Thanh truyền

 
Thanh truyền (tiếng Anh: "connecting rod"), hay còn gọi là biên, tay biên, tay dên (từ tiếng Pháp: "bielle"), là một bộ phận của động cơ piston, có nhiệm vụ kết nối piston với trục 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. Thanh truyền được dùng chủ yếu trong các động cơ đốt trong hoặc động cơ hơi nước.
Nguồn gốc.
Thanh truyền xuất hiện lần đầu tiên vào thế kỷ thứ 3 sau Công Nguyên khi được sử dụng trong máy cưa xẻ đá Hierapolis. Thanh truyền cũng được sử dụng trong những xưởng cưa cổ ở vùng Ephesus và Jerash thuộc Đế quốc Đông La Mã. Cơ cấu thanh truyền – tay quay biến chuyển động quay của bánh xe nước thành chuyển động tịnh tiến của lưỡi cưa.
Ở nước 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 học Taccola. Việc hiểu đúng chuyển động của thanh truyền được thể hiện bởi hoạ sĩ Pisanello qua mô tả một bơm piston chạy bằng bánh xe nước và hai bộ thanh truyền – tay quay đơn giản.
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 thời Phục 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.
Thanh truyền còn xuất hiện trong những bản vẽ được tìm thấy ở Vương quốc Artuqids (Thổ Nhĩ Kỳ ngày nay) vào giai đoạn 1174–1206 sau CN, khi nhà phát minh Al-Jazari mô tả một loại máy kết hợp thanh truyền và trục khuỷu vào hệ thống máy bơm nước.
Động cơ hơi nước.
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. 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).
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). Thanh truyền sử dụng trong động cơ đầu máy chạy bằng diesel được gọi là cần nối ("side rod" or "coupling rod"). Trong những động cơ hơi nước loại nhỏ, thanh truyền thường có tiết diện cắt hình chữ nhật, tuy nhiên, vẫn có loại sử dụng thanh truyền tiết diện tròn thường dùng trong động cơ tàu biển. Đối với loại tàu 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.
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"). để giảm ma sát; tuy nhiên, ở một số động cơ nhỏ hơn, ổ trượt sẽ được thay bằng vòng 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 bơm dầu nhờn giúp bôi trơn hành trình di chuyển của piston và vòng 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.
Trong những động cơ xe hơi, thanh truyền thường làm bằng thép. Những loại động cơ hiệu năng cao sử dụng thanh truyền nguyên khối đặc vốn được gia công từ nguyên phôi kim loại thay vì đúc hoặc rèn khuôn.
Những loại vật liệu khác dùng chế tạo thanh truyền là hợp kim nhôm T6-2024 hoặc T651-7075, có ưu điểm nhẹ và dễ hấp thụ lực tác động, tuy nhiên lại không bền. Titan cũng 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 như xe gắn máy.
Những vấn đề khi sử dụng.
Trong mỗi vòng quay của trục khuỷu, thanh truyền sẽ chịu loại áp lực lớn và liên tục lặp lại: lực trượt gây ra do góc tạo bởi piston và chốt khuỷu, lực nén của piston khi di chuyển hướng xuống, và lực kéo khi piston di chuyển hướng lên. Tổng lực tác động bằng bình phương giá trị vận tốc động cơ (RPM).
Khi thanh truyền bị gãy, thanh truyền sẽ đâm vào thành cácte và gây hư hỏng động cơ đến mức không thể sửa được. 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 vào xupap (gây ra do cơ cấu chấp hành xupap bị hỏng), hoặc do vòng bạc bị hỏng (do vấn đề bôi trơn hoặc cách lắp đặt thanh truyền không đúng).
Hiện tượng mòn xi lanh.
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 thước thân 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.
Động cơ piston hướng kính thường sử dụng hệ thống thanh truyền chính–phụ ("master-and-slave rod"), hay còn gọi là thanh truyền hình sao ("articulated connecting rod"), 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, như động cơ V12, không có đủ không gian chứa ổ trục cho 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 một cổ 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.
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 trong Chiến tranh thế giới thứ hai. Động cơ này có 6 dãy 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.
Hệ thống thanh truyền hình nạng (tiếng Anh: "Fork-and-blade rod, split big-end rods") được sử dụng trong động cơ xe máy chữ V 2 xi lanh ("V-twin") và động cơ máy bay V12. 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 bay Rolls-Royce Merlin V12 và động cơ xe máy chữ V 2 xi lanh của hãng Harley-Davidson.