Trong cấu tạo phức tạp của động cơ ô tô, trục cam đóng vai trò không thể thiếu trong việc điều khiển hoạt động của các xupap nạp và xả. Hiểu rõ về bộ phận quan trọng này giúp chúng ta đánh giá đúng hiệu suất và sự vận hành ổn định của xe. Trục cam chính là “người chỉ huy” thời điểm mở đóng các cửa nạp, xả khí, đảm bảo quá trình đốt cháy diễn ra tối ưu.
Vai trò cốt lõi của trục cam trong động cơ
Trục cam (Camshaft) là bộ phận cơ khí có nhiệm vụ chính là điều khiển thời điểm và hành trình nâng của các xupap nạp và xả trong xi lanh động cơ đốt trong. Hoạt động chính xác của trục cam quyết định lượng hòa khí đi vào buồng đốt và lượng khí thải thoát ra ngoài. Nó đồng bộ hóa chuyển động của xupap với chuyển động của piston, đảm bảo mỗi kỳ (nạp, nén, nổ, xả) diễn ra đúng thời điểm.
Sai lệch dù nhỏ trong thời điểm mở/đóng xupap do trục cam sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất đốt cháy, công suất động cơ, mức tiêu hao nhiên liệu và lượng khí thải. Một trục cam được thiết kế và hoạt động tối ưu sẽ giúp động cơ đạt hiệu suất cao nhất ở các dải tốc độ khác nhau.
Trục cam là bộ phận then chốt điều khiển xupap động cơTrục cam được xem là một trong hai bộ phận quan trọng nhất của cơ cấu phân phối khí, làm việc chặt chẽ cùng trục khuỷu.
Cấu tạo chi tiết của trục cam ô tô
Cấu tạo của trục cam có thể khác nhau tùy thuộc vào loại động cơ và thiết kế cụ thể của nhà sản xuất, tuy nhiên, về cơ bản, nó bao gồm các thành phần chính và được chế tạo từ vật liệu có độ bền cao để chịu được môi trường làm việc khắc nghiệt bên trong động cơ.
Các thành phần chính: Cổ trục và vấu cam
Hai bộ phận cấu thành nên trục cam là cổ trục và vấu cam (hay còn gọi là thùy cam). Cổ trục là phần hình trụ, nhẵn dùng để lắp vào các ổ đỡ trên thân máy hoặc nắp quy lát. Các ổ đỡ này thường sử dụng bạc lót làm từ hợp kim chống mài mòn như đồng thanh hoặc hợp kim babit, giúp giảm ma sát trong quá trình trục cam quay ở tốc độ cao. Kích thước và khoảng cách giữa các cổ trục được tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo trục cam được đỡ vững chắc và quay trơn tru.
<>Xem Thêm Bài Viết:<>- Xe ô tô Mitsubishi Fuso: Đánh giá chi tiết từ A đến Z
- Xăng E5: Lựa chọn nhiên liệu an toàn cho xe máy
- Cách Thay Nhớt Xe Ô Tô Tại Nhà Chuẩn Xác Nhất
- Trải Nghiệm Xe Khách Đồng Hới Đi Hải Phòng Tiện Lợi
- Bài Thi Lấy Bằng Lái Xe Máy Ô Tô: Hướng Dẫn Toàn Diện
Các vấu cam là các phần nhô ra có hình dạng đặc biệt được bố trí dọc theo trục. Chính hình dạng của vấu cam quyết định thời điểm, tốc độ và quãng đường nâng của xupap. Có nhiều hình dạng vấu cam khác nhau như cam lồi, cam tiếp tuyến, cam lõm, mỗi loại mang lại đặc tính hoạt động khác nhau cho xupap. Trên các động cơ hiện đại, các vấu cam thường được chế tạo liền khối với trục để đảm bảo độ chính xác cao và khả năng chịu lực tốt. Đối với động cơ cỡ lớn tốc độ thấp, vấu cam đôi khi được làm rời và lắp ghép lên trục.
Cấu tạo cơ bản của trục cam gồm cổ trục và các vấu camHình dạng và kích thước của vấu cam quyết định đặc tính đóng mở của xupap, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất nạp/xả.
Vật liệu chế tạo và quy trình sản xuất
Do phải hoạt động liên tục dưới tải trọng lớn và nhiệt độ cao, đồng thời chịu ma sát đáng kể với các con đội xupap, trục cam thường được chế tạo từ các loại vật liệu có độ bền cơ học cao, khả năng chống mài mòn và chịu nhiệt tốt. Thép hợp kim rèn hoặc gang đúc đặc biệt (gang trắng, gang hợp kim) là những vật liệu phổ biến được sử dụng. Gang đúc thường được xử lý nhiệt đặc biệt để bề mặt vấu cam đạt độ cứng cao, giúp tăng tuổi thọ.
Quá trình sản xuất trục cam đòi hỏi độ chính xác rất cao, đặc biệt là profile (hình dạng) của vấu cam. Sau khi đúc hoặc rèn, trục cam trải qua các bước gia công cơ khí như tiện, phay, mài để đạt kích thước và hình dạng mong muốn. Công đoạn mài vấu cam là cực kỳ quan trọng, quyết định trực tiếp đến đặc tính hoạt động của xupap. Cuối cùng, trục cam thường được nhiệt luyện bề mặt (như thấm cacbon, tôi cao tần) để tăng độ cứng và khả năng chống mài mòn cho các vấu cam và cổ trục.
Phân loại trục cam phổ biến trên ô tô
Trên các động cơ ô tô hiện đại, trục cam được bố trí ở vị trí khác nhau tùy theo thiết kế, phổ biến nhất là loại đặt trên nắp quy lát. Dựa vào số lượng trục cam trên mỗi dãy xi lanh, động cơ thường được phân loại thành SOHC và DOHC.
Động cơ SOHC (Single OverHead Camshaft) sử dụng một trục cam duy nhất đặt trên đỉnh (nắp quy lát) để điều khiển tất cả các xupap nạp và xả của một dãy xi lanh. Cấu trúc này tương đối đơn giản, gọn nhẹ và chi phí sản xuất thấp hơn.
Động cơ DOHC (Double OverHead Camshaft) sử dụng hai trục cam đặt trên đỉnh (nắp quy lát) cho mỗi dãy xi lanh. Một trục chuyên điều khiển xupap nạp và trục còn lại điều khiển xupap xả. Bố trí DOHC cho phép thiết kế buồng đốt hiệu quả hơn, thường cho phép sử dụng nhiều xupap hơn trên mỗi xi lanh (ví dụ: 4 xupap/xi lanh) và kiểm soát thời điểm đóng mở xupap linh hoạt hơn, góp phần tăng công suất và hiệu quả hoạt động ở dải tốc độ cao. Động cơ DOHC hiện nay rất phổ biến trên các dòng xe du lịch nhờ khả năng tối ưu hiệu suất.
Các phương pháp dẫn động trục cam
Để hoạt động, trục cam cần nhận chuyển động quay từ trục khuỷu. Tùy thuộc vào vị trí đặt trục cam và thiết kế động cơ, có ba phương pháp dẫn động chính được sử dụng: dẫn động trực tiếp bằng bánh răng, dẫn động gián tiếp bằng xích và dẫn động gián tiếp bằng đai (dây curoa).
Dẫn động trực tiếp bằng bánh răng
Đây là phương pháp dẫn động lâu đời và đơn giản nhất, thường được áp dụng cho các động cơ có trục cam đặt gần trục khuỷu, ví dụ như động cơ OHV (OverHead Valve) cũ hoặc các động cơ công nghiệp cỡ lớn. Hệ thống này sử dụng một bộ bánh răng ăn khớp trực tiếp hoặc thông qua một vài bánh răng trung gian để truyền chuyển động từ trục khuỷu lên trục cam.
Với động cơ 4 kỳ, trục cam chỉ cần quay một vòng để hoàn thành chu trình nạp-nén-nổ-xả của một xi lanh, trong khi trục khuỷu quay hai vòng. Do đó, bánh răng trên trục cam có đường kính gấp đôi bánh răng trên trục khuỷu. Đối với động cơ 2 kỳ, tỉ lệ truyền thường là 1:1. Ưu điểm của dẫn động bánh răng là độ bền cao, độ chính xác ổn định. Tuy nhiên, nhược điểm là gây tiếng ồn lớn, khó bố trí trong không gian hẹp của động cơ hiện đại và ít linh hoạt trong thiết kế.
Dẫn động trục cam bằng bánh răngHệ thống dẫn động bánh răng thường được sử dụng trong các động cơ cỡ lớn đòi hỏi độ bền cao.
Dẫn động gián tiếp qua xích hoặc đai
Các phương pháp dẫn động gián tiếp phổ biến hơn trên các động cơ hiện đại, đặc biệt là động cơ SOHC và DOHC, nơi trục cam thường được đặt ở xa trục khuỷu, trên nắp quy lát.
Dẫn động bằng xích (cam chain) sử dụng một sợi xích kim loại kết nối bánh răng trên trục khuỷu với bánh răng trên trục cam (hoặc các trục cam trong trường hợp DOHC). Hệ thống này cần có bộ phận căng xích và các dẫn hướng để đảm bảo xích luôn được căng và không bị rung động quá mức, đặc biệt khi thay đổi tốc độ đột ngột. Dẫn động xích có độ bền tương đối cao, không yêu cầu thay thế thường xuyên như dây đai, tuy nhiên vẫn có thể gây ra tiếng ồn nhất định sau thời gian sử dụng.
Dẫn động trục cam bằng xíchDẫn động bằng xích là lựa chọn cân bằng giữa độ bền và sự linh hoạt trong bố trí.
Dẫn động bằng đai (timing belt hoặc cam belt) sử dụng một dây đai bằng cao su tổng hợp hoặc vật liệu composite gia cường, có răng để ăn khớp với các puli trên trục khuỷu và trục cam. Ưu điểm nổi bật của dẫn động bằng đai là hoạt động rất êm ái, không cần bôi trơn và dễ dàng bố trí. Đây là lý do nó được sử dụng rộng rãi trên nhiều dòng xe du lịch. Tuy nhiên, nhược điểm chính là dây đai có tuổi thọ giới hạn và cần được thay thế định kỳ theo khuyến cáo của nhà sản xuất (thường sau khoảng 80.000 đến 120.000 km vận hành) để tránh bị đứt, gây hỏng hóc nghiêm trọng cho động cơ do va chạm giữa piston và xupap.
Dẫn động trục cam bằng dây đaiDây đai cam giúp động cơ hoạt động êm ái nhưng đòi hỏi lịch trình bảo dưỡng và thay thế nghiêm ngặt.
Hệ thống điều khiển xupap biến thiên (VVT) và liên kết với trục cam
Để tối ưu hiệu suất hoạt động của động cơ trên toàn bộ dải tốc độ, các nhà sản xuất đã phát triển các hệ thống điều khiển xupap biến thiên (Variable Valve Timing – VVT). Hệ thống này cho phép điều chỉnh thời điểm mở/đóng xupap, hành trình nâng của xupap, hoặc cả hai, tùy thuộc vào điều kiện vận hành của động cơ (tốc độ, tải trọng).
Hệ thống VVT thường hoạt động bằng cách điều chỉnh góc quay tương đối của trục cam so với bánh răng dẫn động của nó. Điều này được thực hiện thông qua một bộ chấp hành (actuator), thường sử dụng áp suất dầu động cơ được điều khiển bởi Bộ điều khiển động cơ (ECU). Bằng cách thay đổi góc này, ECU có thể làm cho xupap nạp hoặc xả mở sớm hơn hoặc muộn hơn so với cài đặt tiêu chuẩn của trục cam.
Ví dụ, ở tốc độ động cơ thấp, VVT có thể trì hoãn việc đóng xupap nạp để tăng lượng hòa khí vào xi lanh. Ở tốc độ cao, nó có thể mở xupap nạp sớm hơn để tối ưu dòng chảy khí. Hệ thống VVT phức tạp hơn có thể thay đổi cả hành trình nâng của xupap, mang lại sự linh hoạt đáng kể trong việc kiểm soát quá trình nạp/xả, dẫn đến tăng công suất, cải thiện hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm lượng khí thải độc hại. Hệ thống VVT là một minh chứng cho sự phát triển công nghệ nhằm tối ưu hóa hiệu suất của trục cam và cơ cấu phân phối khí.
Cảm biến vị trí trục cam và chức năng quan trọng
Trong các động cơ hiện đại được điều khiển bằng ECU, một bộ phận không thể thiếu để đảm bảo trục cam hoạt động đồng bộ chính xác là cảm biến vị trí trục cam (Camshaft Position Sensor – CPS). Cảm biến này cung cấp dữ liệu vital cho bộ điều khiển động cơ để xác định chính xác vị trí của trục cam tại bất kỳ thời điểm nào.
Các loại cảm biến vị trí trục cam và nguyên lý hoạt động
Cảm biến vị trí trục cam thường được bố trí ở một đầu của trục cam hoặc trên vỏ động cơ, hướng về một đĩa tín hiệu được gắn trên trục cam. Có hai loại cảm biến CPS phổ biến: cảm biến hiệu ứng điện từ và cảm biến hiệu ứng Hall.
Cảm biến hiệu ứng điện từ (Magnetic Pickup) gồm một cuộn dây và nam châm. Khi các răng (vấu cực) trên đĩa tín hiệu của trục cam đi qua đầu cảm biến, chúng làm thay đổi từ thông đi qua cuộn dây, tạo ra một tín hiệu điện áp xoay chiều. Tần số và hình dạng của tín hiệu này phụ thuộc vào tốc độ quay và hình dạng của các vấu cực.
Cảm biến hiệu ứng Hall (Hall Effect Sensor) phức tạp hơn một chút, sử dụng nguyên lý Hall. Khi một vật liệu từ tính (như răng trên đĩa tín hiệu) đi qua khe hở giữa nam châm và phần tử Hall trong cảm biến, nó làm thay đổi mật độ từ trường. Sự thay đổi này tạo ra một tín hiệu điện áp (thường là tín hiệu vuông) mà ECU có thể dễ dàng đọc được. Cảm biến Hall thường cho tín hiệu chính xác hơn ở tốc độ động cơ thấp so với cảm biến từ.
Sự phối hợp giữa cảm biến trục cam và trục khuỷu
Dữ liệu từ cảm biến vị trí trục cam (tín hiệu G) được gửi liên tục về ECU. ECU sử dụng tín hiệu này, kết hợp với tín hiệu từ cảm biến vị trí trục khuỷu (tín hiệu Ne – thể hiện tốc độ và vị trí của trục khuỷu), để xác định chính xác xi lanh nào đang ở kỳ nào của chu trình hoạt động (ví dụ: xi lanh số 1 đang ở điểm chết trên cuối kỳ nén hay cuối kỳ xả).
Sự phối hợp dữ liệu từ cả hai cảm biến này cho phép ECU tính toán và điều khiển thời điểm đánh lửa và thời điểm phun nhiên liệu một cách chính xác tuyệt đối cho từng xi lanh. Điều này là cực kỳ quan trọng để tối ưu hóa quá trình đốt cháy, đảm bảo động cơ hoạt động mượt mà, đạt công suất cao nhất có thể với mức tiêu hao nhiên liệu và lượng khí thải thấp nhất. Nếu một trong hai cảm biến này gặp sự cố, ECU sẽ không thể xác định đúng thời điểm, dẫn đến động cơ hoạt động không ổn định, thậm chí không thể khởi động.
Hệ thống trục cam và cảm biến vị tríCảm biến vị trí trục cam thường được đặt gần đĩa tín hiệu trên trục cam.
Dấu hiệu nhận biết trục cam hoặc cảm biến gặp vấn đề
Mặc dù trục cam là bộ phận có độ bền cao, nhưng sau thời gian dài sử dụng hoặc do thiếu bảo dưỡng, nó cùng các bộ phận liên quan như vấu cam, ổ đỡ, cơ cấu dẫn động hay cảm biến vị trí có thể gặp trục trặc. Nhận biết sớm các dấu hiệu này giúp tránh được những hư hỏng nặng hơn cho động cơ.
Một số dấu hiệu phổ biến cho thấy trục cam hoặc cảm biến vị trí của nó có thể đang gặp vấn đề bao gồm: đèn báo lỗi động cơ (Check Engine Light) sáng lên trên bảng táp-lô (thường đi kèm với mã lỗi liên quan đến cảm biến vị trí trục cam hoặc trục khuỷu, hoặc lỗi đồng bộ hóa); động cơ khó khởi động hoặc không khởi động được; động cơ chạy không tải không ổn định (rung giật); giảm công suất và khả năng tăng tốc của xe; động cơ bị bỏ máy (misfire); đôi khi có thể nghe thấy tiếng động bất thường từ khu vực nắp quy lát hoặc cơ cấu dẫn động trục cam.
Khi gặp các dấu hiệu này, việc kiểm tra và chẩn đoán bởi kỹ thuật viên chuyên nghiệp là cần thiết để xác định chính xác nguyên nhân và khắc phục kịp thời. Việc chậm trễ có thể dẫn đến hư hỏng nặng hơn và chi phí sửa chữa tốn kém.
FAQ về Trục Cam Động Cơ Ô tô
-
Trục cam có chức năng gì trong động cơ?
Trục cam điều khiển thời điểm mở và đóng của các xupap nạp và xả, đảm bảo hòa khí đi vào buồng đốt và khí thải thoát ra đúng lúc, đồng bộ với chuyển động của piston. -
Sự khác biệt chính giữa động cơ SOHC và DOHC là gì?
Động cơ SOHC sử dụng một trục cam trên mỗi dãy xi lanh, trong khi động cơ DOHC sử dụng hai trục cam trên mỗi dãy xi lanh (một cho xupap nạp, một cho xupap xả). DOHC thường cho phép kiểm soát xupap linh hoạt hơn và thường đi kèm với nhiều xupap hơn trên mỗi xi lanh. -
Có những phương pháp dẫn động trục cam nào phổ biến?
Các phương pháp dẫn động phổ biến là dẫn động trực tiếp bằng bánh răng, dẫn động gián tiếp bằng xích và dẫn động gián tiếp bằng đai (dây curoa). -
Tại sao cảm biến vị trí trục cam lại quan trọng?
Cảm biến vị trí trục cam cung cấp dữ liệu về vị trí trục cam cho ECU, giúp ECU xác định xi lanh nào đang ở kỳ nào. Thông tin này, kết hợp với dữ liệu từ cảm biến trục khuỷu, cho phép ECU tính toán thời điểm đánh lửa và phun nhiên liệu chính xác cho từng xi lanh. -
Khi nào cần thay dây đai cam (timing belt)?
Dây đai cam có tuổi thọ giới hạn và cần được thay thế định kỳ theo khuyến cáo của nhà sản xuất, thường là sau mỗi 80.000 đến 120.000 km hoặc một số năm nhất định, tùy điều kiện nào đến trước. -
Dấu hiệu nhận biết trục cam hoặc cảm biến trục cam bị hỏng là gì?
Các dấu hiệu có thể bao gồm đèn báo lỗi động cơ sáng, động cơ khó khởi động hoặc không nổ, chạy không tải không ổn định, giảm công suất, động cơ bị bỏ máy hoặc có tiếng động bất thường. -
Hệ thống VVT liên quan gì đến trục cam?
Hệ thống VVT (Variable Valve Timing) là công nghệ cho phép điều chỉnh thời điểm hoặc hành trình nâng của xupap bằng cách thay đổi góc quay tương đối của trục cam so với bánh răng dẫn động của nó, nhằm tối ưu hiệu suất động cơ ở các điều kiện hoạt động khác nhau. -
Vật liệu chế tạo trục cam là gì?
Trục cam thường được chế tạo từ thép hợp kim rèn hoặc gang đúc đặc biệt (gang trắng, gang hợp kim) nhờ độ bền, khả năng chống mài mòn và chịu nhiệt tốt. -
Trục cam có ảnh hưởng đến mức tiêu hao nhiên liệu không?
Có. Hoạt động chính xác của trục cam giúp tối ưu hóa quá trình nạp/xả và đốt cháy, từ đó ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả sử dụng nhiên liệu của động cơ.
Tóm lại, trục cam cùng với các hệ thống liên quan như cảm biến và cơ cấu dẫn động đóng vai trò then chốt, đảm bảo động cơ ô tô hoạt động nhịp nhàng, hiệu quả. Việc hiểu rõ về bộ phận này giúp người dùng xe có cái nhìn sâu sắc hơn về ‘trái tim’ của chiếc xe. Tại Brixton Việt Nam, chúng tôi luôn cập nhật những thông tin hữu ích về xe và kỹ thuật để chia sẻ cùng cộng đồng.
