Trong lịch sử phát triển động cơ đốt trong, trục cam xuất hiện cùng với việc động cơ bốn kỳ ra đời với ƣu điểm ít khí thải ô nhiễm môi trƣờng, tiết kiệm nhiên liệu và tuổi thọ cao. Trục cam gắn liền với nhiệm vụ “Nạp đầy thải sạch” của cơ cấu phối khí. Nhờ sự tác động điều khiển linh hoạt của trục cam, quá trình đóng mở các xu páp theo một quy luật nhất định đƣợc diễn ra hoàn hảo, dù ở vòng quay của trục khuỷu cao hay thấp.
Trục cam đƣợc nối truyền động với trục khuỷu, điều khiển việc đóng và mở các van trên đầu xy lanh của động cơ. Thời gian trục khuỷu đóng và mở các van đƣợc điều chỉnh sao cho van nạp và van xả đƣợc mở cùng một lúc trong một thời gian ngắn khi chuyển từ thì xả sang thì nạp. Khí thải thoát ra với vận tốc cao sẽ hút khí mới vào buồng đốt nhằm nạp khí mới vào xy lanh tốt hơn và tăng áp suất đốt.
Học viên : Nguyễn Đức Nam Lớp:11BCTM.KH 47
Cấu tạo trục cam
Trục cam có cấu tạo bao gồm các vấu cam nạp, cam thải và cổ trục. Các vấu cam trên trục cam đƣợc bố trí phù hợp với thứ tự làm việc của các xy-lanh. Biên dạng cam phụ thuộc vào thời điểm đóng mở xu páp và trị số của tiết diện lƣu thông dòng khí. Thông thƣờng cam có biên dạng đối xứng, chiều cao vấu cam có tính chất quyết định đến độ mở của xu páp. Các cam có biên dạng thông dụng nhƣ cam lồi cung tròn, cung parabol, cam tiếp tuyến, cam lõm, cam không va đập,... Ngoài ra trong một số động cơ ôtô trục cam còn có cam dẫn động bơm xăng, cam dẫn động bơm cao áp và bánh răng dẫn động bơm dầu, bộ chia điện,...
Hình 2.2: Trục cam ô tô
Vấu cam
Mỗi xu-páp sẽ đƣợc dẫn động bởi 1 vấu cam riêng biệt (hình 2). Vấu cam có thể đƣợc chế tạo liền với trục cam. Ở những động cơ tốc độ thấp có kích thƣớc lớn, các vấu cam thƣờng đƣợc làm rời sau đó lắp lên các trục. Các bề mặt làm việc của cam đƣợc gia công với yêu cầu kỹ thuật, độ chính xác rất cao và đƣợc nhiệt luyện để giảm ma sát và mài mòn.
Trục cam sử dụng hai loại vấu cam (vấu cam tốc độ thấp và vấu cam tốc độ cao). Tùy theo điều kiện làm việc cụ thể của động cơ mà sử dụng loại vấu cam phù hợp.
Học viên : Nguyễn Đức Nam Lớp:11BCTM.KH 48
Các cổ trục
Đây là nơi lắp ráp ổ đỡ, thông thƣờng là ổ trƣợt với lớp hợp kim ba bít chống mòn hoặc hợp kim đồng thanh. Khi trục cam đƣợc lắp theo kiểu luồn vào các ổ đỡ thì các cổ trục đƣợc làm to, sao cho có thể luồn trục qua các bạc lót của ổ đỡ. Để định vị trục cam theo chiều trục, có thể có vành chặn ở đầu trục hoặc dùng vít chặn,...
Vật liệu chế tạo
Vật liệu chế tạo trục cam thƣờng là thép hợp kim thành phần cacbon thấp nhƣ thép 15X, 15MH, thép cacbon thành phần cacbon trung bình nhƣ: thép 40 hay thép 45 hoặc gang cầu.
Các mặt ma sát của trục cam (mặt làm việc của cam, của cổ trục...) đều đƣợc thấm than và tôi cứng. Độ thấm than thƣờng vào khoảng 0,7 2mm, độ tôi cứng đạt HRC 52 65. Các bề mặt khác và ruột trục cam có độ cứng thấp hơn, thƣờng vào khoảng HRC 30 40.
Dẫn động trục cam
Dẫn động trục cam phụ thuộc vào vị trí đặt trục cam trên động cơ, công suất và bí quyết công nghệ của các hãng chế tạo xe. Các kiểu dẫn động trục cam phổ biến là: dẫn động trục cam bằng bộ truyền bánh răng, bộ truyền xích và bộ truyền đai.
Khi mà trục cam nằm ở phía trên nắp máy thì khoảng cách từ trục khuỷu của động cơ đến trục cam là tƣơng đối lớn. Vì vậy nếu sử dụng bộ truyền bánh răng sẽ dẫn đến bố trí rất phức tạp, phƣơng án tối ƣu đƣợc đƣa ra là sử dụng bộ truyền đai hoặc bộ truyền xích.
Mặt khác, khi động cơ có công suất lớn, trục cam đƣợc bố trí trong thân máy. Khoảng cách trục không lớn phƣơng án đƣợc lựa chọn sẽ là bộ truyền xích hoặc bộ truyền bánh răng. Điều này đảm bảo sự làm việc tin cậy của trục cam. Bộ truyền bánh răng có thể truyền mô-men lớn từ trục khuỷu và giảm đƣợc mất mát
Học viên : Nguyễn Đức Nam Lớp:11BCTM.KH 49
công suất của động cơ. Các động cơ cỡ nhỏ thƣờng sử dụng bộ truyền xích hoặc đai răng.
Dẫn động bằng bộ truyền bánh răng (hình 2.3)
Hình 2.3. Dẫn động trục cam bằng bộ truyền bánh răng
Bánh răng đƣợc lắp ở đầu trục khuỷu của động cơ hoặc đuôi trục khuỷu. Thông thƣờng, để kết cấu dẫn động đơn giản thì bánh răng đƣợc lắp ở đầu trục khuỷu. Tuy nhiên, cơ cấu này sẽ chịu ảnh hƣởng của hiện tƣợng dao động xoắn. Bộ truyền bánh răng có thể bao gồm hai cặp bánh răng ăn khớp trực tiếp hoặc qua bánh răng trung gian. Đối với động cơ 4 kỳ hai vòng quay của trục khuỷu tƣơng ứng một vòng quay của trục cam nên tỷ số truyền của các cặp bánh răng này bằng hai, với động cơ hai kỳ tỷ số truyền bằng một.
Ƣu điểm của dẫn động bằng bánh răng là có độ bền và tuổi thọ cao, hiệu suất lớn, kết cấu đơn giản, tuy nhiên nó có nhƣợc điểm là gây ra tiếng ồn và khó bố trí khi dẫn động với khoảng cách trục lớn. Các bánh răng dẫn động trục cam thƣờng là các bánh răng trụ răng nghiêng để giảm ồn và kích thƣớc chiều trục. Bộ truyền bánh răng đƣợc sử dụng chủ yếu trên các động cơ cỡ lớn nhƣ ôtô tải hoặc tàu thủy,…
Dẫn động bằng bộ truyền xích (hình 2.4)
Học viên : Nguyễn Đức Nam Lớp:11BCTM.KH 50
hoặc trong thân máy. Ƣu điểm của bộ truyền xích là kết cấu gọn nhẹ và truyền động dễ dàng ở khoảng cách trục lớn. Nhƣng nhƣợc điểm cơ bản của bộ truyền xích là dễ bị rung động khi thay đổi tải và gây ra tiếng ồn. Giá thành của bộ truyền xích tƣơng đối cao, làm việc lâu dài thƣờng dẫn đến hiện tƣợng rão do mòn con lăn, chốt xích dẫn đến phải thay mới bộ truyền.
Hình 2.4. Dẫn động trục cam bằng bộ truyền xích
Quá trình làm việc bộ truyền xích cần đƣợc bôi trơn và sử dụng bộ phận dẫn hƣớng, giảm chấn. Ngoài ra để đảm bảo cho xích luôn có độ căng nhất định cần phải có cơ cấu căng xích tự động hoặc có thể điều chỉnh đƣợc.
Dẫn động bằng bộ truyền đai (hình 2.5)
Hình 2.5. Dẫn động trục cam bằng bộ truyền đai
Học viên : Nguyễn Đức Nam Lớp:11BCTM.KH 51
và phổ biến ở các dòng xe du lịch, xe tải nhỏ. Ƣu điểm nổi bật của dẫn động đai là làm việc êm dịu, không cần bôi trơn và không đòi hỏi phải điều chỉnh độ căng trong quá trình sử dụng. Dây đai có giá thành thấp, nhẹ hơn nhiều so với các bánh răng hay xích. Tuy nhiên, tuổi thọ và độ bền của dây đai thấp hơn so với bộ truyền bánh răng và bộ truyền xích nên sau một thời gian sử dụng theo khuyến cáo của nhà sản xuất cần đƣợc thay mới.