EN
Các đặc tính cơ học cốt lõi xác định độ bền của trục cam
Độ cứng và độ nguyên vẹn bề mặt dưới ứng suất tiếp xúc cao
Tuổi thọ của trục cam thực sự phụ thuộc vào độ cứng của vật liệu, bởi vì trục cam cần chịu được những áp lực tiếp xúc cực lớn có thể vượt quá 1500 MPa. Việc xử lý bề mặt đúng cách cũng rất quan trọng. Khi các nhà sản xuất dành thời gian để mài và đánh bóng một cách cẩn thận, họ có thể ngăn chặn sự hình thành những vết nứt vi mô — những vết nứt này nếu xuất hiện sẽ làm tăng tốc độ mài mòn. Phần lớn kỹ sư đồng ý rằng việc duy trì độ cứng trong khoảng từ 55 đến 65 HRC là tối ưu nhất, vì mức độ cứng này vừa đảm bảo khả năng chống mài mòn tốt, vừa đủ độ dai để không bị gãy đột ngột. Các chi tiết làm từ thép hợp kim rèn thường hoạt động đặc biệt tốt trong điều kiện này, duy trì độ ổn định ngay cả sau hàng trăm triệu lần nâng van. Một số xưởng báo cáo đạt hơn 500 triệu chu kỳ vận hành trước khi cần thay thế, mặc dù kết quả thực tế có thể khác nhau tùy theo điều kiện vận hành.
Khả năng chống mỏi cho vận hành liên tục ở tốc độ vòng quay cao
Khi các động cơ vận hành qua hàng nghìn chu kỳ ứng suất ở tốc độ trên 6.000 vòng/phút, chúng thực sự cần những vật liệu có khả năng chống mỏi theo thời gian. Các chi tiết phải chịu được toàn bộ lực uốn phát sinh từ lò xo xupáp mạnh mà không xuất hiện bất kỳ vết nứt nào. Việc đạt được cấu trúc vi mô đồng nhất trên toàn bộ vật liệu cũng rất quan trọng, đặc biệt khi làm việc với các loại thép được luyện trong chân không. Những loại thép này thường chứa ít khuyết tật ẩn bên trong hơn, nhờ đó giảm thiểu nguy cơ hình thành các điểm yếu dưới áp lực. Việc phân tích các thông số kỹ thuật then chốt giúp làm rõ vấn đề: độ bền mỏi cần đạt ít nhất khoảng 800 MPa, và độ dai va đập phải đạt trên 90 MPa·√m. Với những đặc tính này, các chi tiết có thể vận hành ổn định và đáng tin cậy trong quãng đường lái xe vượt xa 250.000 dặm.
Các Vật Liệu Hàng Đầu Dùng Làm Trục Cam và Các Thương Lượng Về Hiệu Năng Thực Tế
Gang cầu so với Thép hợp kim: Cân bằng giữa Khả năng Chống Mài Mòn, Độ Bền và Chi Phí
Việc lựa chọn vật liệu phù hợp cho trục cam đòi hỏi phải tìm ra điểm cân bằng tối ưu giữa khả năng chống mài mòn, độ bền cơ học và tính kinh tế. Gang cầu (còn được gọi là gang SG) nổi bật nhờ khả năng giảm chấn tốt và chịu mỏi vượt trội so với nhiều vật liệu thay thế khác, do đó nó thường được sử dụng trong các động cơ sản xuất hàng loạt. Cấu trúc than chì hình cầu đặc trưng bên trong vật liệu này giúp hấp thụ ứng suất tại các điểm cụ thể, từ đó làm giảm mài mòn ở các cam khi vận hành trong điều kiện bôi trơn bằng dầu. Đối với những ứng dụng yêu cầu đặc tính hiệu suất cao hơn nữa, các loại thép hợp kim như thép 4140 cung cấp độ bền kéo và độ cứng bề mặt cao hơn đáng kể. Điều này cho phép các kỹ sư thiết kế động cơ tăng lực ép của lò xo xupáp và đạt được tốc độ gia tăng (ramp rate) nhanh hơn trong quá trình vận hành. Tuy nhiên, các lựa chọn thép này cũng đi kèm với những nhược điểm nhất định: chúng đòi hỏi quy trình gia công phức tạp hơn và xử lý nhiệt chuyên sâu, dẫn đến chi phí sản xuất thường tăng từ 30 đến 50% so với phương pháp đúc.
Gang cầu hóa hoạt động rất tốt cho đến khoảng 7.000 vòng/phút, sau đó bắt đầu xuất hiện các dấu hiệu quá tải do chuyển động quay mạnh mẽ này. Thép hợp kim phù hợp hơn cho các chi tiết có trọng lượng nhẹ nhưng quay với tốc độ rất cao; tuy nhiên, có một điểm cần lưu ý là chúng tuyệt đối yêu cầu xử lý nhiệt cẩn thận trong quá trình sản xuất, nếu không có thể nứt bất ngờ dưới tác dụng của ứng suất. Khi chi phí vận hành phương tiện thương mại là yếu tố quyết định, gang cầu hóa (SG iron) vẫn chiếm ưu thế rõ rệt khi so sánh tuổi thọ sử dụng với chi phí ban đầu. Đó là lý do vì sao các xe đua và động cơ có hệ thống tăng áp thường lựa chọn các loại thép đắt hơn dù tốn thêm chi phí — bởi chúng có khả năng chịu tải cao hơn khoảng 15–20% trước khi hỏng so với các vật liệu khác hiện có trên thị trường.
Các chiến lược xử lý nhiệt nhằm tối ưu hóa vi cấu trúc và tuổi thọ trục cam
Tôi hóa cảm ứng và tôi đẳng nhiệt: Tăng cường độ cứng bề mặt trong khi duy trì độ dai lõi
Việc xử lý nhiệt đúng cách tạo nên sự khác biệt lớn khi cố gắng đạt được điểm cân bằng hoàn hảo giữa độ cứng bề mặt và độ dẻo của lõi. Với phương pháp tôi cao tần, chúng tôi có thể tập trung làm nóng riêng các bề mặt cam cụ thể đến khoảng 900 độ Celsius thông qua trường điện từ. Quá trình này tạo ra một lớp matenxit cực kỳ bền, có độ cứng vượt quá 50 theo thang đo Rockwell, đồng thời gây ra biến dạng ít hơn nhiều so với các phương pháp lò nung truyền thống. Bên cạnh đó là phương pháp tôi đẳng nhiệt (austempering), vốn hoạt động song hành cùng quy trình này. Bằng cách ram lõi ở nhiệt độ dao động từ khoảng 250 đến 400 độ Celsius trong quá trình biến đổi đẳng nhiệt, chúng ta thu được cấu trúc bainit chắc chắn thay vì matenxit giòn trên toàn bộ vật liệu.
Chiến lược xử lý kép này mang lại hai lợi ích phụ thuộc lẫn nhau:
- Bề mặt đã tôi cứng chống chịu được ứng suất tiếp xúc trực tiếp từ các con đội và cần đẩy
- Lõi dẻo dai, có cấu trúc bainit hấp thụ hiệu quả các tải uốn và xoắn tuần hoàn trong điều kiện vận hành ở tốc độ quay cao (high-RPM)
Các ứng suất dư nén kết quả làm giảm tốc độ lan truyền vết nứt mỏi tới 30%, theo Hướng dẫn luyện kim năm 2023 của ASM International. Tốc độ tôi kiểm soát thêm nữa giúp ngăn ngừa các bất thường vi cấu trúc—chẳng hạn như martensit chưa ram—gây ảnh hưởng đến độ đồng nhất trong toàn bộ dải nhiệt độ vận hành.