Chương I:TỔNG QUAN VỀ CẦU CHỦ ĐỘNG

Cầu xe là cụm chi tiết bằng thép đặt ngang dưới gầm xe, hai phần đầu của cầu đề tỳ lên moay ơ của bánh xe do đó cầu xe được dùng làm giá đỡ cho hệ thống treo để toàn bộ tải trọng của xe đặt lên khung gầm thông qua hệ thống treo truyền tới được phân bố đều trên các bánh xe. Hầu hết các xeđều có cầu trước và cầu sau. các xe tải nặng còn có thêm cầu giữa để phân đều và giảm bớt tải trọng cho các bánh xe. Có hai loại cầu: Cầu chủ động và cầu bị động. 

1.1 Nhiệm vụ - yêu cầu - phân loại cầu chủ động

1.1.1 Nhiệm vụ

Cầu chủ động là bộ phận cuối cùng trong hệ thống truyền lực, tuỳ theo kết cấu, cầu chủ động có thể đặt phía sau hộp số, nối với hộp số hay hộp phân phối bởi trục chuyển động các đăng hoặc cầu chủ động và hộp số được đặt trong một cụm. Cầu chủ động có những nhiệm vụ sau:

 Gá đỡ và giữ hai bánh xe chủ động.

 Phân phối mômen của động cơ đến hai bánh xe chủ động.

 Tăng tỷ số truyền để tăng mômen xoắn, tăng lực kéo của bánh xe chủ động.

 Cho phép hai bánh xe chủ động quay với vận tốc khác nhau khi xe quay vòng.

 Đỡ toàn bộ trọng lượng của các bộ phận đặt trên xe.

 Thu hút và truyền dẫn mômen xoắn của cầu lên khung xe khi tăng tốc hoặc phanh xe.

 Đối với cầu trước chủ động. 

1.1.2 Yêu cầu

 Có tỷ số truyền cần thiết phù hợp với yêu cầu làm việc.

 Đảm bảo độ cứng vững, độ bền cơ học cao.

 Phải có hiệu suất làm việc cao.

 Làm việc không gây tiếng ồn.

 Kích thước nhỏ gọn.

1.1.3 Phân loại

* Theo kết cấu của truyền lực chính chia hai loại:

 Cầu đơn.

 Cầu kép.

* Theo vị trí của cầu chủ động trên xe có các loại:

 Cầu trước chủ động.

 Cầu sau chủ động.

* Theo số lượng cầu bố trí trên xe:

 Xe có một cầu chủ động trước hoặc sau.

 Xe có hai cầu chủ động: trước và sau.

 Xe có ba cầu chủ động: trước, giữa và sau.

1.2 Các bộ phận chính của cầu chủ động

Cầu chủ động gồm các bộ phận quan trọng nhất là : bộ truyền lực chính , bộ vi sai, hai nửa bán trục và moay ơ của bánh xe chủ động.

1.2.1 Truyền lực chính

1. Nhiệm vụ

 Truyền mômen xoắn của động cơ tới bộ vi sai với góc truyền 90O để chuyển động quay của trục khuỷu thành chuyển động tịnh tiến của xe.

 Tăng tỷ số truyền để tăng mômen xoắn và lực kéo ở bánh xe chủ động.

2. Phân loại truyền lực chính

* Dựa theo số cặp bánh răng ăn khớp, truyền lực chính được phân làm hai loại:

 Truyền lực chính đơn: có một cặp bánh răng.

 Truyền loại chính kép: có hai cặp bánh răng.

* Dựa theo kết cấu cặp bánh răng côn, truyền lực chính có ba loại:

 Dùng cặp bánh răng côn răng thẳng.

 Dùng cặp bánh răng côn răng xoắn.

 Dùng cặp bánh răng côn răng hypoid.

Ngoài ra truyền lực chính của xe có động cơ đặt ngang không phải dùng cặp bánh răng côn. Truyền lực chính chỉ có cặp bánh răng trụ răng xiên, bởi trục khuỷu đặt song song với trục bánh xe chủ động.

3. Cấu tạo và hoạt động của bộ truyền lực chính

Có hai loại truyền lực chính: truyền lực chính đơn và truyền lực chính kép

a. Truyền lực chính đơn

* Cấu tạo: ( hình 1.1)

Truyền lực chính đơn chỉ có một cặp bánh răng ăn khớp.

Đối với xe có động cơ đặt dọc truyền lực chính đơn có cặp bánh răng hình côn (1),(2) để truyền mômen xoắn theo chiều vuông góc. Cặp bánh răng hình côn có 3 loại: bánh răng côn răng thẳng, răng xoắn và răng Hypoit. Bánh răng côn răng thẳng khó đảm bảo tỷ số truyền, làm việc không êm, ngày nay không dùng nữa.

Đối với loại bánh răng côn xoắn, các đường tâm của hai bánh răng cùng nằm trên một mặt phẳng, loại Hypoit thì giữa hai trục có độ lệch tâm e ( hình 1. 1). Nhờ độ lệch tâm e mà có thể nâng hoặc hạ chiều cao trọng tâm xe, giảm góc nghiêng trục các đăng và tăng tính êm dịu của cặp truyền lực bánh răng, nhưng loại này làm tăng trượt dọc của bánh răng truyền lực chính làm chóng mòn răng mềm và phải bôi trơn bằng dầu chuyên dùng ( dầu hypoit ).

Hình 1. 1 Các cặp truyền lực chính đơn

Cặp bánh răng côn bao gồm bánh răng quả dứa và bánh răng vành chậu.

Bánh răng chủ động được chế tạo liền trục và thường được gọi là bánh răng quả dứa.Trục bánh răng quả dứa lắp vào vỏ cầu bằng hai vòng bi côn, phía ngoài có phay rãnh then hoa để lắp với mặt bích truyền động từ trục các đăng, ngoài cùng tiện ren để lắp êcu hãm. Trên trục có bố trí ống phân cách 2 vòng bi, phớt chắn dầu và các đệm điều chỉnh. Đệm điều chỉnh vị trí bánh răng qủa dứa đặt sát ngay quả dứa, phía trước vòng bi trong đỡ trục. Các đệm còn lại lắp cùng ống phân cách để điều chỉnh độ dơ dọc của trục chủ động.

Bánh răng bị động là bánh răng côn lớn, thường gọi là bánh răng vành chậu và luôn ăn khớp với bánh răng chủ động. Vỏ hộp vi sai được lắp chặt vào bánh răng vành chậu bằng đinh tán hay bulông. Vỏ hộp vi sai quay trơn trên hai vòng bi côn đặt trong ổ đỡ của vỏ cầu.

 Hoạt động: Khi trục các đăng truyền mômen xoắn tới bánh răng quả dứa, nó tiếp tục truyền cho bánh răng vành chậu và hộp bi sai để truyền ra 2 bán trục và các bánh xe chủ động.

Đối với xe có động cơ đặt ngang phía trước và dẫn động trực tiếp hai bánh xe trước, hệ thống truyền động không có trục truyền động các đăng dọc, hộp số và hộp vi sai được đặt chung trong một vỏ, thường gọi là Transaxle. Truyền lực chính là cặp bánh răng hình trụ. Bánh răng chủ động lắp chặt ở một đầu trục thứ cấp hộp số. Bánh răng bị động luôn ăn khớp với bánh răng chủ động, trên bánh răng bị động lắp với vỏ vi sai. Qua cặp bánh răng truyền lực chính, mômen quay từ trục thứ cấp hộp số truyền cho bộ vi sai để truyền động cho hai bánh xe trước.

Truyền lực chính loại đơn thường dùng cho các xe du lịch và xe tải cỡ nhỏ yêu cầu tỉ số truyền thấp từ 2  4.

Hình 1.2 Truyền lực chính đơn trong cầu chủ động

1. Bánh răng vành chậu; 2. Bánh răng quả dứa; 3. Bánh răng bộ vi sai;

4. Bán trục; 6, Trục bánh răng quả dứa;,7. Các vòng bi côn; 8. Vỏ cầu

b. Truyền lực chính kép

Đối với các xe tải có công suất lớn, để có đủ mômen xoắn và lực kéo cho hai bánh xe chủ động, đồng thời đảm bảo độ bền cơ học của các bánh răng, truyền lực chính thường có hai cặp bánh răng. Ngoài cặp bánh răng côn, truyền lực chính còn có thêm bánh răng trụ răng nghiêng. Tỷ số truyền của truyền lực chính kép khoảng 4  12.

Cấu tạo: (hình 1. 4) 

Bánh răng quả dứa (2) chế tạo liền với trục chủ động. Trục và bánh răng quả dứa đặt trong một vỏ riêng (7) lắp với vỏ cầu bằng bulông, ở giữa có đệm điều chỉnh. Kết cấu lắp ghép trục bánh răng với vỏ tương tự như ở bộ truyền lực chính đơn. Bánh răng vành chậu (1) lắp chặt với trục trung gian bằng đinh tán và luôn ăn khớp với bánh răng quả dứa (2). Trục trung gian chế tạo liền với bánh răng trụ trung gian nhỏ (3).

Hình 1. 3. Truyền lực chính trong Transaxle.

Hình 1. 4 Truyền lực chính kép trong cầu chủ động

1. Bánh răng vành chậu; 2. Bánh răng quả dứa; 3. Bánh răng trụ trung gian nhỏ;

4. Bánh răng trung gian lớn; 5, 9 vòng bi; 6. trục bánh răng quả dứa; 7. Vỏ lắp bánh răng quả dứa và trục trung gian; 8. Bán tục; 10. Vỏ cầu.

Trục trung gian quay trơn trên vòng bi côn đặt trên vỏ cầu, phía ngoài có nắp và đệm điều chỉnh. Bánh răng trung gian lớn lắp với vỏ vi sai bằng các bulông. 

 Hoạt động: Khi bánh răng quả dứa nhận truyền động từ trục các đăng, mômen quay được truyền tới bánh răng vành chậu, bánh răng trung gian nhỏ, bánh răng trung gian lớn và vỏ bộ vi sai.

1.2.2 Bộ vi sai

1. Nhiệm vụ

 Phân phối mômen quay ra các bán trục.

 Cho phép bán trục quay với tốc độ khác nhau khi xe quay vòng hay chuyển đông trên đường không bằng phẳng.

2. Phân loại

* Theo công dụng của bộ vi sai có hai loại:

 Vi sai đối xứng: phân phối mômen giữa các bán trục; được đặt trong cầu chủ động và còn gọi là vi sai giữa các bánh xe.

 Vi sai không đối xứng: dùng phân phối mômen ra các cầu chủ động, được đặt trong hộp phân phối và còn gọi là bộ vi sai trung tâm.

* Theo cấu tạo của bộ visai có ba loại:

 Vi sai dùng bánh răng côn.

 Vi sai dùng bánh răng trụ.

 Vi sai tăng ma sát.

 Vi sai cam.

Trên ôtô thường dùng bộ vi sai với bánh răng côn.

3. Cấu tạo ( hình 1. 5) 

 Vỏ bộ vi sai lắp chặt với bánh răng vành chậu hay bánh răng trung gian lớn. Trục chữ thập đặt cố định trong vỏ vi sai, đầu trục chữ thập lắp tự do bốn bánh răng hành tinh. Trục chữ thập và các bánh răng hành tinh luôn quay cùng với vỏ vi sai. Các bánh răng hành tinh luôn ăn khớp với hai bánh răng bán trục. Phía trong bánh răng bán trục có rãnh then hoa để lắp với bán trục. Giữa bánh răng bán trục và vỏ hộp vi sai có tấm đệm một mặt trơn một mặt có hốc chứa dầu bôi trơn. ( ở một số xe công suất nhỏ, hộp vi sai chỉ có hai bánh răng hành tinh lắp tự do trên một trục thẳng ).

 Bộ vi sai được quay trên 2 vòng bi côn đặt trong hốc của vỏ cầu, phía ngoài vòng bi có các căn đệm và đai ốc hãm hoặc có đai ốc điều chỉnh để chỉnh độ dơ dọc và điều chỉnh vị trí của bộ vi sai.

Hình 1. 5 Cấu tạo bộ vi sai bánh răng

2. Nguyên lý làm việc ( hình 1. 6)

Mômen quay của động cơ đưa đến truyền lực chính, bánh răng bị động quay và vỏ bộ vi sai quay. Vỏ bộ vi sai kéo trục chữ thập và các bánh răng hành tinh quay theo. Vì các bánh răng hành tinh luôn ăn khớp với bánh răng bán trục nên kéo các bánh răng bán trục cùng quay với vỏ bộ vi sai, qua bán trục mômen xoắn đưa tới các bánh xe chủ động.

Khi xe chạy trên đường thẳng và phẳng, hai bánh xe chủ động chịu một lực cản bằng nhau. Lực tác động lên các bánh răng hành tinh cân bằng từ hai phía nên bánh răng hành tinh không quay trên trục của nó, kéo hai bánh răng bán trục quay cùng tốc độ với vỏ bộ vi sai.Tốc độ hai bánh xe bằng nhau.

Khi xe chạy trên đường vòng, các bánh răng hành tinh vẫn kéo hai bánh răng bán trục quay cùng với vỏ bộ vi sai. Trong trường hợp này, lực cản lăn của bánh xe trong lớn hơn nên lực tác động lên các bánh răng hành tinh không 

Hình 1. 6. Nguyên lý làm việc của bộ vi sai.

cân bằng nhau, chúng tự quay xung quanh trục và làm các bánh răng bán trục quay với tốc độ khác nhau:

Bánh răng ngoài quay với tốc độ : nt = no - nht x Z ht / Zbt.

nn = no + nht x Zht / Zbt

nn + nt = 2 no.

Trong đó: 

- nt , nn, no, nht là tốc độ của bánh xe trong, bánh xe ngoài, vỏ vi sai và bánh răng hành tinh.

 Zht, Zbt Số răng của bánh răng hành tinh và bánh răng mặt trời.

Do đó tốc độ bánh xe trong giảm đi bao nhiêu thì tốc độ bánh xe ngoài tăng lên bấy nhiêu và tổng số vòng quay của bai bên bánh xe là không đổi và bằng hai lần số vòng quay của vỏ vi sai. Với đặc tính truyền động này, bộ vi sai luôn tự động điều chỉnh tốc độ của hai bánh xe chủ động khác nhau để khi quay vòng hay chuyển động trên đường không bằng phẳng, hai bánh xe không bị lết trượt.

Tóm lại khi xe chạy trên đường thẳng, các chi tiết của bộ vi sai cùng quay với vỏ như một khối thống nhất. Còn khi xe quay vòng, các bánh răng vừa quay cùng với vỏ vi sai, vừa quay quanh trục của mình. Các bánh răng chuyển động tương đối với vỏ vi sai làm các bán trục quay với tốc độ khác nhau.

1.2.3Cơ cấu khoá vi sai

1.Nhiệm vụ

Khi xe bị sa lầy, bộ vi sai sẽ hoạt động tương tự như xe chuyển động trên đường vòng. Bánh xe trên đất khô sẽ đứng yên, còn bánh xe trong sình lầy quay trượt với tốc độ gấp đôi vỏ bộ vi sai. Xe không tiến được để thoát sa lầy.

Cải tiến tình trạng này bằng cách dùng cơ cấu khóa vi sai hay dùng bộ vi sai giới hạn trượt hoặc không trượt.

Cơ cấu này dùng cho loại xe có tính năng việt dã cao, hoạt động trên các loại đường lầy lội.

2. Cấu tạo: (hình 1. 7)

Cơ cấu khoá vi sai gồm có bộ phận điều khiển và khớp gài vi sai. Khớp gài vi sai có vành răng trong lắp di trượt bằng then hoa với vành răng cố định trên vỏ vi sai và vành răng ngoài tương ứng trên bán trục.

Hình 1. 7. Cơ cấu khóa vi sai

a. Cấu tạo bộ vi sai có cơ cấu khoá cứng vi sai

b. Sơ đồ cấu tạo bộ vi sai có cơ cấu khóa cứng vi sai

3. Hoạt động: Khi xe bị sa lầy, di trượt khớp gài vi sai để vành răng trong ăn khớp với vành răng ngoài trên bán trục làm bán trục được nối cứng với vỏ bộ vi sai, khoá cho bộ vi sai không hoạt động. Mômen động cơ tập trung cho bánh xe trên nền đất cứng và xe dễ dàng vượt qua sa lầy.

Sau khi xe vượt sa lầy, phải ngắt cơ cấu khoá vi sai để bộ vi sai hoạt động bình thường.

Cơ cấu khoá vi sai được điều khiển bằng tay hoặc điều khiển điện từ - khí nén.

1.2.4.Bán trục:

1. Nhiệm vụ

Truyền mômen xoắn từ hộp vi sai tới bánh xe chủ động.

2. Phân loại

Căn cứ vào mức độ chịu tải, bán trục được chia ra hai loại sau:

 Trục thoát tải một nửa.

 Bán trục thoát tải hoàn toàn.

3. Cấu tạo ( hình 1. 8)

Bán trục là một trục bằng thép, đầu trong có rãnh then hoa để lắp với bánh răng bán trục, đầu ngoài có mặt bích để truyền động cho bánh xe chủ động.

Tuỳ theo cách lắp ghép moay ơ và bán trục với dầm cầu mà theo mức độ thoát tải của bán trục khác nhau.

a. Bán trục thoát tải một nửa ( hình 1. 8 a)

Loại bán trục này được dùng phổ biến cho xe du lịch và xe vận tải nhỏ. Vỏ bộ vi sai lắp với vỏ cầu qua vòng bi côn. Đầu trong của bán trục lắp vào bánh răng bán trục của bộ vi sai nhưng không phải đỡ trọng lượng bộ vi sai. Đầu ngoài bán trục tựa lên vòng bi đặt trong vỏ cầu và liên kết với bánh xe. Bán trục chịu toàn bộ trọng lượng của xe, lực chiều trục T lúc bánh xe bị trượt ngang, gây ra mômen uốn trong mặt phẳng thẳng đứng. Lực kéo F ( vuông góc với mặt phẳng hình vẽ) tác dụng lên lốp xe do mômen M truyền tới bánh xe cũng gây uốn bán trục trong mặt phẳng nằm ngang. Khi phanh xe lực phanh thay lực kéo gây uốn bán trục ngược chiều so với lực kéo. Nếu bán trục gãy, bánh xe sẽ rời khỏi cầu xe.

b.bán trục thoát tải hoàn toàn ( hình 1. 8 b)

Hình 1. 8 Sơ đồ kết cấu các loại bán trục.

a. Bán trục thoát tải một nửa

b. Bán trục thoát tải hoàn toàn

Loại bán trục này được dùng cho tất cả các xe ôtô tải hạng nặng. Bán trục có đầu trong lắp vào bánh răng của bộ vi sai, đầu ngoài thông qua mặt bích bắt chặt vào moay bánh xe. Moay ơ tựa lên đầu mút dầm cầu nhờ hai vòng bi côn. Bán trục chỉ còn chịu tác dụng của các mômen xoắn, gồm mômen kéo và mômen phanh. Dầm cầu chịu toàn bộ trọng lượng của xe và tất cả các lực va đập tác dụng lên bánh xe. Có thể tháo bán trục thoát tải hoàn toàn mà không cần phải tháo bánh xe và moay ơ ra khỏi dầm cầu.

1.2.5.Moay ơ bánh xe:

1. Nhiệm vụ:

Moay ơ là chi tiết giúp bánh xe quay trên trục ( bánh xe bị động) hoặc quay trơn trên vỏ cầu, ống cam dẫn hướng ( bánh xe chủ động sau và trước ). 

2. Cấu tạo 

Để bánh xe quay trơn mà không có độ dơ, moay ơ lắp trên hai vòng bi đũa hay vòng bi côn. Bánh xe có hai loại: chủ động và bị động, do đó moay ơ của bánh xe cũng có kết cấu lắp ghép phù hợp. 

Hình 1. 9. a là kết cấu moay ơ bánh xe trước chủ động dẫn hướng gồm có vỏ moay ơ lắp trên trục bằng hai vòng bi côn lắp ngược chiều.

Kết cấu may ơ trước bị động được giới thiệu trên hình 1.9.b. Moay ơ lắp với trục quay bằng hai vòng bi côn.Vòng hãm và đai ốc điều chỉnh dùng điều chỉnh độ dơ dọc trục của moay ơ và được hãm chặt bằng đai ốc cùng phanh hãm. 

Moay ơ bánh xe sau dùng hai vòng bi hình côn lắp với đầu ngoài của dầm cầu. Kết cấu điều chỉnh độ dơ các vòng bi (dơ moay ơ) cũng tương tự như moay ơ bị động trên. 

a) Moay ơ bánh xe dẫn hướng chủ động 

b) Moay ơ bánh xe dẫn hướng bị động

Hình 1. 9 Kết cấu moay ơ bánh xe

Trên moay ơ có bố trí tang trống hay đĩa phanh. Tang trống hay đĩa phanh được lồng vào bulông tắc kê hoặc bắt chặt với moay ơ bằng vít.

1.2.6.Vỏ cầu (dầm cầu)

1. Nhiệm vụ

 Đỡ toàn bộ trọng lượng của xe.

 Bao kín và chứa dầu bôi trơn cho cầu chủ động.Gá lắp bánh xe, hệ thống treo và một số chi tiết khác.

2. Phân loại

* Theo công dụng dầm cầu chủ động được chia làm 2 loại:

 Dầm cầu chủ động không dẫn hướng.

 Dầm cầu chủ động dẫn hướng.

Dầm cầu dẫn hướng là dầm cầu trước, dầm cầu không dẫn hướng là dầm cầu sau hay dầm cầu trung gian. 

3. Cấu tạo vỏ cầu và các ổ đỡ

Vỏ cầu chủ động có hai dạng kết cấu: ( hình 1.10) Vỏ cầu liền và vỏ cầu ghép. Vỏ cầu liền được sử dụng phổ biến. Vỏ cầu ghép gồm hai hay ba phần ghép lại với nhau bằng bulông, loại này được sử dụng ít hơn. 

c)

Hình 1.10 Cấu tạo vỏ cầu chủ động sau (a, b) và trước (c)

a. Vỏ cầu rời; b,c. Vỏ câù liền.

1.3 Cầu dẫn hướng chủ động

1.3.1.Kết cấu chung ( hình 1.11)

Cầu dẫn hướng chủ động dùng trên xe có tính việt dã cao, nó có hai đặc điểm vừa là chủ động vừa là dẫn hướng. Vì vậy ngoài phần tương tự như cầu sau chủ động cầu dẫn hướng chủ động còn có thêm cơ cấu để điều khiển hướng mặt phẳng quay của bánh xe. 

Cơ cấu dẫn động bánh xe trước chủ động gồm có: truyền lực chính (1), bộ vi sai (3), bán trục (4), khớp nối đồng tốc (6), trục bánh xe dẫn hướng (8). Tất cả các cụm chi tiết trên nằm gọn trong vỏ cầu (2) và các nửa ống (5). Phần đầu của vỏ cầu trước còn có các cam quay gồm vỏ (11) cùng cổ trục rỗng (7), bên ngoài cổ (7) được các cổ bi (10) lồng vào làm ổ tỳ để lắp bánh xe trước.

Hình 1.11. Cầu trước liền chủ động 

1. Truyền lực chính;2. Vỏ cầu; 3. Bộ vi sai; 4. Bán trục;5. Các nửa ống; 6. Khớp nối đồng tốc;7. Cổ trục rỗng cam quay;8. Trục bánh xe;9. Bulông;10. ổ bi côn;11. vỏ cam qua;12.trụ đứng; 13. ổ bi đỡ trụ đứng; 14. Phần vỏ mặt cầu.

1.3.2 Nguyên lý truyền động

Truyền lực chính và bộ vi sai có kết cấu tương tự như cầu sau chủ động. Khớp các đăng đồng tốc (6) dùng để truyền tốc độ quay đồng nhất từ bán trục (4) đến trục (8) của bánh xe, cho phép góc lệch giữa hai trục biến động trong phạm vi dưới 400 lúc quay vòng. Trục truyền động (8) của bánh xe nằm bên trong ống dẫn (7) rồi qua khớp nối then hoa với moay ơ của mặt bích đầu trục để nối với moay ơ (9) của bánh trước, moay ơ này tỳ lên các ổ bi (10). ống dẫn (7) được nối chắc với vỏ cam quay (11), vỏ cam tỳ lên ổ bi (13), nhờ đó vỏ cam, ống (7) và bánh xe có thể quay quanh chốt (12) của khớp chuyển hướng. Chốt (12) được gắn chặt trên phần mặt cầu (14). ở vị trí bất kì của ống (7) và bánh xe bán trục (4) thông qua khớp đồng tốc (6) và trục truyền (8) đều có thể truyền chuyển động quay tới bánh xe.