- Nhiệm vụ: Cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền là cơ cấu làm việc chủ yếu của động cơ Piston. Dùng thực hiện các chu kỳ làm việc của động cơ đồng thời biến chuyển động tịnh tiến của Piston trong xilanh thành chuyển động quay của trục khuỷu.
- Các chi tiết cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền được chia thành hai nhóm chính:
+ Nhóm các chi tiết chuyển động.
+ Nhóm các chi tiết cố định. 2.2.1.1 Thân động cơ.
a) Nhiệm vụ:
Thân động cơ là một chi tiết chính của cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền có nhiệm vụ như một cái “giá” để lắp đặt tất cả các chi tiết của cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền và của các cơ cấu , hệ thống khác của động cơ.
b) Điều kiện làm việc:
Khi động cơ làm việc thân động cơ luôn tiếp xúc với nhiệt độ cao nên bị nóng lên.
Mặc khác khi Piston chuyển động tịnh tiến qua lại trong xilanh, trục khuỷu chuyển động quay trên các gối đỡ chính,… làm sinh ra các lực quán tính, lực ma sát
làm cho toàn bộ động cơ bị rung động. Vì vậy, thân động cơ làm việc chịu nhiều các lực tác động và môi trường nhiệt độ cao nên vật liệu chế tạo phải có đủ độ cứng, độ bền và phải được làm mát tốt.
Hình 2.3: Thân động cơ c) Cấu tạo:
- Mặt trên của thân máy có các lổ để lắp xylanh, lổ tạo thành ổ đặt xupap, các lổ ren để cấy gu long, lổ nước làm mát.
- Mặt có các cửa để lắp và điều chỉnh xupap, cửa thông với ống hút, ống xả, các đường dầu bôi trơn
- Mặt trước có lổ thông với bơm nước.
- Mặt đáy có các gối đỡ trục khuỷu xung quanh có lổ để bắt với đáy dầu (cacte). Trong có khoan rỗng chứa nước làm mát và các gân gia cường.
d) Vật liệu chế tạo:
- Loại đúc bằng hợp kim nhôm: Dùng trên các động cơ ô tô do có khối lượng nhẹ, khi đó các ống lót xylanh được chế tạo bằng gang hoặc thép hợp kim được gia công chính xác rồi ép vào các lổ ở thân máy tạo thành các xylanh.
- Loại đúc bằng gang: thân máy được chế tạo bằng gang xám hoặc gang hợp kim. Sau khi đúc xong thân máy có các lổ xylanh, các xylanh được gia công bằng phương pháp mài, doa…để đạt độ chính xác về kích thước và độ bóng.
2.2.1.2 Xylanh: a) Công dụng:
Xylanh cùng với piston, nắp máy tạo thành buồng đốt của động cơ. Đồng thời là một chi tiết dùng để dẫn hướng sự chuyển động tịnh tiến qua lại của nhóm piston và bạc séc măng trong cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền.
Hình 2.5: Xylanh b) Phân loại:
Có hai loại kiểu xylanh:
- Loại đúc liền với thân máy: Loại này có ưu điểm truyền nhiệt tốt, độ cứng cao. Tuy nhiên nó có nhược là giá thành cao, khó khăn trong việc sửa chữa, khi xylanh hết cốt sửa chữa phải thay thế cả thân động cơ.
- Loại xylanh đúc rời: Dùng ống lót xylanh hay sơ mi xylanh, có hai kiểu là ống lót xylanh khô (hình 2.5a) và ống lót xylanh ướt (hình 2.5b).
c) Cấu tạo:
- Xylanh là chi tiết có hình ống, mặt bên trong của xylanh được gia công bằng công nghệ doa và đánh bóng rất chính xác. Hình dáng của xylanh vừa có độ côn và độ ô van.
- Phần lớn các động cơ, xylanh được cấu tạo thành ống rời rồi ép vào lỗ đặt xylanh trong thân động cơ. Ở một số động cơ công suất nhỏ không có ống xylanh riêng mà nó được chế tạo liền với thân động cơ và mặt bên trong cũng được gia công chính xác, nhẵn bóng gọi là xylanh đúc liền.
2.2.1.3 Cacte dầu:
Hình 2.6: Cacte dầu a) Công dụng
Cacte dầu dùng để chứa dầu bôi trơn, bảo vệ phần dưới của thân máy, cacte dầu có bulong xả dầu đề thay thế dầu bôi trơn cho động cơ.
b) Cấu tạo:
Cacte được lắp với thân máy bằng bulong, giữa chúng có đệm lót để tạo độ kín cho dầu bôi trơn.
Cacte dầu có bulong xả dầu được đặt tại vị trí thấp nhất và có gắn nam châm để hút các kim loại vụn.
Hai bên của cacte dầu được chế tạo cao hơn chính giữa. c) Phân loại:
- Cacte dầu đúc liền với thân máy.
- Cacte dầu đúc rời rồi ghép lại với thân máy bằng bulong. d) Vật liệu chế tạo:
2.2.1.4 Piston.
Hình 2.7: Piston
1- Rãnh bạc lửa; 2- Rãnh bạc hơi; 3- Rãnh bạc nhớt; 4- Chốt piston; 5- Phe chặn chốt piston; 6- Lỗ ác piston.
a) Công dụng:
Piston cùng với các chi tiết khác như xylanh, nắp máy bao kín tạo thành buồng cháy, đồng thời truyền lực của khí thể cho thanh truyền cũng như nhận lục từ thanh truyề để nén khí. Ngoài ra, ở một số động cơ 2 kỳ, piston còn có nhiệm vụ đóng mở các cửa nạp và thải của cơ cấu phân phối khí.
b) Điều kiện làm việc:
Điều kiện làm việc của piston rất khắc nghiệt, cụ thể là:
- Tải trọng cơ học lớn và có chu kỳ: Áp suất lớn, Lực quán tính lớn, đặc biệt là ở động cơ cao tốc.
- Tải trọng nhiệt cao: Do tiếp xúc trực tiếp với khí cháy có nhiệt độ cao nên piston có thể bị giảm sức bền, bó kẹt, nứt, làm giảm hệ số nạp, gây kích nổ… - Ma sát lớn và ăn mòn hóa học: Do có lực ngang nên giữa piston và xylanh có ma sát lớn. Điều kiện bôi trơn không đảm bảo, mặc khác do tiếp xúc với sản vật cháy có các chất ăn mòn hóa học nên piston còn chịu ăn mòn hóa học.
c) Cấu tạo:
Cấu tạo của piston được chia làm 3 phần: Phần đỉnh, phần đầu và phần thân. - Phần đỉnh: Tiếp xúc trực tiếp với áp suất và nhiệt độ cao của hỗn hợp đốt.
Đỉnh piston tùy thuộc vào loại động cơ có cấu tạo khác nhau. Ở động cơ Diesel có các dạng đỉnh piston như: Đỉnh phẳng, đỉnh lõm, đỉnh chưa buồn cháy,…
- Phần đầu:
+ Được tính từ đỉnh piston đến vòng găng cuối cùng nằm trên các lỗ ắc, phần này có các rãnh lắp vòng găng tùy thuộc vào loại động cơ số rãnh nhiều hay ít khác nhau, đây là phần làm việc chủ yếu, nó luôn luôn chịu lực pháp tuyến.
+ Vì piston bị đốt nóng không đều nên đường kính phần đầu thường lớn hơn đường kính thân nên piston được chế tạo hơi côn và ô van. Kết cấu đầu piston phải đảm bảo bao kín tốt cho buồng cháy, tản nhiệt tốt, sức bền cao.
- Phần thân:
+ Là phần dẫn hướng của piston được tính từ vòng găng cuối cùng nằm trên lỗ ắc cho đến mặt mút đáy piston.
+ Để tăng cường độ cứng và chịu nhiệt tốt, ở mặt trong của piston có đúc các đường gân nổi còn ở phần dưới có vành. Để đảm bảo lắp ghép giữa piston và xy lanh được chính xác người ta sử dụng các ký hiệu và chữ số để đánh dấu trên mặt đỉnh của piston.
d) Vật liệu chế tạo:
- Gang: Thường dùng gang xám, gang dẻo, gang cầu…. gang có sức bền nhiệt và độ bền cơ học khá cao, hệ số giãn nở dài nhỏ nên khó bị bó kẹt, dễ chế tạo và giá rẻ.
- Thép: Thép có sức bền cao nên piston nhẹ. Tuy nhiên khó chế tạo nên ít được sử dụng.
- Hợp kim nhôm: Có nhiều ưu điểm như nhẹ, hệ số dẫn nhiệt lớn, hệ số ma sát với gang nhỏ, dễ chế tạo nên được sử dụng rất phổ biến hiện nay.
2.2.1.5 Bạc xec măng.
a) Công dụng:
Bạc xec măng làm nhiệm vụ bao kín buồng cháy tránh lọt khí xuống cacte, đưa dầu bôi trơn thành xylanh, ngăn dầu bôi trơn lại không cho sục lên buồng cháy.
b) Điều kiện làm việc:
Bạc xec măng chịu tải trọng cơ học lớn, chịu lực quán tính lớn, có chu kỳ và va đập. Đồng thời, bạc xec măng còn chịu nhiệt độ cao, ma sát lớn, ăn mòn hóa học và ứng suất uốn lớn ban đầu khi lắp xec măng vào rãnh của piston.
c) Vật liệu chế tạo:
Bạc xec măng thường được chế tạo bằng gang xám có pha hợp kim. Bạc xec măng lửa được mạ Crôm để chịu được nhiệt độ cao và điều kiện làm việc khắc nghiệt nhằm tăng tuổi thọ trong thời gian sử dụng.
d) Cấu tạo:
- Bạc xecmăng có kết cấu đơn gian là một vòng hở miệng được đặc trưng bằng kết cấu của tiết diện và miệng xéc măng.
- Bạc xéc măng có nhiều loại tiết diện như tiết diện chữ nhật, tiết diện côn, tiết diện hình thang,… Loại tiết diện chữ nhật có kết cấu đơn giản nhất về chế tạo nhưng có áp suất riêng không lớn, thời gian rà khít với xylanh lâu. Loại tiết diện mặt côn có áp suất tiếp xúc lớn và thời gian ra khít với xylanh nhanh chóng. Loại hình thang – vát có tác dụng giũ muội than khi xéc măng co bóp khi đường kính xylanh không đồng đều theo phương dọc trục.
- Về kết cấu miệng có loại thẳng dễ chế tạo nhưng dễ lọt khí và sục dầu qua miệng, loại vát có ưu điểm hơn loại thẳng, loại bậc bao kín rất tốt nhưng khó chế tạo.
- Xéc măng dầu có rãnh thoát dầu, tiết diện dạng lưỡi cạo đễ gạt dầu theo các lỗ khoang trên piston rơi xuống cacte dầu.
2.2.1.6 Chốt piston a) Công dụng:
Chốt piston là chi tiết nối giữa piston và thanh truyền. Tuy có kết cấu đơn gian nhưng chốt piston có vai trò rất quan trọng để bảo đảm điều kiện làm việc bình thường của động cơ.
b) Điều kiện làm việc
Chốt piston chịu va đập tuần hoàn, nhiệt độ cao và điều kiện bôi trơn khó khăn
c) Vật liệu chế tạo
- Chốt piston được chế tạo từ thép ít cacbon và thép hợp kim có các thành phần hợp kim như Crom, măng gan với thành phần cacbon thấp.
- Vật liệu chế tạo của chốt piston phải có độ cứng bề mặt cao, sức bền cao và được mài bóng.
d) Cấu tạo
Chốt piston có kết cấu đơn giản như dạng trụ. Bề mặt chốt piston được mài nhẵn bóng để giảm ma sát khi làm việc.
2.2.1.7 Thanh Truyền a) Công dụng
Thanh truyền dùng để nối piston đến trục khuỷu và biến chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu.
b) Điều kiện làm việc
Thanh truyền chịu lực khí thải lực quán tính của nhóm piston, chịu va đập mạnh. Chịu các tải trọng nén và kéo vào các kỳ của động cơ.
c) Vật liệu chế tạo
Thanh truyền được chế tạo bằng thép hợp kim như crom, mănggan, thép ít cacbon hoặc thép cacbon trung b́nh (C30, C35, C40, C45,…)
Hình 2.9: Thanh truyền
1- Đầu nhỏ thanh truyền; 2- Bạc lót đầu nhỏ; 3- Thân thanh truyền; 4,6- Đầu to thanh truyền; 5- Bạc lót đầu to; 7- Đai ốc; 8- Bulong
d) Cấu tạo
Thanh truyền được chia thành 3 phần: Đầu nhỏ, đầu to và thân thanh truyền. - Đầu nhỏ: Được nối với chốt piston, bề dày và đường kính của đầu nhỏ thanh
nhỏ thanh truyền từ 2 đến 3mm để bù vào những sự thay đổi độ dài trong khi chế tạo.
- Thân thanh truyền: Tiết diện thân thanh truyền thay đổi từ nhỏ đến lớn kể từ đầu nhỏ đến đầu to thanh truyền. Thân thanh truyền có các tiết diện như tiết diện tròn, tiết diện chữ I, tiết diện chữ nhật – ovan. Tiết diện chữ I được sử dụng phổ biến do giảm được trọng lượng, giảm tình trạng bị gãy, cong. - Đầu to: Được chia thành phần trên gắn liền với thân thanh truyền và phần
dưới rời lắp với cổ trục khuỷu và được bắt vào nhau bằng 2 bulong. Đầu to yêu cầu phải có độ cứng thật lớn để bảo vệ các gối đỡ và các chi tiết nối giữa đầu to và thanh truyền được chế tạo có độ bền cao.
Bulong thanh truyền: là chi tiết ghép nối hai nữa đầu to thanh truyền có kết cầu đơn giản nhưng rất quan trọng nên được quan tâm khi thiết kế và chế tạo. Khi làm việc bulong thanh truyền chịu các lực như lực xiết ban đầu, lực quán tính,… Bulong thanh truyền thường được chế tạo bằng thép hợp kim có các thành phần crom, manggan, niken.
2.2.1.8 Bạc lót
a) Công dụng
Dùng để tạo thành 1 màng dầu trên bề mặt của đầu thanh truyền, cổ trục khuỷu và chốt piston để tránh bị kẹt và giảm tổn hao ma sát tới mức thấp nhất
b) Điều kiện làm việc
Bạc lót làm việc trong điều kiện ma sát cao, chịu sự va đập mạnh. c) Vật liệu chế tạo
Bạc lót thường được tráng các loại loại hợp kim như: hợp kim Bacbit (bac bit nền ch́ì và nền thiết), hợp kim đồng chì, hợp kim nhôm, hợp kim gốm.
d) Cấu tạo
- Bạc lót gồm bột bạc bằng thép và lớp hợp kim chịu mòn tráng trên bề mặt bạc.
- Bạc lót có độ nhô đảm bảo sự tiếp xúc giữa mặt lưng và thân gối đỡ, ngăn ngừa bạc khỏi xoay theo với trục.
- Bạc lót thường làm dễ hơn ở phần đế và được vát côn về phía hai đầu để đảm bảo sự lắp ghép tốt hơn, làm tăng lượng dầu lưu thông, ngăn ngừa hiện tiệng va đập và tiếng kêu va đập của gối đỡ.
- Bạc lót còn có độ găng làm cho bạc tiếp xúc tốt với thân khi lắp và ngăn ngừa bạc khỏi bị cong bên trong vì độ nhô bị ép trong khi lắp.
2.2.1.9 Trục khuỷu
Hình 2.11: Trục khuỷu
1- Mặt bích; 2- Cổ chính trục khuỷu; 3- Đối trọng; 4- Má khuỷu; 5- Lổ dẫn dầu bôi trơn; 6- Cổ biên;
a) Công dụng
Trục khuỷu dùng để biến chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay, nhận năng lượng của bánh đà. Sau đó truyền cho thanh truyền và piston thực hiện quá trình nén cũng như trao đổi khí trong xylanh.
b) Điều kiện làm việc
- Trục khuỷu chịu những tải trọng va đập lớn và rung động phức tạp, lực khí thể và lực quán tính của nhóm piston – thanh truyền gây ra.
- Trục khuỷu còn chịu lực quán tính ly tâm của các khối lượng quay lệch tâm của bản thân trục khuỷu và thanh truyền.
- Chịu momen uốn, xoắn, dao động xoắn và dao động ngang của trục khuỷu trên các ổ đỡ.
c) Vật liệu chế tạo
Trục khuỷu thường được chế tạo bằng thép cacbon chứa khoảng 0,5% Cacbon. Ngoài ra còn sử dụng thép Crom, thép Crom Niken,… Nhưng rất ít được phổ biến.
d) Cấu tạo
- Kết cấu của trục khuỷu phụ thuộc vào loại trục khuỷu như loại trục khuỷu ghép, loại trục khuỷu nguyên,…
- Trục khuỷu được chia làm các thành phần như:
+ Đầu trục khuỷu: Thường có then để lắp buli dẫn động hệ thống làm mát, lắp bánh răng trục khuỷu để dẫn động trục cam và bơm cao áp.
+ Cổ biên: Là vị trí để lắp đầu lớn thanh truyền. Tùy thuộc vào số xylanh động cơ nên cổ biên được bố trí lệch nhau một góc khác nhau, cổ biên được khoan các lỗ để lưu thông dầu bôi trơn giảm ma sát tránh hao mòn bạc lót và đầu lớn thanh truyền cũng như cổ biên.
+ Cổ chính: Được gia công và xử lý bề mặt đạt độ cứng và độ bóng cao. Cổ chính có đường kính lớn hơn cổ biên, được khoan lỗ để dẫn dầu bôi trơn đến các cổ và chốt khác của trục khuỷu.
+ Mà khuỷu: Có dạng hình chữ nhật và dạng tròn được gia công dễ dàng. Ngoài ra, có dạng má khuỷu ovan có sức bền đều hơn, khó gia công.
+ Đối trọng: Là một khối lượng được gắn trên trục khuỷu nhằm tạo ra lực quán tính ly tâm để cân bằng lực quán tính ly tâm của trục khuỷu và cân bằng một phần lực quán tính tịnh tiến.
+ Đuôi trục khuỷu: Có mặt bích để lắp bánh đà và lắp các đĩa chắn dầu, lắp bánh răng dẫn động các cơ cấu phụ như bơm cao áp, bơm dầu,…