Thường ít khi được nhắc đến trong các bảng mô tả thông số tổng quát, nhưng differential – bộ vi sai thực chất lại là một trong những thành phần quan trọng bậc nhất trên các mẫu ô tô hiện đại, đảm bảo xe vận hành đúng chức năng để người dùng có thể tận hưởng hết mọi lợi ích do chiếc xe mang lại mà không phải suy nghĩ quá nhiều.
Trước khi đi sâu vào tìm hiểu về bộ vi sai ô tô, chúng ta hãy bắt đầu từ những điều cơ bản nhất về lý do cần phải có bộ vi sai được trang bị trên xe hơi. Cho dù chiếc xe của bạn chạy bằng động cơ xăng, diesel, hệ thống hybrid lai với yếu tố điện khí hóa hay là xe thuần điện, thì nguồn năng lượng (mô-men xoắn hay sức kéo) sẽ được cung cấp tới các bánh xe thông qua trục truyền động. Vấn đề là ở mỗi trục có 2 bánh xe, nhưng không phải lúc nào mỗi bánh cũng cần phải nhận một lượng mô-men xoắn giống nhau.
Khi ô tô chạy trên đường thẳng, các bánh xe có tốc độ gần như tương đương nhau (không phải tuyệt đối 100% nhưng khác biệt thực chất rất nhỏ, không đáng kể), do đó không bị ảnh hưởng gì liên quan đến độ cân bằng hay khả năng ổn định của chiếc xe. Tuy nhiên mỗi khi xe vào cua, bánh xe ở phía bên ngoài cua cần phải di chuyển quãng đường dài hơn so với bánh xe ở phía bên trong cua, do đó cần phải quay nhanh hơn, nếu không sẽ xảy ra hiện tượng trượt bánh vô cùng nguy hiểm. Để cho tốc độ quay của các bánh xe được khác biệt, mỗi bánh xe cần phải được nhận lượng mô-men xoắn khác nhau. Đó là lúc cần đến thành phần có tên gọi differential – bộ vi sai.
Định nghĩa về bộ vi sai ô tô
Differential – bộ vi sai là một bộ phận quan trọng trong cụm trục dẫn động trước hoặc trục dẫn động sau của ô tô, cho phép chiếc xe của bạn có thể thực hiện thao tác vào cua mà không làm tổn hại đến hệ thống truyền động. Bộ vi sai thường được lắp đặt cùng với bộ phận truyền lực cuối, hay còn gọi là cầu xe. Chúng ta có thể tìm thấy bộ vi sai ở tất cả các mẫu xe hơi và xe tải hiện đại, đặc biệt là ở các xe dẫn động bốn bánh.
Đối với những người không rành về kỹ thuật ô tô và có thể chưa bao giờ nghe nói đến bộ vi sai ô tô, thực ra có thể họ đã được nhìn thấy bộ phận này ngoài đời nhưng chỉ đơn giản là không để ý đến. Bộ vi sai rất dễ thấy trên đường phố Việt Nam: mỗi khi đi sau một chiếc xe ba gác, hãy nhìn xuống phía dưới gầm xe, bạn sẽ thấy một ụ tròn nằm ở khoảng giữa của trục nối các bánh xe sau, đó là vị trí của một vi sai cầu sau tiêu biểu.
Khi xe vận hành, động cơ truyền mô-men xoắn thông qua hộp số đến trục truyền động rồi tiếp tục được bộ vi sai xử lý và phân chia đến các bánh xe chủ động. Bên trong bộ vi sai là các bánh răng có nhiệm vụ tăng hoặc giảm số vòng quay mỗi phút của mỗi bánh xe.
Cấu tạo của bộ vi sai ô tô
Bộ vi sai là một hệ thống các bánh răng gồm nhiều loại khác nhau, mỗi loại bánh răng được thiết kế với chức năng riêng biệt nhưng sẽ tác động qua lại đến những loại bánh răng khác trong hệ thống, để đảm bảo cho bộ vi sai có thể vận hành đúng với mục đích của nó.
Thông thường, một bộ vi sai ở dạng tiêu chuẩn sẽ bao gồm những thành phần như sau:
- Vỏ vi sai (Differential case): Lớp vỏ bao bọc bên ngoài, bảo vệ các bộ phận bên trong.
- Bán trục (Axle shafts): Hai nửa của trục truyền động từ bộ vi sai đến hai bánh xe.
- Trục pinion (Pinion shaft): Trục truyền sức kéo từ hộp số đến bộ vi sai.
- Bánh răng pinion (Pinion gear): Còn được gọi là bánh răng côn, gắn trên trục pinion, có vai trò truyền lực từ bánh răng chủ động đến các bánh răng hành tinh.
- Bánh răng chủ động (Ring gear): Bánh răng lớn được gắn vào vỏ vi sai, ăn khớp với bánh răng pinion, có vai trò nhận và truyền sức kéo từ bánh răng pinion đến các bánh răng hành tinh.
- Bánh răng hành tinh (Planet gears/Spider gears): Các bánh răng nhỏ nằm bên trong vỏ vi sai, ăn khớp với cả bánh răng chủ động và bánh răng vi sai, đóng vai trò trung gian trong việc truyền sức kéo và cho phép hai bánh xe quay với tốc độ khác nhau.
- Bánh răng vi sai (Side gears): Hai bánh răng được gắn vào hai bán trục, ăn khớp với nhau thông qua các bánh răng hành tinh, cho phép hai bánh xe quay với tốc độ khác nhau khi xe vào cua.
- Ổ bi (Bearings): Giảm ma sát và mài mòn giữa các bộ phận chuyển động.
Cơ chế hoạt động của bộ vi sai ô tô
Về cơ bản, bộ vi sai ô tô sẽ nhận được mô-men xoắn truyền từ động cơ qua hộp số. Bộ phận đầu tiên nhận sức kéo là khớp nối (mặt bích) ở bên ngoài lớp vỏ vi sai, kết nối với bánh răng pinion thông qua trục pinion, làm quay bánh răng chủ động. Từ đây, sức kéo được truyền đến 3 bánh răng hành tinh, chúng được kết nối với 2 bánh răng vi sai hoặc nhiều hơn mức đó, nối với bán trục.
Khi xe chạy thẳng, bởi sức cản trên 2 bánh song song là ngang nhau nên vận tốc góc của chúng là tương đương. Lúc này, toàn bộ các bánh răng chính bao gồm bánh răng pinion, bánh răng chủ động và bánh răng vi sai đều ăn khớp hoàn toàn, quay cùng tốc độ với nhau khi truyền lực dẫn động cho bánh xe. Riêng các bánh răng hành tinh không quay quanh trục của mình, mà chỉ chuyển động cùng với vỏ vi sai.
Khi xe vào cua hoặc bất cứ thao tác chuyển hướng nào khiến xe không hoàn toàn đi thẳng, lực cản lăn tác dụng lên bánh xe tiếp giáp với góc cua lớn hơn trên bánh bên ngoài. Điều này yêu cầu vận tốc bánh xe phía trong chậm lại, vận tốc góc của bánh giảm xuống. Trong khi đó, vận tốc góc của bánh phía ngoài cần tăng lên. Lúc này, các thành phần trong bộ vi sai có xu hướng thay đổi để điều chỉnh vận tốc từng bánh. Cụ thể, bánh răng kết nối với bánh xe ở trong cua sẽ được điều chỉnh quay chậm và ngược lại, bánh răng kết nối với bánh xe ở ngoài cua được điều chỉnh quay nhanh hơn. Bánh răng hành tinh quay quanh trục của mình, giúp điều chỉnh sự chênh lệch tốc độ quay giữa hai bánh răng vi sai.
Bằng cách kết hợp các bánh răng, bộ vi sai sẽ giúp mỗi bánh xe quay ở từng tốc độ riêng. Tỷ số răng giữa bánh răng chủ động và vành răng gọi là tỷ lệ bánh răng truyền của cầu sau (axle ratio) hay tỷ số truyền động cuối cùng. Tùy vào mục đích di chuyển mà tỷ số này được thiết lập khác nhau, ví dụ so với các loại xe dân dụng thông thường thì xe tải thương mại cần mô-men xoắn lớn hơn để kéo.
Phân biệt các loại vi sai khác nhau
Suốt hàng thập kỷ, trong ngành công nghiệp ô tô tồn tại 3 loại vi sai phổ biến bao gồm vi sai mở (open differential), vi sai khóa (locked differential) và vi sai hạn chế trượt (limited-slip differential/LSD). Theo thời gian, với sự phát triển của công nghệ, một số biến thể vi sai khác đã xuất hiện. Đối với một số loại xe thuần điện nhất định, với phần mô-tơ điện được đặt ở bánh xe, chính chúng đã đảm nhận vai trò dẫn động nên không cần đến thành phần vi sai truyền thống.
Dưới đây là những loại vi sai phổ biến nhất được sử dụng trên hầu hết các dòng xe ô tô hiện đại ngày nay:
- Vi sai mở (open differential): Đây là loại vi sai cơ bản nhất. Bạn sẽ tìm thấy phần lớn những thành phần đặc trưng của vi sai bên trong thiết kế này, từ trục pinion kết nối đến hộp số, các bánh răng chủ động, bánh răng hành tinh, bánh răng vi sai nối ra các bán trục… Như trên đã đề cập, đối với loại vi sai này thì các bánh răng hành tinh sẽ không kích hoạt khi xe đi thẳng và được kích hoạt để làm nhiệm vụ của chúng khi xe vào cua, chuyển hướng. Ưu điểm của vi sai mở là nhẹ, bền, rẻ và phù hợp với hầu hết nhu cầu sử dụng thông thường. Tuy nhiên, do đặc tính thiết kế nên mô-men xoắn truyền tới các bánh không đồng đều (vì tuân theo vật lý, sức kéo truyền đi theo hướng gặp ít cản trở nhất), khiến cho bánh xe nào ít độ bám hơn lại nhận được nhiều mô-men xoắn hơn và làm tăng khả năng trượt bánh, nhất là khi xe vận hành trên bề mặt trơn ướt.
- Vi sai khóa (locked differential): Về bản chất, vi sai khóa thực ra cũng chính là vi sai mở, nhưng được bổ sung thêm cơ cấu khóa để có thể khóa các trục bánh xe khi cần thiết. Khi cơ cấu này kích hoạt, cầu xe bị khóa trở thành cầu cứng, các bánh xe sẽ quay với cùng tốc độ, đảm bảo sức kéo được truyền đi ổn định và duy trì độ bám đường tối đa cho cả 2 bánh xe. Đây là điều rất hữu ích khi đi off-road hoặc trên địa hình trơn trượt nên thường được trang bị trên các dòng xe địa hình chuyên dụng. Ví dụ như một chiếc Jeep Wrangler Rubicon được trang bị cơ cấu khóa vi sai ở cả cầu trước và cầu sau. Tuy nhiên nhược điểm là nếu như sử dụng trên đường bình thường sẽ gây mòn lốp nhanh và ảnh hưởng xấu đến khả năng điều khiển xe, thậm chí có thể gây tổn hại nghiêm trọng đến toàn bộ hệ thống truyền động. Thế nên trước khi vào cua cần phải lưu ý mở khóa.
- Vi sai hàn (welded differential): Đây là loại vi sai khóa vĩnh viễn, khiến cho trục truyền động trở thành cầu cứng cố định, thường được áp dụng cho những xe dẫn động cầu sau dùng để biểu diễn drift. Đây có thể coi là công dụng duy nhất của kiểu vi sai này, vì ngoài sở trường khiến cho xe dễ đi ngang để người lái thoải mái thực hiện những pha drift “khét lẹt” thì nó không còn tác dụng gì khác. Do đặc tính thiết kế nên vi sai hàn phát sinh nhiệt lượng cực lớn trong quá trình vận hành và nếu không được tiết chế thì hoàn toàn có thể phát nổ, lúc đó chắc chắn sẽ kéo theo khá nhiều bộ phận quan trọng khác của chiếc xe cũng như gây nguy hiểm cho người lái. Nó cũng cực kỳ cồng kềnh ở tốc độ thấp vì nó khiến lốp rất dễ bị bào mòn khi cố gắng chuyển hướng theo cách thông thường. Vì vậy, trừ khi được sử dụng bởi những tay drift chuyên nghiệp hiểu rõ họ đang làm gì, loại vi sai này không khuyến khích trang bị cho xe lái hàng ngày.
- Vi sai hạn chế trượt (limited-slip differential/LSD): Để khắc phục nhược điểm của các loại vi sai mở và vi sai khóa, vi sai hạn chế trượt LSD ra đời và thường được bắt gặp trên các mẫu xe thể thao hiệu năng cao với hệ dẫn động cầu sau hoặc xe hai cầu 4WD. Vi sai LSD sẽ cho phép cả 2 bánh xe trên một trục truyền động có thể quay với tốc độ khác nhau, đồng thời giới hạn mức tốc độ nhanh nhất mà chúng được quay độc lập. Trên thực tế, có 2 loại vi sai LSD bao gồm LSD ly hợp cơ khí và LSD khớp nối thủy lực. Đối với LSD ly hợp cơ khí, các vòng áp suất tác dụng lực lên các đĩa ly hợp dọc theo các bánh răng làm khóa vi sai. Đây là cách hoạt động của hầu hết các xe dẫn động AWD kiểu thiên về cầu trước, chỉ kích hoạt cầu sau thông qua vi sai trung tâm. Trong khi đó, LSD khớp nối thủy lực sử dụng sức cản nhờ vào độ nhớt của dầu (thay cho các đĩa ly hợp) để làm giảm khả năng trượt của vi sai. Khi chất dầu này chịu tác dụng của lực, nó trở nên đặc hơn, buộc bộ vi sai phải khóa lại. Theo thời gian, độ nhớt sẽ dần mất đi, khiến LSD khớp nối thủy lực dần mất tác dụng nên cần bảo dưỡng thường xuyên.
- Vi sai Torsen (torque-sensing/cảm biến mô-men xoắn): Được thiết lập giống như vi sai mở nhưng có thêm bánh răng trục vít” bao quanh các bánh răng côn. Hầu hết thời gian Torsen hoạt động ở trạng thái mở và truyền mô-men xoắn bằng nhau giữa trục trước và trục sau. Khi một bánh xe trên một trục cụ thể bắt đầu quay nhanh hơn bánh xe đối diện, các bánh răng dẫn và bánh răng trục liên kết với nhau theo cách truyền lực tới bánh xe quay chậm hơn. Vi sai Torsen cho phép thiết kế nhiều bánh răng trục vít, có nghĩa là nhà sản xuất có thể điều chỉnh chúng theo thông số kỹ thuật của họ.
- Vi sai chủ động (active differential): Tương tự như vi sai LSD nhưng thay vì sử dụng các bộ phận cơ khí để điều khiển bộ ly hợp thì chúng được điều khiển bằng điện tử. Kiểu thiết kế này có nhiều lợi ích nhưng đòi hỏi chi phí cao nhất. Khi được trang bị nhiều cảm biến khác nhau, ECU của xe có thể thực hiện hàng triệu phép tính mỗi giây để xác định bánh xe nào cần được truyền bao nhiêu mô-men xoắn và trong bao lâu, đem lại sự chính xác gần như tuyệt đối trong mọi tình huống.
Tổng hợp
Le Hai.