Xe và Công nghệ Khái quát về hệ truyền động trên ôtô

Khái quát về hệ truyền động trên ôtô

Nếu như một động cơ khỏe nhưng không thể truyền tải được toàn bộ lượng năng lượng sinh ra đến điểm cuối là các bánh xe thì đó sẽ là 1 sự phí phạm không chỉ với người lái mà còn ở phía nhà sản xuất. Chính vì thế, hệ thống truyền động là 1 trong những hệ thống quan trọng nhất quyết định tới sự linh hoạt của xe, sự trải nghiệm của người lái trên quãng đường đi.

​

Về cơ bản, hiện nay có 4 cơ cấu truyền động phổ biến nhất bao gồm:

• FWD (Front-Wheel Drive) : hệ truyền động cầu trước. Trên xe có trang bị FWD thì 2 bánh trước là 2 bánh trực tiếp nhận được năng lượng sinh ra bởi động cơ đốt trong và cũng chính 2 bánh trước làm nhiệm vụ “kéo” chiếc xe di chuyển đồng thời làm nhiệm vụ chỉnh hướng.
• RWD (Rear-Wheel Drive) : là hệ truyền động cầu sau. Hoạt động của hệ thống này tương tự như FWD nhưng lần này là 2 bánh sau quay và “đẩy” 2 bánh trước lăn theo.
• AWD (All-Wheel Drive) : là hệ truyền động 4 bánh toàn thời gian. Đây là hệ truyền động thuộc các dòng xe cao cấp. Ở AWD, cả 4 bánh đều nhận được năng lượng sinh ra bởi động cơ xe. Cấu tạo của hệ AWD cho phép điều chỉnh lượng năng lượng nhận được trên từng bánh sao cho xe có độ cân bằng tốt nhất trong từng trường hợp.
• 4WD (4-Wheels Drive) : cũng là hệ truyền động 4 bánh nhưng là loại bán thời gian. Đây là hệ thống chủ yếu được trang bị trên các xe gầm cao (SUV, Crossover, Off-road). Những chiếc xe trang bị hệ thống truyền động này có thể “quay” được cả 4 bánh cùng lúc hoặc chỉ 2 bánh tùy vào lựa chọn của người lái thông qua một cơ cấu “gài cầu” bên trong xe.

Mỗi hệ truyền động cầu trước, cầu sau, 4WD và AWD đều có ưu điểm và nhược điểm riêng. Tùy thuộc vào nhu cầu và mục đích sử dụng mà các hãng sản xuất sẽ trang bị một hệ truyền động thích hợp cho chiếc xe. Bài dưới sẽ đi vào phân tích, giới thiệu một số nét chính cần biết về hệ thống truyền động của xe ôtô nhằm giúp các bạn có cái nhìn rõ nét hơn.

1. Hệ thống truyền động cầu trước (FWD)

Đa số các mẫu xe đi trong thành phố ngày nay đều được trang bị hệ thống truyền động phổ biến này. Vào những năm đầu thế kỷ 20, kiểu dẫn động cầu trước (FWD) là thuộc loại “hàng hiếm” vì đa số các loại xe đều được trang bị hệ thống truyền động cầu sau (RWD). Nhưng ở thời điểm hiện tại, kiểu dẫn động FWD lại được trang bị trên khoảng 70% số xe mới xuất xưởng. Nguyên nhân chính nằm ở chỗ các xe hiện đại đều có động cơ đặt trước thay vì đặt sau như trước kia qua đó nới rộng không gian của khoang lái. Và một phần vì cơ cấu truyền động từ trước ra sau khá tốn kém và làm giảm hiệu suất chung của xe nên hệ truyền động cầu trước được cho là 1 giải pháp khả thi nhất.

​

Lợi ích rõ rệt nhất của hệ truyền động cầu trước đó là cấu tạo được tối giản hóa hết mức so với các hệ truyền động khác. Vì động cơ thường được đặt ở phía trước khoang lái, ngay trên cầu trước của xe, nên khoảng cách truyền tải năng lượng được giảm xuống tối đa, do đó số lượng chi tiết cơ khí giảm, lượng thất thoát năng lượng và khối lượng xe cũng giảm, chưa kể giá thành sản xuất của chiếc xe sẽ vì thế mà thấp hơn.

Ngoài ra, vì toàn bộ cơ cấu truyền động của chiếc xe tập trùng ở dưới nắp capô trước vì thế không tốn quá nhiều không gian của xe, các hệ thống phụ trợ như hệ thống treo, hệ thống phanh, hệ thống xả thải cũng được thiết kế tập trung, gọn gàng hơn. Điều này ảnh hưởng không nhỏ đến không gian khoang lái, có thể dễ dàng nhận thấy là các xe FWD thường có không gian rộng rãi, thoải mái hơn các xe có gắn hệ truyền động cầu sau hoặc AWD.

Tuy nhiên, ngoài những ưu điểm thiết kế kể trên, hệ truyền động cầu trước có một số nhược điểm liên quan tới tính năng vận hành của xe. Đầu tiên, do sự phân bố trọng lượng tập trung nhiều hơn vào phần đầu xe, một chiếc xe trang bị hệ truyền động cầu trước khó có thể tăng tốc nhanh và luôn thất thế so với xe dẫn động cầu sau trên các đoạn đường thẳng. Do trọng lượng dồn về phía trước nhiều hơn khiến phần đuôi trở nên nhẹ hẳn nên việc điều khiển một chiếc xe sử dụng hệ thống FWD rất dễ có cảm giác mất kiểm soát đối với chiếc xe đặc biệt khi vào cua. Chính bởi cầu sau nhẹ hơn nên trong các khúc cua, các bánh sau không có đủ lực tác dụng lên bề mặt đường để tạo độ bám vì vậy sẽ dễ bị trượt và không còn ma sát với mặt đường, nhất là trong điều kiện mặt đường trơn trượt.

Bạn có thể thấy, việc trang bị hệ truyền động cầu trước giúp xe giảm tải được rất nhiều chi tiết cơ khí khác do cầu trước của xe được tích hợp rất nhiều nhiệm vụ (cùng lúc dẫn động xe nhưng đồng thời định hướng cho xe, phanh, v.v…). Xem xét kỹ thì đây vừa là ưu điểm những cũng là nhược điểm cuối cùng của FWD. Tại sao chiếc xe của bạn đi bằng 4 bánh nhưng lại dồn tất cả các nhiệm vụ định hướng, phanh, chịu tải, tăng tốc… lên mỗi hai bánh trước…??? Trong một chiếc xe dẫn động cầu trước, trục bánh trước luôn có cấu tạo khá phức tạp và phải đảm trách quá nhiều nhiệm vụ.

Do lốp xe chỉ có tuổi thọ giới hạn, các lực ma sát sinh ra do dẫn động, định hướng, giảm tốc và chịu tải đều dồn lên các bánh trước khiến chúng hao mòn nhanh, kéo theo sự suy giảm hiệu suất hoạt động và tính an toàn. Trong khi đó, các lốp phía sau lại chịu tải trọng nhẹ hơn, chúng hầu như chỉ làm mỗi nhiệm vụ “nâng đỡ” và lăn theo chiếc xe.

Tuy nhiên, với trình độ khoa học & kỹ thuật phát triển mạnh mẽ như ngày nay, những nhược điểm trên đã dần được khắc phục, cho dù có thể là chưa triệt để, nhằm đáp ứng hai nhu cầu rất lớn của người tiêu dùng cũng như là của nhà sản xuất – đó cũng chính là hai ưu điểm lớn nhất của hệ thống truyền động cầu trước FWD: tiết kiệm nhiên liệu và giảm thiểu chi phí sản xuất.

2. Hệ thống truyền động cầu sau (RWD)

Những nhược điểm của hệ truyền động bánh trước FWD lại chính là ưu điểm của hệ thống truyền động bánh sau RWD. Rõ rệt nhất là sự cân bằng về trọng lượng của xe, với việc chuyển các kết cấu cơ khí nặng ra phía sau, trọng lượng của chiếc xe được dàn đều trên toàn bộ chiều dài xe dẫn đến khả năng vận hành ổn định hơn, giảm thiểu các nguy cơ lắc, lật.

​

Hệ truyền động RWD không nhất thiết phải có cấu tạo giống như trong hình trên. Chúng ta có thể bắt gặp những chiếc xe trang bị RWD với động cơ đặt ở phía sau của xe ngay phía trên cầu sau của xe. Điều này giúp loại bỏ được sự có mặt của trục dẫn động (Driveshaft) và đơn giản hóa tối đa cầu trước của xe.

Ngoài việc phân bố lại tải trọng lên 2 trục thay vì 1, việc giải phóng 2 bánh trước khỏi nhiệm vụ dẫn động giúp nó tự do hơn trong nhiệm vụ dẫn hướng cùng với đó, không gian cho các bánh xe cũng rộng hơn do đó góc “bẻ lái” rộng hơn. Cảm giác điều khiển vô-lăng của tài xế cũng sẽ êm dịu, “thật tay” và đầm hơn. Cấu trúc cầu trước được đơn giản hóa nhiều hơn cũng sẽ giúp các chi tiết cơ khí, hệ thống phanh và hệ thống treo trên xe có tuổi thọ và độ bền cao hơn.

Một đặc tính quan trọng nữa là thiết kế chủ động “quay” của bánh sau sẽ cung cấp lực “đẩy” thay vì lực “kéo”, vì vậy khi xe tăng tốc thì quán tính nghỉ sẽ dồn năng lượng của nó về phía sau nhiều hơn, do đó nó sẽ làm tăng khả năng bám đường của các bánh dẫn động. Như vậy, đối với các loại xe thường xuyên phải tăng/giảm tốc nhanh chóng thì thiết kế bánh sau chủ động tỏ ra rất hiệu quả. Đây cũng là lý do người ta sử dụng thiết kế RWD cho những chiếc xe thể thao hay xe đua tốc độ.

Chi phí sửa chữa cũng là một lợi thế khác của hệ thống truyền động RWD. Mỗi khi có lỗi xuất hiện trên hệ truyền động RWD, chúng sẽ được xử lý một cách độc lập. Nhưng đối với các loại xe FWD thì ngược lại, chủ nhân của chúng có thể sẽ phải sửa chữa thêm một “chùm” các chi tiết liên quan.

Những hạn chế của hệ thống RWD cũng rất dễ nhận thấy như chi phí sản xuất & lắp ráp cao hơn, hệ truyền động khá phức tạp dẫn đến nặng lượng thất thoát qua những liên kết cơ khí, không gian nội thất xe bị thu hẹp, trọng lượng xe cũng sẽ tăng theo, làm gia tăng lượng nhiên liệu tiêu thụ.v.v… Tuy nhiên, xét về hiệu quả chung thì hầu hết những nhược điểm của thiết kế dẫn động bánh sau đang được khắc phục hiệu quả bởi những tiến bộ của khoa học & công nghệ. Các hệ thống treo độc lập đang được ứng dụng cho phép nhà sản xuất đặt trục truyền động và hộp vi sai sát vào phần thân xe hơn, không chiếm nhiều chỗ trong cabin như trước đây.

Ngoài ra, với việc tích hợp các hệ thống điện tử kiểm soát ổn định thân xe, cho phép tối ưu hóa hoạt động của hệ thống RWD giúp xe có được trải nghiệm tốt nhất ngay cả trên những điều kiện không lý tưởng. Chính bởi vậy, cho dù phải chấp nhận tất cả những nhược điểm nêu trên đi nữa thì nhiều người vẫn cảm thấy thích thú hơn khi điều khiển một chiếc xe truyền động bánh sau, đặc biệt khi vào những khúc cua “tay áo”. Đó chính cũng chính là lý do cho sự quay lại của những chiếc xe dẫn động cầu sau trong thời gian sắp tới, thậm chí ngay cả đối với những chiếc xe cỡ nhỏ để di chuyển trong thành phố.

3. Hệ thống truyền động 4 bánh toàn thời gian (AWD) & bán thời gian (4WD)

​

AWD và 4WD là hai hệ truyền động dễ gây “nhức đầu” cho những ai muốn tìm hiểu chúng. Hai hệ thống này về cơ bản đều có thể truyền năng lượng đến cả 4 bánh do đó để phân biệt cần đi sâu vào cấu tạo của từng hệ thống. Tuy nhiên, cấu tạo của chúng lại rất phức tạp nếu so với 2 hệ thống kể trên.

Trước tiên, chúng ta cần phải phân biệt sự khác nhau cơ bản của hai hệ thống truyền động này:

4WD là hệ thống truyền động 4 bánh bán thời gian. Nghĩa là chiếc xe có thể được dẫn động bằng 2 bánh hoặc 4 bánh tùy vào lựa chọn của người lái thông qua một cơ cấu gài cầu (hoạt động bằng cơ hoặc bằng điện) đặt bên trong xe. Điều này cũng đồng nghĩa với việc chiếc xe không được thiết kế để di chuyển trên mọi địa hình, mọi điều kiện với cả 4 bánh được dẫn động trong khi AWD thì có. Hầu hết các hệ thống 4WD khi hoạt động ở chế độ dẫn động 2 bánh (thường được ký hiệu là 2H) đều truyền mô-men xoắn tới bánh sau như RWD. Riêng chế độ dẫn động bằng 4 bánh thì thường được ký hiệu là 4H với các cấp độ “High” và “Low” khác nhau tùy vào hãng sản xuất.

AWD (All-Wheel Drive) là thuật ngữ dùng để chỉ các xe dẫn động 4 bánh trong mọi thời điểm mà không phải thực hiện các thao tác gài cầu như trên các xe 4WD. Như đã nói, AWD là hệ thống truyền động cao cấp, được trang bị trên cho các loại sedan cao cấp (Mercedes-Benz S-Class, BMW 7-Series) v.v…

Không chỉ thế, nếu ta đi sâu vào phân tích sự khác nhau về mặt cấu tạo của 2 hệ thống, chúng ta có thể thấy đây là 2 hệ thống tách biệt hơn những gì chúng ta tưởng tượng.

Về mặt cấu tạo :

• Bộ vi sai (Differential) : vì cả 2 hệ thống đều có khả năng truyền động đến cả 4 bánh ở 2 cầu trước và sau nên ở cả 2 hệ thống đều được trang bị ít nhất 2 bộ vị sai gắn trên mỗi cầu nhằm cho phép các bánh lại quay với vận tốc khác nhau mỗi khi vào cua để đảm bảo sự ổn định của xe. Ngoài ra, đối với trường hợp của hệ thống AWD, xe còn được trang bị một bộ vi sai trung tâm nhằm phân bố năng lượng/vận tốc quay khác nhau giữa cầu trước và cầu sau của xe. Bộ vi sai này không tồn tại trong trường hợp 4WD.

​

• Hộp truyền động (Transfer case) : trên xe 4WD thì đây chính là bộ phận có chứa cơ cấu gài cầu bắt buộc trục bánh trước và bánh sau cùng quay ở 1 vận tốc (liên kết cơ khí thuần). Ngược lai, trên AWD thì đây là nơi chứa bộ vi sai trung tâm giúp trục bánh trước và bánh sau quay ở những vận tốc độc lập. Đây cũng chính là điểm mạnh của AWD so với 4WD. Bởi trong nhiều trường hợp, việc duy trì vận tốc của cầu trước và cầu sau bằng nhau là điều không thể và có thể dẫn tới việc mất lái và gây ra nguy hiểm cho người lái. Chính vì thế mà 4WD không thường được sử dụng ở trong những điều kiện đường có độ ma sát cao, do sự khác biệt về vận tốc giữa cầu trước và cầu sau có thể rất lớn.

​

• Trục truyền động (Driveshaft) : trục làm nhiệm vụ chuyền chuyển động quay sinh ra từ động cơ gắn ở cầu trước/sau để chuyển tải đến cầu còn lại của xe. Thường được chia làm trục cầu trước và trục cầu sau nhằm đảm bảo 2 cầu có thể hoạt động ở trên các mặt phẳng khác nhau (trong điều kiện đường ghồ ghề).

​

Lý do để các nhà sản xuất xe hơi chế tạo ra hệ thống dẫn động 4 bánh “bán thời gian” 4WD là nhằm giúp chiếc xe vượt qua những địa hình khó khăn, hiểm trở mà các loại hệ thống truyền động khác không thể làm được. Ví dụ, các bạn có thể tưởng tượng trong một trường hợp cụ thể, chiếc xe của mình được trang bị hệ thống dẫn động cầu trước nhưng phải vượt qua một vũng lầy to để đến được đích. Khi cho xe chạy từ từ hoặc thậm chí phóng nhanh qua vũng lầy đó, phần nhiều khả năng là chiếc xe sẽ bị dính lại vũng lầy đó do bánh trước không có được độ bám khi lăn qua vũng lầy và càng xoay thì càng lún trong vô vọng. Lúc này, nếu có một cơ cấu giúp chuyển mô-men xoắn từ bánh trước ra bánh sau và ngược lại một cách linh hoạt thì chiếc xe của chúng ta sẽ đi qua vũng lầy đó một cách dễ dàng.

​

​

Khác với 4WD, hệ thống truyền động 4 bánh toàn thời gian (full-time AWD) hoạt động “thường trực” ở chế độ 4 bánh nhưng cho phép phân phối một cách linh hoạt lượng mô-men xoắn đến từng bánh xe riêng lẻ. Với những cảm biến thông minh gắn trên xe (đo độ bám đường, lực ma sát, mô-men xoắn tại từng bánh xe, v.v…), chiếc xe có khả năng tự điều chỉnh sự phân bố lực đến từng bánh xe giúp đảm bảo chiếc xe có thể phản ứng như theo ý muốn của người lái. Kết quả là trục trước và sau có thể quay bất đồng tốc mà không bánh nào bị mất độ bám đường hoặc chi phối khả năng điều hướng từ vô-lăng.

Nói lý thuyết thì có vẻ hơi dông dài và phức tạp nhưng chúng ta có thể hiểu nôm na rằng AWD là một hệ truyền động 4 bánh “thông minh” có thể tự điều chỉnh để phân phối lực “quay” đến từng bánh nhằm đem lại độ bám đường và khả năng vận hành ổn định cho chiếc xe.

Như trong hình dưới đây, ta có thể thấy trên hình A, lực được phân bố khá đồng đều trên cầu trước và cầu sau của xe (lực lớn hơn ở cầu sau nhằm đảm bảo cảm giác thể thao của chiếc xe). Nhưng ở hình B, khi bánh trước có độ bám đường giảm do xe đi vào vũng nước, ngay lập tức, nhờ vào bộ vi sai trung tâm, lực sẽ được phân bố theo tỉ lệ lớn hơn đến 2 bánh phía sau của xe. Điều này đảm bảo hầu như toàn bộ năng lượng sinh ra bởi động cơ xe được dành cho việc đưa xe tiến lên phía trước. Không chỉ thế, việc dồn lực đến 2 bánh có độ bám đường tốt hơn sẽ đảm bảo được sự kiểm soát của người lái đối với xe.

​

Hiện tại, có khá nhiều thiết kế AWD khác nhau, các hệ thống này nâng cao khả năng bám đường và độ ổn định của thân xe trong nhiều tình huống riêng biệt. Thậm chí, Subaru còn trang bị cho chiếc WRX STI hệ thống AWD cho phép người lái chủ động thay đổi tỷ lệ phân phối mô-men xoắn trên các trục phù hợp với tính chất của các địa hình và mặt đường khác nhau. Một số hệ thống AWD sử dụng chất lỏng silicon để lấp đầy các khớp ly hợp trong trạng thái chuyển đổi nhằm tạo ra sự khác biệt về tốc độ giữa các trục nhưng lại bắt đầu khóa khi tỉ lệ bất đồng tốc giữa chúng quá lớn.v.v… Nói tóm lại, AWD cũng “phức tạp” không kém 4WD nhưng hàm lượng công nghệ và độ “tự động” của nó có phần cao hơn. Tùy vào nhu cầu sử dụng và nhóm khách hàng mục tiêu mà các hãng xe trang bị những hệ thống truyền động AWD khác nhau cho từng loại xe. Porsche, Subaru, BMW, Audi, Mercedes-Benz, Jaguar và Volvo là những thương hiệu nổi tiếng về hệ truyền động AWD trên các mẫu xe của mình.

Cảm ơn các cụ đã đọc (Thank for watching) 

http://www.oto-hui.com/threads/khai-quat-ve-he-truyen-dong-tren-oto.91027/

Nguồn: oto-hui.com