tìm hiểu hệ thống vi sai trung tâm phân bổ mô men điều khiển bằng điện tử

Hệ thống vi sai truyền và phân phối công suất động cơ và mô-men xoắn thành hai dòng riêng biệt giữa các bánh xe trên cùng một trục cũng như giữa các bánh xe hoặc cánh quạt ở các phương t

TỔNG QUAN

Lý do chọn đề tài

Trong những năm gần đây, sự phát triển bùng nổ của công nghệ ô tô và xu hướng sử dụng các hệ thống điều khiển điện tử hiện đại đã làm thay đổi đáng kể ngành công nghiệp ô tô Các hệ thống này không chỉ cải thiện hiệu suất và an toàn của xe trong các điều kiện đường trơn trượt hay địa hình khắc nghiệt (off-road) mà còn giúp tối ưu hóa sự phân bổ mô-men xoắn, giảm tiêu hao nhiên liệu và khí thải, góp phần bảo vệ môi trường

Hệ thống vi sai trung tâm phân bổ mô-men điều khiển bằng điện tử hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong các dòng xe hiện đại, đặc biệt là xe cao cấp và xe thể thao Việc hiểu rõ về hệ thống này sẽ mang lại nhiều cơ hội cải tiến và đổi mới, đồng thời nghiên cứu cũng đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật nhưng đem lại cơ hội đóng góp vào sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô

Hệ thống này không chỉ có giá trị kỹ thuật và kinh tế mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp ô tô Nhận thấy tầm quan trọng và tiềm năng của hệ thống vi sai trung tâm phân bổ mô-men điều khiển bằng điện tử, nhóm chúng em quyết định chọn đề tài: “Tìm hiểu hệ thống vi sai trung tâm phân bổ mô-men điều khiển bằng điện tử” để nghiên cứu trong đồ án này

Với đề tài này, chúng em mong muốn nâng cao kiến thức và kỹ năng chuyên môn về các công nghệ hiện đại trong ngành ô tô, mở ra nhiều cơ hội trong lĩnh vực nghiên cứu và phát triển sản phẩm mới

Tóm lại, việc nghiên cứu hệ thống vi sai trung tâm phân bổ mô-men điều khiển bằng điện tử sẽ cải thiện trải nghiệm của người lái thông qua khả năng kiểm soát và vận hành mượt mà hơn, đồng thời góp phần bảo vệ môi trường cũng như nâng cao hiệu suất của phương tiện

Với khả năng tiếp cận thông tin gặp nhiều khó khăn do các nhà sản xuất thường bảo mật công nghệ của họ, dẫn đến việc khó thu thập được tài liệu chi tiết Bên cạnh đó, giới hạn về thời gian cũng là một thách thức lớn, ảnh hưởng trực tiếp đến độ sâu và phạm vi của nghiên cứu, khiến việc khám phá và phân tích không được toàn diện đồ án

Mục tiêu

 Xây dựng tài liệu tham khảo nhằm củng cố và mở rộng kiến thức về các hệ thống vi sai của ô tô, giúp sinh viên và kỹ thuật viên trong ngành công nghệ kỹ thuật ô tô có thêm nguồn thông tin hữu ích để học tập và làm việc

 Nâng cao được khả năng đọc dịch và tổng hợp tài liệu.

Phương pháp nghiên cứu

 Tham khảo kiến thức từ các tài liệu, giáo trình

 Hệ thống hóa kiến thức thành các chương đồ án

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Giới thiệu về hệ thống vi sai

2.1.1 Tổng quan về hệ thống vi sai Ô tô hiện đại có nhiều bộ phận và chi tiết Mỗi bộ phận trong số đó đều rất quan trọng Chắc chắn rằng chúng ta sẽ không thể đi xa trong một chiếc xe không có động cơ hoặc bánh xe hay bàn đạp ga Ô tô được vận hành êm ái và an toàn phụ thuộc vào một trong những cơ cấu quan trọng nhất của nó - hệ thống vi sai Hệ thống này đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sự ổn định của xe, giúp xe vận hành vững chắc và nhanh chóng trên mọi loại đường

Hệ thống vi sai chủ yếu được sử dụng trong hệ thống truyền động của ô tô Chức năng chính của nó là giúp việc lái xe dễ dàng hơn và cải thiện khả năng vận hành của phương tiện

Hình 2.1 Hệ thống vi sai đồ án

1 – Right half axle torque: Mô-men xoắn nửa cầu bên phải;

2 – Left half axle torque: Mô-men xoắn nửa cầu bên trái;

3 – Power flow from engine: Dòng công suất từ động cơ;

4 – Power flow distribution from engine: Sự phân bố dòng công suất từ động cơ;

5 – Engine torque: Mô-men xoắn động cơ

Hệ thống vi sai truyền và phân phối công suất động cơ và mô-men xoắn thành hai dòng riêng biệt giữa các bánh xe trên cùng một trục (cũng như giữa các bánh xe hoặc cánh quạt ở các phương tiện khác) Điều này cho phép các bánh xe quay ở tốc độ khác nhau, giúp phương tiện ổn định hơn, không trượt bánh, giảm mài mòn lốp nếu một trong những bánh xe có bám đường kém Ví dụ, khi rẽ hoặc lái xe trên bề mặt trơn trượt Để hiểu rõ hơn, chúng ta sẽ tìm hiểu chi tiết về hệ thống vi sai được sử dụng cho mục đích gì, lịch sử hình thành và phát triển, nguyên lý hoạt động và phát triển của hệ thống này, cũng như cách và nơi nào hệ thống này được sử dụng vào ngày nay

Mô hình 3D ở hình trên thực sự có thể cung cấp một cách thực tế để hiểu về hoạt động của cơ cấu này Bằng cách lắp ráp hệ thống vi sai bằng tay, chúng ta có thể hiểu được các cơ cấu cũng như nguyên lý hoạt động của hệ thống này Đối với “hộp số” trong các phương tiện giao thông, đây là các cơ cấu kết nối động cơ với bánh xe lái Chúng đóng vai trò quan trọng trong việc truyền đạt công suất từ động cơ đến bánh xe, cho phép phương tiện di chuyển về phía trước hoặc phía sau Hệ thống truyền này bao gồm các thành phần khác nhau như bánh răng, trục và ly hợp, làm việc cùng nhau để kiểm soát tốc độ và mô-men xoắn đầu ra từ động cơ đến bánh xe, cho phép người lái chọn các số khác nhau tùy theo điều kiện lái xe Hiểu về cách hoạt động của hộp số là điều cần thiết để hiểu về hoạt động tổng thể của hệ thống dẫn động của một phương tiện

2.1.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của hệ thống vi sai

Những chiếc ô tô đầu tiên dường như ít phức tạp hơn nhiều so với những chiếc hiện đại ngày nay Nhưng việc lái những chiếc xe cổ điển đó lại ngày càng khó khăn hơn Một trong những vấn đề chính mà các tài xế phải đối mặt vào đầu thời kỳ của ngành công nghiệp ô tô là hiện tượng trượt bánh xe khi rẽ cua Trong quá trình rẽ cua, các bánh xe sẽ tiếp tục đồ án

5 quay với cùng một tốc độ trong khi phân phối trọng lượng thay đổi đáng kể Điều này khiến cho việc lái xe trở thành một kỹ năng khó khăn để nắm vững và hạn chế tốc độ

Hệ thống vi sai trở thành giải pháp hoàn hảo cho vấn đề này, cho phép các chiếc xe được sản xuất nhanh và an toàn hơn Bằng cách cho phép bánh xe quay ở các tốc độ khác nhau trong quá trình rẽ cua, hệ thống vi sai hiệu quả giải quyết vấn đề trượt bánh xe, tăng cường sự ổn định và khả năng vận hành của xe Điều này đã làm cho lái xe trở nên khả thi hơn và an toàn hơn, mở ra một thời đại mới cho việc di chuyển bằng ô tô

Hệ thống vi sai cho ô tô thực sự đã được phát minh bởi một kỹ sư người Pháp tên là Onesiphore Pecqueur vào năm 1825 Cơ chế mà ông tạo ra hoạt động tốt trên bề mặt cứng khô ráo, nhưng lại không hiệu quả trên điều kiện đường đóng băng hoặc đường ẩm Vì thế mà một số cải tiến là cần thiết để nâng cao hiệu suất của nó trong các điều kiện lái xe khác nhau

Những cải tiến này được giới thiệu bởi kỹ sư ô tô nổi tiếng người Áo-Đức Ferdinand Porsche, người đã nâng cấp cơ chế một cách đáng kể Ông đã mất ba năm để tiến hành nghiên cứu, thử nghiệm và điều chỉnh Cuối cùng sản xuất ra một hệ thống vi sai không có bánh răng

Hình 2.2 Kỹ sư ô tô Ferdinand Porsche đồ án

- hệ thống vi sai khóa cứng tự động phản ứng theo tốc độ đầu tiên Hệ thống này đã được lắp đặt lần đầu trên các chiếc xe Volkswagen

Phiên bản cải tiến này của hệ thống vi sai đã được sử dụng trong các loại ô tô kể từ đó

Sự tiến bộ này đã cải thiện sự ổn định và khả năng vận hành của các xe, mang lại trải nghiệm lái xe an toàn và mượt mà hơn cho người lái Đồng thời, hệ thống này đã mở ra một cánh cửa mới cho sự phát triển của công nghệ ô tô đặc biệt là trong lĩnh vực của hệ thống truyền động

2.1.1.2 Mô tả hệ thống vi sai

Vi sai là một thiết bị cơ khí quan trọng được tìm thấy một cách cần thiết trong hệ truyền động của các phương tiện, chịu trách nhiệm cho việc phân phối công suất một cách công bằng đến các bánh xe Chức năng chính của vi sai là cho phép các bánh xe quay ở các tốc độ khác nhau, đặc biệt khi một phương tiện đang thực hiện các góc quay hoặc điều hướng qua địa hình không bằng phẳng Bằng cách cho phép phân biệt tốc độ này, vi sai đảm bảo rằng mỗi bánh xe có thể nhận được lượng công suất phù hợp trong khi vẫn giữ được độ bám đường và ổn định

Thiết bị cần thiết này cho phép các phương tiện thực hiện các quay góc một cách mượt mà nhưng lại không gây trượt bánh hay áp lực quá mức cho hệ truyền động Vi sai có nhiều loại khác nhau bao gồm: vi sai mở, vi sai chống trượt và khóa vi sai Mỗi loại vi sai phục vụ cho các điều kiện và yêu cầu lái xe cụ thể

Bên cạnh các loại vi sai đã được đề cập, còn có những công nghệ tiên tiến khác như vi sai điện tử và vi sai tự động Vi sai điện tử (Electronic Differential) sử dụng cảm biến và bộ điều khiển điện tử để phân phối công suất một cách thông minh hơn giữa các bánh xe, tăng cường khả năng kiểm soát và hiệu suất của xe trong mọi điều kiện đường xá Vi sai tự động (Automatic Differential), thường được tìm thấy trong các xe địa hình, tự động điều chỉnh phân phối công suất dựa trên tình hình cụ thể, đảm bảo khả năng vượt địa hình và an toàn cho xe

Một phần quan trọng khác của vi sai là việc nó giúp giảm mài mòn lốp và các bộ phận khác của hệ truyền động Khi xe quay góc, bánh xe phía ngoài cần quay nhanh hơn bánh xe phía trong để tránh hiện tượng trượt lốp Vi sai giúp cân bằng tốc độ này, từ đó giảm sự mài mòn không cần thiết và kéo dài tuổi thọ của lốp cũng như các bộ phận khác đồ án

Ngoài ra, vi sai còn đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất nhiên liệu Bằng cách đảm bảo rằng mỗi bánh xe nhận được lượng công suất cần thiết, vi sai giúp giảm lực cản và tăng hiệu quả tiêu thụ nhiên liệu Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh giá nhiên liệu tăng cao và nhu cầu về các phương tiện tiết kiệm nhiên liệu ngày càng cao

Hệ thống vi sai chống trượt trên ô tô

2.2.1 Vi sai chống trượt trên ô tô

Vi sai chống trượt (Limited Slip Differential - LSD) là một bộ phận quan trọng trong hệ thống truyền động của xe, giúp cải thiện khả năng kiểm soát và ổn định của xe, đặc biệt trong điều kiện đường trơn trượt hoặc khi xe vào cua

Vi sai chống trượt (Limited Slip Differential - LSD) ra đời từ nhu cầu cải thiện lực kéo và ổn định của xe, đặc biệt khi lái trên đường trơn hoặc vào cua Ban đầu, vào thế kỷ 19, vi sai thông thường được phát minh để các bánh xe quay với tốc độ khác nhau Đến những năm

1930, vi sai chống trượt bắt đầu xuất hiện, với Gleasman Torsen là một trong những thiết kế đầu tiên Năm 1958, Porsche phát triển LSD cơ học cho xe đua Từ những năm 1960, LSD trở nên phổ biến trong xe thể thao và xe đua, và tiếp tục phát triển qua các thập kỷ với sự ra đời

Hình 2.13 Vi sai chống trượt đồ án

18 của vi sai chống trượt viscous và điện tử Hiện nay, LSD hiện đại sử dụng công nghệ tiên tiến để điều chỉnh mô-men xoắn, giúp xe vận hành an toàn và hiệu quả hơn

2.2.1.2 Lợi ích của vi sai chống trượt

Lợi ích chính của một hệ thống vi sai hạn chế được thể hiện bằng cách xem xét trường hợp của một hệ thống vi sai tiêu chuẩn (hoặc “mở”) khi một bánh xe không tiếp xúc với mặt đất hoàn toàn Trong trường hợp như vậy, bánh xe tiếp xúc sẽ giữ nguyên trạng thái đứng yên và bánh xe không tiếp xúc sẽ quay tự do mô-men quay được truyền sẽ bằng nhau ở cả hai bánh xe, nhưng sẽ không vượt quá ngưỡng mô-men cần thiết để di chuyển xe và do đó xe sẽ vẫn giữ nguyên trạng thái đứng yên Trong việc sử dụng hàng ngày trên các con đường điển hình, một tình huống như vậy rất ít xảy ra và do đó một hệ thống vi sai thông thường là đủ Tuy nhiên, đối với việc sử dụng đòi hỏi cao hơn, chẳng hạn như lái xe trong bùn, địa hình khắc nghiệt (off-road) hoặc đối với các phương tiện hiệu suất cao, một tình huống như vậy là không mong muốn và hệ thống LSD có thể được sử dụng để xử lý Bằng cách giới hạn sự khác biệt về vận tốc góc giữa một cặp bánh xe được kích hoạt, mô-men quay hữu ích có thể được truyền đi miễn là có một chút độ bám đất trên ít nhất một trong hai bánh xe

2.2.1.3 Đặc điểm của vi sai chống trượt

LSD phản ứng với mô-men xoắn từ trục dẫn động Khi có nhiều mô-men xoắn hơn từ động cơ, các bộ phận bên trong LSD sẽ chạm vào nhau mạnh hơn Điều này giúp các bánh xe dẫn kết hợp chặt hơn, cải thiện khả năng truyền động và đảm bảo xe vận hành mượt mà trên địa hình khác nhau

Một số LSD được trang bị lò xo để tạo ra một lượng nhỏ mô-men xoắn, ngay cả khi không có hoặc ít mô-men xoắn từ trục dẫn động Điều này giúp giảm thiểu sự kết hợp của các bánh xe dẫn khi không cần thiết, ví dụ như khi giảm ga hoặc khi hộp số ở trạng thái trôi Điều này làm tăng tính linh hoạt của xe và cải thiện trải nghiệm lái

Sự ảnh hưởng của tình trạng tổng quát và tải trọng lên các bộ phận LSD là quan trọng Điều này bao gồm mức độ mài mòn của các bộ phận và cách chúng được nén chặt lại để hoạt động hiệu quả Điều này cũng quyết định độ linh hoạt và độ bền của hệ thống LSD trong quá trình sử dụng đồ án

Tóm lại, có ba trạng thái về mô-men xoắn đầu vào: tải, không tải và lùi Trong điều kiện tải, như đã nêu trước đó, sự kết hợp tăng theo tỷ lệ với mô-men xoắn đầu vào Khi không có tải, sự kết hợp giảm xuống mức kết hợp tĩnh Đối với trạng thái quá tải (đặc biệt là khi giảm đột ngột ga) quyết định liệu LSD là 1 chiều, 1.5 chiều, hay 2 chiều như sau:

 Hoạt động khi xe đang tăng tốc, giúp chống trượt bánh khi lực kéo từ động cơ tăng

 Không can thiệp khi xe giảm tốc hoặc phanh

 Phù hợp cho các xe sử dụng hàng ngày hoặc xe đua chỉ cần kiểm soát khi tăng tốc

 Hoạt động khi xe tăng tốc và giảm tốc, nhưng mức độ can thiệp khi giảm tốc ít hơn so với khi tăng tốc

 Giúp kiểm soát trượt bánh khi phanh hoặc giảm ga đột ngột, nhưng không mạnh bằng 2 chiều

 Cung cấp sự cân bằng giữa hiệu suất và an toàn, phù hợp cho cả sử dụng hàng ngày và trong các cuộc đua

 Hoạt động khi xe cả tăng tốc và giảm tốc, với mức độ can thiệp tương tự ở cả hai trạng thái

 Hữu ích trong việc kiểm soát xe khi vào cua hoặc trong các tình huống cần phản ứng nhanh từ cả việc tăng và giảm tốc

 Thường được sử dụng trong các xe đua chuyên nghiệp hoặc xe hiệu suất cao, nơi mà kiểm soát lực kéo là cực kỳ quan trọng

 1 chiều: Hoạt động khi tăng tốc

 1.5 chiều: Hoạt động khi tăng tốc và giảm tốc, nhưng giảm tác động ít hơn

 2 chiều: Hoạt động khi tăng tốc và giảm tốc, với mức độ tác động tương đương đồ án

Hiểu rõ sự khác biệt này giúp người tiêu dùng có thể chọn loại LSD phù hợp với nhu cầu lái xe và điều kiện sử dụng cụ thể

Nếu LSD không có thêm sự hỗ trợ khi xe chịu tải nặng, thì đó là loại LSD 1 chiều Loại LSD này được coi là an toàn vì khi tài xế nhả ga, nó sẽ mở khóa và hoạt động giống như một bộ vi sai thông thường Đây là lựa chọn tốt nhất cho các xe dẫn động cầu trước (FWD), vì nó cho phép xe dễ dàng quay đầu khi tài xế nhả ga, thay vì tiếp tục đi thẳng

Nếu LSD hoạt động như nhau cả khi xe tiến và lùi, thì đó là loại LSD 2 chiều Một số người lái xe thích ôm cua ưa chuộng loại này vì nó giữ bánh xe quay đều, bất kể cách điều chỉnh ga như thế nào, giúp họ duy trì kiểm soát khi qua cua

Một tài xế không có kinh nghiệm lái xe có thể dễ dàng làm cho xe mất kiểm soát khi sử dụng LSD 2 chiều nếu họ nhả ga đột ngột và kỳ vọng xe sẽ ổn định như khi dùng hệ thống vi sai thông thường Khi LSD hoạt động ở mức độ trung gian giữa hai cực này, nó được gọi là hệ thống khóa cầu 1.5 chiều, tức là kết hợp giữa tính thể thao và tính an toàn

2.2.1.4 Nguyên lý làm việc của vi sai chống trượt

Một cách đơn giản, khi một bánh xe được truyền lực bị trượt, LSD sẽ chuyển thêm nhiều mô-men xoắn vào bánh xe không trượt Bởi vì một bánh xe đặt trên bề mặt trơn trượt và bánh xe khác đặt trên bề mặt tốt, bánh xe trên bề mặt có độ bám tốt hơn sẽ nhận được nhiều mô-men xoắn hơn Kết quả, lực đẩy do hành động tách rời của bánh răng trụ nghiêng cũng sẽ cao hơn ở phía đó Do đó, bộ ly hợp ở phía bánh xe có độ bám cao hơn sẽ được ép chặt, khóa bộ ly hợp Điều này cho phép lực từ vỏ hộp chuyển trực tiếp vào trục có độ bám cao hơn qua bộ ly hợp

Mặt khác, bộ ly hợp ở phía bánh xe có độ bám thấp vẫn chưa được kích hoạt, vì vậy dòng lực sẽ bị giới hạn ở phía đó Do đó, xe có thể vượt qua vấn đề về độ bám đất

Trong quá trình vào cua, LSD hoạt động tương tự như một hệ thống vi sai mở Trong trường hợp này, mô-men xoắn được truyển từ sự tách rời của các bánh răng nghiêng không cao như trong trường hợp khóa, cho phép bộ ly hợp dễ dàng vượt qua ma sát và có thể trượt qua lẫn nhau Do đó, bánh xe bên trái và bên phải sẽ quay với tốc độ khác nhau, tương tự như hệ thống vi sai thông thường đồ án

2.2.2 Các loại vi sai chống trượt phổ biến trên ô tô

2.2.2.1 Bộ vi sai chống trượt sử dụng khớp nối thủy lực

HỆ THỐNG VI SAI TRUNG TÂM PHÂN BỔ MÔ-MEN ĐIỀU KHIỂN BẰNG ĐIỆN TỬ

Hệ thống phân bổ vi sai trung tâm 4Matic của Mercedes-Benz

3.1.1 Tổng quan về dòng xe 4Matic

Các phương tiện 4Matic mới trong dòng S-Class được cung cấp dưới dạng se-đan với cả chiều dài cơ sở ngắn và dài, đồng thời được trang bị các động cơ xăng 6 và 8 xy-lanh M272 và M273, cùng với động cơ máy dầu (diesel) 6 xy-lanh OM642 Tất cả các mẫu đều được trang bị tiêu chuẩn với hộp số tự động bảy cấp “7G-TRONIC” Với thiết kế nhỏ gọn của hộp số tự động tích hợp hộp truyền động, không cần sửa đổi cơ bản cho thân xe Điều này đã cải thiện đáng kể tính ổn định và độ rung lắc của xe, mang lại sự thoải mái khi lái, động lực học và tiết kiệm nhiên liệu Ưu điểm so với dòng xe trước đó (dòng xe mẫu 220 4Matic) là sự tiêu chuẩn hóa thân xe, tối ưu hóa hiệu suất, cải thiện hệ thống treo và giảm trọng lượng của hệ thống chạy bốn bánh Hơn nữa, khái niệm chạy bốn bánh được tiêu chuẩn hóa cho các dòng xe mẫu 221, 212 và 204, với các cải tiến như tích hợp hộp truyền động vào hộp số tự động, giảm số lần tiếp xúc

Hình 3.1 Tổng quan hệ thống 4MATIC của Mercedes đồ án

28 của răng và việc sử dụng chung các bể dầu và khung hỗ trợ tích hợp Điều này cũng đồng nghĩa với việc giảm chi phí sản xuất đáng kể và tối ưu hóa giá đỡ của hộp số/động cơ

3.1.2 Cấu tạo của hệ thống truyền động

Hộp truyền động được tích hợp ở phía sau của hộp số tự động bảy cấp Một đặc điểm đặc biệt là đầu ra bên, chỉ có một bánh của hộp truyền động, bao gồm một khớp nối đa năng (của trục lái đến trục bánh xe trước) Thiết kế chỉ có một tốc độ đồng nghĩa với việc bộ đồng hồ và ổ bi từ đầu ra bên hai tốc độ của các hộp truyền động trước đó không còn cần thiết nữa Điều này có tác động tích cực đến hiệu suất, trọng lượng và đặc tính tiếng ồn của hệ thống truyền động

3.1.2.1 Hệ thống bánh răng hành tinh của bộ vi sai

Bộ vi sai bánh răng hành tinh phân phối mô-men xoắn của động cơ từ hộp số tự động đến đầu ra trục trước và sau

Hình 3.2 Mô tả hộp truyền động đồ án

Bánh răng vành chậu được nối với trục đầu ra của hộp số tự động truyền mô-men xoắn động cơ được chuyển đổi bởi hộp số tự động tới bộ bánh răng hành tinh kép

Giá bánh răng hành tinh tạo thành đầu ra cho trục sau và bánh răng bán trục sẽ truyền mô-men xoắn của động cơ thông qua đầu ra bên tới trục trước

Tỷ lệ mà mô-men xoắn động cơ được phân phối phụ thuộc vào tỷ số bánh răng giữa bánh vành khăn và bánh răng bán trục

Khi một phương tiện di chuyển thẳng, nếu trục đầu vào và trục đầu ra của hệ thống bánh răng hành tinh quay với cùng một tốc độ, điều này có nghĩa là toàn bộ hệ thống bánh răng đang quay cùng nhau như một khối duy nhất Trong trường hợp này, không có sự khác

Hình 3.3 Hệ bánh răng hành tinh vi sai đồ án

30 biệt về tốc độ giữa các bánh răng bên trong hệ thống, và toàn bộ cơ cấu hoạt động như một đơn vị đồng nhất

Chỉ khi có sự chênh lệch số vòng quay giữa bánh xe trên trục trước và trục sau (ví dụ khi xe vào cua), sự chuyển động tương đối xảy ra giữa bánh bán trục và giá của bánh răng hành tinh

Các bánh răng hành tinh sau đó quay giữa bánh răng bán trục và bánh răng vành khăn để bù lại sự chênh lệch tốc độ quay

Các bánh răng hành tinh được chế tạo với răng nghiêng để đạt được mức độ tiếng ồn thấp khi chúng quay

Hình 3.4 Các chi tiết trong hệ bánh răng hành tinh vi sai đồ án

Trong một hệ thống chạy bốn bánh cố định, một hệ thống vi sai trung tâm là cần thiết để bù lại sự chênh lệch về tốc độ giữa các bánh xe trước và sau Trong các phương tiện 4Matic, chức năng này được thực hiện bởi hệ bánh răng hành tinh vi sai

Hệ thống vi sai bánh răng hành tinh được trang bị với một ly hợp nhiều đĩa kết nối đầu ra trục trước (bánh răng bán trục) với đầu ra trục sau (giá của bánh răng hành tinh)

Bộ đĩa luôn luôn được áp dụng một lực lò xo (được nén trước) Nếu bất kỳ bánh xe nào trên một trong hai trục quay, một mô-men xoắn ma sát được truyền từ trục quay nhanh hơn đến trục quay chậm hơn Điều này tạo ra một sự chuyển đổi mô-men xoắn biến thiên khoảng

50 Nm (mục [6] của tài liệu tham khảo) giữa trục trước và trục sau tùy thuộc vào điều kiện lái

Hình 3.5 Ly hợp nhiều đĩa đồ án

Nguyên lý này về chuyển đổi mô-men xoắn biến thiên cung cấp các cải tiến liên tục về sự bám đường, ổn định hướng và lực bám đường của phương tiện, chủ yếu trong điều kiện ma sát thấp (ví dụ trên đường trơn trượt với tuyết và băng)

Ngoài ra, ly hợp nhiều đĩa được nén trước có tác dụng như một bộ giảm chấn thay đổi tải Bộ ly hợp này làm giảm chấn khi thay đổi tải (chuyển từ chế độ tăng tốc sang chế độ chạy quá mức hoặc ngược lại)

Bất kỳ sự thay đổi tải nào đều đi kèm với hiệu ứng do tác động chuyển đổi tích lũy của tất cả các bộ phận tạo thành một phần của toàn bộ hệ thống truyền động Người lái xe có thể cảm nhận được điều này giống như một cú rung mạnh khi thay đổi tải

Với việc hệ thống truyền động bổ sung vào trục trước, quá trình chuyển đổi trở nên đáng kể hơn đối với tất cả các bánh, khiến cho sự rung mạnh từ thay đổi tải trọng trở nên rõ rệt hơn

Việc khóa liên động hai bộ truyền động làm cho hiệu ứng chuyển đổi của cả hai bộ truyền động xảy ra đồng thời Do đó, hành vi thay đổi tải trọng của xe 4Matic có thể được giảm xuống mức của xe dẫn động cầu sau.

Hình 3.6 Cấu tạo của ly hợp nhiều đĩa đồ án

Hệ thống vi sai trung tâm 4Motion của Volkswagen

Hệ thống dẫn động bốn bánh toàn thời gian được Volkswagen cho ra mắt vào đầu những năm 1984 trên mẫu xe Passat Estate GT syncro của họ kể từ đó xe từ Volkswagen sản xuất gắn liền với công nghệ dẫn động bốn bánh toàn thời gian phục vụ trên nhiều cung đường khác nhau từ băng tuyết đến mùa hè Đến năm 1996 công nghệ dẫn động bốn bánh toàn thời gian của hãng được thay đổi tên từ “syncro” thành “4Motion” và công nghệ này vẫn không ngừng cải thiện đến ngày nay

Công nghệ 4Motion là một công nghệ tiên tiến giúp cho xe cải thiện được độ bám đường bằng cách thay đổi tỉ số truyền tại cầu trước và sau không những tình huống khác nhau giúp cho xe tăng hiệu suất bám đường và tận dụng tuyệt đối lượng mô-men mạnh mẽ từ cổ máy được trang bị

4Motion của Volkswagen không thực sự thay đổi quá nhiều sau nhiều năm trở lại đây với cấu tạo cơ bản của toàn bộ hệ thống bao gồm:

Hình 3.23 Xe Passat Estate GT syncro tiền thân của công nghệ 4Motion đồ án

Với hệ thống thế hệ đầu tiên của 4Motion được ứng dụng thay thế ly hợp thủy lực bằng việc sử dụng điện tử để điều khiển sự phân chia mô-men tại hai cầu chủ động trước và sau Từ năm 2004, mô đun phân bổ mô-men đã được sử dụng trên hầu hết các xe

Hình 3.25 Mô-đun Haldex Coupling được thay thế mô-đun Syncro

Hình 3.24 Tông quan hệ truyền lực trên xe Passat Estate GT syncro đồ án

3.2.2 Cấu tạo của hệ thống 4Motion của Volkswagen

Một hệ truyền động 4Motion gồm hệ dẫn động cầu trước được truyền động trực tiếp từ hộp số thông qua bán trục cầu trước nhưng hệ dẫn động cầu sau lại được dẫn động thông qua trục các đăng và bộ phân chia mô-men Haldex coupling

Tổng quan Hình 3.26 Mô-đun Haldex Coupling

Hình 3.27 Tổng quan vị trí lắp đặt Mô-đun Haldex Coupling đồ án

Bộ truyền mô-men từ cầu trước ra cầu sau Đường truyền công của bộ phân chia mô-men

Hình 3.28 Mô-đun truyền mô-men từ cầu trước ra cầu sau

Hình 3.29 Đường truyền lực đồ án

Bộ vi sai trung tâm phân chia mô-men hay Haldex Coupling

Bộ vi sai trung tâm phân chia mô-men Haldex Coupling được trang bị phía sau trục các đăng dẫn ra cầu sau và phía trước bộ vi sai cầu sau Nó bắt đầu hoạt động khi tốc độ động cơ đạt ngưỡng 400 vòng/phút Khi xe di chuyển trên đường, tỷ số truyền giữa hai cầu trước và sau sẽ thay đổi thông qua sự điều khiển của bộ Haldex Coupling Vì vậy, khi xe di chuyển thẳng, các đĩa ly hợp sẽ không trượt với nhau, nhưng khi xe bắt đầu có tải hoặc sự chênh lệch lực kéo tại hai cầu xe xuất hiện, bộ điều khiển sẽ bắt đầu điều chỉnh để đảm bảo phân phối mô-men xoắn tối ưu

Bộ Haldex Coupling không chỉ cung cấp sự linh hoạt trong việc phân chia mô-men xoắn mà còn giúp tăng cường độ bám đường và ổn định xe trong các điều kiện lái xe khác nhau Khi một trong các bánh xe bắt đầu mất độ bám, hệ thống sẽ nhanh chóng phản hồi bằng cách điều chỉnh lực truyền đến các bánh xe còn lại, đảm bảo rằng xe vẫn duy trì được độ bám và sự kiểm soát tốt nhất

Hơn nữa, công nghệ Haldex Coupling được thiết kế để hoạt động một cách mượt mà và hiệu quả, không gây ra sự gián đoạn hay cảm giác khó chịu cho người lái Hệ thống này cũng giúp cải thiện khả năng tiết kiệm nhiên liệu bằng cách chỉ phân phối mô-men xoắn khi cần thiết, giảm tải trọng không cần thiết trên hệ thống truyền động

Ngoài ra, bộ vi sai trung tâm Haldex Coupling còn được trang bị các cảm biến và hệ thống điều khiển điện tử tiên tiến, cho phép nó thu thập và xử lý thông tin từ các bộ phận khác nhau của xe một cách nhanh chóng và chính xác Điều này đảm bảo rằng hệ thống luôn phản ứng kịp thời với các tình huống thay đổi, từ đó cải thiện đáng kể hiệu suất lái xe và an toàn

Với thiết kế thông minh và hiệu quả, bộ vi sai trung tâm Haldex Coupling không chỉ đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất và an toàn mà còn góp phần nâng cao trải nghiệm lái xe, mang lại sự tin cậy và cảm giác yên tâm cho người sử dụng.Với phiên bản mới được cải tiến thì bao gồm các bộ phận chính như sau: đồ án

Hệ vi sai ở cầu sau

Hình 3.30 Mô-đun điều khiển phân chia mô-men Haldex Coupling

Hình 3.31 Hệ vi sai cầu sau đồ án

Sự hoạt động của hệ thống phân chia vi sai 4Motion bắt đầu từ hoạt động ly và hợp của Haldex Coupling gồm các thành phần sau

Hoạt động ly hợp diễn ra sau bốn giai đoạn:

Hình 3.32 Cơ chế hoạt động của bộ Haldex Coupling đồ án

Khi bắt đầu trục đầu vào lúc này quay nhưng trục đầu ra gắn liền với con lăn lại đứng yên lúc này con lăn sẽ tác động lên pít-tông tạo lực nén những lực lên xuống, từ đó dòng chảy sẽ hướng đến pít-tông nén thông qua các đường dẫn Làm cho pít-tông nén dần dần dịch qua bên phải ép các đĩa ly hợp lại với nhau tạo ma sát và kết thúc quá trình bằng việc các đĩa ly hợp kết nối lại với nhau làm cho trục đầu vào ra trục đầu ra quay cùng tốc độ

Hoạt động ly và hợp của Haldex coupling cũng là nền tảng của công nghệ phân chia mô-men 4Motion Việc sử dụng đường dầu và áp lực dầu để đóng và ngắt ly hợp cho ta thấy được sự phân chia áp lực dầu hay điều khiển ly hợp của van điều khiển là rất quan trọng của công nghệ 4Motion

Hình 3.33 Bốn giai đoạn hoạt động của bộ Haldex Coupling đồ án

Hệ thống điều khiển áp lực dầu để đóng và ngắt ly hợp gồm các van và bộ tích năng với van ta có 5 van chính gồm:

Hệ thống 4Motion ngoài bốn van chính ta còn có con lăn gắn liền với trục đầu ra với 3 đỉnh cách đều nhau 120 độ khi hoạt động sẽ tác động trực tiếp lên piston tạo lực nén thông qua van điều khiển để hoạt động phân chia mô-men được diễn ra

Ta có 4 van chính gồm:

Hình 3.34 Đường dầu hoạt động của mô-đun Haldex Coupling đồ án

Van tích áp xác định áp suất cung cấp thông qua lực của lò xo, duy trì áp suất ổn định Áp suất hệ thống tự do: Lò xo của bình tích áp được thả lỏng, không có dầu chảy qua

Hệ thống với áp suất cung cấp: Nếu áp suất cung cấp quá cao, nó sẽ được giảm bớt bởi bình tích áp hướng về bể dầu Nếu áp suất quá thấp, lò xo sẽ giảm hoặc dừng dòng dầu

- Van giới hạn áp suất

Van giới hạn áp suất được sử dụng để bảo vệ các thành phần và giới hạn áp suất làm việc khoảng 100 Bar Nó hoạt động bằng cách sử dụng một lò xo được đặt với một lực cụ thể Nếu áp suất trong hệ thống tăng lên đến 100 Bar, van giới hạn áp suất sẽ mở và cho phép dầu chảy qua bình tích áp vào bể dầu Áp suất quá cao được giảm đi theo cách này

Hình 3.35 Khi không đủ áp lực dầu

Hình 3.36 Khi đủ áp lực dầu đồ án

Tổng kết về công nghệ phân chia mô-men điều khiển bằng điện tử 4Matic và 4Motion

Lịch sử hình thành của cả hai công nghệ đều bắt đầu từ những năm 1990 nhưng với riêng 4Motion thì đã được Volkswagen giới thiệu với công chúng vào những năm 80 với tên gọi Synchro AWD hay còn được biết đến là liên kết chống trượt thuỷ lực, tuy nhiên với nhiều khuyết điểm này đã được thay thế hoàn toàn bằng 4Motion vào năm 1990, với những cảm biến tiên tiến và được máy tính tính toán làm tăng hiệu suất trong hoạt động

Hình 3.48 Xe hoạt động khi bánh sau trượt đồ án

Còn với 4Matic được giới thiệu lần đầu vào những năm 1987 trên dòng E-class cao cấp của họ, lần đầu ra mắt với ba chế độ hoạt động và được điều khiển thông qua cảm biến góc lái và tốc độ do vẫn chưa có mạng liên kết CAN

Về vị trí lắp đặt cũng có sự khác biệt giữa hai công nghệ khi 4Motion được lắp đặt mô- đun đơn giản được lắp ngay trước vi sai cầu sau còn 4Matic lại phức tạp hơn với bộ bánh răng hành tinh được lắp ngay sau đuôi hộp số

Từ đó ta thấy được sự khác nhau về cấu tạo và vị trí lắp đặt của hai công nghệ, ngoài ra ta thấy được:

Hình 3.49 Vị trí lắp đặt của 4Matic đồ án

3.3.2 Cấu tạo vào nguyên lý hoạt động

Với 4Motion thì bộ phân chia mô-men điều khiển bằng điện tử khá đơn giản với một bộ vi sai trung tâm cơ bản và thêm một mô-đun Haldex Coupling được điều khiển bằng điện tử Còn với 4Matic mô-đun phân chia mô-men được lắp ở ngay sau hộp số với hai bộ ly hợp và cấu tạo với bánh răng hành tinh

Hình 3.50 Vị trí lắp đặt của 4Motion

Hình 3.51 Mô tả hộp truyền động đồ án

Sự khác biệt chính của cả hai công nghệ có lẽ đến từ việc ưu tiên phân chia mô-men đến cầu trước hay cầu sau trong các tình huống hoạt động cùng với nhau đều có 3 chế đồ hoạt đóng chính

Với 4Matic thì khi hoạt động ở điều kiện thông thường thì hệ dẫn động chủ yếu ở cầu sau hay còn gọi là RWB còn với 4Motion thì lại dẫn động ở điều kiện thường thì dẫn động ở cầu trước sự khác biệt chính về nguyên lý hoạt động này cho thấy được dòng xe mà hai hãng hướng đến khi trang bị công nghệ này lên dòng xe của họ với 4Motion được ứng dụng lên xe phổ thông còn với 4Matic

Ngoài ra với sơ đồ vị trí lắp đặt của hai công nghệ ta thấy được sự phức tạp về thuật toán của 4Matic so với 4Motion với 4Motion chỉ cần có một mô-đun Haldex Coupling nhưng với 4Matic thì cần phải có hai bộ ly hợp và cả bộ bánh răng hành tinh để phân chia được mô-men đến các cầu chủ động

Hình 3.52 Cơ chế truyền mô-men của 4Motion đồ án

Cả hai công nghệ đều có thuật toán và cách điều khiển phân chia mô-men khác nhau cho các loại hộp số khác nhau Hai loại dòng xe được trang bị những công nghệ này cũng khác nhau: 4Motion thường được áp dụng trên các dòng xe phổ thông, trong khi 4Matic thường được sử dụng trên các mẫu xe cao cấp của hãng Nhưng chung quy lại thì hai công nghệ đều giải quyết một vấn đề chung là việc tối ưu được việc phân chia mô-men đến các bánh xe giúp xe hoạt động ổn định và hiệu quả trong suất quá trình vận hành và nhiều điều kiện làm việc khác nhau đồ án