Động cơ 101: P9 – Lý thuyết cân bằng động cơ
Cân bằng động cơ là gì? Liệu công việc tính toán cân bằng động cơ có thực sự cần thiết hay không?
Cân bằng động cơ là gì? Liệu công việc tính toán cân bằng động cơ có thực sự cần thiết hay không?
Trong các phần trước của chuỗi bài viết Động cơ 101, Otoman đã giới thiệu với các bạn một số đặc tính cơ bản của động cơ, cũng như một vài lý thuyết “độ đẽo”. Trong bài này, chúng ta sẽ tiếp tục tìm hiểu một thuật ngữ khác quan trọng không kém, đặc biệt là đối với động cơ xe hiệu năng cao. Đó chính là cân bằng động cơ!
Cân bằng động cơ là các công việc thiết kế, chế tạo và điều chỉnh để động cơ hoạt động trơn tru. Trong quá trình tính toán, các nhà thiết kế động cơ đã đưa ra những thuật ngữ như cân bằng sơ cấp (primary balance) và cân bằng thứ cấp (secondary balance). Sự mất cân bằng sơ cấp tạo ra rung động ở tần số quay cơ bản của trục khuỷu, trong khi mất cân bằng thứ cấp tạo ra rung động với tần số gấp đôi tần số quay của trục khuỷu.
Cân bằng sơ cấp là hoạt động cân bằng các lực xuất hiện trong mỗi vòng quay của trục khuỷu. Các lực này sinh ra từ các khối lượng chuyển động tịnh tiến (chủ yếu là các piston chuyển động lên xuống). Cân bằng sơ cấp sử dụng đối trọng trên trục khuỷu để triệt tiêu thành phần lực theo phương thẳng đứng trên mỗi piston. Điều này giúp cân bằng các lực quán tính để động cơ không bị rung khi hoạt động.
Trong khi đó, cân bằng thứ cấp bao gồm hoạt động bổ sung bù cho:
Động cơ một hoặc nhiều xi lanh đều phải được cân bằng ở rất nhiều khía cạnh. Tùy thuộc vào số lượng, cách sắp xếp xi lanh và thứ tự công tác của chúng mà động cơ sẽ có những ưu, nhược điểm riêng trong quá trình tính toán để đạt được sự cân bằng.
Đối với động cơ có nhiều hơn một xi lanh, chuyển động của các piston là không đối xứng. Trong một vòng quay trục khuỷu, tốc độ của piston ở phía trên và dưới đường tâm của trục khuỷu là khác nhau. Do đó, gia tốc qua điểm chết trên (Top Dead Center, TDC) lớn hơn đáng kể so với qua điểm chết dưới (Bottom Dead Center, BDC). Hơn nữa, lực quán tính (inertial force) của hai piston chuyển động lệch pha nhau 180 độ sẽ không bị triệt tiêu hoàn toàn, từ đó tồn tại một hợp lực hướng lên.
Vì vậy, cách đầu tiên để cân bằng thứ cấp động cơ là đảm bảo momen xoắn giữa các xi lanh là giống nhau. Điều này giúp cân bằng được các lực sinh ra trong quá trình các piston chuyển động.
Cách thứ hai là dùng trục cân bằng Lanchester – trục cân bằng được trang bị đối trọng và quay với tốc độ gấp đôi tốc độ trục khuỷu. Sự rung động của trục cân bằng được sử dụng để khử rung trục khuỷu, bằng cách tạo ra rung động theo chiều ngược lại. Tuy nhiên, phương pháp này cũng sẽ làm cho cấu tạo của động cơ thêm phức tạp.
Trong thực tế, động cơ đốt trong kiểu piston không thể đạt mức cân bằng tuyệt đối được. Tuy nhiên, một số cấu hình động cơ như I6, V12 hay Flat-6 (mẫu động cơ boxer nổi tiếng của Porsche và Subaru) lại có được sự cân bằng tốt nhất. Lý do là bởi vì những cấu hình động cơ này tự triệt tiêu hoàn toàn lực ngang (phương ngang là phương cân bằng), làm cho động cơ ít bị rung động khi hoạt động.
Ngoài ra, khi một bộ phận bên trong động cơ bị hỏng, người ta sẽ thay thế toàn bộ các bộ phận tương đồng để đạt được sự cân bằng về độ mài mòn, dung sai và khối lượng giữa các bộ phận đó. Lấy ví dụ, khi một piston bị hỏng, chúng ta phải thay thế cả những piston còn lại bằng một bộ piston mới để duy trì sự cân bằng của động cơ (tương tự đối với thanh truyền, xéc măng…).
Rõ ràng, có rất nhiều nguyên nhân làm cho động cơ mất cân bằng. Thiết kế, cấu tạo, cách sắp xếp xi lanh, số lượng xi lanh, thứ tự công tác và các hệ thống điều khiển động cơ đều có tác động lớn đến sự cân bằng. Chúng ta hãy điểm qua một vài yếu tố chính sau đây:
Cân bằng động cơ giúp làm giảm độ rung và các lực, momen tác dụng lên các bộ phận trên động cơ khi nó hoạt động. Đồng thời, cân bằng động cơ giúp cải thiện hiệu suất, tăng tuổi thọ động cơ và đem đến sự thoải mái cho hành khách khi xe vận hành.
Trên thực tế, có rất nhiều lợi ích mà một động cơ đốt trong có độ cân bằng tốt mang lại. Hãy cùng Otoman điểm qua một vài lợi ích sau đây:
Như vậy qua bài viết này, chúng ta đã hiểu được cân bằng động cơ là gì, nguyên nhân gây mất cân bằng và lợi ích khi động cơ có sự cân bằng tốt. Ở những phần tiếp theo, chúng ta sẽ tiếp tục tìm hiểu chi tiết tính chất cân bằng của một số cấu hình động cơ được sử dụng phổ biến hiện nay.
Cân bằng động cơ là gì? Liệu công việc tính toán cân bằng động cơ có thực sự cần thiết hay không?
Cỗ máy 5.0L V8 Coyote có đường momen xoắn cực dốc.
Bề mặt đường đua mới với độ bám cao và nhiệt độ mặt đường tăng là trở ngại lớn tại F1. Sự mài mòn lốp không đều tạo ra các chiến thuật sử dụng lốp khác nhau.
Gói “độ xe” lần này của Ferrari trên sân nhà có vẻ như là đã giúp họ lấy lại được phong độ để trở lại cuộc chơi.
Lịch thi đấu giải vô địch thế giới F1 của chặng đua sắp diễn ra, nằm trong 24 chặng của mùa giải 2024, được cập nhật liên tục và chính xác theo giờ Việt Nam.
Bảng xếp hạng giải vô địch thế giới F1 của mùa giải 2024, chi tiết và đầy đủ thông tin tay đua, đội đua, được cập nhật liên tục và chính xác sau mỗi chặng đua.
Chỉ nặng 29 kg nhưng Quark được Koenigsegg khẳng định là động cơ có tỷ lệ momen xoắn - công suất - trọng lượng hàng đầu.
Quá trình phát triển của hộp số PDK từng bị gián đoạn do công nghệ nghèo nàn, nhưng sớm trở lại thăng hoa từ khi được trang bị trên chiếc Porsche 944 Turbo.
Động cơ thùng bằng điện mới toanh này là một minh chứng cho thấy xe điện hoàn toàn có thể đạt hiệu suất cao chẳng thua kém gì những chiếc xe chạy bằng xăng.
Công nghệ hoàn toàn mới đã được Toyota giới thiệu với hy vọng giúp khách hàng giải quyết những tình huống cần di chuyển nhiều xe mà không có đủ tài xế.
Trong 8 năm tới, toàn bộ các sản phẩm hiện tại của Bentley sẽ dần được thay thế bằng những thế hệ xe điện hoàn toàn mới.
Không chỉ là một sản phẩm đột phá về mặt công nghệ, thế hệ pin li-ion thứ 6 của BMW còn được sản xuất với ít hơn 60% lượng khí CO2 và 50% chi phí.
Làm rõ những lầm tưởng khiến Toyota Supra Mk4 được đánh giá quá cao trong giới chơi xe.