Mục tiêu của bài:
Học xong bài này, học viên có khả năng:
- Trình bày được nhiệm vụ, cấu tạo, hiện tượng, nguyên nhân hư hỏng, phương pháp kiểm tra, sửa chữa trục khuỷu.
- Kiểm tra, bảo dưỡng được trục khuỷu đúng phương pháp, đạt tiêu chuẩn kỹ thuật do nhà chế tạo quy định và đảm bảo an toàn.
Nội dung của bài: Thời gian: 19 h (LT: 4; TH: 15 h)
1. Trục khuỷu
Trục khuỷu là một trong những chi tiết máy quan trọng nhất, cường độ làm việc lớn nhất và giá thành cao nhất của động cơ đốt trong.
Khối lượng của trục khuỷu thường chiếm từ 7 ÷ 15 khối lượng của động cơ. Giá thành của trục khuỷu thường chiếm khoảng 25÷ 30% giá thành toàn bộ động cơ.
1.1. Nhiệm vụ
Khi động cơ làm việc, trục khuỷu có nhiệm vụ, tiếp nhận lực của lực piston do thanh truyền chuyển tới và biến đổi lực ấy thành momen xoắn, truyền đến các cơ cấu truyền động, ngoài ra trục khuỷu còn dẫn động các cơ cấu còn laị và một vài thiết bị phụ như: bơm cao áp, quạt gió,…
Điều kiện làm việc
Trong quá trình làm việc trục khuỷu chịu tác dụng của lực khí thể, lực khối lượng của chuyển động thẳng (Pj) khối lượng chuyển động quay (Pk). Các lực trên thay đổi theo chu kỳ và gây ra ứng suất uốn, xoắn trên trục khuỷu làm cho các cổ trục khuỷu bị mài mòn.
Ngoài ra trong quá trình làm việc trục khuỷu chịu va đập và rung xóc mạnh làm cho động cơ bị mất thăng bằng.
Để đảm bảo tính năng làm việc tốt và tuổi thọ của trục khuỷu phải đảm bảo các yêu cầu sau:
- Độ bền độ cứng vững cao nhưng trong lượng nhỏ và ít mòn.
- Có độ chính xác gia công cao, cổ trục mài bóng và có độ cứng cao. - Không xảy ra hiện tượng dao động cộng hưởng ở tốc độ sử dụng. - Kết cấu trục khuỷu phải đảm bảo tính cân bằng đồng thời dễ chế tạo
Vật liệu chế tạo
Vật liệu chế tạo tục khuỷu hiện nay là thép cacbon thành phần cacbon trung bình như các loại thép 40 ÷ 45. Trong các động cơ tốc độ cao hoặc phụ tải lớn, trục khuỷu thường dùng thép kim loại bằng mănggan hoặc théo hợp kim niken – crôm. Loại thép cacbon được dùng phổ biến nhất vì nó có các ưu điểm sau:
- Hệ số ma sát của thép cacbon lớn hơn của thép hợp kim, vì vậy nó có khả năng giảm dao động xoắn vì vậy biên độ dao động xoắn nhỏ hơn và làm cho ứng suất nhỏ.
- Thép cacbon rẻ tiền hơn thép hợp kim nên giá thành của trục khuỷu dùng thép cacbon cũng thấp hơn
1.2. Cấu tạo
Hình dạng kết cấu trục khuỷu phụ thuộc vào số xylanh, cách bố trí xylanh. Dựa vào kết cấu, trục khuỷu có 2 loại, trục khuỷu nguyên và trục khuỷu ghép
Trục khuỷu nguyên
Trục khuỷu nguyên là trục khuỷu có các bộ phận cổ trục, má khuỷu, chốt khuỷu.. Làm liền với nhau thành một khối. Loại này thường dùng trong các loại động cơ cỡ nhỏ và trung bình.
Trục khuỷu ghép
Loại trục khuỷu thường chế tạo riêng từng bộ phận: cổ trục, chốt khuỷu, má khuỷu,… ghép lại với nhau hoặc làm cổ trục riêng rồi ghép với trục khuỷu. Trục khuỷu trong một vài động cơ lớn,
đôi khi được chế tạo thành từng đoạn (mỗi đoạn gồm một vài trục khuỷu) rồi lắp nối lại với nhau bằng mặt bích.
Trục khuỷu bao gồm các phần: Đầu trục khuỷu, cổ trục khuỷu, chốt khuỷu, má khuỷu, đối trọng và đuôi trục khuỷu 1.2.1. Đầu trục khuỷu
Đầu trục khuỷu thường dùng để lắp bánh răng dẫn động bơm nước, bơm dầu bôi trơn, bơm cao áp, bánh đai dẫn động quạt gió và đai ốc khởi động để khởi động. Các bánh răng chủ động hoặc bánh đai dẫn động lắp trên đầu trục khuỷu theo lắp căng hoặc lắp trung gian và đều có then bán nguyệt.
Ngoài các bộ phận thường gặp kể trên, trong một số động cơ, người ta có lắp bộ giảm dao động xoắn của hệ trục khuỷu ở đầu trục khuỷu
Tác dụng thiết bị dập tắt dao động xoắn là khi trục khuỷu quay, ở phần đầu thường xuất hiện lực xoắn biến thiên. Dao động xoắn làm giảm công suất của động cơ, làm hao mòn cặp bánh răng phân phối và đôi khi có thể làm gẫy trục khuỷu. Khi xuất hiện các dao động xoắn thì vô lăng của thiết bị dập dao động xoắn quay đều và đầu trục sẽ trượt đối với vô – lăng, khi đó tác dụng của lực ma sát xuất hiện giữa vô – lăng và đĩa ma sát sẽ làm giảm biên độ dao động.
1.2.2. Cổ trục khuỷu
Cổ trục khuỷu nằm trên cùng đường tâm với đầu trục khuỷu. Các cổ trục khuỷu thường có cùng một kích thước và đường kính, đường kính cổ trục chọn theo kết quả của việc tính toán sức bền, điều kiện hình thành màng dầu bôi trơn và qui định về thời gian sử dụng động cơ.
Trong một vài động cơ, đường kính cổ trục làm lớn theo chiều từ đầu đến đuôi trục để đảm bảo sức bền và khả năng chiụ lực của cổ trục được đồng đều hơn. Tuy nhiên đường kính cổ trục khác nhau gây ra nhiều phiền phức khi sử dụng sửa chữa cũng như khi gia công lắp ráp, nên ngày nay không dùng nữa.
Kích thước của cổ trục khuỷu thường nằm trong phạm vi sau: - Động cơ xăng thường nằm trong phạm vi dct= (0,65÷0,80)D - Động cơ Diesel thường nằm trong phạm vi dct= (0,7÷0,85)D
Trong đó: D – là đường kính xylanh Dct – là đường kính ngoài cổ trục. 1.2.3. Chốt khuỷu
Trên hầu hết động cơ, đường kính chốt khuỷu bằng đường kính cổ trục.Tuy nhiên trên các động cơ có tốc độ cao đường kính chốt khuỷu có thể nhỏ hơn đường kính cổ trục một ít để giảm lực quán tính và chuyển động quay
Để giảm trong lượng, chốt khuỷu thường khoan rỗng (đôi khi cổ trục cũng được làm rỗng) để chứa dầu bôi trơn bạc lót đầu to thanh truyền. Lỗ rỗng trong chốt khuỷu có thể bố trí đồng tâm hay lệch tâm với chốt khuỷu. Giữa chốt khuỷu và lỗ trục khuỷu thường có đường dầu liên hệ thông qua má khuỷu.
1.2.4. Má khuỷu
Má khuỷu là bộ phận liên kết chốt khuỷu và cổ khuỷu. Hình dạng má khuỷu có nhiều dạng khác nhau, phụ thuộc chủ yếu vào loại động cơ, tốc độ động cơ. Các dạng má khuỷu thường thấy như hình chữ nhật, hình tròn, hình elip,…
Trong động cơ cao tốc, để giảm lực quán tính, giảm độ mài mòn của piston – xylanh tăng sức bền và độ cứng vững của trục khuỷu, người ta thường giảm tỷ số S/D
Trong đó: S – là hành trình của piston và D – là đường kính xylanh. 1.2.5. Đối trọng
Đối trọng lắp trên trục khuỷu có các tác dụng để cân bằng lực và các mômen quán tính không cân bằng của động cơ. Ngoài ra đối trọng còn có tác dụng tải cho các cổ trục, làm cho cổ trục không chịu ứng suất uốn do momen của lực quán tính tạo ra.
Đối trọng được tính toán bố trí trên trục khuỷu động cơ sao cho vừa bảo đảm cân bằng tốt vừa gọn, không ảnh hưởng đến kích thước của hộp trục khuỷu.
Đối trọng lắp với má khuỷu theo 3 cách
- Làm liền má khuỷu: thường dùng cho động cơ ôtô, động cơ xăng có công suất nhỏ (hình g)
- Đối trọng làm riêng sau đó hàn đối trọng vào má khuỷu: cách này dễ gây biến dạng má khuỷu nên ít dùng
- Đối trọng được làm riêng rồi lắp lên má khuỷu bằng bulông: cách này thường dùng nhất ( hình a,b,c,d,e,f)
1.2.6. Đuôi trục khuỷu
Đuôi trục khuỷu của động cơ thường lắp với các chi tiết để dẫn động công suất động cơ ra ngoài (bánh đà, khớp nối…). Đa số các động cơ, đuôi trục khuỷu thường có mặt bích hoặc mặt côn để lắp bánh đà. Trên các động cơ tàu thủy, đuôi trục khuỷu thường làm thành hình côn có độ côn nhỏ, trên mặt côn có rãnh then để định vị và lắp bánh đà
Trục khuỷu và trục thu công suất thường đồng tâm với nhau và được lắp với nhau bằng khớp nối mềm. Khi trục thu công suất lắp song song với trục khuỷu, phải dùng đai truyền và bánh đai lắp trên đuôi trục khuỷu để dẫn động.
Ngoài các phần kết cấu trên, phần đuôi trục khuỷu còn có các bộ phận đặc biệt như: bánh răng dẫn động cơ cấu phụ, vành chắn dầu, ren hồi dầu và ổ chắn để khống chế dịch chuyển theo chiều trục của trục khuỷu.
2. Hiện tượng, nguyên nhân hư hỏng, phương pháp kiểm tra sửa chữa trục khuỷu Trục khuỷu là một trong những chi tiết quan trọng trong động cơ, khi trục khuỷu bị mài mòn thường phải dùng những công nghệ phức tạp để sửa chữa. Nếu chú ý sử dụng động cơ đúng yêu cầu kỹ thuật và làm tốt công tác bảo dưỡng thường xuyên thì khi sửa chữa lớn có thể không phải sửa chữa trục khuỷu, như vậy có thể kéo dài của tuổi thọ sử dụng của động cơ mà còn hạ thấp được giá thành sửa chữa.
Trục khuỷu thường được chế tạo bằng thép 40, 45, 50, cổ trục khuỷu thường được tôi bằng dòng điện cao tần, độ cứng đạt đến HRC 55 – 60
2.1. Sự mài mòn và hư hỏng của trục khuỷu
Những hư hỏng và mài mòn thường gặp trong quá trình làm việc của trục khuỷu: cổ trục khuỷu bị mài mòn và nứt; trục bị cong hoặc xoắn; rãnh then, lỗ bulông trên mặt bích bám bánh đà bị hỏng; bề mặt cổ trục bị xước, gãy, đứt do mỏi gây nên.
2.1.1. Sự mài mòn của cổ trục
Khi động cơ làm việc, do áp lực của khí cháy trong xylanh làm cho mặt ngoài cổ trục thanh truyền bị mài mòn, khi trục khuỷu quay, lực li tâm do đầu to thanh truyền sinh ra làm cho thanh truyền có xu hướng rời khỏi cổ trục và thường xuyên ép vào bề mặt phía trong (phía gần đường tâm của trục khuỷu) của cổ trục thanh truyền. Do sự tác dụng lâu dài của lực li tâm. Mặt phía trong của cổ trục thanh truyền bị mài mòn thành hình côn
Cũng như trên, cổ trục chính thì mặt kề gần cổ trục thanh truyền bị mài mòn tương đối nhiều. Dầu bôi trơn ở trong đường dầu bôi trơn cổ trục dưới tác dụng của lực li tâm, làm cho những tạp chất cứng tập trung về một đầu của cổ trục, do đó cổ trục thanh truyền bị mài mòn thành hình côn
Qua nghiên cứu và thực tiễn chứng minh rằng cổ trục thanh truyền bị mài mòn nhanh hơn cổ trục chính, lượng mài mòn của nó thông thường gấp 2 lần lượng mài mòn của cổ trục chính. Sự mài mòn các cổ trục khuỷu chính của trục khuỷu có nhiều gối đỡ cũng không đều nhau, có một số động cơ cổ trục khuỷu chính gần bánh đà bị mòn nhanh hơn. Đối với trục khuỷu có 2 gối đỡ cổ trục khuỷu giữa thường bị mòn nhanh hơn. Do sự mài mòn của cổ trục khuỷu trong quá trình làm việc, nhất là sự mài mòn của cổ trục khuỷu thanh truyền ở phía gần cổ trục chính, bán kính quay của cổ trục khuỷu từ R tăng lên một lượng r do đó làm cho tỷ số nén của động cơ tăng lên. Ở động cơ xăng việc tăng tỷ số nén sẽ làm cho quá trình làm việc của động cơ kém đi, dễ sinh ra hiện tượng kích nổ, nhiệt độ tăng, các chi tiết của nhóm piston thanh truyền bị mài mòn rất nhanh chóng. Còn ở động cơ diesel do tỷ số nén của nó tương đối lớn nên ảnh hưởng lại càng nghiêm trọng. Đồng thời với sự mài mòn của cổ trục thì gối đỡ cũng bị mài mòn, khe hở lắp ghép giữa chúng tăng lên, dẫn đến điều kiện bôi trơn cũng dần kém đi. Khi khe hở đạt đến 1 trị số nhất định (ví dụ: 0,2 – 0,25mm) dầu bôi trơn ở trong khe hở gối đã rỉ ra rất nhiều, áp lực dầu ở trong hệ thống bôi trơn của động cơ sẽ hạ thấp rõ rệt. Nếu khe hở gối tương đối lớn mà sự mài mòn của cổ trục còn ở trong phạm vi cho phép thì chỉ tìm biệt pháp sửa chữa gối đỡ chứ không cần sửa chữa cổ trục.
2.1.2. Biến dạng cong và xoắn của trục khuỷu
Nguyên nhân gây ra sự biến dạng cong và xoắn của trục khuỷu như sau: Trong khi sử dụng khe hở gối đỡ quá lớn. Khi làm việc có va vấp
Trục khuỷu trong quá trình làm việc hoặc sửa chữa chịu mômen xoắn quá lớn; khi làm việc gối đỡ bị cháy làm cho trục khuỷu gây khó khăn; trong sửa chữa khi chạy rà gối đỡ chính, khe hở gối đỡ điều chỉnh quá nhỏ hoặc thứ tự vặn các gối đỡ chính không chính xác.
Những nguyên nhân khác như: áp lực tăng đột ngột (thí dụ: động cơ bị tăng ga đột ngột) điều có thể làm cho trục khuỷu chịu ứng suất quá lớn mà sinh ra biến dạng đột ngột
Quan hệ lẫn nhau và vị trí các chi tiết máy như trục khuỷu, bánh đà, nhóm piston thanh truyền không bình thường làm cho sự làm việc của động cơ không ổn định, trục khuỷu chịu lực không đều.
Thông thường khi trục khuỷu có hư hỏng ở bên trong hoặc ứng suất bên trong thì biến dạng cong sẽ lớn, trường hợp này nói chung khó điều chỉnh, cho nên khi xử lý cần phải đặc biệt chú ý. Trục khuỷu biến dạng xoắn thì điều chỉnh càng khó khăn, nếu không chịu chú ý thì trong quá trình điều chỉnh sẽ gây nên cong. Cho nên nếu mức độ xoắn không lớn, khi mài bóng cổ trục nên áp dụng phương pháp mài không đồng tâm và tìm cách hạn chế biến dạng xoắn đến mức thấp nhất.
Khi kiểm tra độ cong của trục khuỷu, dùng mũi nhọn (con tu) trên máy mài hoặc máy tiện chống vào đầu lỗ tâm ở 2 đầu trục khuỷu, hoặc gá trục khuỷu lên giá sắt hình chữ V đặt ở trên tấm phẳng đặt đồng hồ so lên cổ trục (chính giữa) dùng tay quay trục khuỷu vài vòng, lượng xê dịch của kim chỉ trên đồng hồ tương ứng với độ cong của trục khuỷu, nhưng do ảnh hưởng của độ ôvan của 2 cổ trục đặt trên chữ V, độ đảo cong đo được sẽ có sai số tương đối lớn. Cho nên trước khi đo độ cong cần kiểm tra độ đảo theo hướng kính của cổ trục lắp bánh răng trục khuỷu, mép mặt bích bắt bánh đà (thông thường 2 bộ phận này bị mài mòn không nhiều thậm chí không bị mài mòn). Độ đảo hướng kính đo được phản ánh độ ôvan ở 2 trục đặt trên giá chữ V, sau đó lấy độ đảo cong đo được trừ đi độ đảo hướng kính thì được độ đảo cong tương đối chính xác của trục khuỷu.
Nếu không đặt trục khuỷu lên giá chữ V mà dùng mũi nhọn của máy tiện hoặc máy mài để chống vào lỗ tâm ở 2 đầu trục khuỷu rồi dùng đồng hồ đo, thì trước hết phải kiểm tra lỗ tâm, vì nếu lỗ tâm bị hỏng thì sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác của trị số đo được.
Khi kiểm tra độ xoắn của trục trục khuỷu (cổ trục thanh truyền) quay cổ trục thanh truyền đến vị trí nằm ngang, hiệu số chiều cao ở vị trí nằm ngang của 2 cổ trục ở hai bên tương ứng là độ xoắn của cổ trục thanh truyền.
2.1.3. Sự rạn nứt của trục khuỷu
Vết nứt thường sinh ra ở van trục có nhiều nguyên nhân sinh ra vết nứt: bán kính góc lượn chuyển tiếp với van trục không thích đáng sẽ sinh ra ứng suất tập trung. Khe hở gối đỡ quá lớn sẽ sinh ra va đập do ứng suất thay đổi tạo ra khi trục khuỷu bị cong, nếu không kịp thời phát hiện vết nứt và tìm biện pháp khắc phục thì sẽ làm gãy trục khuỷu.
Những trục khủy có vết nứt theo chiều dọc ở trên lớp bề mặt cổ trục khuỷu nếu sau khi mài xong mà mất đi thì còn có thể tiếp tục sử dụng được. Vết nứt theo
chiều ngang khi làm việc do chịu tác dụng của ứng suất, sẽ dần dần lan rộng, khi phát hiện vết nứt này thì nên thay trục khuỷu khác.
2.2. Sửa chữa trục khuỷu
Quá trình công nghệ sửa chữa trục khuỷu. Trước hết nên hàn đắp sau đó nắn và