Nguyên lý hoạt động của bộ vi sai

Bạn đã biết động cơ làm việc như thế nào và bạn cũng đã tìm hiểu nguyên lý làm việc của hộp số. Tuy nhiên để đưa nguồn động lực của động cơ xuống các bánh xe cần phải thông qua một hệ thống cuối cùng, đó là bộ vi sai. Bộ vi sai thường được lắp đặt cùng với truyền lực cuối, hay còn gọi là cầu xe.

Bộ vi sai trên xe có ba nhiệm vụ chính sau:

• Truyền mô men của động cơ tới các bánh xe.
• Đóng vai trò là cơ cấu giảm tốc cuối cùng trước khi mô men xoắn truyền tới các bánh xe.
• Truyền mô men tới bánh xe trong khi cho phép chúng quay với tốc độ khác nhau.

Qua bài viết này chúng ta sẽ biết tại sao chiếc xe của bạn lại cần bộ vi sai và sau đó hãy cùng nghiên cứu về nguyên lý làm việc của nó cũng như tìm hiểu về một số loại vi sai ô tô hiện nay.

Bạn đang nên biết rằng, các bánh xe quay với các tốc độ khác nhau, đặc biệt là khi quay vòng. Hãy nhìn sơ đồ mô phỏng dưới đây. Mỗi bánh xe sẽ đi được những quãng đường khác nhau khi chiếc xe vào cua, các bánh xe phía trong đi được quãng đường ngắn hơn các bánh xe phía ngoài. Điều đó có nghĩa là các bánh xe bên trong sẽ quay với tốc độ thấp hơn các bánh xe ngoài.

Đối với các bánh xe bị động, ví dụ như các bánh trước của chiếc xe dẫn động bánh sau, không có gì liên kết chuyển động giữa chúng nên hoạt động độc lập với nhau. Thế nhưng, hai bánh sau lại có sự liên kết để cùng nhận được nguồn động lực từ một động cơ và một hộp số duy nhất. Nếu không có bộ vi sai, hai bánh sau sẽ bị khoá lại với nhau, bị bắt buộc phải quay với cùng một tốc độ như nhau. Điều này sẽ làm cho việc quay vòng của xe rất khó khăn. Để chiếc xe vào cua được, chắc chắn một bánh xe sẽ bị trượt quay. Với công nghệ chế tạo lốp xe và đường bê tông như hiện nay, lực tác động sẽ làm trượt quay một bánh xe. Lực này sẽ được truyền từ bánh xe bên này sang bên kia qua trục bánh xe, làm tăng lực xoắn tác dụng lên trục bánh xe.

Bộ vi sai là gì?

Bộ vi sai là một thiết bị dùng để chia mô men xoắn của động cơ thành hai đường, cho phép hai bên bánh xe quay với hai tốc độ khác nhau. Chúng ta có thể tìm thấy bộ vi sai ở tất cả các xe hơi và xe tải hiện đại, và đặc biệt ở các xe bốn bánh chủ động hoàn toàn. Mỗi cầu chủ động của những xe này đều cần một bộ vi sai và đương nhiên giữa bánh trước và bánh sau cũng cần vì khi vào cua, quãng đường mà bánh trước và sau đi được cũng khác nhau.

Đối với các xe bốn bánh bán chủ động thì lại không cần bộ vi sai giữa các bánh trước và sau; thay vào đó, chúng được khoá lại với nhau để chuyển động cùng một tốc độ. Điều này lý giải tại sao những chiếc xe này lại vào cua khó khăn trên đường bê tông khi hệ thống bốn bánh chủ động được sử dụng.

Các bánh xe sẽ được quay với các tốc độ khác nhau? Chúng ta vừa bắt đầu với dạng vi sai cầu đơn giản nhất, còn gọi là bộ vi sai mở. Sau đây chúng ta sẽ đến với một số thuật ngữ khác. Hình ảnh dưới đây sẽ cho chúng ta biết một số thành phần chính của một bộ vi sai mở.

Khi chiếc xe chuyển động thẳng trên đường, cả hai bánh xe cùng quay với một tốc độ như nhau. Bánh răng ở đầu vào sẽ làm vành răng và vỏ vi sai quay, không có một bánh răng nào của bộ vi sai quay, hai bánh răng cạnh như được khoá cùng nhau và với vỏ vi sai.

Hãy chú ý rằng bánh răng đầu vào nhỏ hơn nhiều so với vành răng, đây là cặp bánh răng giảm tốc cuối cùng của chiếc xe và tỷ số truyền của chúng chính là tỷ số truyền của truyền lực cuối. Khi nói tỷ số truyền lực cuối là 4.10 tức là số răng của vành răng lớn gấp 4.10 lần bánh răng đầu vào.

Khi chiếc xe vào cua, các bánh xe sẽ phải quay với các tốc độ khác nhau. Trong bức tranh trên, bạn có thể thấy các bánh răng trên vỏ vi sai sẽ quay ngay khi chiếc xe bắt đầu đổi hướng chuyển động, cho phép các bánh xe chuyển động với các tốc độ khác nhau. Các bánh xe bên trong quay chậm hơn vỏ vi sai, trong khi các bánh xe bên ngoài lại quay nhanh hơn.

Bộ vi sai mở – khi chuyển động thẳng

Những trục trặc và rắc rối? Bộ vi sai mở luôn cung cấp một mô men cố định cho mỗi bánh xe. Có hai yếu tố quyết định đến việc cung cấp mô men cho các bánh xe, đó là thiết bị và lực kéo. Trong điều kiện đường khô ráo, lực bám tốt, giá trị mô men cung cấp cho các bánh xe bị giới hạn bởi động cơ và các bánh răng; nhưng trong điều kiện lực bám kém như xe đi trên băng chẳng hạn, giá trị mô men xoắn lại bị giới hạn bởi một điểm mà tại đó các bánh xe bị trượt quay. Vì vậy, ngay cả khi đó động cơ của xe có khoẻ bao nhiêu đi chăng nữa thì mô men xoắn đó cũng chẳng truyền được xuống đất bởi vì các bánh xe bị trượt quay. Khi đó, bạn có cố tình ga mạnh lên nữa, bánh xe của bạn càng quay nhanh hơn nhưng chiếc xe vẫn nằm ỳ tại chỗ.

Nếu bạn đã từng lái xe trên băng tuyết, bạn sẽ biết thủ thuật để khởi hành chiếc xe dễ dàng hơn. Bạn chớ nên khởi hành bằng số một, thay vào đó bạn nên cố sử dụng số hai hoặc thậm chí cả số ba đi. Điều này sẽ bảo đảm cho hộp số của chiếc xe cung cấp mô men xoắn thấp đi và do vậy có thể chiếc xe sẽ “trườn đi” mà không bị “ba ti nê” nữa.

Thế nhưng, điều gì sẽ xảy ra khi một bên bánh xe có lực bám rất tốt còn bên kia lại nằm trên vũng lầy? Đây là vấn đề rắc rối mà bộ vi sai mở sẽ phải vào cuộc để giải quyết.

Hãy nhớ rằng bộ vi sai mở luôn cung cấp một mô men xoắn như nhau cho cả hai bánh xe, và giá trị mô men xoắn cực đại sẽ bị giới hạn tại đó các bánh xe không bị trượt quay. Nó không lấy nhiều mô men để làm một bánh xe bị trượt trên băng nhưng bánh xe có độ bám đường tốt cũng chỉ nhận được giá trị mô men tương tự. Chiếc xe của bạn không thể có được sự bám đường tối ưu được.

Phức tạp hơn là “Off road”! Ngoài nhược điểm trên, bộ vi sai mở còn có thể gây cho bạn những rắc rối hơn nhiều khi bạn chạy xe trên đường xấu. Nếu bạn có một chiếc xe tải hoặc một chiếc xe đa dụng bốn bánh chủ động, với bộ vi sai mở cho cả bánh trước và sau, bạn có thể bị sa lầy. Hãy nhớ rằng chúng ta đang nó đến việc bộ vi sai mở luôn cung cấp một mô men xoắn như nhau cho các bánh xe. Nếu một bánh xe phía trước hoặc sau không bám đường, chúng sẽ bị quay tự do.

Giải quyết cho vấn đề này chính là bộ vi sai trượt giới hạn (LSD hay còn gọi là positraction). Bộ vi sai trượt này sử dụng đa dạng các cơ cấu để làm cho bộ vi sai thường hoạt động khi vào cua. Khi một bánh xe bị trượt quay, chúng sẽ chuyển phần mô men có ích sang bên bánh xe không bị trượt để tận dụng hiệu quả mô men xoắn động cơ. Sau đây chúng ta cùng tìm hiểu về các dạng của LSD, bao gồm clutch-type LSD, the viscous coupling, locking differential và Torsen differential.

Vi sai trượt giới hạn kiểu ly hợp clutch-type LSD

Đây có lẽ là dạng chung nhất của loại vi sai trượt giới hạn. Loại vi sai này có tất cả các thành phần của một bộ vi sai mở, nhưng có thêm một hộp lò xo và một bộ ly hợp. Một vài bộ có một ly hợp hình nón giống như đồng bộ ở các hộp số cơ khí.

Hộp lò xo đẩy các bánh răng bên cạnh tách ra khỏi các tấm ly hợp đang được gắn với vỏ vi sai. Toàn bộ các bánh răng đều quay với vỏ khi hai bánh xe quay cùng một tốc độ, và lúc này không cần thiết phải có bộ ly hợp này. Thế nhưng nếu có gì đó buộc cho một bánh xe quay nhanh hơn bánh kia, như khi vào cua chẳng hạn, thì lập tức ly hợp bắt đầu hoạt động. Nó có tác dụng chống lại hiện tượng cả hai bánh xe quay cùng một tốc độ. Nếu một bánh xe muốn quay nhanh hơn bánh bên kia, nó cần phải làm bộ ly hợp trượt đi. Độ cứng của lò xo và lực ma sát của ly hợp sẽ quyết định giá trị mô men sẽ làm cho nó bị trượt.

Trở lại với tình huống trên, nếu một bánh xe lăn trên băng còn bánh bên kia lại có độ bám đường rất tốt, với bộ vi sai trượt giới hạn này thì ngay cả bánh xe bị trượt quay không thể truyền mô men xuống đất thì bánh bên kia cũng sẽ truyền đủ mô men để chiếc xe di chuyển khỏi vùng lầy. Mô men được cung cấp cho bánh xe không nằm trên băng sẽ cân bằng với giá trị mô men còn lại sau khi đã làm cho ly hợp trượt đi. Kết quả là bạn đã có thể di chuyển về trước vượt qua vũng lầy.

Khớp nối dính (Viscous Coupling)

Khớp nối dính thường được thấy trên các xe có các bánh xe chủ động hoàn toàn. Nó được sử dụng để kết nối các bánh sau với các bánh xe trước để khi một cặp bánh xe bị trượt thì mô men xoắn sẽ được chuyển tới cặp bánh kia.

Khớp nối dính có hai bộ đĩa ma sát đặt bên trong một không gian kín điền đầy chất lỏng (thường là dầu thuỷ lực đặc biệt) có độ nhớt cao. Mỗi bộ đĩa ma sát được nối với một đầu trục. Dưới điều kiện bình thường, cả hai bộ đĩa ma sát và lượng dầu thuỷ lực trong khớp nối cùng quay với một tốc độ nhất định. Khi một cặp bánh xe cố gắng quay nhanh hơn, có thể đang bị trượt chẳng hạn, bộ đĩa ma sát tương ứng với cặp bánh xe quay nhanh hơn cũng bị quay nhanh hơn theo. Lúc này, dầu thuỷ lực nằm trong không gian giữa hai bộ đĩa ma sát sẽ có tác dụng cuốn bộ đĩa ma sát kia cùng quay nhanh theo. Điều này sẽ làm cho mô men xoắn sẽ được truyền từ cặp bánh xe quay nhanh hơn sang bánh xe quay chậm hơn, làm cho bánh đỡ bị trượt hơn.

Khi chiếc xe vào cua, sự khác nhau về tốc độ giữa các bánh xe không lớn như khi một trong chúng bị trượt. Một trong hai bộ đĩa ma sát quay càng nhanh so với bộ kia (tương ứng với bánh xe trượt càng nhiều) thì lượng mô men xoắn được bộ khớp nối dính chuyển đổi càng lớn. Như vậy tác dụng của loại khớp nối này khi xe vào cua là không có, vì vậy nhược điểm lớn nhất, rõ ràng là: không có một chút mô men nào được chuyển đổi trước khi hiện tượng trượt bắt đầu.

Để dễ hiểu hơn, chúng ta cùng tìm hiểu một minh hoạ đơn giản sau: Bạn hãy đặt một chiếc đĩa thuỷ tinh, sâu lòng, nhỏ có thể chứa được một quả trứng gà (vịt) lên một đế quay đặt trên chiếc bàn. Hãy khéo léo đập quả trứng vào trong chiếc đĩa mà lòng đỏ không bị vỡ ra. Lúc này, lòng đỏ quả trứng nằm ở giữa chiếc đĩa và lòng trắng bao quanh. Bạn hãy quay đột ngột chiếc đĩa. Chú ý nhìn bạn sẽ thấy, lúc đầu lòng đỏ quả trứng không quay cùng chiếc đĩa nhưng chỉ một lúc sau nó đã quay cùng với chiếc đĩa. Điều này có thể lý giải là do lực ma sát nhớt của lòng trắng trứng gà đã làm cho lòng đỏ quay cùng theo với chiếc đĩa. Nếu khi chiếc đĩa và lòng đỏ đang quay cùng nhau, bất ngờ bạn giữ chiếc đĩa lại, lúc này lòng đỏ lập tức quay chậm dần rồi cũng dừng lại theo chiếc đĩa. Liên hệ với khớp nối trên ta có thể thấy chiếc đĩa và lòng đỏ chính là hai bộ đĩa ma sát còn lòng trắng trứng gà có tác dụng như dầu thuỷ lực, và nguyên lý làm việc của chúng như ở ví dụ minh hoạ trên.

Vi sai khoá locking và vi sai cảm biến mô men Torsen

Bộ vi sai khoá rất hữu ích trong trường hợp chiếc xe của bạn chạy trên đường rất xấu. Kết cấu của nó cũng giống với loại vi sai mở nhưng được kết hợp thêm cơ cấu thuỷ lực, khí nén hoặc điện để khoá các bánh răng đầu ra lại với nhau. Cơ cấu vi sai này được điều khiển đóng mở chủ yếu bằng công tắc và khi nó hoạt động các bánh xe đều quay với cùng một tốc độ như nhau.

Vi sai Torsen là một thiết bị cơ khí hoàn toàn, nó không được điều khiển bằng điện tử, không có ly hợp và cũng không có tý chút thuỷ lực nào.

Vi sai Torsen (kết hợp từ “torque” và “sensing”, có nghĩa là cảm biến mô men) làm việc như một bộ vi sai mở khi giá trị mô men của mỗi bánh xe là cân bằng. Thế nhưng ngay sau khi một bánh xe nào đó mất lực bám, sự khác nhau về mô men dẫn đến các bánh răng trong bộ vi sai Torsen kết nối với nhau. Việc thiết kế các bánh răng trong bộ vi sai sẽ quyết định đến tỷ số chênh lệch mô men. Ví dụ, nếu một bộ vi sai Torsen đặc biệt được thiết kế với tỷ số chênh lệch 5:1, nó sẽ có khả năng cung cấp mô men xoắn cho bánh xe có lực bám tốt lớn gấp 5 lần bánh xe bị trượt.

Các thiết bị này thường được sử dụng ở các xe hơi có các bánh chủ động hoàn toàn với hiệu suất cao. Giống như bộ khớp nối dính, chúng thường được sử dụng để chuyển đổi công suất giữa bánh trước và bánh xe sau. Trong hai loại này, bộ vi sai Torsen tốt hơn bộ vi sai khớp nối dính vì chúng truyền mô men ngay khi hiện tượng trượt có thể xảy ra. Tuy nhiên, nếu một cặp bánh xe bị mất sức bám hoàn toàn thì vi sai Torsen sẽ không thể cung cấp một chút mô men nào cho cặp bánh xe kia, bởi vì tỷ số chênh lệch sẽ quyết định bao nhiêu mô men xoắn được chuyển đổi, và đương nhiên 5 lần 0 sẽ phải bằng 0.

Ngọc Hải (Biên dịch)