Giải mã hiện tượng tuần hoàn công suất

(News.oto-hui.com) –  Hiện tượng tuần hoàn công suất xảy ra trên những xe có 2 cầu chủ động trở lên chắc hẳn chúng ta đã từng nghe qua. Tuy nhiên không phải ai cũng hiểu rõ nguyên nhân, ảnh hưởng của nó tới xe và cách khắc phục hiện tượng này.

1. Tổng quan về xe 2 cầu chủ động trở lên

Trên ô tô hiện nay, xét riêng dòng xe gia đình, những xe được trang bị 2 cầu chủ động hay AWD (All-wheel Driving – 4 bánh chủ động toàn thời gian), 4WD (Four-wheel Driving – 4 bánh chủ động bán thời gian) có thể kể đến như sedan: Audi A4, Mercedes-Benz E-Class, Cadillac CT6,… hoặc SUV: MG HS 2.0T Trophy, Mitsubishi Outlander 2.4 CVT Premium, Mazda CX-5 2.5L Signature Premium AWD,…

Điểm khác nhau cơ bản giữa AWD và 4WD là nếu AWD sử dụng 2 cầu toàn thời gian, tức là lúc nào xe chạy cũng đều sử dụng 2 cầu xe thì 4WD lại linh hoạt hơn khi cho người lái quyết định lúc nào sử dụng 2 cầu, lúc nào sử dụng 1 cầu nhờ cơ chế khóa dòng truyền công suất xuống 1 cầu và sử dụng cầu còn lại.

Trên xe tải, rất ít xe được trang bị 3 cầu chủ động vì khi đó kết cấu sẽ rất phức tạp. Những xe được trang bị 3 cầu chủ động thường là những xe chủ yếu dùng trong quân đội, như Ural 375 hay Zil 157, Zil 131.

2. Trọng lượng bám và các hiện tượng trượt

a. Trọng lượng bám và hệ số bám:

Để ô tô có thể chuyển động được thì vùng tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường phải có một hệ số bám nhất định. Sự bám giữa bánh xe với mặt đường được đặc trưng bằng hệ thống hệ số bám φ. Về cơ bản, hệ số bám như là hệ số ma sát giữa bánh xe và mặt đường.

Trọng lượng xe phân bố lên bánh xe có mô men – bánh xe chủ động (cộng với trọng lượng bánh xe) được gọi là trọng lượng bám ký hiệu G_φ.

Lực bám F_φ là giới hạn lớn nhất mà lực kéo P_K giúp xe chuyển động, cụ thể hơn khi P_K > F_φ , bánh xe sẽ xảy ra hiện tượng trượt quay. Vì vậy càng tăng lực bán F_φ lớn, sẽ càng nhiều lực kéo P_K từ động cơ được chuyển hoá thành lực có ích kéo xe di chuyển.

Lực bám quan hệ với hệ số bám và trọng lượng bám theo công thức:

Trong công thức trên, ta muốn F_φ lớn nhất có thể. Trong khi đó φ phụ thuộc vào chất lượng bánh xe và mặt đường. Vì vậy để tăng hệ số bám, trọng lượng bám phải tăng lên. Ở xe 1 cầu chủ động, trọng lượng bám chỉ là trọng lượng được phân bố lên hoặc cầu trước hoặc cầu sau.

Ở xe 2 cầu chủ động, trọng lượng bám là trọng lượng của toàn xe đặt lên 4 bánh, vì vậy trọng lượng bám được tăng lên rất nhiều. Vì vậy 4 bánh chủ động có thể rút ngắn khoảng thời gian tăng tốc của xe, giúp xe bám đường tốt hơn và giúp xe vượt qua những vũng lầy khi có thêm nhiều lực bám.

b. Hiện tượng trượt lết và trượt quay:

Khi động cơ cung cấp công suất đến các bánh xe, ta gọi đó là lực kéo P_K. Hiện tượng trượt quay xảy ra khi P_K > F_φ. Khi này lực kéo lớn hơn lực bám bánh xe, bánh xe quay trong khi xe không chuyển động. Dễ hình dung nhất là khi xe bị sa lầy, khi này hệ số bám rất nhỏ, kéo theo lực bám nhỏ đi. Khi này lực kéo lớn hơn lực bám nên bánh xe không thể thoát khỏi vũng lầy.

Một ví dụ nữa của hiện tượng trượt quay là khi ô tô tăng tốc quá gấp, bánh xe quay nhanh tạo lực kéo lớn nhưng lực bám F_φ lại nhỏ nên bánh xe quay rất nhanh nhưng xe vẫn đứng yên tại chỗ.

Hiện tượng trượt lết xảy ra khi vận tốc của bánh xe nhỏ hơn vận tốc của xe di chuyển. Khi này xét trong hệ quy chiếu của lốp xe, bánh xe đứng yên mà tốc độ xe đang dương nên lúc này xe đang kéo lết bánh xe đứng yên.

Một ví dụ cho hiện tượng trượt lết đó là khi phanh cứng đột ngột, khi này vận tốc bánh xe giảm rất nhanh về 0 nhưng do quán tính, xe vẫn di chuyển nên xe đã kéo các bánh xe trượt lết trên đường. Đây cũng là lý do chính cho sự ra đời của hệ thống chống bó cứng phanh ABS.

Vậy sử dụng xe 2 cầu chủ động có những lợi ích lớn đó là:

• Tăng lực bám: lực bám lớn giúp xe an toàn hơn khi khả năng bám đường tăng lên, mặt khác giúp xe đi off-road hoặc vượt địa hình xấu tốt hơn.
• Giúp xe thoát khỏi sa lầy trong trường hợp một cầu bị sa lầy: trong trường hợp này, cầu còn lại sẽ kéo cầu bị sa lầy ra khỏi vũng lầy, giúp xe không bị đứng yên dù bánh xe đang quay.
• Đảm bảo các lốp xe mòn đều: cầu trước vừa dẫn hướng vừa chủ động dễ dẫn đến việc 2 bánh trước mòn nhiều hơn 2 bánh sau, 4 bánh chủ động giúp giảm độ mòn không đều của 4 bánh xe do công suất lúc này được truyền đến cho cả 2 bánh sau.

3. Giải mã hiện tượng tuần hoàn công suất?

Trên xe 2 cầu chủ động, 4 bánh xe đều được cung cấp công suất như nhau khi đi trên đường thẳng, vì vậy trên lý thuyết, các bánh xe khi này có tốc độ dài bằng nhau và bằng tốc độ di chuyển của xe. Nhưng nếu vì một lý do nào đó như áp suất lốp không đều giữa các bánh, hỏng hóc hệ thống treo,.., mà bánh kính làm việc r_b của các bánh xe khác nhau, ta có:

Khi này tốc độ dài ở bánh bình thường là v = ω.r_b, trong khi đó tốc độ dài ở bánh non là:

v₁= ω.r_b1

Với r_b1 là bánh kính làm việc bánh xe non nên r_b1<r_b. Vậy v₁ <v, tức một bánh xe chủ động có tốc độ nhỏ hơn tốc độ của xe. Khi này chiếu theo điều kiện trượt lết, 3 bánh còn lại phải kéo lết bánh xe này.

Quá trình kéo lết tạo nên ma sát giữa bánh xe và mặt đường, sinh ra một lực ma sát F_ms2, lực ma sát này tạo ra mô men cản M_c với công thức:

M_c = r_b1.F_ms2

Mô men cản này sinh ra công suất không có ích N₂ theo công thức:

N₂ = M_c.ω

Công suất N₂ được gọi là công suất ký sinh, có chiều đi ngược lại với dòng công suất của xe, gây tổn hao công suất. Vì vậy đây được gọi là hiện tượng tuần hoàn công suất.

---

Tác hại của dòng công suất ký sinh này là:

• Mòn lốp: dễ dàng thấy với sự kéo lết, bánh xe ma sát rất lớn với mặt đường sẽ gây mòn lốp rất nhanh;
• Tăng lượng tiêu hao nhiên liệu: Vì dòng công suất ký sinh làm tổn hao công suất, động cơ cần tăng công kéo lên bù vào lượng công suất hao hụt, từ đó tốn nhiều nhiên liệu hơn;
• Các trục liên quan đến bánh xe bị non chịu ứng suất xoắn nhiều hơn do có 2 dòng công suất ngược chiều chạy qua, từ đó gây giảm tuổi thọ các chi tiết trên hệ thống truyền lực.

Những phương pháp hạn chế hiện tượng tuần hoàn công suất:

• Có cơ chế khóa một trong hai cầu: khi này lái xe có thể chọn chạy bằng 2 cầu chủ động hoặc 1 cầu. Nếu gặp đường xấu, cần tăng lực bám, lái xe sẽ chọn chạy bằng 2 cầu, còn khi đường tốt hoặc chạy trên cao tốc, lái xe sẽ chọn chỉ chạy bằng 1 cầu để tránh hiện tượng tuần hoàn công suất.
• Trên xe được bố trí hộp số phân phối: hộp phân phối có nhiệm vụ giúp cho 2 cầu có được công suất khác nhau, từ đó giúp 2 cầu chạy với tốc độ khác nhau, tránh hiện tượng trượt lết.
• Sử dụng khớp silicon giữa 2 cầu: khớp silicon có khả năng tự gài, tự nhả cầu nhờ cảm nhận được sự trượt của bánh xe. Qua đó tự động chọn chạy bằng 1 hay 2 cầu giúp lái xe.

---

Bài viết liên quan:

• Giải thích các khái niệm cầu xe, dẫn động 4WD, AWD, 4×4, 4×2… là gì?
• Phân loại và nguyên lý hoạt động của các loại hệ thống dẫn động 4WD cơ bản
• Công dụng, phân loại, yêu cầu và kết cấu của hộp số phân phối đơn giản trên ô tô