Đồ án: tốt nghiệp tìm hiểu hệ thống xdrive trên dòng xe bmw

Tìm hiểu chi tiết hệ thống xDrive trên xe BMW qua đồ án tốt nghiệp. Phân tích cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ưu điểm của công nghệ dẫn động 4 bánh thông minh.

• Tác giả: Nguyễn Văn Nhờ
• Người hướng dẫn: Th.S Dương Tuấn Tùng
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Khoa Cơ Khí Động Lực, Bộ Môn Khung Gầm
• Đề tài: Tìm Hiểu Hệ Thống Xdrive Trên Dòng Xe Bmw
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu Hệ Thống xDrive trên Xe BMW

Hệ thống xDrive là công nghệ dẫn động toàn bánh thông minh được BMW phát triển để nâng cao hiệu suất và an toàn khi lái xe. Đây là một bước tiến lớn so với các hệ thống dẫn động truyền thống như 2WD, 4WD hay AWD. Với sự phát triển ngày càng nhiều của ô tô tại Việt Nam, việc hiểu rõ về các hệ thống dẫn động hiện đại như xDrive trở nên cần thiết. Đề tài tốt nghiệp này tập trung vào tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các tính năng vượt trội của hệ thống xDrive. Qua nghiên cứu chuyên sâu, nhóm tác giả đã phân tích chi tiết cách hệ thống xDrive tối ưu hóa phân phối động lực giữa bánh trước và bánh sau, giúp cải thiện khả năng kiểm soát xe và tăng cường độ an toàn lái xe trong các điều kiện đường bộ khác nhau.

1.1. Lý Do Chọn Đề Tài Nghiên Cứu

Với sự gia tăng dòng xe ô tô có hệ thống dẫn động xDrive trên thị trường, việc tìm hiểu chi tiết về công nghệ này là rất cần thiết. Hệ thống xDrive đại diện cho thế hệ dẫn động toàn bánh mới, mang lại hiệu suất vượt trội và khả năng xử lý cao hơn so với các hệ thống cũ. Đề tài này giúp kỹ sư tương lai nắm vững kiến thức về công nghệ dẫn động hiện đại, hỗ trợ bảo dưỡng và sửa chữa xe BMW một cách chuyên nghiệp.

1.2. Mục Tiêu Và Phạm Vi Nghiên Cứu

Đề tài tập trung vào phân tích cấu tạo hộp số phụ ATC, nguyên lý hoạt động hệ thống xDrive, và sự phối hợp với hệ thống DSC8/DSC8+. Nhóm nghiên cứu sử dụng tài liệu đào tạo chính thức BMW, sách báo chuyên ngành ô tô và nguồn tài liệu từ internet để tìm hiểu sâu về công nghệ dẫn động toàn bánh thông minh này.

II. So Sánh Các Hệ Thống Dẫn Động Ô Tô

Trước khi đi sâu vào hệ thống xDrive, cần hiểu rõ sự khác biệt giữa các hệ thống dẫn động khác nhau. Hệ thống 2WD (cầu trước hoặc cầu sau) là dạng dẫn động truyền thống, chỉ truyền động lực tới hai bánh. Hệ thống 4WD cung cấp động lực tới cả bốn bánh nhưng không tự động điều chỉnh. Hệ thống AWD (All-Wheel Drive) là dẫn động toàn bánh tự động giúp phân phối động lực thông minh. Hệ thống xDrive của BMW vượt trội hơn bằng cách kiểm soát độc lập từng bánh thông qua hộp số phụ ATC và phối hợp với hệ thống DSC. Điều này mang lại khả năng kiểm soát tốc độ cong vượt trội, an toàn lái xe cao hơn và tiêu hao nhiên liệu thấp hơn.

2.1. Hệ Thống 2WD 4WD Và AWD

Hệ thống 2WD chỉ dẫn động hai bánh, đơn giản và tiết kiệm nhiên liệu. Hệ thống 4WD được sử dụng nhiều trên xe địa hình, cung cấp sức kéo mạnh mẽ. Hệ thống AWD là phiên bản tự động nâng cao, tự động phân phối động lực khi phát hiện trượt bánh. Tuy nhiên, các hệ thống này không có khả năng kiểm soát độc lập như xDrive.

2.2. Ưu Điểm Vượt Trội Của xDrive

Hệ thống xDrive được thiết kế để phân phối động lực cực kỳ nhanh chóng (chuỗi ms), giúp cải thiện độ bám đường và ổn định xe trên các cung đường khó khăn. Công nghệ xDrive kết hợp với hệ thống DSC tạo ra kiểm soát động học vô cùng hiệu quả, đảm bảo an toàn lái xe tối đa và hiệu suất vượt trội so với các hệ thống truyền thống.

III. Cấu Tạo Và Nguyên Lý Hoạt Động Hệ Thống xDrive

Hệ thống xDrive được cấu thành từ các bộ phận chính như hộp số phụ ATC 400/500 hoặc ATC 300, mô tơ trợ lực với cảm biến vị trí, cần điều chỉnh đĩa ly hợp và mô đun điều khiển DSC8/DSC8+. Nguyên lý hoạt động của xDrive dựa trên phân phối động lực thông minh giữa bánh trước và bánh sau tùy theo điều kiện lái xe thực tế. Khi xe gặp phải tình huống trượt bánh hoặc mất ổn định, hệ thống xDrive sẽ tự động điều chỉnh lực kéo ở từng bánh nhằm đảm bảo ổn định và an toàn tối đa. Hộp số phụ ATC được điều khiển bởi mô tơ điện nhận tín hiệu từ mô đun DSC, xử lý thông tin trong vài mili giây để phân phối động lực tối ưu.

3.1. Các Bộ Phận Chính Của Hệ Thống xDrive

Hộp số phụ ATC là trái tim của hệ thống xDrive, chứa cơ cấu ly hợp điều khiển thủy lực giúp phân phối động lực giữa cầu trước và cầu sau. Mô tơ trợ lực điện được điều khiển bằng tín hiệu PWM từ mô đun DSC, giúp điều chỉnh đĩa ly hợp nhanh chóng. Cảm biến vị trí mô tơ và cảm biến gia tốc cung cấp phản hồi thời gian thực cho hệ thống kiểm soát.

3.2. Phối Hợp xDrive Với Hệ Thống DSC

Hệ thống xDrive hoạt động phối hợp chặt chẽ với DSC (Dynamic Stability Control) để đảm bảo ổn định toàn diện. Mô đun DSC8/DSC8+ nhận dữ liệu từ các cảm biến gia tốc, cảm biến tốc độ bánh xe và cảm biến góc đánh lái, sau đó tính toán lực kéo tối ưu cho từng bánh. Phối hợp này giúp ngăn chặn hiện tượng trượt bánh, cải thiện khả năng kiểm soát xe trên đường ẩm ướt hoặc gồ ghề.

IV. Các Chức Năng Mới Và Ứng Dụng Thực Tế Của xDrive

Hệ thống xDrive được trang bị nhiều chức năng công nghệ tiên tiến giúp tăng cường an toàn lái xe và cải thiện hiệu suất xe. Chức năng ASC (Active Stability Control) làm việc kết hợp với ADB (Automatic Differential Braking) để ngăn chặn trượt bánh khi tăng tốc. Chức năng ABS kết hợp EBD (Electronic Brake-force Distribution) giúp phân phối lực phanh hợp lý giữa các bánh. Chức năng DTC (Dynamic Traction Control) và DBC (Dynamic Braking Control) điều khiển động lực và lực phanh từng bánh để giữ ổn định tối đa. Những chức năng này đặc biệt hữu ích trong điều kiện lái khó khăn như cua gấp, phanh khẩn cấp trên đường ướt, giúp tài xế giữ kiểm soát xe tốt hơn và giảm nguy cơ tai nạn đáng kể.

4.1. Các Chức Năng Cân Bằng Điện Tử DSC

Chức năng ASC/ADB hoạt động bằng cách giảm đột ngột lực kéo động cơ và phanh các bánh cần thiết để duy trì độ bám đường. Chức năng ABS/EBD giúp ngăn chặn hiện tượng khóa bánh khi phanh khẩn cấp, phân phối lực phanh tối ưu dựa trên tốc độ và hướng xe. Những chức năng này đặc biệt quan trọng trên những xe BMW hiệu suất cao.

4.2. Chức Năng Điều Khiển Hộp Số Phụ

Chức năng DTC điều khiển phân phối lực kéo giữa bánh trước và bánh sau, giúp cải thiện khả năng tăng tốc trên mặt đường trơn trượt. Chức năng DBC điều khiển lực phanh từng bánh để ngăn chặn lật xe khi phanh gấp trên cua. Những chức năng này là những tính năng độc quyền của xDrive, mang lại lợi thế cạnh tranh so với các hệ thống dẫn động khác trên thị trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TÌM HIỂU CHUNG VỀ CÁC HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG TRÊN Ô TÔ Khi tìm hiểu thông tin để mua một chiếc ô tô, khách hàng thường chú ý đến các thông số cơ bản như loại động cơ, công suất, mômen xoắn, trang thiết bị tiện nghi, hệ thống an toàn. Tuy nhiên, có một thông số cũng quan trọng không kém mà chúng ta cần phải lưu ý đến, đó chính là hệ thống dẫn động của chiếc xe. Động cơ là nơi sản sinh ra hai thông số quan trọng nhất tượng trưng cho sức mạnh của xe đó là công suất và mômen xoắn.

Để có thể truyền sức mạnh này tới các bánh xe và làm cho chúng quay, chiếc xe cần phải có một cơ cấu để dẫn động từ điểm đầu là động cơ cho đến điểm cuối là các bánh xe. Tuy nhiên, không phải tất cả các bánh xe đều nhận được mômen xoắn một cách đồng thời hoặc bằng nhau trong cùng một thời điểm. Vấn đề này không hề đơn giản, tùy thuộc vào yêu cầu kỹ thuật và yêu cầu sử dụng của từng loại xe mà nhà sản xuất chế tạo ra những cơ cấu truyền động khác nhau. Xét một cách tổng quát, có 3 cơ cấu dẫn động cơ bản hiện có trên thị trường ngày nay, đó là 2WD, 4WD và AWD.

Cả 3 hệ thống này đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Tùy thuộc vào nhu cầu và mục đích sử dụng mà mỗi hãng sản xuất sẽ trang bị hệ thống dẫn động phù hợp cho xe của mình. Ví dụ xe địa hình thường sử dụng hệ thống dẫn động 4WD hoặc AWD; xe đua, xe thể thao thường được trang bị hệ dẫn động cầu sau, trong khi đó hệ thống dẫn động cầu trước lại hay được áp dụng trên các dòng sedan gia đình, xe cỡ nhỏ. Sau đây là những phân tích cơ bản về cấu tạo, tác dụng cũng như ưu điểm và nhược điểm của từng loại hệ thống dẫn động.1 Hệ thống dẫn động 2WD Hình 1.1 Hình ảnh của chiếc xe trang bị hệ thống 2WD 1.1 Hệ thống dẫn động cầu trước (FWD) Khoảng 70% các xe mới được trang bị kiểu dẫn động này.

Nguyên nhân chính là vì ở trên các xe hiện đại ngày nay đều có động cơ nằm trước thay vì đặt phía sau như trước kia. Áp dụng kiểu dẫn động cầu trước đồng nghĩa với việc nhà sản xuất có thể giảm bớt các chi tiết cấu thành, giúp hạ thấp chi phí sản xuất, khối lượng xe cũng giảm đi khiến cho xe tiêu thụ ít nhiên liệu hơn. Do thiết kế của kiểu dẫn động cầu trước này không cần phải có trục truyền động và trục cầu sau nên toàn bộ cơ cấu truyền động và hệ thống vi sai có thể được bố trí trong cùng một khối gọn gàng và đơn giản. Cấu trúc này giúp nhà sản xuất dễ bố trí các hệ thống phụ trợ như hệ thống treo, hệ thống phanh, đường dẫn nhiên liệu, hệ thống khí xả.

Vì không cần phải có những hốc lớn trên khung xe để bố trí các kết cấu cơ khí truyền động nên nhà sản xuất có thể bố trí không gian nội thất có thiết kế rộng rãi hơn, vi sai cầu sau không còn nữa nên diện tích khoang hành lý cũng tăng lên đáng kể. Tuy nhiên, ngoài những ưu điểm kể trên, hệ thống dẫn động cầu trước cũng có một số nhược điểm liên quan tới tính năng vận hành của xe. Đầu tiên, do sự phân bố trọng lượng tập trung nhiều hơn vào phần đầu xe, một chiếc xe trang bị hệ thống dẫn động cầu trước khó có thể tăng tốc nhanh và luôn mất ưu thế hơn so với xe dẫn động cầu sau trên các đoạn đường thẳng. Do 9 trọng lượng dồn về phía trước nhiều hơn khiến phần đuôi xe trở nên nhẹ hẳn nên khi điều khiển một chiếc xe sử dụng hệ thống FWD rất dễ xảy ra hiện tượng mất lái khi vào cua, lúc này bánh sau dễ bị trượt hơn vì không còn nhiều ma sát với mặt đường, nhất là trong điều kiện mặt đường trơn trượt.

Nhược điểm thứ hai và cũng là nhước điểm cuối cùng của hệ thống chính là sự phân bố trọng lượng ở cầu trước và cầu sau không đồng đều khiến cho các bánh trước chịu tải nặng hơn trong khi ở cầu sau thì ngược lại, dường như các bánh sau chỉ làm nhiệm vụ nâng đỡ trọng lượng và giúp xe chuyển động.2 Hệ thống dẫn động cầu sau (RWD) Những nhược điểm của hệ thống dẫn động cầu trước FWD chính là ưu điểm của của hệ thống dẫn động cầu sau RWD. Khi càng có nhiều kết cấu cơ khí được chuyển từ trước ra sau, thì xe sẽ có được sự cân bằng trọng lượng tốt hơn, dẫn đến khả năng vận hành ổn định hơn. Ngoài ưu điểm cải thiện sự phân bố trọng lượng xe ở 2 cầu giúp cho các chi tiết cơ khí, hệ thống phanh và hệ thống treo trên xe có tuổi thọ và độ bền cao hơn. Một đặc tính quan trọng nữa chính là thiết kế chủ động quay của các bánh sau sẽ cung cấp lực đẩy thay vì lực kéo, vì vậy khi xe tăng tốc quán tính nghỉ sẽ dồn năng lượng về phía sau nhiều hơn, do đó sẽ làm tăng khả năng bám đường của các bánh dẫn động.

Như vậy, đối với các loại xe thường xuyên phải tăng hoặc giảm tốc nhanh chóng thì thiết kế bánh sau chủ động tỏ ra rất hiệu quả. Đây cũng là lý do các nhà sản xuất sử dụng thiết kế RWD cho những chiếc xe thể thao hay xe đua tốc độ. Những hạn chế của hệ thống RWD cũng rất dễ nhận thấy như chi phí sản xuất và lắp ráp cao hơn, hệ truyền động phức tạp hơn FWD dẫn đến không gian nội thất xe bị thu hẹp, trọng lượng xe cũng sẽ tăng theo, làm gia tăng lượng nhiên liệu tiêu thụ,. Tuy nhiên, xét về hiệu quả chung thì hầu hết các nhược điểm này đang được khắc phục bởi những tiến bộ của khoa học và kỹ thuật.

Các hệ thống treo độc lập đang dần được ứng dụng cho phép nhà sản xuất đặt trục dẫn động và hộp vi sai sát vào phần thân xe hơn, không chiếm nhiều chỗ trong cabin như trước đây. Ngoài ra, các hệ thống kiểm soát hành trình và ổn định thân xe cho phép xe có RWD đạt được khả năng vận hành tốt trên các mặt đường trơn trượt. Việc chế tạo những loại lốp xe thích hợp hơn và sử dụng vật liệu trọng lượng nhẹ hơn cũng mang lại những hiệu quả tích cực.2 Hệ thống dẫn động 4WD Hình 1.2 Hình ảnh của chiếc xe trang bị hệ thống 4WD và 2WD Hệ thống dẫn động 4 bánh bán thời gian (4WD) là hệ thống dẫn động có thể chuyển đổi giữa 2 bánh và 4 bánh tùy vào lựa chọn của người điều khiển thông qua 1 cơ cấu gài (hoạt động bằng điện đặt trong xe). Hầu hết các hệ thống 4WD khi hoạt động ở chế độ dẫn động 2 bánh (thường được ký hiệu là 2H) đều truyền mômen xoắn tới các bánh sau như RWD.

Riêng ở chế độ dẫn động bằng 4 bánh thường được ký hiệu là 4H hoạt động với các cấp độ Low hoặc High khác nhau tùy vào hãng sản xuất. Lý do để các nhà sản xuất xe hơi chế tạo ra hệ thống dẫn động 4 bánh bán thời gian 4WD là nhằm giúp xe vượt qua những địa hình khó khăn, hiểm trở mà các loại hệ thống dẫn động 2 bánh không thể làm được. Ví dụ trong một trường hợp cụ thể, xe được trang bị hệ thống dẫn động cầu trước nhưng phải vượt qua một vũng lầy to trên một bề mặt đường không tốt, lúc đó nếu xe chạy từ từ hoặc thậm chí phóng nhanh qua vũng lầy đó, nhiều khả năng chiếc xe sẽ bị dính lại do bánh trước không có được độ bám khi lăn qua vũng lầy và càng xoay thì càng lún trong vô vọng. Lúc này, nếu có một cơ cấu giúp chuyển mômen xoắn từ bánh trước ra bánh sau và ngược lại một cách linh hoạt thì chiếc xe sẽ đi qua vũng lầy đó một cách dễ dàng.

Như đã đề cập bên trên, chế độ dẫn động 4 bánh trên các mẫu xe 4WD thường có các cấp độ Low và High. Khi chọn Low, hệ thống truyền động sẽ cung cấp nhiều momen xoắn hơn để đi trên các đoạn đường gồ ghề, dốc cao hay sình lầy, sụp lún. Khi hoạt động ở chế độ này, xe thường được trang bị thêm một bộ khoá vi sai trung tâm để tránh những chênh lệch không cần 11 thiết giữa bánh bên trái và bên phải khi đi trên các địa hình không bằng phẳng. Ngoài ra, hệ thống khóa vi sai này còn có thể phân phối momen xoắn ra trục trước hoặc trục sau một cách linh hoạt nhằm giúp chiếc xe có thể vượt qua những địa hình không thuận lợi một cách dễ dàng.

Trong khi đó với chế độ High, mục đích sử dụng chính là đi trên các đoạn đường trơn trượt như điều kiện trời mưa, đường tuyết.3 Hệ thống dẫn động AWD Hình 1.3 Hình ảnh của chiếc xe trang bị hệ thống AWD Hệ thống dẫn động 4 bánh toàn thời gian AWD là hệ thống dẫn động 4 bánh có thể gọi là thông minh hơn cả vì nó có thể điều chỉnh để phân phối mômen xoắn đến từng bánh xe một cách linh hoạt nhằm đem lại độ bám đường và khả năng vận hành tốt nhất cho xe. Khác với 4WD, hệ thống AWD luôn luôn hoạt động ở chế độ 4 bánh. Hiện tại có khá nhiều mẫu thiết kế AWD khác nhau được sử dụng cho mỗi hãng xe khác nhau, các hệ thống này nâng cao khả năng bám đường và ổn định của thân xe trong nhiều tình huống riêng biệt. Một số hệ thống AWD sử dụng chất lỏng silicon để lấp đầy các khớp ly hợp trong trạng thái chuyển đổi nhằm tạo ra sự khác biệt về tốc độ giữa các trục nhưng lại bắt đầu khóa khi tỷ lệ bất đồng tốc giữa chúng quá lớn.

Nói chung, hệ thống AWD cũng phức tạp không kém 4WD nhưng hàm lượng công nghệ và độ tự động của AWD có phần cao hơn. Tùy vào 12 nhu cầu sử dụng và nhóm khách hàng sử dụng mà các hãng xe trang bị những hệ thống dẫn động AWD khác nhau cho từng loại xe. Ví dụ như Porsche, Subaru, BMW, Audi, Mercedes- Benz, Jaguar và Volvo là những thương hiệu nổi tiếng về hệ thống dẫn động AWD trên các mẫu xe của mình. Để hiện thực hóa những lý thuyết vừa nêu trên, chúng ta sẽ tìm hiểu về hệ thống dẫn động 4 bánh toàn thời gian (AWD) của một hãng xe đến từ vùng Bavaria của nước Đức đó là BMW, hệ thống dẫn động có tên là xDrive.

TÌM HIỂU CHUNG VỀ HỆ THỐNG XDRIVE 2.