nhiều xi lanh đều phải được cân bằng ở rất nhiều khía cạnh. Tùy thuộc vào số lượng, cách sắp xếp xi lanh và thứ tự công tác của chúng mà động cơ sẽ có những ưu, nhược điểm riêng trong quá trình tính toán để đạt được sự cân bằng.

Trong một vòng quay trục khuỷu, tốc độ của piston ở phía trên và dưới đường tâm của trục khuỷu là khác nhau. Do đó, gia tốc qua điểm chết trên lớn hơn đáng kể so với qua điểm chết dưới. Hơn nữa, lực quán tính của hai piston chuyển động lệch pha nhau 180 độ sẽ không bị triệt tiêu hoàn toàn, từ đó tồn tại một hợp lực hướng lên.

3. Các phương pháp giảm thiểu mất cân bằng động cơ:

Trên thực tế, không thể khiến động cơ đốt trong hoàn toàn không bị mất cân bằng. Vì vậy, chúng ta sẽ phải thiết kế tính toán sao cho giảm thiểu tối đa sự mất cân bằng động cơ.

Cách đầu tiên để cân bằng động cơ là đảm bảo momen xoắn giữa các xi lanh là giống nhau. Điều này giúp cân bằng được các lực sinh ra trong quá trình các piston chuyển động.

Cách thứ hai là dùng trục cân bằng Lanchester – trục cân bằng được trang bị đối trọng và quay với tốc độ gấp đôi tốc độ trục khuỷu. Sự rung động của trục cân bằng được sử dụng để khử rung trục khuỷu, bằng cách tạo ra rung động theo chiều ngược lại. Tuy nhiên, phương pháp này cũng sẽ làm cho cấu tạo của động cơ thêm phức tạp.

Cách thứ ba là thay đổi cấu hình động cơ, những động cơ I6, V12, hay động cơ boxer của Porches và Subaru là những mẫu động cơ giảm thiểu rất tốt sự mất cân bằng động cơ. Lý do là những loại động cơ này đối xứng khá hoàn hảo, tự triệt tiêu các nguyên nhân gây mất cân bằng.

Cách thứ tư là khi có một chi tiết hỏng, nên thay cả cụm chi tiết đi cùng, ví dụ như thay piston, thanh truyền, xéc măng,.. của một xi lanh thì nên thay đồng bộ của tất cả các xi lanh. Lý do vì cá bộ phận mới có kích thước, hình dáng khác một chút so với các bộ phận đã qua sử dụng, khi lắp vào sẽ gây mất cân bằng giữa các xi lanh.