Xem mã nguồn của Trục cân bằng

[[Tập tin:Balanceshaft.jpg|phải|nhỏ|Trục cân bằng (''khung màu đen'') trong động cơ Ford Taunus V4.]]
'''Trục cân bằng''' ([[tiếng Anh]]: ''balance shaft'', ''balancer shaft''<ref name="Sonone Chaudhari 2015 p.828"/>) được sử dụng trong [[Động cơ đốt trong|động cơ piston]] để giảm [[rung động]] bằng cách triệt tiêu các lực động không cân bằng. Các trục cân bằng có khối nặng lệch tâm và quay ngược chiều với nhau, lực này tạo ra lực thẳng đứng thực (''net vertical force'').

Trục cân bằng được phát minh bởi kỹ sư người Anh [[Frederick W. Lanchester]] vào năm 1912;<ref name="Google Patents 1912">{{chú thích web | title=US1163832A - Balancing means for reciprocating engines. | website=Google Patents | date = ngày 31 tháng 10 năm 1912 | url=https://patents.google.com/patent/US1163832A/en | language= | access-date = ngày 18 tháng 10 năm 2020}}</ref> thiết kế này được mang tên ông, "trục cân bằng Lanchester" (''Lanchester balancer'').<ref name="Arakelian Briot 2015 p. 9">{{chú thích sách | last=Arakelian | first=V. | last2=Briot | first2=S. | title=Balancing of Linkages and Robot Manipulators: Advanced Methods with Illustrative Examples | publisher=[[Springer Science+Business Media|Springer International Publishing]] | series=Mechanisms and Machine Science | year=2015 | isbn=978-3-319-12490-2 | url=https://books.google.ca/books?id=Kt5sBgAAQBAJ&pg=PA9 | page=9}}</ref> Trục cân bằng được sử dụng phổ biến nhất trong động cơ bốn xi lanh thẳng hàng và [[động cơ V6]] dùng trong ô tô, xe máy.

== Tổng quan ==
[[Tập tin:Lanchester_patent_harmonic_balancer_(Modern_Motors,_I)_031.jpg|nhỏ|Bộ trục cân bằng lực dọc của kỹ sư Frederick W. Lanchester. Hai khối nặng lệch tâm có ký hiệu "C" và "D".]]

Trong những động cơ đốt trong một xi lanh, hiện tượng rung động gây ra chủ yếu bởi [[lực quán tính]] và [[Mô men lực|momen lực]] do chuyển động tịnh tiến của cơ cấu [[trục khuỷu]] – [[thanh truyền]]. Để giảm hiện tượng này, lực quán tính của piston cần được giảm hoặc triệt tiêu bằng cách sử dụng trục cân bằng.<ref name="Sonone Chaudhari 2015 p.828">{{chú thích tạp chí | title=Design and Analyis of Balancer Shaft for a Four Stroke Single Cylinder Diesel Engine | last1=Sonone| first1=S.| last2=Chaudhari | first2=A.| journal=International Journal of Engineering Research and | url=https://www.ijert.org/research/design-and-analyis-of-balancer-shaft-for-a-four-stroke-single-cylinder-diesel-engine-IJERTV4IS050842.pdf | publisher=ESRSA Publications Pvt. Ltd. | volume=V4 | issue=05 | date = ngày 23 tháng 5 năm 2015 | issn=2278-0181 | doi=10.17577/ijertv4is050842 | page=8 }}</ref><ref name="Yu Xie Xu pp. 18–23">{{chú thích tạp chí | last=Yu | first=Feng | last2=Xie | first2=Jun | last3=Xu | first3=Zhong Ming | title=The vibration reduction design of single-cylinder engine based on the balance shaft | journal=Vibroengineering PROCEDIA | publisher=JVE International Ltd. | volume=23 | date = ngày 25 tháng 4 năm 2019 | issn=2345-0533 | doi=10.21595/vp.2019.20651 | pages=18–23 }} Trích: ''For single cylinder internal combustion engines, the main source of vibration is the inertia force and torque generated by reciprocating motion of crank connecting rod mechanism. In order to improve the vibration performance of the internal combustion engine, the inertia excitation force should be reduced or balanced, which can be effectively achieved by a vibration reduction method based on balance shaft.''</ref> Sự rung động do không cân bằng bên trong động cơ có thể gây ra ồn, dẫn đến hiện tượng mỏi và hư hỏng các bộ phận bên trong.<ref name="Ruckle 2014">{{cite thesis |type=MSc |last=Ruckle |first=Trevor W. |date=2014 |url=https://d.lib.msu.edu/islandora/object/etd:2321/datastream/OBJ/download/Dynamic_balance_of_a_single_cylinder_reciprocating_engine_with_optical_access.pdf |title=Dynamic balance of a single cylinder reciprocating engine with optical access |publisher=Michigan State University |isbn=9781321434255 }} {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20201019102928/https://d.lib.msu.edu/islandora/object/etd:2321/datastream/OBJ/download/Dynamic_balance_of_a_single_cylinder_reciprocating_engine_with_optical_access.pdf |date=2020-10-19 }}</ref>

Nguyên lý hoạt động của hệ trục cân bằng là hai trục mang các khối nặng [[lệch tâm]] giống hệt nhau, quay ngược chiều nhau với tốc độ gấp đôi. [[Pha sóng|Sự lệch pha]] của các trục gây ra do [[lực ly tâm]] của các quả nặng sẽ triệt tiêu các lực [[chuyển pha]] bậc hai phương thẳng đứng (gấp đôi tốc độ RPM của động cơ) do động cơ tạo ra.<ref>{{Chú thích web|url=https://zzperformance.com/blogs/import1/engine-balance-and-the-balance-shafts|tựa đề=Engine Balance and the Balance Shafts|website=www.zzperformance.com|ngôn ngữ=en|ngày truy cập=ngày 20 tháng 8 năm 2019}}</ref> Các lực phương ngang tạo ra bởi trục cân bằng có độ lớn bằng nhau và ngược chiều nhau, và do đó triệt tiêu lẫn nhau.

Trong một nghiên cứu vào năm 2015, qua tính toán bằng phần mềm mô phỏng, người ta xác định hiệu quả giảm rung chấn của trục cân bằng trên xe hơi là khoảng từ 64,88% (ở vận tốc động cơ 2000 RPM) đến 68,77% (ở vận tốc 3600 RPM) so với khi không có trục cân bằng.<ref name="Sonone Chaudhari 2015 p.831">{{harvnb|Sonone|Chaudhari|2015|p=831}}</ref> Ở vận tốc vòng tua càng cao, hiệu quả giảm rung động và lực quán tính khi sử dụng trục cân bằng càng cao.<ref name="Yu Xie Xu pp. 18–23" /> Trục cân bằng không có tác dụng giảm rung động của trục khuỷu.<ref>{{Chú thích web|url=http://www.babcox.com/editorial/ar/eb10330.htm|tựa đề=Weighing the Benefits of Engine Balancing|website=www.babcox.com|url lưu trữ=https://web.archive.org/web/20090224032857/http://www.babcox.com/editorial/ar/eb10330.htm|ngày lưu trữ=ngày 24 tháng 2 năm 2009|ngày truy cập=ngày 12 tháng 12 năm 2004}}</ref>

==Ứng dụng==
===Động cơ hai xi lanh=== 
Nhiều loại động cơ [[Xe máy|xe gắn máy]] —đặc biệt động cơ hai xi lanh thẳng hàng— sử dụng hệ trục cân bằng, thí dụ như động cơ xe Yamaha TRX850 và Yamaha TDM850 có trục khuỷu quay 270°Cùng với một trục cân bằng. Một phương pháp sử dụng [[thanh truyền]] phụ giúp di chuyển khối nặng gắn với khớp nối, như ở động cơ xi lanh đôi song song của dòng xe BMW GS.

===Động cơ bốn xi lanh===
[[Hình:FordtaunusV4front.jpg|thumb|left|Bộ truyền động bánh răng trong động cơ [[Ford Taunus V4]]. Trục cân bằng được điều khiển bởi bánh răng nhỏ bên trái; còn bánh răng lớn nhất có tác dụng quay [[trục cam]] với vận tốc bằng phân nửa vận tốc trục khuỷu.]] 
Trục cân bằng thường được sử dụng trong động cơ bốn xi lanh thẳng hàng nhằm giảm rung động bậc hai (nghĩa là lực phương thẳng đứng dao động với vận tốc gấp đôi vận tốc động cơ). Loại rung động này —vốn thường gặp trong những động cơ bốn xi lanh thẳng hàng— gây ra bởi chuyển động không đối xứng của thanh truyền khi [[trục khuỷu]] quay. Do  vậy, trong một chu kỳ quay bất kỳ của trục khuỷu, [[gia tốc]] của những piston chuyển động lên và xuống không hoàn toàn đối nghịch nhau, điều này dẫn đến làm tăng độ lớn lực thẳng đứng thực lên gấp đôi trong mỗi vòng quay trục khuỷu, từ đó làm tăng gấp 4 lần vận tốc động cơ.

Độ rung động tăng lên khi [[dung tích xi lanh]] tăng; do vậy, trục cân bằng thường được sử dụng trong những động cơ bốn xi lanh thẳng hàng có dung tích động cơ từ 2,2 L trở lên. [[Kỳ (động cơ|Kỳ chuyển động]] hoặc [[đường kính xi lanh]] cũng làm tăng rung động bậc hai; điều này do số kỳ càng nhiều sẽ càng làm tăng gia tốc quán tính, còn đường kính xi lanh lớn sẽ làm tăng khối lượng [[piston]].

Thiết kế hệ trục cân bằng của Lanchester được cải tiến khi ứng dụng trong động cơ bốn xi lanh thẳng hàng [[Mitsubishi Astron engine#Design|Mitsubishi Astron 80]], ra mắt năm 1975. Mitsubishi Astron 80 là loại động cơ đầu tiên thiết kế vị trí trục cân bằng cao hơn so với các loại động cơ trước đó, nhằm bù trừ khớp nối lăn bậc hai (tức là tâm trục khuỷu) do lực momen quán tính gây ra bởi sự thay đổi tăng–giảm của vận tốc động cơ.<ref name="bbc1">{{chú thích web |url=http://www.bbc.com/autos/story/20140609-before-they-were-carmakers |title=Before they were carmakers |last=Carney |first=Dan |publisher=BBC |location=UK |date = ngày 10 tháng 6 năm 2014 |access-date = ngày 1 tháng 11 năm 2018}}</ref><ref name="Popular Science p. 52">{{Chú thích tạp chí | last=Nadel |first=Brian | title=Balancing Act | magazine=Popular Science |publisher=Bonnier Corporation | url=https://books.google.ca/books?id=_zUwGq51CTMC&pg=PA52 | page=52}}</ref>

Ở [[Động cơ xi lanh đối đỉnh|động cơ bốn xi lanh đối đỉnh]], những lực tác động sẽ bị triệt tiêu do piston chuyển động ngược chiều nhau. Do vậy, những loại động cơ này không cần dùng trục cân bằng.

===Động cơ năm xi lanh===
Những động cơ xi lanh thẳng hàng có số xi lanh lẻ (như 3, 5... xi lanh) có tính không cân bằng bậc một, dẫn đến rung động trên toàn bộ trục động cơ. Trục cân bằng được sử dụng trong những động cơ năm xi lanh thẳng hàng như động cơ mẫu xe GM Vortec 3700.

===Động cơ sáu xi lanh=== 
Trong những động cơ sáu xi lanh kiểu thẳng hàng hoặc đối đỉnh, những lực rung động sẽ tự triệt tiêu lẫn nhau, do vậy không cần dùng đến trục cân bằng.

Tuy nhiên, [[động cơ V6]] (sáu xi lanh xếp chữ V) vốn không thể tự cân bằng, bất kể độ lớn góc chữ V của những xi lanh. Mỗi [[Dãy xi-lanh|dãy xi lanh]] trong động cơ V6 có ba xi lanh, mỗi dãy xi lanh đều xảy ra rung động.<ref>{{chú thích web |title=The Physics of: Engine Cylinder-Bank Angles |url=https://www.caranddriver.com/features/a15126436/the-physics-of-engine-cylinder-bank-angles-feature/ |website=www.caranddriver.com |access-date =ngày 22 tháng 8 năm 2019 |date=ngày 14 tháng 1 năm 2011}}</ref> Trục cân bằng được dùng trong động cơ V6 để giảm những rung động này.

==Xem thêm==
* [[Cơ cấu cân bằng động cơ]] 
* [[Máy cân bằng động]] 
* [[Trục khuỷu]]
* [[Thanh truyền]]

==Tham khảo==
{{tham khảo|30em}}

{{Động cơ đốt trong}}

[[Thể loại:Cơ khí]]
[[Thể loại:Động cơ]]
[[Thể loại:Bộ phận động cơ]]
[[Thể loại:Kĩ thuật động cơ]]
[[Thể loại:Chi tiết máy]]