Chương 5 bộ vi sai trên ô tô

Vỏ vi sai giữ vòng răng, bộ bánh răng hành tinh và đầu trong cùng của bán trục.. Động tác tự xoay trên trục của bánh răng hành tinh cộng với vận tốc đang quay tới của trục hành tinh làm

CHƯƠNG V : BỘ VI SAI

DIFFERENTIAL A: BỘ VISAI

I Công dụng phân loại yêu cầu

I.1 Công dụng:

Vi sai đảm bảo cho các bánh xe chủ động quay với vận tốc góc khác

nhau (khi quay vòng, khi các kích thước các bánh xe trái phải không

giống nhau hoàn toàn và khi đường không bằng phẳng) Vi sai còn thực

hiện việc phân phối moment xoắn cho hai trục với một tỷ lệ xác định

Thông thường vi sai đối xứng dùng phân phối moment xoắn ra các bán

trục của một cầu Còn vi sai không đối xứng thì phân phối moment xoắn

cho các cầu chủ động ở xe nhiều cầu

Hình 6.1 I.2 Phân loại:

Vi sai thường phân loại theo công dụng, theo mức độ tự động, theo kết

cấu của vi sai, theo gía trị của hệ số gài vi sai

a Theo công dụng chia ra:

1 – Vi sai giữa các bánh xe

2 – Vi sai giữa các cầu

3 – Vi sai đối xứng

4 – Vi sai không đối xứng

b Theo mức độ tự động chia ra:

1 – Vi sai hãm cưỡng bức

2 – Vi sai hãm tự động

c Theo kết cấu vi sai chia ra:

1 – Vi sai với các bánh răng lớn

2 – Vi sai với các bánh răng trụ

3 – Vi sai tăng ma sát

Loại tăng ma sát

Loại cam Loại trục vít Loại ma sát thủy lực

Vi sai có tỷ số truyền thay đổi

Vi sai có hành trình tự do

d Theo gía trị của hệ số gài vi sai

Ta có:

0

ms σ M

M K



Trong đó:

Mms moment ma sát

M0 moment trên vỏ vi sai Theo giá trị của hệ số gài vi sai Ks chia ra:

Loại vi sai hãm với ma sát trong nhỏ: Ks = 0.02

Loại vi sai hãm với ma sát trong lớn: (vi sai tăng ma sát) Ks = 0.2, 0.3

Loại vi sai hãm hoàn toàn (hoàn toàn cưỡng): Ks > 0.7

I.3 Yêu cầu :

Các cơ cấu vi sai phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

Phân phối moment xoắn truyền từ động cơ đến các bánh xe (loại vi sai

giữa các bánh xe) hay cho các cầu (loại vi sai giữa các cầu) theo tỷ lệ cho

trước, muốn tăng khả năng truyền động, tốt hơn hết là moment xoắn phân

phối tỷ lệ với moment bám với đường của mỗi bánh xe (hay mỗi cầu)

II Cấu tạo của vi sai :

II.1 Vi sai đối xứng ( giữa hai bánh xe sau chủ động )

1 Vỏ visai

2 Bánh răng hành tinh

3 Bánh răng bán trục

4 Trục chữ thập

5 Bánh răng cone chủ động

Hình 6.2 Vi sai đối xứng loại hai bánh răng hành tinh

Loại vi sai có ma sát trong nhỏ Trong các loại vi sai hiện nay phần lớn

dùng loại này Sự khác nhau của vi sai đối xứng lắp trên xe này hay xe

khác ở số bánh răng vi sai, ở kết cấu vỏ vi sai vá các bánh răng bán trucï

Trên ôtô du lịch thừơng dùng loại vi sai đối xứng với hai bánh răng

hành tinh và vỏ vi sai liền, không tháo rời để đảm bảo vững tốt Trên ôtô

tải thường có bốn bánh răng hành tinh và vỏ vi sai tháo rời được

Vỏ vi sai giữ vòng răng, bộ bánh răng hành tinh và đầu trong cùng của

bán trục Chúng được cố định và quay trong bán trục Vỏ vi sai được chế

tạo bằng gang rèn, bằng gang hợp kim hoặc bằng thép 45

Ổ bi vỏ vi sai được lắp giữa phần ngoài cùng vỏ vi sai và vỏ cầu

Mặt bích trên vỏ vi sai để gắn bánh răng bị động của truyền lực chính

Hai nửa vỏ vi sai gắn chặt bánh răng bị động bằng bulong hay đinh tán

Bộ bánh răng hành tinh hay bộ bánh răng vi sai gồm có hai bánh răng

côn bán trục và hai bánh răng hành tinh (bánh răng quay trơn của bộ vi

sai trong vi sai hai bánh răng hành tinh Bộ bánh răng hành tinh được lắp

trong vỏ vi sai Chúng là những bánh răng côn nhỏ

Một trục nhỏ xuyên qua hai bánh răng hành tinh (hoặc trục chữ thập

xuyên qua bốn bánh răng hành tinh) và vỏ vi sai

Hai bánh răng bán trục ăn khớp với đầu trong bán trục bằng then hoa

II.2 Hoạt động của bộ vi sai :

Bộ vi sai dùng truyền công suất từ trục truyền động (trục cacdang) đến

bán trục Thuật ngữ “ vi sai ” được nhớ từ ý nghĩa của từ “ khác nhau “ và

bán trục (axle) Bộ vi sai cung cấp đầy đủ moment xoắn tới cả hai trục,

ngay cả khi chúng quay với tốc độ khác nhau (Ví dụ: khi xe quay vòng)

Nếu có cơ cấu hãm cứng giữa mỗi bán trục và vỏ vi sai, bất cứ lúc nào

ngừơi lái xe đánh vô lăng quay vòng, lốp xe sẽ bị trượt, phát tiếng kêu và

bị mài mòn Bộ vi sai mục đích chủ yếu là để ngăn ngừa vấn đề này

2.1 Khi xe chạy thẳng:

Khi xe di chuyển trên đường thẳng Cả hai bánh xe sau quay cùng

tốc độ Vỏ vi sai và trục hành tinh quay làm quay các bánh răng hành

tinh Các răng trên bánh răng hành tinh truyền moment xoắn đến các

bánh răng bán trục và bán trục Các lực cân bằng làm bộ vi sai gần như

bị khóa hãm

Trong trường hợp truyền động này tất cả

các chi tiết của bộ vi sai cùng quay với nhau như

một khối thống nhất

Hình 6.3 Khi xe chạy thẳng

2.2 Khi xe quay vòng:

Khi xe qua một khúc quanh, vỏ vi sai quay mang theo trục và các bánh

răng hành tinh Lúc này bánh xe ngoài quay nhanh hơn bánh xe trong, do

bánh xe ngoài di chuyển xa hơn bánh xe trong nên bánh răng bán trục

ngoài nhanh hơn bánh răng bán trục trong Các bánh răng hành tinh

không những kéo hai bánh răng bán trục mà còn vừa kéo vừa đi trên

bánh răng bán trục phía trong nhằm điều chỉnh cho bánh răng này quay

chậm hơn bánh răng bán trục ngòai Bánh răng hành tinh vẫn quay theo

vỏ vi sai để kéo hai bánh răng bán trục, nhưng lúc này nó bắt đầu tự xoay

trên trục của nó

Động tác tự xoay trên trục của bánh răng hành tinh cộng với vận tốc

đang quay tới của trục hành tinh làm bánh răng bán trục bên ngoài tăng

tốc và bắt đầu quay nhanh hơn trục bánh răng hành tinh trong

Sự hoạt động của bánh răng bán trục như trên cho phép mỗi bán trục

được thay đổi tốc độ trong khi xe vẫn truyền moment xoắn Với các đặc

tính truyền động này, bộ vi sai tự động điểu chỉnh ở bất cứ sự thay đổi

nào của của vận tốc giữa hai bánh xe chủ động

Không có bộ vi sai (hay hãm cứng cầu xe), có thể gây gãy bán trục hay

mòn vỏ xe, nguyên nhân do tốc độ quay

khác nhau của các bánh xe chủ động sau,

khi xe quay vòng

2.3 Cơ cấu hãm vi sai cưỡng bức :

Khi một bánh xe chủ động bị sa lầy và

sinh ra hiện tượng patine (trượt trơn) làm xe

không vượt được vùng lầy Khắc phục hiện Hình 6.4: Khi xe quay vòng

tượng trên, trên các ôtô có tính thông vượt cao, người ta lắp cơ cấu khóa

vi sai cưỡng bức nhằm loại bỏ khả năng hoạt động bộ vi sai

Cơ cấu khóa hãm vi sai cưỡng bức buộc hai bánh xe chủ động của một

cầu phải quay cùng tốc độ Vì thế khả năng tận dụng hoàn toàn trọng

lượng bám của cầu chủ động

Dẫn động khóa vi sai có thể bằng cơ khí, bằng điện – cơ khí, bằng

thủy lực hay cơ khí – thủy lực

Tùy thuộc vào cơ cấu dẫn động sẽ đẩy khớp trong cầu làm dịch

chuyển ống khớp vấu trên then hoa của bán trục vào ăn khớp với vỏ vi

sai Nhờ đó vỏ vi sai bị hãm cứng, hai bán trục sẽ quay cùng vận tốc

Hình 6.5 Sơ đồ đơn giản cơ cấu khoá hãm vi sai cưỡng bức

Dẫn động khóa vi sai loại cơ khí có cần gạt bố trí trên dầm cầu chủ

động hoặc đặt cạnh người lái Loại này có nhược điểm là sử dụng khi ôtô

đã bị trượt quay và không có khả năng tự chuyển động nữa Sau khi ôtô

vượt được đoạn trượt quay rồi, người lái phải trả cần gạt ngay về vị trí cũ

Nếu không, khi ôtô chuyển động trên đường với cơ cấu vi sai đã hãm

cứng làm mòn lốp nhanh, có thể gãy bán trục và khó quay vòng

Trên các ôtô hiện nay hay dùng cơ cấu khóa vi sai cưỡng bức điều

khiển bằng điện tử Khi bật công tắc điều khiển khóa hãm vi sai, hộp

điều khiển điện tử (ECU), điều khiển bộ chấp hành khóa vi sai lắp trên

vỏ cầu sẽ đẩy khớp càng cua bên trong cầu làm khớp trượt trên then hoa

bán trục nối cứng các bán trục với vỏ vi sai

Vòng răng

Bánh răng vi sai

Cần điều khiển

Bán trục

Bánh răng vành chậu

Bánh răng phát động Ổ bi

Ống cách

Võ visai

Đai ốc điều chỉnh

Ống trượt

Nắp giữ

ổ bi Càng gạt

Công tắc chỉ thị Bộ chấp hành khoá visai

Phốt Mặt bích Võ cầu

Ổ bi bán trục

Bộ chấp hành khóa vi sai có động cơ điện dùng để đẩy khớp trượt

Hoạt động của động cơ điện được thực hiện theo tín hiệu từ hộp ECU

Dựa trên các tín hiệu từ công tắc, các cảm biến như: cảm biến tốc độ …

2.4 Vi sai tăng ma sát :

Với bộ vi sai thừơng có thể không đủ sức kéo thích hợp trên đường

trơn Trên đường sình lầy hay trong thời gian tăng tốc

Khi một bánh xe của cầu sau chủ động thiếu sức kéo (Ví dụ: trong

băng tuyết sình lấy), các bánh xe khác sẽ không đủ sức lực đẩy đẩy xe

vượt lên Moment xoắn sẽ truyền qua bánh răng bán trục để quay nhất

Tăng tính chất động lực ôtô, Dùng vi sai có ma sát (tăng ma sát) bằng

cách tạo ra ma sát phụ trên đường truyền lực từ bán trục trái sang bán

trục phải Vi sai tăng ma sát cung cấp lực truyền động tới cả hai bánh xe

trong suốt thời gian xe chạy Chuyển đổi một phần moment xoắn chủ

động tới cả hai bánh xe trượt và bánh xe truyền động

Hình 6.6 Cơ cấu khoá hãm vi sai trên xe Toyota Landcruise

2.4.1 Vi sai tăng ma sát bằng ly hợp đĩa:

Các đĩa ma sát được xen lẫn những đĩa thép trong vỏ vi sai Các đĩa

ma sát thường liên kết với các bánh răng bán trục bằng rãnh then hoa

Đĩa thép có những tai (đuôi) được khóa vào những rãnh trong vỏ vi sai

Đĩa ma sát quay với bánh răng bán trục Đĩa thép quay với vỏ vi sai

Những lò xo (lò xo dạng màng, lò xo xoắn) ép những đĩa ma sát và

đĩa thép lại với nhau Kết qủa cả hai bán trục sau quay cùng tốc độ với

vỏ vi sai

Sự dẫn động của bánh răng hành tinh giúp lò xo ly hợp có khả năng

đóng ly hợp Dưới điều kiện momen xoắn cao, việc quay của các bánh

răng hành tinh (bánh răng côn chủ động trong bộ vi sai) đẩy các bánh

răng bán trục ra Các bánh răng bán trục sau đó đóng các đĩa ly hợp

Hoạt động này giúp khóa (tạo ma sát) giữa các đĩa và giữ cho hai bánh

xe sau cùng quay

Hình 6.7 Hình cắt bộ vi sai tăng ma sát sử dụng các đĩa ly hợp

Bộ ly hợp đĩa

Lò xo nén

Bánh răng

bán trục

Bánh răng hành tinh

Võ visai

Tai khoá đĩa thép với võ visai

Bánh răng bán trục ăn khớp với đĩa masát

Trục bánh răng hành tinh

A

B

Mặt cone

Mặt cone

2.4.2 Bộ vi sai tăng ma sát Chrysler kiểu trục chữ thập (trục BRHT) rời:

Hình 6.8 Cấu tạo hai trục hành tinh của bộ visai tăng masát Chrysler

A: Đầu vát xiên nằm tì trong đáy chữ V của vỏ visai

B: Khi vỏ visai quay, lực cản làm trục bánh răng hành tinh leo lên

cạnh nghiêng, cả hai bánh răng hành tinh và trục bị lấn qua trái

Trục bánh

răng hành

tinh

Ổ bi vỏ visai

Công suất đến từ trục chủ động

Bánh răng hành tinh quay với vỏ cùng một khối

Hai bán trục quay bằng nhau Vỏ visai quay

Bánh răng cone chủ động truuyền công suất đến vòng răng

Bán trục ăn khớp với bánh răng bán trục Các đĩa ly hợp không làm việc

Công suất đến

Sự masát trong ly hợp truyền công suất từ vỏ visai đến bánh răng bán trục

Moment xoắn nhỏ truyền đến bánh xe

Moment xoắn

nhỏ truyền đến

bánh xe

Các đĩa ly hợp

hãm chặt bánh

hành tinh quay

Vỏ visai truyền động các đĩa ly hợp

A

B

Hình 6.9 Đường truyền công suất qua bộ visai tăng masát A: Xe chạy thẳng trên đường khô Bánh răng hành tinh truyền công suất bình

thường Các đĩa ly hợp quay với nhau và không tạo ma sát

B: Một bánh ở trên đường trơn và quay nhanh, sự masát giữa các đĩa masát

làm truyền moment xoắn tới bán trục khác ( bán trục không bị quay trơn)

Bốn bánh răng hành tinh quay trơn trên hai trục, hai trục hành tinh bố trí chữ

thập nhưng không dính liền, hai trục này có khả năng dịch chuyển với nhau theo

cả chiều trục lẫn chiều góc nghiêng, nhờ các mặt nghiêng A và B ở các đầu trục

Bốn đầu trục bánh răng hành tinh được vát xiên chữ V đối xứng nhau, các

mặt xiên này là các mặt tì của trục lên vỏ vi sai

Vỏ vi sai được cấu tạo bằng hai nửa úp vào nhau Nửa bên phải có khoét

hai rãnh chữ V đối xứng trên đường kính để ráp trục bánh răng hành tinh

thứ nhất Trục hành tinh thứ hai úp vào trục thứ nhất và tựa lên hai rãnh V

trên nửa vỏ vi sai bên trái tạo thành trục chữ thập

Hai bánh răng hành tinh hai bên nắm lọt trong hai mắt chụp ma sát Sau

lưng mỗi chụp ma sát gắn bốn đĩa ma sát, hai đĩa trong số này liên kết với

vỏ vi sai, hai đĩa còn lại liên kết với rãnh then hoa của chụp ma sát

Bán trục cắm vào rãnh then hoa của trục ma sát và bánh răng bán trục

Sau lưng mỗi bánh răng hành tinh có vành ma sát sẵn sàng ấn lên vành

miệng của hai chụp ma sát khi bị lấn qua phải hay trái

Với cấu tạo này, khi các bánh răng hành tinh không quay, tức bánh xe

không bị trượt quay, lực truyền tới các bán trục cũng giống như trong trường

hợp vi sai có ma sát trong bé (hay vi sai thường) Khi các bánh răng hành

tinh quay hay bánh xe bị trượt quay Hai bánh răng hành tinh lẫn qua phải

hay trái thì chúng sẽ tác động lên trục ma sát của bánh răng hành tinh phíu

đó, làm các đĩa ma sát với nhau và khóa hãm bán trục vào võ vi sai Lực

truyền sẽ tăng lên đối với bán trục quay chậm và giảm đi với bán trục quay

nhanh

2.4.3 Vi sai tăng ma sát đóng bằng ly hợp côn:

Vi sai tăng ma sát kiểu ly hợp côn tạo ra ma sát bởi các bánh răng bán

trục hình côn để cung cấp và tận dụng sức kéo

Những lò xo dùng để ép các mặt côn áp vào phần cuối vỏ vi sai Với bán

trục được ăn khớp then hoa với các bánh răng côn để quay cùng với vỏ vi

sai

Cùng với sự tăng tốc, các bánh răng hành tinh cùng truyền động với

bánh răng côn, đẩy các bánh răng côn ra phía ngòai Điều này làm tăng ma

sát giữa các mặt côn và vỏ vi sai hơn nữa và những bánh xe chủ động được

quay với moment xoắn lớn hơn

Vỏ

Ly hợp bánh răng cone bán trục Trục chủ động Chặn lò xo

Vòng đệm

chặn

Bánh răng hành tinh

lò xo Chặn lò xo

Các then hoa gắn bán trục

Vỏ visai

Bề mặt gắn vòng răng

Ly hợp cone bánh

răng bán trục

Hình 6.10 Visai tăng masát đóng bằng ly hợp cone

Bề mặt cone trên bánh răng bán trục dùng như bề mặt masát truyền động

cả hai cầu Moment xoắn của động cơ tăng đẩy bánh răng bán trục và mặt

cone ra phía ngoài khoá hãm bán trục Trong khi bị quay trượt, cạnh mặt

cone sẽ masát làm giảm tốc độ

2 5 Vi sai cam :

Bộ vi sai cam gồm có vòng cách (6) nối với bánh răng bị dẫn của truyền

động chính (vòng răng) Trong vòng cách có lắp lỏng các con trượt (2) xếp

thành hai hàng như con cờ Đầu các con trượt tì vào các vòng cam trong (3)

và vòng cam ngoài (4) Bề mặt của các vòng cam này tiếp xúc với các con

trượt có các vấu cam

Bên ngoài bộ vi sai có thân trái (1) và thân phải (5) gắn chặt bằng

bulong Các bán trục đi qua lỗ giữa bộ vi sai, một bán trục nối liền bằng

then hoa với vòng cam trong, còn bán trục kia nối liền với vòng cam ngòai

1 2

3

4 5

6

2

3

4

6

Khi bánh răng bị dẫn của truyền động chính quay cùng với số vòng

cách, các con trượt tác động một lực đồng đều lên các cam cả hai vòng cam

và lôi cuốn chúng quay theo

Nếu một bánh xe gặp sức cản lớn hơn thì vòng cam nối liền với nó

quay chậm hơn vòng cách, các con trượt tác động một áp lực lớn hơn lên

vòng cam kia, thúc đẩy nó quay với vận tốc lớn hơn

Tuy nhiên, ma sát tăng giữa các con trượt và các vòng cam đòi hỏi

một lực lớn để thay đổi tốc độ vòng cam này so với vòng cam kia, việc đó

chỉ xảy ra khi nào có sự chênh lệch lớn giữa sức cản mà bánh xe bên phải

và bên trái phải khắc phục Điều đó đảm bảo truyền dẫn đầy đủ moment

xoắn tới hai bánh xe và loại trừ khả năng một bánh đứng yên khi bánh hai

quay trượt

Hình 6.11 Cấu tạo bộ vi sai cam

1 Thân bên trái vỏ vi sai 4 Vòng cam ngoài

2 Con trượt 5 Thân bên phải bộ vi sai