Trục cân bằng được sử dụng trong động cơ piston để giảm độ rung bằng cách loại bỏ các lực động không cân bằng. Các trục cân bằng đối trọng có trọng lượng lệch tâm và quay theo hướng ngược nhau, tạo ra một lực thẳng đứng (net vertical force).
Trục cân bằng được kỹ sư người Anh Frederick W. Lanchester phát minh và cấp bằng sáng chế vào năm 1907. Nó được sử dụng phổ biến nhất trong động cơ bốn xi-lanh thẳng hàng và động cơ V6 dùng trong ô tô và xe máy.
Trong mọi động cơ pittông, lực quán tính và mô men quán tính phát triển do chuyển động dao động của piston và các thanh truyền cũng như hoạt động truyền động của bộ dẫn động trục khuỷu. Trong một số cấu hình động cơ, chẳng hạn như động cơ V12 với trục khuỷu quay 60 độ, các lực này cân bằng lẫn nhau và do đó không ảnh hưởng đến việc lái xe bình thường. Tuy nhiên, ở động cơ bốn xi-lanh thẳng hàng, lực quán tính tự do bậc hai làm giảm độ êm ái của động cơ.
Nguyên lý tổng quan
Nguyên lý hoạt động của hệ thống trục cân bằng là hai trục mang khối lượng lệch tâm giống hệt nhau quay ngược chiều nhau với tốc độ gấp đôi tốc độ động cơ. Pha của các trục sao cho lực ly tâm do trọng lượng tạo ra sẽ triệt tiêu các lực thẳng đứng bậc hai (với tốc độ gấp đôi vòng tua máy của động cơ) do động cơ tạo ra. Các lực theo phương ngang do các trục cân bằng tạo ra bằng nhau và ngược chiều nhau nên triệt tiêu lẫn nhau.
Ứng dụng trục cân bằng
Động cơ hai xi-lanh
Nhiều động cơ xe máy—đặc biệt là động cơ đôi song song—đã sử dụng hệ thống trục cân bằng, ví dụ như động cơ Yamaha TRX850 và Yamaha TDM850 có trục khuỷu 270° với trục cân bằng. Một cách tiếp cận khác, được sử dụng bởi động cơ song song BMW GS, là sử dụng một thanh truyền ‘giả’ để di chuyển một đối trọng có bản lề.
Động cơ bốn xi-lanh
Trục cân bằng thường được sử dụng trong động cơ bốn xi lanh thẳng hàng, để giảm độ rung bậc hai (lực thẳng đứng dao động gấp đôi số vòng quay của động cơ) vốn có trong thiết kế của động cơ bốn xi lanh thẳng hàng điển hình. Rung động này được tạo ra do chuyển động của các thanh truyền trong động cơ bốn xi lanh thẳng hàng ở kỳ nổ đều không đối xứng trong suốt quá trình quay của trục khuỷu; do đó, trong một khoảng thời gian quay trục khuỷu nhất định, các piston đi lên và đi xuống không phải lúc nào cũng hoàn toàn trái ngược nhau về gia tốc, tạo ra một lực thẳng đứng thực hai lần trong mỗi vòng quay (tăng bậc hai theo RPM).
Mức độ rung cũng tăng lên theo dung tích động cơ, do đó trục cân bằng thường được sử dụng trong động cơ bốn xi-lanh thẳng hàng có dung tích công tác từ 2,2 L (134 cu in) trở lên. Cả hành trình hoặc đường kính xilanh tăng đều gây ra rung động thứ cấp tăng lên; hành trình lớn hơn sẽ làm tăng sự chênh lệch về gia tốc và đường kính xilanh lớn hơn sẽ làm tăng khối lượng của piston.
Trong động cơ phẳng (flat) bốn xilanh, lực bị triệt tiêu bởi các piston chuyển động ngược chiều nhau. Vì vậy trục cân bằng không cần thiết ở động cơ bốn phẳng.
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 trong động cơ V6 có ba xi lanh, mỗi dãy xi lanh đều xảy ra rung động. Trục cân bằng được dùng trong động cơ V6 để giảm những rung động này.