Khớp nối nhớt là cơ cấu truyền lực tự động dựa trên độ nhớt của dầu silicone: khi có chênh lệch tốc độ giữa hai trục, lực cắt trong dầu tăng lên, kéo theo mô-men truyền lớn hơn và tạo hiệu ứng “khóa” tương đối. Thiết bị này thường dùng trong hệ dẫn động AWD kiểu on-demand hoặc ly hợp quạt làm mát. Bài viết trình bày cấu tạo đĩa – buồng dầu, nguyên lý làm việc theo chênh tốc, triệu chứng hư (trượt nhiều, khóa cứng, rung/ồn) và các bước kiểm tra cơ bản.
1. Giới thiệu về Viscous Coupling
Khớp nối nhớt (Viscous Coupling) là một cơ cấu dùng để điều chỉnh và hạn chế độ trượt trong hệ truyền động ô tô. Cơ cấu này hoạt động dựa trên dầu silicone có độ nhớt cao, cho phép truyền mô-men xoắn và kết nối linh hoạt giữa các trục dẫn động.
Khớp nối nhớt thường được sử dụng trong các hệ thống dẫn động bốn bánh (AWD/4WD) với vai trò vi sai trung tâm hoặc cơ cấu hỗ trợ vi sai trung tâm, giúp phân phối mô-men xoắn tự động giữa trục trước và trục sau mà không cần cơ cấu khóa cưỡng bức hay điều khiển điện tử phức tạp.
2. Cấu tạo của khớp nối nhớt (Viscous Coupling)
Viscous Coupling có cấu tạo tương tự ly hợp đa đĩa, gồm:
- Các đĩa thép và đĩa ma sát xếp xen kẽ, tạo thành cụm ly hợp.
- Một bộ đĩa liên kết với trục dẫn động (input shaft).
- Bộ còn lại liên kết với trục bị dẫn (output shaft).
- Toàn bộ cụm được đặt trong vỏ thép kín, bên trong chứa:
- Dầu silicone đặc biệt có đặc tính biến đổi độ nhớt theo nhiệt độ.
- Một lượng nhỏ không khí để duy trì áp suất.
- Dầu silicon sẽ đặc hơn khi nhiệt độ tăng, giúp tăng khả năng “bám” giữa các đĩa, từ đó truyền mô-men xoắn hiệu quả hơn khi cần thiết.
Chất liệu tạo thành silicone :
Silicone dùng trong Viscous Coupling không phải như một “loại dầu” đơn thuần mà là một họ vật liệu polymer tổng hợp có cấu trúc hóa học rất đặc biệt.
Về bản chất, silicone được tạo thành từ chuỗi polymer siloxane, trong đó các nguyên tử silic (Si) và oxy (O) liên kết xen kẽ với nhau, tạo thành bộ khung chính có dạng –Si–O–Si–O–Si–.
Trên mỗi nguyên tử silic lại gắn các nhóm hữu cơ, phổ biến nhất là nhóm methyl (–CH₃). Chính sự kết hợp giữa khung vô cơ Si–O và nhánh hữu cơ này làm cho silicone vừa có tính ổn định cao như vật liệu vô cơ, vừa có tính linh hoạt như vật liệu hữu cơ.
Khung liên kết silic–oxy có năng lượng liên kết rất lớn, bền hơn nhiều so với liên kết carbon–carbon trong dầu khoáng hay dầu tổng hợp thông thường. Nhờ đó, silicone chịu nhiệt tốt, ít bị phân hủy khi làm việc ở nhiệt độ cao và ít bị oxy hóa theo thời gian. Đây là lý do quan trọng khiến silicone được lựa chọn làm môi chất trong Viscous Coupling, nơi nhiệt sinh ra liên tục do hiện tượng trượt tương đối giữa các đĩa.
Các nhóm methyl gắn trên chuỗi polymer có tác dụng tạo khoảng cách giữa các mạch, làm cho các chuỗi silicone dễ trượt tương đối với nhau khi chịu lực nhỏ, nhưng lại tương tác mạnh khi mật độ lực cắt tăng cao. Chính đặc điểm này tạo nên hành vi của chất lỏng phi Newton, tức là độ nhớt của silicone không cố định mà tăng lên rõ rệt khi chịu lực cắt lớn. Trong Viscous Coupling, khi các đĩa quay chênh lệch tốc độ lớn, các chuỗi polymer silicone bị ép và “rối” vào nhau, làm dầu trở nên đặc hơn và tạo lực cản lớn để truyền mô-men.
Tùy theo mục đích sử dụng, silicone có thể tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau như dầu silicone, mỡ silicone, cao su silicone hay nhựa silicone. Trong Viscous Coupling, silicone được sử dụng ở dạng dầu silicone có trọng lượng phân tử rất cao, nghĩa là các chuỗi polymer dài, giúp tạo độ nhớt lớn và khả năng truyền mô-men hiệu quả mà không cần ma sát cơ khí trực tiếp.
Nhờ cấu trúc hóa học đặc biệt này, silicone vừa có tính ổn định nhiệt, ổn định hóa học, vừa có khả năng thay đổi trạng thái làm việc theo điều kiện cơ học. Trong Viscous Coupling, silicone không chỉ là môi chất truyền lực mà còn đóng vai trò như một “cơ cấu điều khiển tự động”, phản ứng trực tiếp với sự chênh lệch tốc độ quay để quyết định mức độ truyền mô-men. Đây chính là điểm khác biệt căn bản giữa silicone và các loại dầu bôi trơn thông thường trong hệ thống truyền lực ô tô.
3. Vai trò
Bộ viscous coupling là cơ cấu truyền mô-men dựa trên hiện tượng cắt của dầu silicon giữa các đĩa trong và đĩa ngoài.
Để đảm bảo quá trình truyền lực diễn ra êm dịu, ổn định và bền bỉ, ngoài cụm đĩa và dầu silicon, viscous coupling còn sử dụng hai yếu tố quan trọng nhưng thường ít được chú ý là vòng đệm và không khí.
Hai yếu tố này phối hợp với nhau để kiểm soát khe hở làm việc, áp suất nội bộ và đặc tính truyền mô-men của bộ ly hợp.
Vai trò vòng đệm:
Vòng đệm (shim, spacer ring) được bố trí xen kẽ trong cụm đĩa của viscous coupling. Chức năng chính của vòng đệm là duy trì khe hở làm việc chính xác giữa các đĩa trong và đĩa ngoài.
Nhờ có vòng đệm:
- Dầu silicon có không gian tồn tại và chịu hiện tượng cắt khi xuất hiện chênh lệch tốc độ quay.
- Các đĩa không tiếp xúc ma sát cơ khí trực tiếp trong điều kiện vận hành bình thường.
- Đặc tính truyền mô-men tăng dần của viscous coupling được duy trì ổn định.
Ngoài ra, vòng đệm còn giúp phân bố đều áp suất và tải trọng lên toàn bộ cụm đĩa, hạn chế cong vênh và mài mòn cục bộ. Khi áp suất nội bộ tăng cao, vòng đệm đóng vai trò giới hạn hành trình dịch chuyển của cụm đĩa, ngăn hiện tượng ép chặt quá mức gây khóa cứng hoặc hư hỏng kết cấu.
Vai trò không khí:
Trong viscous coupling, dầu silicon không được nạp đầy hoàn toàn mà luôn chừa lại một phần thể tích chứa không khí. Phần không khí này có vai trò điều hòa áp suất bên trong bộ ly hợp.
Khi xảy ra trượt giữa các đĩa, dầu silicon bị cắt và nóng lên, dẫn đến tăng độ nhớt và giãn nở thể tích. Phần không khí còn lại sẽ bị nén lại, tạo ra một thể tích đàn hồi để hấp thụ sự giãn nở của dầu. Nhờ đó, áp suất bên trong viscous coupling tăng lên từ từ và có kiểm soát.
Cơ chế này giúp:
- Hạn chế sốc áp suất nội bộ.
- Tránh hiện tượng khóa cứng đột ngột.
- Bảo vệ phớt làm kín và vỏ bộ ly hợp.
- Duy trì đặc tính truyền mô-men êm dịu và ổn định.
Sự phối hợp giữa vòng đệm và không khí:
Vòng đệm và không khí không hoạt động độc lập mà phối hợp chặt chẽ với nhau trong việc kiểm soát quá trình truyền lực của viscous coupling.
- Vòng đệm đảm bảo khe hở hình học chính xác giữa các đĩa, tạo điều kiện cho dầu silicon chịu cắt.
- Không khí điều chỉnh tốc độ tăng áp suất khi dầu silicon nóng và giãn nở.
- Sự kết hợp này giúp mô-men truyền tăng dần theo mức trượt, tránh rung giật và hiện tượng căng truyền động.
Nhờ có vòng đệm và không khí, viscous coupling đạt được đặc tính “khóa mềm”, tự động điều chỉnh mô-men truyền phù hợp với điều kiện vận hành của hệ thống 4WD / AWD.
4. Nguyên lý hoạt động
Khớp nối nhớt (viscous coupling) gồm các đĩa thép xen kẽ, đặt trong một vỏ kín chứa dầu silicone có độ nhớt cao. Cơ cấu này hoạt động hoàn toàn dựa trên hiện tượng ma sát nhớt (shearing) của chất lỏng khi có chênh lệch tốc độ quay giữa các trục.
- Điều kiện vận hành bình thường:
Khi xe chạy trên mặt đường có độ bám tốt, chênh lệch tốc độ giữa các trục dẫn động. Dầu silicone ở trạng thái lỏng, cho phép một mức trượt nhất định giữa các đĩa nhằm tránh hiện tượng căng truyền động (driveline windup).
- Khi bắt đầu trượt bánh:
Khi một trục quay nhanh hơn, chênh lệch tốc độ tăng làm dầu silicone bị cắt giữa các đĩa. Ma sát chất lỏng sinh nhiệt khiến độ nhớt dầu tăng lên, từ đó làm tăng mô-men truyền sang trục còn bám, cải thiện khả năng kéo và ổn định chuyển động.
- Trường hợp mất độ bám đường nghiêm trọng:
Khi chênh lệch tốc độ lớn và kéo dài, dầu silicone đặc lại mạnh, các đĩa bị liên kết chặt với nhau, khớp nối hoạt động gần như trạng thái khóa, phân phối mô-men xoắn xấp xỉ 50/50 giữa các trục.
- Cơ chế tự điều chỉnh:
Khi tốc độ quay giữa các trục cân bằng trở lại, nhiệt độ giảm, dầu silicone dần trở về trạng thái lỏng, mô-men truyền giảm theo và khớp nối trở lại chế độ làm việc bình thường.
Đặc điểm quan trọng của khớp nối nhớt là hoạt động hoàn toàn tự động theo điều kiện vận hành, không sử dụng cơ cấu điều khiển điện tử, vừa đảm bảo khả năng truyền mô-men khi cần thiết, vừa cho phép trượt có kiểm soát để bảo vệ hệ thống truyền động.
5. Ba giai đoạn hoạt động của Viscous Coupling
Giai đoạn 1 – Vận hành bình thường (Normal Operation)
- Các trục quay tốc độ gần bằng nhau.
- Dầu silicone ở trạng thái lỏng.
- Các đĩa quay tự do, không truyền lực đáng kể.
- Không có hiện tượng khóa ly hợp.
Giai đoạn 2 – Trượt nhẹ (Light Slip)
- Có sự chênh lệch tốc độ giữa các trục.
- Dầu silicone bắt đầu bị cắt, sinh nhiệt.
- Độ nhớt tăng nhẹ, truyền mô-men xoắn một phần.
- Các đĩa bắt đầu có lực cản tương tác.
Giai đoạn 3 – Trượt mạnh (High Slip)
- Chênh lệch tốc độ lớn giữa các trục.
- Dầu silicone đặc lại nhanh chóng.
- Các đĩa bị khóa, truyền mô-men xoắn tối đa.
- Mô-men xoắn được chia đều giữa các trục (50/50).
6. Ưu điểm và hạn chế
| Ưu điểm | Hạn chế |
|---|---|
| Hoạt động tự động, không cần điều khiển từ người lái | Phản ứng chậm hơn so với hệ thống điều khiển điện tử |
| Cấu tạo đơn giản, độ tin cậy cao | Không thể khóa cưỡng bức theo yêu cầu |
| Tăng độ bám đường khi cần thiết | Hiệu quả giảm nếu dầu silicone bị suy thoái theo thời gian |
7. Hạn chế kỹ thuật và các vấn đề thường gặp của khớp nối nhớt
Dù có cấu tạo đơn giản và độ tin cậy cao, khớp nối nhớt có phản ứng chậm do nguyên lý làm việc phụ thuộc hoàn toàn vào đặc tính của dầu silicone. Khi xảy ra trượt, cần thời gian để dầu bị cắt, sinh nhiệt và tăng độ nhớt thì mô-men truyền mới tăng, nên khả năng đáp ứng kém hơn các hệ thống điều khiển chủ động bằng điện tử.
Trong quá trình sử dụng lâu dài, dầu silicone có thể bị lão hóa do nhiệt và áp suất thay đổi, làm giảm hiệu quả truyền mô-men. Do là cụm kín không bảo dưỡng được, khi dầu hoặc các đĩa bên trong suy giảm, thường phải thay thế toàn bộ khớp nối.
Ngoài ra, khớp nối nhớt không có cơ cấu khóa cưỡng bức nên không phù hợp với điều kiện off-road nặng hoặc vận hành trượt kéo dài. Nhiệt tích lũy lớn có thể làm đặc tính truyền mô-men thay đổi, khiến hệ thống kém ổn định so với các giải pháp phân phối mô-men hiện đại có điều khiển điện tử.
Trên đây là toàn bộ thông tin về khớp nối nhớt (Viscous Coupling) 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:
