Cấu tạo và nguyên lý dẫn động trục cam trên động cơ ô tô

Trục cam có vai trò quyết định đến chất lượng quá trình cháy và hiệu suất của động cơ.

Cấu tạo trục cam

Trục cam có cấu tạo bao gồm các vấu cam nạp, cam thải và cổ trục. Các vấu cam trên trục cam được bố trí phù hợp với thứ tự làm việc của các xy-lanh. Biên dạng cam phụ thuộc vào thời điểm đóng mở xu páp và trị số của tiết diện lưu thông dòng khí. Thông thường cam có biên dạng đối xứng, chiều cao vấu cam có tính chất quyết định đến độ mở của xu páp. Các cam có biên dạng thông dụng như cam lồi cung tròn, cung parabol, cam tiếp tuyến, cam lõm, cam không va đập…

Vấu cam

Vấu cam có thể được chế tạo liền với trục cam. Ở những động cơ tốc độ thấp có kích thước lớn, các vấu cam thường được làm rời sau đó lắp lên các trục. Các bề mặt làm việc của cam được gia công với yêu cầu kỹ thuật, độ chính xác rất cao và được nhiệt luyện để giảm ma sát và mài mòn.

Vật liệu chế tạo

Khi chế tạo các vấu cam rời, trục cam thường được dập bằng thép, khi chế tạo cam và trục liền khối, trục cam có thể dập bằng thép hoặc đúc bằng gang chuyên dùng.

Các cổ trục

Đây là nơi lắp ráp ổ đỡ, thông thường là ổ trượt với lớp hợp kim ba bít chống mòn hoặc hợp kim đồng thanh. Khi trục cam được lắp theo kiểu luồn vào các ổ đỡ thì các cổ trục được làm to, sao cho có thể luồn trục qua các bạc lót của ổ đỡ. Để định vị trục cam theo chiều trục, có thể có vành chặn ở đầu trục hoặc dùng vít chặn,… Ngày nay trên động cơ tiên tiến của nhiều hãng xe, pha phối khí và hành trình xu páp được điều khiển một cách rất linh hoạt, trục cam được bố trí các cơ cấu chấp hành kết hợp với cảm biến, nhờ vậy góc quay của trục cam được điều khiển chính xác nhằm thu được quá trình phân phối khí tối ưu nhất. Kết cấu trục cam cũng có nhiều thay đổi, trục cam sử dụng hai loại vấu cam (vấu cam tốc độ thấp và vấu cam tốc độ cao). Tùy theo điều kiện làm việc cụ thể của động cơ mà sử dụng loại vấu cam phù hợp. Cơ cấu chuyển vấu cam được lắp giữa cò mổ và trục cam. Các công nghệ như VVTL-i của Toyota, VTEC của Honda, MIVEC của Mitsubishi, VALVETRONIC của BMW, VVEL của Nissan lần lượt xuất hiện đã khẳng định tầm quan trọng của kết cấu trục cam.

Dẫn động trục cam

Dẫn động trục cam phụ thuộc vào vị trí đặt trục cam trên động cơ, công suất và bí quyết công nghệ của các hãng chế tạo xe hơi. Các kiểu dẫn động trục cam phổ biến là: dẫn động trục cam bằng bộ truyền bánh răng, bộ truyền xích và bộ truyền đai. Khi mà trục cam nằm ở phía trên nắp máy thì khoảng cách từ trục khuỷu của động cơ đến trục cam là tương đối lớn. Vì vậy nếu sử dụng bộ truyền bánh răng sẽ dẫn đến bố trí rất phức tạp, phương án tối ưu được đưa ra là sử dụng bộ truyền đai hoặc bộ truyền xích.

Mặt khác, khi động cơ có công suất lớn, trục cam được bố trí trong thân máy. Khoảng cách trục không lớn phương án được lựa chọn sẽ là bộ truyền xích hoặc bộ truyền bánh răng. Điều này đảm bảo sự làm việc tin cậy của trục cam. Bộ truyền bánh răng có thể truyền mô-men lớn từ trục khuỷu và giảm được mất mát công suất của động cơ. Các động cơ cỡ nhỏ thường sử dụng bộ truyền xích hoặc đai răng.

Dẫn động bằng bộ truyền bánh răng

Bánh răng được lắp ở đầu trục khuỷu của động cơ hoặc đuôi trục khuỷu, ở mỗi phương án đều có ưu và nhược điểm riêng. Thông thường, để kết cấu dẫn động đơn giản thì bánh răng được lắp ở đầu trục khuỷu. Tuy nhiên, cơ cấu này sẽ chịu ảnh hưởng của hiện tượng dao động xoắn. Bộ truyền bánh răng có thể bao gồm hai cặp bánh răng ăn khớp trực tiếp hoặc qua bánh răng trung gian. Đối với động cơ 4 kỳ hai vòng quay của trục khuỷu tương ứng một vòng quay của trục cam nên tỷ số truyền của các cặp bánh răng này bằng hai, với động cơ hai kỳ tỷ số truyền bằng một. Ưu điểm của dẫn động bằng bánh răng là có độ bền và tuổi thọ cao, hiệu suất lớn, kết cấu đơn giản, tuy nhiên nó có nhược điểm là gây ra tiếng ồn và khó bố trí khi dẫn động với khoảng cách trục lớn. Các bánh răng dẫn động trục cam thường là các bánh răng trụ răng nghiêng để giảm ồn và kích thước chiều trục. Bộ truyền bánh răng được sử dụng chủ yếu trên các động cơ cỡ lớn như ôtô tải hoặc tàu thủy…

Dẫn động bằng bộ truyền xích

Bộ truyền xích có thể được sử dụng để dẫn động cho trục cam ở nắp máy hoặc trong thân máy. Ưu điểm của bộ truyền xích là kết cấu gọn nhẹ và truyền động dễ dàng ở khoảng cách trục lớn. Nhưng nhược điểm cơ bản của bộ truyền xích là dễ bị rung động khi thay đổi tải và gây ra tiếng ồn. Giá thành của bộ truyền xích tương đối cao, làm việc lâu dài thường dẫn đến hiện tượng rão do mòn con lăn, chốt xích dẫn đến phải thay mới bộ truyền.

Quá trình làm việc bộ truyền xích cần được bôi trơn và sử dụng bộ phận dẫn hướng, giảm chấn. Ngoài ra để đảm bảo cho xích luôn có độ căng nhất định cần phải có cơ cấu căng xích tự động hoặc có thể điều chỉnh được.

Dẫn động bằng bộ truyền đai

Bộ truyền đai thường được sử dụng khi trục cam được đặt phía trên nắp máy và phổ biến ở các dòng xe du lịch, xe tải nhỏ. Ưu điểm nổi bật của dẫn động đai là làm việc êm dịu, không cần bôi trơn và không đòi hỏi phải điều chỉnh độ căng trong quá trình sử dụng. Dây đai có giá thành thấp, nhẹ hơn nhiều so với các bánh răng hay xích. Tuy nhiên, tuổi thọ và độ bền của dây đai thấp hơn so với bộ truyền bánh răng và bộ truyền xích nên sau một thời gian sử dụng theo khuyến cáo của nhà sản xuất cần được thay mới.