Nghiên cứu cơ chế phân bổ mô men tới các cầu chủ động của ô tô con loại 4 x 4

Mức độ ưu việt của xe ôtô 2 cầu so với xe ôtô một cầu chủ động được minh hoạ trên hình 1.1 Hình 1.1-So sánh lực kéo của xe 2 bánh chủ động và xe 4 bánh chủ động Lực dự trữ giúp xe chạ

Trường đại học bách khoa hà nội

Mở đầu 2 Chương 1: Tổng quan

1.1 Nhu cầu và phạm vi sử dụng 4 1.2 Phân loại ôtô 2 cầu chủ động 6

Chương 2: Cơ chế phân bố mô men tới các bánh xe chủ động trong

hệ thống truyền lực 4x4

2.1 Hệ thống truyền lực và hiện tượng tuần hoàn công suất 13 2.2 Vi sai trong hệ thống truyền lực 4x4 16 2.3 Phân bố mô men tới các bánh xe chủ động 28

Chương 3: Mô phỏng hệ thống truyền lực bằng SimDriveline trong Matlab

3.1 Giới thiệu chung về Matlab 35 3.2 Các công cụ cơ bản trong SimDriveline 42 3.3 Mô phỏng hệ thống truyền lực bằng SimDriveline 59

mục lục

Mở đầu 2

Chương 1: Tổng quan 1.1 Nhu cầu và phạm vi sử dụng 4

1.2 Phân loại ôtô 2 cầu chủ động 6

Chương 2: Cơ chế phân bố mô men tới các bánh xe chủ động trong hệ thống truyền lực 4x4 2.1 Hệ thống truyền lực và hiện tượng tuần hoàn công suất 13

2.2 Vi sai trong hệ thống truyền lực 4x4 16

2.3 Phân bố mô men tới các bánh xe chủ động 28

Chương 3: Mô phỏng hệ thống truyền lực bằng SimDriveline trong Matlab 3.1 Giới thiệu chung về Matlab 35

3.2 Các công cụ cơ bản trong SimDriveline 42

3.3 Mô phỏng hệ thống truyền lực bằng SimDriveline 59

Chương 4: Khảo sát HTTL 4x4 bằng SimDriveline 4.1 ảnh hưởng của hệ số bám 72

4.2 HTTL công thức 4x4 không có vi sai giữa các cầu 73

4.3 HTTL 4x4 có vi sai giữa các cầu 87

Kết luận 97 Tài liệu tham khảo

mở đầu

Trong đời sống xã hội hiện nay, ôtô và máy kéo được sử dụng phổ biến

ở nhiều lĩnh vực khác nhau như: Giao thông vận tải; công- nông- lâm nghiệp; Xây dựng; Thuỷ lợi; An ninh quốc phòng.v.v ôtô & máy kéo chiếm một vị trí quan trọng đối với sự hoạt động chung của các ngành kinh tế trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước

Việc phát triển và cải tiến kết cấu các bộ phận trên xe ôtô đi đôi với áp dụng thành tựu khoa học kỹ thuật tiên tiến của các nước phát triển về nền công nghiệp ôtô là một trong những mục tiêu nghiên cứu của các cán bộ kỹ thuật chuyên ngành ôtô ở nước ta Việc nghiên cứu sâu và hiểu rõ hơn các quá trình xảy ra trong các hệ thống nhằm can thiệp được nhiều hơn vào các quá trình này đang là mục tiêu đặt ra cho ngành chế tạo và sản xuất ôtô ở nước ta trong giai đoạn công nghiệp hoá, hiện đại hoá và hội nhập kinh tế quốc tế hiện nay

Xuất phát từ những vấn đề đã nêu trên, tôi chọn đề tài luận văn tốt nghiệp là:

" Nghiên cứu cơ chế phân bố mô men tới các cầu chủ động của ôtô con loại

- Chương III: Mô phỏng hệ thống truyền lực bằng Simdriveline trong Matlab

- Chương IV: Khảo sát hệ thống truyền lực 4x4 bằng Simdriveline

- Kết luận

Trong quá trình thực hiện đề tài, với trình độ và thời gian còn hạn chế, chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, tôi mong sẽ nhận được sự đóng

góp, giúp đỡ của các thày trong hội đồng và các đồng nghiệp để tôi hoàn thiện

được đề tài này

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn thầy PSG-TS Nguyễn Trọng Hoan cùng các thày giáo trong bộ môn Ôtô và máy chuyên dụng đã tận tình hướng dẫn để tôi hòan thành đề tài này

Hà nội ngày 15 tháng 11 năm 2007

Chương I

tổng quan về ôtô con 4x4

1.1.Nhu cầu và phạm vi sử dụng:

Vào những thập niên cuối của thế kỷ XX và đầu thế kỷ XXI ngành sản xuất ôtô trên thế giới đã có những bước phát triển mạnh mẽ Ước tính hiện nay thế giới có khoảng gần 600 triệu ôtô đang lưu hành, đặc biệt là các nước đang phát triển, bởi lợi ích to lớn mà ôtô mang lại như vận tải hàng hoá nội địa của các nước đang phát triển chiếm khoảng 82% tổng khối lượng hàng hoá được vận chuyển

Trong khoảng 20 năm lại đây, nhiều chủng loại xe ra đời với những mẫu mã đa dạng, hiện đại, tiện ích trong sử dụng và thân thiện với môi trường hơn Tuy vậy, xu hướng phát triển của ôtô trong tương lai vẫn theo hướng là:

Hiện đại hoá công nghệ sản xuất và tự động hoá quá trình điều khiển

ôtô nhằm tăng năng suất, tăng tính kinh tế, đạt độ tin cậy cao trong sử dụng,

an toàn và thân thiện với môi trường

ở Việt nam, ngành công nghiệp ôtô đã có bước phát triển nhanh chóng, trong thời gian gần chục năm gần đây, số phương tiện ôtô tăng trưởng hàng năm từ 12 đến 18% Khối lượng vận chuyển hàng hoá chiếm khoảng 60 - 70%

Về cơ cấu phương tiện, có nhiều chủng loại, kiểu dáng và nhãn hiệu đa dạng, bao gồm xe nhập khẩu và xe lắp ráp trong nước.Theo thống kê, hiện nay

ở Việt nam có khoảng 11 liên doanh sản xuất và lắp ráp ôtô, tuy vậy các liên doanh này mới chỉ dừng lại ở việc lắp ráp cụm tổng thành và chế tạo các chi tiết đơn giản Vì vậy, một trong những chiến lược của ngành công nghiệp ôtô

là tới năm 2020 phải đáp ứng được khả năng và nhu cầu phát triển kinh tế của

đất nước, trước mắt tới năm 2010 đáp ứng được 75 - 80% nhu cầu trong nước

Cùng với sự phát triển của đời sống xã hội, nhu cầu đi lại của người dân ngày một tăng, địa bàn dân cư phân bố rộng, điều kiện đường sá và hạ tầng cơ

sở giao thông còn nhiều thiếu thốn, nhất là nông thôn và miền núi Để đáp ứng

được nhu cầu đi lại đó cần phải có loại xe ôtô có tính năng việt dã cao, nó có khả năng di chuyển trên các loại đường gồ ghề, trơn trượt, đồi núi Một trong các loại xe đó là xe ôtô con 4 bánh chủ động

Khi xe ôtô chuyển động trên đường trơn trượt, sình lầy, gồ ghề, đèo dốc Điều kiện để xe chuyển động được thuận lợi là độ bám giữa các bánh xe với mặt đường, nó được thể hiện bởi trọng lượng bám phân bố trên các cầu chủ

Pkmax = ϕ.G ϕ

Thông thường trên các loại xe con thì trọng lượng bám Gϕ≈ 1/2 G

Trong đó: G - Trọng lượng toàn bộ của xe

Nếu xe ôtô có hai cầu chủ động thì lực bám cực đại tại các bánh xe sẽ là:

Pkmax = ϕ.G

Như vậy ôtô 2 cầu chủ động có thể phát huy được lực kéo cực đại lớn gấp gần 2 lần so với ôtô một cầu chủ động Vì vậy trong những năm gần đây,

nhiều loại ôtô 2 cầu đã được chế tạo để phục vụ sản xuất, đời sống và an ninh quốc phòng

Mức độ ưu việt của xe ôtô 2 cầu so với xe ôtô một cầu chủ động được minh hoạ trên hình 1.1

Hình 1.1-So sánh lực kéo của xe 2 bánh chủ động và xe 4 bánh chủ động

Lực dự trữ giúp xe chạy ổn định Lực bám tổng Lực bám dùng để đẩy xe

- Bánh xe chủ động

Ta thấy, ở các xe ôtô con có 2 cầu chủ động, trọng lượng bám được phân

bố tới các bánh xe gấp 2 lần so với ôtô có 1 cầu chủ động (G = 2G ), do vậy ϕ

chỉ cần một giá trị độ bám thấp cũng giúp cho ôtô 2 cầu chủ động có thể vượt qua các loại đường phức tạp một cách dễ dàng

Một số ưu điểm của xe 2 cầu chủ động:

- Chạy tốt trên các loại đường trơn, gồ ghề, đèo dốc

- Khả năng quay vòng tốt, chạy ổn định trên đường thẳng

xe 2 bánh chủ động xe 4 bánh chủ động

- Xuất phát và gia tốc tốt

Nhược điểm của loại xe 2 cầu chủ động:

- Kết cấu phức tạp

- Trọng lượng xe tăng lên

- Hiệu suất thấp, tiêu thụ nhiên liệu tăng

- Độ ồn khi làm việc tăng, giá thành cao

Tuy vậy, nhờ có tính năng việt dã tốt nên ngày nay xe 2 cầu chủ động

được dùng nhiều trong các lĩnh vực như:

- Trong quân sự: các loại xe 2 cầu chủ động trang bị cho quân đội có khả năng di chuyển tốt trong các điều kiện địa hình, nơi không có đường và có địa hình phức tạp nhiều đèo dốc hay trong điều kiện sa mạc hoặc có băng tuyết

- Trong dân sự: Đáp ứng nhu cầu đi lại trong các vùng từ thành thị đến nông thôn, đồi núi hoặc nơi chưa có đường sá

- Trong thể thao: Được chế tạo ở dạng các xe ôtô đua trên các loại địa hình, xe dùng để thám hiểm

- Trong khai thác hầm mỏ và trong lâm nghiệp, ở những nơi hẻo lánh.v.v

1.2 Phân loại ôtô 2 cầu chủ động:

Loại ôtô này nhìn chung được phân chia theo các cách sau :

- Theo cách sử dụng gồm có loại đi trên đường bình thường và loại đi trên

đường phức tạp Loại đi trên địa hình phức tạp (đồi núi; sông suối) được thiết

kế gầm và thân cứng vững để thích hợp với nhiệm vụ hơn so với loại bình thường

- Theo cách truyền công suất giữa các cầu chủ động gồm: Loại làm việc liên tục toàn thời gian và loại làm việc gián đoạn

ở 2 loại xe này ngoài sự khác nhau về cách sử dụng còn có sự khác nhau

về cơ chế truyền mô men tới các cầu chủ động Đối với loại xe làm việc gián

đoạn, thường xuyên sử dụng 2 bánh chủ động và chỉ chuyển đổi thành 4 bánh

chủ động khi người lái thấy cần thiết, cho nên chúng chỉ có 2 bộ vi sai đặt ở cầu trước và cầu sau(hình 1.2)

a) b)

Hình 1.2-Sơ đồ truyền lực của loại xe 2 cầu chủ động làm việc gián đoạn

Loại xe này thường có cơ cấu gài cầu trong hộp số phụ, bình thường xe chỉ sử dụng một cầu chủ động, cơ cấu gài cầu không làm việc, mômen chủ

động chỉ truyền tới một cầu của xe (Hình 1.2.a) Khi xe chuyển động trên

đường xấu, người lái xe phải dùng cơ cấu gài cầu để xe làm việc ở chế độ 2 cầu chủ động, mômen sẽ được truyền tới cả hai cầu trước và sau (Hình 1.2.b)

Ví dụ các loại xe UAZ; TOYOTA 4WD dùng trong quân đội hoặc cảnh sát Các loại xe này khi sử dụng yêu cầu người lái xe phải được đào tạo có trình độ chuyên nghiệp

Ưu điểm của loại xe làm việc không liên tục:

Hoạt động tốt trên các loại đường bằng phẳng, hiệu suất truyền lực cao Khi không gài cầu sẽ giúp cho xe chuyển động có các bánh xe bị động không bị trượt lăn và trượt lê tránh được hiện tượng mài mòn lốp xe

Tránh được hiện tượng tuần hoàn công suất giữa các cầu xe

Dễ điều khiển khi xe quay vòng

Nhược điểm:

Khi gài cầu và thực hiện quay vòng xe ôtô thường có hiện tượng bó và trượt lết tại các bánh xe khi ôtô quay vòng với bán kính nhỏ đồng thời khó

điều khiển lái và gây nên hiện tượng tuần hoàn công suất giữa các cầu xe

Đối với các xe 4 bánh chủ động làm việc liên tục, ngoài các vi sai đặt trong các cầu chủ động còn có một vi sai thứ 3 đặt giữa cầu trước và cầu sau Thực tế cho thấy, khi quay vòng xe ôtô với loại xe có vi sai đặt giữa các cầu chủ động (Vi sai trung tâm), sẽ không có hiện tượng bó và trượt lết tại các bánh xe khi ôtô quay vòng với bán kính nhỏ, không gây nên hiện tượng tuần hoàn công suất giữa các cầu xe (Hình 1.3)

Hình 1.3-Sơ đồ truyền lực của xe 2 cầu chủ động làm việc liên tục

Để tránh tình trạng mất lực kéo xảy ra khi một bánh xe hoặc một cầu chủ

động trượt trên đường trơn, một loại vi sai đặc biệt được thiết kế để chúng tự

động truyền mô-men đến các bánh không trượt, buộc các bánh này truyền lực kéo đưa xe vượt lên, đó là bộ vi sai chống trượt (Vi sai tăng nội ma sát) Cơ sở

lý thuyết của loại vi sai này được trình bày trong phần (2.2.4) Các loại vi sai này tuy khác nhau về kết cấu nhưng đều chung một nguyên lý là dùng lực ma sát sinh ra trong vi sai nhằm tạo một phần lực cản giúp bộ vi sai khắc phục nhược điểm trên

ở các xe ôtô 2 cầu chủ động (công thức 4x4) người ta thường bố trí các

hệ thống truyền lực ( HTTL) theo các sơ đồ sau:

- Sơ đồ HTTL có 2 vi sai, dùng liên động ly hợp trượt giữa các cầu xe (Hình 1.4)

Hình 1.4 - Sơ đồ truyền lực ôtô con 4x4 có ly hợp trượt giữa các cầu xe

1;3 - Bộ vi sai; 2 -Ly hợp trượt

ở phương án này, người ta đặt một khớp ly hợp trượt trong hộp số phụ, khi đó tỷ số giữa mômen tại cầu trước và cầu sau (Mt/Ms) phụ thuộc vào độ trượt của ly hợp nối giữa 2 cầu, khớp chỉ trượt khi có sự chênh lệch mômen truyền quá lớn, còn lại chúng nối liền hai cầu trong suốt quá trình hoạt động Loại khớp nối này thường áp dụng cho các xe ôtô như: SUBARU; JUSTY FIAT; PANDA ALFA 33; FORD v.v

- Sơ đồ HTTL có bộ vi sai giữa các bánh xe và vi sai giữa các cầu dùng ly hợp trượt (Hình 1.5)

sau (Mt/Ms) cố định 50/50, cấu trúc này tăng được khả năng cơ động của xe

Nó được ứng dụng trên các xe con như: AUDI QUATTRO VW; PASSAT; SUBARU IMPREZA.v.v

- Sơ đồ HTTLsử dụng bộ gài vi sai có ma sát cao (Hình 1.6)

Hình 1.6 Sơ đồ truyền lực ôtô con 4x4 sử dụng bộ gài có ma sát cao

1;2;3 - các vi sai; 4;5 - Bộ gài có ma sát cao

Loại sơ đồ này về kết cấu có vi sai giữa các cầu và vi sai trong cầu sau kết hợp với các bộ gài ma sát cao, được phân chia tỷ số truyền theo tải trọng

và có tỷ số giữa mômen tại cầu trước và cầu sau cố định 34/66, kết cấu như vậy thoả mãn điều kiện làm việc của ôtô trong mọi trường hợp nhưng phức tạp

và giá thành cao, nó được ứng dụng trên xe ôtô con FORD; BMW 325…

- Sơ đồ HTTL sử dụng bộ vi sai ma sát cao và ly hợp trượt (Hình 1.7)

Hình 1.7- Sơ đồ HTTL ôtô con 4x4 có ly hợp trượt và vi sai ma sát cao 1;3 - Bộ vi sai; 2 - Bộ vi sai ma sát cao; 4 - Bộ ly hợp trượt

Loại sơ đồ này được thiết kế vừa có ly hợp trượt vừa có vi sai ma sát cao

đặt giữa các cầu, tỷ số giữa mômen tại cầu trước và cầu sau (Mt/Ms) cố định 50/50, nhờ khớp có thể thay đổi được mômen ma sát, khi có sự thay đổi nhỏ tốc độ góc sẽ không xảy ra sự sai khác nhiều, còn khi sai lệch tốc độ góc lớn,

đồng thời với mômen truyền lớn thì khớp có khả năng tiếp nhận mômen ma sát lớn, nâng cao khả năng hoạt động linh hoạt cho xe, được ứng dụng trên xe

ôtô con AUDI 80, QUATRTO…

-Sơ đồ HTTL sử dụng khớp ly hợp tự động điều chỉnh (Hình 1.8)

Hình 1.8 - Sơ đồ truyền lực ôtô con 4x4 có ly hợp tự động điều chỉnh 1;2;3 - Các bộ vi sai; 4;5;6- Khớp ly hợp tự động điều chỉnh

Loại sơ đồ này có tỷ số giữa mômen tại cầu trước và cầu sau (Mt/Ms) cố

định 50/50, các khớp ly hợp tự động điều chỉnh được đặt trong hộp phân phối, trong cầu sau, trên đường nối ra cầu trước, nó cho phép các bán trục làm việc với các tốc độ quay khác nhau và được ứng dụng trên các xe ôtô con như: MERCEDES- BENZ ; 4 MATIZ.v.v

Qua sự phân tích nêu trên ta thấy, với mỗi loại bố trí HTTL khác nhau, chúng ta thấy sự phân bố mômen giữa các cầu chủ động cũng khác nhau, việc

" Nghiên cứu cơ chế phân bố mô men tới các cầu chủ động của ôtô con loại

4 x 4" sẽ giúp chúng ta hiểu hơn về kết cấu của HTTL các dạng xe ôtô 4x4, từ

đó có thể đưa ra được gợi ý về cách sử dụng những loại xe này sao cho có hiệu

quả kinh tế nhất

Chương II

cơ chế phân bố mô men tới các bánh xe chủ động

trong hệ thống truyền lực 4 x 4

2.1 Hệ thống truyền lực 4x4 và hiện tượng tuần hoàn công suất:

Trong số những biện pháp khác nhau được sử dụng để nâng cao chất lượng kéo - bám của ô tô, đối với những xe cần có tính năng cơ động cao, người ta thường sử dụng biện pháp tăng số cầu chủ dộng của xe Với cách bố trí này, chất lượng kéo - bám của ô tô sẽ tăng rất nhiều nhờ việc tận dụng tới mức tối đa trọng lượng sử dụng của xe để biến thành trọng lượng bám

Để đơn giản cho việc nghiên cứu, ta xét loại xe bố trí theo sơ đồ 4x4 (bốn bánh xe đều là bánh chủ động)

Hình 2.1- Cấu trúc chung của xe ôtô con 4 bánh chủ động

Động lực học kéo của xe có bốn bánh chủ động phụ thuộc vào sơ đồ dẫn

động tới các trục chủ động, bởi vì cấu trúc của hệ thống dẫn động có ảnh hưởng tới việc phân bố lực kéo giữa các bánh xe trước và sau Hiện nay người

ta dùng hai loại dẫn dộng: dẫn động cứng và dẫn động vi sai

Đặc tính khác nhau về mối quan hệ động học giữa các trục cũng gây nên

sự khác nhau trong việc phân bố mômen chủ động cho chúng ở những ôtô

có dẫn động cứng hai trục chủ động thì hầu như luôn luôn có sự không tương ứng động học giữa các bánh xe trên cầu trước và trên cầu sau, để hạn chế mức

độ không tương ứng động học do dẫn động cứng gây ra, người ta sử dụng các loại xe có thiết kế HTTL bố trí vi sai nằm giữa cầu chủ động trước và cầu chủ

động sau (Hình1.3)

Khi chuyển động thẳng trên mặt đường bằng phẳng, sự không tương ứng

động học giữa các bánh xe được biểu thị ở chỗ: tốc độ vòng lý thuyết của các bánh trước và bánh sau có thể khác nhau, trong khi các trục của chúng lại

được gắn với khung xe và phải di chuyển với cùng một vận tốc tịnh tiến Đảm bảo sự đồng bộ tuyệt đối vận tốc vòng của các bánh xe trước và sau thực tế là không thể thực hiện được, vì bán kính của các bánh xe có thể sai lệch so với tính toán do nhiều nguyên nhân gây nên như: sai số chế tạo, độ mài mòn của lốp, áp suất không khí trong lốp, sự dao động của tải trọng thẳng đứng tác

động lên bánh xe.v.v

Trên đường vòng, sự không tương ứng động học được tạo nên ở chỗ: khi

ôtô chuyển động trên đường cong thì mỗi trục của chúng phải cùng lúc đi

được những quãng đường khác nhau, nhưng hai trục của xe được xem như gắn với khung lại di chuyển với cùng một vận tốc tịnh tiến

Khi ôtô chuyển động thẳng, sự cân bằng vận tốc tịnh tiến của hai trục chủ

động chỉ có thể đạt được trong điều kiện có sự trượt quay hoặc trượt lết của các bánh xe, vì trượt quay làm giảm vận tốc tịnh tiến của trục bánh xe, còn trượt lết làm tăng nó lên Điều kiện cân bằng vận tốc tịnh tiến của hai trục chủ

và trượt lết của các bánh xe; trường hợp trượt quay nó lấy dấu dương và trừơng hợp trượt lết nó lấy dấu âm để đưa vào phuơng trình

Chúng ta gọi tỉ số v /' v" là hệ số không tương ứng động học của các bánh

xe chủ động trước và sau, ký hiệu là k Giữa sự trượt của các bánh chủ động quay nhanh và quay chậm có mối quan hệ xác định và tìm được từ phương trình (2.1) như sau:

)'()

'(

Nếu do hậu quả của việc mất tương ứng động học mà các bánh xe trước

và sau bị trượt với mức độ khác nhau khi làm việc thì chất lượng bám của các bánh xe quay chậm sẽ được sử dụng ở mức độ nhỏ hơn so với chất lượng bám của các bánh xe quay nhanh

Độ không tương ứng động học càng lớn thì chất lượng bám của các bánh

xe trên hai trục càng mất đồng đều, ảnh hưởng xấu nhất tới chỉ tiêu kéo của xe

là khi các bánh xe quay chậm bị trượt lết

ở trường hợp này, thực tế là xe chỉ còn lại hai bánh chủ động vì các bánh

bị trựơt lết đã trở thành bị động

Khi quay vòng, ở ôtô có các trục chủ động nối động học cứng với nhau người ta luôn quan sát thấy sự lưu thông của công suất ký sinh Các bánh trước, mà chúng cần phải đi được quãng đường lớn hơn bánh sau, sẽ chuyển

động với sự trượt lết và chúng chịu tác động của những lực kéo âm Bán kính quay vòng càng nhỏ thì công suất ký sinh càng lớn Phần công suất lưu thông này là vô ích, thậm chí có hại, nó không phải là nguồn năng lượng bổ sung cho ôtô mà chỉ gây thêm tải trọng phụ cho hệ thống truyền lực và tổn thất cơ khí Đây được gọi là hiện tượng tuần hoàn công suất

Hiện tượng tuần hoàn công suất không những tồn tại ở ôtô có nhiều cầu chủ động và các trục của chúng được nối với nhau bằng hệ thống động học cứng (hộp phân phối), mà còn xuất hiện ngay trong cầu chủ động khi vi sai giữa các bánh xe bị gài cứng ở các trường hợp xe chuyển động trên mặt đường cứng và khi quay vòng

Để tránh hiện tượng tuần hoàn công suất ở các ôtô có tính năng cơ động cao, thì trong các điều kiện làm việc bình thường trên mặt đường tốt không nên sử dụng cùng một lúc nhiều cầu chủ động và gài cứng vi sai giữa các bánh

xe

Vi sai giữa các cầu dùng trong xe ôtô nhiều cầu chủ động có tác dụng tránh hiện tượng tuần hoàn công suất giữa các cầu chủ động với nhau

2.2 - Vi sai trong hệ thống truyền lực (HTTL) 4x4:

Trong hệ thống truyền lực 4x4 thường có hai loại vi sai:

- Vi sai giữa các bánh xe

- Vi sai giữa các cầu xe

2.2.1- công dụng của vi sai:

Cơ cấu vi sai giữa các bánh xe dùng để đảm bảo cho các bánh xe chủ

động bên trái và bên phải quay với vận tốc góc khác nhau (khi xe quay vòng,

khi kích thước bánh xe trái và phải không giống nhau hoàn toàn, khi đường không bằng phẳng và trên mặt đường nghiêng nào đó)

Nếu các bánh xe chủ động nối với nhau bằng một trục chung thì các bánh

xe chủ động luôn luôn quay cùng một tốc độ Khi ôtô quay vòng hoặc chuyển

động trên đường gồ ghề hay khi chất tải không đều, làm cho bán kính lăn của bánh xe thay đổi sẽ gây nên hiện tượng trượt lê và trượt lăn các bánh xe trên

đường Do vậy gây ra hậu quả:

- Lốp bị mài mòn nhanh

- Tổn hao công suất cho trượt lăn và trượt lê

- Lượng nhiên liệu tiêu hao tăng lên

2.2.2-Đặc điểm cấu tạo của một số vi sai điển hình:

2.2.2.1- Bộ vi sai bánh răng côn (Răng thẳng)

Hình 2.2 - Bộ vi sai bánh răng côn

Khi ô tô chuyển động thẳng mô men xoắn được truyền từ bánh răng bị

động của truyền lực chính sang vỏ của hộp vi sai Trong trường hợp sức cản

từ mặt đường của hai bánh xe chủ động là như nhau, bán kính lăn ở hai bánh

xe chủ động là như nhau, các bánh rănng hành tinh không quay quanh trục của nó mà chỉ đóng vai trò như các vấu truyền mô men xoắn từ bánh răng vành chậu đến bánh răng mặt trời ở hai phía với cùng mô men xoắn và số vòng quay như nhau

Khi ô tô quay vòng hoặc đi trên đường gồ ghề thì tốc độ góc của hai bánh xe khác nhau, thông qua hai bán trục làm cho hai bánh răng mặt trời cũng quay với các tốc độ góc khác nhau Dẫn đến các bánh răng vi sai vừa quay theo vỏ của bộ vi sai vừa quay quanh trục của nó, đảm bảo cho hai bánh răng mặt trời quay với vận tốc góc khác nhau, phù hợp với tốc độ góc ở các bánh xe chủ động Đối với loại vi sai kiểu này, nó cho phép các bánh xe quay với tốc độ khác nhau, hạn chế sự mài mòn lốp xe nhưng lại làm xấu khả năng truyền lực của cầu chủ động, đồng thời có thể làm tăng tiêu hao nhên liệu của

ôtô

2.2.2.2 – Bộ vi sai cam có tăng nội ma sát (Hình 2.3).

Hình 2.3 - Sơ đồ cấu tạo vi sai cam có tăng nội ma sát

Với cấu tạo và cách bố trí các cam theo hướng kính (Hình 2.3), nếu sức cản hai bên bánh xe như nhau thì cả hai nửa trục quay với tốc độ như nhau Lúc đó các cam không dịch chuyển tương đối so với bề mặt cam Trong trường hợp sức cản ở trên các bánh chủ động khác nhau sẽ có một bên bánh xe quay nhanh và một bên bánh xe quay chậm các cam sẽ cùng quay với bộ phận chủ động đồng thời dịch chuyển theo hướng chiều trục Khi đó xảy ra sự trượt

ở bề mặt làm việc của cam đối với bề mặt làm việc của vành cam Trên mặt cam của nửa trục quay chậm tốc độ trượt của cam hướng theo chiều quay của

bộ phận chủ động, còn ở trên mặt cam của nửa trục quay nhanh sẽ hướng theo chiều ngược lại tạo nên mô men ma sát có xu hướng nối cứng các nửa trục với nhau

- Ưu điểm :

Khả năng vượt trơn lầy của ôtô dùng vi sai cam tốt hơn dùng vi sai côn

đối xứng (vì nội ma sát lớn) Nên có tính năng cơ động cao hơn

Đảm bảo không có trượt quay ở một trong số các bánh xe chủ động trong trường hợp cả hai bánh xe đều tựa lên mặt đường

- Nhược điểm :

Vi sai cam chỉ có một dãy nên số mặt lồi lõm trên các vành cam khác nhau sẽ sinh ra mômen ma sát khi vi sai làm việc dẫn đến nhanh bị mòn Với loại vi sai có cam đặt theo hướng trục: lực chiều trục lớn tác dụng lên vỏ vi sai, dẫn đến các bulông lắp trên vỏ phải chịu những lực đó, do vậy phải chọn ổ bi sao cho đủ khả năng chịu được lực chiều trục, nên kết cấu ổ tăng và phải tăng độ bền, độ cứng vững cho toàn bộ cơ cấu do đó sẽ làm tăng trọng lượng và kích thước chung của cơ cấu lên

2.2.2.3- Bộ vi sai Bánh vít – Trục vít (Hình 2.4)

Bộ vi sai trục vít cũng là một dạng vi sai có nội ma sát lớn Các bánh vít 1 và 5 được lắp ngay tại đầu của các bán trục, còn các trục vít 2 và 4 ăn khớp với con lăn hành tinh 3 tạo thành bộ vi sai trục vít

Nếu mô men trên các bán trục bằng nhau thì cả bộ vi sai quay cùng một

tốc độ như một khối cứng Khi sự khác biệt mô men trên các bánh vít 1 và 5

đạt tới một giá trị nào đó thì các bánh vít 2; 4 và các con lăn hành tinh 3 sẽ

quay tương đối với vỏ của vi sai

Hiệu suất của vi sai rất thấp (à= 0,1 ữ 0,17) và vi sai bị mòn rất nhanh

Nếu giảm nội ma sát của vi sai (kδ = 0,4 ữ 0,5 ; k'

δ = 2,65 ữ 3) thì tuổi thọ của các bộ vi sai tăng lên đáng kể và có thể chấp nhận được Mặc dù vậy, loại

vi sai này được sử dụng rất hạn chế trên ôtô do có kết cấu rất phức tạp và đòi

hỏi độ chính xác gia công cao Ngày nay, người ta sử dụng chủ yếu là vi sai

bánh răng côn răng thẳng, còn các loại vi sai bánh răng trụ, vi sai cam, vi sai

trục vít-bánh vít ít được chế tạo

2.2.2.4- Bộ vi sai có ma sát trong cao (Vi sai tăng nội ma sát) Hình 2.5

Bộ truyền động loại này gồm có: bộ truyền lực chính; bộ vi sai gồm 4 bánh răng hành tinh, hai bánh răng côn bán trục đều được lắp thêm hai bộ ly hợp đĩa ma sát Trục chữ thập có lỗ rộng bên trong có lò xo để ép hai bánh răng côn bán trục cùng với hai bộ ly hợp vào hai nửa khung vi sai

Hình 2.5- Cấu tạo và sơ đồ của bộ vi sai có ma sát trong cao

Ly hợp ma sát gồm các đĩa thép trượt trên đuôi có then hoa của bánh răng côn bán trục và các đĩa ma sát có tai nằm trong khung vi sai (các đĩa ma sát này còn được gọi là các đệm chặn lực dọc trục)

Khi ôtô chuyển động thẳng trên đường bằng phẳng, quãng đường lăn của hai bánh xe bằng nhau, nếu lực cản trên hai bánh xe như nhau, sẽ làm cho các bánh răng bán trục quay cùng tốc độ, như vậy bánh răng hành tinh không quay trên trục của nó, mà chỉ quay quanh trục của bán trục

Khi chuyển động thẳng, dòng mômen truyền chủ yếu qua cụm vi sai, có một phần nhỏ (có thể bị trượt nhẹ) truyền qua khớp ma sát

Khi ôtô đi trên đường vòng, quãng đường lăn của các bánh xe khác nhau, hoặc lực cản của các bánh xe khác nhau, thì mômen hai bên chênh lệch nhau đúng bằng giá trị mômen ma sát ( Mms )

Khi khớp ma sát trượt lớn, dòng mômen truyền một phần qua vi sai và một phần qua khớp ma sát

-Nhược điểm:

Phải dùng loại dầu cầu đặc biệt, không dùng loại dầu thông thường vì

dễ gây nên sự cố kĩ thuật; phải sử dụng hai bên bánh lốp có kích cỡ, hoa văn

và áp suất như nhau

2.2.2.5-Bộ vi sai có cơ cấu khoá (Gài cứng) Hình 2.6

Hình 2.6 - Bộ vi sai có cơ cấu gài cứng

Khi thực hiện gài cứng vi sai, yêu cầu xe phải ở vị trí đi thẳng (nếu không

sẽ làm gẫy bán trục).Vì điều khiển hãm cứng vi sai bằng cơ khí, cho nên sau khi vượt qua chướng ngại vật mà không mở chế độ khoá cứng vi sai, nó sẽ làm

cho lốp xe bị mòn, gây quá tải cho kết cấu nối cứng và bán trục, đồng thời khó

điều khiển việc lái, gây nên hiện tượng tuần hoàn công suất giữa các cầu xe

Với các xe hiện đại nhiều cầu chủ động ngày nay, người ta thường sử dụng

khoá vi sai bằng điện thuộc loại toàn bộ thời gian làm việc ở chế độ hai cầu

2.2.3- Động học và động lực học vi sai:

Công suất của động cơ được truyền từ trục cácđăng tới trục bánh răng

côn xoắn rồi tới bánh răng vành chậu Bánh răng vành chậu được lắp trên

khung vi sai và làm quay vi sai, trên khung vi sai gồm hai nửa có các bánh

răng hành tinh(bốn bánh răng hành tinh) và có hai bánh răng côn bán trục

quay trơn hai bên Khi vỏ vi sai quay thì toàn bộ hai bán trục cũng quay theo,

còn các bánh răng hành tinh đứng trên trục của mình (trục chữ thập) Chỉ khi

xe quay vòng hoặc rẽ, do mômen cản khác nhau ở hai bên bánh xe làm cho

các bánh răng hành tinh quay trên trục của mình và tạo ra sự chênh lệch về tốc

độ quay của hai bánh răng bán trục chủ động

Hình 2.7- Sơ đồ động học vi sai 1-vỏ vi sai; 2- các bánh răng hành tinh; 3;4- các bánh răng bán trục;5- bánh

răng côn vành chậu bị động; M- mômen xoắn trên vỏ vi sai; M p ;M t – Mômen

xoắn trên các bán trục phải và trái; ω1 ; ω2 -Vận tốc góc trên các bán trục

Sơ đồ vi sai bánh răng côn trên gồm có: vỏ vi sai 1 gắn liền với bánh

răng bị động 5 của truyền lực chính nên vỏ vi sai 1 luôn luôn quay cùng bánh

răng bị động 5 Bên trong vỏ1đặt các bánh răng hành tinh 2, bánh răng hành tinh 2 quay trơn được trên trục của nó và luôn luôn ăn khớp với các bánh răng bán trục 3 và 4 đồng thời nó có thể quay cùng với vỏ 1 trong mặt phẳng thẳng

đứng, bánh răng bán trục quay làm bánh xe quay

Vi sai truyền mô men tới các bánh xe chủ động và cho phép các bánh xe chủ động có thể quay với các tốc độ khác nhau khi ôtô quay vòng hoặc đi trên

đường gồ ghề Tuỳ theo kết cấu của vi sai mà mô men phân chia cho các bánh

xe chủ động có thể thay đổi khác nhau trong quá trình chuyển động Đối với

vi sai đối xứng (Hình 2.7), quan hệ vận tốc góc giữa hai bên bán trục của vi sai được thể hiện qua biểu thức:

Kết hợp với biểu thức (2.3) ta được:

M1 =

2

1(M0 - Mms)

M2 =

2

1(M0 + Mms) (2.4)

Trong trường hợp lực cản trên hai bánh xe khác nhau (xe ôtô đi vào

đường xấu, gồ ghề, lầy lội…) do hệ số bám khác nhau.Với tính chất của vi sai như vậy thì khả năng vượt lầy, thoát hiểm của ôtô rất kém

Ví dụ, nếu một bên bánh xe bị sa lầy (hệ số bám rất thấp, lực kéo rất nhỏ gọi là Pkmin), còn bánh xe thứ hai có điều kiện bám tốt Do tính chất của vi sai nên lực kéo hai bên như nhau và đúng bằng Pkmin, tức là: Pk1 = Pk2 = Pmin

Vậy ta có lực kéo lớn nhất có thể phát huy tại các bánh xe chủ động là:

Pkmax = 2 Pkmin = 2

2

1.Gφ.φmin= Gφ.φmin

(ở đây ta coi trọng lượng Gφ của xe phân bố đều trên cả hai cầu)

Cũng với điều kiện chuyển động như trên, nếu khoá cứng vi sai thì các bánh xe ở hai bên có thể coi là được nối với nhau bằng một trục cứng (coi như không có vi sai), trong trường hợp này mômen truyền tới các bánh xe là khác

nhau (M1 ≠ M2) Do vậy, lực kéo cực đại có thể phát huy được tại cầu chủ

động của ôtô khi quay vòng kém đi nhiều, các bánh xe chủ động bị trượt, gây khó khăn cho việc điều khiển ôtô và gây mòn lốp hay thậm chí có thể làm gẫy bán trục của xe

Trong thực tế, ngoài cách khoá cứng vi sai còn có nhiều giải pháp khác

để tăng tính việt dã của ôtô, nó vừa nâng được khả năng kéo của bánh chủ

động, vừa thoả mãn cho bánh chủ động không bị trượt, chống được mài mòn lốp, dễ điều khiển và tăng tính kinh tế nhiên liệu của ôtô, một trong số đó là sử dụng các vi sai tăng nội ma sát (Xem hình 2.5)

Mức độ ảnh hưởng của nội ma sát trong vi sai có thể được đánh giá qua

Mô men trên các bán trục có thể được thể hiện qua hệ số hãm vi sai như sau:

nên ta chọn kб không lớn quá 0,6 nghĩa là mô men ở bên trục quay chậm không lớn quá 4 lần mô men ở bên trục quay nhanh

ảnh hưởng của nội ma sát vi sai đến khả năng làm việc của cầu chủ

động còn được đánh giá qua hệ số khoá vi sai k'

Sử dụng hệ số khoá vi sai, ta có thể dễ dàng tính được tổng lực kéo cực

đại phát huy trên cầu chủ động như sau:

Qua các phân tích ở trên ta nhận thấy, các vi sai đơn giản được đặt trong cầu chủ động đã làm xấu đi rất nhiều tính năng cơ động của ôtô, vì trị số lực kéo tiếp tuyến ở các bánh xe chủ động được xác định bởi các bánh xe có lực

bám nhỏ với đường, do vậy lực kéo tiếp tuyến có thể không đủ để khắc phục lực cản chuyển động Để khắc phục những nhược điểm đó, trên các xe ôtô cần tính năng cơ động cao, người ta thường sử dụng các vi sai có nội ma sát lớn (Xem hình 2.5)

Như vậy lực kéo lớn nhất tại cầu chủ động là:

Pkmax = 2Pkmin=Gϕϕmin

Cũng với điều kiện chuyển động như trên, nếu không có vi sai thì các bánh xe ở hai bên có thể coi là được nối với nhau bằng một trục cứng (khoá vi sai) Trong trường hợp này, lực kéo cực đại có thể phát huy được tại cầu chủ

Mối quan hệ giữa lực kéo và hệ số bám được thay bằng việc xét mối quan

hệ giữa hệ số bám hiệu dụng và hệ số bám nhỏ nhất (ví dụ chọn: k'

δ =1ữ6 và

ϕmin= 0,1ữ0,9)

Bằng công cụ Matlab ta có thể lập được đồ thị quan hệ đó như sau:

Hình2.9 -Quan hệ giữa hệ số bám hiệu dụng và hệ số bám nhỏ nhất

trên xe ôtô con (4x2) với k '

б =1ữ6

Từ đồ thị quan hệ có được ta thấy, khi sử dụng vi sai tăng nội ma sát tại cầu chủ động có thể tăng được lực kéo thêm nhiều hơn so với sử dụng vi sai thông thường (VD: khiφmin= 0,6 ta đã có thể nhận được hệ số bám hiệu dụng là 0,9 với k'б= 2 ) Đối với các vi sai trục vít, hệ số hãm vi sai có thể đạt giá trị rất cao (kδ = 0,7 ữ 0,8; k'

δ = 5,65 ữ 9) Cũng với các giả định nêu trên, nếu ta dùng vi sai trục vít- bánh vít (ví dụ chọn kδ = 0,7 và k'

δ = 5,66) khi đó hệ số bám hiệu dụng sẽ là:

k '

б =1

cản lớn khi ôtô quay vòng Do vậy, loại vi sai trục vít được sử dụng rất hạn chế trên ôtô Hơn nữa, vi sai này có kết cấu phức tạp và đòi hỏi độ chính xác gia công cao

2.3.2- Hệ thống truyền lực 4x4 không có vi sai giữa các cầu (hình 2.10)

Đối với xe ôtô con có 2 cầu chủ động (công thức 4 x 4) có trọng lượng bám phân bố trên cả 2 cầu chủ động (Phần lớn trọng lượng phân bố đều giữa cầu trước và cầu sau theo tỷ lệ 50/50) và là trọng lượng G của xe (Hình 2.10) Qua khảo sát các trường hợp trên ta nhận thấy, lực kéo của xe ôtô có quan hệ hàm số với hệ số bám của bánh xe và mô men ma sát của vi sai:

1

Trong công thức trên ta thấy lực kéo cực đại phụ thuộc vào các yếu tố: hệ

số bám nhỏ nhất, hệ số khoá vi sai và trọng l−ợng bám của xe ôtô

ϕ - cũng bị giới hạn trong phạm vi nhỏ hơn hoặc bằng 0,9

Hình 2.11- Quan hệ giữa hệ số bám hiệu dụng và hệ số bám nhỏ nhất trên

ôtô 4x4

Để giúp việc so sánh khả năng việt dã giữa hai loại xe ôtô hai bánh và bốn bánh chủ động đ−ợc thuận lợi ta quan sát các đồ thị (Hình 2.12)

Hình2.12 – So sánh giữa hệ số bám hiệu dụng với hệ số bám nhỏ nhất tại các

cầu chủ động xe ôtô (4x2) và (4x4)