Dầu nhớt giảm ma sát bằng cách tạo một lớp chất lỏng mỏng ngăn hai bề mặt kim loại chạm trực tiếp vào nhau. Khi lớp dầu đủ dày, hai mặt trượt trên dầu chứ không cọ vào nhau, hệ số ma sát có thể giảm từ khoảng 0,5 xuống dưới 0,01. Dầu còn mang nhiệt đi, cuốn mạt kim loại ra và chống gỉ. Đây là lý do động cơ thiếu dầu chỉ chạy được vài phút trước khi hỏng nặng.
Người xưa đã biết bôi trơn
Bức vẽ trong lăng mộ của Djehutihotep, một quan chức Ai Cập cổ đại khoảng 1900 năm trước Công nguyên, cho thấy hàng trăm người kéo một bức tượng khổng lồ trên xe trượt gỗ, và một người đứng ở đầu xe đổ nước xuống cát. Năm 2014, nhóm của Daniel Bonn ở Đại học Amsterdam làm thí nghiệm và công bố trên tạp chí Physical Review Letters: cát ẩm vừa phải giảm lực kéo xe trượt xuống còn khoảng một nửa so với cát khô, vì nước tạo các cầu nối giữa hạt cát, làm cát cứng lại, xe trượt không lún và không đẩy cát dồn lên phía trước.
Mỡ động vật bôi trục xe ngựa đã được dùng từ thời cổ đại. Dầu mỏ chỉ thay thế mỡ động vật và dầu thực vật từ nửa sau thế kỷ 19, khi ngành công nghiệp dầu mỏ hình thành.
Ba chế độ bôi trơn
Đầu thế kỷ 20, kỹ sư Đức Richard Stribeck đo ma sát trong ổ trục với các tốc độ và tải khác nhau, cho thấy ma sát đi qua ba vùng. Đường cong mang tên ông vẫn là nền tảng của ngành bôi trơn.
| Chế độ | Khi nào | Chuyện gì xảy ra | Ma sát |
|---|---|---|---|
| Bôi trơn biên | Tốc độ thấp, tải nặng, lúc khởi động | Lớp dầu quá mỏng, các đỉnh gồ ghề kim loại vẫn chạm nhau, chỉ được bảo vệ bởi lớp phụ gia bám trên bề mặt | Cao nhất, mài mòn nhiều |
| Bôi trơn hỗn hợp | Tốc độ trung bình | Một phần tải do lớp dầu gánh, một phần do điểm tiếp xúc | Giảm dần |
| Bôi trơn thuỷ động | Tốc độ đủ cao, dầu đủ | Chuyển động kéo dầu vào khe, tạo áp suất nâng hai mặt tách hẳn nhau | Rất thấp, gần như không mài mòn |
Hệ quả thực tế: động cơ mòn nhiều nhất lúc vừa khởi động, khi dầu chưa kịp bơm lên đủ và máy còn chạy chậm. Xe để lâu không chạy, khởi động lạnh nhiều lần trong ngày, là những điều kiện vất vả nhất với động cơ.
Các loại chất bôi trơn
- Dầu khoáng: chưng cất từ dầu mỏ, rẻ, dùng phổ biến.
- Dầu tổng hợp: điều chế hoá học, giữ độ nhớt ổn định hơn ở nhiệt độ rất cao và rất thấp, bền hơn.
- Mỡ bôi trơn: dầu trộn với chất làm đặc (xà phòng kim loại như lithi), bám lâu ở chỗ không thể tra dầu liên tục như ổ bi bánh xe, khớp nối.
- Chất bôi trơn rắn: than chì (graphite), molypden disunfua. Các lớp nguyên tử trong tinh thể trượt lên nhau dễ dàng. Dùng ở nơi quá nóng hoặc chân không, nơi dầu bay hơi. Lõi bút chì để lại vệt trên giấy cũng nhờ các lớp than chì trượt ra.
- Nước: bôi trơn một số ổ trục chân vịt tàu thuỷ và tuabin thuỷ điện. Trong cơ thể, dịch khớp chủ yếu là nước.
- Khí: ổ trục khí dùng lớp không khí nén làm đệm, có trong máy chính xác cao.
Đọc ký hiệu dầu nhớt
Trên can dầu động cơ thường có ký hiệu kiểu SAE 10W-40. SAE là Hiệp hội Kỹ sư Ô tô Hoa Kỳ, nơi đặt ra hệ thống phân cấp độ nhớt này (tiêu chuẩn SAE J300).
- Số trước chữ W (W là winter, mùa đông): cho biết dầu chảy tốt tới đâu khi lạnh. Số càng nhỏ, dầu càng loãng khi khởi động lạnh, bơm lên nhanh hơn.
- Số sau dấu gạch: độ nhớt ở nhiệt độ hoạt động (khoảng 100 °C). Số càng lớn, dầu càng đặc khi nóng.
Ở khí hậu Việt Nam, đa số xe dùng loại có số đầu 5W, 10W, 15W hay 20W đều khởi động ổn. Quan trọng nhất là dùng đúng cấp độ nhớt và cấp chất lượng (API, JASO cho xe máy) mà nhà sản xuất ghi trong sổ hướng dẫn. Chọn dầu đặc hơn khuyến cáo không làm máy "bền hơn", mà có thể khiến dầu bơm chậm lúc khởi động.
Dầu làm nhiều việc hơn giảm ma sát
- Làm mát: dầu lưu thông mang nhiệt từ piston, ổ trục ra các-te.
- Làm sạch: phụ gia tẩy rửa giữ muội than, mạt kim loại lơ lửng để lọc dầu giữ lại. Đây là lý do dầu cũ chuyển đen.
- Làm kín: lớp dầu trên thành xi lanh giúp xéc măng kín khí hơn.
- Chống gỉ: phủ lớp màng lên bề mặt kim loại.
Phụ gia hao dần và dầu bị bẩn theo thời gian, nên phải thay định kỳ theo số km hoặc số tháng ghi trong sổ bảo dưỡng, cái nào đến trước thì theo cái đó.
Ma sát trong máy tiêu tốn bao nhiêu năng lượng
Một nghiên cứu được trích dẫn rộng rãi của Kenneth Holmberg và Ali Erdemir (công bố năm 2017 trên tạp chí Friction) ước tính khoảng 23% năng lượng tiêu thụ của thế giới dùng để thắng ma sát hoặc bị mất do mài mòn. Với một chiếc ô tô chạy xăng thông thường, phần năng lượng nhiên liệu mất cho ma sát trong động cơ, hộp số, lốp và phanh chiếm một tỉ lệ đáng kể. Vì thế, chỉ cải thiện bôi trơn và giảm ma sát cũng tiết kiệm được rất nhiều nhiên liệu ở quy mô toàn cầu.
Góc nhìn hôm nay: bôi trơn đúng chỗ trong nhà
- Bản lề cửa kêu: một giọt dầu máy khâu hoặc mỡ bôi trơn, đừng dùng dầu ăn vì dễ bám bụi, ôi khét.
- Ổ khoá kẹt: bột than chì khô hợp hơn dầu, vì dầu hút bụi làm kẹt thêm.
- Xích xe đạp: lau sạch rồi tra dầu xích chuyên dụng, lau bớt dầu thừa bên ngoài.
- Ray cửa lùa, ngăn kéo: chất bôi trơn gốc silicon hoặc sáp ít bám bụi.
- Xe máy: thay dầu đúng hạn trong sổ bảo dưỡng; kiểm tra que thăm dầu nếu xe có.
Ai muốn đọc thêm về ma sát học có thể tìm tài liệu của Hiệp hội Ma sát học và Kỹ sư Bôi trơn (STLE), hoặc báo cáo Jost năm 1966 của Anh, văn bản đã khai sinh ra chữ "tribology".
Câu hỏi thường gặp
Dầu nhớt giảm ma sát như thế nào?
Dầu tạo một lớp chất lỏng mỏng giữa hai bề mặt kim loại, ngăn chúng chạm trực tiếp vào nhau. Khi máy chạy đủ nhanh, chuyển động kéo dầu vào khe tạo áp suất nâng hai mặt tách hẳn, ma sát giảm xuống rất thấp.
10W-40 nghĩa là gì?
Đó là cấp độ nhớt theo tiêu chuẩn SAE. Số 10W cho biết dầu chảy tốt khi lạnh, số càng nhỏ càng loãng khi khởi động. Số 40 là độ nhớt ở nhiệt độ hoạt động khoảng 100 °C, số càng lớn dầu càng đặc khi nóng.
Vì sao động cơ mòn nhiều nhất lúc khởi động?
Lúc khởi động, dầu chưa kịp bơm lên đủ và máy chạy chậm, nên đang ở chế độ bôi trơn biên: lớp dầu mỏng, các điểm kim loại vẫn chạm nhau. Khi máy chạy ổn định, lớp dầu đủ dày tách hai mặt ra.
Người Ai Cập cổ đại đổ nước lên cát để làm gì?
Để giảm lực kéo xe trượt chở tượng đá. Thí nghiệm năm 2014 cho thấy cát ẩm vừa phải cứng lại, xe không lún và không đẩy cát dồn phía trước, lực kéo giảm khoảng một nửa so với cát khô.
Có nên dùng dầu ăn bôi trơn bản lề không?
Không nên. Dầu ăn dễ bị oxy hoá, đặc lại, bám bụi và có mùi. Nên dùng dầu máy khâu, mỡ bôi trơn hoặc chất bôi trơn gốc silicon; ổ khoá thì dùng bột than chì.