Phân biệt chi tiết các loại AWD, khác nhau bởi vi sai
Tiếp nối bài viết trước đây mình đã phân tích sâu về sự khác nhau giữa 4WD và AWD, trong bài viết này mình sẽ đi sâu đến các loại hình AWD đang có trên thị trường. Các nhà sản xuất có vẻ như đang dùng chung thuật ngữ này cho nhiều loại xe khác nhau khiến người dùng ngày càng khó có thể phân biệt.
Tương tự như bài viết trước, bài viết này sẽ chỉ giới hạn trong khuôn khổ xe gia đình, xe du lịch có 4 bánh và có 1 động cơ. Hiện một số xe điện có 2 động cơ thì có thể sẽ có các cơ cấu khác. Ngoài ra, nếu không muốn đi quá sâu về kỹ thuật mà chỉ muốn biết xe của anh em là loại gì và đi được những điều kiện nào, anh em có thể tham khảo bài viết này Những mẫu xe nào được trang bị 2WD, 4WD, AWD – lưu ý khi vận hành thực tế
Nội dung chính
Giới thiệu
Trước tiên mình muốn nói về hướng phát triển của AWD theo thời gian. Nếu các bạn đã đọc bài viết trước đây của mình về 4WD và AWD thì sẽ thấy không có quá nhiều khác biệt giữa 2 hệ thống này vì trong bài viết đó mình chỉ so sánh những cơ cấu cơ bản nhất của 4WD và AWD. Tuy nhiên, khi ngành công nghiệp xe hơi càng phát triển và có nhiều công nghệ được áp dụng thì sự phân hóa giữa AWD và 4WD trở nên rõ ràng hơn nhiều, và ở thời điểm hiện tại 4WD và AWD cũng khác nhau rất xa.
4WD hướng đến khả năng đi off-road là chính, với các tùy chọn hướng đến việc giúp người lái có nhiều lực bám nhất trong các điều kiện đường xấu (cát, đất, bùn lầy…), thời tiết xấu (mưa, tuyết…) và người lái có thể chủ động kiểm soát chiếc xe
Thì AWD dường như hướng đến sự tiện lợi, đem lại sự tự động hóa nhiều nhất dành cho người lái để phục vụ các điều kiện đường đẹp (đường nhựa, bê tông) nhưng thời tiết xấu (mưa, tuyết) một cách tự động mà người lái không cần can thiệp hay quá quan tâm đến việc xe đang vận hành như thế nào. Ngoài ra với các dòng xe thể thao, AWD là giải pháp để tối ưu hoá công suất động cơ đến với các bánh xe, nâng cao độ ổn định khi cầm lái.
Có thể nói 4WD mang tính thủ công nhiều hơn còn AWD mang tính tự động nhiều hơn. Nếu 4WD chỉ phân ra 2 loại chính là có vi sai trung tâm và không có vi sai trung tâm, thì AWD lại có khá nhiều các biến thể mà mình sẽ trình bày trong bài viết này.
Fulltime và On-Demand
Trước tiên chúng ta có thể phân ra thành 2 loại chính là AWD Fulltime và AWD On-demand.
AWD Fulltime tức là lúc nào lực từ động cơ cũng sẽ truyền xuống cả 4 bánh và để làm được điều này ở một chiếc xe chỉ có một động cơ thì hệ thống AWD Fulltime luôn cần đến 3 vi sai ở 3 vị trí: trung tâm, cầu trước và cầu sau
(mình lưu ý một động cơ để phân biệt với các dòng xe điện mới hiện nay có thể có 2 động cơ cho 2 cầu)
AWD On-demand tức là trong điều kiện hoạt động bình thường, lực sẽ chỉ truyền đến 2 bánh nhằm tiết kiệm nhiên liệu. Khi vào điều kiện trơn trượt, mất độ bám, cần đến lực từ 4 bánh, xe sẽ tự động nhận biết và điều khiển các cơ cấu để truyền lực đến 2 bánh còn lại. Vì vậy với AWD On-demand, không nhất thiết phải có vi sai trung tâm, mà có thể thay thế bằng bộ phận khác mà mình sẽ chia sẻ thêm ở bên dưới bài viết
Hầu hết tất cả biến thể của AWD sẽ khác nhau ở 1 bộ phận, đó chính là vi sai trung tâm. Vì vậy, chúng ta chỉ cần hiểu bản chất của các loại vi sai trung tâm để phân biệt các loại AWD.
AWD Fulltime
Đầu tiên, chúng ta sẽ tìm hiểu hệ thống AWD Fulltime trước. Nghe thì đơn giản vì chỉ cần có 3 vi sai ở 3 vị trí, nhưng công nghệ vi sai phát triển đã khiến AWD Fulltime cũng rất muôn hình vạn trạng
Vi sai trung tâm mở có khả năng khóa vi sai thủ công (Open Differential with manually lockable)
Đây có lẽ là hệ thống đầu tiên và cơ bản nhất. Mình cũng đã chia sẻ rất kĩ nguyên lý hoạt động của hệ thống này ở bài viết phân biệt 4WD và AWD, vi sai và khóa vi sai. Tuy nhiên mình sẽ nhắc lại đôi chút để làm tiền đề cho các hệ thống AWD khác.
Đối với ô tô động cơ đốt trong, chúng ta chỉ có 1 nguồn động năng là động cơ, vậy để đạt được mục tiêu truyền chuyển động xuống các bánh xe, chúng ta cần đến vi sai. Vi sai đơn giản là 1 bộ phận giúp chúng ta chia lực từ 1 trục ra 2 trục mà vẫn đảm bảo rằng 2 trục được quay với 2 tốc độ khác nhau. Video dưới đây sẽ giúp các bạn hình dung rõ hơn về vi sai mở
Xe AWD cơ bản sẽ có 3 vi sai gồm vi sai trung tâm, vi sai cầu trước và vi sai cầu sau, để có thể truyền mô-men từ động cơ đến cả 4 bánh xe đồng thời vẫn cho phép 4 bánh xe quay tốc độ khác nhau.
Tuy nhiên, lực từ động cơ, gọi là mô-men lực (Torque) lại rất lười biếng, sẽ luôn tìm con đường dễ nhất, ít phản kháng nhất. Nếu xe sử dụng 3 vi sai mở thì dù chỉ có 1 bánh mất lực bám, toàn bộ lực từ động cơ sẽ truyền xuống bánh xe đó (dưới dạng mô-men xoắn thấp, còn tốc độ quay bánh cao), trong khi bánh xe có lực bám cũng sẽ chỉ nhận được lượng mô-men thấp tương tự với bánh xe đang bị trượt và lượng mô-men đó không đủ để giúp xe di chuyển. Điều này xảy ra vì hạn chế của vi sai mở đó là mô-men xoắn được truyền bởi một bộ vi sai mở sẽ gần như luôn bằng nhau ở cả hai trục.
Đây cũng là nhược điểm lớn nhất của vi sai mở. Bánh xe/ hoặc trục xe bị trượt sẽ nhận phần lớn công suất (dưới dạng mô-men xoắn thấp, vòng quay cao), trong khi bánh xe có ma sát tiếp xúc sẽ không nhận được đủ công suất và cơ bản sẽ đứng yên.
Và vì vậy, những xe AWD sử dụng vi sai trung tâm mở như vậy thường sẽ thêm khóa vi sai trung tâm để cưỡng bức phân phối đều 50/50 mô-men ra 2 trục của xe. Khi khoá vi sai lại, 2 bên trục của vi sai sẽ được liên kết như một trục duy nhất. Khóa vi sai có thể sử dụng cơ cấu điện, ly hợp, thủy lực hoặc khí nén để mở và khóa. Ngoài ra, một số xe có thể sẽ được trang bị thêm cả khóa vi sai cầu sau và trước.
Vi sai và khóa vi sai hoạt động thế nào thì mình cũng đã chia sẻ rất kĩ trong bài viết trước, các bạn cũng có thể tham khảo nhé.
Vi sai chống trượt dạng ly hợp/côn (Clutch-type Limited Slip Differential hoặc Positraction Limited Slip Differentials)
Vì việc trang bị thêm khóa vi sai sẽ khiến giá thành chiếc xe trở nên đắt đỏ và làm tăng thêm các bộ phận, chưa kể là người lái cũng vẫn sẽ phải can thiệp để khóa hoặc mở khóa vi sai trung tâm. Vì vậy các nhà sản xuất đã có thêm một số có một giải pháp khác để khắc phục nhược điểm của vi sai mở. Giải pháp đó là vi sai chống trượt.
Về cấu tạo thì giống vi sai mở nhưng được thêm các lá côn (ly hợp) vào 2 bên đầu trục cùng đĩa côn được liên kết với vỏ vi sai và có một lò xo nén ở giữa. Mình lưu ý một chút là với vi sai dạng này sẽ hoàn toàn hoạt động dựa vào cơ học (để phân biệt với một loại vi sai khác cũng sử dụng lá côn nhưng vận hành bằng thủy lực hoặc điện tử ở bên dưới)
Trong điều kiện vận hành bình thường thì vi sai này sẽ không khác với vi sai mở. Tuy nhiên nếu một trong 2 bánh bị mất độ bám và quay nhanh hơn bánh còn lại, vượt qua giới hạn đã được đặt sẵn (độ nén của lò xo) thì lúc này các lá côn sẽ tự động bị lò xo ép chặt lại. Khi lá côn bị ép chặt lại thì cũng gần như tương tự với việc khóa vi sai, lực ma sát của lá côn sẽ giúp phân bổ mô-men đến 2 bánh.
Độ cứng của lò xo nén và độ ma sát của các lá côn sẽ quyết định mức chênh lệch tốc độ cũng như mức chênh lệch mô-men để hoạt động. Và giá trị này thường được cố định bởi nhà sản xuất. Ví dụ như trục trái quanh nhanh hơn và nhận lực nhiều hơn trục phải 50N.m chẳng hạn thì lá côn sẽ được ép vào để truyền cả lực sang bên phải.
Nhược điểm lớn nhất của loại vi sai chống trượt này đó là phải có sự trượt nhất định rồi thì vi sai mới có thể “khoá”.
Các bạn có thể xem thêm video dưới đây để dễ hình dung hơn về vi sai chống trượt dạng lá côn
2 loại vi sai trên đa phần dành cho các xe AWD mà có nhu cầu offroad nhẹ nhàng hoặc đi đường mưa ướt nhẹ nhàng, còn dưới đây sẽ là những công nghệ vi sai tiên tiến hơn áp dụng cho các xe có xu hướng thể thao khi mà luôn yêu cầu về độ bám đường cao ở cả 4 bánh
Vi sai tự khoá (Self-locking center differential)
Đối với vi sai chống trượt, thông thường bánh xe hoặc trục phải có sự khác biệt về tốc độ đến một mức độ nhất định thì “khoá” vi sai mới được áp dụng vì vậy vẫn có thể gây ra trượt bánh và cũng phải có sự trượt bánh nhất định thì các bánh còn lại mới nhận được lực.
Đối với các loại AWD thể thao và đi đường đẹp, đi với tốc độ cao, việc bánh bị trượt rất nguy hiểm, vậy nên các nhà sản xuất đã áp dụng vi sai tự khoá. Điểm hay của các loại vi sai tự khoá là hầu như sẽ dùng liên kết cơ khí để phân bổ mô-men tự động ngay khi có sự khác biệt về mô-men chứ không cần sự can thiệp gì về điện tử, vì vậy mô-men được phân phối nhất quán và không có độ trễ và có khả năng đáp ứng tức thời.
Vi sai Torsen (Torsen differential type A and type B)
Với loại vi sai này, các nhà sản xuất đã thay đổi thiết kế khá nhiều so với vi sai mở. Trong vi sai Torsen, thành phần quan trọng nhất sẽ là Worm wheel (Spur gear) và Worm gear. Từ cấu tạo đặc biệt, khi có lực tác động vào Worm gear, nó có thể truyền động cho Worm wheel nhưng ở chiều ngược lại, nếu tác động lực cho Worm wheel thì sẽ không thể truyền động cho Worm gear.
Và họ lắp 2 cặp Worm gear vào 2 đầu trục, Worm gear liên kết với Worm Wheel, và mỗi cặp Worm wheel lại được liên kết bằng bánh răng tròn cơ bản. Khi xe vào cua, sự chênh lệch tốc độ của 2 bánh xe là cân bằng (ví dụ bên trái quay nhanh hơn 20% thì bên phải quay chậm đi một lượng tương ứng), và vi sai torsen chấp nhận sự chênh lệch này khiến nó hoạt động không khác gì vi sai mở, cho phép 2 trục quay với 2 tốc độ khác nhau. Tuy nhiên khi một trục mất lực bám, thì sự chênh lệch tốc độ không tương ứng sẽ khiến cơ cấu torsen phản ứng để truyền lực cho trục còn lại.
Các bạn có thể xem thêm video dưới đây để dễ hình dung hơn về vi sai chống trượt dạng Torsen.
Vi sai Torsen A và B có nguyên lý hoạt động cũng khá tương đồng, chỉ khác cách bố trí bánh răng và khác một chút về giới hạn chênh lệch mô-men vì vậy mình sẽ không nhắc lại về Type B nữa
Vi sai Torsen Type C
Về cấu tạo các bạn có thể xem trong video dưới để hiểu rõ hơn về hệ thống vi sai này. Trong vi sai này có một hệ thống đòn bẩy không cân xứng và một hệ thống đĩa ma sát được kết nối với nhau. Điểm hay của loại vi sai này là không còn bị cố định giá trị phân bổ lực trong điều kiện bình thường giữa 2 trục là 50/50 nữa mà có thể tuỳ biến theo mong muốn của nhà sản xuất
Khi vận hành trong điều kiện thông thường, hai trục quay cùng tốc độ. Nhà sản xuất phân bổ 60% mô-men xoắn của động cơ được truyền tới trục sau và 40% cho trục trước. Họ làm vậy là để tối ưu lực kéo cho các dòng xe thể thao có nhu cầu cao về cầu sau. Trong điều kiện thiếu ma sát, vi sai có thể phân bổ 70 trước – 30 sau hoặc 15 trước – 85 sau tuỳ vào trục có nhiều ma sát hơn
Vi sai bánh răng vương miện (Crown gear differential)
Nếu dịch ra tiếng Việt thì Crown gear differential là vi sai bánh răng vương miện, Audi có giải thích rằng họ gọi vậy vì trong bộ vi sai này có 2 bánh răng có hình dáng giống vương miện. Hai bánh răng vương miện này sẽ nằm ở 2 đầu của vi sai và gắn liền với láp trục trước và láp trục sau.
Về cấu tạo các bạn có thể xem trong video dưới để hiểu rõ hơn về hệ thống vi sai này. Nó gần tương đồng với torsen type C nhưng thay đĩa ma sát thành hệ thống lá côn để có thể phân bổ lực tốt hơn
Khi vận hành trong điều kiện thông thường, tương tự vi sai torsen type c, lực cũng sẽ được phân bổ 40 trước – 60 sau
Nếu xảy ra sự thay đổi mô-men xoắn do mất độ bám ở một trục, hệ thống bánh răng sẽ ép các tấm ly hợp lại với nhau. Nếu bánh trước mất lực bám, hiệu ứng tự khóa sẽ chuyển hướng phần lớn mô-men xoắn sang trục có lực kéo tốt hơn, lên đến 85% ra trục sau. Ngược lại, nếu trục sau có ít độ bám hơn quá trình tương tự ngược lại; có tới 70% mô-men xoắn được chuyển hướng đến trục trước.
Các đời xe sử dụng vi sai tự khoá như Torsen A,B,C và Crown Gear này thường được trang bị với một giải pháp phần mềm quản lý phanh thông minh có tên là torque vectoring. Mình sẽ chia sẻ kỹ hơn về công nghệ này ở phần dưới.
AWD On-Demand
AWD On-Demand có thể hiểu là AWD theo yêu cầu. Tức là trong điều kiện vận hành bình thường, xe sẽ hầu như chỉ sử dụng 1 cầu để dẫn động, không khác gì xe 2WD. Khi bánh/trục dẫn động bị mất ma sát, lực sẽ được truyền đến trục/bánh còn lại. Sau khi thoát ra khỏi tình huống và có lại ma sát, xe lại trở về là dẫn động 1 cầu.
Chính vì thế, AWD On-Demand cũng là dẫn động 4 bánh nhưng lại không phải toàn thời gian. Nhưng lại khác với xe dẫn động 4 bánh bán thời gian 4WD ở việc: người lái sẽ không quyết định được khi nào thì dẫn động 2 bánh và khi nào thì dẫn động 4 bánh, việc này sẽ tự động được quyết định bởi hệ thống cơ khí hoặc máy tính ở trên xe.
Để làm được điều này, vi sai trung tâm (và trong một số trường hợp là cả vi sai trước hoặc sau) sẽ được thay thế bằng hệ thống khớp nối nhớt hoặc ly hợp điều khiển bằng thuỷ lực hoặc điện tử
Viscous Coupling (khớp nối nhớt – vi sai khớp nối nhớt)
Trong cấu tạo khớp nối nhớt có 2 bộ đĩa ma sát được gắn ở 2 đầu trục và xung quanh sẽ được ngập trong chất nhớt (viscous fluid) – hiểu đơn giản là một loại dầu đặc, có độ nhớt lớn. Đôi khi chúng ta vẫn có thể coi nó là vi sai vì có một số loại khớp nối nhớt có kết cấu tương tự vi sai chống trượt, chỉ thay lá côn thành đĩa ma sát và thay lò xo nén bằng chất nhớt.
Trong điều kiện vận hành bình thường, xe sẽ truyền lực xuống 1 cầu, cầu còn lại gần như sẽ không nhận được lực nhưng vẫn sẽ quay đồng tốc (vì đều đang đi trên đường mà). Tuy nhiên nếu có sự chênh lệch về tốc độ ở 2 trục thì 2 bộ đĩa ma sát cũng sẽ chênh lệch tốc độ. Lúc này chất nhớt sẽ hoạt động nhờ sự ma sát để đuổi theo trục nhanh hơn và kéo theo trục chậm hơn giúp truyền lực từ trục nhanh sang trục chậm
Các bạn có thể xem thêm video dưới đây để hiểu rõ hơn về Viscous Coupling
Hệ thống này hoạt động hoàn toàn dựa trên nguyên lý cơ khí và thuỷ lực chất lỏng. Nhược điểm của hệ thống này là nó chỉ có tác dụng khi có sự chênh lệch tốc độ nhất định. Tức là bạn sẽ phải bị trượt khá kha khá trước khi lực được phân bổ. Và cũng chỉ phân bổ được một lượng lực nhất định tuỳ vào đặc tính của chất nhớt bên trong.
Tuy nhiên hệ thống này cũng đang được khá nhiều hãng xe áp dụng cho AWD On-demand của mình
Hệ thống ly hợp thuỷ lực/ điện tử (Hydraulic/Electronically controlled multi-plate clutch)
Đối với hệ thống này thì các thiết bị điện tử và các cảm biến điện tử đã tham gia sâu hơn. Vi sai trung tâm lúc này được thay thế bởi một hệ thống ly hợp, thường là dùng ly hợp nhiều đĩa ướt với các bộ đóng mở ly hợp thuỷ lực/điện tử
Trong điều kiện vận hành bình thường, ly hợp có thể mở hoàn toàn, xe sẽ chỉ dẫn động 1 cầu nhằm tối ưu về nhiên liệu, gọi là cầu chủ động. Trong trường hợp một cầu mất độ bám, hệ thống máy tính sẽ nhận biết và đóng ly hợp bằng hệ thống thuỷ lực hoặc điện tử để truyền công suất sang cầu còn lại, cầu bị động.
Điểm hay của hệ thống ly hợp đó là tuỳ thuộc vào lực ép ly hợp mà chúng ta có thể tuỳ chỉnh lượng mô-men phân bổ đến cầu bị động. Nhưng giới hạn của giải pháp này đó là, mô men lớn nhất có thể truyền được cho cầu bị động sẽ chỉ bằng được mô-men ma sát của lá côn.
Và kể cả trong trường hợp chúng ta dùng lá côn rất xịn có thể chịu được mô-men rất cao, tổn hao rất ít, thì cầu bị động cũng chỉ có thể nhận được tối đa mô men bằng với cầu chủ động. Đối với hệ thống này, mọi thứ sẽ được tự động nhưng vẫn sẽ có độ trễ nhất định, độ trễ lớn hay nhỏ cũng tuỳ thuộc vào sự tối ưu phần mềm của nhà sản xuất.
Một số tên gọi quen thuộc cho hệ thống này có thể kể đến như Haldex của Audi, AllGrip của Suzuki…
Các công nghệ phụ trợ để tăng hiệu quả cho xe AWD
Traction Control (Kiểm soát độ bám đường)
Công nghệ này hiểu đơn giản sẽ là máy tính của ô tô đọc tốc độ của từng bánh xe, nếu thấy có bánh xe nào bị mất độ bám, bị trượt mà có tốc độ xoay nhanh hơn các bánh khác khiến xe mất mô-men (dưới dạng mô-men xoắn thấp, còn tốc độ quay bánh cao) thì xe sẽ tự động áp dụng một lực phanh vừa đủ vào bánh xe đó để tăng được mô-men của bánh xe đó lên đồng thời giữ được mô-men cho các bánh còn lại.
Traction control thường sẽ được dùng theo cặp bánh trước và cặp bánh sau, tức là sẽ thường được áp dụng trên những xe có vi trước sau là vi sai mở. Khi kết hợp vi sai mở và traction control chúng ta sẽ có hiệu quả gần giống với vi sai chống trượt.
Và vì là phương pháp mang tính lập trình, nên hiệu quả cũng phụ thuộc sự tối ưu hoá của từng nhà sản xuất. Sẽ có những chiếc xe có Traction Control rất tốt và có những xe có mà như không.
Torque vectoring (Kiểm soát véc tơ lực theo hướng)
Hệ thống này có thể coi là giải pháp phần mềm quản lý phanh thông minh. Điểm khác biệt với Traction control là nó có thể hoạt động riêng biệt trên từng bánh trong số bốn bánh và sẽ luôn hoạt động. Nó mang tính dự đoán nhiều hơn là phản ứng. Hệ thống mới này góp phần lớn cho việc vào cua trở nên chính xác hơn.
Khi vào cua ở tốc độ cao, phần mềm sử dụng thông số bẻ lái và mức gia tốc mong muốn để tính toán sự phân bổ lực đẩy tối ưu giữa cả bốn bánh. Nếu phát hiện ra các bánh xe ở bên trong khúc cua, đang chịu tải trọng giảm xuống và sẽ có thể bắt đầu trượt, bắt đầu mất mô-men, hệ thống sẽ phanh nhẹ các bánh xe này để gia tăng mô-men cho các bánh còn lại ở phía ngoài.
Công nghệ này thường được áp dụng khá rộng rãi trên cả 2WD, 4WD và AWD của những chiếc xe hiện đại
Kết hợp các công nghệ
Bài cũng khá dài và cũng khá nhiều kiến thức rồi, mình sẽ kết bài bằng 1 video ngắn và tổng hợp các dòng xe của Audi từ 1980-2020 có công nghệ AWD Quattro trứ danh và gần như có sử dụng hầu hết tất cả các công nghệ được nhắc đến trong bài để các bạn có thể hiểu rõ hơn là họ gắn các thứ trên bài vào đâu của chiếc xe ha
Chân thành cám ơn anh em đã đọc hết đến tận đây. Trong bài này có vấn đề gì anh em chưa rõ hay có điểm nào mình chưa đúng và đủ thì anh em cứ comment nhé, chúng ta có thể thảo luận thêm. Anh em cũng có thể xem thêm cũng như tham gia bình luận về bài viết này trên Tinh Tế ha
Nếu thấy nội dung bài viết hữu ích, hãy chia sẻ cho bạn bè và người thân. Đừng quên theo dõi Ngon Bổ Xẻ qua Facebook và Youtube để luôn cập nhật các nội dung mới nhất. Ngoài ra, mình cũng có lập Group FB chuyên chia sẻ các deal hời cho anh em về công nghệ, điện từ, gia dụng… các bạn cũng có thể tham gia nha. Một lần nữa, chân thành cám ơn các bạn và hẹn gặp lại trong những nội dung kế tiếp ❤️
Chia sẻ bài viết:
Nguồn tham khảo:
WapCar, Wikipedia 1, Wikipedia 2, Car and Driver, Howstuffworks, Audi Technology
Hãy để lại bình luận và đánh giá bài viết