Thanh truyền là một chi tiết quan trọng hệ thống động cơ ô tô, nhiệm vụ thanh truyền là biến chuyển động lên xuống của piston [pít-tông] thành chuyển động quay tròn của trục khuỷu.
Để hiểu hơn về cấu tạo thanh truyền, nhiệm vụ của thanh truyền ô tô và nguyên lý hoạt động của chi tiết này, mời các bạn theo dõi bài dưới đây!
Thanh truyền là gì?
Thanh truyền [Connecting rod], hay còn gọi là biên, tay biên, tay dên [từ tiếng Pháp gọi là Bielle], là một bộ phận của động cơ piston, có nhiệm vụ kết nối piston với trục khuỷu.
Thanh truyền kết hợp cùng với tay quay [khuỷu] biến đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu. Hay có thể hiểu, thanh truyền là chi tiết trung gian truyền chuyển động từ chi tiết này đến chi tiết khác.
Thanh truyền ô tô là chi tiết dạng càng. Loại chi tiết có một hoặc một số lỗ cơ bản cần gia công đạt độ chính xác cao mà đường tâm của chúng song song với nhau.
Tiền thân của thanh truyền là cơ cấu liên hợp cơ học dùng trong các cối xay nước thời xưa. Công dụng của thanh truyền trong cơ cấu liên hợp này biến đổi chuyển động quay của bánh xe nước thành chuyển động tịnh tiến. Thanh truyền được dùng chủ yếu trong các động cơ đốt trong hoặc động cơ hơi nước.
Nhiệm vụ thanh truyền ô tô
Như đã đề cập ở trên, thanh truyền có nhiệm vụ kết nối pít-tông và trục khuỷu. Thanh truyền thực hiện nhiệm vụ truyền lực trong khoảng trục khuỷu tới pít-tông nhằm nén ép không khí trong buồng đốt.
Đồng thời, thanh truyền có nhiệm vụ truyền lực trong khoảng pít-tông [do khí cháy giãn nở tạo ra] tới trục khuỷu để trục quay được. Nhờ có sự truyền lực của cơ cấu tay quay thanh truyền mà sự di chuyển thẳng của pít-tông tạo nên di chuyển xoay tròn của trục khuỷu và nhớ đó, hệ thống động cơ ô tô hoạt động ổn định êm ái hơn.
Cơ cấu và cấu tạo thanh truyền
Cấu tạo của thanh truyền ô tô gồm 3 phần: thân thanh truyền, đầu to [hay đầu biên lớn], đầu nhỏ [hay đầu biên nhỏ] và bạc lót thanh truyền.
Trong đó, mỗi bộ phận lại có cách hoạt động, nhiệm vụ riêng và được kết nối với nhau như sau:
Đầu nhỏ thanh truyền
Đầu nhỏ của thanh truyền có dạng hình trụ rỗng, được lắp với chốt piston bên trong có bạc lót, phía trên có lỗ dầu bôi trơn cho bạc, bạc lót được ghép chặt vào đầu nhỏ thanh truyền.
Đầu nhỏ thanh truyền có lỗ để lắp chốt pít-tông. Cấu tạo đầu nhỏ thanh truyền phụ thuộc vào phương pháp lắp ghép với chốt pít-tông.
- Nếu lắp chốt pít-tông cố định, thì đầu nhỏ thanh truyền có lỗ để lắp bu lông hãm chặt với chốt.
- Nếu lắp tự do, thì đầu nhỏ thanh truyền bao giờ cũng có bạc lót [hình a].
Một số động cơ người ta làm vấu lồi trên đầu nhỏ [hình b] để điều chỉnh trọng tâm thanh truyền cho đồng đều giữa các xi-lanh.
Để bôi trơn bạc lót và chốt pít-tông có những phương án như dùng rãnh hứng dầu [hình c] hoặc bôi trơn cưỡng bức do dẫn dầu từ đầu trục khuỷu dọc theo thân thanh truyền [hình a].
Ở động cơ hai kỳ, do điều kiện bôi trơn khó khăn,người ta thường làm các rãnh chứa dầu ở bạc đầu nhỏ [hình d] hoặc có thể dùng ổ bi kim thay cho bạc lót [hình e].
Đầu to thanh truyền
Đầu to của thanh truyền được nối với trục khuỷu gồm hai nửa. Nửa trên liền với thanh truyền, nửa dưới chế tạo rời gọi là nắp đầu to [nắp biên] và được lắp ghép với nửa trên bằng các bu lông.
- Mặt cắt có thể cắt thẳng góc [hình a]. Bề mặt lắp ghép giữa thân và nắp thanh truyền thường được lắp các tấm đệm thép dày khoảng 0,05 – 0,20 mm để có thể điều chỉnh tỷ số nén cho đồng đều giữa các xi-lanh.
- Mặt cắt lệch so với đường tâm thanh truyền [hình b]. Mặt lắp ghép này yêu cầu phải có vấu hoặc răng khía để chịu lực cắt thay cho bu lông thanh truyền và định vị khi lắp ghép.
- Đầu to thanh truyền để nguyên mà không cắt đôi [hình c]. Có ưu điểm là cấu tạo đơn giản nhưng phải dùng trục khuỷu ghép nên chỉ sử dụng ở một số động cơ có công suất nhỏ, ít xi-lanh như động cơ mô tô, xe máy.
Phía trong có bạc làm bằng thép có tráng hợp kim đồng. Mặt trong của bạc được phay rãnh để chứa dầu bôi trơn. Giữa các nửa của đầu to được ghép với nhau bằng bu lông. Để chống xoay bạc mỗi nửa bạc có dập định vị khớp.
Thân thanh truyền
Thân thanh truyền làm nhiệm vụ là phần nối giữa đầu nhỏ và đầu to của thanh truyền, thường có tiết diện hình chữ nhật, hình tròn, hình ôvan hoặc hình chữ I. Tiết diện hình chữ I được dùng nhiều trong động cơ cao tốc và động cơ ô tô, máy kéo. Loại này có độ cứng vững lớn, bố trí vật liệu hợp lý.
Kích thước của thân thanh truyền được thiết kế tăng dần từ đầu nhỏ đến đầu to để phù hợp với quy luật phân bố lực quán tính lắc đều của thanh truyền, còn chiều dày thì đồng đều.
Dọc theo thân của thanh truyền, các nhà sản xuất thường bố trí các lỗ dẫn dầu. Những lỗ này nhằm dẫn dầu để bôi trơn các chốt của piston bằng áp lực. Để tăng độ cứng vững và dễ khoan lỗ dẫn dầu, thân thanh truyền có gân trên suốt chiều dài thanh truyền.
Do gia công lỗ dầu khó, nhất là đối với thanh truyền dài, nên có khi nhà sản xuất gắn ống dẫn dầu ở phía ngoài thân thanh truyền.
Đối với động cơ dạng 2 kỳ. việc bôi trơn khó khăn hơn so với 4 kỳ. Nên thường thì sẽ có những rãnh chứa dầu được gắn ở đầu nhỏ để thực hiện nhiệm vụ bôi trơn lót bạc. Người ta cũng có thể dùng ổ bi kim để thay thế cho bạc lót.
Phương pháp và vật liệu chế tạo thanh truyền
Thông thường, vật liệu dùng để chế tạo thanh truyền là thép cacbon tốt hoặc thép hợp kim. Thép cacbon thường dùng trong các động cơ tốc độ thấp như thép C30, C35, C40, C45. Động cơ ô tô máy kéo có thể dùng thép cacbon nhưng thường dùng loại thép hợp kim: 45Mn2; 40CrNi; 40MnMo… Loại động cơ tốc độ cao thường dùng thép 8Cr2Ni4WA; 12CrNi3A; 18Cr2Ni4MoA.
Những loại vật liệu khác dùng chế tạo thanh truyền là hợp kim nhôm T6-2024 hoặc T651-7075, có ưu điểm nhẹ và dễ hấp thụ lực tác động, tuy nhiên lại không bền. Titan cũng được dùng để chế tạo nhờ tính chất nhẹ nhưng lại đắt tiền hơn. Thanh truyền làm bằng gang cũng được sử dụng trong những động cơ giá rẻ và yêu cầu về hiệu năng thấp như xe gắn máy.
Với chi tiết khi làm việc với tải trọng không cao thì dùng vật liệu là gang xám GX 12 – 28, GX 24 – 44. Những chi tiết có độ cứng vững thấp làm việc với tải trọng va đập thì nên chọn gang dẻo GD 37-12, gang rèn. Còn những chi tiết làm việc với tải trọng lớn, để tăng độ bền nên dùng các vật liệu là thép cacbon 20, 40, 45, thép hợp kim 18CrNiMoA, 18Cr2Ni4WA, 40CrMoA…
Tùy thuộc vào vật liệu và điều kiện làm việc của thanh truyền ô tô mà có thể được chế tạo phôi bằng nhiều phương pháp như đúc, rèn, dập.
- Chi tiết có kích thước vừa và nhỏ, nếu sản lượng ít thì phôi được chế tạo bằng rèn tự do; nếu sản lượng nhiều dùng phương pháp dập.
- Phôi đúc dùng cho chi tiết bằng gang, kim loại màu, thép. Tùy theo điều kiện sản xuất, sản lượng mà có thể đúc trong khuôn cát, khuôn kim loại, khuôn mẫu chảy.
Yêu cầu kỹ thuật của thanh truyền
Khi chế tạo thanh truyền cần đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật sau:
- Kích thước các lỗ cơ bản được gia công đạt độ chính xác cấp 7 đến 9, độ nhám bề mặt Ra=0,63 – 0,32.
- Độ không song song của các tâm lỗ cơ bản khoảng 0,03 – 0,05 mm trên 100 mm bán kính.
- Độ không song song của các mặt đầu các lỗ cơ bản khác trong khoảng 0,05 – 0,25 mm trên 100 mm bán kính mặt đầu.
- Các bề mặt với điều kiện làm việc của thanh truyền được nhiệt luyện đạt độ cứng 50 – 55 HRC.
Các loại thanh truyền
Một số loại thanh truyền phổ biến và đã từng được sử dụng trong hiện tại, tất cả sẽ được mô tả chi tiết bên dưới.
Thanh truyền đơn
Kiểu thanh truyền đơn này thường được sử dụng trong các động cơ thẳng hàng hoặc động cơ pít-tông ngược [Opposed-piston engine]. Đầu thanh truyền gắn với chốt trục khuỷu có nắp biên và vòng bi kim.
Nắp vòng bi được cố định trên đầu thanh truyền bằng bu lông hoặc bu lông 2 đầu ren. Để duy trì sự cân bằng và phù hợp, các thanh truyền phải luôn được thay thế trong cùng một xi-lanh và ở cùng một vị trí tương đối.
Thanh truyền chính – phụ
Động cơ hình sao [Radial engine] thường sử dụng hệ thống thanh truyền chính–phụ [master-and-slave rod], hay còn gọi là thanh truyền hình sao [articulated connecting rod], trong đó một pít-tông [piston vị trí trên cùng trong hình minh họa] nối với thanh truyền chính và trục khuỷu. Những pít-tông còn lại có thanh truyền phụ nối với thanh truyền chính bằng một bộ khớp nối ở giữa.
Những động cơ nhiều xi-lanh, như động cơ V12, không có đủ không gian lắp ổ trục cho nhiều thanh truyền do bị giới hạn về chiều dài trục khuỷu. Giải pháp cho vấn đề này là việc thiết kế mỗi cặp xi-lanh sẽ dùng chung một cổ trục; nhưng điều này làm giảm kích thước của ổ trục thanh truyền và những xi-lanh đối đỉnh ở các dãy xi-lanh khác nhau sẽ hơi lệch nhau dọc theo trục khuỷu [điều này cũng đồng thời gây ra hiện tượng khớp nối rung lắc].
Một phương pháp khác là dùng hệ thống thanh truyền chính–phụ, trong đó thanh truyền chính sử dụng nhiều chốt nối tròn. Những chốt nối tròn này sẽ nối với đầu lớn của những thanh truyền phụ trên các xi-lanh khác.
Nhược điểm của phương pháp này là hành trình di chuyển của thanh truyền phụ sẽ ngắn hơn một chút so với thanh truyền chính, dẫn đến hiện tượng rung ở động cơ chữ V.
Thanh truyền hình nang
Hệ thống thanh truyền hình nạng [Fork-and-blade rod, split big-end rods] được sử dụng trong động cơ xe máy chữ V 2 xi-lanh [V-twin] và động cơ máy bay V12. Ở mỗi cặp xi lanh, đầu to của một thanh truyền có rãnh để đầu thanh truyền phụ được lắp vào. Kiểu thiết kế cơ cấu thanh truyền này loại bỏ hiện tượng rung lắc khớp nối do những cặp xi-lanh bị lệch dọc trục khuỷu.
Một kiểu thiết kế phổ biến cho loại thanh truyền hình nạng là đầu to của thanh truyền chính sử dụng ổ trượt đơn kéo dài dọc suốt bề dày của thanh truyền chính, kể cả vùng rãnh hở ở giữa.
Thanh trượt phụ sẽ không xoay trực tiếp trên chốt khuỷu mà xoay bên ngoài ổ trượt. Điều này giúp hai thanh truyền có thể dao động tới lui, thay vì phải xoay cùng nhau, nhờ đó giảm lực đè lên ổ trượt và ảnh hưởng tốc độ bề mặt.
Tuy nhiên, chuyển động của ổ trượt sẽ trở thành tịnh tiến thay vì chuyển động quay đều, dẫn đến khó bôi trơn ổ trượt hơn.
Động cơ tiêu biểu sử dụng hệ thống thanh truyền hình nạng là động cơ máy bay Rolls-Royce Merlin V12 và động cơ xe máy chữ V 2 xi lanh của hãng Harley-Davidson.
Một số câu hỏi về thanh truyền ô tô
Các câu hỏi thường gặp về thanh truyền ô tô, sẽ được cập nhật thường xuyên.
Vì trong quá trình động cơ làm việc, chốt pít-tông và chốt khuỷu có chuyển động quay trong đầu nhỏ và đầu to của thanh truyền. Vậy nên, lắp bạc lót và ổ bi nhằm giúp giảm lực ma sát và sự mài mòn các bề mặt ma sát đó.
Thân thanh truyền có tiết diện chữ I để đảm bảo độ chịu được biến dạng như biến dạng uốn, biến dạng nén, biến dạng kéo.
Lời kết
Trên đây là bài viết tổng quan Kiến Thức Về Thanh Truyền Ô Tô cũng như một số thông tin hữu ích khác về cơ cấu trục khuỷu thanh truyền. Hy vọng bài viết này cung cấp những kiến thức hữu ích tới bạn. Nếu có bất kỳ thắc mắc nào thì hãy để lại dưới phần bình luận, chúng tôi sẽ hỗ trợ bạn. Cuối cùng, đừng quên đánh giá 5 sao và Share bài viết để ủng hộ blog Sinh Viên Ô Tô nhé!