Nghiên cứu ảnh hưởng của vi sai đến chất lượng động lực học của ô tô

Nếu 2 bánh xe này cùng một trục dẫn động thì nó xe quay cùng tốc độ với nhau, khi vào cua sẽ rất khó khăn, nếu xe có cua được thì bánh xe bên trong bắt buộc phải bị trượt.. Mục tiêu và y

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Hà Nội – 2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

LƯU VĂN TUẤN

Hà Nội – 2018

1

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU……… 9

1.1 Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam và sự phát triển của lĩnh vực sản xuất ô tô……… 9

1.1.1 Thực trạng……… 9

1.1.2 Định hướng phát triển……… 10

1.1.3 Những tồn tại và nhu cầu phải đầu tư nghiên cứu phát triển……… 10

1.2 Nghiên cứu vi sai trên ô tô……… 12

1.2.1 Vi sai - một bộ phận không thể thiếu trên ô tô……… 12

1.2.2 Ảnh hưởng của vi sai đến chất lượng động lực học của ô tô…… 13

1.2.3 Mục tiêu và yêu cầu nghiên cứu……… 13

1.2.4 Phương pháp nghiên cứu……… 14

1.2.5 Kết cấu của luận văn……… 14

CHƯƠNG II - KẾT CẤU VI SAI TRÊN Ô TÔ……… 15

2.1 Vai trò của cơ cấu vi sai trên ô tô……… 15

2.2 Vi sai bánh răng côn đối xứng……… 16

2.3 Vi sai bánh răng trụ……… 20

2.4 Vi sai tăng ma sát……… 21

2.4.1 Phân bố vận tốc và mô men trong cơ cấu vi sai……… 21

2.4.2 Vi sai cam……… 22

2.4.3 Lắp bộ phận tạo ma sát trong vi sai bánh răng côn……… 23

2

2.5 Vi sai trục vít-bánh vít……… 25

2.6 Vi sai trung tâm……… 27

2.6.1 Vi sai trung tâm kiểu trục vít……… 28

2.7 Vi sai trong hộp phân phối……… 31

2.7.1 Hiện tượng lưu thông công suất……… 31

2.7.2 Hộp phân phối có vi sai bánh răng côn……… 32

2.7.3 Phân phối mô men ra các bánh xe khi hộp phân phối có bố trí vi sai……… 33

2.7.4 Hộp phân phối có vi sai bánh răng trụ……… 35

CHƯƠNG 3 - ĐỘNG LỰC HỌC CƠ CẤU VI SAI……… 37

3.1 Động lực học vi sai côn bánh răng đối xứng……… 37

3.2 Động lực học vi sai bánh răng trụ……… 45

3.2.1 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc của cơ cấu hành tinh……… 46

3.2.2 Vi sai bánh răng trụ……… 48

CHƯƠNG 4 - ẢNH HƯỞNG CỦA CƠ CẤU VI SAI ĐẾN TÍNH NĂNG CƠ ĐỘNG CỦA XE VÀ CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC……… 52

4.1 “Làm ngừng tạm thời” hoạt động của cơ cấu vi sai (cài cứng vi sai)…… 52

4.2 Tăng thành phần Mms trong cơ cấu vi sai……… 56

4.3 Điều khiển mô men ra các bánh xe chủ động bằng cách thay đổi mô men trên bánh xe chủ động……… 60

4.4 Điều khiển mô men chủ động trên hệ thống phanh có ABS……… 63

4

LỜI CAM ĐOAN

Trong thời gian qua với sự nỗ lực của bản thân, đồng thời nhận được sự hướng

dẫn tận tình của PGS.TS Lưu Văn Tuấn, em đã hoàn thành luận văn ” Nghiên cứu ảnh hưởng của vi sai đến chất lượng động lực học của ô tô”

Em xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng em, các số

liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực, chưa từng được ai công bố trong bất kỳ

nghiên cứu nào khác

Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng kiến thức vẫn còn nhiều hạn chế nên bản

luận văn của em không thể tránh khỏi các thiếu sót Kính mong các thầy giáo trong Bộ môn Ô tô và xe chuyên dụng và các thầy trong Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp

cùng các bạn học viên chỉ bảo để luận văn của em hoàn chỉnh hơn Em xin trân trọng

cảm ơn

Hà Nội, Ngày tháng năm 2018

r2, r3, r4: Bán kính vòng chia trung bình của các bánh răng

nt, nf : Số vòng quay bán trục bên bánh xe quay chậm, quay nhanh

M1: Mô men ra trục trước

M2: Mô men ra trục sau

M0: Mô men trên vỏ vi sai

Mt: Mô men trên bán trục bên bánh xe quay chậm

Mf: Mô men trên bán trục bên bánh xe quay nhanh

Mms: Mô men ma sát trong cơ cấu vi sai

Mmax: Mô men cực đại trên trục xe

Mφ: Mô men bám bánh xe

Mψ: Mô men cản của xe

TCS: Traction Control system

6

ABS: Anti-lock Brake System

ECU: Electronic Control Unit

CKD: Completely Knocked Down

VEAM: Tổng công ty Máy động lực và máy nông nghiệp Việt Nam VAMA: Hiệp hội các nhà sản xuất ô tô

ISO: Internationnal Organization for Standardization

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

7

Hình 1.1 Số liệu thống kê tai nạn giao thông hàng năm tại Việt Nam

Hình 1.2 Xe quay vòng

Hình 2.1 Cấu tạo vi sai bánh răng côn đối xứng

Hình 2.2 Cấu tạo vi sai bánh răng côn đối xứng

Hình 2.3 Lắp ghép vi sai trong cầu chủ động

Hình 2.4 Lắp ghép vi sai trong truyền lực chính loại kép

Hình 2.5 Lắp ghép vi sai trong truyền lực chính loại kép

Hình 2.12: Vi sai trung tâm

Hình 2.13: Vi sai trung tâm kiểu trục vít

Hình 2.14: Vi sai trung tâm với ly hợp ma sát ướt

Hình 2.15: Dòng lưu thông công suất

Hình 2.16: Hộp phân phối có vi sai bánh răng côn

Hình 2.17: Hộp phân phối có vi sai bánh răng trụ

Hình 3.1a: Cơ cấu vi sai côn

Hình 3.1b: Lực tác động bánh răng bán trụ vào bánh răng hành tinh

Hình 3.2: Cơ cấu hành tinh với các bánh răng đơn 1 dãy

Hình 3.3: Vi sai bánh răng trụ

Hình 4.1: Cơ cấu gài cứng vi sai

Hình 4.2: Sơ đồ mô tả bán trục nối cứng

8

Hình 4.3: Vi sai có cơ cấu gài cứng

Hình 4.4: Vi sai tăng ma sát

Hình 4.5: Cầu có vi sai điều khiển được lực ma sát

Hình 4.6: Sơ đồ đơn giản của hệ thống điều khiển lực kéo bằng cách phanh bánh xe bị trượt

Hình 4.7: Sơ đồ cấu tạo của hệ thống điều khiển lực kéo (TCS)

Hình 4.8: Sơ đồ hệ thống đang phanh và ABS đang ở chế độ tăng áp

Hình 4.9: Quỹ đạo chuyển động khi xe đi không đúng quỹ đạo

Hình 4.10: Quỹ đạo chuyển động khi lái xe đánh lái đột ngột

Hình 4.11: Thay đổi mô men quay bằng cách phanh bánh xe

CHƯƠNG 1:

9

TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam và sự phát triển của lĩnh vực sản xuất ô tô 1.1.1 Thực trạng:

Ngành công nghiệp ô tô Việt Nam bắt đầu hình thành từ những năm đầu thập niên 90 của thế kỉ trước và phát triển mạnh sau những năm 2000 Theo thống kê của bộ công thương, tính đến 12/2015 Việt Nam có khoảng gần 400 doanh nghiệp sản xuất, lắp ráp ô tô Tổng năng lực sản xuất lắp ráp ô tô khoảng 460 ngàn xe/năm, gồm hầu hết các chủng loại xe con (công suất khoảng 200 ngàn xe/năm) Ngành công nghiệp ô tô đã

có đóng góp đáng kể cho ngân sách nhà nước (bình quân khoảng 1 tỷ USD/năm – chỉ tính riêng các khoản thuế) và giải quyết công ăn việc làm cho khoảng 80 nghìn lao động trực tiếp

Mặc dù đã đạt được một số thành tựu, sau hơn 20 năm xây dựng và phát triển, Việt Nam vẫn đang sở hữu một nền công nghiệp ô tô quy mô nhỏ, công nghệ lạc hậu Đa số các doanh nghiệp sản xuất ô tô trong nước có quy mô vừa và nhỏ với công việc chủ yếu là lắp ráp dạng CKD trên cơ sở linh kiện nhập khẩu từ nước ngoài Doanh nghiệp ô

tô lớn nhất Việt Nam hiện nay là Trường Hải cũng vẫn chỉ là cơ sở lắp ráp với tỉ lệ nội địa hóa thấp khoảng 40% chủ yếu là kính, săm lốp, ắc quy, thùng

Trong bối cảnh chung của nghành công nghiệp ô tô như vậy, lĩnh vực sản xuất ô tô tải, mặc dù được hưởng nhiều chính sách ưu đãi của Chính phủ cũng đang ở trong một tình trạng không mấy khả quan Hầu hết các doanh nghiệp ô tô Việt Nam mới chỉ sản xuất được một số sản phẩm khung vỏ, thùng bệ, cabin và một số chi tiết khác Toàn bộ phần máy từ động cơ, hệ thống truyền lực đến các hệ thống điều khiển…đều được nhập khẩu từ nước ngoài, trong đó phần lớn là từ Trung Quốc

Với linh kiện nhập khẩu từ Trung Quốc chất lượng thấp, quy mô sản xuất không lớn và

10

mức đầu tư cho công nghệ thấp, ô tô tải nội thường có chất lượng không cao

Trước tình hình trên, nghành công nghiệp ô tô Việt Nam còn rất nhiều việc phải làm để

có thể sản xuất ra những chiếc ô tô tải có chất lượng và giá thành đáp ứng nhu cầu trong nước và hướng tới xuất khẩu, hội nhập với khu vực và thế giới

1.1.2 Định hướng phát triển ngành ô tô Việt Nam

Trước tình hình trên, trong tháng 7/2014 Thủ tướng chính phủ đã ban hành 2 văn bản quan trọng là “Quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2030” và “Chiến lược phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam đến năm 2025, tầm nhìn đến năm 2035”, trong đó lĩnh vực sản xuất ô tô tải nhận được

sự quan tâm đặc biệt Gần đây nhất, ngày 04/02/2016 Thủ tướng chính phủ đã kí ban hành Quyết định số 229/QĐ-TTg về Cơ chế, chính sách thực hiện Chiến lược và Quy hoạch phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam

Theo quy hoạch của Chính phủ, cần “Chú trọng phát triển dòng xe tải nhỏ phục vụ cho sản xuất nông nghiệp…” nhằm đạt được sản lượng xấp xỉ 100.000 xe vào năm 2020, đáp ứng 78% nhu cầu tiêu thụ nội địa

Bản quy hoạch lần này đã thể hiện sự quan tâm đặc biệt đến công nghiệp phụ trợ: “Giai đoạn đến năm 2020, cơ bản hình thành công nghiệp hỗ trợ cho sản xuất ô tô Phấn đấu đáp ứng 30-40% (về giá trị) nhu cầu linh kiện, phụ tùng của sản xuất, lắp ráp xe ô tô trong nước, chế tạo được một số chi tiết quan trọng trong bộ phận truyền động, hộp số, động cơ (nhất là cho xe khách và xe tải nhẹ)”

Sự quan tâm đặc biệt của Chính phủ tới công nghiệp hỗ trợ đã được khẳng định bằng nghị định số 111/2015/NĐ-CP về phát triển công nghiệp hỗ trợ, ban hành ngày 03/11/2015 định rõ những chính sách hỗ trợ phát triển đối với ngành công nghiệp này, trong đó có lĩnh vực sản xuất phụ tùng ô tô

1.1.3 Những tồn tại và nhu cầu phải đầu tư nghiên cứu phát triển

11

Hiện nay chúng ta có khá nhiều doanh nghiệp sản xuất và lắp ráp ô tô tải, chủ yếu là loại nhỏ và trung bình Có thể kể đến những nhà sản xuất lớn như Trường Hải, VEAM, TMT… Ngoài ra còn có các liên doanh cũng tham gia sản xuất một số loại ô tô tải các

cỡ

Nhìn chung, các sản phẩm trong lĩnh vực này đều dựa trên các bộ linh kiện nhập khẩu (chủ yếu từ Trung Quốc và Hàn Quốc) với tỉ lệ nội địa hóa không cao Phần sản xuất trong nước chỉ có cabin, thùng xe và khung Với mức đầu tư về chất xám và trang thiết

bị còn khiêm tốn, chất lượng của các sản phẩm của các cơ sở lắp ráp trong nước còn ở mức độ hạn chế Tuy nhiên, đây là nguồn cung cấp ô tô chủ yếu cho thị trường trong nước hiện nay nhờ có ưu thế về giá thành

Một trong những nguyên nhân chính kìm hãm sự phát triển ngành công nghiệp ô tô Việt Nam là sự yếu kém của công nghiệp phụ trợ Theo thống kê, hiện nay ở Việt Nam, chỉ có khoảng 40 nhà cung cấp linh kiện trên tổng số 50 nhà lắp ráp, trong khi Thái Lan có tới trên 1.500 doanh nghiệp phụ trợ với tỉ lệ nội địa hóa đạt 70-80% Đài Loan cũng có khoảng trên 2.000 nhà đầu tư sản xuất linh kiện phụ tùng thay thế

Với thực trạng trên, tỉ lệ nội địa hóa của các loại ô tô lắp ráp trong nước là rất thấp Theo Bộ công thương (2016): “Tỉ lệ nội địa hóa đạt thấp…” đến nay chủ yếu mới đạt bình quân 7-10% Đối với xe con của Thaco 15-18%, của Toyota Việt Nam đạt 37% đối với dòng xe Inova Đối với xe tải nhẹ: Thaco đạt khoảng 33%

Như vậy có thể thấy rằng các nhà sản xuất trong nước thực chất mới chỉ làm công việc lắp ráp mà chưa quan tâm đến nghiên cứu phát triển để có thể tiến tới chế tạo những chiếc xe mang thương hiệu việt nam và đưa các doanh nghiệp trong nước hội nhập với thế giới Trước tình hình trên, để có thể tiến tới tự sản xuất hoàn chỉnh các cụm và các

hệ thống cho ô tô thì cần phải có đầu tư nghiên cứu chiều sâu phục vụ cho việc thiết kế chế tạo các bộ phận

1.2 NGHIÊN CỨU VI SAI TRÊN Ô TÔ

12

1.2.1 Vi sai - một bộ phận không thể thiếu trên ô tô

Khi xe ô tô chuyển động trên đường, không phải lúc nào ô tô cũng đi thẳng mà trong nhiều trường hợp phải đổi hướng chuyển động tức phải thực hiện quay vòng ví

dụ khi ô tô rẽ, đi vào đoạn đường cong, …

Khi xe quay vòng (hình 1.2) ta thấy bán kính vòng quay của bánh xe bên ngoài (b) sẽ lớn hơn bán kính vòng quay của bánh xe bên trong (a) Do đó bắt buộc bánh xe bên ngoài phải quay nhanh hơn Nếu 2 bánh xe này cùng một trục dẫn động thì nó xe quay cùng tốc độ với nhau, khi vào cua sẽ rất khó khăn, nếu xe có cua được thì bánh xe bên trong bắt buộc phải bị trượt Mặt đường và bánh xe có lực ma sát sẽ gây ra lực vặn xoắn phá hủy xe Để khắc phục hiện tượng trên người ta lắp vào giữa hai bánh xe chủ động một bộ phận để phân phối mô men ra các bánh xe và đảm bảo cho các bánh xe quay với vận tốc không bằng nhau Đó chính là bộ vi sai Ngoài ra khi xe chuyển động trên đường không bằng phẳng, quãng đường đi của hai bánh xe trái và phải cũng không

Hình 1.2 Xe quay vòng

13

bằng nhau Trong trường hợp này vi sai sẽ có tác dụng đảm bảo cho các bánh xe trái phải quay với vận tốc khác nhau tương ứng với quãng đường đi Như vậy trên ô tô vi sai có tác dụng phân phối mô men ra các bánh xe chủ động và đảm bảo cho các bánh

xe quay với vận tốc khác nhau khi đi trên đường vòng hoặc đường không bằng phẳng

1.2.2 Ảnh hưởng của vi sai đến chất lượng động lực học của ô tô

Như đã nói ở trên vi sai là một bộ phận không thể thiếu trên ô tô, nhưng khi có vi sai, sự phân phối mô men trong cơ cấu vi sai có thể ảnh hưởng đến chất lượng động lực học của ô tô

Nếu không có vi sai mô men cực đại trên các bánh xe phụ thuộc vào hệ số bám giữa các bánh xe trái, phải với mặt đường Tuy nhiên trong trường hợp có vi sai và hai bánh xe quay với vận tốc khác nhau, mô men phân phối ra hai bên bánh xe xấp xỉ nhau, chỉ sai khác bằng đúng mô men trong cơ cấu vi sai và chỉ phụ thuộc vào mô men bám trên bánh xe có hệ số bám thấp Vì thế nếu một trong hai bánh xe đứng trên vị trí

có hệ số bám thấp thì xảy ra khả năng trượt quay và xe không chuyển động được Do vậy việc nghiên cứu động học và động lực học của cơ cấu vi sai, xác định quy luật phân bố mô men trong vi sai để khảo sát ảnh hưởng của cơ cấu vi sai đến khả năng động lực học của xe, trên cơ sở đó đề ra các biện pháp khắc phục là rất cần thiết

1.2.3 Mục tiêu và yêu cầu nghiên cứu:

Vi sai trên ô tô đảm bảo cho phép 2 bánh xe quay với hai vận tốc khác nhau tuy nhiên vấn đề được đặt ra là khi xe đi trên đường trơn hoặc bị sa lầy thì lực truyền từ động cơ giảm theo bên bánh xe có lực bám nhỏ hơn làm cho bánh xe bên sa lầy sẽ quay trơn còn bánh xe bên có lực bám lớn gần như không chuyển động, hiện tượng thường gọi là hiện tượng “patine” và để tránh các hiện tượng trên các nhà thiết kế đã giới hạn tổn thất lực kéo này bằng cách khống chế sự độc lập giữa hai trục bằng một loạt các hệ thống: cơ khí, điện tử, hoặc thủy lực được biết đến với cái tên “vi sai hạn chế trượt” (hay LSD)

14

Việc nghiên cứu ảnh hưởng của quy luật phân phối mô men trong vi sai đến các hoạt động của xe giúp người nghiên cứu thiết kế xe có được các biện pháp giảm thiểu tác động tiêu cực, nâng cao chất lượng động lực học của xe

Trong đề tài này tác giả sẽ nghiên cứu động học và động lực học của cơ cấu vi sai, quy luật phân bố mô men tới các bánh xe khi có vi sai từ đó khảo sát ảnh hưởng của vi sai đến chất lượng động lực học của xe và đưa ra các biện pháp khắc phục

1.2.4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu của tác giả trong luận văn này là nghiên cứu lý thuyết Trên cơ sở tìm hiểu kết cấu các loại cơ cấu vi sai trên ô tô, tác giả sẽ nghiên cứu động học và động lực học các cơ cấu vi sai, khảo sát quy luật phân bố mô men ra các bánh xe Từ đó xác định ảnh hưởng của cơ cấu vi sai đến chất lượng động lực học của ô tô Trên cơ sở các khảo sát đó sẽ đề ra các biện pháp khắc phục để nâng cao chất lượng động lực học của ô tô

1.2.5 Kết cấu của luận văn

Luận văn được chia làm 4 chương

Chương 1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương 2 Kết cấu vi sai trên ô tô

Chương 3 Động học và động lực học cơ cấu vi sai

Chương 4 Ảnh hưởng của cơ cấu vi sai đến chất lượng động lực học của ô tô

và các biện pháp khắc phục

CHƯƠNG II

15

KẾT CẤU VI SAI TRÊN Ô TÔ

2.1 Vai trò của cơ cấu vi sai trên ô tô:

Vi sai là một cơ cấu đặc biệt có chức năng phân phối mô men đến các bánh xe chủ động, đảm bảo cho các bánh xe chủ động quay với vận tốc khác nhau khi cần thiết (ví dụ đi trên đường vòng hay đường không bằng phẳng) Như vậy vi sai là một bộ phận quan trọng không thể thiếu trên ô tô Tuy nhiên để các bánh xe có thể quay với vận tốc khác nhau, mô men phân ra các bánh xe sẽ phải phân bố lại theo “quy luật” của

vi sai và quy luật này trong một số trường hợp không phù hợp với yêu cầu của ô tô Ví

dụ như hiện tượng “patine” làm ảnh hưởng đến khả năng bám của xe và từ đó ảnh hưởng đến tính năng cơ động của xe

Mô men từ bánh bị động của truyền lực chính cần được phân phối ra các bánh xe chủ động Hai bánh xe chủ động của xe trên cùng một trục có một đặc điểm là không phải lúc nào hai bánh xe cũng đi một quãng đường giống nhau Hai bánh xe có quãng đường khác nhau trong các trường hợp:

- Xe đi trên đường vòng: bánh phía trong sẽ có quãng đường ngắn hơn bánh phía ngoài

- Mặt đường không giống nhau ở nơi 2 bánh xe đi qua: bánh xe nào đi qua chỗ lồi lõm hơn sẽ có quãng đường dài hơn

Cần phải có một bộ phận vừa phân phối được mô men ra 2 bánh xe chủ động 2 phía vừa đảm bảo các bánh xe quay với vận tốc khác nhau tương ứng với quãng đường

đi được của xe Bộ phận đó là vi sai

Như vậy, vi sai có nhiệm vụ phân phối mô men ra các bánh xe chủ động, đảm bảo cho các bánh xe chủ động quay với vận tốc khác nhau khi đi trên đường vòng và đường không bằng phẳng

2.2 Vi sai bánh răng côn đối xứng

16

Hình 2.1 thể hiện kết cấu một cơ cấu vi sai bánh răng côn đối xứng Cơ cấu này bao gồm: 2 bánh răng bán trục 1, các bánh răng vi sai 2 (có thể có 2 hoặc 3 hoặc 4 bánh răng), nạng 3 (trong trường hợp có 4 bánh răng vi sai nạng này có hình chữ thập nên được gọi là nạng chữ thập, các trường hợp khác nạng sẽ có kết cấu tương ứng), vỏ vi sai 4 Vỏ vi sai 4 lắp với bánh răng bị động 5 của truyền lực chính bằng đinh tán hoặc

bu lông và quay cùng bánh răng 5 Khi lắp ráp vào, 2 bánh răng bán trục sẽ ăn khớp với các bánh răng vi sai Trên 2 bánh răng bán trục có then hoa, then hoa của bán trục

sẽ được lắp vào then hoa của bánh răng bán trục, 2 bán trục sẽ nhận mô men từ 2 bánh răng bán trục

Hình 2.2 thể hiện nguyên lý làm việc của cơ cấu vi sai Hình 2.2.a thể hiện trường hợp xe đi thẳng trên đường bằng phẳng Mô men cản 2 bên bánh xe bằng nhau, các bánh răng vi sai 3 không quay quanh trục của nó, cả cơ cấu vi sai cùng với bánh răng bị động 2 của truyền lực chính quay cùng một vận tốc và các bán trục cũng quay cùng một vận tốc

Hình 2.1 Cấu tạo vi sai bánh răng côn đối xứng

17

Khi xe đi vào đường vòng, hai bên bánh xe sẽ có quãng đường đi khác nhau do đó

sẽ có vận tốc góc (hoặc số vòng quay) khác nhau Sự chênh lệch vận tốc này được thực hiện nhờ các bánh răng vi sai Các bánh răng vi sai quay làm cho một bánh răng bán trục quay nhanh lên và bánh răng bán trục còn lại quay chậm lại (hình 2.2.b) Bán trục bên này quay nhanh lên bao nhiêu thì bánh răng bán trục kia quay chậm lại bấy nhiêu

Hình 2.2 Cấu tạo vi sai bánh răng côn đối xứng

18

Hình 2.3 Lắp ghép vi sai trong cầu chủ động

Hình 2.3 thể hiện kết cấu cầu chủ động có truyền lực chính loại đơn Vi sai được lắp ghép trong bánh răng bị động của truyền lực chính

Trong trường hợp truyền lực chính loại kép, vỏ vi sai sẽ được lắp trên bánh răng

bị động của cặp bánh răng trụ (hình 2.4, 2.5) Khi đó hộp vi sai sẽ được lắp trên bánh răng trụ bị động Mô men từ bánh răng trụ bị động sẽ được vi sai phân phối ra hai bán trục và đến các bánh xe chủ động

19

Hình 2.4 và 2.5 thể hiện lắp ghép vi sai trong truyền lực chính loại kép

Hình 2.4 Lắp ghép vi sai trong truyền lực chính loại kép

Hình 2.5 Lắp ghép vi sai trong truyền lực chính loại kép

20

2.3 Vi sai bánh răng trụ

Vi sai bánh răng trụ thường được lắp trong hộp phân phối Vi sai bánh răng trụ thực chất là một bộ truyền hành tinh (hình 2.6) Vỏ 5 được gắn cứng với bánh răng 6 đóng vai trò là cần dẫn của bộ truyền hành tinh Trên cần dẫn 5 lắp các bánh răng hành tinh 3 Bánh răng bao 4 lắp then hoa với trục 7 Bánh răng trung tâm (bánh răng mặt trời) lắp then hoa với trục 1 Bộ truyền này đóng vai trò như một vi sai phân phối mô men ra các trục 1 và 7

Trong điều kiện bình thường, trục 1 và 7 quay cùng vận tốc, bánh răng vi sai 3 sẽ không quay quanh trục của nó và cả bộ truyền như một khối quay cùng nhau Tuy nhiên mô men phân ra các trục 1 và 7 cũng không bằng nhau và tỉ lệ với r1 và r2 là bán kính của bánh răng 2 và 4

Vi sai bánh răng trụ thường được lắp trong hộp phân phối

Hình 2.6 Vi sai bánh răng trụ

21

2.4 Vi sai tăng ma sát

2.4.1 Phân bố vận tốc và mô men trong cơ cấu vi sai

Ký hiệu n0, nt, nf là số vòng quay của vỏ vi sai, bán trục bên bánh xe quay chậm

và bán trục bên bánh xe quay nhanh Ký hiệu M0, Mt, Mf là mô men trên vỏ vi sai, bán trục bên bánh xe quay chậm và bán trục bên bánh xe quay nhanh Mms là mô men ma sát trong cơ cấu vi sai

Khi vi sai không làm việc, bánh răng vi sai không quay quanh trục của nó mối quan hệ vận tốc và mô men như sau:

n0 = nt = nf; Mt = Mf = 0,5 M (2.1) Khi vi sai làm việc, người ta chứng minh được mối quan hệ của các số vòng quay:

2n0 = nt + nf (2.2)

Và mối quan hệ của các giá trị mô men: Nếu bánh xe bên phải quay nhanh hơn:

Mt = 0,5(M0 + Mms); Mf = 0,5(M0 - Mms) (2.3)

Từ 2.3: Mt = Mf + Mms (2.4) Tổng mô men trên 2 bánh xe sẽ là:

M = Mt + Mf = 2Mf + Mms (2.5) Đối với vi sai bánh răng côn đối xứng, mô men Mms rất thấp

Mà ta biết rằng mô men cực đại trên một bánh xe phụ thuộc vào khả năng bám của bánh xe với mặt đường Gọi mô men bám bên bánh xe có hệ số bám thấp là Mφmin

ta có mô men cực đại trên trục xe:

Mmax = 2Mφmin + Mms (2.6) Giả sử một bánh xe đứng vào vị trí mặt đường lầy lội khi đó Mφmin thấp và Mmax

thấp và có thể xe sẽ bị sa lầy Khi đó bánh xe ở vị trí hệ số bám thấp sẽ quay trượt và

xe đứng yên tại chỗ Hiện tượng này được gọi là xe bị “patine”

22

Từ biểu thức 2.6 ta thấy mô men cực đại trên một trục xe phụ thuộc vào mô men bám của bánh xe đứng ở vị trí mặt đường có hệ số bám thấp (Mφmin) và mô men ma sát trong cơ cấu vi sai (Mms) Cho dù bánh xe còn lại đứng vào chỗ mặt đường có hệ số bám cao thì cũng chẳng có giá trị gì Điều này giải thích hiện tượng “patine” đã nói ở trên Đây chính là điểm hạn chế của cơ cấu vi sai

Từ biểu thức 2.6, ta thấy có thể làm tăng mô men chủ động bằng cách tăng giá trị của mô men ma sát Mms Có các phương pháp sau đây:

- Dùng loại vi sai có mô men ma sát lớn,

- Vẫn dùng loại vi sai bánh răng côn đối xứng (có mô men ma sát nhỏ) và lắp thêm bộ tạo ma sát

2.4.2 Vi sai cam

Hình 2.7 mô tả vi sai cam là vi sai có ma sát trong cơ cấu vi sai cao Bánh răng bị động 2 của truyền lực chính được lắp trên thân vi sai 3, đồng thời trên thân vi sai 3 được lắp giá để đặt các con trượt (cam) 6, các con trượt 6 nằm giữa vành cam phải 4 và vành cam trái 6 Các vành cam 4 và 5 có số rãnh không bằng nhau Các bán trục trái và phải lắp then hoa với các vành cam 4 và 6

Hình 2.7 Vi sai cam

23

Khi bánh răng bị động quay mang theo giá và các con trượt quay theo, các con trượt làm quay các vành cam 4 và 6 Khi có sự chênh lệch vận tốc 2 bánh xe, các vành cam sẽ trượt lên các con trượt

Loại vi sai này hiện nay ít được dùng

2.4.3 Lắp bộ phận tạo ma sát trong vi sai bánh răng côn

Cầu vi sai hạn chế trượt bằng ly hợp ma sát ướt có dạng như hình 2.8, bao gồm cụm vi sai truyền thống và bộ đĩa ma sát ướt Đĩa chủ động gắn với vỏ vi sai còn đĩa bị động gắn với đế bán trục Các tấm ma sát nằm liền nhau và được điền đầy dầu

Hình 2.8: Vi sai ly hợp đĩa

24

Nguyên lý làm việc như sau: Khi có chuyển động tương đối với nhau giữa hai đĩa chủ động và bị động, dầu ở giữa hai mặt kề sát bị nén và tạo thành mô men cản mà độ lớn của nó phụ thuộc với độ nhớt và tốc độ tương đối giữa hai bề mặt Dầu Silicon phát triển cho mục đích trên có khả năng ổn định nhiệt về độ nhớt và tuổi thọ cao Hình 2.12 chỉ ra đặc tính ly hợp ma sát ướt: Mô men ma sát của ly hợp ma sát khô không thay đổi trong khi ma sát ướt thay đổi nhanh và bắt đầu từ 0

Nguyên lý cầu vi sai và ly hợp chống trượt:

- Vận tốc khác nhau: Khi chuyển động thẳng, mô men được truyền từ động cơ đến bánh răng chậu và vỏ vi sai, truyền mô men qua chốt chữ thập; bánh răng hành tinh như cầu nối truyền mô men đều cho hai bán trục Khi vào đường vòng tốc độ bánh xe ngoài sẽ nhanh hơn bánh trong hoặc bánh xe đi qua mấp mô sẽ phải quay nhanh hơn Khi một bánh xe quay nhanh hơn tương đối so với vỏ vi sai thì bánh xe đối diện cũng quay chậm tương ứng Sự chênh tốc độ đó làm cho phản ứng mô men của các bánh răng mặt trời đến các bánh hành tinh khác nhau làm cho nó tự quay quanh trục chữ

thập Vận tốc bị mất của bánh trong làm cho bánh răng mặt trời cùng phía quay chậm tạo làm bánh răng hành tinh quay, tác động làm cho bánh răng mặt trời đối diện quay

nhanh hơn

- Tác động của ly hợp ma sát ướt: Khi một bánh xe bị giảm lực bám, nó có xu hướng trượt quay làm cho bánh răng hành tinh quay quanh trục chữ thập và trục chữ thập quay quanh bánh răng mặt trời đối diện mà không truyền mô men Vì vậy vỏ vi sai và bánh răng mặt trời quay tương đối với nhau, các đĩa chủ động và bị động của ly hợp quay tương đối làm cho dầu silocon giữa chúng bị nén tạo ra mô men cản trong ly hợp,

do vậy ly hợp bị khoá và mô men chủ động từ động cơ được truyền cho bánh xe có lực bám tốt

Đi thẳng: (hình 2.10): Khi xe đi thẳng, mô men từ động cơ được truyền đến bánh

Hình 2.10 Vi sai bánh vít hành tinh:

26

răng chậu (3), quay cùng vỏ vi sai Mô men truyền đến vỏ vi sai sẽ phân đều cho hai chốt (7) của trục vít hành tinh và nó truyền cho trục vít bán trục mô men như nhau, không có quay tương đối giữa hai bán trục

Khi quay vòng: Khi vào cua, bánh xe ngoài quay nhanh hơn bánh xe trong, nghĩa là bánh xe ngoài quay nhanh hơn vỏ vi sai, bánh xe trong quay chậm hơn vỏ vi sai Khi bán trục quay nhanh hơn vỏ vi sai, răng xoắn bán trục quay bánh răng xoắn hành tinh (2) quay trục (7) cùng chiều; ngược lại khi bán trục quay chậm, trục vít trên nó làm trục vít hành tinh tương ứng quay chậm lại đúng một trị số như phía bên kia nhưng hướng ngược lại Như vậy, cặp bánh răng dẫn (4) có vai trò như một nội liên kết không phụ thuộc tốc độ ô tô

Khi lực bám khác nhau: Khi một bánh xe bị mất lực kéo, nó có xu hướng quay trượt

và nó chuyển chủ động từ trục vít (1) trên bán trục lên trục vít hành tinh cùng phía và

từ bánh răng dẫn (4) phía quay trơn chuyển cho bánh dẫn (4) đối diện như một cầu nối

Hình 2.11: Vi sai trục vít

27

Như vậy bất cứ khi nào bánh xe có xu thế mất lực kéo, nó trở thành cơ cấu phanh đối với bán trục đối diện Bánh xe có lực kéo thấp bị cản bởi quay trơn và vì vậy mô men truyền từ động cơ chỉ tập trung truyền cho bánh có hệ số bám cao Cũng có thể rút ra

là, ngay cả khi lực bám hai phía khác nhau, tốc độ hai bánh xe cũng có xu thế khác nhau

2.6 Vi sai trung tâm:

Thông thường vi sai trung tâm (1) được bố trí như hình 2.13 trước cầu sau (3)

Ở vi sai trung tâm, bánh răng mặt trời trái quay trơn trên trục sơ cấp (10) truyền mô men từ hộp số Bánh răng mặt trời phải nằm liền trục trung gian truyền mô men ra cầu sau (2) Chốt chữ thập nối then với trục sơ cấp (10) Khi khoá vi sai trung tâm thì bánh răng (11) sẽ truyền mô men cho cầu giữa (4) và nếu khoá cầu trước được đóng thì truyền mô men cho cầu trước(7)

Nguyên lý vi sai trung tâm: Khi chưa khoá vi sai trung tâm (9), mô men từ hộp số (10) truyền đến chốt chữ thập của vi sai trung tâm (1), vì nó được nối then với trục chủ động nên chốt chữ thập quay quanh trục chủ động, bánh răng hành tinh làm cầu nối phân đều

mô men cho hai bánh răng mặt trời để truyền mô men ra các cầu sau (3) và cầu giữa (4) Khi một cầu có tốc độ bị giảm tương đối so với cầu kia, bánh răng hành tinh bắt đầu quay trên chốt chữ thập để bù tốc độ đó cho cầu kia Vi sai trung tâm đã liên kết hai cầu cho phép tốc độ mỗi cầu được điều chỉnh tự động phù hợp điều kiện sử dụng

mà không gây xoắn giữa các cầu Để đạt lực kéo lớn nhất khi đường có hệ số bám thấp

và không đồng đều ta khoá ví sai trung tâm (9) Điều đó có nghĩa là bánh răng (11) bị khoá với trục chủ động làm cho bánh răng hành tinh bị khoá, nối cứng trục chủ động với trục trung gian Khi đó các cầu truyền mô men mà không phụ thuộc khả năng truyền của cầu kia Chú ý rằng, chỉ khoá vi sai trung tâm khi tốc độ xe thấp, nếu không

sẽ gây xoắn cho hệ truyền lực và mòn lốp Khi cần thiết có thế khoá cầu trước Mô men

cầu trước thường được thiết kế 25% mô men tổng Chỉ khoá cầu khi tốc độ xe khá thấp

28

2.6.1 Vi sai trung tâm kiểu trục vít:

Khi tỷ số truyền cuối cùng quá lớn, từ 5 đến 9, phải sử dụng hệ truyền lực kép Trong hình 2.14 là kết cấu bộ truyền vi sai trục vít, về hiệu suất thì bộ truyền trục vít kém hơn kiểu bánh răng côn xoắn Cấu tạo của loại vi sai trục vít bao gồm bộ vi sai thông thường nằm sau trục vít-bánh vít (2) Bánh răng mặt trời (5) phía phải nối với trục trung gian (6) nối ra cầu sau Bánh răng mặt trời trái nối then với trục vít rỗng Trục rỗng nằm tựa cứng vững trên hai ổ bi Nằm trong trục rỗng là trục chủ động (1) nối then với chạc chữ thập Khi trục chủ động (1) truyền mô men nó làm chốt chữ thập quay quanh trục sơ cấp, nhờ bánh răng hành tinh tác động vào bánh răng mặt trời trái

và phải, phân đều mô men cho trục vít (2) và trục trung gian (6) Khi có sự chênh tốc

độ giữa hai cầu, chúng truyền qua bánh răng hành tinh (4) để tự động điều chỉnh

Hình 2.12: Vi sai trung tâm

29

2.5.2 Vi sai trung tâm có ly hợp ma sát ướt:

Cấu tạo: Hộp số phụ gồm hai phần: Bộ truyền hành tinh và ly hợp đĩa

Bộ truyền hành tinh gồm bánh răng ngoại luân (6) và cũng là trục bị động truyền mô

men ra cầu sau (9); khung hành tinh và chốt hành tinh (3) nối then

với trục chủ động (4) truyền mô men từ hộp số; bánh răng mặt trời (2) cùng với bánh răng trung gian (8) nằm trên trục rỗng, bánh răng trung gian (8) truyền xích đưa mô men đến cầu trước (10) Người ta phải chọn bán kính ngoại luân bằng 2 bán kính bánh

răng mặt trời để bảo đảm phân mô men 34% ra cầu trước và 66% ra cầu sau Ly hợp

ma sát ướt (7) là khâu liên kết để nối hai phần bị động với nhau: bánh răng mặt trời (ra

cầu trước) và bánh răng ngoại luân (ra cầu sau)

Dòng truyền lực: Mô men được truyền từ trục (4) làm quay khung hành tinh (3), bánh

răng hành tinh (1) là cầu nối truyền mô men cho bánh răng mặt trời (2) qua bánh răng trung gian (8) đến cầu trước bằng bộ truyền xích (11) và truyền mô men qua bánh răng ngoại luân (6) ra vi sai cầu sau

Cân bằng tốc độ: Cặp bánh răng hành tinh ngoài vai trò thay đổi tỷ số truyền, còn giữ nhiệm vụ vi sai Nó nối hai phần bị động với nhau qua bánh hành tinh là cầu truyền lực Khi tốc độ cầu trước và sau như nhau, cụm hành tinh quay cùng một khối Do tỷ

số giữa bán kính bánh răng ngoại luân và bánh răng mặt trời là 2 nên mô men được

Hình 2.13: Vi sai trung tâm kiểu trục vít

30

phân ra theo tỷ lệ 1:2

Nguyên lý ly hợp ma sát ướt: Ly hợp gồm hai tệp đĩa kim loại, tệp có chấu ngoài gắn

với vỏ ly hợp, nối then với (6); tệp có chấu trong liên kết với trục rỗng bánh răng mặt trời Các đĩa đan xen nhau, giữa chúng là dầu Silicon Trong trường hợp có sự thay đổi tốc độ tương đối nhỏ giữa hai cầu, bánh răng ngoại luân và mặt trời được phép xoay tương đối so với khung tăng hành tinh, vẫn truyền mô men mà không gây xoắn cho hệ truyền lực (không tuần hoàn công suất) Ngược lại khi một cầu bị mất lực kéo và quay trơn, giữa các đĩa của ly hợp sẽ xuất hiện tốc độ quay tương đối khá lớn, lớp dầu silicon giữa hai tấm ma sát bị cắt (trượt), mô men ma sát ướt được hình thành, tăng tỷ

lệ với tốc độ trượt tương đối của hai bề mặt Mô men này tạo ra hiệu ứng khoá trong ly hợp Do vậy mô men từ động cơ vẫn được truyền cho cầu có hệ số bám tốt

Hình 2.14: Vi sai trung tâm với ly hợp ma sát ướt

31

2.7 Vi sai trong hộp phân phối

2.7.1 Hiện tượng lưu thông công suất

Trong trường hợp mô men được truyền đến nhiều bánh xe chủ động như các trường hợp đã trình bày ở trên có thể xảy ra hiện tượng lưu thông công suất Gọi ω1 là vận tốc góc của các bánh xe trục trước, ω2 là vận tốc góc của các bánh xe trục sau Vận tốc của các bánh xe trục trước và trục sau sẽ là:

v1 = ω1r1; v2 = ω2r2 (2.7)

Với hộp phân phối không có vi sai ta sẽ có ω1 = ω2, nhưng rất có thể r1 ≠ r2 vì các

lý do lốp mòn không đều, áp suất lốp không bằng nhau, tải trọng lên các lốp khác nhau, Trong trường hợp đó v1 ≠ v2, tuy nhiên các bánh xe của một xe không thể chuyển động với vận tốc khác nhau và dẫn đến các bánh xe cưỡng lực lẫn nhau hình thành một dòng công suất phụ lưu thông như trên hình 2.15 và tạo áp lực phụ lên các chi tiết từ hộp phân phối đến các bánh xe Để khắc phục hiện tượng này người ta lắp vi sai vào hộp phân phối để phân phối mô men ra các trục bánh xe

Hình 2.15 Dòng lưu thông công suất

32

2.7.2 Hộp phân phối có vi sai bánh răng côn

Hình 2.16 Hộp phân phối có vi sai bánh răng côn

Sơ đồ hộp phân phối có vi sai bánh răng côn và kết cấu của hộp được thể hiện trên hình 2.16 Trục I nhận mô men từ hộp số chính, trên trục I có 2 bánh răng 1 và 2 quay không trên trục Ống gài 2 sẽ có nhiệm vụ nối bánh răng 1 hoặc 2 với trục I Trục trung gian IV có 2 bánh răng 14 và 4 chế tạo liền với trục Bánh răng 10 ăn khớp với bánh răng 14, vỏ vi sai 5 được lắp với bánh răng 10 bằng bu lông Trong vỏ vi sai lắp

bộ truyền vi sai bao gồm các bánh răng vi sai 7 là bánh răng côn (có 2, 3 hoặc 4 bánh răng vi sai) Ăn khớp với bánh răng vi sai là 2 bánh răng côn 6 và 9 Bánh răng 6 lắp

33

then hoa với trục II và bánh răng 9 lắp then hoa với trục III Trục II dẫn động đến các bánh xe sau còn trục III dẫn động đến các bánh xe trước Khớp nối 10 có tác dụng gài trục III với vỏ vi sai khi cần thiết

Ở trạng thái như hình vẽ, hộp phân phối không truyền mô men (số 0) vì trục I nhận mô men và không truyền đến bánh răng nào cả

Khi người lái dịch chuyển ống gài 2 sang trái, mô men được truyền như sau: I →

2 → 1 → 14 → 10 qua vi sai đến trục II và III Trạng thái này ta có tỉ số truyền cao (ifc)

Khi người lái dịch chuyển ống gài 6 sang trái, mô men được truyền như sau: I →

2 → 3 → 4 → IV → 14 → 10 qua vi sai đến trục II và III Trạng thái này ta có tỉ số truyền thấp (ifc)

Khi có bánh xe bị trượt, người lái điều khiển dịch chuyển ống gài 12 sang phải nối cứng trục III với bánh răng 5 tức vỏ vi sai Khi đó vi sai bị gài cứng

2.7.3 Phân phối mô men ra các bánh xe khi hộp phân phối có bố trí vi sai

Hộp phân phối có bố trí vi sai khắc phục được hiện tượng lưu thông công suất tuy nhiên lại gặp vấn đề về phân phối mô men

Trong mục 2.4 ta đã có mô men cực đại trên một trục (biểu thức 2.6):

Mmax = 2Mφmin + Mms

Ký hiệu M1 và M2 là mô men ra trục trước (trục III hình 2.16) và trục sau (trục II),

ta có mô men cưc đại trên các trục đó trong trường hợp hộp phân phối không bố trí vi sai như sau:

M1max = 2Mφ1min + Mms1; M2max = 2Mφ2min + Mms2 (2.8) Khi hộp phân phối có bố trí vi sai (giữa các trục) tổng mô men cực đại trên cả 2 trục:

34

Mmax = 2Mφmin + Mms1 + Mms2 + Mms (2.9) Trong đó Mφmin là mô men nhỏ trong 2 mô men Mφ1min và Mφ2min; Mms là mô men

ma sát trong cơ cấu vi sai đặt trong hộp phân phối

Như vậy ta thấy mô men cực đại của cả xe trong trường hợp này chỉ phụ thuộc

mô men bám của bánh xe ở vị trí đường có hệ số bám thấp nhất và mô men ma sát trong các cơ cấu vi sai Đây là nhược điểm của hộp phân phối có bố trí cơ cấu vi sai Chính vì thế hộp phân phối loại này người ta bố trí thêm cơ cấu cài cứng vi sai