Đòn bẩy

Đòn bẩy (tiếng Anh: connecting rod), còn gọi là biên, tay biên, tay dên (từ tiếng Pháp: bielle), là một phần quan trọng trong động cơ piston, kết nối piston với trục khuỷu. Đòn bẩy làm nhiệm vụ chuyển đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu, chịu lực nén và kéo từ piston và quay ở hai đầu.

Trước khi trở thành đòn bẩy, cơ cấu này đã được sử dụng trong các cối xay nước để chuyển đổi chuyển động quay của bánh xe nước thành chuyển động tịnh tiến. Đòn bẩy hiện nay chủ yếu được áp dụng trong động cơ đốt trong và động cơ hơi nước.

Xuất xứ

Đòn bẩy lần đầu xuất hiện vào thế kỷ 3 sau Công Nguyên trong máy cưa đá Hierapolis. Thiết bị này cũng được sử dụng trong các xưởng cưa cổ xưa ở Ephesus và Jerash thuộc Đế quốc Đông La Mã, chuyển đổi chuyển động quay của bánh xe nước thành chuyển động tịnh tiến của lưỡi cưa.

Tại Ý thời Phục Hưng, bằng chứng sớm nhất về hệ thống đòn bẩy – tay quay, mặc dù hiểu biết về cơ cấu hoạt động còn chưa chính xác, được tìm thấy trong các bản phác thảo của nhà khoa học Taccola. Hoạ sĩ Pisanello sau đó đã mô tả một bơm piston hoạt động bằng bánh xe nước với hai bộ đòn bẩy – tay quay đơn giản.

Vào thế kỷ 16, các ghi chép và hình vẽ về hệ thống đòn bẩy – tay quay trở nên phổ biến tại Châu Âu thời Phục Hưng. Tác phẩm 'Những máy móc kỳ lạ' (The Diverse and Artifactitious Machines) của kỹ sư Ý Agostino Ramelli vào năm 1588 mô tả 18 ứng dụng của đòn bẩy, tiếp theo là tác phẩm 'Giới thiệu những máy móc mới' (Theatrum Machinarum Novum) của kỹ sư Đức Georg Andreas Böckler, giới thiệu 45 loại máy móc khác nhau sử dụng đòn bẩy.

Đòn bẩy còn xuất hiện trong các bản vẽ của Vương quốc Artuqids (Thổ Nhĩ Kỳ ngày nay) từ giai đoạn 1174–1206 sau CN, khi nhà phát minh Al-Jazari mô tả một máy bơm nước kết hợp đòn bẩy và trục khuỷu.

Động cơ hơi nước

Động cơ hơi nước Newcomen, ra đời năm 1712 và được coi là động cơ hơi nước đầu tiên, sử dụng cơ cấu dẫn động xích thay cho đòn bẩy, do piston chỉ tạo ra áp lực trong một chiều chuyển động. Tuy nhiên, hầu hết các động cơ hơi nước sau này đều là loại tác động kép, với piston tạo ra áp lực trong cả hai chiều chuyển động, dẫn đến việc sử dụng đòn bẩy. Thiết kế động cơ kiểu này bao gồm khối trượt lớn, gọi là khối trượt dẫn hướng (crosshead), và khớp nối giữa piston và đòn bẩy nằm ngoài xi lanh, cùng việc bịt kín quanh trục piston (hay còn gọi là cần piston).

Trong động cơ đầu máy hơi nước, tay quay được gắn trực tiếp lên bánh xe lửa. Đòn bẩy kết nối chốt khuỷu trên bánh xe với khối trượt dẫn hướng (kết nối với trục piston). Trong động cơ đầu máy diesel, đòn bẩy được gọi là cần nối (side rod hoặc coupling rod). Trong các động cơ hơi nước nhỏ, đòn bẩy thường có tiết diện cắt hình chữ nhật, tuy nhiên, cũng có loại sử dụng đòn bẩy tiết diện tròn thường dùng trong động cơ tàu biển. Đối với tàu hơi nước bánh guồng, đòn bẩy được gọi là đòn bẩy pitman (tránh nhầm lẫn với đòn bẩy dẫn hướng – Pitman arm).

Động cơ xăng

Trong động cơ xăng, đòn bẩy gồm ba phần chính: đầu lớn (hoặc 'đầu biên lớn'), thân đòn bẩy, và đầu nhỏ (hoặc 'đầu biên nhỏ'). Để giảm ma sát, ổ trượt thường được thay bằng vòng bi trong các động cơ nhỏ hơn, loại bỏ sự cần thiết của hệ thống bơm dầu bôi trơn.

Trên ổ trượt ở đầu lớn của đòn bẩy thường có lỗ khoan để bơm dầu nhờn, giúp bôi trơn quá trình di chuyển của piston và vòng găng.

Đòn bẩy có khả năng xoay ở cả hai đầu, cho phép thay đổi dễ dàng góc nghiêng giữa đòn bẩy và piston khi piston di chuyển lên xuống và quay quanh trục khuỷu.

Chất liệu

Trong các động cơ ô tô, đòn bẩy thường được làm từ thép. Các động cơ hiệu suất cao sử dụng đòn bẩy nguyên khối đặc, gia công từ phôi kim loại thay vì đúc hoặc rèn.

Các vật liệu khác dùng để chế tạo đòn bẩy bao gồm hợp kim nhôm T6-2024 hoặc T651-7075, với ưu điểm nhẹ và khả năng hấp thụ lực tốt nhưng kém bền. Titan cũng được sử dụng do tính nhẹ nhưng giá thành cao. Đòn bẩy bằng gang được dùng trong các động cơ giá rẻ và yêu cầu hiệu suất thấp như xe máy.

Các vấn đề liên quan

Mỗi vòng quay của trục khuỷu tạo ra áp lực lớn liên tục lên đòn bẩy: lực trượt do góc giữa piston và chốt khuỷu, lực nén khi piston di chuyển xuống, và lực kéo khi piston di chuyển lên. Tổng áp lực tương đương bình phương vận tốc động cơ (RPM).

Khi đòn bẩy gãy, nó có thể đâm vào thành cácte và gây hỏng động cơ không thể sửa chữa. Nguyên nhân thường gặp bao gồm: kéo đứt khi vòng tua động cơ quá cao, lực tác động khi piston va vào xupap (do cơ cấu xupap bị hỏng), hoặc vòng bạc bị hỏng (do vấn đề bôi trơn hoặc lắp đặt không chính xác).

Hiện tượng mòn xy lanh

Lực ngang từ trục khuỷu truyền qua đòn bẩy tới piston có thể làm mòn thành xi lanh theo hình oval, dẫn đến giảm hiệu suất động cơ vì vòng găng piston không thể bịt kín thành xi lanh bị lõm.

Lực ngang tỉ lệ thuận với góc nghiêng của đòn bẩy; vì vậy, đòn bẩy dài hơn (góc nghiêng nhỏ hơn) sẽ giảm lực ngang và mòn động cơ. Tuy nhiên, chiều dài tối đa của đòn bẩy bị giới hạn bởi kích thước thân máy; tổng chiều dài của hành trình piston cộng với chiều dài đòn bẩy không được vượt quá chiều dài thân máy.

Thanh truyền chính và phụ

Động cơ piston hướng kính thường sử dụng hệ thống thanh truyền chính–phụ (hay còn gọi là thanh truyền hình sao), trong đó một piston (piston ở vị trí trên cùng trong hình) gắn với thanh truyền chính và trục khuỷu. Các piston khác được nối với thanh truyền chính qua thanh truyền phụ qua bộ khớp nối ở giữa.

Trong động cơ nhiều xi lanh như V12, không gian cho nhiều thanh truyền bị hạn chế do chiều dài trục khuỷu. Giải pháp là mỗi cặp xi lanh sẽ chia sẻ một cổ khuỷu, nhưng điều này làm giảm kích thước ổ trục thanh truyền và có thể gây lệch xi lanh đối đỉnh, dẫn đến rung lắc. Một phương pháp khác là hệ thống thanh truyền chính–phụ, với thanh truyền chính sử dụng nhiều chốt nối tròn kết nối với đầu lớn của thanh truyền phụ trên các xi lanh khác. Tuy nhiên, hành trình của thanh truyền phụ sẽ ngắn hơn một chút, gây ra hiện tượng rung động trong động cơ chữ V.

Động cơ Junkers Jumo 222, sử dụng hệ thống thanh truyền chính–phụ phức tạp nhất, có 24 xi lanh và được thử nghiệm trong Chiến tranh thế giới thứ hai. Động cơ này bao gồm 6 dãy xi lanh, mỗi dãy có 4 xi lanh đơn. Mỗi cụm sáu xi lanh dùng một thanh truyền chính để điều khiển năm xi lanh còn lại thông qua thanh truyền phụ. Khoảng 300 động cơ kiểu này được chế tạo, nhưng không được sản xuất đại trà.

Thanh truyền hình nạng

Hệ thống thanh truyền hình nạng (tiếng Anh: Fork-and-blade rod, split big-end rods) được áp dụng trong động cơ xe máy V-twin và động cơ máy bay V12. Mỗi cặp xi lanh có đầu to của thanh truyền được thiết kế với rãnh để gắn đầu thanh truyền phụ. Thiết kế này giúp loại bỏ hiện tượng rung lắc do cặp xi lanh bị lệch dọc trục khuỷu.

Một thiết kế phổ biến của thanh truyền hình nạng là đầu to của thanh truyền chính sử dụng ổ trượt đơn kéo dài toàn bộ chiều dài của thanh truyền, bao gồm cả vùng rãnh ở giữa. Thanh truyền phụ không xoay trực tiếp trên chốt khuỷu mà xoay quanh ổ trượt. Điều này cho phép hai thanh truyền dao động độc lập, giảm lực lên ổ trượt và ảnh hưởng đến tốc độ bề mặt. Tuy nhiên, chuyển động của ổ trượt sẽ là tịnh tiến, gây khó khăn trong việc bôi trơn ổ trượt.

Các động cơ tiêu biểu sử dụng hệ thống thanh truyền hình nạng bao gồm động cơ máy bay Rolls-Royce Merlin V12 và động cơ xe máy V-twin của Harley-Davidson.

Chú thích

• Trục khuỷu
• Bánh đà

Liên kết bên ngoài