Trong hệ thống truyền lực, khớp các-đăng quyết định độ êm, hiệu suất và độ bền khi trục truyền làm việc ở góc lệch. Các đăng khác tốc (khớp chữ thập) có cấu tạo đơn giản, bền nhưng gây dao động tốc độ theo góc; trong khi các đăng đồng tốc (khớp CV—Rzeppa, tripod…) duy trì tốc độ vào–ra bằng nhau, tối ưu cho xe dẫn động cầu trước và các ứng dụng yêu cầu độ êm cao. Bài viết sẽ phân tích cấu tạo, nguyên lý, ưu nhược điểm và tiêu chí lựa chọn từng loại các đăng khác tốc, các đăng đồng tốc.
1. Giới thiệu
Một trục truyền động cầu (drive axle shaft) truyền mô-men xoắn từ động cơ (qua hộp số hoặc hộp số tích hợp vi sai – transaxle – nếu là xe dẫn động cầu trước) đến cụm cầu sau hoặc bánh xe dẫn động.
Driveshaft là thuật ngữ do Hiệp hội Kỹ sư Ô tô (SAE – Society of Automotive Engineers) sử dụng để chỉ trục nối giữa hộp số và cụm cầu sau trên xe dẫn động cầu sau. General Motors và một số hãng khác sử dụng thuật ngữ propeller shaft hoặc prop shaft để chỉ cùng một chi tiết này. Trong giáo trình này sẽ sử dụng thống nhất thuật ngữ theo SAE là driveshaft.
Một driveshaft điển hình là một ống thép rỗng.
- Ở một đầu, một ngàm chữ U có then hoa (splined end yoke) được hàn vào, đầu này lắp trượt vào các rãnh then hoa của trục ra (output shaft) của hộp số.
Xem Hình 123-3. - Ở đầu còn lại, một ngàm chữ U (end yoke) khác cũng được hàn vào.
- Một số trục các-đăng sử dụng bạc đỡ giữa (center support bearing) để cố định và giảm rung lắc.
2. Thiết kế trục các-đăng (Driveshaft Design)
Bề mặt của trục các-đăng (driveshaft) có thể bị hư hại do mỏi kim loại. Ống trục các-đăng có thể bị cong, và nếu bị móp thì có thể sụp (biến dạng). Khi trục bị móp, cần thay mới và tuyệt đối không cố gắng sửa chữa vết móp.
Hầu hết các xe con và xe tải nhẹ dẫn động cầu sau sử dụng trục các-đăng một đoạn hoặc hai đoạn.
- Trục các-đăng ống thép có chiều dài tối đa khoảng 65 inch (165 cm).
- Nếu vượt quá chiều dài giới hạn này, cần sử dụng bạc đỡ giữa (center support bearing), Ổ đỡ trung tâm (center support bearing) được sử dụng trên nhiều xe có trục các-đăng dài, chẳng hạn như các loại xe tải dài.
Một số nhà sản xuất ô tô sử dụng trục các-đăng bằng nhôm, loại này có thể dài tới 90 inch (230 cm) mà không gặp vấn đề gì.
- Nhiều mẫu xe bán tải cabin kéo dài (extended-cab pickup trucks) và một số xe van sử dụng trục nhôm để loại bỏ nhu cầu (và chi phí) lắp bạc đỡ giữa.
Ngoài ra, trục các-đăng bằng vật liệu composite cũng được sử dụng trên một số xe. Loại trục bằng sợi carbon kết hợp nhựa này vừa rất bền, vừa nhẹ, có thể chế tạo với chiều dài lớn mà không cần bạc đỡ giữa.
Để giảm tiếng ồn của trục các-đăng, người ta thường lót bên trong ống rỗng của trục bằng bìa cứng hoặc cao su. Cách này giúp loại bỏ tiếng “vang kim loại” (tinny sound) khi chuyển số từ tiến (drive) sang lùi (reverse) trên xe trang bị hộp số tự động.
3. Cân bằng trục các-đăng (Driveshaft Balance)
Tất cả các trục các-đăng đều được cân bằng động. Thông thường, bất kỳ trục nào có tốc độ quay lớn hơn 1.000 vòng/phút (RPM) đều phải được cân bằng.
Độ cân bằng của trục các-đăng nên nằm trong phạm vi 0,5% so với trọng lượng của chính trục. (Đây là một trong những lý do chính khiến trục nhôm hoặc trục composite có thể làm dài hơn — nhờ trọng lượng nhẹ của chúng).
Trục các-đăng thường không được bán theo kiểu “đúng hãng, đúng đời xe, đúng năm sản xuất” vì tại nhà máy có quá nhiều biến thể khác nhau, chẳng hạn như:
- Loại hộp số
- Loại vi sai
- Kiểu khớp chữ thập (U-joint)
Để đặt mua trục các-đăng thay thế, thường cần biết:
- Loại hoặc kiểu khớp chữ thập (series of U-joints)
- Khoảng cách từ tâm khớp chữ thập này đến tâm khớp chữ thập kia (center-to-center distance).
Thiết kế và nguyên lý hoạt động của khớp chữ thập (U-joint Design and Operation)
4. Các bộ phận liên quan
Khớp chữ thập (Universal joints – U-joints) được sử dụng ở cả hai đầu của trục các-đăng. U-joint cho phép bánh xe và cầu sau di chuyển lên xuống, vẫn giữ được tính linh hoạt và đồng thời truyền mô-men xoắn đến bánh xe dẫn động.
Một khớp chữ thập đơn giản có thể được tạo thành từ hai ngàm chữ U (Y-shaped yokes) được nối với nhau bằng một chi tiết chữ thập gọi là cross hoặc spider.
Bốn nhánh của chi tiết chữ thập này được gọi là trunnions (chốt trục chữ thập).
Xem hình sau để thấy bản vẽ khớp chữ thập đơn giản với đầy đủ tên gọi các bộ phận.
Thiết kế tương tự cũng được dùng trong loại khớp nối phổ biến của bộ cần siết tuýp (socket wrench set).
Hầu hết các khớp chữ thập được gọi là khớp chữ thập-yoke hoặc khớp Cardan. Tên Cardan được đặt theo tên một nhà toán học người Ý thế kỷ 16, người đã nghiên cứu các vật thể có thể chuyển động tự do theo mọi hướng.
Mô-men xoắn từ động cơ được truyền qua khớp chữ thập. Động cơ quay khớp chữ thập với tốc độ ổn định, nhưng tốc độ đầu ra của khớp chữ thập lại thay đổi do góc nghiêng của khớp. Tốc độ này thay đổi hai lần trong mỗi vòng quay.
Góc làm việc càng lớn thì sự thay đổi tốc độ (vận tốc) càng lớn.
- Ở phần dưới của biểu đồ, tốc độ đầu vào cố định là 1000 vòng/phút (RPM), trong khi tốc độ đầu ra dao động từ 900 đến 1100 RPM khi góc lệch của khớp chỉ là 10°.
- Ở phần trên của biểu đồ, tốc độ đầu vào vẫn là 1000 RPM, nhưng tốc độ đầu ra biến thiên rộng hơn từ 700 đến 1200 RPM khi góc lệch khớp tăng lên 30°.
5. Nguyên lý hoạt động của khớp chữ thập (U-joint Operation)
Nếu chỉ sử dụng một khớp chữ thập duy nhất trong hệ truyền động, sự thay đổi tốc độ ở đầu ra (phía trục dẫn động) sẽ gây ra rung động trong hệ truyền động.
Để giảm rung này, người ta sử dụng thêm một khớp chữ thập thứ hai ở đầu kia của trục các-đăng.
Nếu góc làm việc của hai khớp gần như bằng nhau, sự tăng tốc và giảm tốc của khớp thứ nhất sẽ được bù trừ bởi sự giảm tốc và tăng tốc ngược lại của khớp thứ hai.
Điều rất quan trọng là cả hai khớp chữ thập phải hoạt động ở góc gần như bằng nhau để tránh rung động quá mức của hệ truyền động.
6. Góc làm việc cho phép của khớp chữ thập (Acceptable Working Angles)
- Khớp chữ thập dùng trong trục các-đăng điển hình nên có góc làm việc từ 0,5 đến 3 độ (xem hình phía dưới).
- Góc làm việc là góc giữa đầu truyền động (driving end) và đầu nhận động (driven end) của khớp nối.
- Nếu trục các-đăng thẳng hoàn toàn (góc làm việc 0 độ), thì các bạc kim bên trong chén bạc sẽ không quay, vì không có lực (hay sự khác biệt về góc) để làm các bạc kim quay.
- Điều này làm giảm ma sát và mài mòn bên trong khớp nối.
Nếu các bạc kim (needle bearings) không quay, chúng sẽ tạo ra áp lực liên tục tại một vị trí cố định và làm hỏng ổ trục (bearing journal).
Nếu sử dụng trục các-đăng hai đoạn, thì một khớp chữ thập (thường là khớp phía trước) sẽ hoạt động ở góc làm việc nhỏ khoảng 0,5 độ, đủ để giữ cho các bạc kim quay đều. Hai khớp chữ thập còn lại (ở bạc đỡ giữa và khớp phía sau tại bộ vi sai) sẽ hoạt động ở các góc làm việc điển hình như trên trục một đoạn.
Nếu góc làm việc của hai khớp chữ thập khác nhau hơn 0,5 độ, thường sẽ xuất hiện rung động liên quan đến mô-men xoắn. Khi xe bắt đầu tăng tốc từ trạng thái đứng yên, mô-men xoắn của động cơ có thể làm cho các góc trục truyền động không đều do vi sai xoay trên các tay đỡ hệ thống treo. Rung động này rõ nhất khi xe chở tải nặng và tăng tốc ở tốc độ thấp, và thường giảm dần khi tốc độ tăng lên do mô-men xoắn truyền giảm.
Nếu góc làm việc của trục các-đăng quá lớn (trên 3 độ), sẽ xuất hiện rung động tăng dần theo tốc độ xe và trục các-đăng.
Trên đây là toàn bộ thông tin về chủ đề các đăng khác tốc, các đăng đồng tốc mà trung tâm VATC muốn gửi đến bạn. Hy vọng bài viết này sẽ bổ ích và hữu dụng với bạn.
Nếu bạn có đang đam mê hoặc muốn tìm hiểu về các khóa học trong ngành ô tô thì liên hệ ngay với trung tâm VATC theo thông tin dưới đây để được tư vấn chi tiết nhất nhé!
Trung Tâm Huấn Luyện Kỹ Thuật Ô Tô Việt Nam – VATC
- Địa chỉ: Số 4-6, Đường số 4, Phường Hiệp Bình Phước, Thành Phố Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh
- Điện thoại: 0945711717
- Email: info@oto.edu.vn
Xem thêm:
