Trục khuỷu: trái tim của động cơ đốt trong - tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động và tầm quan trọng

[Máy Công Cụ ATC]

Trục khuỷu là gì? Câu hỏi này có lẽ đã xuất hiện trong tâm trí của bất kỳ ai từng tìm hiểu về động cơ đốt trong. Là trái tim của động cơ, trục khuỷu đảm nhận vai trò then chốt trong việc biến đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay, cung cấp sức mạnh cho bánh xe. Hiểu rõ về trục khuỷu không chỉ giúp chúng ta khám phá nguyên lý hoạt động của động cơ mà còn mở ra cánh cửa đến với thế giới cơ khí đầy thú vị. Trong bài viết này, chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu chi tiết về trục khuỷu, từ cấu tạo, phân loại, công dụng đến vật liệu và phương pháp chế tạo.

Trục khuỷu là gì?
Trục khuỷu là một bộ phận quan trọng không thể thiếu trong động cơ đốt trong. Nó đóng vai trò trung tâm trong việc chuyển đổi chuyển động tịnh tiến lên xuống của piston thành chuyển động quay của động cơ. Trục khuỷu nhận lực từ piston thông qua thanh truyền, tạo ra mô-men xoắn và truyền động năng đến các bộ phận khác của động cơ như hộp số và bánh xe. Có thể nói, trục khuỷu chính là trái tim của động cơ, đảm bảo sự vận hành trơn tru và hiệu quả của toàn bộ hệ thống.

Cấu tạo trục khuỷu

Trục khuỷu có cấu tạo gồm các bộ phận chính sau:

• Chốt khuỷu: Bộ phận này được gắn với đầu to của thanh truyền, có nhiệm vụ nhận lực từ thanh truyền và truyền đến các bộ phận khác của trục khuỷu.
• Cổ khuỷu: Đây là phần trục chính của trục khuỷu, có dạng hình trụ và được thiết kế để chịu lực xoắn và lực uốn. Cổ khuỷu được lắp vào các ổ trục của khối động cơ để đảm bảo sự quay trơn tru và ổn định.
• Má khuỷu: Bộ phận này kết nối chốt khuỷu và cổ khuỷu, đảm bảo việc truyền lực từ chốt khuỷu sang cổ khuỷu một cách hiệu quả.
• Đầu trục khuỷu: Đây là phần đầu của trục khuỷu, thường được thiết kế để lắp đặt bánh răng dẫn động trục cam và các bộ phận khác.
• Đuôi trục khuỷu: Là phần cuối của trục khuỷu, thường được gắn với bánh đà để giúp ổn định tốc độ quay của động cơ.
• Đối trọng: Là các khối kim loại được gắn trên má khuỷu, có tác dụng cân bằng lực quán tính sinh ra trong quá trình trục khuỷu quay, giúp giảm rung động và tăng độ bền của động cơ.

Ngoài ra, tùy thuộc vào thiết kế và loại động cơ, trục khuỷu còn có thể có các bộ phận khác như rãnh dầu, lỗ thông gió, bulông cố định,...

Điều kiện làm việc của trục khuỷu

Trục khuỷu hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, chịu tác động của nhiều loại lực phức tạp và biến đổi liên tục.

• Lực khí thể: Đây là lực sinh ra từ quá trình cháy của nhiên liệu trong buồng đốt, tác động lên piston và truyền qua thanh truyền đến chốt khuỷu. Lực khí thể có độ lớn rất lớn và thay đổi theo chu kỳ làm việc của động cơ.
• Lực quán tính: Do trục khuỷu và các chi tiết liên quan như thanh truyền, piston có khối lượng, nên khi chúng chuyển động sẽ sinh ra lực quán tính. Lực quán tính này cũng biến đổi theo chu kỳ và có thể gây ra rung động, ảnh hưởng đến độ bền của trục khuỷu.
• Lực ma sát: Trong quá trình quay, các cổ khuỷu của trục khuỷu ma sát với ổ trục, sinh ra lực ma sát. Lực ma sát này tuy nhỏ hơn so với lực khí thể và lực quán tính nhưng nếu không được kiểm soát tốt, có thể gây mài mòn và hư hỏng ổ trục.
• Nhiệt độ cao: Do nằm gần buồng đốt, trục khuỷu phải chịu nhiệt độ rất cao từ quá trình cháy. Nhiệt độ cao có thể làm giảm độ bền của vật liệu và gây ra biến dạng nhiệt, ảnh hưởng đến độ chính xác và hiệu suất của trục khuỷu.

Tóm lại, trục khuỷu phải làm việc trong điều kiện khắc nghiệt, chịu tác động của nhiều loại lực và nhiệt độ cao. Do đó, vật liệu chế tạo trục khuỷu phải có độ bền cao, khả năng chịu mài mòn tốt và chịu được nhiệt độ cao. Bên cạnh đó, việc thiết kế và chế tạo trục khuỷu phải đảm bảo tính chính xác và độ cân bằng động để giảm thiểu rung động và tăng tuổi thọ của động cơ.

Vật liệu và phương pháp chế tạo trục khuỷu

Vật liệu chế tạo:

• Thép: Thép là vật liệu phổ biến nhất để chế tạo trục khuỷu nhờ độ bền cao, khả năng chịu mài mòn tốt và dễ gia công. Các loại thép thường được sử dụng là thép carbon và thép hợp kim. Thép carbon có giá thành rẻ nhưng độ bền không cao bằng thép hợp kim. Thép hợp kim, với việc bổ sung các nguyên tố như crom, niken, molypden, có độ bền cao hơn, khả năng chịu nhiệt và chống ăn mòn tốt hơn.
• Gang graphit cầu: Gang graphit cầu có độ bền kéo và độ cứng tương đương thép, khả năng giảm chấn tốt, chịu mài mòn và ít nhạy cảm với ứng suất tập trung. Tuy nhiên, gang graphit cầu khó gia công hơn thép và có giá thành cao hơn.

Phương pháp chế tạo:​

• Rèn: Đây là phương pháp truyền thống và phổ biến nhất để chế tạo trục khuỷu. Phôi thép được nung nóng đến nhiệt độ thích hợp và được rèn dưới áp lực lớn để tạo hình. Quá trình rèn giúp cải thiện cấu trúc tinh thể của vật liệu, tăng độ bền và độ dẻo dai của trục khuỷu.
• Đúc: Phương pháp này thường được sử dụng cho các trục khuỷu có hình dạng phức tạp hoặc làm từ gang graphit cầu. Phôi kim loại nóng chảy được đổ vào khuôn đúc có hình dạng mong muốn. Sau khi nguội và đông đặc, trục khuỷu được lấy ra khỏi khuôn và gia công hoàn thiện.
• Gia công cắt gọt: Sau khi rèn hoặc đúc, trục khuỷu được gia công cắt gọt bằng các máy công cụ như tiện, phay, bào,... để đạt được kích thước và độ chính xác yêu cầu.

Với sự phát triển của công nghệ, các phương pháp chế tạo mới như in 3D kim loại cũng đang được nghiên cứu và ứng dụng để tạo ra các trục khuỷu có thiết kế phức tạp và tối ưu hóa hiệu suất.

Phân loại trục khuỷu

Trục khuỷu được chia thành 2 loại chính sau đây:

Trục khuỷu liền

Trục khuỷu liền là một loại trục khuỷu được chế tạo từ một khối kim loại duy nhất, không có các bộ phận rời như chốt khuỷu, má khuỷu hay đối trọng. Các bộ phận này được gia công liền khối với nhau, tạo thành một cấu trúc liền mạch và chắc chắn.

Ưu điểm của trục khuỷu liền là độ cứng vững cao, khả năng chịu lực tốt và ít bị biến dạng dưới tác động của lực xoắn và lực uốn. Nhờ cấu trúc liền khối, trục khuỷu liền có khả năng chịu được tốc độ quay cao và tải trọng lớn, phù hợp với các động cơ có công suất lớn và yêu cầu độ bền cao.

Tuy nhiên, trục khuỷu liền cũng có một số nhược điểm. Do được chế tạo từ một khối kim loại duy nhất, việc gia công trục khuỷu liền đòi hỏi độ chính xác cao và công nghệ chế tạo phức tạp. Ngoài ra, trục khuỷu liền thường có khối lượng lớn hơn so với các loại trục khuỷu khác, dẫn đến tăng trọng lượng của động cơ và giảm hiệu suất sử dụng nhiên liệu.

Trục khuỷu liền thường được sử dụng trong các động cơ xe máy, động cơ máy nông nghiệp và một số động cơ ô tô cỡ nhỏ. Đối với các động cơ cỡ lớn và yêu cầu hiệu suất cao, các loại trục khuỷu khác như trục khuỷu lắp ghép hoặc trục khuỷu rèn thường được ưu tiên sử dụng.

Trục khuỷu ghép

Trục khuỷu ghép là một biến thể của trục khuỷu truyền thống, với cấu tạo đặc biệt gồm các bộ phận riêng biệt như cổ trục, cổ biên và má khuỷu được chế tạo rời rồi ghép lại với nhau thành một trục hoàn chỉnh. Loại trục khuỷu này thường được sử dụng trong các động cơ lớn, đòi hỏi khả năng chịu tải cao và dễ dàng bảo trì, sửa chữa.

Ưu điểm của trục khuỷu ghép là khả năng thay thế từng bộ phận khi bị hư hỏng, giúp tiết kiệm chi phí và thời gian bảo dưỡng. Ngoài ra, trục khuỷu ghép còn cho phép linh hoạt trong thiết kế, điều chỉnh và tối ưu hóa các thông số kỹ thuật để phù hợp với yêu cầu của từng loại động cơ.

Tuy nhiên, việc chế tạo trục khuỷu ghép đòi hỏi độ chính xác cao trong quá trình gia công và lắp ráp các bộ phận. Nếu không được thực hiện đúng kỹ thuật, trục khuỷu ghép có thể gặp các vấn đề về độ cân bằng, độ bền và độ tin cậy, ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ của động cơ.

Công dụng của trục khuỷu là gì?
Trục khuỷu đóng vai trò không thể thiếu trong việc đảm bảo hoạt động của động cơ đốt trong, cụ thể là:

• Chuyển đổi chuyển động: Chức năng chính của trục khuỷu là biến đổi chuyển động tịnh tiến lên xuống của piston thành chuyển động quay của động cơ. Đây là yếu tố quyết định để tạo ra công suất và truyền động năng đến các bộ phận khác của xe.
• Tạo mô-men xoắn: Trục khuỷu nhận lực từ piston thông qua thanh truyền, tạo ra mô-men xoắn cần thiết để vận hành động cơ. Mô-men xoắn này được truyền qua hộp số và các bộ phận truyền động khác để làm quay bánh xe.
• Dẫn động các bộ phận khác: Trục khuỷu không chỉ tạo ra mô-men xoắn mà còn dẫn động các bộ phận khác trong động cơ như bơm dầu, bơm nước làm mát, máy phát điện,...
• Lưu trữ năng lượng: Trong một số thiết kế động cơ, trục khuỷu còn được gắn với bánh đà. Bánh đà có tác dụng lưu trữ năng lượng, giúp ổn định tốc độ quay của trục khuỷu và làm việc của động cơ.

Tóm lại, trục khuỷu là một bộ phận đa chức năng, đảm nhiệm nhiều vai trò quan trọng trong hoạt động của động cơ đốt trong. Nhờ có trục khuỷu, năng lượng từ quá trình đốt cháy nhiên liệu được chuyển hóa thành công cơ học, giúp xe di chuyển.

Chi tiết tại: ​https://atcmachinery.com/truc-khuyu-la-gi-cau-tao-phan-loai-truc-khuyu/