Nguyên lý hoạt động của trục cam ô tô

Trục cam là bộ phận quan trọng có vai trò tăng khả năng tối ưu hiệu suất động cơ. Tuy nhiên, không phải ai cũng biết rõ về bộ phận này. Vậy trục cam là gì? Cấu tạo, dẫn động và nguyên lý làm việc như thế nào?

1. Trục cam là gì?

Trục cam là bộ phận cơ học thuộc phân phối khí trong động cơ đốt trong, có chức năng truyền năng lượng từ phần tử này sang phần tử khác. Đây cũng là bộ phận quan trọng, được sử dụng để vận hành xupap, góp phần tăng khả năng tối ưu hiệu suất động cơ.  

Trục cam được vận hành nhờ sự trợ giúp của trục khuỷu với tốc độ xấp xỉ một nửa tốc độ của trục khuỷu. Cấu tạo trục cam bao gồm ba bộ phận: các vấu cam nạp, cam thải và các cổ trục. Trong đó, các vấu cam thường được bố trí khớp với thứ tự làm việc của các xi lanh. Còn chiều cao vấu cam mang tính chất quyết định độ mở của xupap và biên dạng cam thường có dạng đối xứng. 

Ngoài ra, tùy theo trị số đóng mở của tiết diện lưu thông qua dòng khí và thời điểm xupap, bộ phận này có những biên dạng khác. 

Trục cam có ba chức năng chính: 

- Thúc đẩy việc ở van đầu vào trong quá trình hút

- Mở van xả trong quá trình xả;

- Đóng cả hai van trong thời gian còn lại

2. Vật liệu chế tạo trục cam

Thiết bị này thường được chế tạo từ hai loại vật liệu chính:

- Đúc gang trắng: Loại này thường được sử dụng trong sản xuất quy mô lớn. Quá trình tôi cho ra độ cứng tốt nên trục cam làm từ gang trắng có khả năng chống mài mòn cao. Ngoài ra còn có những yếu tố khác được thêm vào gang để phù hợp trong các ứng dụng khác nhau.

- Thép phôi thanh: Chất liệu liệu này thường được ưu tiên hơn khi cần một trục cam chất lượng cao hoặc sản xuất đơn chiếc. Quá trình chế tạo từ thép phôi thanh sẽ mất nhiều thời gian và chi phí hơn. Tuy nhiên, sản phẩm làm ra lại có chất lượng vượt trội hơn nhiều. 

3. Vị trí trục cam

Tùy vào các loại xe mà cảm biến vị trí của bộ phận này lại khác nhau. Cảm biến này có thể nằm ở nắp dàn cò hoặc bên cạnh. Trong các động cơ xăng hiện đại, vị trí phổ biến là ở đỉnh xi lanh và ở nắp hộp chứa trục cam. 

Cam có thể vận hành trực tiếp các van hoặc thông qua liên kết giữa thanh lắc và cần đẩy, tùy theo vị trí của trục. Cơ cấu hoạt động này giúp người dùng dễ thao tác và ít xảy ra sự cố hơn nhưng với điều kiện trục cam phải được đặt ở đầu các xi lanh. 

4. Cấu tạo của trục cam

Cấu tạo chi tiết của thiết bị này gồm các bộ phận như sau:

- Trục lái: Hay còn gọi là trục truyền động, là bộ phận cung cấp chuyển động cho cả cụm. Trục lái có thể vận hành độc lập nhưng hầu hết sẽ được nối với trục khuỷu bằng dây đai.

- Trục: Đây là bộ phận hỗ trợ giữ tất cả các thành phần khác, có khả năng chịu tải mỏi cao khi động cơ đang chạy.

- Vòng bi: Là yếu tố quan trọng trong việc giữ trục ở vị trí chính xác, làm giảm tổn thất ma sát trong quá trình hoạt động. Một đầu của vòng bi sẽ được cung cấp dầu để thay dầu liên tục cho trục cam.

- Cam: Đây là bộ phận chính của lắp ráp, luôn được đóng và mở bởi các van vào đúng thời điểm.

- Thùy: Thùy có vai trò đóng mở các van nạp và thải khí. Tốc độ của thùy phụ thuộc vào tốc độ động cơ hiện tại.

- Tấm đẩy: Tấm đẩy nằm ở phía bên phải, được gắn giữa cam và bánh răng thời gian. Tấm đẩy được gắn trên nắp trước để chuẩn xác theo khe hở chiều .

- Xích chuỗi: Nhông xích này được gắn vào một đầu của trục cam trong động cơ đốt trong. Cùng với đai định thời và đĩa xích trục khuỷu, xích chuỗi có chức năng duy trì thời gian giữa trục cam và trục khuỷu.

5. Nguyên lý hoạt động của trục cam

5.1. Dẫn động trục cam bằng bộ truyền bánh răng

Nếu giữa trục cam và trục khuỷu tồn tại khoảng cách nhỏ, một bộ truyền động bánh răng được sử dụng để dẫn động trục. Trong trường hợp này, chiều quay của trục cam có xu hướng ngược lại với chiều quay của trục khuỷu.

Phương pháp này có rất nhiều ưu điểm: kết cấu đơn giản, hiệu suất, độ bền và tuổi thọ rất cao nhưng cũng có nhiều hạn chế trong việc bố trí dẫn động và gây ra tiếng ồn to.

5.2. Dẫn động trục cam trên ô tô bằng bộ truyền xích

Dẫn động trục cam trên ô tô bằng bộ truyền xích được áp dụng khi giữa trục cam và trục khuỷu tồn tại một khoảng cách đáng kể. Khi đó, một đĩa xích sẽ truyền năng lượng từ trục khuỷu sang trục cam. Cả trục cam và trục khuỷu đều quay cùng chiều. Nếu dùng phương pháp này, cần có bộ căng xích để tránh tình trạng lỏng lẻo vì khi xích bị lỏng, năng lượng sẽ không được truyền từ trục khuỷu sang trục cam.

Cách dẫn động trục cam này có ưu điểm gọn nhẹ, dễ dàng truyền động ở khoảng cách trục lớn. Nhược điểm của kiểu dẫn động này là dễ bị rung động khi thay đổi tải và gây ra tiếng ồn lớn.

5.3. Dẫn động trục cam bằng dây curoa

Cách dẫn động trục cam bằng dây curoa khá giống cách dẫn động qua truyền động xích. Tuy nhiên, thay vì sử dụng dây xích thì sẽ sử dụng dây curoa.

Cơ cấu truyền động này thường phổ biến hơn trong trường hợp trục cam lắp trên cao, cần một bộ căng dây để đảm bảo dây có độ căng khi sử dụng. 

Ưu điểm của kiểu dẫn động này là hoạt động êm, không cần bôi trơn, không cần điều chỉnh độ căng. Hơn nữa chi phí mua dây curoa cũng thấp hơn nhiều so với bánh răng hay dây xích. Tuy nhiên, độ bền và tuổi thọ lại kém hơn.

Với cấu tạo và kết cấu linh hoạt, trục cam hoạt động tốt trong cường độ cao ở môi trường khắc nghiệt, đảm bảo đóng mở các xupap một cách chính xác. Nhờ vậy hiệu suất vận hành của xe được nâng cao, tiết kiệm nhiên liệu và đem lại trải nghiệm tối ưu cho người dùng.