Tại sao động cơ ô tô rung khi khởi động?

Tại sao động cơ ô tô rung khi khởi động?

Mặc dù chúng ta có thể dường như không biết gì về những rung động trong xe, nhưng chúng là một lời nhắc nhở tinh tế rằng xe đang chạy. Khi gặp trục trặc, một trong những dấu hiệu phổ biến nhất là sự sai lệch so với rung động khi chạy ‘không được chú ý’ này.

Rung động thường được cho là do chuyển động của các bộ phận bên trong hệ thống truyền động. Tuy nhiên, điều này chỉ đúng một phần vì xe điện cũng có các bộ phận chuyển động bên trong (động cơ) nhưng nó không gây ra rung động như vậy. Câu trả lời cho câu hỏi hóc búa này nằm ở việc thiết kế động cơ đốt trong.

Động cơ đốt trong là động cơ piston. Chúng bao gồm một bộ phận chuyển động tịnh tiến (piston và thanh nối) để tạo ra chuyển động quay (trục khuỷu). Sự kết hợp giữa chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay tạo ra các lực tuần hoàn và không cân bằng. Những lực này được coi là những rung động mà chúng ta cảm nhận được khi khởi động/chạy xe.

Lực lượng không cân bằng là gì? Các lực không cân bằng được tạo ra khi tất cả các lực trong một hệ chuyển động không bị các lực đối lập triệt tiêu. Các lực dư gây ra nhiều nhiễu loạn khác nhau, trong trường hợp này là rung động. Rung động trong động cơ chủ yếu phát sinh từ hai nguồn: mất cân bằng tĩnh và mất cân bằng động.

Mất cân bằng tĩnh đề cập đến sự bất bình đẳng về trọng lượng và trọng tâm của các thành phần chuyển động qua lại khác nhau đối với nhau. Trong khi đó mất cân bằng động đề cập đến sự hiện diện của khối lượng quay lệch tâm dẫn đến việc tạo ra lực ly tâm không cân bằng khi động cơ chuyển động. 

Các nhà sản xuất đã làm gì để giảm sự rung động của động cơ?

Bước đầu tiên để cân bằng động cơ là giải quyết bất kỳ sự mất cân bằng tĩnh nào của các bộ phận gia công đến dung sai cực kỳ gần và giống hệt nhau. Các kỹ sư tìm cách giải quyết hầu hết các vấn đề mất cân bằng bằng cách cân bằng tĩnh.

Những gì không thể giải quyết được bằng cân bằng tĩnh sẽ được giải quyết bằng cân bằng động. Ở đây, các lực không cân bằng được chống lại bằng các trục cân bằng đặt đối diện với chúng.

Tuy nhiên, điều quan trọng cần lưu ý là không thể loại bỏ hoàn toàn sự mất cân bằng gây rung động ở động cơ piston. Chúng chỉ có thể được giảm xuống mức chấp nhận được về giới hạn cơ học và sự thoải mái của hành khách.

Cân bằng động gắn liền với thời gian chạy của động cơ và bao gồm cân bằng sơ cấp và cân bằng thứ cấp. Cân bằng sơ cấp được thực hiện đối với các lực không cân bằng tác động theo tốc độ quay của trục khuỷu. Cân bằng thứ cấp được thực hiện cho các lực không cân bằng tác dụng với tốc độ quay gấp đôi. Thanh truyền dài hơn bán kính trục khuỷu sẽ sinh ra các lực không cân bằng này. 

Theo nguyên tắc chung, số lượng xi lanh lớn hơn sẽ có lợi cho việc cân bằng động cơ. Các piston bổ sung cải thiện khả năng tạo ra các lực đối nghịch có thể loại bỏ các lực không cân bằng. Ngoài số lượng xi lanh, cách sắp xếp và thứ tự nổ của chúng cũng góp phần vào việc giảm độ rung của động cơ. Dưới đây là một số cách bố trí nhiều xi lanh và trạng thái cân bằng của chúng.

1. Động cơ Inline 4

Cấu hình 4 xi lanh thẳng hàng là loại phổ biến nhất trên ô tô hiện đại. Nhờ cách bố trí và thứ tự bắn, các lực chính được sinh ra của nó hoàn toàn cân bằng. Ngược lại, các lực thứ cấp phải được cân bằng bằng trục cân bằng. Để ngăn lực thứ cấp vượt quá giới hạn cho phép, động cơ 4 xi-lanh thường có kích thước và dung tích nhỏ hơn các loại động cơ khác.

2. Động cơ Inline 6

Động cơ này là một trong những cấu hình cân bằng nhất trong động cơ piston. Vì mỗi piston đều có “đối tác” đối nghịch nên nó thể hiện một thiết lập cân bằng tốt mà không cần trục cân bằng hoặc đối trọng lớn.

3. Động cơ V6

Động cơ V6 bao gồm hai dãy 3 xi lanh nối với một trục khuỷu chung. Do số lượng xi lanh trong mỗi dãy là số lẻ nên các động cơ này bị mất cân bằng cơ bản. Để giải quyết sự mất cân bằng này, góc giữa các dãy xi lanh có thể được thay đổi để tạo ra thiết lập tối ưu. Các góc phổ biến bao gồm 60 độ, 90 độ. và 120 độ, 60 độ là cách bố trí cân bằng nhất.

4. Động cơ V8

Động cơ V8 là sự kết hợp của 2 dãy 4 xi lanh đặt góc 90 độ. Trục khuỷu được thiết kế sao cho hai piston có thể dùng chung một ổ trục. Nó cũng kết hợp các tạ đối trọng nặng để cân bằng các lực thứ cấp. Động cơ 6 và 8 xi lanh thường thấy trên xe thể thao.

5. Động cơ V12

Động cơ v12 có thể được coi là sự kết hợp của 2 động cơ 6 xi-lanh thẳng hàng và thể hiện mức độ tinh tế vượt trội. Động cơ V12 có dung tích rất lớn và được sử dụng trên những chiếc xe thể thao mạnh mẽ và xe hạng sang.

Một sự thay đổi không mong muốn trong các rung động thông thường có thể báo hiệu một số loại lỗi cơ học hoặc sự cố sắp xảy ra. Sự rung động của động cơ và tiếng ồn của đường truyền vào cabin cũng giúp người lái thiết lập sự kết nối với mặt đường. Đây là điều cần thiết cho sự an toàn trên đường.

Tham khảo: Scienceabc