Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu hệ thống 4WD trên Hyundai Santafe và BMW

Đồ án phân tích chuyên sâu cấu tạo, nguyên lý hệ thống 4WD trên ô tô hiện đại. So sánh hệ dẫn động 4 bánh trên xe Hyundai Santafe và BMW xDrive.

• Tác giả: Cao Văn Tuấn
• Người hướng dẫn: ThS. Huỳnh Phước Sơn
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Ô tô
• Đề tài: Nghiên Cứu Các Hệ Thống 4WD Trên Ô Tô Hiện Đại
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Về Hệ Thống 4WD Trên Ô Tô Hiện Đại

Hệ thống 4WD (bốn bánh dẫn động) là một trong những công nghệ quan trọng nhất trên ô tô hiện đại, đặc biệt là trên các dòng xe SUV và xe off-road. Hệ thống này cho phép cung cấp động lực tới cả bốn bánh xe, giúp tăng cường khả năng kéo lực, đặc biệt là khi di chuyển trên những địa hình khó khăn như đất lầy, cát, tuyết hoặc những con đường núi. Với sự phát triển của công nghệ ô tô, hệ thống 4WD đã trải qua nhiều thế hệ nâng cấp, từ hệ thống 4WD cơ khí truyền thống đến các hệ thống 4WD tự động điều khiển bằng điện tử hiện nay. Mỗi hãng xe lớn trên thế giới như BMW, Hyundai, Audi đều có những giải pháp riêng để tối ưu hóa hệ thống 4WD, nhằm mang lại hiệu suất tốt nhất và an toàn nhất cho người lái.

1.1. Định Nghĩa Hệ Thống 4WD

4WD (Four Wheel Drive) là hệ thống truyền động cho phép động cơ cung cấp lực kéo tới cả bốn bánh xe của phương tiện. Khác với hệ thống 2WD (hai bánh dẫn động) thông thường, 4WD giúp tăng tính bám đất và khả năng vượt chướng ngại vật. Hệ thống này thường được trang bị trên các dòng xe SUV, xe bán tải và những xe được thiết kế cho việc di chuyển trên địa hình đa dạng.

1.2. Lịch Sử Phát Triển 4WD

Hệ thống 4WD bắt đầu được áp dụng trên các xe quân sự vào những năm 1940. Sau đó, công nghệ này được chuyển giao cho các xe dân sự, đặc biệt là những chiếc Jeep. Qua từng thập kỷ, 4WD hiện đại đã được cải tiến với các công nghệ điều khiển bằng điện tử, hộp số phụ thông minh, giúp tối ưu hóa sự phân phối lực giữa các bánh xe.

II. Cấu Tạo Chi Tiết Hệ Thống 4WD

Hệ thống 4WD hiện đại bao gồm nhiều thành phần phức tạp được thiết kế để làm việc cùng nhau một cách hiệu quả. Những thành phần chính của 4WD gồm có động cơ, hộp số chính, hộp số phụ, cầu số phía trước, cầu số phía sau, trục chuyển động, và các cơ cấu điều khiển. Mỗi thành phần đóng một vai trò quan trọng trong việc đảm bảo sự phân phối động lực hợp lý tới các bánh xe. Hộp số phụ (Transfer Case) là một trong những bộ phận quan trọng nhất, nó giúp phân phối lực từ hộp số chính tới cầu số phía trước và phía sau. Ngoài ra, các hệ thống điều khiển điện tử như ABS, ASC, DSC còn giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của 4WD trong các điều kiện lái khác nhau.

2.1. Hộp Số Phụ Transfer Case

Hộp số phụ (Transfer Case) là bộ phận chuyển động từ hộp số chính tới cầu số phía trước và phía sau. Trên các hệ thống 4WD hiện đại, hộp số phụ có thể hoạt động ở chế độ 4H (4 bánh dẫn động cao) hoặc 4L (4 bánh dẫn động thấp) tùy theo nhu cầu. Một số hệ thống 4WD tự động còn có chế độ AWD, cho phép chỉ 2 bánh trước dẫn động khi đi trên đường bình thường, tiết kiệm nhiên liệu.

2.2. Cầu Số Phía Trước và Phía Sau

Cầu số phía trước (Front Differential) và cầu số phía sau (Rear Differential) là những bộ phận chịu trách nhiệm phân phối lực tới các bánh xe trái phải. Trên 4WD hiện đại, các cầu số thông minh có khả năng điều chỉnh tỷ số phân phối lực theo điều kiện lái, giúp tăng cường khả năng kéo lực và an toàn khi quay xoay trên đường cong.

III. Nguyên Lý Hoạt Động Của Hệ Thống 4WD

Nguyên lý hoạt động của hệ thống 4WD dựa trên sự phân phối động lực từ động cơ tới cả bốn bánh xe thông qua hộp số và các cơ cấu truyền động. Khi lái xe ở chế độ 4WD, động cơ cung cấp lực kéo tới hộp số chính, sau đó hộp số phụ sẽ phân phối lực này tới cầu số phía trước và phía sau. Sự phân phối này có thể thay đổi dựa trên tình trạng lái xe. Trên các hệ thống 4WD tự động hiện đại như xDrive của BMW hay AWD thông minh của Hyundai, có những cảm biến điện tử giám sát tình trạng của xe liên tục, từ đó điều chỉnh sự phân phối lực để đạt hiệu suất tối ưu. Hệ thống điều khiển điện tử này giúp cải thiện độ bám đất, giảm thiểu trượt bánh, và tăng cường an toàn khi lái xe trong các điều kiện khác nhau.

3.1. Chế Độ 2WD và 4WD

Trên những ô tô 4WD hiện đại có thể chuyển đổi giữa chế độ 2WD (chỉ bánh trước hoặc bánh sau dẫn động) và 4WD (cả bốn bánh dẫn động). Ở chế độ 2WD, xe chỉ sử dụng một trục dẫn động, giúp tiết kiệm nhiên liệu. Ở chế độ 4WD, tất cả bốn bánh đều nhận lực kéo, mang lại khả năng vượt chướng ngại vật và bám đất tốt hơn trên địa hình khó khăn.

3.2. Hệ Thống Điều Khiển Điện Tử

Hệ thống điều khiển điện tử trên 4WD hiện đại bao gồm các cảm biến vận tốc bánh, cảm biến góc lái, cảm biến gia tốc. Những cảm biến này gửi dữ liệu tới bộ điều khiển chính (ECU), giúp tối ưu hóa sự phân phối lực tức thì, đảm bảo an toàn và hiệu suất tối ưu.

IV. So Sánh Hệ Thống 4WD Trên Các Dòng Xe Khác Nhau

Hệ thống 4WD trên các dòng xe khác nhau có những đặc điểm riêng phụ thuộc vào thiết kế và mục đích sử dụng. Hyundai Santafe sử dụng hệ thống 4WD cơ khí WGT hoặc 4WD tự động VGT, tập trung vào sự an toàn và tiết kiệm nhiên liệu. BMW X5 lại sử dụng hệ thống xDrive tiên tiến, với hộp số phụ ATC350/450 có khả năng điều khiển tổng số mô-men xoắn tức thì giữa bánh trước và bánh sau, mang lại hiệu suất lái xe cao và độ chính xác tuyệt vời. xDrive của BMW còn kết hợp với DPC (Dynamic Performance Control) để tối ưu hóa khả năng quay xoay. Những khác biệt này cho thấy rằng hệ thống 4WD hiện đại được thiết kế cụ thể phù hợp với từng loại xe và nhu cầu sử dụng của khách hàng.

4.1. Hyundai Santafe 4WD System

Hyundai Santafe trang bị hệ thống 4WD tự động với hộp số phụ thông minh. Hệ thống này có khả năng tự động chuyển đổi giữa chế độ 2WD và 4WD dựa trên điều kiện lái. Cầu số phía sau được trang bị khóa LSD (Limited Slip Differential) giúp tăng cường khả năng kéo lực. Hệ thống này phù hợp cho những người dùng cần sự cân bằng giữa hiệu suất và tiết kiệm nhiên liệu.

4.2. BMW X5 xDrive System

BMW xDrive là hệ thống 4WD tự động tiên tiến sử dụng công nghệ điều khiển mô-men xoắn. Hộp số phụ ATC cho phép phân phối mô-men xoắn một cách linh hoạt giữa bánh trước và bánh sau từ 0-100%. Khi kết hợp với DPC, xDrive cung cấp khả năng quay xoay vượt trội, làm cho BMW X5 trở thành lựa chọn lý tưởng cho những người yêu thích tính năng động của xe.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1. Lý do chọn đề tài.  Ngày nay, những chiếc ô tô đã trở nên quen thuộc với chúng ta hơn bao giờ hết và mỗi chúng ta dù ít, hay nhiều đều hưởng tiện ích mà chúng mang lại. Nhưng song song cùng với sự phát triển của ngành giao thông vận tải là những vụ tai nạn và môi trường bị ô nhiễm ngày càng tăng bởi rất nhiều nguyên nhân, trong đó có nguyên nhân thuộc về các phương tiện tham gia giao thông trên đường (tính an toàn…), ô tô cũng là một trong số các phương tiện đó.

Vì vậy, trong giai đoạn phát triển của ngành kĩ thuật ô tô hiện nay, tính năng của xe nhằm đảm bảo an toàn cho con người và giảm ô nhiễm môi trường, tạo cảm giác thỏa mái khi lái xe được đưa lên hàng đầu.  Để đạt được những tính năng đó thì ngoài các hệ thống như ABS, ESC hoặc DSC…. Hệ thống 4WD cũng được tính toán cải thiện một cách tối ưu nhất về kết cấu hệ thống, tính linh hoạt, hoạt động nhanh, chính xác nhất theo từng điều kiện trạng thái lái xe.  Trên thị trường xe Việt Nam hiện nay, sự phát triển của hệ thống 4WD rất được chú ý, do điều kiện địa hình nước ta nhiều đồi núi, điều kiện đường xá không được tốt.

Trên các dòng xe có 4WD thường tạo cảm giác cho người về sự chắc chắn và an toàn. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu.  Mục tiêu nghiên cứu các hệ thống 4WD trên ô tô hiện đại: Cấu tạo, nguyên lý làm việc, những tính năng mới của hệ thống này.  Đối tượng nghiên cứu: Cấu tạo, nguyên lý làm việc của hệ thống 4WD hiện đại của các hãng xe.

 Phạm vi nghiên cứu: Cấu tạo và nguyên lý làm việc hệ thống 4WD trên xe du lịch 4-7 ghế ngồi, xe bán tải.  Phương pháp nghiên cứu: Tham khảo tài liệu của các hãng như Hyundai, BMW, internet. Sau đó, tổng hợp và phân tích tài liệu, giải quyết những vẫn đề đã đưa ra và kết luận. 1 CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG 4WD 2.

Hệ thống 4wd là gì?  Khác với hệ thống 2WD chỉ phân phối monment từ hộp số đến cầu trước hoặc cầu sau. Hệ thống 4WD là hệ thống phân phối moment đến cả cầu trước và cầu sau. Vì vậy, những chiếc xe có trang bị hệ thống 4WD có các ưu điểm vượt trội hơn những chiếc xe thông thường (2WD) như: Hình 2.1 So sánh 2WD với 4WD  Tính ổn định khi quay vòng: Do lực từ động cơ được phân phối đều đến tất cả bốn bánh xe trong xe 4WD, thay vì chỉ có hai bánh truyền lực, nên tải trọng tác dụng trên mỗi bánh sẽ giảm, và cho phép mỗi lốp đều có lực bám dư. Khi lực bám 2 lớn thì lực quay vòng của lốp có xu hướng giảm và ngượi lại.

Vì vậy nếu lực được phân phối cho mỗi bánh nhỏ hơn thì tính ổn định quay vòng tăng lên nhiều, vì vậy có thể có thể nâng được giới hạn quay vòng.  Tính ổn định khi chạy trên đường thẳng: Khi xe chuyển động thẳng, nếu lực của động cơ truyền từ bánh xe xuống mặt đường nhỏ hơn lực bám, khả năng bám thừa sẽ được sử dụng để đảm bảo hướng chuyển động thẳng của xe. Vì vậy xe 4WD truyền lực động cơ đến cả bốn bánh như nhau, có thể sử dụng được lực bám của cả bốn bánh nên xe 4WD có lực bám lớn hơn xe 2WD khi có cùng công suất động cơ. Lực bám lớn hơn này có thể được sử dụng để đảm bảo hướng chuyển động thẳng của xe.

 Tính năng khởi hành và tăng tốc: Công suất động cơ được truyền qua hệ thống truyền lực và tới mặt đường. Lực kéo của động cơ bị giới hạn bởi khả năng bám đường của bánh xe. Được xác định bởi mối quan hệ giữa bánh xe chủ động và mặt đường. Nếu lực kéo này lớn hơn khả năng bám của bánh xe chủ động thì bánh xe có thể bị trượt quay.

Trên xe 2WD công suất chỉ được truyền đến các bánh trước hoặc sau, độ lớn của lực động truyền xuống đường được giới hạn bởi khả năng bám của hai bánh xe này. Trên xe 4WD lực động cơ được truyền đến cả bốn bánh, nên có thể sử dụng được khả năng bám của cả bốn bánh. Tức là độ bám của xe 4WD gần gấp đôi độ bám của các xe 2WD, vì vậy xe 4WD, ngay cả khi khởi hành hay tăng tốc nhanh, bánh xe cũng khó bị trượt quay và thậm chí ngay cả trên đường trơn, việc khởi hành hay tăng tốc cũng tương đối dễ dàng.  Tính năng leo dốc: Vì có lực bám gần gấp hai lần lực bám của xe 2WD, xe 4WD có thể leo các dốc mà xe 2WD không thể leo được.

 Chạy trên các đường gồ ghề và có tuyết: Khi khởi hành trên đường có hệ số ma sát thấp như đường tuyết hay đường đóng bang, bánh xe dễ bị trượt, công suất động cơ càng lớn thì bánh xe trượt càng nhiều làm xe khó khởi hành trên những loại đường như vậy. Lực thực tế tác dụng lên đường trơn được xác định không phải bởi công suất động cơ mà bằng hệ số ma sát giữa bánh xe và mặt đường. Vì vậy, xe 4WD với bốn bánh chủ động có thể cung cấp lực kéo gấp đôi xe 2WD. Do đó xe 4WD có thể đạt được tính năng thông qua tuyệt vời trên đường có hệ số ma sát thấp.

Khi chạy trên các đường cát, bùn hoặc cực kỳ gồ ghề cần có công suất lớn 3 hơn. Vì cả 4 bánh xe của xe 4WD đều truyền lực, các bánh xe trước và sau sẽ hỗ trợ lẫn nhau, nên có thể đạt được tính năng thông qua trên đường xóc rất cao.  Bên cạnh những ưu điểm đó thì hệ thống 4WD còn một số nhược điểm như:  Hiện tượng phanh góc hẹp: Khi nối trực tiếp trục các đăng giữa cầu trước và cầu sau, không thể triệt tiêu được sự chênh lệch về tốc độ quay giữa các bán trục trước và bán trục sau. Điều này làm cho hệ thống truyền lực phải chịu lực quá mức.

Trên các đường có hệ số ma sát thấp, nếu có lốp xe nào bị trượt, có thể triệt tiêu được sự chênh lệch về tốc độ quay giữa các bán trục trước và sau, nhưng trên đường có hệ số ma sát cao, chẳng hạn như đường lát đá khô, thì sự trượt khó xảy ra, tạo ra điều kiện rất giống như việc phanh xe. Điều này được gọi là “hiện tượng phanh góc hẹp”.2 Hiện tượng phanh góc hẹp. 4  Trọng lượng tăng lên: Do số bộ phận tăng lên, nên trọng lượng (của xe) tăng lên.  Cấu tạo phức tạp: Cần phải có một hộp số phụ, trục các đăng, bộ vi sai v.

để phân phối công suất đến các bánh trước và sau, làm cho cấu tạo phức tạp.  Các nguồn rung động và tiếng ồn tăng lên: Việc tăng các bộ phận quay (hộp số phụ, trục các đăng v.) làm tăng số nguồn phát sinh rung động và tiếng ồn.  Giá thành tăng: Do cấu tạo của xe phức tạp hơn và số bộ phận tăng lên dẫn đến giá thành của xe tăng lên. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống 4WD.3 Cấu tạo hệ thống 4WD.

- Hệ thống 4WD gồm:  Bộ vi sai cầu trước/sau.  Hộp số phụ.  Trục cạc đăng.  Khớp nối điều khiển bằng điện tử (nếu có).

- Nguyên lý làm việc của hệ thống: Moment được cấp từ hộp số (sàn/ tự động) đến hộp số phụ. Nhờ hộp số phụ, moment được phân phối đến cả cầu trước và cầu sau nhờ trục cạc đăng. Tỷ lệ phân phối thì phụ thuộc vào điều kiện đường và trạng thái lái xe. Nếu trên xe có trang bị khớp nối điều khiển bằng điện tử, moment được phân phối đến hai cầu nhờ khớp nối và có bộ điều khiển bằng điện tử điều khiển.

- Có thể phân loại 4WD thành các loại sau đây theo các khác biệt về loại dẫn động và điều khiển [1].  4WD gián đoạn: Với loại 4WD này, người lái phải chuyển đổi giữa chế độ 2WD và 4WD bằng hộp số phụ theo điều kiện của đường sá. Bình thường, xe chạy theo chế độ 2WD, còn khi đường xấu và có tuyết, v. thì sử dụng 4WD.

Tuy nhiên, vì hệ thống 4 WD gián đoạn có các hệ thống truyền lực phía trước và phía sau nối trực tiếp với nhau, nên xảy ra hiện tượng phanh khi quay vòng, và xe không thể quay vòng được êm. Vì vậy, cần phải chuyển từ chế độ 4WD về 2WD khi xe chạy trên đường bình thường.4 Hệ thống truyền lực 4WD gián đoạn ở trạng thái 2WD.5 Hệ thống truyền lực 4WD gián đoạn ở trạng thái 4WD. 6  4WD thường xuyên: Có thể sử dụng xe tại mọi thời điểm trong mọi điều kiện chạy xe và đường xá, từ đường xá bình thường đến đường xá gồ ghề và đường xá có hệ số ma sát thấp, đó là loại 4WD thường xuyên. Ngoài ra, các xe 4WD thường được trang bị bộ vi sai trung tâm.6 hệ thống truyền lực 4WD thường xuyên trên xe FF.7 hệ thống truyền lực 4WD thường xuyên trên xe FR.

7 Chương 3 HỆ THỐNG 4WD TRÊN MỘT SỐ DÒNG XE HIỆN ĐẠI 3. Hệ thống 4WD trên xe hyundai santafe. [2] - Trên dòng xe Santafe của Hyundai có hai hệ thống 4WD:  Hệ thống 4WD sử dụng khớp nối quản lý moment ITM (interactive torque management) điều khiển bằng điện tử. Sự phân bố moment được điều khiển thông qua khớp nối ITM.

Hệ thống này có trên các dòng xe Hyundai Santafe sử dụng động cơ tăng áp điều khiển bằng điện tử VGT (Variable Geometric Turbocharge).  Hệ thống 4WD điều khiển hoàn toàn bằng cơ khí, gồm 2 bộ phận chính bộ vi sai kép (DDU) và khớp nối nhớt (VCU). Bộ vi sai kép là loại vi sai đặc biệt, được sử dụng cho vi sai trước và vi sai trung tâm. Nó phân phối moment trong khoảng 60: 40 giữa cầu trước và sau (trong điều kiện vận hành tiêu chuẩn) và 50: 50 trong trường hợp khớp nối nhớt hoạt động do bánh xe bị trượt.

Hệ thống này có trên các dòng xe Hyundai Santafe sử dụng động cơ tăng áp điều khiển bằng cơ khí WGT (Wast -Gate Turbocharge). Hệ thống 4WD trên Hyundai Santafe VGT. Hình 0 Kết cấu hệ thống 4WD trên Hyundai Santafe. - Hệ thống 4WD trên xe Hyundai Santafe VTG là loại 4WD gián đoạn giúp phân phối moment hợp lý giữa cầu trước và cầu sau theo điều kiện loại đường khác nhau.

Mang lại hiệu quả và sự an toàn khi lái xe.