Nghiên cứu ảnh hưởng nội ma sát vi sai đến khả năng phát huy lực kéo trên cầu chủ động

Nghiên cứu ảnh hưởng ma sát trong vi sai tới lực kéo cầu chủ động. Đánh giá chi tiết, phân tích chuyên sâu về hiệu suất và ứng dụng thực tế.

• Tác giả: Trịnh Trung Duy
• Người hướng dẫn: Pgs.Ts. Nguyễn Trọng Hoan
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực
• Đề tài: Nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của nội ma sát trong vi sai tới khả năng phát huy lực kéo trên cầu chủ động
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ CÁC KÝ HIỆU
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VI SAI TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC Ô TÔ
• 1.1. Công dụng và phân loại vi sai
• 1.1.1. Theo công dụng
• 1.1.2. Theo mức độ tự động
• 1.1.3. Theo kết cấu
• 1.1.4. Theo giá trị hệ số hãm vi sai
• 1.2. Đặc điểm cấu tạo các loại vi sai điển hình
• 1.2.1. Vi sai đối xứng ( giữa hai bánh xe sau chủ động )
• 1.2.2. Vi sai tăng ma sát
• 1.2.2.1. Vi sai tăng ma sát bằng ly hợp nhiều đĩa
• 1.2.2.2. Vi sai tăng ma sát sử dụng bánh răng trụ
• 1.2.2.3. Vi sai tăng ma sát sử dụng trục vít – bánh vít
• 1.2.2.4. Vi sai tăng ma sát sử dụng cam
• 1.3. Bôi trơn bộ vi sai
• 1.4. Nhược điểm của vi sai và các giải pháp khắc phục
• 1.4.1. Nhược điểm
• 1.4.2. Các giải pháp khắc phục
• 1.5. Truyền lực trên ô tô có 2 chủ động và vi sai giữa các cầu
• 1.5.1. Sự cần thiết của việc bố trí 2 cầu chủ động
• 1.5.2. Hiện tượng tuần hoàn công suất
• 1.5.3. Các giải pháp tránh hiện tượng tuần hoàn công suất
• 1.5.4. Vai trò của vi sai giữa các cầu
• 1.6. Hệ thống truyền lực trên ô tô có 2 chủ động
• 1.7. Các công trình nghiên cứu đã công bố
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC VI SAI BÁNH RĂNG CÔN
• 2.1. Quan hệ động học và động lực học trong vi sai
• 2.2. Vai trò của nội ma sát trong vi sai
• 2.3. Một số loại vi sai tăng nội ma sát
• 2.3.1. Vi sai bánh răng côn
• 2.3.2. Vi sai cam
• 2.3.3. Vi sai trục vít
• 2.4. Ma sát và hiệu suất của cơ cấu hành tinh
• 2.4.1. Vi sai không có nội ma sát
• 2.4.2. Vi sai có nội ma sát
• 2.5. Gia tốc lớn nhất có thể đạt được
• 3. CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA NỘI MA SÁT TỚI KHẢ NĂNG PHÁT HUY LỰC KÉO TRÊN CẦU CHỦ ĐỘNG
• 3.1. Khảo sát ảnh hưởng của nội ma sát tới khả năng phát huy lực kéo trên cầu chủ động của một số xe cơ bản
• 3.1.1. Xe tải cẩu HD 120, HINO 72013, HINO 72813
• 3.1.1.1. Thông số kỹ thuật
• 3.1.2. Xe BMW X5 x DRIVE 35i ( 2 cầu chủ động)
• 3.1.2.1. Thông số kỹ thuật
• 3.2. Tính toán khả năng gia tốc tối đa mà xe có thể đạt được
• 3.3. Tính toán khả năng gia tốc của các loại xe khảo sát
• 3.3.1. Tính toán khả năng gia tốc cho các xe HD 120; HINO 72013;
• 3.3.2. Tính toán khả năng gia tốc cho xe BMW X5 x Drive 35i
• 3.4. Khảo sát sự phụ thuộc của ax theo các thông số khác
• 3.5. Đánh giá hiệu quả của nội ma sát trong việc tăng cường lực kéo trong điều kiện đường xá xấu
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nội ma sát vi sai và lực kéo ô tô

Trong hệ thống truyền lực ô tô, bộ vi sai đóng vai trò then chốt, cho phép các bánh xe trên cùng một cầu chủ động quay với vận tốc góc khác nhau khi xe vào cua hoặc di chuyển trên địa hình không bằng phẳng. Tuy nhiên, một yếu tố thường bị bỏ qua nhưng lại có ảnh hưởng sâu sắc đến hiệu suất vận hành chính là nội ma sát. Nội ma sát trong bộ vi sai không chỉ là một hiện tượng vật lý đơn thuần gây ra tổn thất công suất, mà còn là một yếu tố có thể được kiểm soát để cải thiện đáng kể lực kéo. Bài viết này sẽ đi sâu phân tích ảnh hưởng của nội ma sát vi sai đến lực kéo ô tô, dựa trên các nghiên cứu động lực học và thực nghiệm. Hiểu rõ cơ chế này giúp các kỹ sư tối ưu hóa thiết kế, từ đó nâng cao khả năng bám đường, độ ổn định và tính an toàn cho xe, đặc biệt trong các điều kiện vận hành khắc nghiệt. Chúng ta sẽ khám phá cách mà một đại lượng tưởng chừng tiêu cực như ma sát lại có thể trở thành chìa khóa để giải quyết bài toán trượt bánh xe, một trong những nhược điểm lớn nhất của các loại vi sai đối xứng thông thường. Từ đó, các giải pháp như vi sai chống trượt (LSD) hay khóa vi sai được phát triển, tất cả đều dựa trên nguyên tắc cơ bản là điều khiển và tăng cường nội ma sát một cách có chủ đích. Việc phân phối mô-men xoắn hiệu quả giữa các bánh xe không chỉ giúp xe vượt qua các địa hình khó mà còn cải thiện gia tốc và hiệu suất truyền động tổng thể. Do đó, nghiên cứu về nội ma sát vi sai không chỉ mang ý nghĩa học thuật mà còn có giá trị ứng dụng thực tiễn to lớn trong ngành công nghiệp ô tô hiện đại, hướng tới những chiếc xe mạnh mẽ và an toàn hơn.

1.1. Khái niệm bộ vi sai và vai trò trong hệ thống truyền lực

Bộ vi sai là một cơ cấu cơ khí hành tinh, có nhiệm vụ chính là phân chia mô-men xoắn từ động cơ đến hai bánh xe trên một cầu chủ động. Công dụng cốt lõi của nó là cho phép hai bánh xe quay với vận tốc khác nhau. Khi xe chạy thẳng, hai bánh xe quay cùng tốc độ, và các bánh răng hành tinh bên trong vi sai không quay quanh trục của chúng. Tuy nhiên, khi xe vào cua, bánh xe phía ngoài cua phải di chuyển một quãng đường dài hơn và do đó cần quay nhanh hơn bánh xe phía trong. Bộ vi sai sẽ đảm bảo sự chênh lệch tốc độ này diễn ra mượt mà, tránh hiện tượng sự trượt bánh xe và giảm mài mòn lốp. Nó là một thành phần không thể thiếu trong hệ thống truyền lực của hầu hết các loại ô tô, từ xe du lịch đến xe tải.

1.2. Nội ma sát trong vi sai là gì và tại sao nó quan trọng

Nội ma sát trong vi sai là tổng hợp các lực cản phát sinh do sự tương tác giữa các chi tiết chuyển động bên trong nó, chủ yếu là ma sát trượt giữa các bề mặt răng của bánh răng hành tinh và bánh răng bán trục, ma sát tại các ổ bi, và ma sát nhớt của dầu vi sai. Trong một vi sai thông thường, nội ma sát được coi là một yếu tố gây tổn thất công suất. Tuy nhiên, trong các thiết kế vi sai hiện đại, nội ma sát lại trở thành một công cụ hữu ích. Bằng cách tăng cường và kiểm soát nội ma sát, các nhà thiết kế có thể tạo ra một sự 'hãm' nhất định giữa hai bán trục, ngăn chặn tình trạng toàn bộ mô-men xoắn bị truyền đến bánh xe có độ bám đường kém hơn. Điều này giúp cải thiện đáng kể lực kéo và ổn định xe trên các bề mặt trơn trượt.

II. Thách thức lực kéo từ vi sai mở và sự trượt bánh xe

Vấn đề cố hữu của các loại vi sai đối xứng thông thường (vi sai mở) là nguyên tắc phân phối mô-men xoắn. Về lý thuyết, nó luôn chia mô-men bằng nhau cho hai bánh xe. Tuy nhiên, lực kéo thực tế mà một bánh xe có thể tạo ra bị giới hạn bởi hệ số bám giữa lốp và mặt đường. Khi một bánh xe đi vào vùng trơn trượt (bùn, băng tuyết), hệ số bám của nó giảm đột ngột. Do vi sai phải duy trì mô-men xoắn bằng nhau ở cả hai bên, nên mô-men truyền đến bánh xe có độ bám tốt cũng bị giới hạn bởi mô-men rất nhỏ của bánh xe đang trượt. Kết quả là bánh xe bị trượt sẽ quay tít tại chỗ trong khi bánh còn lại đứng yên, và chiếc xe không thể di chuyển. Đây chính là hiện tượng một bánh xe quay trơn, nguyên nhân chính gây ra tổn thất công suất và làm giảm đáng kể khả năng vượt địa hình của xe. Ảnh hưởng của nội ma sát vi sai đến lực kéo ô tô trong trường hợp này là rất nhỏ, gần như bằng không, khiến cho nhược điểm của vi sai mở càng trở nên rõ rệt. Vấn đề này không chỉ làm giảm hiệu suất mà còn tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn khi xe cần tăng tốc hoặc di chuyển trên các cung đường phức tạp. Để khắc phục, các giải pháp kỹ thuật cần tập trung vào việc phá vỡ nguyên tắc phân chia mô-men đều nhau này, và đó là lúc vai trò của nội ma sát được phát huy.

2.1. Nhược điểm của bộ vi sai đối xứng ma sát trong thấp

Vi sai đối xứng, hay còn gọi là vi sai mở, có cấu tạo đơn giản gồm các bánh răng côn và có ma sát trong rất nhỏ. Nhược điểm lớn nhất của nó là sự phân phối mô-men xoắn một cách thụ động. Luận văn của Trịnh Trung Duy (2014) chỉ rõ: "moment truyền tới các bên bánh xe đều bằng nhau". Điều này có nghĩa là lực kéo tối đa của cả cầu chủ động bị giới hạn bởi bánh xe có lực bám kém hơn. Ví dụ, nếu một bánh xe nằm trên băng (hệ số bám gần bằng 0), thì bánh xe còn lại dù nằm trên đường khô ráo cũng gần như không nhận được lực kéo nào. Hậu quả là sự trượt bánh xe xảy ra và xe bị sa lầy, không thể di chuyển.

2.2. Phân tích hiện tượng bánh xe quay trơn và tổn thất công suất

Hiện tượng một bánh xe quay trơn xảy ra khi toàn bộ công suất từ động cơ được truyền đến bánh xe có sức cản lăn thấp nhất. Bánh xe này sẽ quay tự do trong khi bánh còn lại đứng yên. Điều này không chỉ khiến xe mất khả năng di chuyển mà còn gây ra tổn thất công suất nghiêm trọng. Năng lượng của động cơ thay vì được chuyển thành lực đẩy chiếc xe tiến lên phía trước lại bị tiêu hao vô ích dưới dạng nhiệt và mài mòn lốp. Đây là một thách thức lớn đối với hiệu suất truyền động và tính việt dã của ô tô, đặc biệt là các dòng xe không được trang bị các hệ thống kiểm soát lực kéo tiên tiến.

III. Phương pháp phân tích động lực học nội ma sát vi sai

Để hiểu rõ ảnh hưởng của nội ma sát vi sai đến lực kéo ô tô, cần phân tích sâu về mặt động lực học. Yếu tố cốt lõi là mô-men ma sát (Mms) sinh ra bên trong bộ vi sai khi có sự chênh lệch vận tốc góc giữa hai bán trục. Mô-men ma sát này tạo ra sự khác biệt về mô-men xoắn truyền đến hai bánh xe. Theo nghiên cứu, mô-men ở bánh xe quay chậm hơn (M2) sẽ lớn hơn mô-men ở bánh xe quay nhanh hơn (M1) một lượng đúng bằng mô-men ma sát: M2 = M1 + Mms. Sự chênh lệch này chính là chìa khóa để vượt qua giới hạn của vi sai mở. Để lượng hóa mức độ ảnh hưởng này, các nhà khoa học sử dụng hai hệ số quan trọng: hệ số hãm vi sai (kδ) và hệ số khóa vi sai (k'δ). Hệ số hãm vi sai (kδ = Mms / M0) thể hiện tỷ lệ mô-men ma sát so với tổng mô-men đầu vào, cho biết mức độ 'hãm' của vi sai. Trong khi đó, hệ số khóa vi sai (k'δ = M2 / M1) trực tiếp thể hiện khả năng phân phối mô-men xoắn không đồng đều, cho phép bánh xe có độ bám tốt nhận được mô-men lớn hơn gấp nhiều lần so với bánh đang trượt. Các loại vi sai thông thường có kδ rất nhỏ (0,02-0,15), trong khi các loại vi sai chống trượt (LSD) có thể đạt giá trị cao hơn nhiều, giúp tối ưu hóa lực kéo.

3.1. Mối quan hệ động lực học giữa mô men xoắn và nội ma sát

Mối quan hệ động lực học cơ bản cho thấy mô-men ma sát nội (Mms) chính là yếu tố tạo ra sự khác biệt trong việc phân phối mô-men ra hai bán trục. Khi có sự trượt tương đối giữa hai bánh xe, ma sát sinh ra sẽ cộng thêm vào mô-men của bánh xe quay chậm và trừ đi ở bánh xe quay nhanh. Phương trình cân bằng công suất cho thấy M2 = M1 + Mms. Điều này có nghĩa là bánh xe có độ bám tốt hơn (quay chậm hơn hoặc đứng yên) sẽ nhận được một lượng mô-men xoắn lớn hơn, giúp nó tạo ra lực kéo và đẩy xe đi. Đây là nguyên tắc nền tảng cho mọi loại vi sai chống trượt (LSD).

3.2. Vai trò của hệ số hãm kδ và hệ số khóa vi sai k δ

Hệ số hãm vi sai (kδ) và hệ số khóa vi sai (k'δ) là hai thông số kỹ thuật dùng để đánh giá hiệu quả của nội ma sát. Hệ số khóa k'δ càng lớn, khả năng truyền mô-men tới bánh xe có độ bám tốt càng cao. Nghiên cứu của Trịnh Trung Duy (2014) chỉ ra rằng lực kéo tối đa của cầu (Pkmax) có thể được tính theo công thức liên quan trực tiếp đến k'δ và hệ số bám tối thiểu (φmin). Việc lựa chọn một tỷ số truyền vi sai và hệ số khóa hợp lý là cực kỳ quan trọng trong thiết kế để cân bằng giữa khả năng vượt địa hình và tính năng lái ổn định khi vào cua trên đường khô ráo.

IV. Top các giải pháp vi sai tăng nội ma sát tối ưu lực kéo

Dựa trên nguyên tắc động lực học, ngành công nghiệp ô tô đã phát triển nhiều loại vi sai tăng nội ma sát, thường được gọi chung là Vi sai chống trượt (LSD - Limited Slip Differential). Các giải pháp này đều có chung mục tiêu là tạo ra mô-men ma sát (Mms) một cách chủ động hoặc thụ động để cải thiện lực kéo. Một trong những loại phổ biến nhất là vi sai sử dụng ly hợp nhiều đĩa, nơi các đĩa ma sát được ép lại với nhau khi có sự chênh lệch tốc độ, tạo ra lực hãm cần thiết. Một giải pháp cơ khí tinh vi hơn là vi sai sử dụng bánh răng trụ hoặc vi sai trục vít (ví dụ: Torsen), hoạt động dựa trên ma sát sinh ra từ góc ăn khớp đặc biệt của các cặp bánh răng. Loại này có ưu điểm là phản ứng nhanh và hoàn toàn tự động. Ngoài ra còn có vi sai cam, sử dụng các con trượt và bề mặt cam để tạo ra ma sát. Mỗi loại có ưu và nhược điểm riêng về độ phức tạp, chi phí, và hiệu quả hoạt động. Trong những điều kiện khắc nghiệt nhất, giải pháp tối ưu là khóa vi sai (locking differential), loại bỏ hoàn toàn chức năng vi sai và nối cứng hai bán trục với nhau, đảm bảo 100% mô-men xoắn được truyền đi. Việc lựa chọn loại vi sai nào phụ thuộc vào mục đích sử dụng của xe, từ xe thể thao hiệu suất cao đến xe off-road chuyên dụng.

4.1. Cơ cấu vi sai chống trượt LSD sử dụng ly hợp và đĩa ma sát

Vi sai chống trượt (LSD) dạng ly hợp là giải pháp phổ biến nhất. Nó bao gồm một bộ các đĩa ma sát được đặt xen kẽ, một nửa gắn với vỏ vi sai và nửa còn lại gắn với bánh răng bán trục. Khi có sự chênh lệch tốc độ, các đĩa này trượt lên nhau, và lực ép (từ lò xo hoặc áp lực thủy lực) sẽ tạo ra một mô-men ma sát đáng kể. Mô-men này giới hạn sự trượt, buộc một phần công suất phải truyền sang bánh xe có độ bám tốt hơn. Việc điều chỉnh lực ép và chất lượng dầu vi sai (hay dầu cầu) chuyên dụng là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất truyền động của loại vi sai này.

4.2. Nguyên lý hoạt động của vi sai cam và vi sai trục vít

Vi sai trục vít (như Torsen) và vi sai cam là các giải pháp thuần cơ khí. Vi sai trục vít sử dụng các cặp bánh răng trục vít - bánh vít có đặc tính tự hãm. Ma sát sinh ra trong các bộ truyền này rất lớn, cho phép nó tự động phân phối mô-men xoắn đến bánh xe có độ bám cao hơn một cách tức thời và tỷ lệ thuận với sự chênh lệch độ bám. Vi sai cam hoạt động bằng cách sử dụng các con trượt di chuyển trên các bề mặt cam có biên dạng đặc biệt, tạo ra lực ma sát khi có chuyển động tương đối. Cả hai loại này đều có độ bền cao và không cần bảo dưỡng nhiều như loại ly hợp, nhưng có chi phí sản xuất cao hơn.

V. Đánh giá ảnh hưởng thực tiễn của ma sát đến lực kéo

Các nghiên cứu và tính toán thực nghiệm đã chứng minh một cách rõ ràng ảnh hưởng của nội ma sát vi sai đến lực kéo ô tô. Luận văn của Trịnh Trung Duy (2014) đã tiến hành khảo sát trên các dòng xe cụ thể như Hyundai HD120 và BMW X5, cho thấy mối tương quan trực tiếp giữa hệ số khóa vi sai (k'δ) và lực kéo tối đa (Pkmax) mà xe có thể đạt được. Kết quả cho thấy khi tăng hệ số khóa vi sai, lực kéo trên cầu chủ động tăng lên đáng kể, đặc biệt trong điều kiện một bánh xe có hệ số bám thấp (φmin). Các đồ thị phân tích cho thấy, với một vi sai mở (k'δ ≈ 1), lực kéo gần như bằng không khi một bánh bị trượt. Nhưng với một vi sai chống trượt (LSD) có k'δ = 3 hoặc 4, xe có thể phát huy được lực kéo lớn hơn gấp nhiều lần. Điều này không chỉ giúp xe thoát lầy mà còn cải thiện gia tốc, vì lực kéo tổng thể của xe chính là tổng lực kéo trên tất cả các bánh xe chủ động. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, việc tăng nội ma sát giúp tăng gia tốc cực đại mà xe có thể đạt được trên các bề mặt có độ bám khác nhau, khẳng định vai trò không thể thiếu của việc kiểm soát ma sát trong việc nâng cao hiệu suất truyền động và tính năng động lực học của ô tô.

5.1. Kết quả tính toán lực kéo tối đa Pkmax theo hệ số khóa

Phân tích số liệu từ tài liệu gốc cho thấy một mối quan hệ tuyến tính rõ rệt: khi hệ số khóa vi sai (k'δ) tăng, lực kéo tối đa (Pkmax) cũng tăng theo. Ví dụ, trên xe HD 72 trong điều kiện hệ số bám của một bánh xe là rất thấp (φmin = 0.1), việc tăng k'δ từ 1 lên 5 đã giúp tăng Pkmax lên gần 3 lần. Điều này chứng minh rằng, một vi sai có nội ma sát cao (LSD) có thể cải thiện đáng kể khả năng kéo của xe trong điều kiện đường xấu, giúp xe không bị mất khả năng di chuyển chỉ vì một bánh xe bị trượt.

5.2. Phân tích đồ thị quan hệ giữa hệ số bám và gia tốc xe

Các đồ thị trong nghiên cứu còn cho thấy mối quan hệ giữa hệ số lực kéo hiệu dụng (μx) và gia tốc xe. Hệ số μx, vốn phụ thuộc vào hệ số khóa vi sai và hệ số bám, quyết định gia tốc tối đa mà xe có thể đạt được. Khi nội ma sát vi sai tăng, μx tăng, cho phép xe đạt được gia tốc cao hơn trước khi bánh xe bắt đầu trượt. Đây là một yếu tố cực kỳ quan trọng đối với các dòng xe hiệu suất cao, nơi khả năng tăng tốc nhanh và ổn định xe khi thoát cua là ưu tiên hàng đầu.

VI. Kết luận Tối ưu hiệu suất truyền động nhờ nội ma sát

Tóm lại, ảnh hưởng của nội ma sát vi sai đến lực kéo ô tô là một chủ đề phức tạp nhưng mang lại giá trị thực tiễn to lớn. Thay vì xem ma sát là một yếu tố tiêu cực gây tổn thất công suất, các kỹ sư đã biến nó thành một công cụ hiệu quả để kiểm soát và tối ưu hóa hiệu suất truyền động. Từ các phân tích động lực học đến kết quả thực nghiệm, có thể khẳng định rằng việc tăng cường nội ma sát một cách có kiểm soát thông qua các cơ cấu như vi sai chống trượt (LSD) hoặc khóa vi sai là giải pháp then chốt để khắc phục nhược điểm của vi sai mở. Nó giúp cải thiện đáng kể lực kéo, khả năng tăng tốc, và ổn định xe trên các bề mặt trơn trượt. Việc lựa chọn hệ số hãm và hệ số khóa vi sai phù hợp với từng loại xe và mục đích sử dụng là bài toán quan trọng trong thiết kế hệ thống truyền lực. Trong tương lai, với sự phát triển của các hệ thống điều khiển điện tử, việc quản lý nội ma sát trong vi sai sẽ còn trở nên linh hoạt và thông minh hơn, góp phần tạo ra những chiếc ô tô an toàn và mạnh mẽ hơn, đáp ứng mọi điều kiện vận hành.

6.1. Tóm tắt vai trò quyết định của nội ma sát trong vi sai

Nội ma sát đóng vai trò quyết định trong việc biến đổi một bộ vi sai từ một thiết bị phân phối mô-men xoắn thụ động thành một cơ cấu chủ động cải thiện lực kéo. Nó tạo ra sự chênh lệch mô-men cần thiết giữa hai bánh xe, ngăn chặn sự trượt bánh xe và đảm bảo công suất của động cơ được truyền xuống mặt đường một cách hiệu quả nhất có thể. Không có nội ma sát được kiểm soát, khả năng vận hành của xe trong điều kiện khó khăn sẽ bị hạn chế nghiêm trọng.

6.2. Khuyến nghị lựa chọn hệ số hãm vi sai hợp lý cho ô tô

Việc lựa chọn hệ số hãm vi sai (kδ) cần có sự cân bằng. Theo tài liệu tham khảo, nếu kδ quá lớn (thường không quá 0.6) sẽ gây khó khăn khi xe quay vòng trên đường tốt, làm tăng mài mòn lốp và có thể gây hư hỏng bán trục. Ngược lại, kδ quá nhỏ sẽ không đủ để cải thiện lực kéo. Do đó, việc lựa chọn hệ số hãm hợp lý, hoặc sử dụng các hệ thống vi sai điện tử có thể thay đổi độ hãm, là hướng đi tối ưu cho các dòng xe hiện đại, nhằm đảm bảo hiệu suất truyền động cao trong mọi tình huống.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VI SAI TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC Ô TÔ 1. Công dụng và phân loại vi sai 1. Công dụng Vi sai đặt giữa các bánh xe chủ động của một cầu nhằm bảo đảm cho các bánh xe đó quay với vận tốc khác nhau khi xe quay vòng, hoặc chuyển động trên đường không bằng phẳng, hoặc có sự khác nhau giữa bán kính lăn của hai bánh xe, đồng thời phân phối lại moment xoắn cho hai nửa trục trong các trường hợp nêu trên. Vi sai đặt giữa các cầu chủ động có công dụng phân phối moment xoắn cho các cầu theo yêu cầu thiết kế nhằm nâng cao tính năng kéo của xe có nhiều cầu.

Theo công dụng: - Vi sai giữa các bánh xe. - Vi sai giữa các cầu. - Vi sai giữa các truyền lực cạnh. Theo mức độ tự động: - Vi sai không có hãm.

- Vi sai có hãm bằng tay. - Vi sai hãm tự động. Theo kết cấu: - Vi sai bánh răng nón. - Vi sai bánh răng trụ.

- Vi sai cam. - Vi sai trục vít. - Vi sai ma sát thuỷ lực. - Vi sai có tỉ số truyền thay đổi.

- Vi sai có hành trình tự do. Theo giá trị hệ số hãm vi sai: - Vi sai ma sát trong nhỏ (k = 0  0,2) - Vi sai ma sát trong lớn (k = 0,21  0,7) - Vi sai hãm cứng (k > 0,7) 2. Đặc điểm cấu tạo các loại vi sai điển hình 2. Vi sai đối xứng ( giữa hai bánh xe sau chủ động ) 1.

Bánh răng hành tinh 3. Bánh răng bán trục 4. Trục chữ thập 5. Bánh răng côn chủ động Hình 1.1: Vi sai đối xứng loại hai bánh răng hành tinh Hình 1.2 : Cấu tạo bộ vi sai đối xứng loại hai bánh răng hành tinh 17 Loại vi sai này có ma sát trong nhỏ, trong các loại vi sai hiện nay phần lớn dùng loại này.

Sự khác nhau của vi sai đối xứng lắp trên xe này hay xe khác là ở số bánh răng vi sai, ở kết cấu vỏ vi sai và các bánh răng bán trục. Trên ôtô du lịch thường dùng loại vi sai đối xứng với hai bánh răng hành tinh và vỏ vi sai liền, không tháo rời để đảm bảo vững chắc. Trên ôtô tải thường có bốn bánh răng hành tinh và vỏ vi sai tháo rời được. Vỏ vi sai giữ vòng răng, bộ bánh răng hành tinh và đầu trong cùng của bán trục, chúng được cố định và quay trong bán trục.

Vỏ vi sai được chế tạo bằng gang rèn, bằng gang hợp kim hoặc bằng thép 45. Ổ bi vỏ vi sai được lắp giữa phần ngoài cùng vỏ vi sai và vỏ cầu. Mặt bích trên vỏ vi sai để gắn bánh răng bị động của truyền lực chính. Hai nửa vỏ vi sai gắn chặt bánh răng bị động bằng bulông hay đinh tán.

Bộ bánh răng hành tinh hay bộ bánh răng vi sai gồm có hai bánh răng côn bán trục và hai bánh răng hành tinh (bánh răng quay trơn của bộ vi sai trong vi sai hai bánh răng hành tinh). Bộ bánh răng hành tinh được lắp trong vỏ vi sai, chúng là những bánh răng côn nhỏ. Một trục nhỏ xuyên qua hai bánh răng hành tinh (hoặc trục chữ thập xuyên qua bốn bánh răng hành tinh) và vỏ vi sai. Hai bánh răng bán trục ăn khớp với đầu trong bán trục bằng then hoa.

Để tăng khả năng kéo và khả năng thoát lầy của ô tô người ta bố trí thêm cơ cấu khóa vi sai (điều khiển bằng cơ khí hoặc bằng điện tử). Dẫn động khóa vi sai loại cơ khí có cần gạt bố trí trên dầm cầu chủ động hoặc đặt cạnh người lái. Loại này có nhược điểm là sử dụng khi ôtô đã bị trượt quay và không có khả năng tự chuyển động nữa. Sau khi ôtô vượt được đoạn trượt quay rồi, người lái phải trả cần gạt ngay về vị trí cũ.

Nếu không, khi ôtô chuyển động trên đường với cơ cấu vi sai đã hãm cứng làm mòn lốp nhanh, có thể gãy bán trục và khó quay vòng. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ khóa vi sai Trên các ôtô hiện nay hay dùng cơ cấu khóa vi sai cưỡng bức điều khiển bằng điện tử. Khi bật công tắc điều khiển khóa hãm vi sai, hộp điều khiển điện tử (ECU), điều khiển bộ chấp hành khóa vi sai lắp trên vỏ cầu sẽ đẩy khớp càng cua bên trong cầu làm khớp trượt trên then hoa bán trục nối cứng các bán trục với vỏ vi sai. Bộ chấp hành khóa vi sai có động cơ điện dùng để đẩy khớp trượt.

Hoạt động của động cơ điện được thực hiện theo tín hiệu từ hộp ECU. Dựa trên các tín hiệu từ công tắc, các cảm biến như: cảm biến tốc độ. Ngoài cách sử dụng cơ cấu khóa vi sai, để tăng thêm tính việt dã và tiện lợi trong việc điều khiển người ta còn sử dụng vi sai tăng nội ma sát. Vi sai tăng ma sát Với bộ vi sai thường có thể không đủ sức kéo thích hợp trên đường trơn, trên đường sình lầy hay trong thời gian tăng tốc.

Khi một bánh xe của cầu sau chủ động thiếu sức kéo (Ví dụ: trong băng tuyết, sình lầy), các bánh xe khác sẽ không đủ sức lực đẩy đẩy xe vượt lên. Moment xoắn sẽ truyền qua bánh răng bán trục dễ quay nhất. Tăng tính chất động lực ôtô, dùng vi sai có ma sát (tăng ma sát) bằng cách tạo ra ma sát phụ trên đường truyền lực từ bán trục trái sang bán trục phải. 19 Vi sai tăng ma sát cung cấp lực truyền động tới cả hai bánh xe trong suốt thời gian xe chạy.

Chuyển đổi một phần moment xoắn chủ động tới cả hai bánh xe trượt và bánh xe truyền động. Vi sai tăng ma sát bằng ly hợp nhiều đĩa a. Loại sử dụng một khớp ma sát Bộ vi sai sử dụng khóa ly hợp nhiều đĩa làm khớp ma sát đơn. Các đĩa răng ngoài liên kết với vỏ vi sai, các đĩa răng trong liên kết với bánh răng bán trục.

Các đĩa được lắp xen kẽ giữa đĩa răng ngoài với đĩa răng trong, và bị ép bởi lò xo đĩa đặt nằm cạnh vỏ vi sai.4: Sơ đồ cấu tạo và kết cấu của bộ vi sai tăng ma sát sử dụng 1 khớp ma sát Khi có sự quay tương đối giữa vỏ và bánh răng bán trục sẽ xuất hiện lực ma sát giữa các đĩa nhờ vậy bộ ly hợp này có tác dụng khóa vi sai trong một giới hạn cố định. Nếu sự trượt giữa các đĩa tăng lên, khớp ma sát chỉ tăng mô men ma sát tới giới hạn nhất định. Với bộ khóa vi sai đơn khi xe đi trên đường có chênh lệch hệ số bám lớn, khả năng động lực ở các bánh xe sẽ tốt hơn so với loại vi sai ma sát trong thấp. Chất lượng động lực học phụ thuộc vào khả năng tạo ma sát của cơ cấu khóa, nếu giá trị ma sát lớn sẽ làm hạn chế sự sai khác tốc độ góc của bánh xe, nếu giá trị ma sát quá nhỏ thì không cải thiện được chất lượng động lực học của ô tô.

20 Loại vi sai này moment ma sát sinh ra do sự tiếp xúc của các đĩa ma sát khi có sự chênh lệch tốc độ của hai bánh xe, loại này có hệ số hãm vi sai k = Mms / Mo k = 0. Loại sử dụng hai khớp ma sát Cấu tạo và nguyên lý làm việc của cấu trúc này tương tự như loại vi sai sử dụng một khớp ma sát. Trên xe bố trí hai khớp vi sai đối xứng, khóa bánh răng bán trục với vỏ vi sai. Các khớp ma sát nằm giữa đáy của bánh răng bán trục với mặt đầu của vỏ vi sai, bao gồm các đĩa răng trong và các đĩa răng ngoài.

Phần sát với vỏ vi sai đặt một lò xo đĩa, đóng vai trò tạo lực ép. Giữa lò xo đĩa và đĩa răng sát nó có một đĩa trơn đóng vai trò đĩa ép.5: Kết cấu của bộ vi sai ma sát trong cao sử dụng hai khớp ma sát a)Mặt cắt cầu xe có bộ vi sai 2 khớp ma sát; b)Chuỗi kết cấu bộ vi sai 2 khớp ma sát Loại vi sai này hệ số hãm vi sai k = Mms/Mo= 0. Do tính chất đối xứng của kết cấu nên tải trọng tác dụng vào hai bán trục và bánh răng bán trục đồng đều, kết cấu của ly hợp khóa bớt cồng kềnh. Vì không thay đổi được moment ma sát giới hạn do vậy với loại vi sai này khả năng động lực học của xe bị hạn chế.

Vi sai tăng ma sát sử dụng bánh răng trụ Các bánh răng bán trục và các bánh răng hành tinh trong bộ vi sai này đều là bánh răng trụ. Hai bánh răng trụ bán trục ăn khớp then hoa với hai bán trục trái và phải. Bộ vi sai này sử dụng ba cặp bánh răng trụ hành tinh đặt cách đều nhau 120o. Mỗi cặp bánh răng hành tinh hai bánh răng trụ sẽ ăn khớp với nhau và đều có trục quay lắp trên vỏ bộ vi sai.6: Sơ đồ cấu tạo của bộ vi sai tăng ma sát sử dụng bánh răng trụ Khi xe chuyển động thẳng tức là vận tốc góc ở hai bên bánh xe bằng nhau hoặc lực cản tại hai bên bánh xe bằng nhau thì vận tốc góc của hai bánh răng bán trục bằng nhau.

Khi đó các bánh răng hành tinh chỉ quay quanh tâm trục của bánh răng bán trục mà không quay quanh trục của chúng. Khi có sự sai lệch tốc độ ở hai bánh xe hoặc các lực cản của hai bánh xe khác nhau thì vận tốc góc của hai bánh răng bán trục khác nhau. Do đó moment trên các bánh răng bán trục khác nhau. Nếu bánh xe bên phải quay nhanh hơn bánh xe bên trái thì giá trị mô men Mt – Mp làm quay các bánh răng vi sai quanh trục của nó.

Như vậy các cặp bánh răng vi sai vừa quay quanh trục của nó vừa quay quanh tâm trục của bánh răng bán trục. Giá trị moment ma sát trong bộ vi sai bánh răng trụ ngoài phụ thuộc vào sự sai tốc của các bánh răng bán trục còn phụ thuộc vào góc nghiêng răng của bánh răng mặt trời và bánh răng vi sai. Vi sai tăng ma sát sử dụng trục vít – bánh vít Sơ đồ cấu tạo và kết cấu của bộ vi sai ma sát trong cao sử dụng trục vít – bánh vít trên hình 1.7: Sơ đồ cấu tạo của bộ vi sai ma sát trong cao sử dụng trục vít – bánh vít Hai bánh vít bán trục ăn khớp then hoa với hai bán trục trái và phải.