Những lý do nhà sản xuất xe hãm tua động cơ

FastEhome.com- Đăng kí mở Shop bán hàng miễn phí Bất kể ai từng chạy xe hoặc có quan tâm tới xe cộ chắc đều biết đến cái gọi là đồng hồ tua máy, với đồng hồ dạng kim hoặc dạng điện tử chạy chạy lên xuống qua lại lúc vặn ga, nhìn rất là thú vị. Nhưng ngoài cái thú vị đó ra thì tua máy là một thông số quan trọng liên quan đến rất nhiều vấn đề trong thiết kế động cơ. Cái vụ hãm tua thì cũng nhiều nơi viết rồi, nhưng hôm nay mình sẽ nói lại, theo góc nhìn của mình và những cái mà mình thấy những bài viết khác không nói rõ.


Nhắc lại đã, tua máy là gì? Tua máy là con số đặc trưng cho số vòng quay của động cơ trên một đơn vị thời gian, thường có đơn vị là rpm, viết tắt của Round-Per-Minute hay Revolution-Per-Minute – số vòng quay của động cơ trong 1 phút. Số này càng cao thì động cơ quay càng nhanh. Nhiều người thì nói vì an toàn người lái hoặc luật nước sở tại mà người ta hãm tua thì… cũng đúng đó nhưng lí do đó không phải là lí do chính đâu, về mặt cơ khí thì hãm tua để giữ cho động cơ bền.



Động cơ thì cũng có động cơ this động cơ that, cái thì bị hãm tua ở this rpm cái thì bị hãm ở that rpm. Vì lí do tại sao có sự khác nhau này, chúng ta cùng phân tích dưới đây.

1. TỐC ĐỘ TRUNG BÌNH LỚN NHẤT CỦA PISTON


Đây là con số đặc trưng cho tốc độ thụt trung bình lớn nhất của piston trong lòng xi lanh, thường tính ở dạng m/s. Khi tính ra thì chúng ta có con số trung bình của các động cơ performance nằm ở tầm 20-24m/s. Để mình ví dụ:
Xe nhỏ, Honda winner 150cc và Raider 150FI:
*Honda Winner có thông số hành trình piston là 57.8mm và bị hãm tua ở 10500rpm, vậy khi này tốc độ thụt của piston sẽ là

10500*2*57.8/60 = 20230mm/s = 20.23m/s.

*Raider 150FI có thông số hành trình piston là 48.8mm và bị hãm tua ở 12700rpm (theo mình biết là 12700) vậy tốc độ piston sẽ là
12700*2*48.8/60 = 20658mm/s = 20.7m/s.

*Tương tự tính cho R6 2017 sẽ là 22.6m/s, BMW s1000rr là 23.2m/s và Yamaha R1 là 23.75m/s
Từ trên có thể rút ra kết luận, xe có hành trình tay dên càng ngắn thì dễ thiết kế một động cơ có số vòng tua cao hơn (ở cùng một tốc độ thụt của piston). Lí do chính làm cho xe hút khí tự nhiên mạnh hơn hay yếu hơn là nằm ở số vòng tua lớn nhất mà động cơ có thể đạt được. Điển hình là động cơ F1 - cuộc chơi của mấy hãng nhà giàu - nơi mà động cơ từng được thiết kế để đạt 20000rpm.



Có thể thấy, xe mạnh hay xe yếu cỡ nào thì với tay dên bằng thép và bài bền kiểu thương mại thì tốc độ thụt của piston sẽ nằm trong ngưỡng mình vừa nêu, vậy vì sao có ngưỡng này?

Các bạn cũng biết cây dên không di chuyển theo đường thẳng, và trong lúc piston di chuyển từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới hay từ điểm chết dưới lên điểm chết trên dên sẽ lôi piston (hoặc piston đẩy dên) theo 1 hướng chéo, dĩ nhiên do trong lòng xi lanh nên piston sẽ thụt thẳng. Từ đó xuất hiện áp lực từ xéc măng lên thành xi lanh (gọi là sideway force) và sinh ra lực ma sát giữa xéc măng với thành xi lanh. Chưa kể ở kì sinh công thì piston sẽ nén một lực cực mạnh xuống tay dên nữa.



Ở tốc độ càng cao thì áp lực tác động vào thành xi lanh sẽ càng cao khiến lực ma sát này càng lúc càng lớn hơn, nếu tốc độ quá cao đến ngưỡng lớp nhớt ngăn cách không còn đủ dày sẽ khiến mau mòn xi lanh và xéc măng, vượt ngưỡng nữa có thể làm trầy trái và lòng dẫn đến lúp bê hỏng xe.



Ngoài ra, tốc độ máy cao cũng khiến cho áp lực làm việc của những vị trí tiếp xúc trong động cơ tăng lên, ví dụ như chốt ắc piston, nếu áp suất nhớt cấp không đủ thì cũng khiến lực ma sát làm mòn và phá hủy những chi tiết này.



Cái sideway force có thể giải quyết bằng việc thay đổi tỉ số rod to stroke ratio (độ dài tay dên/hành trình piston) nhưng lại làm cho tay dên quá nặng, quá hao năng lượng ở tốc độ cao và một lần nữa tua máy lại phải bị hãm để có được tỉ lệ sức mạnh/độ bền tối ưu nhất.

2. DAO ĐỘNG CON LẮC - TAY DÊN BỊ KÉO NÉN THEO CHU KÌ




Hãy tưởng tượng đến con lắc dao động, một bài toán vật lí phổ biến ở cấp 3, trong mỗi chu kì con lắc thay đổi giữa 2 trạng thái cơ năng và thế năng. Từ đó lực căng dây T cũng thay đổi theo.
Khi piston di chuyển lên hoặc xuống cũng giống như 1 chu kì của con lắc, và tay dên sẽ liên tục bị kéo nén trong mỗi chu kì, gọi là thay đổi ứng suất tác động lên tay dên. Và khi này thì mình nhắc quá trình phá hủy mỏi của vật liệu:

“Quá trình phá hủy mỏi xảy ra khi chi tiết máy chịu ứng suất thay đổi. Quá trình phá hủy mỏi bắt đầu từ những vết nứt rất nhỏ (vết nứt tế vi) sinh ra từ vùng chi tiết máy (ở đây là tay dên) chịu ứng suất tương đối lớn. Khi số chu trình làm việc của chi tiết tăng lên thì các vết nứt này cũng mở rộng dần, chi tiết máy ngày càng bị yếu và cuối cùng xảy ra gãy hỏng chi tiết máy.
Hiện tượng phá hủy mỏi được phát hiện ra từ giữa thế kỷ 19 và giới hạn mỏi được coi là một trong những chỉ tiêu tính toán chủ yếu để xác định kích thước chi tiết máy. Thực tiễn sử dụng máy cho thấy khoảng 90% các tổn thất của chi tiết do các vết nứt mỏi gây ra” - theo Wikipedia.



Hình mình vừa để phía bên trên là đường cong mỏi: Đường cong mỏi thể hiện mối quan hệ giữa ứng suất (ứng suất trung bình hoặc ứng suất lớn nhất) và số chu kỳ thay đổi ứng suất N của chi tiết máy tới khi hỏng hoàn toàn.

Từ đồ thị ta thấy ứng suất càng cao thì tuổi thọ càng giảm. Khi ứng suất vượt qua giá trị σk số chu kỳ ứng suất giảm mạnh. Trị số σk gọi là giới hạn mỏi ngắn hạn của vật liệu.

Ứng suất càng giảm thì số chu kỳ ứng suất càng tăng. Khi ứng suất giảm đến giá trị σo thì đường cong mỏi gần như nằm ngang tức là số chu kỳ ứng suất có thể tăng lên rất lớn mà chi tiết không bị gãy hỏng. Trị số σo gọi là độ bền dài hạn của chi tiết máy. Ứng với σo là số chu kỳ cơ sở No. Số này sẽ được dùng để chọn rpm để động cơ bền nhất có thể, và sau một hệ số an toàn của nhà sản xuất, con số này lại một lần nữa bị giảm lại.

Lí thuyết nhì nhằng là thế, tóm gọn là nếu chúng ta tăng lớn hơn con số tua máy hãm sẽ khiến ứng suất tăng lên, khi đó số chu kì ứng suất giảm, tay dên mau bị hư hỏng hơn. Nếu tăng quá mức, ứng suất lọt vào giới hạn mỏi ngắn của vật liệu (vòng tua quá cao) thì dên sẽ đứt ngay sau vài giây và cục máy nát bét luôn.



Kết
Trên đây mình vừa nêu 2 lí do để người ta phải hãm tua cho động cơ. Có thể các bạn độ xe (theo kiểu mở tua vẫn sử dụng tay dên zin) thấy rằng mở tua máy vẫn bền thì lí do thứ nhất là bạn ít khi chạy đến cái tua máy đó và bạn không ngâm ở đó đủ lâu để biết được sự khác biệt theo thời gian sử dụng. Lí do thứ 2 là với xe phổ thông mấy anh Nhật Bổn sản xuất thì lòng trái dên nó có thể bền lên đến 100000 miles lận tức là 160000 km, nếu vận hành đúng kĩ thuật. Thường thì chả ai xài xe tới đó cả và ví lí do vận hành bảo dưỡng kém lòng trái ắc dên ắc piston blablabla nó đi đời nhà ma phải thay cả bộ rồi.

Nguồn: ACCEL Motorsports