Bộ vi sai là gì? Nguyên lý & Cấu tạo của bộ vi sai ô tô, khóa vi sai ô tô

Bộ vi sai là gì ?

Bô vi sai là bộ phận được đặt giữa các bánh xe của cầu chủ động có tác dụng đảm bảo cho các bánh xe quay với vận tốc khác nhau khi xe vòng hoặc chuyển động không bằng phẵng, hoặc có sự khác nhau giữa các bán kính lăn của hai bánh xe, đồng thời phân phối lại mô men xoắn cho hai nửa trục trong các trường hợp nêu trên. Bộ vi sai được dịch sang tiếng Anh là "a Differential" 

Bộ vi sai đặt giữa các cầu chủ động có tác dụng phân phối mômen xoắn cho các cầu theo yêu cầu thiết kế nhằm nâng cao tính năng kéo của xe có nhiều cầu chủ động. 

Cấu tạo bộ vi sai ô tô

Xe động cơ đặt dọc.

Hình 1. Cấu tạo của bộ vi sai

Bánh răng cuối cùng và bánh răng vi sai trong thực tế được lắp thành một bộ, như chỉ ra ở hình vẽ và được lắp trực tiếp trong vỏ đỡ vi sai; và sau đó, nó được lắp vào vỏ cầu sau, thân xe hay khung.

Khớp các đăng của trục các đăng được lắp vào mặt bích nối và làm quay bánh răng quả dứa qua mặt bích nối. Bánh răng chủ động được lắp vào vỏ đỡ vi sai bởi hai vòng bi đũa côn.

Bánh răng vành chậu và vỏ vi sai được lắp lyên nhau thành một khối sau đó lắp vào vỏ đỡ vi sai qua hai vòng bi bán trục.

Đai ốc điều chỉnh hoặc đệm điều chỉnh được lắp bên ngoài của mỗi vòng bi bán trục để điều chỉnh khe hở ăn khớp giữa bánh răng quả dứa và bánh răng vành chậu.
Bánh răng bán trục và trục cầu sau được lắp với nhau qua các then. Có phớt chắn dầu ở gần mặt bích nối để ngăn chảy dầu.

Xe động cơ đặt ngang:

Bộ vi sai trong xe động cơ đặt ngang được gắn lyền với hộp số, có cầu trước chủ động động. Cụm vi sai được đặt giữa vỏ phía hộp số và vỏ phía vi sai. Bánh răng nghiên được dùng làm bánh răng lớn. Bánh răng này lyền với vỏ vi sai và được lắp trong vỏ hộp số phía vi sai qua hai vòng bi bán trục.

Một đệm điều chỉnh được lắp vào bên trái của vòng bi bán trục bên trái và một đệm điều chỉnh lắp vào phía bên phải của vòng bi bán trục bên phải. Tải trọng ban đầu trên các vòng bi được điều chỉnh bằng sự thay đổi chiều dày của đệm này. Bán trục ăn khớp với các then hoa bên trong bánh răng bán trục.

Thông thường có 2 bánh răng hành tinh, nhưng ở bộ vi sai cho xe công suất cao, thì thường dùng bốn bánh răng hành tinh.

Nguyên lý hoạt động của bộ vi sai

Hình 2. Nguyên lý hoạt động của bộ vi sai

Khi xe vào đường vòng, vết các bánh xe sẽ tạo một đường tròn đồng tâm, tâm các đường tròn nằm trên một đường thẳng nối dài đi qua hai tâm của bánh sau. Do đó bánh xe ngoài sẽ lăn nhiều hơn bánh xe trong.

Nếu các bánh xe sau được ăn khớp bánh răng cố định với trục các đăng thẳng vào trục bánh xe bên trong sẽ trượt trên mặt đường. Như vậy vỏ (lốp) xe sẽ mòn nhanh hơn và gây ứng suất xoắn trên trục làm cho việc đi vào đường vòng không ổ định bộ vi sai sẽ loại bỏ được trục trặc này, bởi vì nó cho phép các bánh xe quay ở những đường tròn khác nhau.

Nguyên lý làm việc của bộ vi sai

+ Khi chuyển động thẳng trên đường bằng phẳng, quãng đường lăn của hai bánh xe bằng nhau, nếu lực cản trên hai bánh xe như nhau, sẽ làm cho các bánh răng bán trục quay cùng tốc độ, như vậy bánh răng hành tinh không quay quanh trục của nó, mà chỉ cùng quay quanh trục của bán trục. Mômen truyền xuống từ vỏ vi sai cân bằng với mômen cản lăn tại vết tiếp xúc của bánh xe

+ Khi đi trên đường vòng, quãng đường lăn của các bánh xe khác nhau, các bánh răng bán trục quay với các tốc độ góc khác nhau, hoặc lực cản của các bánh xe khác nhau dẫn tới tốc độ góc các bánh răng bán trục cũng khác nhau. Như vậy bánh răng hành tinh vừa quay quanh trục của nó với tốc độ góc ®ht và quay quanh đường tâm trục của bánh răng bán trục với tốc độ vht.

Mômen truyền xuống từ vỏ vi sai cân bằng với mômen cản đặt tại tâm trục của bánh răng hành tinh vi sai Mt + Mp. trên bánh răng hành tinh vi sai: Do sự không cân bằng của các lực ăn khớp tạo nên mômen quay bánh răng hành tinh vi sai xung quanh trục của nó với giá trị bằng Mt - Mp, mômen còn lại bằng giá trị mp tác dụng cho cả các bánh răng bán trục hai bên. 

Việc sử dụng vi sai đối xứng như trên cho phép các bánh xe quay với tốc độ khác nhau, hạn chế mài mòn lớp xe, nhưng lại làm xấu khả năng truyền lực của cầu chủ động, đồng thời có thể làm tăng khả năng tiêu hao nhiên lyệu của ôtô.

Các loại vi sai ô tô

Vi sai đối xứng

Vi sai đối xứng thuộc loại vi sai có ma sát trong nhỏ. Trong các loại vi sai hiện nay cùng loại này. Sư khác nhau vi sai đối xứng lắp trên xe này hay xe khác ở số bánh răng vi sai, ở kết cấu vỏ vi sai và các bánh răng bán trục.

Hình 3. Sơ đồ hai bánh răng hành tinh và hộp số vi sai liền

1,5- bán trục;2-vỏ vi sai; 3,4- bánh răng bán trục; 6-bánh răng vi sai; 7-vành răng truyền lực chỉnh; 8- trục.

Trên ô tô du lịch thường dùng loại vi sai đối xứng với bánh răng hành tinh và vỏ vi sai lyền, không tháo rời để bảo vệ độ cứng vững tốt. Trên ô tô tải thường dùng có bốn bánh răng hành tinh và vỏ vi sai tháo rời được vì vậy độ cứng vững giảm và điều kiện làm việc của các bánh răng truyền lực chính kém đi.

Mặt tháo rời thường đi qua trục của bánh răng hành tinh, các nửa vỏ được lắp đồng tâm nhờ các gờ, siết các nửa vỏ bằng bulông và đôi khi dùng đinh tán.

Vỏ vi sai dùng bánh 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 hoăc bằng thép 45.

Hình 4. Sơ đồ kết cấu vỏ hộp vi sai loại tháo được

Ổ bi vỏ vi sai được lắp giữa phần ngoài cùng vỏ vi sai và vỏ cầu. Mặt bích trên vỏ vi sai dùng để gắn bánh răng bị động của truyền lực chính. Hai nửa vỏ vi sai gắn chặt bánh răng bị động bằng bulông 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 láp trong vỏ vi sai. Chúng là những bánh răng 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.

Vi sai đối xứng kiểu bánh răng nón

Bộ vi sai nằm trong lòng bánh răng bị động của truyền lực chính và gồm: Vỏ vi sai đồng thời là thân bánh răng bị động, hai bánh răng mặt trời (bánh răng bán trục), hai hoặc bốn bánh hành tinh (bánh răng vi sai), trục vi sai, các bán trục dẫn ra bánh xe phải, trái, các đệm tựa lưng cho các bánh răng. Bánh răng vi sai quay trên trục vi sai và quay cùng vỏ vi sai.

Hình 5. Vi sai đối xứng kiểu bánh răng nón

1,4.bánh răng bán trục;2.bánh răng hành tinh; 3. trục chữ thập(trục bánh răng
hành tinh

Các bánh xe chủ động luôn nối với trục bị động của truyền lực chính thông qua sự ăn khớp của bộ vi sai, đồng thời các bánh xe gắn then hoa với bánh răng bán trục.

Vi sai đối xứng kiểu bánh răng trụ

Hình 6. Vi sai đối xứng hình trụ

Trên một vài loại ô tô con người ta sử dụng bộ vi sai hình trụ đối xứng nếu cùng truyền một mômen thì vi sai loại bánh răng trụ đối xứng có bề ngang bé hơn nhưng bán kính lại lớn hơn so với loại vi sai có bánh răng nón đối xứng . để tăng khoảng cách gầm xe người ta giảm kích thước của bánh răng bị động truyền lực trung ương. 

Khóa vi sai

Kết cấu dùng các bộ truyền ma sát trong cao thường có giá thành cao, vì vậy đơn giản hơn có thể dùng khoá vi sai trong thời gian ngắn ở các dạng:

-    Khoá cứng hai bộ phận với nhau: Khoá vỏ vi sai với một trong hai bánh răng bán trục. Hiện nay thường dùng hơn;
-    Khớp có hành trình tự do: Khoá vỏ vi sai với bánh răng bán trục, khoá hai bánh răng bán trục với nhau. Trong trường hợp này:nt = np ; Mt ^ Mp

Sự khác nhau của mômen trên các bánh xe của cùng một cầu, khi nối cứng hai bán trục lại, gây nên quá tải cho kết cầu nối cứng và các bán trục, đồng thời rất khó điều khiển vành lái. Vì vậy các xe sử dụng kết cấu này có thêm đèn (LOCK- UP) hay còi báo hiệu để tránh bánh lái khi sử dụng ở chế độ khoá vi sai.

Sử dụng khoá cứng vi sai chỉ dùng với một thời gian ngắn, vì vậy khi vượt quá quãng đường xấu phải mở cơ cấu khoá vi sai, nhầm tránh quá tải lâu dài.

Hình 7. Vi sai và nguyên lý khoá vi sai

a- cơ cẩu vi sai có khoá cứng vi sai; b- sơ đồ cơ cẩu khoá vi sai.

Hệ thống chống vượt quay ASD thuộc loại tự động khoá vi sai, đặt trên PORSCHE
(1987) của hãng MERCEDES-BENS.

“ ASD Automatisches Sperrdifferential”

Hệ thống ASD bao gồm khớp ma sát kép và cơ cấu khoá cứng vi sai.

Trên xe bố trí ba cảm biến tốc độ: Hai trên các bánh xe trước và một cảm biến đặt tại bánh răng chủ động của cầu xe, bộ điều khiển trung tâm và hệ thống thuỷ lực.
Hệ thống thủy lực gồm bơm dầu được dẫn động cơ, bình dự trữ dầu áp suất thấp, bình dự trữ dầu áp suất cao và điện từ, được điều khiển tự động. Các khớp ma sát được điều khiển bởi pittông thủy lực.

Số vòng quay của cầu sau chủ động được so sánh số vòng quay của hai bánh trước (giống như của ABS). Khi xuất hiện sự sai khác tốc độ quay của bánh xe đến giới hạn cho phép, bộ điều khiển trung tâm, van điện từ điều khiển nối mạch thủy lực đóng khớp ma sát, tạo nên khóa cứng vi sai. Sự khoá cứng vi sai duy trì cho đến khi ôtô dừng lại, sau đó khởi hành lại xe ở chế độ khoá cứng vi sai. Hiện tượng khoá cứng vi sai tự động kết thúc khi tốc độ của bánh xe nằm dưới giới hạn cho phép (định trước).

Hệ thống ASD cho phép làm việc chỉ với tốc độ trung bình của ôtô, để không làm xấu tính điều khiển của xe.