Động cơ 101: P9 – Lý thuyết cân bằng động cơ

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!

1. Cân bằng động cơ là gì?

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 năng (kinetic energy) của các piston;
• Chuyển động không theo hình sin của các piston;
• Chuyển động ngang của các trọng lượng trên trục cân bằng (balance shaft).

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…).

2. Động cơ mất cân bằng do đâu?

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:

• Các hệ thống điều khiển động cơ gặp lỗi (như hệ thống cung cấp nhiên liệu, hệ thống đánh lửa, áp suất nén bị thiếu…) sẽ dẫn đến hiện tượng bỏ máy (misfire);
• Lực tác dụng lên các cơ cấu bên trong động cơ liên tục thay đổi theo góc quay trục khuỷu (phương, chiều và độ lớn);
• Các momen lật, momen quay, momen quán tính sinh ra trong quá trình hoạt động của động cơ;
• Các bộ phận trên động cơ bị sai lệch về kích thước, khối lượng.

3. Động cơ cân bằng mang đến lợi ích gì?

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:

• Giảm ma sát, mài mòn giữa các chi tiết bên trong động cơ;
• Giảm sự rung lắc từ động cơ truyền đến các bộ phận khác trên xe;
• Giảm kích thước và trọng lượng của một vài chi tiết bên trong động cơ (khi giảm ứng suất trong quá trình xử lý động cơ);
• Tốc độ tối đa của động cơ cao hơn;
• Hiệu suất hoạt động của động cơ tăng lên;
• Tăng tuổi thọ động cơ, đem đến sự thoải mái, yên tâm và được đánh giá cao bởi người dùng.

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.