Vi sai khác?

Diferensial là một cơ cấu bánh răng truyền mô-men xoay do động cơ tạo ra bằng cách chia cho hai bánh xe trên cùng một trục và cho phép các bánh xe quay với tốc độ khác nhau. Khi xe vào cua, bánh xe phía ngoài phải quay nhanh hơn bánh xe phía trong vì nó đi quãng đường dài hơn; diferensial quản lý sự chênh lệch tốc độ này một cách cơ học. Khi làm điều đó, nó tuân theo một quy tắc cơ bản: tốc độ của bánh răng crown chính là trung bình chính xác của tốc độ hai bánh xe.

Tại Sao Diferensial Phải Tồn Tại?

Bạn có thể giải quyết vấn đề bằng một thí nghiệm hình học đơn giản. Hãy tưởng tượng bạn cho một chiếc xe vào một khúc cua hẹp: bánh xe ngoài di chuyển trên một đường tròn lớn hơn; trong khi bánh xe trong đi theo đường tròn nhỏ hơn. Bánh xe ngoài, phải đi quãng đường dài hơn trong cùng khoảng thời gian, cần quay nhanh hơn bánh xe trong. Chênh lệch lớn hơn bạn tưởng tượng; bán kính cua càng nhỏ, chênh lệch tốc độ càng lớn.

Hãy tưởng tượng hai bánh xe được nối cứng với nhau trên cùng một trục. Trong trường hợp này, bánh xe trong sẽ trượt do bị ép quay nhanh hơn quãng đường của nó; trong khi bánh xe ngoài bị kéo lê vì không thể quay đủ nhanh. Tình trạng này không chỉ làm mòn mặt lốp: nó còn tích tụ sự căng thẳng liên tục ở các trục và toàn bộ hệ thống truyền động. Xe karting và một số xe điện mặt đất hoạt động không có diferensial, nhưng đó là những thiết kế chấp nhận có chủ ý việc bánh xe trượt khi vào cua; trên ô tô, giải pháp này không bền vững.

Vì vậy, diferensial có bốn nhiệm vụ riêng biệt: nhờ cặp pinion và ring gear, đổi hướng công lực khoảng 90 độ, phân chia công lực giữa hai bánh xe trên cùng một trục, tăng mô-men xoay thông qua giảm tốc bánh răng và cho phép hai bánh xe quay với tốc độ khác nhau. Cả bốn đều được giải quyết bên trong cùng một thân máy nhỏ gọn.

Diferensial Phân Chia Công Lực Khi Vào Cua Như Thế Nào?

Câu trả lời nằm ẩn trong cấu trúc bên trong của nó. Chuyển động quay từ hộp số được truyền từ bánh răng pinion sang ring gear; ring gear mang cage của diferensial (carrier). Các bánh răng hành tinh nhỏ (bánh răng spider) nằm trong cage kết nối hai bánh răng mặt trời (bánh răng side) với nhau, và các bánh răng mặt trời truyền mô-men xoay đến các trục. Nói cách khác, hành trình của công lực diễn ra như sau: pinion đến ring gear; ring gear đến cage; cage đến các bánh răng hành tinh; các bánh răng hành tinh đến hai trục.

Điều gì thay đổi khi đi thẳng và khi vào cua?

Trên đường thẳng, cả hai bánh xe gặp cùng một lực cản và các bánh răng hành tinh không quay quanh trục của chúng; hệ thống hoạt động như một khối liền, cả hai bánh xe quay cùng tốc độ vành răng. Khi vào cua trái, bánh răng mặt trời bên trái phía trong sẽ tạo ra lực cản lớn hơn. Chênh lệch lực cản làm các bánh răng hành tinh quay quanh trục của chúng, và chính chuyển động quay bổ sung này làm chậm bánh trong và tăng tốc bánh ngoài với cùng tỷ lệ. Cơ chế này chuyển chênh lệch lực cản thành chênh lệch tốc độ ngay lập tức.

Tóm tắt toán học của tất cả những điều này chỉ là một dòng duy nhất: tốc độ quay của trục cầu bằng trung bình cộng tốc độ của hai bánh xe. Bánh ngoài tăng tốc bao nhiêu thì bánh trong giảm tốc đúng bấy nhiêu; tổng được bảo toàn. Sự đối xứng này chính là logic cơ bản làm cho vi sai trở nên dễ hiểu.

Về hiệu suất, bức tranh cũng tốt: mỗi cặp bánh răng tiếp xúc tạo ra tổn thất khoảng %1-2. Hệ thống đi qua ba điểm tiếp xúc từ hộp số đến các bán trục, thường hoạt động với hiệu suất %94-97.

Điểm yếu của vi sai mở: Tại sao bánh xe quay trống?

Đặc điểm quan trọng nhất của vi sai mở là cấu trúc truyền mô-men xoắn bằng nhau cho cả hai bánh xe. Điều này có vẻ vô hại khi vào cua nhưng gây ra hậu quả nghiêm trọng khi mất độ bám: mô-men xoay truyền đến cả hai bánh xe giảm xuống mức mà bánh xe có độ bám thấp nhất có thể truyền được. Nói ngắn gọn, bánh xe yếu nhất giới hạn toàn bộ trục cầu.

Cụ thể hóa vấn đề. Giả sử một bánh xe của bạn ở trên mặt đường băng hoặc lầy lội, bánh còn lại ở trên nhựa đường khô. Bánh xe trên băng không thể bám giữ; vi sai mở hướng toàn bộ công suất vào bánh xe quay trống đó, còn bánh xe trên mặt đường khô - nơi thực sự có thể tạo độ bám - gần như không nhận được công suất nào. Xe không thể thoát khỏi vị trí. Trái với quan niệm sai phổ biến, công suất không chảy sang bánh đối diện; ngược lại, nó dồn tụ ở bánh xe bị trượt.

Cùng vật lý đó cũng hoạt động khi ra khỏi cua. Khi tăng tốc mạnh để ra khỏi cua, trọng lượng xe dồn về phía ngoài; điều này làm giảm tải trọng lên bánh trong và do đó giảm độ bám của nó. Vi sai mở bắt đầu quay bánh trong đã nhẹ đi này, việc tiếp gas bị gián đoạn và bạn bị mất công suất. Biểu hiện khi lái xe rất quen thuộc: khi bạn tăng ga trong cua, lực tăng tốc phía trước đột ngột bị ngắt, mô-men xoắn chảy trống.

Vi sai trượt có giới hạn (LSD) tạo ra sự khác biệt gì?

Vi sai trượt có giới hạn là sự thỏa hiệp hợp lý giữa vi sai mở và vi sai khóa: hoạt động như vi sai mở trong điều kiện bình thường và bắt đầu hoạt động như vi sai khóa khi chênh lệch tốc độ giữa các bánh xe vượt quá một ngưỡng nhất định. Quá trình chuyển đổi này thường được thực hiện bằng một bộ ly hợp hoặc hệ thống ly hợp nhớt (viscous coupling).

Quay lại ví dụ về mặt đường băng ở trên: khi một bánh xe bắt đầu trượt, LSD ngăn bánh xe trượt quay tự do quá mức và đảm bảo mô-men xoay cũng được truyền đến bánh xe trên mặt đường khô. Còn trong ví dụ vào cua, kết quả như sau: khi bánh xe trong có xu hướng quay không tải, hệ thống ly hợp tạo ma sát lên hai bên trục cầu và định hướng mô-men xoay sang bánh xe ngoài. Không bị gián đoạn gas, lực tăng tốc khi ra cua được bảo toàn. Độ bám có thể dự đoán được này chính là lý do chính khiến LSD được ưa chuộng trên các xe hiệu suất cao.

LSD cũng có một lịch sử đáng chú ý: Vi sai giới hạn kiểu Torsen được Vernon Gleasman cấp bằng sáng chế vào năm 1958. Ngoài giá mua, cần tính đến việc trục có LSD có thể cần bảo dưỡng nhiều hơn vi sai hở; các đĩa ma sát hoặc bộ phận nhớt sẽ hao mòn theo thời gian và cần được bảo trì.

Vi Sai Khóa và Phân Tích Mô-men: Các Giải Pháp Ở Đầu Phổ

Vi sai khóa là một cách tiếp cận triệt để hơn: buoộc hai bánh xe quay cùng nhau như một trục duy nhất, bất kể điều kiện bám. Nó hoàn toàn ngăn việc một bánh xe quay trống khiến bạn bị kẹt giữa bùn, tuyết hoặc địa hình đá; vì vậy nó thường thấy nhất trên các xe địa hình (off-road). Nhưng cái giá của nó cũng rõ ràng: việc ép hai bánh xe quay cùng tốc độ trên các khúc cua nhựa đường tạo ra ứng suất không mong muốn lên lốp và hệ thống truyền động.

Ở đầu điện tử của phổ là phân tích mô-men (torque vectoring). Công nghệ này có thể gửi lượng mô-men thay đổi đến mỗi nửa trục và tính toán phân bố mô-men trong-ngoài ngay lập tức khi vào cua. Kết quả là độ ổn định cao hơn và khả năng vào cua tốt hơn; hãy nghĩ về nó như một lớp phần mềm được thêm vào cơ chế cơ học của vi sai.

So Sánh Các Loại Vi Sai

Lịch Sử Cũ Hơn Nhiều So Với Bạn Nghĩ

Gốc rễ của ý tưởng này kéo dài xa hơn nhiều so với ô tô. Người ta cho rằng cơ chế Antikythera (khoảng năm 100 TCN) có thể chứa bánh răng vi sai, nhưng điều này chưa chắc chắn. Bằng chứng chắc chắn đầu tiên về việc sử dụng vi sai thuộc về đồng hồ của Joseph Williamson vào năm 1720. Sự xuất hiện của nó trên sân khấu ô tô là một phát minh năm 1827: Onésiphore Pecqueur đã cấp bằng sáng chế vi sai cho một cỗ xe hơi nước, xác định giải pháp cơ bản mà chúng ta có trong bánh xe ngày nay. Một số nguồn tin cho rằng cơ chế này cũng xuất hiện ở Trung Quốc vào năm thế kỷ, nhưng một số nguồn tin cho rằng cơ chế này cũng xuất hiện ở Trung Quốc vào năm nhưng việc xác định thời gian này chưa được xác minh chính xác.

Cách Thực Tế Để Hiểu Vi Sai Trên Xe Của Bạn

Một trong những câu hỏi người lái thường hỏi nhất là làm sao phân biệt xe của họ dùng vi sai hở hay LSD. Có một dấu hiệu thực tế: khi khởi động hết ga trên mặt đường khô, có phải chỉ một bánh quay hay hai bánh cùng làm việc? Việc một bánh quay trống là dấu hiệu kinh điển của vi sai hở. Còn trên xe có LSD, bạn sẽ cảm nhận được độ bám dễ dự đoán hơn khi ra khỏi khúc cua và trên mặt đường ướt; việc mài mòn lốp cũng được phân bố đều hơn khi lái xe mạnh mẽ.

Việc LSD có thực sự cần thiết trong sử dụng hằng ngày hay không là một cuộc tranh luận chia rẽ giới tài xế thành hai phe. Trong khi một bên cho rằng nó mang lại độ bám và an toàn khi lái thể thao, bên kia lập luận rằng ở điều kiện sử dụng thông thường, việc vi sai mở để con lăn bánh sau mất bám kéo theo đuôi xe tự do là hợp lý hơn trong một số trường hợp. Tóm tắt trung thực dưới góc độ kỹ thuật là: vi sai mở mang lại sự êm ái, hiệu quả và rẻ; còn LSD phát huy tác dụng trên những mặt đường mà bạn không biết mô-men xoắn sẽ đi đâu. Điều kiện mặt đường và phong cách lái xe của bạn sẽ quyết định loại nào dành cho bạn.

Kết luận: Trung Bình Đơn Giản Là Một Trí Tuệ Tinh Tế

Điều làm nên vẻ thanh lịch của vi sai là nó giải quyết đồng thời hai nhiệm vụ bắt buộc mà không cần một bộ điều khiển phức tạp: phân chia mô-men xoắn và cho phép chênh lệch tốc độ. Quy luật tốc độ trung bình, như hệ quả tự nhiên của chênh lệch lực cản, lặng lẽ điều khiển các khúc cua. Điểm yếu của loại mở trong việc mất độ bám chính là vấn đề mà LSD và loại khóa tồn tại để giải quyết. Phía sau độ bám mượt mà mà bạn cảm nhận từ phía sau ở khúc cua là một trí tuệ kỹ thuật gần hai thế kỷ, có thể tóm gọn trong một dòng toán học.

Nguồn tham khảo

• Differential (mechanical device) - Wikipedia
• 2.972 How A Differential Works - MIT
• How Does a Differential Work | Diagram, Animation, and Images - H&R Parts
• How Does A Differential Work? - MAT Foundry Group
• How does a differential gear work? - tec-science
• Limited-slip differential - Wikipedia
• Understanding the Differences: Open, Locking, Limited Slip - AZ Backroads