CHƯƠNG 8 VI SAI

Chương VI SAI CÔNG DỤNG, YÊU CẦU, PHÂN LOẠI 1.1 Công dụng: Vi sai đặt bánh xe chủ động cầu nhằm bảo đảm cho bánh xe quay với vận tốc khác xe vòng, chuyển động đường khơng phẳng, có khác bán kính lăn hai bánh xe, đồng thời phân phối lại mômen xoắn cho hai nửa trục trường hợp nêu Vi sai đặt cầu chủ động có công dụng phân phối mômen xoắn cho cầu theo yêu cầu thiết kế nhằm nâng cao tính kéo xe 1.2 Yêu cầu: Phân phối mômen xoắn từ động cho bánh xe hay cầu theo tỉ lệ cho trước, phù hợp với mômen bám bánh xe (hay cầu xe) với mặt đường Đảm bảo số vòng quay khác bánh xe chủ động xe quay vòng, xe chuyển động đường khơng phẳng, bán kính lăn hai bánh xe chủ động cầu không Kết cấu gọn 1.3 Phân loại a) Dựa vào bánh xe chủ động có loại: • FF: động phía trước, bánh trước chủ động (hình 8-1a) Lực dẫn động từ động truyền qua vi sai hộp số ngang đến bán trục, bánh xe bên trái bên phải • FR: động phía trước, bánh sau chủ động Lực dẫn động từ động truyền từ hộp số qua trục đăng đến bán trục cầu xe bánh xe bên trái bên phải (hình 8-1b) Hình - Bố trí vi sai Động đặt ngang Hộp số đặt ngang Vi sai cầu trước b) Theo công dụng có ba loại • Vi sai đặt bánh xe • Vi sai đặt cầu xe • Vi sai truyền lực cạnh c) Theo mức độ tự động chia thành ba loại • Vi sai khơng có hãm • Vi sai có hãm tay • Vi sai có hãm tự động d) Theo kết cấu chia thành: • Vi sai có bánh nón • Vi sai có bánh trụ • Vi sai cam • Vi sai trục vít • Vi sai ma sát thủy lực • Vi sai co tỷ số truyền thay đổi • Vi sai có hành trình tự e) Theo giá trị hệ số hãm (hệ số gài vi sai) • • – momen ma sát momen vỏ vi sai Vi sai ma sát bé Vi sai ma sát lớn Động đặt dọc Hộp số đặt dọc Vi sai cầu sau Các đăng • Vi sai hãm cứng Động học động lực học vi sai Xét trường hợp tổng quát: Vi sai đối xứng bánh nón (hình 8-2) Hình - Vi sai nón đặt bánh xe chủ động Vỏ vi sai Bánh hành tinh Bánh bán trục bánh xe chủ động Bán trục bánh xe chủ động Bánh truyền lực Cơ cấu vi sai thường gặp 3, có bánh hành tinh Bánh hành tinh quay tự quanh trục ăn khớp với bánh nửa trục 3, đồng thời bánh quay với vỏ Các bánh nối cứng với nửa trục Khi bánh quay làm cho bánh xe quay theo Vì bánh hành tinh tham gia lúc hai chuyển động nên cấu vi sai cấu hai bậc tự 2.1 Động học vi sai Khi xe chuyển động thẳng mặt đường phẳng, lực cản mặt đường tác dụng lên bánh xe bánh bánh hành tinh không quay quanh trục (do tổng mơmen tác dụng lên trục khơng)nên bánh đầu bán trục chủ động có số vòng quay (n’, n”) với số vòng quay vỏ vi sai 1(n0), tức: n’ = n” = n0 hay n’ + n” = n0 n’, - số vòng quay, vận tốc góc bán trục bên trái n”, - số vòng quay, vận tốc góc bán trục bên phải n0 , - số vòng quay, vận tốc góc vỏ vi sai Khi xe bắt đầu quay vòng chuyển động đường cong, lúc sức cản tác dụng lên hai bánh xe chủ động khác nhau, tổng mômen tác dụng lên trục bánh hành tinh khác không, bánh hành tinh quay Giả thiết xe quay vòng sang trái nửa trục bên trái giảm số vòng quay lượng : Trong đó: n2 – số vòng quay bánh hành tinh Z2 – số bánh hành tinh Z’ – số bánh nửa trục bên trái Nếu trước quay vòng n’ = n” = no quay vòng sang trái số vòng quay bán trục bên trái giảm lại là: (8-1) Lúc số vòng quay nửa trục bên phải tăng lên là: (8-2) Đối với trường hợp vi sai đối xứng Z’ = Z’’ từ (8.1) (8.2) suy ra: (8-3) Trong đó: Z’,Z’’ – số bánh đầu bán trục chủ động bên trái bên phải Như tổng số vòng quay nửa trục xe chạy thẳng xe quay vòng hai lần số vòng quay vỏ vi sai Từ (8.3) ta thấy: hãm hoàn toàn nửa trục, ví dụ n’= suy n’’ = 2no Lúc bánh hành tinh quay xung quanh trục lăn bánh nửa trục trái đứng yên Trường hợp vỏ vi sai đứng yên, tức n o = ta suy từ (8.3): n’= -n’’ nghĩa quay bánh trái theo chiều hãm vỏ vi sai lại bánh phải quay ngược chiều với số vòng quay Trường hợp xảy thực tế phanh đột ngột phanh tay (nếu cấu phanh nằm trục thứ cấp hộp số) Lúc trục đăng dừng lại dẫn đến vỏ vi sai dừng lại hai bánh xe có hệ số bám với đường khơng tạo hai bánh xe quay ngược chiều Từ (8.3) nên ta có : (8-4) 2.2 Động lực học vi sai Khảo sát việc phân bố mômen đến nửa trục có tính đến ma sát bên cấu vi sai Khi xe chuyển động ổn định, có phương trình cân mômen: (8-5) Ở đây: Mo – mômen truyền đến vỏ vi sai xét M’– mômen truyền đến nửa trục bên trái M’’– mômen truyền đến nửa trục bên phải Để tính đến mát vi sai ma sát chi tiết vi sai hoạt động, ta xem momen ma sát Mr xuất vận tốc góc trục khác Giả thiết xét xe quay vòng sang phải công suất mát ma sát Nr là: (8-6) Như tổng công suất truyền đến nửa trục phải công suất truyền đến vỏ vi sai trừ công suất mát Nr, tức: hay Trong đó: N’ – cơng suất truyền qua nửa trục trái N’’ – công suất truyền qua nửa trục phải No – công suất truyền qua vỏ vi sai Qua (8-6) (8-7), ta có: (8-7) (8-8) Thay (8-4), (8-5) vào (8-8), ta có : (8-9) (8-10) Đem (8-10) chia (8-9) (8-11) Qua (8.11) cho thấy tỷ số mômen phân bố bán trục phụ thuộc vào mômen ma sát Mr bên vi sai Có thể thấy M’’ > M’ phân bố lại mơmen phù hợp với thay đổi mômen cản tác dụng lên hai bánh xe trái phải quay vòng Ví dụ xe quay vòng sang phải mơmen cản tác dụng lên bánh xe bên phải lớn mômen tác dụng lên bánh xe bên trái Trường hợp xe quay vòng sang trái mơmen cản tác dụng lên bánh xe bên phải nhỏ mômen cản tác dụng lên bánh xe bên trái chứng minh tương tự ta lại có M’’ < M’ Như tính tốn nửa trục bánh nửa trục, phải lấy giá trị mômen nửa mômen truyền đến vi sai nhân với hệ số dự trữ k > Ảnh hưởng vi sai đến tính chất kéo Tính chất kéo xe thể qua tổng lực kéo bánh xe chủ động Như biết lực kéo bánh xe chủ động bị giới hạn lực bám bánh xe với mặt đường Như vậy, lực bám bánh xe với mặt đường xác định tính chất kéo tới hạn xe Trong đó, lực bám với mặt đường thay đổi rõ rệt hệ thống truyền lực có vi sai khơng có vi sai Nếu có vi sai mức độ hoạt động vi sai ảnh hưởng đến giá trị lực bám, tức có ảnh hưởng đến tính chất kéo xe Do xét đến ảnh hưởng vi sai đến tính chất kéo xe, cần xét đến hai hệ số đặc trưng cho mức độ hoạt động cấu vi sai 3.1 Hệ số hãm vi sai kh (8-12) Khi ma sát bên vi sai M r = kh = Khi ma sát bên tăng dần lên giá trị kh tăng dần lên Mr = Mo kh=1, lúc vi sai bị hãm hồn tồn (khơng hoạt động được) Như kh nhận giá trị khoảng < 0,1 > Để tăng khả bám bánh xe chủ động, người ta thường hãm vi sai lại Tuy nhiên để sử dụng triệt để lực bám bánh xe chủ động với mặt đường, hệ số bám bánh xe khác nhau, không thiết phải hãm vi sai hồn tồn với k h =1 Bởi từ (8-12), ta xác định giá trị tối ưu k h, ta thay M’, M” giá trị khác lớn nhất, có thực tế khác hệ số bám bánh xe Giả thiết ta có loại xe bố trí theo cơng thức 4x2, tải trọng lên hai bánh xe chủ động Trong nhiều trường hợp hai bánh xe bị trượt quay (do hệ số bám đường hai bánh xe khác nhau) xe không chuyển động Giả bánh xe vị trí đường có hệ số bám max bánh xe vị trí đường có hệ số bám Ta coi phản lực mặt đường tác dụng lên bánh xe cầu sau ) 0,5Z 2, bán kính lăn bánh xe rbx, ta có: Có thể lấy Thay kết vào (8-12) ta có: (8-13) Thực tế cho thấy với giá trị kh > 0,78 không làm cho tính chất kéo xe tốt Thơng thường giá trị bánh xe chênh lệch khơng nhiều nên k h = 0,3 ÷ 0,5 Nếu lớn xe khó điều khiển, vỏ xe mòn nhanh gặp đường trơn có tượng xe trượt ngang Trong trường hợp mômen ma sát M r tự sinh bên vi sai vi sai làm việc gọi hệ số tự hãm Trường hợp mômen ma sát Mr sinh cấu hãm vi sai gọi hệ số hãm cưỡng Đối với vi sai hình nón hệ số tự hãm kh ≈ 0,1 3.2 Hệ số gài vi sai Hệ số gài vi sai tỉ số mômen truyền đến bánh quay chậm bánh quay nhanh (8-14) Trong đó: M’ – mơmen truyền đến bánh xe quay nhanh M’’ – mômen truyền đến bánh xe quay chậm Từ (8.12) (8.14) ta có mối quan hệ (8-15) 3.3 Ảnh hưởng vi sai đến tính chất kéo xe nhiều cầu a) Trường hợp xe có n cầu chủ động, khơng có vi sai cầu (truyền động cứng) vi sai bánh xe bị hãm cứng Coi phản lực mặt đường tác dụng lên bánh xe chủ động cầu 1,2,…n Z’1, Z’’1, Z’2, Z’’2… Z’n, Z’’n hệ số bám tương ứng cầu xe với mặt đường φ’1, φ’’1, φ’2, φ’’2… φ’n, φ’’n Trong trường hợp ta có lực kéo giới hạn tính theo điều kiện bám là: (8-16) b) Trường hợp xe có n cầu chủ động, có vi sai bánh xe hoạt động tự (hoàn tồn khơng bị hãm) Coi ma sát bên vi sai vô nhỏ M r ≈ nên kh coi không, lúc vi sai phân bố mômen cho hai bánh xe trái phải: M’ = M’’ nên lực kéo giới hạn xe theo điều kiện bám là: (8-17) Trong đó: Z1, Z2, …, Zn - phản lực thẳng đứng đường lên cầu thứ 1; 2; …; n ϕ1min, ϕ2min, …, ϕnmin - hệ số bám nhỏ chọn từ hai hệ số bám bánh xe trái phải cầu thứ 1; 2; …; n c) Trường hợp xe có hai cầu chủ động (4x4) có vi sai cầu vi sai bánh xe loại đối xứng Tất vi sai không bị hãm (giả thiết M r ≈ nên kh ≈ 0) Lúc lực kéo giới hạn xe theo điều kiện bám là: Ở đây: ϕmin – hệ số bám nhỏ tất hệ số bám bánh xe chủ động với mặt đường Như hệ thống truyền lực có sử dụng vi sai chúng trạng tháihoạt động tự (không bị hãm) hệ số bám bánh xe khác tính chất kéo xe (tức tổng lực kéo bánh xe chủ động giảm) d) Quan hệ lực kéo hệ số hãm vi sai Trường hợp 1: hệ số bám bánh xe trái phải chênh lệnh khơng nhiều • Đối với bánh xe quay nhanh, ta có lực kéo (8-18) • Đối với bánh xe quay chậm, ta có lực kéo (8-19) Trong đó: X’, X” – Lực kéo bánh xe quay nhanh quay chậm M’, M” – Mômen xoắn truyền đến bánh xe quay nhanh quay chậm Ta thấy X’ X” hàm số bật kh Khi biểu diễn đồ thị thì: Tại giá trị hình (8-3) Hình - Đồ thị biểu diễn quan hệ X'-X'' với kh hệ số bám chênh lệch không nhiều Khi thay đổi từ đến X’ giảm X’’ tăng dần Phần bên phải ϕ>0,78 biểu thị lực kéo lớn Trường hợp 2: hệ số bám bánh xe trái phải chênh lệnh nhiều hình (8-4) Hình - Quan hệ X'-X'' với kh hệ số bám chênh lệch nhiều Theo biểu thức (8-14) ta có: Suy ra: 8-20 X’ tính theo điều kiện bám Ở đây: = 0,1; = 0,75 Z2 – phản lực thẳng đứng đường lên cầu sau chủ động Như xe hoạt động đường bị sa lầy sập hố bùn cơng việc hạn chế tác dụng (hãm) vi sai cần thiết, cấu điều khiển khóa vi sai có loại sau: • Loại khóa khí: Thực việc chuyển từ trang thái “FREE” – trạng thái tự sang trạng thái “LOCK” – khóa tay • Loại cảm nhận momen quay: sinh momen hạn chế vi sai tỷ lệ với momen dẫn động làm thay đổi tức thời phản hồi momen đến bánh trước bánh sau để hạn chế trượt bánh trước sau • Loại khớp nối thủy lực: hạn chế hoạt động vi sai phụ thuộc mức độ chênh lệch tốc độ quay bánh trước sau • Loại ly hợp nhiều dĩa thủy lực: hạn chế hoạt động vi sai áp suất thủy lực tác động vào ly hợp nhiều dĩa Hình (8-5) phân loại cấu điều khiển khóa vi sai trung tâm Tính tốn kết cấu vi sai 4.1 Vi sai đặt hai bánh xe chủ động Những vi sai thường vi sai đối xứng sử dụng vi sai bánh nón, vi sai bánh trụ, vi sai cam vi sai trục vít Như xét vi sai bánh nón, vi sai bánh trụ, tiêp tục xét vi sai cam vi sai trục vít a) Vi sai cam Để tăng ma sát trong, nâng cao khả tự hãm, người ta chế tạo loại vi sai cam đặt hướng kính vi sai cam đặt hướng tâm Ở hình (8.6) vi sai cam đặt hướng tâm Kết cấu nguyên lý làm việc sau: Mômen xoắn từ bánh nón bị động truyền qua vòng ngăn có chứa chạy Đầu chạy tỳ lên mặt cam vỏ 3, đầu tỳ lên mặt cam vỏ Hai vỏ nối cứng với bán trục then hoa Khi xe quay vòng, chạy trượt mặt cam, phân phối đên bán trục tốc độ góc khác Loại vi sai có kết cấu đơn giản, gọn nhẹ Giá trị hệ số hãm kh vi sai cam phụ thuộc vào hệ số ma sát chạy với mặt cam phụ thuộc vào góc đỉnh cam α Khi α = 35o kh = 0,3 ,khi α = 6o kh =1 Giá trị trung bình kh : kh = 0,4 ÷ 0,5 Sơ đồ lực tác dụng lên chạy biểu diễn hình 8.7a Hình - Các lực tác dụng lên vi sai cam hướng tâm a Sơ đồ lực b Tam giác lực c Đồ thị N1, N2, R hợp lực tác dụng lên chạy từ phía vỏ ngồi, vỏ vòng ngăn Giá trị φ góc ma sát Từ tam giác lực (8-7b), ta có: Suy ra: (8-21) Momen tác dụng lên vỏ (ứng với bánh xe quay chậm dừng) Momen tác dụng lên vỏ (ứng với bánh xe quay nhanh) Hệ số hãm vi sai : Khi ϕ = 6o, r1 = 2r2, quan hệ hệ số hãm kh góc β2 biểu diễn qua đồ thị (87c) Giá trị cực tiểu k h 0,3 β2 = 25o ÷ 30o Từ biểu thức (8-22) ta thấy β1 =ϕ kh = 1, tức vi sai hoàn toàn bị hãm cứng Ứng suất tiếp chạy vỏ cam xe chuyển động thẳng là: (8-22) (8-23) Ở đây: – Ứng suất tiếp chạy vỏ cam – Ứng suất tiếp chạy vỏ cam E – Mô đun đàn hồi l – chiều dài tiếp xúc chạy cam MN/m2 b) Vi sai trục vít Sơ đồ vi sai trục vít hình (8-7) Hai bánh vít bán trục ăn khớp với trục vít hành tinh Các trục vít hành tinh lại ăn khớp với trục vít hành tinh Tương quan động học nửa bán trục thực qua năm trục vít tạo thành cặp ăn khớp theo thứ tự Để vi sai có khả hãm cần thiết khơng có tượng tự hãm, góc nghiêng β đường xoắn trục vít phải lớn góc ma sát nhiều Thường chọn β=20o ÷ 30o Loại vi sai có kết cấu phức tạp vi sai cam Mômen phân phối trục thông qua cặp hành tinh: M’ = M”.η1.η2.η3.η4 (8-24) Ở đây: η1, η2, η3, η4 - hiệu suất truyền động theo thứ tự cặp trục vít, bánhvít Hệ số hãm tính: (8-25) Độ nhớt dầu bơi trơn có ảnh hưởng đến hệ số hãm theo tỷ lệ thuận 4.2 Vi sai đặt cầu chủ động: Vi sai cầu dùng để phân phối mômen truyền đến cầu Thông thường giá trị mômen phân phối đến cầu trước sau ( xe hai cầu chủ động) tỉ lệ với trọng lượng bám cầu xe Gọi M1, M2 mômen phân phối từ vi sai cầu tương ứng ta có: (8-26) Sử dụng loại vi sai giảm tác hại mômen phụ truyền lực với loại vi sai ma sát nhỏ khắc phục ảnh hưởng Do chi tiết hệ thống truyền lực ôtô nhiều cầu không bị tải Trong vi sai loại đối xứng, mômen truyền đến vỏ vi sai chia làm hai bên ta bỏ qua ma st cấu vi sai Vi sai loại đối xứng đặt cầu chủ động chịu tải gần Trong vi sai loại không đối xứng mômen truyền đến vỏ vi sai chia cầu không mà theo tỷ số định thường l tỷ lệ với trọng lượng bám cầu chủ động Xe Ural – 375 kiểu (6 x 6) có cách bố trí vi sai cầu cách hợp lý hình (8.9) nhằm đạt hiệu tận dụng lực bám (mômen xoắn phân bố đến cầu tỉ lệ thuận với phản lực thẳng đứng Z) Hình 8-9 Sơ đồ bố trí vi sai cầu xe Ural – 375 T – Cầu trước; G – Cầu giữa; S – cầu sau M – mômen xoắn; Z – phản lực thẳng đứng đường Bộ vi sai đặt cầu trước hai cầu phía sau có kết cấu kiểu khơng đối xứng bánh hình trụ Bộ vi sai đặt hộp phân phối (hình 8-10) Hình 8-10 Cấu tạo vi sai không đối xứng kiểu bánh trụ đặt cầu trước hai cầu phía sau xe Ural – 375 Vật liệu chế tạo chi tiết vi sai Vỏ vi sai chế tạo gang rèn thép 40 Thử thập vi sai chế tạo thép hợp kim nhãn hiệu 12XHA, 18XH, 30XH có nhiệt luyện Với loại vi sai cam: vành phần cam chế tạo thép xêmăngtít 18HBA với độ cứng bề mặt HRC 60 – 65 Con chạy chế tạo thép UX – 15, độ cứng HRC 60–65 Đối với vi sai trục vít: trục vít chế tạo thép 12X2H4A, xêmăngtít độ sâu 0,8÷1,2mm, độ cứng bề mặt HRC 58 – 52, lõi HRC 30 – 42 Câu hỏi trọng tâm Công thức động học vi sai chạy thẳng, quay vòng • Chạy thẳng • Quay vòng Động lực học vi sai xe chuyển động thẳng quay vòng • Chạy thẳng • Quay vòng Hệ số hãm hệ số gài vi sai • Hệ số hãm vi sai • Hệ số gài vi sai Quan hệ hệ số hãm vi sai với lực kéo xe bánh xe bên phải bên trái có lực kéo khơng chênh lệch nhiều • Bánh xe quay chậm có lực kéo X’ • Bánh xe quay nhanh có lực kéo X’’ Quan hệ lực kéo X’,X’’ Ứng suất đến chạy vỏ cam ... sai thường vi sai đối xứng sử dụng vi sai bánh nón, vi sai bánh trụ, vi sai cam vi sai trục vít Như xét vi sai bánh nón, vi sai bánh trụ, tiêp tục xét vi sai cam vi sai trục vít a) Vi sai cam Để... ba loại • Vi sai khơng có hãm • Vi sai có hãm tay • Vi sai có hãm tự động d) Theo kết cấu chia thành: • Vi sai có bánh nón • Vi sai có bánh trụ • Vi sai cam • Vi sai trục vít • Vi sai ma sát... có: (8- 7) (8- 8) Thay (8- 4), (8- 5) vào (8- 8), ta có : (8- 9) (8- 10) Đem (8- 10) chia (8- 9) (8- 11) Qua (8. 11) cho thấy tỷ số mômen phân bố bán trục phụ thuộc vào mômen ma sát Mr bên vi sai Có thể