Rung động xoắn trục khuỷu
Trục khuỷu của động cơ đốt trong là một hệ thống tự dao động chịu sự rung động và do đó gặp phải tất cả các vấn đề liên quan đến sự đột phá cộng hưởng và chu kỳ chạy dài hơn ở tốc độ cộng hưởng.
Biên độ lớn của góc rung (xoắn giữa đầu trục khuỷu này và đầu kia) là nguyên nhân chính gây ra những vấn đề này vì chúng gây ra tiếng ồn và có thể dẫn đến lực xoắn ở trục khuỷu cao quá mức cho phép, dẫn đến đứt xoắn.
Hình trên cho thấy phép đo trục khuỷu của động cơ diesel không có bộ giảm chấn. Hình 2 minh họa thể hiện góc dao động giữa bánh đà và đầu kia của trục khuỷu ở xi lanh 1 cũng như phân tích thứ tự các biên độ dao động của đầu tự do của trục khuỷu theo tốc độ trung bình. Góc dao động tổng cộng giữa đầu trục khuỷu và bánh đà ở các tốc độ cộng hưởng khác nhau đôi khi lớn hơn hai lần giá trị cho phép. Bằng cách quan sát các thứ tự riêng lẻ, có thể thấy rõ rằng các giá trị tối đa cho góc rung của động cơ này chủ yếu đạt được ở 5, 5,5 và 7,5. Chúng kích thích tần số tự nhiên đầu tiên của trục khuỷu, xấp xỉ 420 Hertz.
Chức năng giảm chấn rung
Bộ giảm chấn hoặc bộ giảm rung được sử dụng để giảm tải cho trục khuỷu. Bộ giảm chấn rung hiện đại nhất có khớp nối lò xo (giảm chấn cao su) hoặc không có khớp nối lò xo (giảm chấn độ nhớt).
Bộ giảm chấn có khớp nối lò xo chủ yếu bao gồm một khối lượng quay với mômen quán tính xác định (sau đây gọi là quán tính), được nối với trục khuỷu thông qua các phần tử lò xo. Tần số riêng của bộ giảm chấn, phải được điều chỉnh theo tần số riêng của trục khuỷu, là kết quả của độ cứng lò xo xoắn của các phần tử lò xo và quán tính của khối lượng quay.
Tác động cơ bản của bộ giảm chấn có khớp nối lò xo lên đường cong cộng hưởng của trục khuỷu được minh họa ở Hình 3 dưới đây.
Đặc tính rung động của trục khuỷu được thay đổi nhờ bộ giảm chấn. Hệ thống có thêm một bậc tự do – ở mức giảm chấn bằng 0, cộng hưởng ban đầu biến mất hoàn toàn – tuy nhiên tạo ra hai cộng hưởng mới. Ở mức giảm chấn rất cao, không có tác dụng. Bộ giảm chấn gần như cứng nhắc, dẫn đến tần số và biên độ gần giống như sự cộng hưởng trục khuỷu ban đầu. Nếu hệ thống giảm chấn được thiết kế chính xác thì cả cộng hưởng mới lẫn cộng hưởng ban đầu đều không bị gián đoạn.
Ít nhất là trong lĩnh vực ô tô chở khách, bộ giảm chấn trục khuỷu được sử dụng bên ngoài động cơ được cố định vào đầu tự do của trục khuỷu và thường được tích hợp vào puli đai (Hình 4 ở trên). Tùy thuộc vào hệ thống (khả năng tiêu thụ năng lượng của các phần tử lò xo, trao đổi năng lượng, sự phụ thuộc vào nhiệt độ của giảm chấn và tốc độ lò xo) cần có quán tính tối thiểu nhất định để hoạt động.
Bộ giảm chấn rung bên trong
Đối với một số thế hệ động cơ mới (một phần do không gian của khoang động cơ), các bộ phận phụ trợ không còn được dẫn động bằng dây đai hoặc xích ở đầu tự do của trục khuỷu mà thông qua các phương tiện khác. Để thực sự có thể tận dụng được lợi thế liên quan của khoang động cơ, bộ giảm chấn cần được bố trí tối ưu bên trong động cơ.
Đã có bằng sáng chế cho bộ giảm chấn kết hợp lò xo đặt trực tiếp vào cacte ngay từ những năm 1930. Trong các bằng sáng chế này, bộ giảm chấn hình khuyên được đặt trên đường kính ngoài hiện có của má khuỷu (hình 4 ở giữa) hoặc các cơ cấu khá phức tạp được tích hợp vào má khuỷu. Không gian khoang động cơ bổ sung cần thiết cho việc này và các điều kiện sử dụng phức tạp trong cacte đã ngăn cản việc thực hiện những ý tưởng đó và cho đến nay đã ngăn cản việc sử dụng bộ giảm chấn bằng cao su hoặc độ nhớt trong cacte – ít nhất là trong động cơ ô tô khách.
Ý tưởng của LuK là tích hợp bộ giảm chấn vào má khuỷu để ít ảnh hưởng nhất có thể đến yêu cầu về không gian (hình 4, hình dưới cùng). Như vậy, bộ giảm chấn không thể thiết kế dạng vòng kín mà phải có hình móng ngựa.
Kết quả cho những nỗ lực của LuK là Bộ giảm chấn trục khuỷu bên trong (Internal Crankshaft Damper ICD), được thể hiện trong hình 5 được lắp đặt trên trục khuỷu đã được sửa đổi cho bộ giảm chấn.
Bộ giảm chấn được đặt trên má khuỷu đầu tiên và được cố định vào trục khuỷu bằng hai bu lông hướng tâm và tùy thuộc vào ứng dụng, một hoặc hai bu lông hướng trục, sau đó được lắp bằng bu lông này vào khối động cơ (hình 6). Đồng thời, giảm chấn cũng thay thế một trong các đối trọng cho trục khuỷu.
Thiết kế và chức năng của ICD
ICD là một bộ giảm chấn kết hợp với lò xo. Vỏ được nối trực tiếp với trục khuỷu bằng một thiết bị giảm chấn đặt giữa vỏ và khối quay (hình 7). Bản thân khối quay được tạo thành từ hai tấm kim loại để dẫn hướng các lò xo, một tấm đệm và một phần tử lò xo hướng trục để bù dung sai, được kết nối bằng các bu lông đệm. Giảm chấn ma sát xảy ra chủ yếu trong ổ trượt trơn bằng nhựa, chúng hấp thụ lực ly tâm của các khối lượng quay. Các phần tử lò xo là các lò xo cuộn bằng thép được dẫn hướng trong các nắp lò xo.
Các lò xo cuộn được đặt trước vào nhau để ngăn ngừa sự gián đoạn khi khối lượng quay đi qua điểm 0. Khi bị lệch về một hướng, một nửa số lò xo sẽ bị nén thêm trong khi nửa còn lại được thả ra mà không loại bỏ hoàn toàn tải trọng trước.
Ưu điểm của lò xo cuộn thép so với các phần tử lò xo cao su là độ cứng lò xo không đổi theo nhiệt độ và chúng cho phép góc rung lớn hơn do khả năng hấp thụ năng lượng lớn hơn. Vì vậy, bộ giảm chấn có lò xo cuộn bằng thép yêu cầu quán tính thấp hơn bộ giảm chấn cao su để đạt được hiệu quả tương tự. Đây là điều duy nhất giúp bộ giảm chấn trục khuỷu có thể hoạt động được trong các mối quan hệ hạn chế của khoang động cơ trong cacte.
Các lực tác dụng lên ổ trượt chắc chắn phụ thuộc vào tốc độ do hình dạng không kín của bộ giảm chấn. Lò xo cuộn có thể được định vị sao cho lực lò xo tổng hợp có thể giảm hoặc tăng lực chịu lực theo tốc độ để đạt được ma sát giảm chấn tối ưu tùy thuộc vào ứng dụng (hình 9). Ưu điểm của giải pháp này là phần lớn hệ thống giảm chấn không phụ thuộc vào lực của phần tử lò xo hướng trục cũng như hiệu suất mài mòn và cài đặt của nó trong suốt thời gian sử dụng. Lực ly tâm của khối lượng quay của bộ giảm chấn để tạo ra lực cản ma sát không đổi.
Sự tương tác giữa lực ly tâm và lực tải trước của lò xo cuộn cho phép thực hiện các đường cong trễ và ma sát khác nhau theo tốc độ (ví dụ minh họa trong hình 10).
Mô phỏng và đo lường
Ngoài các giá trị đặc tính của động cơ và bộ giảm chấn được thiết kế xác định, các tính toán mô phỏng trục khuỷu còn dựa trên dữ liệu thu thập được từ các phép đo trên động cơ.
Hành vi rung của trục khuỷu được tái tạo trong các mô phỏng này. Hình 11 thể hiện mô hình rung của trục khuỷu từ động cơ diesel đã đề cập trước đó và so sánh góc rung của trục khuỷu được tính toán khi không có bộ giảm chấn so với việc sử dụng ICD do LuK phát triển. Đỉnh cộng hưởng ở góc rung trục khuỷu giảm đi đáng kể.
Việc giảm góc rung của trục khuỷu về mặt lý thuyết được tính toán trong mô hình mô phỏng khi sử dụng ICD được xác nhận bằng các phép đo trên động cơ thực (hình 12). Việc giảm tải trọng lên trục khuỷu cũng được thể hiện trong phần phân tích thứ tự. Các thứ tự chính (5, 5,5 và 7,5) giảm đáng kể (hình 13).
Tiềm năng mở rộng
Tất cả những cân nhắc trên đều dựa trên việc sử dụng một ICD duy nhất trên trục khuỷu. Trong khi đó, LuK đang nghiên cứu các ứng dụng (ví dụ: động cơ xăng 6 xi-lanh) trong đó hiệu ứng sẽ không đủ do quán tính của khối lượng quay có thể đạt được hoặc do tải trọng cao không thể chấp nhận được sẽ xảy ra trong bộ giảm chấn. Trong trường hợp này, có thể sử dụng hai bộ giảm chấn gần giống nhau trên hai má khuỷu đầu tiên (hình 14). Để làm được điều này, các bu lông hướng trục của một bộ giảm chấn phải được siết chặt thông qua các lỗ trên trục khuỷu. Những lỗ này sau đó được sử dụng để cố định bộ giảm chấn thứ hai.
LuK GmbH & Co
