Giới thiệu cơ bản về thanh truyền

Nói Đầu " Thanh truyền" là một chi tiết không thể thiếu trong bất kỳ một động cơ đốt trong nào.Thanh truyền dùng để nối piston với trục khuỷu của động cơ và biến chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu. Cuốn chuyên đề này nhằm giới thiệu những kiến thức cơ bản về đặc điểm cấu tạo công dụng, đặc tính kỹ thuật…về thanh truyền. Thanh truyền là một chi tiết rất quan trọng trong động cơ đốt trong.Để hiểu rõ hơn về thanh truyền chung ta cùng đi tìm hiểu sâu hơn về công dụng và cấu tạo của thanh truyền. Phần I Thanh Truyền 1.Công dụng Trong động cơ đốt trong thanh truyền có tác dụng nối piston với trục khuỷu của động cơ và biến chuyển động tịnh tiến của piston thanh chuyển động quay của trục khuỷu. 2.Vật liệu chế tạo Thanh truyền được làm bằng thép cacbon tốt hoặc thép hợp kim.Thép cacbon thường dùng phổ biến trong các động cơ tốc độ thấp (tĩnh tại, tàu thủy) như thép C30; C35; C40; C45.Động cơ ôtô máy kéo có thể dung thép cacbon C40; c45 nhưng thương dung loại thép hợp kim 45Mn2; 40CrNi; 40MnMo…các loại động cơ hóa cao tốc (xe đua, xe du lịch) thương dung thép 8Cr2Ni4WA; 12CrNi3A; 38Cr2MoA1A; 18Cr2Ni4MoA 3.Kết cấu của thanh truyền -,Thanh truyền chia làm 3 phần: đầu nhỏ, thân, đầu to. 1, Đầu nhỏ 2, Bạc lót đầu nhỏ 3, Thân 4,6, Đầu to 5, Bạc lót đầu to 7, Bulông 8, Đai ốc a. Đầu nhỏ thanh truyền Đầu nhỏ thanh truyền lắp với chốt piston, bên trong có bạc đồng, phía trên có lỗ dầu bôi trơn cho bạc. Bạc đồng được ghép chặt vào đầu nhỏ thanh truyền. Kết cấu đầu nhỏ thanh truyền phụ thuộc vào kíck thước và phương pháp lắp ghép chốt piston lên thanh truyền. +,Khi chốt lắp tự do Đầu nhỏ thanh truyền có dạng hình trục rỗng. Đôi khi có dạng ôvan để tăng độ cứng vững. Động cơ xăng oto đầu nhỏ thường làm mỏng. Khi lắp chốt tự do, bôi trơn mặt chốt piston và bạc lót đầu nhỏ bằng đường dẫn dầu khoan dọc trong than thanh truyền. Trong động cơ hai kỳ đầu nhỏ luôn chịu lực nén, do đó dầu bôi trơn bề mặt chốt phải có áp suất cao và để giữ được dầu bôi trơn, phía trong bạc lót đầu nhỏ thường có các rãnh chéo. Động cơ oto máy kéo và các động cơ cỡ nhỏ, chốt piston được bội trơn theo kiểu vung té. Do đó, đầu nhỏ thanh truyền phải có lỗ hứng dầu hoặc rãnh hứng dầu. Trên một số động cơ hai kỳ cao tốc và cỡ nhỏ, để đơn giản cho hệ thống bội trơn, người ta không dùng bạc lót đầu nhỏ mà dùng ổ bi đũa. Trên các động cơ làm mát đỉnh piston bằng cách phun dầu nhờn vào mặt dưới của đỉnh piston , trên đầu nhỏ phải có lỗ phun dầu. Bạc lót đầu nhỏ thong thường là bạc đồng . Đôi khi là bạc thép có tráng lớp hợp kim chịu mòn, chiều dày bạc vào khoảng (0,080 ÷ 0,085)dc (dc là đường kính chốt piston). Khe hở hướng kính giữa bạc lót đầu nhỏ và chốt piston thường lấy bằng: D = (0,0004 ÷ 0,0015)dc +,Khi piston lắp cố định trên đầu nhỏ Kết cấu đầu nhỏ thanh truyền có dạng như hình vẽ, phụ thuộc vào cách cố định chốt piston. Loại động cơ tĩnh tại và tàu thủy, không có chốt piston, đầu nhỏ thanh truyền có dạng hình cầu. Kết cấu này làm giảm khả năng kẹt vướng piston khi thanh truyền bị cong hoặc bị xoắn nhưng kết cấu phức tạp, gia công khó khăn. b.Thân thanh truyền Thân thanh truyền được nối đầu nhỏ với đầu to, có tiết diện hình chữ I được ứng dụng rộng rãi trong các loại động cơ. Do tính hợp lý của việc sử dụng vật liệu nên trọng lượng thanh truyền nhỏ mà độ cứng vững lớn. Khoảng cách giữa hai tâm đầu vào và đầu to gọi là chiều dài ảo của thanh truyền l và phụ thuộc vào thông số kết cấu l . l = Đại đa số các loại động cơ ngày nay có l = 0.24 ÷ 0,30. Một số tiết diện ngang của thanh truyền Loại thân thanh truyền có tiết diện chữ nhật và ôva rất đơn giản trong chế tạo thường dùng cho động cơ moto, xe máy và các loại động cơ xăng cơ nhỏ. Trong thân thanh truyền có khoan lỗ dẫn dầu bôi trơn, đường kính lỗ dẫn dầu nằm trong khoảng 4 ÷ 8mm. Đường kính lỗ dẫn dầu phải bảo đảm cung cấp đẩy đủ lượng dầu bôi trơn và nhanh chóng đưa dầu lên bôi trơn khi khởi động. Vì vậy lỗ dẫn dầu không nên quá lớn hoặc quá bé. Để tăng độ cứng vững và dễ khoan lỗ dẫn dầu, người ta lam gân dọc suốt chiều dài thân thanh truyền. Khi không thể khoan được đường dần dầu nhất là đối với các loại thanh truyền dài hoặc công nghệ khó khăn, người ta gắn ống dẫn dầu bôi trơn ở phía ngoài thân để đưa dầu từ đầu to lên đầu nhỏ. Kích thước của thân thanh truyền lớn dần từ đầu nhỏ đến đầu to để phù hợp với quy luật phân bố lực quán tính lắc của thanh truyền, còn chiều dày b của thân thì đồng đều trên suốt chiều dài thân thanh truyền. c.Đầu to thanh truyền Đầu to thanh truyền nối với cổ trục khuỷu gồm hai nủa, nủa trên liền với thanh truyền, nửa dưới chế tạo rời, phía trong có bạc làm bằng thép rồi tráng một lớp hợp kim đồng, chì bạc gồm hai nửa. Mặt trong có bạc có phay rảnh để chứa dầu bôi trơn, giữa các nửa của đầu to thanh truyền ghép với nhau bằng bulong. Để chống xoay bạc mỗi nửa bạc có dập định vị khớp với rãnh đầu to thanh truyền.Kết cấu đầu to thanh truyền phải đảm bảo các yêu cầu sau đây: +, Có độ cứng vững lớn để bạc lót không bị biến dạng. +, Kích thước nhỏ gọn để lực quán tính nhỏ, giảm được tải trọng lên chốt khuỷu, ổ trục đồng thời cho phép giảm kích thước hộp trục khuỷu và tạo khả năng đặt trục cam gần trục khuỷu làm cho buồng cháy động cơ dùng cơ cấu xupap đặt nhỏ gọn hơn. +, Chỗ chuyển tiếp giữa thân và đầu to phải có góc lượn lớn để tăng độ cứng vững +, Dễ dàng trong việc lắp ghép cụm piston thanh truyền với trục khuỷu. Trong hầu hết các động cơ đầu to được phân làm hai nửa: nửa trên liền với thân và nửa dưới là nắp đầu to thanh truyền Trong động cơ tàu thủy hoặc tĩnh tại cỡ lớn, đầu to thanh truyền được làm rời với thân. Loại thanh truyền cắt thành hai nửa, khi lắp ghép cần định vị mối ghép. Có các phương pháp định vị sau: -,Dùng bulông thanh truyền để định vị. -,Dùng gờ hoặc răng cưa trên mặt lắp ghép để định vị. Trên động cơ chữ V và hình sao dùng thanh truyền phụ lắp lên thanh truyền chính, đầu to thanh truyền phụ là một khối nguyên. Trong động cơ nhỏ (moto, xuồng máy) đầu to cũng là một khối nguyên. Trong trương hợp này, không dùng bạc lót mà dùng ổ bi đũa. Để thanh truyền đút qua được xilanh khi lắp ghép. Người ta thường dùng các biện pháp sau đây: -,Dùng nhiều bulong (4 hoăc 6) để lắp ghép nắp đầu to thanh truyền. -,Cắt nghiêng đầu to thanh truyền dưới một góc bằng 30 ÷ 60º. Khi lắp ghép thanh truyền có đầu to cắt nghiêng phải lắp đúng chiều để giảm tải cho bulông. -,Làm thân và đầu to rời và dùng bulong để lắp ghép đầu to lên thân. -,Dùng chốt côn có độ côn rất nhỏ (1:75) để lắp ghép nắp đầu to theo kiểu bản lề. khuyết điểm của loại này là yêu cầu phải gia công chính xác cao. -,Rút ngắn khoảng cách giữa hai đường tâm lỗ bulong bằng cách khoan lõm vào cả bạc lót. Lúc này bulong thanh truyền có tác dụng định vị bạc lót. Để tránh hiện tượng tập trung ứng suất chỗ chuyển tiếp giữa thân với đầu to trên một số động cơ ngươi ta khoét rãnh A Trên lưng của nắp đầu to thường có gân để tăng độ cứng vững của nắp làm tránh biến dạng bạc lót. 4, Một số kết cấu điển hình của thanh truyền động cơ nhiều hàng xilanh Động cơ nhiều hàng xilanh cùng chung một trục khuỷu có hai loại động cơ chữ V và động cơ sao. Thanh truyền động cơ chữ V Phụ thuộc vào cách lắp ghép của thanh truyền của hai hàng xilanh, kết cấu của thanh truyền động cơ chữ V có ba loại: - Loại thanh truyền đồng dạng: Hai thanh truyền của hai hàng xilanh lắp kế tiếp trên một trục khuỷu có cấu tạo giống hệt nhau. - Loại thanh truyền trung tâm: hai thanh truyền chuyển động trong cùng một mặt phẳng. Do đó, có một thanh truyền có đầu to hình nặng và thanh truyền kia có đầu to mỏng lắp vào nạng đó - Thanh truyền chính và phụ: thanh truyền phụ lắp lên đầu to thanh truyền chính, còn thanh truyền chính lắp với trục khuỷu. b. Thanh truyền của đọng cơ sao Trong động cơ hình sao, thanh truyền của các xilanh cùng lắp chung trên một chốt khuỷu. Do vậy, chỉ có một kết cấu thanh truyền, đó là thanh truyền chính và nhiều thanh truyền phụ Bội trơn bạc lót đầu thanh truyền phụ cũng được thực hiện như trong động cơ chữ V nghĩa là dầu nhờn sau khi bôi trơn đầu to thanh truyền chính được dẫn đến bôi trơn đầu to thanh truyền phụ. Phần II Bạc Lót Đầu To Thanh Truyền 1, Vật liệu chịu mòn a.Yêu cầu đối với vật liệu chịu mòn - Có tính chống mòn tốt, có hệ thống ma sát nhỏ. - Có độ cứng thích đáng và độ dẻo cần thiết. - Ở nhiệt độ cao, sức bền ít giảm. - Dẫn nhiệt tốt. - Giữ được dầu bôi trơn. - Chóng rà khít với bề mặt trục. - Dễ đúc và dễ bám với vỏ thép. 2, Vật liệu chế tạo bạc lót Người ta chia vật liệu chịu mòn ra làm 3 nhóm: Nhóm kim loại: gồm có babít, đồng thanh-thiếc, đồng thanh-chì, hợp kim nhôm, hợp kim kẽm, gang chống mòn. Nhóm phi kim loại : gồm chất dẻo, gỗ ép. Nhóm kim loại gốm : gồm các bột kim loại ép như : sắt-graphít,đồng thanh- graphít v.v.. Ngày nay, hợp kim babít và hợp kim đồng chì thuộc nhóm kim loại được sử dụng phổ biến nhất. a. Hợp kim babít Do Ixắc Babít đề xuất năm 1839 được dùng rộng rãi trong động cơ đốt trong vì nó có các ưu điểm sau đây: Do tổ chức kim tương của hợp kim babít gồm những tinh thể cứng của Cu, hợp kim Cu3Sn của Sb, hợp chất SnSb phân bố trên nền mềm của thiếc nên nó có tính dẻo, chịu mòn và chịu mỏi tốt, đồng thời dễ ra khít với bề mặt trục. Hợp kim babít dễ đúc và dễ bám chắc trên vỏ thép. Độ cứng thích hợp (Hb= 25÷30). Tuy nhiên, hợp babít cũng có các nhược điểm sau: Giá thành đắt vì dùng nhiều thiếc Tính dẫn nhiệt kém nên với các động cơ có áp suất khí cháy lớn, hợp kim babít không dùng được. Áp suất cho phép của bề mặt đối với hợp kim babít chỉ đến 18MN/m². Ở nhiệt độ cao, độ cứng giảm khá nhiều ( ví dụ: khi nhiệt độ tăng từ 290ºK đến 373ºK, độ cứng giảm 60 ÷ 70%). Hợp kim babít được chia ra làm hai loại babít nền thiếc và babít nền chì. b. Hợp kim đồng chì Trong những động cơ có phụ tải lớn, áp suất bề mặt ổ trục cao, người ta thường dùng hợp kim đồng chì. Về mặt tổ chức kim tương, hợp kim đồng chì là một hỗn hợp cơ học của đồng và chì. Tất cả chì đứng riêng ra và đông đặc, sau cùng bao bọc các tinh thể đồng tiết ra trước tạo thành các phiến chì mềm phân bố theo dạng mạng trên nền đồng cứng. Hợp kim đồng chì có ưu điểm sau đây: Sức bền cơ học cso chịu được nhiệt độ cao (đến 480ºK). Độ cứng cao và ở nhiệt độ cao độ cứng giảm ít. Dẫn nhiệt tốt. Chịu được áp suất bề mặt lớn (≥35Mn/m²) Hợp kim đồng chì có các khuyết điểm: Do đồng và chì chênh lệch nhau xa về khối lượng riêng và nhiệt độ nóng chảy nên khi đúc hay bị thiên tích và để đạt được kết cấu chì ở dạng mạng thì phải khống chế tốc độ làm nguội, điều này rất khó khăn. Ngoài hai loại chính trên người ta cũng đã áp dụng một số loại hợp kim chịu mòn khác như: Hợp kim đồng phốt pho thiếc. Hợp kim đồng kẽm thiếc. Hợp kim nhôm. Hợp kim chì ăngtimoan thiếc. 3. Kết cấu bạc lót Hợp kim chịu mòn đúc trang lên đầu to thanh truyền có thể theo hai cách sau: Tráng trực tiếp hợp kim chịu mòn lên đầu to thanh truyền (không dùng bọc lót). Kết cấu này có ưu là lắp ghép đơn giản, truyền nhiệt tốt, có khả năng giả được kích thước và trong lương của đầu to, do đó có khẳ năng tăng được đường kính chốt khuỷu. Kiểu đúc tráng hợp kim chịu mòn này thường dùng trong động cơ cỡ nhỏ dùng trong công nghiệp. Tráng hợp kim chịu mòn lên bạc lót. Tùy theo chiều dày của lớp kim loại chịu mòn, bạc lót được chia làm hai loại: bạc lót dày và bạc lót mỏng. Bạc lót dày hay mỏng đều gồm có hai phần: gộp bạc thép và lớp kim loại chịu mòn. Bạc lót dày là loại bạc lót có chiều dày gộp bạc thép từ 3 ÷ 6mm, lớp hợp kim chịu mòn dày 1,5 ÷ 3mm. Bạc lót mỏng chiều dày gộp bạc 0,9 ÷ 3mm, lớp hợp kim chịu mòn dày 0,4 ÷ 0,7mm. Gộp bạc thép của hai loại được chế tạo bằng thép có thành phần cacbon thấp (0,05 ÷ 0,15%), chẳng hạn như thép 10 hoặc thép 15 để lớp hợp kim chịu mòn để bám chắc vào gộp bạc Phần III Bulông Thanh Truyền 1, Điều kiện làm việc và vật liệu chế tạo Trong khi động cơ làm việc, bulông thanh truyền chụi các lực sau: Lực xiết ban đầu khi lắp ghép. Lực quán tính của khối lượng vận động tịnh tiến và lực quán tính ly tâm của khối lượng vận động quay. Các lực trên thay đổi theo chu kỳ nên bulong thnah truyền chịu tải trọng động và sức bền mỏi. Vật liệu chế tạo bulong thanh truyền là thép hợp kim, còn thép cacbon chỉ dùng trong động cơ hai kỳ tốc độ chậm. Tùy theo loại động cơ mà người ta dùng các loại thép hợp kim khác nhau. 2, Kết cấu và các biện pháp nâng cao sức bền bulông thanh truyền a. Kết cấu của bulông thanh truyền Hình dạng kết cấu của bulông thanh truyền có rất nhiều kiểu, chủ yếu do cộng dụng của động cơ và các biện pháp nâng cao sức bền mỏi của bulông. Khi thiết kế và chế tạo bulông thanh truyền cần phải đảm bảo sao cho nó chỉ chịu lực kéo, tránh các lực cắt và uốn bulông. b. Tăng sức bền mỏi của bulông thanh truyền bằng các biện pháp sau - Ở những chỗ thay đổi kích thước, đường kính cũng như chỗ nối tiếp giữa thân và đầu bulông, thân và đoạn có ren phải có góc lượn để giảm ứng suất tập trung. - Để tăng sức bền mỏi, phần thân bulông nối với phần ren được làm thắt lại một ít. - Chiều dài đoạn ren trên bulông thanh truyền cần được thiết kế ssao cho có thể vặn lút hết vào đai ốc để giảm ứng suất cho những mối ren đầu. Dùng đai ốc chịu kéo để giảm ứng lực trên các mối ren đầu. Loại đai ốc này có kết cấu để phần đại ốc có ren không tỳ vào mặt đầu to thanh truyền. Tăng độ cứng vững của đầu to thanh truyền để giảm lực tác dụng lên bulông. Quy định lực xiết đai ốc bulông thanh truyền đúng mức. c. Tăng sức bền bulông bằng các biện pháp công nghệ sau: - Mài bóng toàn bộ bề mặt bulông thanh truyền. - Dùng thép hợp kim và nhiệt luyện đạt độ cứng HRC = 26 ÷ 32 và ram để đạt tính dẻo. - Chế tạo ren theo phương pháp cán lăn hoặc dùng phương pháp làm chai bề mặt như phun hạt thép, phun cát thạch anh…