Bước tới nội dung

Thanh truyền

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Thanh truyền và piston

Thanh truyền(tiếng Anh:connecting rod), hay còn gọi làbiên, tay biên, tay dên(từ tiếng Pháp:bielle), là một bộ phận của động cơ piston, có nhiệm vụ kết nốipistonvớitrục khuỷu.Thanh truyền kết hợp cùng với tay quay (khuỷu) biến đổi chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay của trục khuỷu. Thanh truyền chịu lực nén và lực kéo từ piston và quay ở hai đầu.

Tiền thân của thanh truyền là cơ cấu liên hợp cơ học dùng trong các cối xay nước. Cơ cấu liên hợp này biến đổi chuyển động quay của bánh xe nước thành chuyển động tịnh tiến.[1]Thanh truyền được dùng chủ yếu trong cácđộng cơ đốt tronghoặcđộng cơ hơi nước.

Nguồn gốc

[sửa|sửa mã nguồn]
Mô hình cưa xẻ đá Hierapolis vào thời La Mã Cổ Đại. Đây là loại máy móc sử dụng hệ cơ học thanh truyền – tay quay cổ xưa nhất.[2]

Thanh truyền xuất hiện lần đầu tiên vàothế kỷ thứ 3sau Công Nguyênkhi được sử dụng trongmáy cưa xẻ đá Hierapolis.Thanh truyền cũng được sử dụng trong nhữngxưởng cưacổ ở vùngEphesusvàJerashthuộcĐế quốc Đông La Mã.Cơ cấu thanh truyền – tay quay biến chuyển động quay củabánh xe nướcthành chuyển động tịnh tiến củalưỡi cưa.[2]

Ởnước Ý thời Phục hưng,bằng chứng sớm nhất về hệ thanh truyền – tay quay (dù thời đó, người ta hiểu sai về cơ cấu hoạt động này về mặt cơ học) được tìm thấy trong những bản phác hoạ của nhà khoa họcTaccola.[3]Việc hiểu đúng chuyển động của thanh truyền được thể hiện bởi hoạ sĩPisanelloqua mô tả một bơm piston chạy bằng bánh xe nước và hai bộ thanh truyền – tay quay đơn giản.[3]

Đến thế kỷ 16, những ghi chép và hình hoạ mô tả về hệ thanh truyền – tay quay trở nên vô cùng phổ biến ở Châu Âu thờiPhục Hưng.Chỉ riêng tác phẩm "Những máy móc tạo tác kỳ lạ" (The Diverse and Artifactitious Machines) của kỹ sư người Ý,Agostino Ramelli,ra đời năm 1588 đã mô tả 18 ứng dụng của thanh truyền, sau đó đến tác phẩm của kỹ sư người Đức,Georg Andreas Böckler,"Giới thiệu những máy móc mới" (Theatrum Machinarum Novum) đã giới thiệu đến 45 loại máy móc khác nhau sử dụng thanh truyền.[4]

Thanh truyền còn xuất hiện trong những bản vẽ được tìm thấy ởVương quốc Artuqids(Thổ Nhĩ Kỳngày nay) vào giai đoạn 1174–1206 sau CN, khi nhà phát minhAl-Jazarimô tả một loại máy kết hợp thanh truyền và trục khuỷu vào hệ thốngmáy bơm nước.[5][6]

Động cơ hơi nước

[sửa|sửa mã nguồn]
Động cơ xà cân bằng sử dụng hai thanh truyền (thẳng đứng) đặt giữa thanh xà nằm ngang và bánh đà
Thanh truyền sử dụng trong động cơ đầu máy hơi nước (đặt giữa piston và bánh sau, thanh trụ lớn nhất trong hình)

Động cơ áp suất khí quyển Newcomen,được xem là động cơ hơi nước đầu tiên, ra đời năm 1712 sử dụng cơ cấu dẫn động xích thay cho thanh truyền, do piston chi tao ra áp lực trong một chiều chuyển động.[7]Tuy nhiên, hầu hết những loại động cơ hơi nước ra đời sau đó đều là loại tác động kép, do vậy piston tạo ra áp lực trong cả hai chiều chuyển động, dẫn đến việc sử dụng thanh truyền. Thiết kế động cơ kiểu này bao gồm khối trượt lớn, gọi là thanh trượt dẫn hướng (crosshead) và khớp nối giữa piston và thanh truyền đặt bên ngoài xi lanh, cùng việc bịt kín xung quanh trục piston (hay còn gọi là cần piston).[8]

Trong động cơ đầu máy hơi nước, tay quay được gắn trực tiếp trên bánh xe lửa. Thanh truyền có vai trò kết nối giữa chốt khuỷu trên bánh xe và thanh trượt dẫn hướng (nối với trục piston).[9]Thanh truyền sử dụng trong động cơ đầu máy chạy bằng diesel được gọi là cần nối (side rodorcoupling rod). Trong những động cơ hơi nước loại nhỏ, thanh truyền thường có tiết diện cắt hình chữ nhật,[10]tuy nhiên, vẫn có loại sử dụng thanh truyền tiết diện tròn thường dùng trong động cơ tàu biển. Đối với loạitàu hơi nước bánh guồng,thanh truyền được gọi là thanh truyền pitman (tránh lầm lẫn với thanh đòn dẫn hướng –Pitman arm).

Động cơ đốt trong

[sửa|sửa mã nguồn]
Thanh truyền (màu đậm) sử dụng trong động cơ đốt trong. Đầu nhỏ thanh truyền (trên) nối với chốt piston; đầu to thanh truyền (dưới) được gắn với bạc lót cổ trục khuỷu.

Thanh truyền dùng trong những động cơ đốt trong, được chia thành ba phần chính: đầu to thanh truyền (hay "đầu biên lớn" ), thân thanh truyền, và đầu nhỏ thanh truyền (hay "đầu biên nhỏ" ).[11]để giảm ma sát; tuy nhiên, ở một số động cơ nhỏ hơn,ổ trượtsẽ được thay bằngvòng bi(bạc đạn) để không cần sử dụng đến hệ thống bơm dầu bôi trơn.

Thông thường, trên thân ổ trượt ở đầu to thanh truyền có khoan lỗ để bơmdầu nhờngiúp bôi trơn hành trình di chuyển của piston vàvòng găng.

Thanh truyền có thể xoay ở hai đầu, nhờ vậy, góc nghiêng giữa thanh truyền và piston có thể thay đổi dễ dàng khi thanh piston di chuyển lên xuống và quay quanh trục khuỷu.

Vật liệu

[sửa|sửa mã nguồn]
Thanh truyền bằng nhôm có đầu tách rời và bạc lót cổ trục (trái). Thanh truyền nhôm có lỗ châm dầu bôi trơn (giữa). Thanh truyền bằng thép (phải).

Trong những động cơ xe hơi, thanh truyền thường làm bằngthép.Những loại động cơ hiệu năng cao sử dụng thanh truyền nguyên khối đặc vốn được gia công từ nguyên phôi kim loại thay vìđúchoặcrèn khuôn.

Những loại vật liệu khác dùng chế tạo thanh truyền làhợp kim nhômT6-2024 hoặc T651-7075, có ưu điểm nhẹ và dễ hấp thụ lực tác động, tuy nhiên lại không bền.Titancũng được dùng nhờ tính chất nhẹ nhưng lại đắt tiền hơn. Thanh truyền làm bằng gang cũng được sử dụng trong những động cơ giá rẻ và yêu cầu về hiệu năng thấp nhưxe gắn máy.

Những vấn đề khi sử dụng

[sửa|sửa mã nguồn]
Thanh truyền (màu đỏ) bị gãy
Thanh truyền này ban đầu bị gãy mỏi, sau đó tiếp tục bị phá hủy do tác động lực của trục khuỷu

Trong mỗi vòng quay của trục khuỷu, thanh truyền sẽ chịu loại áp lực lớn và liên tục lặp lại:lực trượtgây ra do góc tạo bởi piston và chốt khuỷu,lực néncủa piston khi di chuyển hướng xuống, vàlực kéokhi piston di chuyển hướng lên.[12]Tổng lực tác động bằng bình phương giá trị vận tốc động cơ (RPM).

Khi thanh truyền bị gãy, thanh truyền sẽ đâm vào thànhcáctevà gây hư hỏng động cơ đến mức không thể sửa được.[13]Những nguyên nhân thường gặp của hiện tượng gãy thanh truyền là do sự kéo đứt khi tốc độ vòng tua động cơ quáy cao, hoặc do lực tác động khi piston đập vàoxupap(gây ra docơ cấu chấp hànhxupap bị hỏng), hoặc do vòng bạc bị hỏng (do vấn đề bôi trơn hoặc cách lắp đặt thanh truyền không đúng).[14][15][16][17]

Hiện tượng mòn xi lanh

[sửa|sửa mã nguồn]

Lực phương ngang từ trục khuỷu truyền qua thanh truyền đến piston sẽ có thể khiến xi lanh bị mòn thành hình ovan. Hiện tượng này làm giảm hiệu năng động cơ vì những vòng găng piston (có hình tròn) không thể bịt kín thành xi lanh bị lõm hình ovan.

Lực phương ngang tỉ lệ thuận với góc nghiêng của thanh truyền; do vậy, thanh truyền càng dài (góc nghiêng càng nhỏ) sẽ càng giảm lực phương ngang và từ đó giảm sự mòn động cơ. Tuy nhiên, chiều dài tối đa của thanh truyền bị giới hạn bởi kích thướcthân máy;tổng giá trị chiều dài khoảng chạy piston cộng với chiều dài thanh truyền không được dài hơn chiều dài thân máy.

Thanh truyền chính–phụ

[sửa|sửa mã nguồn]
Nguyên lý hoạt động của động cơ piston hướng kính
Hệ thống thanh truyền chính–phụ được dùng trong động cơ máy bay V8Renault 8Gsản xuất năm 1916-1918

Động cơ piston hướng kínhthường sử dụng hệ thống thanh truyền chính–phụ (master-and-slave rod), hay còn gọi là thanh truyền hình sao (articulated connecting rod),[18]trong đó một piston (piston vị trí trên cùng trong hình minh họa) nối với thanh truyền chính và trục khuỷu. Những piston còn lại có thanh truyền phụ nối với thanh truyền chính trong một bộ khớp nối ở giữa.

Những động cơ nhiều xi lanh, nhưđộng cơ V12,không có đủ không gian chứaổ trụccho nhiều thanh truyền do bị giới hạn về chiều dài trục khuỷu. Giải pháp cho vấn đề này là việc thiết kế mỗi cặp xi lanh sẽ dùng chung mộtcổ khuỷu;tuy nhiên, điều này làm giảm kích thước của ổ trục thanh truyền và những xi lanh đối đỉnh ở các dãy xi lanh khác nhau sẽ hơi lệch nhau dọc theo trục khuỷu (điều này cũng đồng thời gây ra hiện tượng khớp nối rung lắc). Một phương pháp khác là dùng hệ hệ thống thanh truyền chính–phụ, trong đó thanh truyền chính sử dụng nhiều chốt nối tròn. Những chốt nối tròn này sẽ nối với đầu lớn của những thanh truyền phụ trên các xi lanh khác. Nhược điểm của phương pháp này là hành trình di chuyển của thanh truyền phụ sẽ ngắn hơn một chút so với thanh truyền chính, dẫn đến hiện tượng tung ở động cơ chữ V.

Động cơ Junkers Jumo 222 có cấu tạo gồm 24 xi lanh

Một trong những động cơ sử dụng kết cấu thanh truyền chính–phụ phức tạp nhất là động cơ máy bay thử nghiệm Junkers Jumo 222 có 24 xi lanh dùng trongChiến tranh thế giới thứ hai.Động cơ này có 6dãy xi lanh,mỗi dãy có 4 xi lanh đơn. Mỗi cụm sáu xi lanh sử dụng một thanh truyền chính cho một xi lanh, có vai trò điều khiển năm xi lanh còn lại thông qua thanh truyền phụ. Khoảng 300 động cơ thử nghiệm được chế tạo thời điểm đó, nhưng sau đó kiểu thiết kế động cơ này không đi vào sản xuất đại trà.

Thanh truyền hình nạng

[sửa|sửa mã nguồn]
Hệ thống thanh truyền hình nạng

Hệ thống thanh truyền hình nạng[19](tiếng Anh:Fork-and-blade rod, split big-end rods) được sử dụng trongđộng cơ xe máy chữ V 2 xi lanh(V-twin) và động cơ máy bay V12.[20]Ở mỗi cặp xi lanh, đầu to của một thanh truyền có rãnh để đầu thanh truyền phụ được lắp vào. Kiểu thiết kế hệ thống thanh truyền này loại bỏ hiện tượng rung lắc khớp nối do những cặp xi lanh bị lệch dọc trọc khuỷu.

Một kiểu thiết kế phổ biến cho loại thanh truyền hình nạng là đầu to của thanh truyền chính sử dụng ổ trượt đơn kéo dài dọc suốt bề dày của thanh truyền chính, kể cả vùng rãnh hở ở giữa. Thanh trượt phụ sẽ không xoay trực tiếp trên chốt khuỷu mà xoay bên ngoài ổ trượt. Điều này giúp hai thanh truyền có thể dao động tới lui, thay vì phải xoay cùng nhau, nhờ đó giảm lực đè lên ổ trượt và ảnh hưởng tốc độ bề mặt. Tuy nhiên, chuyển động của ổ trượt sẽ trở thành tịnh tiến thay vì chuyển động quay đều, dẫn đến khó bôi trơn ổ trượt hơn.

Động cơ tiêu biểu sử dụng hệ thống thanh truyền hình nạng là động cơ máy bayRolls-Royce MerlinV12 và động cơ xe máy chữ V 2 xi lanh của hãngHarley-Davidson.

Chú thích

[sửa|sửa mã nguồn]
  1. ^Lyon, Robert L.; Editor.Steam Automobile Vol. 13, No. 3(bằng tiếng Anh). SACA.Quản lý CS1: văn bản dư: danh sách tác giả (liên kết)
  2. ^abRitti, Grewe & Kessener 2007,tr. 161.Trích:Because of the findings at Ephesus and Gerasa the invention of the crank and connecting rod system has had to be redated from the 13th to the 6th c; now the Hierapolis relief takes it back another three centuries, which confirms that water-powered stone saw mills were indeed in use when Ausonius wrote his Mosella.
  3. ^abWhite, Jr. 1962,tr. 113
  4. ^White, Jr. 1962,tr. 172
  5. ^Ahmad Y Hassan.“The Crank-Connecting Rod System in a Continuously Rotating Machine”.
  6. ^Sally Ganchy; Sarah Gancher (2009),Islam and Science, Medicine, and Technology,The Rosen Publishing Group, tr.41,ISBN978-1-4358-5066-8
  7. ^“Steam Locomotive Glossary”.railway-technical.Bản gốclưu trữ ngày 28 tháng 1 năm 2008.Truy cập ngày 5 tháng 2 năm 2016.
  8. ^Dempsey, G.D.; Clark, D. Kinnear (2015).The Victorian Steam Locomotive: Its Design & Development 1804-1879.Barnsley, England: Pen & Sword Transport. tr. 27–28.ISBN978-1-47382-323-5– qua Google Books.
  9. ^Ahrons, E.L. (1921). Neale, R.E. (biên tập).Steam Locomotive Construction and Maintenance.Pitman's Technical Primer Series. London: The Locomotive Publishing Co. Ltd. tr. 74–78 – qua Google Books.
  10. ^White, John H., Jr. (1979).A History of the American Locomotive: Its Development, 1830-1880.New York: Dover Publications. tr. 185.ISBN9780486238180.
  11. ^Viện Tiêu chuẩn Chất lượng Việt Nam (VSQI) (2016).Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 8273-2:2016 (ISO 7967-2:2010) về Động cơ đốt trong kiểu pít tông – Thuật ngữ về các bộ phận và hệ thống – Phần 2: Cơ cấu truyền động chính.tr. 16.
  12. ^“Causes of Failure With a Connecting Rod”.itstillruns(bằng tiếng Anh).Truy cập ngày 21 tháng 9 năm 2019.
  13. ^“What does it mean to" throw a rod "?”.Car Talk.tháng 4 năm 1990.Truy cập ngày 5 tháng 2 năm 2016.
  14. ^Policy, Privacy (ngày 15 tháng 3 năm 2017).“Preventing Connecting Rod Failures”.enginebuildermag.Truy cập ngày 21 tháng 9 năm 2019.
  15. ^“How to eliminate connecting rod failures”.hotrod.Truy cập ngày 21 tháng 9 năm 2019.
  16. ^“Probable Cause of Most Rod Failures”.arcracing.blogspot.ngày 1 tháng 6 năm 1999.Truy cập ngày 21 tháng 9 năm 2019.
  17. ^“Emerson Bearing Extreme Applications”.emersonbearing(bằng tiếng Anh).Truy cập ngày 5 tháng 2 năm 2016.
  18. ^Viện Tiêu chuẩn Chất lượng Việt Nam (VSQI) 2016,tr. 18
  19. ^Viện Tiêu chuẩn Chất lượng Việt Nam (VSQI) 2016,tr. 19
  20. ^“Drysdale Godzilla V-Twin”.thekneeslider.Truy cập ngày 26 tháng 9 năm 2019.

Xem thêm

[sửa|sửa mã nguồn]

Liên kết ngoài

[sửa|sửa mã nguồn]
Lấy từ “https://vi.wikipedia.org/w/index.php?title=Thanh_truyền&oldid=71810103”