Cấu tạo, nguyên lý làm việc trục các đăng ô tô, bi chữ thập

Cấu tạo và nguyên lý làm việc trục các đăng xe ô tô

Cấu tạo và nguyên lý làm việc của các đăng khác tốc

Hình 1. Sơ đồ nối hộp số với cầu xe ở hệ thống treo phụ thuộc

Hình 2. Hình ảnh các đăng ô tô 

Truyền động trục các đăng khác tốc gồm có : các trục, ống rãnh răng dọc, khớp nối chữ thập, gối để trung gian cùng với vòng bi. Trục truyền động trục các đăng chế tạo bằng thép ống. Đầu sau hàn với tai lắp khớp nối chữ thập, đầu trước có rãnh dọc và ống rãnh răng lắp lồng vào chổ rãnh răng dọc ở đầu trước trục. Nhờ có sự trược qua lại của ống rãnh răng nên trục trục các đăng có thể co ngăn hoặc có thể kéo dài ra.

Để giảm chấn động nên chiều dài của trục không lớn, để đạt mục đích ở ôtô có lắp thêm trục cac đăng trung gian, một đầu cuối của trục nối với trục bị động của hộp số, đầu thứ hai nối với trục các đăng chính. Trục trung gian lắp trên gối đỡ trung gian.

Đối với ô tô chạy việt dã cao, có nhiều cầu chủ động thì trong cơ cấu truyền lực cac đăng sẽ có nhiều trục cùng với khớp chữ thập. Nếu các cầu chủ động là cầu trước và cầu sau thì ở cơ cấu truyền lực cac đăng còn có trục trung gian nối từ hộp số chính tới hộp số phụ và từ hộp số phụ nối với hai trục cac đăng: Một tới cầu trước chủ động và một tới cầu sau chủ động.

Hình 3. ô tô hai cầu chủ động

Trục các đăng là gì

Trục các đăng là một ống thép cácbon rỗng nhẹ và đủ độ bền để chiu được lực xoắn và uốn. Hai đầu ống được hàn nạng khớp cacđăng. Thông thường trục ca cđăng là một đoạn ống có hai khớp cac đăng ở hai đầu. Thỉnh thoảng người ta dùng loại cac đăng 2 đoạn, 3 đoạn nối với nhau bởi vòng bi đỡ trục cac đăng, thiết kế như vậy để giảm rung động và tiếng ồn.

Trục các đăng hai khớp

Tổng chiều dài mỗi đoạn của trục cac đăng 2 khớp là tương đối lớn, điều này có nghĩa là: khi trục cac đăng đang quay ở tốc độ cao, trục có xu hướng bị cong một chút và rung động nhiều. Hơn nữa do độ không cân bằng còn sót lại, vì vật cần có độ cân bằng chính xác cao để giảm đến mức tối thiểu sự sai lệch và rung động như kể ở trên.

Hình 4a. Trục cac đăng hai khớp.               4b. Trục cac đăng ba khớp

Ngược lại với trường hợp trên, trục gồm hai đoạn nên chiều dài của mỗi đoạn là ngắn hơn và độ cong trục do sự không cân bằng sẽ ít đi, vì vậy độ rung sẽ giảm đi khi trục quay ở tốc độ cao. Vì những ưu điểm này, ngày nay người ta thường sử dụng kiểu trục cacđăng 3 khớp nhiều hơn

Hình 5. Trục cac đăng ba khớp

Khớp nối trựơt trục các đăng

Khớp nối trượt ở trục thứ cấp của hộp số, cho phép bất kỳ sự thay đổi chiều dài ở láp truyền bằng cách trượt vô hay trượt ra của hộp số.
Nạng cacđăng bị trượt đến trục thứ cấp của hộp số và lắp vừa vào phần vỏ dư ra của hộp số. Đệm làm kín tiếp xúc với nạng cacđăng, nạng cacđăng nằm trên phần bạc lót ở trong vỏ dư ra. Nạng trục các đăng quay cùng với trục thứ cấp của hộp số, nhưng nó tự do trượt vô và trượt ra hộp số.

Hình 6. Khớp nối trượt

1- Be mặt phía ngoài được gia công nhẵn bóng để gắn bạc lót và đệm làm kín ở hộp số; 2- Nạng cacđăng; 3- Đệm làm kín phía sau hộp so; 4- Hoạt động quay và trượt; 5- Trục các đăng then hoa; 6- Nạng cacđăng; 7- Phần vỏ sau của hộp số; 8- Các rãnh then hoa để lắp trục thứ cấp của hộp số.

Chú ý: Cách trượt của mặt trong của nạng có các rãnh trượt mà các rãnh trượt này lắp qua các rãnh trượt của hộp số. Đây là nguyên nhân cả hai cùng quay. Tuy nhiên, nó hầu như cho nạng trượt trên các rãnh trượt.

Đường kính ngoài của nạng được làm nhẳn. Bề mặt nhẳn này lắp vào bề mặt của bạc đạn và phốt vào kín đầu ở trong hộp số.

Vỏ mang trục mở rộng để đỡ nạng khi nó trượt trong hộp số.
Phốt làm kín phía sau có hộp số nằm trên nạng và ngăn cản dầu bôi trơn rò rỉ ra phía sau hộp số. Phốt làm kín giữ bụi trên đường không vào hộp số và tách rời nạng.
Thông thường mặt ngoài của khớp nối trượt được bôi trơn bởi dầu hộp số. Dầu hộp số ngăn chặn bôi trơn ống máng trục, nạng và phốt làm kín.
Tuy nhiên, một vài loại nạng đòi hỏi bôi dầu nặng lên các rãnh trượt của chúng. Các rãnh trượt được làm kín từ dầu hộp số. Điều này làm cho dầu bôi trơn ngăn cách các rãng trượt.

Khớp nối đỡ trung gian trục các đăng

Gối để trung gian gồm có: giá đỡ, vòng đỡ cao su và vòng bi.
Khớp nối đỡ trung gian được dùng để giữ điểm giữa của trục chủ động hai khúc. Trọng tâm của bạc đạn được bắt vào sườn xe hoặc dưới khung xe. Nó nâng đỡ trung tâm các trục chủ động nơi hai trục nối nhau.

Hình 7. Khớp nối đỡ trung gian

1- vòng cao su giảm chẩn; 2- trục chủ động trước;
3- bạc đạn đỡ trung tâm; 4- trục chủ động sau; 5- bộ phận bắt ngang.

Vòng bi đỡ trục cacđăng đỡ hai phần của trục cacđăng ở vị trí giữa và được lắp qua mặt bích đến các then đặt ở đầu trục trung gian. Vòng bi đỡ trục cacđăng được minh họa dưới đây, bao gồm ống cao su bọc ngoài vòng bi, vòng trong đễ trục cacđăng và được lắp vào khung xe bởi giá đỡ.

Thực tế trục cacđăng được chia làm hai đoạn, sự dao động của trục cacđăng được hấp thụ bởi ống cao su để ngăn dao động truyền đến khung xe. Vì vậy, sự rung động và tiếng ồn gây ra bởi trục cacđăng ở phạm vi tốc độ cao được giảm tới mức tuyệt đối nhỏ

Hình 8. Vòng bi đỡ trục cacđăng.

Chú ý: Trước khi tháo vòng bi trục cacđăng, dấu ghi nhớ vị trí phải được đánh lên mặt bích trục cacđăng và trục trung gian để đảm bảo độ chính xác khi lắp nạng cacđăng sau khi bảo dưỡng. Nếu các chi tiết được lắp láp không có chuẩn là dấu ghi nhớ, thì sự rung động và tiếng ồn có thể sinh ra khi xe chuyển động.

Hình 9. Dấu ghi nhớ trục cac đăng

Khớp nối bi chữ thập của trục các đăng

Gồm 2 loại: Kiểu lắp vòng bi cứng và kiểu lắp vòng bi mềm.

Khớp nối bi chữ thập thường được sử dụng vì nó có cấu tạo đơn giản và chức năng chính xác. Nó có hai nạng, một nạng được hàn với trục cacđăng và nạng khác gắn lyền với bích nối hoặc khớp trượt, còn bi chữ thập (trục bi chữ thập) được lắp vào giữa chúng qua các vòng bi. Trục bi chữ thập được rèn từ loại thép cacbon đặt biệt và có 4 cổ trục được biến cứng bề mặt có độ bền cao và chống mòn.

Vòng bi đũa kim được lắp vào trong nắp vòng bi, nắp vòng bi được lắp ép vào lỗ trên nạng để giảm đến mức tối thiểu sự cản trở khi hoặt động giữa các cổ trục và nạng.
Để ngăn cản vòng bi nhảy ra ngoài khi trục cacđăng quay ở tốc độ cao, hoặc là vòng hãm, hoặc là tấm hãm được dùng để xiết chặt nắp vòng bi trong nắp vòng bi kiểu cứng. Đối với nắp vòng bi kiểu mềm, thì nắp vòng bi được xẽ rãnh.
Vì vậy nắp vòng bi kiểu mềm không thể tháo ra được.

Hình 10. Khớp nối bi chữ thập trục các đăng loại lắp ổ bi mỏng (không thể tháo rời)

Hình 11. Khớp nối bi chữ thập trục các đăng loại nắp ổ bi cứng (có thể tháo rời)

Quan hệ động học

Kết cấu của một khớp cac đăng đơn có trục chữ thập

Hình 12. Cấu tạo và nguyên lý của khớp nối bi chữ thập của trục các đăng

a- cấu tạo; b- sơ đồ nguyên lý

-    Nếu hai trục đồng tâm thì tốc độ quay của chúng như nhau (®2 = ®1).
-    Nếu hai trục không đồng tâm (góc lệch a) thì tốc độ quay của chúng khác nhau (®2 ^ ®1).
-    Nếu góc lệch a càng lớn thì sự chênh lệch (®2 -®1 )càng lớn.
Sự quay không điều trên trục bị động 2 làm tăng tải trọng động cho thân trục bị động và các chi tiết truyền lực sau nó, nhất là khi góc lệch a lớn.

Bố trí truyền động trục các đăng khác tốc trên ô tô

Trên ô tô thường dùng lyên hợp hai khớp dạng khác tốc (cacđăng kép), bố trí theo sơ đồ dạng chữ Z hay V.

Hình 13. Các dạng bố trí cac đăng trên ô tô

a- dạng chữ Z;b- dạng chữ V; c- dạng thân dài.

Như vậy toàn bộ cacđăng có ba trục: Chủ động 1, trung gian 2 (thân cacđăng), trục bị động 3. Giữa trục 1 và trục 2 là một khớp trục các đăng khác tốc, giữa trục 2 và trục 3 là một khớp nữa và chúng được đặt lệch với góc ai=a2. Nếu trục 1 quay đều, thì trục 2 quay không đều và trục 3 quay đều (®3=®1). Điều kiện này chỉ đúng khi góc ai=a2, và mặt phẳng các đầu nạng của trục trung gian 2 cùng nằm trên mặt phẳng, xem dấu trên trục.

Trên hình c là bố trí cacđăng kép cho cầu sau chủ động thường dùng cho các xe có dạng truyền thống với khoảng cách giữa các cụm lớn.

Cac đăng được chia thành nhiều đoạn. Đoạn đầu nối với hộp số chính (HSC). Đoạn giữa đặt treo trên khung xe bằng hai gối đỡ trung gian. Hai đầu của đoạn giữa bố trí hai khớp trục các đăng đơn. Đoạn sau nối với cầu chủ động thông qua một mặt bích.

Góc nghiêng giữa các đoạn thường nhỏ hơn 3 độ. Do vậy tốc độ quay của đoạn giữa thân trục có sai lệch rất nhỏ. Nhờ hai gối đỡ trung gian độ cứng vững của hệ thống cacđăng tăng lên đáng kể. Để giảm góc lệch của các đoạn thân trục, đường tâm trục động cơ đặt nghiêng dưới một góc thích hợp, đồng thời đường tâm trục cầu sâu nghiêng trên một góc trương ứng. Nhờ vậy mà đoạn thân trục giữa ít chịu ảnh hưởng do sự khác tốc gây nên (góc lệch a nhỏ).

Trên một số xe, do góc lệch không lớn nên khớp cacđăng ngay sau ổ đở trung gian được thay thế bằng khớp nối cao su đàn hồi (xem phần khớp nối đàn hồi).

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của trục các đăng đồng tốc

a. Nguyên lý hình thành cac đăng đồng tốc.

Nguyên lý hình thành trục các đăng đồng tốc có thể xem xét trên cơ sở một bộ truyền bánh răng côn ăn khớp có kích thước hình học giống nhau hoàn toàn như trên 
Khi hai đường tâm trục thay đổi. (tức là khi thay đổi góc nghiêng truyền mômem) điều kiện đồng tốc (®2 = ®1) được thực hiện nếu:
+ Giữ nguyên khoảng cách từ điểm truyền lực tới điểm giao nhau của hai đường tâm trục.
+ Điểm truyền lực luôn luôn nằm trên mặt phẳng phân giác của góc tạo nên giữa hai đường tâm trục.
Trong tường hợp kết cấu bi tại chổ truyền lực thực hiện truyền lực thông qua các viên bi cầu. Các viên bi phải nằm giữa hai phần chủ động và bị động (hình b).
- Để giữ cho các viên bi truyền lực luôn luôn nằm trên mặt phẳng phân giác, các cấu cụ thể thực hiện theo các kiểu khác nhau:
+ Tự định vị trên các rãnh cong (hình c).
+ Dùng các vòng định vị (hình d).
Thường trên các cầu trước chủ động việc truyền lực đòi hỏi góc đánh lái lớn (30 - 400), vì vậy các dạng khớp cacđăng đồng tốc có khả năng đáp ứng tốt. Các dạng tiêu biểu cho cacđăng đồng tốc dùng trên ô tô.
-    Cac đăng kiểu bi Veise.
-    Cac đăng kiểu bi Rzeppa.
-    Cac đăng kiểu Tripod.
-    Cac đăng kiểu chữ thập kép.
-    Cac đăng kiểu Tracta.
Các điều kiện lý thuyết khó thực hiện khi cơ cấu bị mòn, vì vậy cacđăng được chế tạo từ thép tốt, có độ bền và độ bền mòn cao, và đảm bảo bôi trơn tốt.

b.    Cac đăng kiểu bi veise-bendix

Trên cầu trước chủ động có dầm cầu cứng, hệ thống treo phụ thuộc, thường gặp loại trục các đăng bị kiểu này.
Trục chủ động có dạng nạng chữ C. Hai bên của một đầu nạng có các rãnh tròn chứa các viên bi truyền lực. Các rãnh tròn này được tạo với rãnh cong tròn có tâm là tâm của khớp với cung cong cho phép viên bi di chuyển trên nó xấp xỉ 300. Trong khớp có bốn viên bi nằm ngoài chịu trách nhiệm truyền lực. Khi quay theo một chiều chỉ có hai viên bi truyền lực.

Hình 14. Cấu tạo và nguyên lý làm việc cacđăng bi Veise-Bendix

Trục bị động có cấu tạo tương tự, nhưng lắp đối diện với các viên bi, và tạo nên một rãnh ôm hai mặt với viên bi.

Một viên bi thứ 5 nằm giữa tâm khớp, hai phía được tỳ vào hai nửa trục truyền lực. Nhờ rãnh tròn, viên bi giữa định vị các đệm tựa trong khoang vỏ của khớp, mà các viên bi ngoài chỉ có thể nằm trong mặt phẳng phân giác. Khi góc tạo nên giữa hai đường tâm trục là 30o thì các viên bi nằm trong mặt phẳng lệch với trạng thái trung gian là 15o.

Kết cấu trục các đăng kiểu bi Veise-Bendix không cho phép thay đổi chiều dài truyền lực bởi vậy chỉ có trên cầu dẫn hướng dạng vỏ cầu lyền.

Khớp được bôi trơn bằng mở và có các phớt chắn dầu kỹ lưỡng. Do điều kiện làm việc của khớp là truyền mômen xoắn tới bánh xe khi góc dẫn hướng thay đổi nên rãnh và bi bị mòn, điều đó có thể ảnh hưởng tới chất lượng truyền lực của xe.

Để đảm bảo điều kiện làm việc của khớp, cần thiết hạn chế góc quay lớn nhất các bánh xe dẫn hướng theo đúng tài lyệu hướng dẫn sử dụng, nhằm tránh hiện tượng các viên bi bị chạy khỏi rãnh tròn của nạng.

c. Cac đăng kiểu Rzeppa.

Hình 15. Cấu tạo cac đăng bi Rzeppa trên xe MISUBISHI PAJARO

Cấu tạo của trục các đăng bi kiểu này dùng khá phổ biến trên ôtô con cả với cầu chủ động dầm lyền và với hệ treo độc lập.

Trục chủ động nối lyền với bánh răng bán trục của cầu xe và đầu ngoài lắp then hoa với một phần quả cầu, trên bờ mặt ngoài quả cầu có sáu nửa rãnh tròn. Trục bị động là một hốc cầu có sáu nữa rãnh tròn trong, chứa các viên bi. Các viên bi nằm trong rãnh tròn giữa các nửa rãnh tròn trong và ngoài và được định vị bằng vòng định vị dạng cầu. Vòng định vị nằm sát với hốc cầu của trục chủ động, đóng vai trò tạo nên mặt phẳng phân giác chứa các viên bi. Góc lệch tối đa cho phép giữa hai đường tâm trục khoảng 40o, tương tự ứng với góc xoay viên bi ra khỏi vị trí trung gian mỗi bên 20o.

Kết cấu cho phép thay đổi chiều dài trục bằng mối ghép then hoa giữa trục bị động với quả cầu trong, nhưng không lớn. Sự dịch chuyển của nó bị hạn chế bởi vòng hãm trên đầu trục bị động.

Một dạng kết cấu tương tự (khớp cacđăng bi Lobro) nhưng cho phép dịch chuyển dọc tối đa 12 mm.

Khớp được bôi trơn bằng dầu truyền lực, và được bọc bởi vỏ cao su xếp.
Một số kết cấu có thêm vỏ khớp chế tạo từ thép nhằm tạo nên các lyên kết chịu tải và tăng khả năng bao kín.

d. Trục các đăng kiểu Tripod (ba chạc)

Hình 16. Cacđăng kiểu Tripod (ba chạc)

Cấu tạo của cacđăng Tripod gồm: Một thân bao hình trụ, trên đó xẻ ba rãnh dọc theo đường sinh.

Thân bao hình trụ nối phần trục chủ động bằng then hoa. Trục bị động lắp then hoa với một chạc ba và được cố định nhờ hai vành hãm. Trên các đầu trục của chạc ba bố trí các con lăn với hình bao con lăn dạng cầu. Con lăn vừa quay trên trục và vừa di chuyển dọc theo trục. Các con lăn bị hạn chế không chạy ra ngoài bởi gờ cao trên rãnh của thân bao hình trụ. Toàn bộ khớp được bọc trong một vỏ bọc cao su đàn hồi.

Khớp có khả năng truyền lực với góc lệch của hai đường tâm trục 45 độ, có khả năng di chuyển dọc trục lớn. Với các góc truyền lớn hơn 25o không có khả năng giữ điểm truyền lực nằm trong mặt phẳng phân giác, vì vậy khó đảm bảo khả năng đồng tốc. Tuy vậy so với các kiểu cacđăng đồng tốc trình bày ở phần trên, công nghệ chế tạo đơn giản và giá thành thấp hơn. Chúng thường được bố trí trên xe Minibus hay Pick-up cùng với các dạng cacđăng bi khác và tạo nên trục truyền (hai đầu hai dạng khớp khác nhau) dùng với hệ thống treo độc lập.

Trên ôtô con CITROEN C 32/35 và TOYOTA CROWN có cấu trúc dạng này. Một đầu là khớp cacđăng kiểu Tripod và một đầu là khớp kiểu Rzeppa. Đầu có cấu tạo kiểu Tripod ở phía ngoài tạo điều kiện lyên kết động học với trụ đứng trong hệ treo độc lập, đồng thời có khả năng di chuyển dọc trục lớn để bù chiều dài khi bánh xe dao động theo phương đứng.

Hình 17. Cacđăng đồng tốc TOYOTA CROWN.

e. Cac đăng kiểu chữ thập kép

Hình 18. Cacđăng kiểu chữ thập kép

a.    mặt cắt; b,c - cấu tạo.

Cacđăng kiểu chữ thập kép là biến hình của cacđăng khác tốc kép, bố trí kiểu chữ V mà chiều dài đoạn giữa (phần có tốc độ quay không đều) nhỏ. Loại cacđăng này thường thấy trên cầu chủ động có dầm cầu lyền của ôtô con tốc độ thấp. Các loại ôtô cao tốc không dùng.

Trên đoạn giữa của cacđăng đặt hai bộ ổ, trục chữ thập lyền kề nhau, do vậy khoảng cách thu nhỏ lại hơn. Chiều dài đoạn giữa còn vừa đủ để nối hai trục chữ thập