Hầu hết những bài viết trên mạng hiện nay đều đã nói về cấu tạo động cơ DOHC (Trục cam đôi - Dual OverHead Camshaft) và SOHC (Trục cam đơn - Single Overhead Camshaft) và so sánh về ga đầu ga hậu giữa chúng. Thực chất, DOHC và SOHC chỉ là 2 phương pháp chọn để giải quyết vấn đề hấp thụ phản lực từ cò và xupap vào thân cam và vào thành động cơ. Hôm nay mình sẽ nói những thứ liên quan đến cam cò với góc nhìn mà nhiều bài viết khác chưa nói.
1. Phổ biến nhất, cam đơn (SOHC)
Lý do sử dụng cam đơn là vì ở dòng xe có dung tích nhỏ như hầu hết xe thương mại ở VN, khối lượng của xupap xả và nạp rất nhỏ so với khả năng chịu tải, chịu lực va đập của lò xo và cam. Từ đó, chúng ta có thể sử dụng cò, bạc đạn. Bạc đạn bi tròn sẽ dư sức chịu được lực va đập của cam <> cò <> xupap. Vì thế nhà sản xuất chuộng dùng cam đơn để giảm trọng lượng máy (nhẹ bao nhiêu thì ít hao xăng bấy nhiêu) nhờ vào việc giảm kích thước đầu máy: chỉ cần 1 cây cam, 1 nhông cam. Và cũng nhờ khối lượng cò và xupap nhỏ mà có thể tăng tốc độ máy lên tới 10,500 vòng/phút (ở xe máy 2 bánh thông thường) mà chưa bị hiện tượng đóng xupap không kịp (chúng ta sẽ bàn hiện tượng này ở phía dưới, đây là lý do xe có tốc độ máy cao như xe đua lại sử dụng cam đôi).
2. Các dòng xe chiến, cam đôi (DOHC)
1. Phổ biến nhất, cam đơn (SOHC)
Lý do sử dụng cam đơn là vì ở dòng xe có dung tích nhỏ như hầu hết xe thương mại ở VN, khối lượng của xupap xả và nạp rất nhỏ so với khả năng chịu tải, chịu lực va đập của lò xo và cam. Từ đó, chúng ta có thể sử dụng cò, bạc đạn. Bạc đạn bi tròn sẽ dư sức chịu được lực va đập của cam <> cò <> xupap. Vì thế nhà sản xuất chuộng dùng cam đơn để giảm trọng lượng máy (nhẹ bao nhiêu thì ít hao xăng bấy nhiêu) nhờ vào việc giảm kích thước đầu máy: chỉ cần 1 cây cam, 1 nhông cam. Và cũng nhờ khối lượng cò và xupap nhỏ mà có thể tăng tốc độ máy lên tới 10,500 vòng/phút (ở xe máy 2 bánh thông thường) mà chưa bị hiện tượng đóng xupap không kịp (chúng ta sẽ bàn hiện tượng này ở phía dưới, đây là lý do xe có tốc độ máy cao như xe đua lại sử dụng cam đôi).
2. Các dòng xe chiến, cam đôi (DOHC)
Xe đua phải dùng cam đôi vì hiện tượng đóng xupap không kịp khi lên tốc độ máy khá cao (trên 12,000 rpm đối với xe nhỏ, còn tại sao có xe bị hãm ở 10500rpm có xe ở 13000rpm thì bài vừa rồi về hãm tua máy mình đã nói.
Thử tưởng tượng như vầy: bạn đẩy một cục gạch từ A đến B trong một khoảng thời gian, bạn đẩy chậm (thời gian dài) thì bạn cứ thong thả đẩy thôi, thấy cũng không nặng lắm nhưng nếu bạn thử đẩy viên gạch thiệt nhanh từ A đến B thì bạn cảm thấy có vẻ hơi bị mệt. Càng cố đẩy nhanh (thời gian ngắn hơn), bạn càng thấy mình cần đẩy mạnh hơn (nhiều lực hơn) và sẽ đến một lúc nó đến giới hạn của bản thân và đó là tốc độ đẩy nhanh nhất bạn có thể đạt được. Nhưng nếu bạn chuyển sang đẩy một cục xốp thì bạn lại thấy mọi thứ rất dễ dàng, bạn dư sức đẩy thiệt nhanh, thậm chí còn nhanh hơn cái giới hạn lúc nãy.
Điều này cũng tương tự như lò xo trong xupap - nên nhớ là việc xupap đóng phụ thuộc hoàn toàn vào lò xo, không có phần nào phụ trợ thêm - sẽ đến một tốc độ máy nào đó mà khả năng nẩy (đẩy) của lò xo nó đến giới hạn giống như ví dụ trên vì với cam đơn ngoài đẩy xupap nó còn phải đẩy cả khối lượng của cái cò.
Với xe hút khí tự nhiên, muốn công suất thật cao khi mọi thứ khác đã đạt giới hạn thì chỉ có cách tăng tốc độ máy. Nhà sản xuất biết độ nhõng nhẽo của người mua xe trong việc đòi hỏi cái này, đòi hỏi cái nọ (mạnh hơn, nhanh hơn) nên họ chuyển sang cam đôi để bây giờ lò xo chỉ còn phải đẩy khối lượng của xupap thôi (nhẹ đi giống như từ đẩy cục gạch sang đẩy cục xốp) và áp dụng các loại vật liệu làm xupap nhẹ hết mức có thể ví dụ như titanium (titan nhẹ hơn thép). Từ đó, tốc độ máy của xe tăng lên, nhiều mã lực hơn, vui hơn.
3. Hiện tượng đóng xupap không kịp
Tại sao việc đóng xupap không kịp theo đường chạy của gối cam lại quan trọng? Nó quan trọng bởi vì khi xupap đóng không kịp, thằng piston sẽ chạy lên says “supprise motherf*cker” và gõ vào xupap, trường hợp tệ là xupap bị cong -> kẹt -> không di chuyển -> piston lại lên và tông một cái rầm -> gãy dên (piston dính vào xupap và kẹt nốt, còn dên do có đà lại tiếp tục đưa tay dên đi lên) và cứ thế, và chúng ta đem xe ra tiệm.
Quảng cáo
Cái thứ hai là nếu đóng xupap không kịp sẽ ảnh hưởng đến thời gian overlap, làm giảm hiệu suất nạp khí VE (Volumetric Efficiency). Ở cuối kì xả sẽ có khoảng thời gian xupap nạp mở sớm để thực hiện việc quét buồng đốt và nếu cửa xả đóng không kịp thì một phần hòa khí tươi tuột theo cửa xả ra ngoài làm xe bị giảm VE -> xe yếu đi, còn khi bắt đầu kì nén thì cửa xả đóng không kịp trong khi piston đã đi lên thì một phần hòa khí tươi lại bị đẩy ngược ra và xe lại tiếp tục giảm VE -> xe lại yếu đi. Mà thường chưa kịp thấy vụ yếu đi thì xe đã bị piston và xupap cho hạnh phúc rồi.
(giảm VE nôm na là bị thiếu xăng gió, nhưng không phải do tỉ lệ xăng gió mà là do động cơ bị mất hiệu quả nạp).
Nhà sản xuất còn có thể làm lò xo dày hơn -> cứng hơn để tăng khả năng đẩy xupap nhưng đây là cách không ưa chuộng, vì khi đó cục máy lại phải tốn nhiều sức hơn để đè lò xo xuống (mất lực cho phần đẩy xe đi nhanh hơn) nên nhà sản xuất thường chọn thiết kế máy có hành trình piston thiệt ngắn để tăng đường kính trái lên (ví dụ như Suzuki Raider, Yamaha R6, xe công thức 1), từ đó có thể làm lỗ hút và xả to ra, rút ngắn đường đi từ A -> B lại và lò xo có thể không cần thiết phải làm dày nữa. Thay lò xo cũng là phương thức thường được những người độ xe lựa chọn để độ cho động cơ, vì không thể nào chọn thay đổi hình dáng buồng đốt như nhà sản xuất được.
4. Ngoài ra lò xo đầu sẽ còn gặp 2 hiện tượng nữa là “trôi xupap” và cộng hưởng lực căng trong bản thân lò xo
Hiện tượng 1: Trôi xupap
Việc xupap đóng mở nó giống như một dao động vậy. Dao động thì có tần số, vật dao động thì có tần số riêng (số dao động trong 1 giây), và cái lò xo đầu cũng có tần số riêng của nó, nếu số lần đóng mở xupap trong 1 giây bằng với tần số riêng của lò xo thì lò xo sẽ không nảy lên nữa, xupap cũng không được đẩy lên nữa và chuyện gì xảy ra tiếp theo thì các bạn biết rồi đấy.
Quảng cáo
Hiện tượng 2: Cộng hưởng lực căng
Khi gối cam gõ vào lò xo, sẽ có 1 lực truyền từ gối đến đầu lò xo và chạy đến cuối lò xo và phản ngược lại (lúc này thì yếu rồi và lúc truyền ngược lại thì chưa có lực từ phí gối truyền xuống, do gối cam đập chưa kịp so với tốc độ truyền lực phản này) nhưng đến một tốc độ máy nào đó lực dội ngược lại này đủ mạnh và ngay đúng lúc có lực truyền từ gối cam xuống, hai lực này gặp nhau và nó giống như 2 cái xe hơi chạy ngược chiều tông nhau ấy, lò xo gãy và xupap của bạn lại một lần nữa không được đẩy ngược lại. Chuyện tiếp theo thì bạn cũng biết rồi ấy.
Nhưng đó là chuyện ngày xưa, thời giờ vật liệu làm lò xo đầu tiên tiến lắm rồi, không bị mấy vụ đó nữa và nhà sản xuất cũng lồng 2 lò xo thưa bự và mỏng nhưng nhiều vòng xoắn vào để tránh vụ trôi xupap (hai lò xo có tần số riêng khác nhau, khi lò xo này bị “ lạc trôi” thì lò xo kia tiếp tục gánh vác nhiệm vụ).
5. Nhược điểm DOHC và SOHC
Do DOHC dùng 2 cam, 2 nhông, sử dụng gối đỡ và bôi trơn thủy lực, nên đầu bò to ra, thêm khối lượng và cục máy lại tốn thêm sức để quay 2 cây cam thay vì 1 cây. Phải sử dụng gối vì ở tốc độ máy cao như thế vì lực va đập lên cây cam bắt đầu có tí ghê gớm rồi, nên sử dụng gối để áp dụng kĩ thuật bôi trơn thủy động để không phá hủy phần đỡ cam (gối đỡ) và cam không bị quay lệch tâm đi đâu cả. Với công nghệ bôi trơn thủy động, nếu bảo dưỡng và vận hành chính xác thì gối đỡ sẽ cực kì cực kì bền.
Bạc đạn như máy bình thường không có bôi trơn thủy động nên sẽ bị mòn dần và làm cây cam quay lệch tâm nếu chạy tốc độ máy cao như vậy (Suzuki Raider 13,000 vòng/phút, Yamaha R6 17,500 vòng/phút, xe F1 20,000 vòng/phút) hoặc có thể sử dụng bạc đạn ceramic thần thánh (vừa cứng vừa lâu mòn) nhưng như thế thì đội giá sản xuất lên và phần tiền lời sẽ giảm lại với nhà sản xuất trong khi gối đỡ không yêu cầu vật liệu mắc tiền.
DOHC hơn SOHC ở chỗ mọi thứ đều dễ tối ưu, ví dụ như vị trí đặt bugi tốt nhất, có thể loại bỏ cò, dễ sử dụng công nghệ van biến thiên cho mỗi gối cam nạp xả. Nhưng không vì thế mà nói động cơ SOHC yếu hơn DOHC được, chỉ là do thiết kế rắc rối hơn. Ví dụ 2 chiếc Honda Winner 150 và Yamaha Exciter 150 thì mọi thông số về lực máy đều tương đồng nhau cả, khác nhau ở mỗi tỉ số nén nhưng chỉ chênh lệch đôi chút thôi.
Có thể nói, động cơ 2 cam và 1 cam nhìn chung giải quyết vấn đề nặng nhẹ và quay nhanh quay chậm trong động cơ, còn việc động cơ mạnh ở ga đầu hay mạnh ở ga hậu thì hoàn toàn khác, việc này phụ thuộc vào đặc tính, hình dạng của buồng đốt cũng như hệ thống nạp của động cơ.
Nguồn: ACCEL Motorsports