Crankshaft – Trục khuỷu động cơ đốt trong piston

Trục khuỷu là một bộ phận cơ khí được sử dụng trong động cơ đốt trong dạng pít-tông để chuyển đổi chuyển động tịnh tiến thành chuyển động quay. Trục khuỷu là một trục quay có chứa một hoặc nhiều chốt khuỷu, được dẫn động bởi các pít-tông thông qua các thanh truyền. Các chốt khuỷu còn được gọi là ổ trục thanh truyền và chúng quay trong “đầu lớn” của thanh truyền.

Hầu hết các trục khuỷu hiện đại được đặt trong khối động cơ. Chúng được làm từ thép hoặc gang, sử dụng quy trình rèn, đúc hoặc gia công.

Thiết kế

Trục khuỷu nằm trong khối động cơ, được giữ cố định thông qua các ổ trục chính cho phép trục khuỷu quay trong khối động cơ. Chuyển động lên xuống của mỗi piston được truyền đến trục khuỷu thông qua các thanh truyền. Một bánh đà thường được gắn vào một đầu của trục khuỷu, để truyền lực trơn tru và giảm rung động.

Trục khuỷu phải chịu ứng suất rất lớn, trong một số trường hợp hơn 8,6 tấn (19.000 pound) trên mỗi xi lanh. Trục khuỷu của động cơ một xi lanh thường được thiết kế đơn giản hơn so với động cơ nhiều xi lanh.

Cấu tạo trục khuỷu

1. Đầu trục khuỷu

Đầu trục khuỷu thường được lắp vấu để khởi động hoặc để quay (đối với động cơ cũ, khởi động quay tay), puly dẫn động quạt gió, bơm nước, máy phát, các bánh răng dẫn động trục cam,…. Đầu trục khuỷu có thể được lắp thêm bộ giảm chấn xoắn.

2. Má khuỷu – đối trọng

Má khuỷu là bộ phận nối liền cổ trục và cổ chốt. Đa số má khuy có dạng elip để phân bố ứng dụng hợp lý nhất. Một phần má khuỷu gắn với chốt khuỷu, một phần là đối trọng có tác dụng cân bằng khi quay.

3. Cổ trục khuỷu

Cổ trục khuỷu là phần đỡ trục khuỷu, gắn lên các ổ đỡ trên khối động cơ. Các cổ trục có cùng một đường kính. Nó thường được làm rỗng để chứa dầu bôi trơn, các bánh răng dẫn động trục cam,…. Cổ trục khuỷu được gia công chính xác, có độ bóng cao, nhiệt luyện hoặc mạ crom để đạt độ cứng cao. Cổ trục có thể được lắp thêm bộ giảm chấn xoắn.

4. Chốt khuỷu

Là bộ phận để lắp với đầu to thanh truyền, được gia công chính xác có độ bóng cao và được nhiệt luyện để nâng cao độ cứng như cổ trục. – Số chốt khuỷu bằng số xi lanh động cơ (động cơ một hàng xi lanh). Đường kính chốt khuỷu thường nhỏ hơn đường kính cổ trục, nhưng cũng có những động cơ cao tốc, do lực quán tính lớn nên đường kính chốt khuỷu có thể làm bằng đường kính cổ trục để tăng độ cứng vững. Cũng như cổ trục, chốt khuỷu có thể làm rỗng để giảm trọng lượng trục khuỷu và chứa dầu bôi trơn, đồng thời các khoang trống còn có tác dụng lọc dầu bôi trơn.

5. Đuôi trục khuỷu

Đuôi trục khuỷu chính là nơi để động cơ truyền công suất ra ngoài. Đuôi trục khuỷu có mặt bích hoặc gắn mặt mích để lắp đặt bánh đà.

6. Lỗi khoan dầu

Trên cổ trục chính, chốt khuỷu và má khuỷu được khoan các lỗ để dẫn dầu bôi trơn ổ trục và chốt khuỷu.

Ổ đỡ trục khuỷu

Trục khuỷu có thể quay trong khối động cơ nhờ các ‘ổ trục chính’. Vì trục khuỷu chịu lực xoắn và lực ngang lớn từ mỗi xi lanh nên các ổ trục chính này được đặt ở nhiều điểm khác nhau dọc theo trục khuỷu, thay vì chỉ một ở mỗi đầu. Số lượng ổ trục chính được xác định dựa trên hệ số tải tổng thể và tốc độ động cơ tối đa. Trục khuỷu trong động cơ diesel thường sử dụng ổ trục chính giữa mỗi xi lanh và ở cả hai đầu của trục khuỷu, do lực đốt cháy cao.

Sự uốn cong của trục khuỷu là một yếu tố khiến động cơ V8 thay thế động cơ tám xi-lanh thẳng hàng vào những năm 1950; các trục khuỷu dài của loại sau phải chịu một lực uốn cong rất lớn khi các nhà thiết kế động cơ bắt đầu sử dụng tỷ số nén cao hơn và tốc độ động cơ (RPM) cao hơn.

Hành trình Piston

Khoảng cách giữa đường tâm của các chốt khuỷu và đường tâm của cổ trục khuỷu xác định chiều dài hành trình của động cơ.

Cấu hình phẳng chéo (Cross-plane) và cấu hình Phẳng (Flat-plane)

Khi thiết kế một động cơ, cấu hình trục khuỷu có liên quan chặt chẽ đến thứ tự đánh lửa của động cơ.

Hầu hết các động cơ V8 sản xuất (chẳng hạn như động cơ Ford Modular và động cơ General Motors LS) đều sử dụng trục khuỷu phẳng chéo (Cross-plane) nhờ đó các khuỷu được đặt cách nhau 90°. Tuy nhiên, một số động cơ V8 hiệu suất cao (chẳng hạn như Ferrari 488) thay vào đó sử dụng trục khuỷu phẳng (Flat-plane), theo đó các chốt khuỷu được đặt cách nhau 180°, về cơ bản dẫn đến hai động cơ bốn xilanh thẳng hàng chia sẻ một hộp trục khuỷu chung. Động cơ phẳng (Flat-plane) thường có thể hoạt động ở tốc độ RPM cao hơn, tuy nhiên chúng có dao động bậc hai cao hơn nên phù hợp hơn với động cơ xe đua.

Cân bằng động cơ

Đối với một số động cơ, cần phải cung cấp đối trọng cho khối lượng tịnh tiến của pít-tông, thanh truyền và trục khuỷu để cải thiện độ cân bằng của động cơ. Những đối trọng này thường được đúc như một phần của trục khuỷu nhưng đôi khi là các bộ phận riêng lẻ và được bắt vít.

Flying arms

Trong một số động cơ, trục khuỷu chứa các liên kết trực tiếp giữa các chốt khuỷu liền kề mà không có ổ trục chính trung gian thông thường. Các liên kết này được gọi là flying arm. Sự sắp xếp này đôi khi được sử dụng trong động cơ V6 và V8, để duy trì khoảng thời gian nổ đồng đều khi sử dụng các góc V khác nhau và để giảm số lượng ổ trục chính cần thiết. Nhược điểm của flying arm là độ cứng của trục khuỷu bị giảm, điều này có thể gây ra sự cố ở tốc độ RPM cao hoặc công suất đầu ra cao.

Trục khuỷu quay ngược chiều

Trong hầu hết các động cơ, mỗi thanh truyền được gắn một trục khuỷu duy nhất, điều này dẫn đến góc của thanh truyền thay đổi khi pít-tông di chuyển qua hành trình của nó. Sự thay đổi góc này đẩy các pít-tông vào thành xi-lanh, gây ra ma sát giữa pít-tông và thành xi-lanh. Để ngăn chặn điều này, một số động cơ đời đầu – chẳng hạn như động cơ đôi phẳng 1900-1904 của Lanchester Engine Company – đã kết nối mỗi pít-tông với hai trục khuỷu đang quay ngược chiều nhau. Sự sắp xếp này loại bỏ các lực bên và giảm yêu cầu đối trọng. Thiết kế này hiếm khi được sử dụng, tuy nhiên, nguyên tắc tương tự áp dụng cho trục cân bằng, đôi khi được sử dụng.

Phương pháp chế tạo trục khuỷu

Trục khuỷu rèn

Trục khuỷu có thể được tạo ra từ thanh thép bằng phương pháp rèn cuộn. Ngày nay, các nhà sản xuất có xu hướng ưu tiên sử dụng trục khuỷu rèn do trọng lượng nhẹ hơn, kích thước nhỏ gọn hơn và khả năng giảm chấn tốt hơn. Với trục khuỷu rèn, thép hợp kim vi mô vanadi chủ yếu được sử dụng vì những loại thép này có thể được làm mát bằng không khí sau khi đạt được cường độ cao mà không cần xử lý nhiệt bổ sung, ngoại trừ việc làm cứng bề mặt của bề mặt ổ trục. Hàm lượng hợp kim thấp cũng làm cho vật liệu rẻ hơn so với thép hợp kim cao. Thép carbon cũng yêu cầu xử lý nhiệt bổ sung để đạt được các đặc tính mong muốn.

Trục khuỷu đúc

Một phương pháp xây dựng khác là đúc trục khuỷu. Trục khuỷu đúc bằng gang ngày nay chủ yếu được tìm thấy trong các động cơ sản xuất rẻ hơn, nơi tải trọng thấp hơn.

Trục khuỷu gia công

Trục khuỷu cũng có thể được gia công từ phôi thép, thường là một thanh thép nấu chảy chân không chất lượng cao. Mặc dù dòng sợi (tính không đồng nhất cục bộ của thành phần hóa học của vật liệu được tạo ra trong quá trình đúc) không tuân theo hình dạng của trục khuỷu (không mong muốn), nhưng đây thường không phải là vấn đề vì có thể sử dụng thép chất lượng cao hơn, thường khó rèn. Trên mỗi đơn vị, những trục khuỷu này có xu hướng rất đắt do lượng lớn vật liệu phải được loại bỏ bằng máy tiện và máy phay, chi phí vật liệu cao và cần phải xử lý nhiệt bổ sung. Tuy nhiên, vì không cần dụng cụ đắt tiền nên phương pháp sản xuất này cho phép quy trình sản xuất nhỏ diễn ra mà không có chi phí ban đầu cao.