Bộ vi sai ô tô: Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và phân loại

Bộ vi sai là bộ phận đặc biệt quan trọng, trực thuộc hệ thống truyền động của xe ô tô. Nhiệm vụ chính của bộ vi sai là phân phối lực kéo từ động cơ tới các bánh xe. Từ đó giúp ô tô vận hành một cách linh hoạt và an toàn hơn. Vậy, bộ vi sai là gì, cấu tạo vào nguyên lý hoạt động của nó ra sao? Trong bài viết này, Auto Protech sẽ cung cấp các thông tin tổng quan, giúp bạn hiểu rõ hơn về bộ phận quan trọng này, cùng theo dõi nhé!

Bộ vi sai ô tô là gì?

Bộ vi sai ô tô (Differential) là thiết bị cơ khí quan trọng, trực thuộc hệ thống truyền động của ô tô. Bộ phận này thường được đặt nằm ở giữa hai bánh xe chủ động (bánh xe trước hoặc bánh xe sau, tùy thuộc vào hệ dẫn động của xe. Nhiệm vụ chính của bộ vi sai là chia mô-men xoắn từ động cơ thành hai đường. Từ đó cho phép hai bánh xe chủ động có thể quay với tốc độ khác nhau khi xe di chuyển qua các đoạn đường xấu hoặc khi vào cua.

Cụ thể, khi xe ô tô di chuyển trên đường thẳng, cả hai bánh xe sẽ chủ động quay với tốc độ bằng nhau. Còn khi xe vào cua, bánh xe phía bên ngoài cua phải đi với quãng đường dài hơn so với bánh xe phía bên trong cua. Vì vậy mà bánh xe bên ngoài cua cần phải quay với tốc độ nhanh hơn. Chính sự hoạt động của bộ vi sai đã cho phép sự khác biệt đó xảy ra. Từ đó giúp xe vào cua êm ái, ổn định hơn, tránh gặp phải hiện tượng trượt bánh.

Chức năng của vi sai ô tô

Bộ vi sai ô tô đảm nhận ba chức năng quan trọng hàng đầu trong hệ thống truyền động, đó là: Phân phối mô-men xoắn, truyền động và điều chỉnh tốc độ quay. Cụ thể như sau:

• Phân phối mô-men xoắn: Bộ vi sai sẽ đảm bảo cả hai bánh xe chủ động đều sẽ nhận được mô-men xoắn với lượng phù hợp, tùy thuộc vào từng điều kiện di chuyển. Khi xe vào cua, bộ vi sai sẽ cho phép bánh xe bên ngoài vòng cua nhận được nhiều mô-men xoắn hơn và quay nhanh hơn. Còn bánh xe bên trong vòng cua sẽ nhận ít mô-men xoắn hơn và quay chậm hơn. Từ đó duy trì sự ổn định và hạn chế tối đa trơn, trượt bánh.
• Truyền động: Nhiệm vụ chính tiếp theo của bộ vi sai là truyền mô-men xoắn từ động cơ tới các bánh xe chủ động. Từ đó giúp xe di chuyển ổn định và cho phép các bánh xe quay với tốc độ khác nhau khi cần thiết.
• Điều chỉnh tốc độ quay: Một chức năng quan trọng nữa của bộ vi sai là giảm tốc độ quay của trục truyền động trước khi truyền mô-men xoắn đến các bánh xe. Từ đó giúp đảm bảo rằng các bánh xe sẽ nhận được mô-men xoắn phù hợp với tốc độ di chuyển mà người lái mong muốn.

Cấu tạo bộ vi sai ô tô

Cấu tạo bộ vi sai trên xe ô tô thường bao gồm 8 bộ phận chính sau đây:

• Vỏ vi sai (Differential case)

Vỏ vi sai đóng giữ vai trò như một lớp vỏ bọc, giúp bảo vệ các bộ phận bên trong hộp vi sai tránh khỏi khói, bụi bẩn, nước và các tác nhân gây hại từ môi trường. Giúp duy trì tuổi thọ và khả năng vận hành bền bỉ của bộ vi sai

• Bánh răng chủ động (Ring gear)

Đây là bánh răng lớn được gắn chặt vào vỏ của bộ vi sai. Nó ăn khớp trực tiếp với bánh răng pinion, là một bánh răng nhỏ hơn, nằm trên trục dẫn động từ hệ thống động cơ. Nhiệm vụ chính của bánh răng chủ động là nhận và truyền chuyển động từ động cơ tới bộ vi sai. Từ đó đảm bảo lực từ động cơ được truyền tới bánh xe một cách hiệu quả.

• Bánh răng pinion (Pinion gear)

Pinion là một bánh răng nhỏ, thường có dạng bánh răng côn, được gắn trên trục pinion. Trục này sẽ kết nối trực tiếp với trục truyền động từ hộp số. Bánh răng pinion sẽ nhận lực xoắn từ động cơ thông qua trục truyền động rồi truyền đến bánh răng chủ động.

• Bánh răng vi sai (Side gears)

Bánh răng vi sai bao gồm 2 bánh răng được gắn trực tiếp vào hai bán trục, chính là các trục truyền động tới bánh xe. Chúng ăn khớp với nhau thông qua các bánh răng hành tinh và tạo thành hệ thống bánh răng phức tạp. Bánh răng vi sai sẽ nhận mô-men xoắn từ vi-sai và truyền tới các bánh xe, cho phép sự khác biệt về tốc độ quay giữa 2 bánh xe.

• Bánh răng hành tinh (Planet gears/Spider gears)

Đây là các bánh răng nhỏ nằm ở bên trong của vỏ vi sai. Chúng ăn khớp với nhau và ăn khớp với cả bánh răng chủ động, bánh răng vi sai. Bánh răng hành tinh được cố định trên trục quay gọi là trục hành tinh. Nhiệm vụ chính của bánh răng này là nhận mô-men xoắn từ bánh răng chủ động rồi truyền đến các bánh răng vi sai, đóng vai trò trung gian, điều phối tốc độ quay giữa các bánh răng.

• Bán trục (Axle shafts)

Bán trục là hai trục kim loại chắc chắn, được kết nối với bộ vi sai ở một đầu và với bánh xe ở đầu còn lại. Chúng nằm ngang, nối liền bộ vi sai với bánh xe, giúp truyền chuyển động quay. Chức năng của bán trục là nhận mô-men xoắn từ bộ vi sai và truyền trực tiếp đến các bánh xe.

• Trục pinion (Pinion shaft)

Trục pinion là trục ngắn, có dạng hình trụ, kết nối với trục truyền động của hộp số. Trục pinion nhận lực xoắn từ hộp số và truyền đến bánh răng pinion.

• Ổ bi (Bearings)

Ổ bi là bộ phận cơ khí quan trọng, giúp giảm thiểu lực ma sát, giảm mài mòn giữa các bộ phận chuyển động. Ổ bị được lắp đặt tại các vị trí tiếp xúc giữa các bộ phận chuyển động trong bộ vi sai, đảm bảo các bộ phận này quay mượt mà, giảm thiểu rung động và tiếng ồn.

Nguyên lý hoạt động của bộ vi sai ô tô

Nguyên lý hoạt động của bộ vi sai dựa trên nguyên tắc tuy đơn giản nhưng đạt hiệu quả cao với sự kết hợp hoạt động giữa các bánh răng. Từ đó cho phép hai bánh xe chủ động quay với tốc độ khác nhau khi xe di chuyển trên cung đường xấu hay phải vào cua. Cụ thể, nguyên tắc hoạt động của bộ phận này như sau:

Khi xe đi thẳng

Khi ô tô đi thẳng và di chuyển trên đoạn đường bằng phẳng, bộ vi sai sẽ hoạt động theo cơ chế đơn giản, đảm bảo hai bánh xe quay cùng tốc độ. Sau đây là mô tả chi tiết:

• Bánh răng chủ động nhận mô-men xoắn từ trục pinion và quay với cùng tốc độ.
• Các bánh răng hành tinh gắn trên vỏ vi sai sẽ không quay quanh trục riêng của chúng, thay vào đó sẽ di chuyển vòng quanh cùng với vỏ vi sai.
• Bánh răng vi sai lúc này sẽ quay cùng tốc độ với bánh răng chủ động. Từ đó, mô-men xoắn được truyền đến hai bán trục, khiến cho hai bánh xe quay với tốc độ bằng nhau.

Khi xe vào cua

• Khi ô tô vào cua, bánh xe bên ngoài cua sẽ phải di chuyển với quãng đường dài hơn so với bánh xe bên trong cua. Từ đó đòi hỏi bánh xe bên ngoài phải quay nhanh hơn bánh xe bên trong.
• Lúc này, hoạt động của bộ vi sai sẽ cho phép sự khác biệt về tốc độ quay giữa hai bánh xe diễn ra một cách trơn tru.
• Các bánh răng hành tinh bắt đầu quay quanh trục của chúng, giúp điều chỉnh chênh lệch tốc độ quay giữa hai bánh răng vi sai.
• Kết quả là bánh xe bên ngoài cua sẽ quay nhanh hơn so với bánh xe bên trong cua. Từ đó giúp xe vào cua ổn định hơn, ngăn ngừa hiện tượng trượt bánh.

Khi một bánh xe mất độ bám

• Khi một bánh xe mất độ bám, nó sẽ quay tự do với tốc độ cao. Nguyên nhân là do bộ vi sai phân phối mô-men xoắn đến bánh xe có lực cản thấp nhất, ở trường hợp này là bánh xe đang quay trơn.
• Bánh răng vi sai bên bánh xe bị mất độ bám lúc này cũng sẽ quay tự do theo tốc độ quay của bánh xe đó.
• Bánh răng hành tinh sẽ quay theo bánh răng vi sai của bánh xe bị mất độ bám. Từ đó làm giảm mô-men xoắn truyền đến bánh xe còn lại hoặc thậm chí bằng không.
• Khi bánh xe mất độ bám có thể khiến cho ô tô bị sa lầy, mất kiểm soát.

Các loại vi sai ô tô phổ biến hiện nay

Trên thị trường hiện nay có nhiều loại vi sai ô tô khác nhau, mỗi loại lại có đặc điểm cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ưu nhược điểm riêng, phù hợp với các mục đích sử dụng khác nhau. Sau đây là một số loại vi sai phổ biến nhất:

Vi sai mở (Open Differential)

Đây là loại vi sai phổ biến nhất trên ô tô hiện nay, có cấu tạo và nguyên lý hoạt động tương đối đơn giản như sau:

• Cấu tạo: Vi sai mở có cấu tạo bao gồm 4 bộ phận chính là bánh xe chủ động, bánh răng pinion, bánh răng vi sai và bánh răng hành tinh.
• Nguyên lý hoạt động: Vi sai mở sẽ phân phối mô-men xoắn đều cho hai bánh xe. Khi ô tô đi thẳng, hai bánh xe sẽ quay với cùng tốc độ. Khi xe vào cua, bánh xe bên ngoài sẽ quay nhanh hơn so với bánh xe bên trong cua, bánh răng hành tinh quay quanh trục của chúng, cho phép sự khác biệt về tốc độ quay. Khi một bánh xe bị mất độ bám thì nó sẽ quay trơn, mô men xoắn được truyền hết sang bánh xe đó và bánh xe còn lại không nhận được mô men xoắn.
• Ưu điểm: Vì có cấu tạo đơn giản nên giá thành của bộ vi sai mở tương đối rẻ, dễ chế tạo và bảo dưỡng.
• Nhược điểm: Với bộ vi sai mở, khả năng vượt địa hình của xe yếu hơn. Khi một bánh xe mất độ bám, bánh còn lại cũng sẽ mất lực kéo, khiến cho xe sa lầy hoặc mất kiểm soát.

Vi sai hạn chế trượt (Limited Slip Differential – LSD)

Vi sai hạn chế trượt ra đời là một bước tiến vượt bậc so với loại vi sai mở truyền thống, giúp xe cải thiện đáng kể khả năng vận hành trong nhiều điều kiện khác nhau. Loại vi sai này thường được ứng dụng phổ biến trên các dòng xe địa hình, xe có hiệu suất cao và các dòng xe thể thao.

• Cấu tạo: Vi sai hạn chế trượt có cấu tạo tương tự như vi sai mở nhưng sẽ được bổ sung thêm các cơ cấu ma sát như đĩa ma sát hay cơ cấu bánh răng đặc biệt. Đặc điểm cấu tạo này giúp hạn chế sự chênh lệch tốc độ quay giữa hai bánh xe.
• Nguyên lý hoạt động: Khi một bánh xe bắt đầu trượt, cơ cấu hạn chế trượt sẽ tự động được kích hoạt, truyền một phần mô-men xoắn sang bánh xe còn lại, giúp duy trì lực kéo và ổn định cho xe. Cơ chế hoạt động này có thể là cơ khí (dùng ma sát), hoặc sử dụng các bánh răng đặc biệt (Torsen), giúp thay đổi phân phối mô men xoắn.
• Ưu điểm: Vi sai hạn chế trượt giúp xe cải thiện khả năng bám đường tốt hơn, đặc biệt là trên các đoạn đường trơn trượt hay khi xe vào cua. Từ đó giúp xe vượt qua các địa hình khó khăn dễ dàng hơn, tăng tốc tốt hơn, giảm thiểu hiện tượng trượt bánh khi tăng tốc.
• Nhược điểm: Loại vi sai này thường có cấu tạo phức tạp hơn nên giá thành cao hơn so với vi sai mở. Nếu sử dụng không đúng cách, vi sai hạn chế trượt có thể bị mòn nhanh hơn.

Vi sai khoá (Locking Differential)

Đây là loại vi sai đặc biệt, được thiết kế nhằm tối ưu hóa khả năng vượt địa hình của xe. Vi sai khoá được ứng dụng chủ yếu trên các loại xe địa hình chuyên dụng. Sau đây là thông tin chi tiết về loại vi sai đặc biệt này:

• Cấu tạo: Vi sai khoá có cấu tạo tương tự như loại vi sai mở, tuy nhiên sẽ được bổ sung thêm cơ cấu khoá, có thể giúp khóa cứng hai bán trục lại với nhau khi cần thiết.
• Nguyên lý hoạt động: Khi cơ cấu khóa được kích hoạt, bánh xe sẽ bị khoá cứng, buộc chúng phải quay cùng tốc độ. Cơ chế hoạt động này giúp đảm bảo mô men xoắn được phân phối đều cho cả hai bánh xe, bất kể điều kiện mặt đường như nào.
• Ưu điểm: Vi sai khoá giúp tạo ra lực kéo tối đa cho cả hai bánh xe, giúp xe vượt qua địa hình khó khăn một cách đơn giản. Loại vi sai này rất hữu ích khi đi off-road hoặc di chuyển trên địa hình trơn trượt, nơi một bánh xe có thể bị mất đi độ bám.
• Nhược điểm: Vi sai khoá không nên dùng trên cung đường bình thường vì có thể khiến cho lốp xe bị mòn nhanh hơn do hai bánh xe phải quay cùng tốc độ khi vào cua. Đặc biệt khi sử dụng trên đường nhựa sẽ gây hư hại lớn cho các chi tiết bên trong hệ thống truyền động.

Vi sai Torsen

Vi sai Torsen là loại vi sai hạn chế trượt đặc biệt, nổi bật với khả năng phân phối mô-men xoắn hiệu quả và mượt mà. Loại mô men này thường được tìm thấy trên các dòng xe thể thao chuyên dụng và xe hạng sang.

• Cấu tạo: Vi sai Torsen sẽ sử dụng một cơ cấu bánh răng xoắn ốc đặc biệt để phân phối mô-men xoắn. Đặc điểm cấu tạo này giúp tạo ra lực ma sát từ bên trong, cho phép phân phối các mô men xoắn khác nhau đến hai bánh xe.
• Nguyên lý hoạt động: Vi sai Torsen tự động phân phối mô men xoắn tới bánh xe có độ bám đường tốt hơn. Khi một trong hai bánh xe mất đi độ bám, vi sai Torsen sẽ chuyển nhiều mô men xoắn hơn tới bánh xe còn lại, từ đó giúp xe duy trì lực kéo và cải thiện khả năng bám đường, ổn định hơn.
• Ưu điểm: Vi sai Torsen có hiệu suất cao, phân phối mô-men xoắn hiệu quả, giúp xe cải thiện khả năng tăng tốc và vào cua ổn định hơn. Bên cạnh đó, vi sai này còn hoạt động êm ái, không gây tiếng ồn hoặc rung động khó chịu.
• Nhược điểm: Cấu tạo tương đối phức tạp, đòi hỏi phải có độ chính xác cao trong quá trình sản xuất. Bởi vậy mà chi phí sản xuất và lắp đặt cũng sẽ cao hơn so với các loại vi sai khác.

Vi sai điều khiển điện tử

Vi sai điều khiển điện tử là một bước tiến vượt bậc trong công nghệ ô tô, giúp mang lại những cải tiến đáng kể về hiệu suất và khả năng vận hành của ô tô. Loại vi sai này được ứng dụng trên các dòng xe thể thao, xe hiệu suất cao và xe SUV cao cấp.

• Cấu tạo: Vi sai điều khiển điện tử được tích hợp các cảm biến thông minh cùng bộ điều khiển điện tử. Hệ thống này sẽ sử dụng cơ cấu chấp hành giúp điều chỉnh việc phân phối mô men xoắn một cách hợp lý.
• Nguyên lý hoạt động: Cũng giống như vi sai Torsen, vi sai điều khiển điện tử cũng sẽ phân phối mô men xoắn tới bánh xe có độ bám đường tốt hơn. Tuy nhiên, điểm khác biệt ở đây là hệ thống điện tử sẽ phân tích dữ liệu thu thập được từ các cảm biến và điều chỉnh lực phân phối mô men chính xác và linh hoạt hơn. Hệ thống vi sai điều khiển điện tử có khả năng can thiệp nhanh chóng và chính xác, giúp xe tối ưu hóa lực kéo trong mọi điều kiện vận hành.
• Ưu điểm: Vi sai điều khiển điện tử có thể tối ưu hoá lực kéo cùng khả năng xử lý của xe, từ đó giúp mang đến hiệu suất vận hành cao nhất. Bên cạnh đó là khả năng phản ứng nhanh chóng và chính xác, giúp xe ổn định và an toàn hơn trong các tình huống khó khăn.
• Nhược điểm: Cấu tạo của bộ vi sai điều khiển điện tử tương đối phức tạp, đòi hỏi công nghệ cao trong sản xuất và bảo dưỡng. Vì vậy mà giá thành của loại này sẽ cao hơn so với các vi sai cơ khí.

Nhìn chung, bộ vi sai không chỉ là một phần cơ học của xe, mà còn được coi là một phần của trải nghiệm lái xe hàng ngày. Trước sự phát triển không ngừng của công nghệ, bộ vi sai hiện đã được cải tiến và tích hợp nhiều tính năng hiện đại, mang lại hiệu suất vận hành và độ an toàn vượt trội. Giúp xe ô tô cân bằng tốt giữa hiệu suất và sự ổn định. Hãy theo dõi Blog Auto Protech để cập nhật những thông tin hữu ích về ô tô nhé!

Bạn đang tìm kiếm khóa học nghề ô tô chuyên nghiệp ở một trung tâm uy tín tại TP.HCM. Hãy đến ngay với Auto Protech để nhận được những nội dung đào tạo chuyên sâu từ các giảng viên hàng đầu tại các trường đại học.