Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ VI SAI TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN LỰC ÔTÔ
5. Truyền lực trên ơtơ có 2 chủ động và vi sai giữa các cầu
5.1. Sự cần thiết của việc bố trí 2 cầu chủ động
Đối với ô tô 1 cầu chủ động (cầu trước hoặc cầu sau chủ động), thì ngồi những ưu điểm, trong hệ thống truyền lực này còn tồn tại một nhược điểm cơ bản là khả năng kéo bám của ơ tơ cịn thấp và tính việt dã chưa cao khi hoạt động trong điều kiện đường xá xấu như: đường gồ ghề, trơn trượt…vv.
Để khắc phục các nhược điểm trên người ta áp dụng một số biện pháp như: sử dụng các dạng lốp có dạng hoa lốp đặc biệt, sử dụng những cụm vi sai có ma sát trong lớn, cụm vi sai tự động gài hoặc gài cứng cưỡng bức, sử dụng hệ thống kiểm soát lực kéo điều khiển bằng điện tử…vv.
Ngồi những biện pháp trên cịn có một biện pháp nhằm nâng cao khả năng kéo bám và tăng tính việt dã của ơ tơ đó là thiết kế ô tô có 2 cầu chủ động.
Ơ tơ có 2 cầu chủ động đáp ứng được các tính năng như: - Tính ổn định khi quay vịng
Vì cả 4 bánh xe đều được truyền lực như nhau, tải trọng trên mỗi lốp xe sẽ giảm đi, có thể sử dụng lực quay vịng của các lốp có hiệu quả, tạo ra sự quay vòng rất ổn định.
28
Với xe 2 cầu chủ động, vì lực bám dư của mỗi lốp xe tăng lên, các thay đổi bên ngồi khơng ảnh hưởng đến xe. Nhờ vậy đạt được tính ổn định khi chạy trên đường thẳng.
- Tính năng khởi hành và tăng tốc
Độ bám của lốp gần gấp đôi độ bám của các xe 1 cầu chủ động nên thậm chí xe được trang bị động cơ có cơng suất cao, các lốp cũng khơng quay trượt khi vận hành hoặc tăng tốc. Điều này làm tăng tính khởi hành và tăng tốc của xe.
- Tính năng leo dốc
Xe 2 cầu chủ động có lực bám gần gấp 2 lần lực bám của xe 1 cầu chủ động, nên xe 2 cầu chủ động có khả năng leo dốc tốt hơn.
- Chạy trên các đường gồ ghề và có tuyết
Do cả 4 bánh xe đều truyền lực, nên lực truyền vào đường có thể tăng gấp đơi lực truyền vào đường của xe 1 cầu chủ động, các bánh xe trước và sau sẽ hỗ trợ lẫn nhau nên khả năng chạy trên đường gồ ghề và có tuyết sẽ rất tốt.
Tuy nhiên trên ơ tơ có 2 cầu chủ động (loại khơng có vi sai ở giữa cầu) tồn tại một nhược điểm lớn đó là: hiện tượng tuần hồn cơng suất.
5.2. Hiện tượng tuần hồn cơng suất.
Trên ơ tơ có 2 cầu chủ động (loại khơng có vi sai ở giữa cầu), do nối trực tiếp trục các đăng giữa cầu trước và cầu sau nên không thể triệt tiêu được sự chênh lệch về tốc độ quay giữa các bán trục trước và bán trục sau. Đặc biệt là trên các đường có hệ số ma sát cao.
Khi đi trên đường có hệ số ma sát thấp, nếu có lốp xe nào bị trượt quay thì sẽ làm triệt tiêu được sự chệnh lệch về tốc độ quay giữa các bán trục trước và sau. Nhưng đối với đường có hệ số ma sát cao thì điều này khó xảy ra nên làm cho hệ thống truyền lực phải chịu tải quá mức.
Để làm rõ hiện tượng này ta đi xét trường hợp cụ thể sau [2]:
29
Hình 1.9: Sơ đồ minh họa hiện tượng tuần hồn cơng suất
Trong trường hợp này, trên các bánh xe trước sẽ chịu tác động của lực kéo tiếp tuyến âm (–Pk) , được tạo nên bởi phản lực của mặt đất và có chiều ngược lại với chiều chuyển động của máy kéo. Lực này tạo nên một moment xoắn, truyền tới các bánh xe sau qua hệ thống truyền lực. Như vậy công suất truyền tới các bánh xe chủ động phía sau sẽ do hai dòng: một từ động cơ theo chiều mũi tên xanh và một từ các bánh xe trước theo chiều mũi tên màu đen. Cả hai dịng cơng suất này được truyền tới các bánh xe sau theo đường nét đậm và tạo nên lực kéo tiếp tuyến dương Pk .
Một phần lực kéo tiếp tuyến Pk được truyền qua khung máy kéo tới các bánh quay chậm phía trước để khắc phục lực cản được tạo nên bởi lực –Pk . Như vậy công suất được tạo nên bởi phản lực –Pk của đất ở các bánh bị trượt lết sẽ lưu thông theo một vịng khép kín: từ bánh bị trượt lết qua hệ thống truyền lực tới các bánh chủ động, rồi lại từ các bánh chủ động qua khung của máy kéo đi ngược lại các bánh bị trượt.
30
Phần cơng suất lưu thơng này là vơ ích, thậm chí là có hại, vì vậy nó được gọi là cơng suất kí sinh. Nó khơng phải là nguồn năng lượng bổ sung cho máy kéo mà chỉ gây thêm tải trọng phụ cho hệ thống truyền lực và làm tăng tổn thất cơ khí.
Hiện tượng phát sinh dịng cơng suất kí sinh gọi là hiện tượng tuần hồn cơng suất.
5.3. Các giải pháp tránh hiện tượng tuần hồn cơng suất.
Để tránh hiện tượng tuần hồn cơng suất, người ta sử dụng các giải pháp sau: Chỉ sử dụng một cầu chủ động khi xe đang chạy trên đường tốt;
Điều khiển lực kéo bằng các hệ thống điện tử tự động; Sử dụng vi sai giữa các cầu.
5.4. Vai trò của vi sai giữa các cầu.
Dùng để phân phối moment truyền đến các cầu.
Triệt tiêu sự chênh lệch tốc độ quay của các bánh xe ở cầu trước và cầu sau làm cho xe chạy được êm hơn do đảm bảo việc truyền công suất đều nhau đến cả bốn bánh xe kể cả khi quay vòng, tránh được hiện tượng tuần hồn cơng suất.
Giảm được tác hại mômen phụ trong truyền lực. Do đó các chi tiết của hệ thống truyền lực ôtô nhiều cầu không bị quá tải.
Khi sử dụng vi sai giữa các cầu thì giá trị mơment phân phối đến cầu trước và cầu sau tỷ lệ với trọng lượng bám của các cầu.
31
Hình 1.10: Bố trí vi sai trên xe 2 cầu chủ động
Khi sử dụng vi sai không đối xứng làm vi sai giữa các cầu, moment truyền đến vỏ vi sai chia ra các cầu không đều nhau mà theo một tỷ lệ nhất định thường tỷ lệ với trọng lượng bám của các cầu chủ động.
Khi sử dụng vi sai đối xứng làm vi sai giữa các cầu, moment truyền đến vỏ vi sai được chia đều làm đôi nếu ta bỏ qua ma sát trong cơ cấu vi sai. Vi sai loại đối xứng được đặt giữa các cầu chủ động chịu tải gần bằng nhau.
5.5. Hệ thống truyền lực trên ơ tơ có 2 chủ động. 5.5.1. Giới thiệu
Truyền lực 4WD (4 Wheel Drive ) là loại cả 4 bánh xe đều được dẫn động và dẫn động thông qua hộp phân phối.
Các xe 4WD thường xuyên loại FF, công suất được truyền từ hộp số ngang đến vi sai giữa các cầu rồi đến bộ vi sai trước và bộ vi sai sau. Bộ vi sai trước và bộ vi sai giữa các cầu cùng nằm trong hộp số phụ.
Các xe 4WD thường xuyên loại FR, công suất truyền từ hộp số dọc đến bộ vi sai giữa các cầu nằm trong hộp số phụ, đến bộ vi sai trước và bộ vi sai sau, đóng
32
hoặc gài hộp số phụ. Khi không gài hộp số phụ, công suất truyền từ hộp số dọc đến bộ vi sai sau. Nếu là xe 4WD gián đoạn loại FR, thì thường khơng có bộ vi sai giữa các cầu nên phải gài hộp số phụ, để công suất được truyền đến cả hai bộ vi sai trước và sau.
5.5.2. Phân loại.
a. Loại 4WD không thường xuyên (gián đoạn)
Hình 1.11: Truyền lực trên 4WD loại khơng thường xun
Với loại này người lái phải chuyển đổi giữa chế độ 2WD và 4WD bằng hộp số phụ theo điều kiện đường sá khác nhau.
Bình thường xe sử dụng 2WD, cịn khi đường xấu, có tuyết …thì chuyển sang chế độ 4WD.
33
b. Loại 4WD thường xuyên (sử dụng vi sai giữa các cầu)
Hình 1.12 Truyền lực trên 4WD loại thường xuyên
Loại 4WD thường xuyên dẫn động tất cả các bánh xe chủ động khi xe chuyển động. Loại này sử dụng 1 bộ vi sai giữa các cầu để bù trừ sự khác nhau về tốc độ giữa bánh trước và bánh sau khi xe quay vịng và qua bề mặt địa hình khơng đồng đều.
Bằng cách bù trừ điều kiện dẫn động khác nhau này, 4WD thường xuyên sẽ cho phép xe chuyển động liên tục ở chế độ 4 bánh chủ động trên đường cứng và khô.
Bộ vi sai giữa các cầu được trang bị vi sai chống trượt, nó cung cấp sự dẫn động đến cả hai trục trước và sau nếu 1 trong các bánh xe bị trượt.
34
Trong điều kiện kéo xấu, bộ vi sai có cơ cấu để khóa hoạt động vi sai. Điều này cung cấp 1 sự dẫn động trực tiếp đến cả hai trục trước và sau.
c. Loại 4WD thường xuyên (sử dụng khớp nối mềm V)
Hình 1.13 Truyền lực trên 4WD thường xuyên (sử dụng khớp nối mềm).
Hệ thống 4WD thường xuyên, sử dụng khớp nối mềm làm cho xe có thể hoạt động thích hợp với chế độ 2WD trong thời gian chạy bình thường khi hầu như khơng có sự chênh lệch về tốc độ quay giữa các bánh xe trước và sau.
Khi có sự chênh lệch về tốc độ quay giữa các bánh xe trước và sau (xe chạy trên đường vịng hoặc đường có tuyết… vv) hệ thống này sẽ tự động truyền lực dẫn động đến các bánh sau.
35
6. Các cơng trình nghiên cứu đã cơng bố
Các cơng trình nghiên cứu về vi sai trong hệ thống truyền lực của ô tô tập trung vào tính năng động học và động lực học của hệ thống truyền lực có vi sai và vai trị của nội ma sát trong vi sai.
Trong những năm gần đây đã có một số cơng trình nghiên cứu về động lực học hệ thống truyền lực, nhưng chủ yếu tập trung vào việc mơ phỏng và tính tốn động lực học. Các tác giả Ngô Quang Lợi, Nguyễn Khắc Tuân (2003), Vũ Văn Thuyết (2009), Nguyễn Mạnh Trường (2010), Vũ Minh Diễn, Nguyễn Ngọc Sơn (2011), Nguyễn Văn Quang, Nguyễn Quang Trung (2013), … đã thực hiện các nghiên cứu hệ thống truyền lực bằng phương pháp mô phỏng nhằm đánh giá tải trọng động trong hệ thống, các giải pháp giảm tải trọng động; khảo sát hoạt động của các bộ phận trong hệ thống truyền lực như ly hợp ma sát, biến mô thủy lực, bộ đồng tốc, …; nghiên cứu quá trình dao động xoắn trong hệ thống truyền lực, …
Hướng nghiên cứu thứ hai trong hệ thống truyền lực ô tô là phối hợp hoạt động giữa động cơ và các loại hệ thống truyền lực vô cấp (CVT).
Tác giả Phạm Trọng Phước (2013) đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu mơ hình hệ thống động lực ô tô sử dụng hộp số tự động kết hợp với biến mơ thủy lực”, trong đó tập trung nghiên cứu những vấn đề sau: đặc tính, các chế độ làm việc của động cơ đốt trong và biến mô thủy lực; vấn đề đồng bộ làm việc phối hợp giữa động cơ và hệ thống truyền lực có biến mơ; tính tốn, khảo sát các chế độ làm việc phối hợp động cơ với hệ thống truyền lực có biến mơ cho một ô tô cụ thể.
Tác giả Bạch Thảo Nguyên (2013) với đề tài “Xây dựng quy trình thiết kế và đánh giá hệ thống truyền lực vô cấp sử dụng bộ truyền đai kiểu CVT” đã nghiên cứu đặc tính, các chế độ làm việc của động cơ đốt trong và CVT; vấn đề đồng bộ làm việc phối hợp giữa động cơ và hệ thống truyền lực CVT; tính tốn, khảo sát các chế độ làm việc phối hợp động cơ với hệ thống truyền lực CVT cho một ô tô cụ thể.
Tuy nhiên, hầu như khơng có các cơng trình nghiên cứu về vi sai và vai trò của nội ma sát trong vi sai đối với khả năng chuyển động của ô tơ. Vì vậy, luận văn đặt vấn đề nghiên cứu về vi sai và ảnh hưởng của nội ma sát trong vi sai tới hoạt
36
động của hệ thống truyền lực ô tô với đề tài: “Nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng của nội ma sát trong vi sai tới khả năng phát huy lực kéo trên cầu chủ động”.
37
Chương 2
ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC VI SAI BÁNH RĂNG CÔN 1. Quan hệ động học và động lực học trong vi sai [3].
Xét vi sai đối xứng của bánh răng cơn.
Hình 2.1: Sơ đồ vi sai bánh răng côn đối xứng
Vi sai là một cơ cấu hành tinh bao gồm khâu chủ động 4 đồng thời là cần dẫn, các bánh răng đầu bán trục 1 và 2 và các bánh răng hành tinh 3.
Vi sai truyền môment tới các bánh xe chủ động với điều kiện cho phép các bánh xe chủ động có thể quay với các tốc độ khác nhau khi ơ tơ quay vịng hoặc đi trên đường gồ ghề .
Tùy theo kết cấu của vi sai mà momen phân chia cho các bánh xe chủ động có thể thay đổi khác nhau trong quá trình chuyển động. Đối với vi sai đối xứng quan hệ vận tốc góc giữa hai bên bán trục của vi sai được thể hiện qua biểu thức:
1
n +n2 =2n0 (2.1)
Biểu thức trên cho thấy các bán trục có thể quay với các vận tốc hồn tồn khác nhau tùy theo điều kiện chuyển động.
Nếu ô tô chuyển động thẳng, điều kiện cản ở 2 bên bánh xe giống nhau thì mơment được phân đều ra 2 bên bán trục:
0
38
Nếu do điều kiện chuyển động, các bánh xe quay với vận tốc khác nhau (giả sử n1 > n2 ), lúc này các bánh răng hành tinh quay quanh trục của nó và lăn trên các bánh răng 1 và 2 và gây nên tổn thất năng lượng do ma sát Nms:
ms N = Mms 2 2 1 Ở đây bỏ qua tổn thất tại các ổ.
Như vậy, phương trình cân bằng cơng suất có thể viết:
0 N =N1+N2+ hay: 0 0 M = M11+M22+ Mms 2 2 1 Kết hợp với biểu thức (1) ta được:
1 M = 2 1 (M0-Mms) ( 2.2) 2 M = 2 1 (M0+Mms) (2.3) Từ các biểu thức trên ta được:
2
M =M1+Mms (2.4 )
2. Vai trò của nội ma sát trong vi sai
Từ công thức (2.4) ta thấy, moment nội ma sát trong cơ cấu vi sai có thể đóng vai trị quan trọng có ảnh hưởng lớn đến khả năng làm việc của nó trong điều kiện đường xấu.
Đối với các loại vi sai bánh răng, nội ma sát rất nhỏ nên ta có thể viết :
2
M =M1
Biểu thức trên cho thấy trong mọi trường hợp moment truyền tới các bên bánh xe đều bằng nhau, nghĩa là lực kéo ở hai bên luôn bằng nhau:
1
k
P = Pk2
Với tính chất vi sai như vậy thì khả năng trượt lầy, thoát hiểm của ơ tơ rất kém. Vì khi ơ tơ bị sa lầy, chẳng hạn một bên bánh xe trượt hồn tồn thì lực kéo trên bánh xe này bằng 0. Do vi sai bắt buộc lực kéo ở 2 bên bánh xe phải bằng nhau,
ms
39
G
G
nên lúc này ở bên bánh xe còn lại lực kéo cũng phải bằng 0. Nghĩa là cầu chủ động không sinh ra được lực kéo và ô tô sẽ đứng yên.
Để minh họa cho lập luận trên, ta xét một ví dụ cụ thể: một bên bánh xe bị sa lầy, có hệ số bám rất thấp min = 0,1, cịn bánh xe thứ 2 có điều kiện bám rất tốt max = 0,8. Lực kéo cực đại có thể phát huy được trên cầu chủ động lúc này được tính như sau :
Pkmax= Pk1+ Pk2
Do đặc điểm của vi sai nên: Pk1= Pk2= 2 1 min G nên: max k P = Pk1+Pk2=Gmin= 0,1 ( 2.5) Trong đó G là trọng lượng tác động lên cầu chủ động đang xét.
Cũng với điều kiện chuyển động như trên, nếu khóa cứng vi sai thì các bánh xe ở hai bên có thể coi là được nối với nhau bằng một trục cứng ( coi như khơng có vi sai), trong trường hợp này, lực kéo cực đại có thể phát huy được tại cầu chủ động là: max k P = 2 1 min G + 2 1 max