Bánh đà khối lượng kép là một giải pháp đơn giản, hiệu quả cho vấn đề khử rung động, dao động xoắn động cơ đốt trong. Cô lập, ngăn chặn các rung động này đến hệ thống truyền lực.
Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ xe cộ trong vài thập kỷ qua đã mang lại cho động cơ hiệu suất phát triển ngày càng cao song song với đó là nhu cầu về sự thoải mái của người lái ngày càng tăng. Các khái niệm xe tinh giảm trọng lượng và thân xe tối ưu hóa đường hầm gió giờ đây cho phép người lái có thể cảm nhận được các nguồn tiếng ồn khác. Ngoài ra, các khái niệm tinh gọn, động cơ tốc độ cực thấp và hộp số thế hệ mới sử dụng dầu nhẹ góp phần tạo nên điều này.
Kể từ giữa những năm 1980, tiến bộ này đã khiến cho bộ giảm chấn xoắn cổ điển như một phần không thể thiếu của đĩa dẫn động ly hợp đến giới hạn của nó. Với không gian lắp đặt giống nhau hoặc thậm chí ít hơn, giảm chấn xoắn cổ điển đã tỏ ra không đủ khả năng để cân bằng mô-men xoắn liên tục tăng của động cơ.
Một giải pháp đơn giản nhưng rất hiệu quả được đưa ra – Bánh đà khối lượng kép (DMF) – một khái niệm giảm chấn điều tiết xoắn mới cho hệ thống truyền động.
1. Lịch sử phát triển bánh đà khối lượng kép
Cấu hình của các lò xo trong bánh đà khối lượng kép thế hệ 1 giống với các bộ giảm chấn xoắn thông thường, trong đó các lò xo được gắn theo hướng xuyên tâm gần tâm và do đó chỉ có thể cung cấp khả năng lò xo hạn chế. Thiết kế này đủ để cô lập rung động trong động cơ 6 xi-lanh vì chúng kích thích tốc độ cộng hưởng thấp.
Ngược lại, động cơ 4 xi-lanh tạo ra sự bất thường cao hơn và do đó tốc độ cộng hưởng cao hơn. Việc định vị lại các lò xo về phía mép ngoài và sử dụng đường kính lò xo chịu áp lực lớn đã tăng khả năng của giảm chấn lên gấp 5 lần mà không cần thêm không gian.
2. Bánh đà khối lượng kép là gì?
Bánh đà khối lượng kép (DMF hoặc DMFW) là một thiết bị cơ học quay được sử dụng để cung cấp năng lượng liên tục (năng lượng quay) trong các hệ thống mà nguồn năng lượng không liên tục, giống như cách hoạt động của bánh đà thông thường, nhưng bánh đà khối lượng kép có thể làm giảm bất kỳ biến động mạnh nào của mô-men xoắn hoặc tốc độ vòng quay có thể gây ra rung động không mong muốn. Việc giảm rung được thực hiện bằng cách tích lũy năng lượng tích trữ trong hai nửa khối lượng của bánh đà trong một khoảng thời gian nhưng được giảm xóc bởi lò xo hình cung, thực hiện điều đó với tốc độ tương thích với nguồn năng lượng, và sau đó giải phóng năng lượng đó với tốc độ cao hơn nhiều trong một thời gian tương đối ngắn.
Bánh đà khối lượng kép (DMF) là một bộ phận giảm chấn thụ động và chức năng chính của nó là cách ly hệ truyền động/hộp số khỏi rung động do động cơ đốt trong tạo ra. Kỹ thuật này cũng sẽ cải thiện hành vi tiếng ồn tổng thể của xe và giảm tiêu thụ nhiên liệu.
Bánh đà khối lượng kép cơ bản là một bánh đà bao gồm 2 bộ phận chính: bánh đà sơ cấp và bánh đà thứ cấp có thể quay độc lập nhau. Bánh đà sơ cấp gắn với trục khuỷu động cơ, bánh đà thứ cấp gắn với ly hợp. Liên kết giữa bánh đà sơ cấp và bánh đà thứ cấp là các lò xo giảm chấn có dạng hình cung.
- 1 – Động cơ
- 2 – Ly hợp
- 3 – Hộp số
- 4 – Giảm chấn xoắn
- 5 – Khối lượng sơ cấp
- 6 – Khối lượng thứ cấp
- 7 – Bánh đà
2.1. Tại sao cần bánh đà khối lượng kép?
Các chu kỳ đốt cháy tuần hoàn của động cơ 4 kỳ tạo ra dao động mô men xoắn kích thích dao động xoắn truyền xuống hệ thống truyền động. Hệ quả là tiếng ồn và rung động, chẳng hạn như tiếng lách cách của bánh răng, tiếng ồn của thân xe và độ rung thay đổi tải trọng, dẫn đến tăng tiếng ồn và giảm sự thoải mái khi lái xe.
Do đó, mục tiêu khi phát triển Bánh đà khối lượng kép là cô lập càng nhiều càng tốt hệ thống truyền lực khỏi rung động xoắn gây ra bởi khối lượng quay của động cơ.
Nhờ sở hữu hệ thống lò xo giảm chấn tích hợp, Bánh đà khối lượng kép gần như hấp thụ hoàn toàn rung động xoắn này. Kết quả: Giảm rung chấn rất tốt.
2.2. Thiết kế bánh đà khối lượng kép
So với bánh đà thông thường chỉ có một khối lượng, Bánh đà khối lượng kép DMF tiêu chuẩn bao gồm khối lượng sơ cấp và khối lượng thứ cấp. Hai khối lượng được tách rời và kết nối với nhau thông qua một hệ thống có lò xo và bộ giảm chấn. Cả hai khối lượng đều được hỗ trợ bởi một ổ bi rãnh sâu hoặc ổ trượt để chúng có thể quay ngược lại nhau. Độ cứng lò xo và đặc tính giảm chấn là rất quan trọng trong việc xác định hiệu suất hoạt động của bánh đà khối lượng kép.
Khối lượng sơ cấp (2) (xem hình bên dưới) được bắt chặt vào trục khuỷu, có gắn vành răng khởi động (1) và nó được dẫn động bởi động cơ. Nó bao quanh, cùng với nắp sơ cấp (6), một khoang tạo thành kênh lò xo hình cung.
Các thành phần chính của hệ thống giảm chấn lò xo là lò xo hình cung (3). Các lò xo này nằm trong các rãnh lò xo vòng cung có dẫn hướng và đáp ứng hiệu quả các yêu cầu của một giảm chấn xoắn “lý tưởng”. Các thanh dẫn đảm bảo dẫn hướng chính xác các lò xo trong quá trình vận hành và mỡ bôi trơn xung quanh các lò xo làm giảm mài mòn giữa chúng, các thanh dẫn và các rãnh.
Giữa khối lượng sơ cấp và khối lượng thứ cấp, mômen quay được truyền qua mặt bích (5). Mặt bích được tán với khối thứ cấp (7) với các cánh của nó nằm giữa các lò xo vòng cung.
Khối lượng thứ cấp giúp tăng mômen quán tính khối lượng ở phía hộp số. Các lỗ thông hơi đảm bảo nhiệt được tạo ra trong quá trình ma sát ly hợp được tản ra một cách hiệu quả. Vì DMF có hệ thống giảm chấn lò xo tích hợp nên đĩa ly hợp cứng thường không cần có lò xo xoắn giảm chấn.
1 – Vành răng khởi động
2 – Khối lượng sơ cấp
3 – Vòng đệm ma sát
4 – Vòng bi hoặc ống lót
5 – Tấm dẫn động
6 – Lò xo hình cung & thanh dẫn hướng lò xo
7 – Nắp đậy
8 – Khối lượng thứ cấp
Có nhiều điểm hoạt động khác cũng phải được xem xét khi thiết kế bánh đà khối lượng kép (DMF). Đầu tiên, động cơ phải được khởi động và sau đó dừng lại ở cuối hành trình và có lẽ cả ở đèn giao thông. Quá trình lái xe bắt đầu bằng việc khởi động xe. Thay đổi vị trí bàn đạp ga cũng như chuyển số gây ra thay đổi tải trong hệ thống truyền lực hoặc xe chạy không tải. Đây chỉ là một vài trong số các điểm hoạt động bổ sung có nhu cầu cao về sự thoải mái.
Trong tất cả các điểm vận hành này, DMF về cơ bản làm giảm đáng kể tiếng ồn, độ rung quay và sự thoải mái tổng thể của xe.
2.3. Chức năng và hoạt động của bánh đà khối lượng kép
Nguyên tắc hoạt động của bánh đà khối lượng kép rất đơn giản và hiệu quả. Do khối lượng bổ sung trên trục đầu vào của hộp số, phạm vi mô-men xoắn dao động, thường nằm trong khoảng từ 1200 vòng/phút đến 2400 vòng/phút đối với bộ giảm chấn xoắn thông thường, được chuyển đến phạm vi tốc độ cộng hưởng thấp hơn. Điều này đảm bảo giảm rung động cơ ngay cả ở tốc độ không tải.
Truyền rung động xoắn từ động cơ đến hệ thống truyền lực
Với bánh đà thông thường: Trong thiết kế phổ biến trước đây, với bánh đà thông thường và đĩa ly hợp giảm chấn xoắn, các dao động xoắn trong phạm vi chạy không tải được truyền thực tế không được lọc tới hộp số và làm cho các mép răng của bánh răng va vào nhau (tiếng kêu lục cục của hộp số) .
Với Bánh đà khối lượng kép: Hệ thống lò xo giảm chấn xoắn của DMF lọc bỏ rung động xoắn do động cơ gây ra. Điều này ngăn cản các bộ phận của hộp số va đập vào nhau – không xảy ra hiện tượng rung lắc và các yêu cầu về sự thoải mái cao hơn của người lái được đáp ứng đầy đủ.
Bánh đà khối lượng kép (DMF) giúp cô lập dao động quay của động cơ đốt trong với phần còn lại của hệ thống truyền lực. Các tiếng ồn lạch cạch của hộp số không mong muốn đã được loại bỏ và tiếng ồn của thân xe giảm đáng kể. Nó cũng có thể kiểm soát ở tốc độ động cơ rất thấp, bằng cách tăng mô-men xoắn ở mức thấp, do đó giảm mức tiêu thụ nhiên liệu.
3. Cấu tạo, các thành phần của bánh đà khối lượng kép
3.1. Bánh đà sơ cấp
Bánh đà sơ cấp được nối với trục khuỷu của động cơ. Quán tính của bánh đà sơ cấp kết hợp với trục khuỷu để tạo thành một tổng thể. So với bánh đà thông thường, khối lượng sơ cấp của DMF linh hoạt hơn đáng kể, giúp giảm tải cho trục khuỷu. Ngoài ra, khối lượng sơ cấp – cùng với vỏ sơ cấp – tạo thành kênh lò xo vòng cung thường được chia thành hai phần, ngăn cách nhau bằng các điểm dừng của lò xo vòng cung.
Trên bánh đà sơ cấp được gắn vành răng khởi động cho mục đích khởi động động cơ.
3.2. Bánh đà thứ cấp
Bánh đà thứ cấp kết nối với hệ thống truyền động ở phía hộp số. Tương tác với ly hợp, khối lượng thứ cấp truyền mô-men xoắn đã điều điều tiết ra khỏi DMF. Nắp ly hợp được bắt vít vào mép ngoài của nó. Sau khi khớp ly hợp, cơ cấu lò xo ly hợp tích hợp sẽ ép đĩa dẫn động lên bề mặt ma sát của khối lượng thứ cấp. Mô-men xoắn được truyền thông qua lực ma sát. Khối lượng bánh đà thứ cấp chủ yếu bao gồm khối lượng thứ cấp và mặt bích. Mô-men xoắn được truyền qua các cánh của mặt bích nằm giữa các lò xo vòng cung (tham khảo 3.4).
3.3. Ổ trục (Ổ bi)
Ổ trục được định vị trong bánh đà sơ cấp. Bánh đà sơ cấp và bánh đà thứ cấp được kết nối thông qua một ổ trục quay (có thể là ổ bi hoặc ổ trượt). Nó hỗ trợ các lực trọng lượng do bánh đà thứ cấp và đĩa ép ly hợp tác dụng. Đồng thời, nó chịu lực giải phóng tác dụng lên DMF trong quá trình ngắt ly hợp. Vòng bi quay không chỉ cho phép cả hai bánh đà quay ngược nhau mà còn cho phép chuyển động nghiêng nhẹ nhàng (lắc lư).
Ổ bi cỡ lớn
Ổ bi cỡ nhỏ
Ổ trượt
3.4. Mặt bích
Nhiệm vụ của mặt bích là truyền mômen xoắn từ bánh đà sơ cấp qua lò xo vòng cung đến bánh đà thứ cấp; nói cách khác, từ động cơ đến ly hợp. Mặt bích được gắn chặt vào bánh đà thứ cấp với các cánh (mũi tên màu vàng) của nó nằm giữa rãnh lò xo vòng cung của bánh đà sơ cấp. Khe hở giữa vấu chặn stop của lò xo vòng cung trong rãnh lò xo vòng cung đủ lớn để mặt bích có thể quay.
Thiết kế mặt bích
Mặt bích cứng
Trên phiên bản cứng, mặt bích được tán vào bánh đà thứ cấp. Để cải thiện khả năng giảm rung, các cánh mặt bích được thiết kế với các đối xứng khác nhau. Hình thức đơn giản nhất là mặt bích đối xứng, trong đó các mặt kéo và đẩy giống hệt nhau. Do đó, tải được đặt lên lò xo vòng cung qua cả khu vực bên ngoài và bên trong của cuộn lò xo.
Mặt bích với giảm chấn bên trong
Chức năng chính của DMF là cách ly hệ thống truyền động khỏi rung động do động cơ tạo ra. Để bù lại mô-men xoắn động cơ không ngừng tăng lên trong khi không gian lắp đặt vẫn giữ nguyên, các đường uốn lượn của lò xo vòng cung phải tăng dốc hơn. Do đó, khả năng chống rung của chúng bị giảm sút. Sử dụng bộ giảm chấn bên trong không có ma sát giúp cải thiện khả năng loại bỏ rung động trong quá trình tăng tốc. Cả mặt bích và mặt bên đều được thiết kế với các khe lò xo chứa lò xo ép thẳng. Các đặc tính giảm rung tuyệt vời của DMF với giảm chấn bên trong được đảm bảo ngay cả trong phạm vi mô-men xoắn cao nhất.
Ở tốc độ động cơ cao, lực ly tâm tạo ra ép lò xo vòng cung ra bên ngoài chống lại các thanh dẫn và các cuộn dây bị vô hiệu hóa. Do đó, lò xo vòng cung cứng lại và tác dụng của lò xo bị mất đi một phần. Để duy trì đủ hoạt động của lò xo, lò xo nén thẳng được lắp trong mặt bích. Do khối lượng thấp hơn và vị trí lắp trên bán kính nhỏ hơn, những lò xo này chịu lực ly tâm thấp hơn. Ngoài ra, hình dạng lồi của mép trên của cửa sổ lò xo giúp giảm thiểu ma sát. Điều này đảm bảo rằng ma sát cũng như độ cứng lò xo hiệu dụng sẽ không tăng khi tốc độ động cơ tăng lên.
Mặt bích với ly hợp ma sát
Không giống như mặt bích cứng, loại mặt bích thứ ba này không được tán vào bánh đà thứ cấp. Mặt bích được thiết kế như một lò xo màng. Lò xo màng được giữ ở vị trí bằng hai tấm chắn ở mép. Bằng cách này, một vật cố định kiểu ngã ba được hình thành như thể hiện trong mặt cắt ngang. Tạo ra mômen ma sát giữa vật cố định và lò xo màng đảm bảo truyền mômen động cơ một cách đáng tin cậy. Đồng thời, ly hợp trượt ngăn DMF quá nóng.
3.5. Đĩa kiểm soát ma sát
Trong một số kiểu Bánh đà khối lượng kép, có một thiết bị ma sát bổ sung – đĩa điều khiển ma sát (1). Đĩa điều khiển ma sát có góc hở (α), có nghĩa là ma sát bổ sung chỉ xảy ra với góc xoắn lớn hơn. Điều này cung cấp giảm chấn bổ sung trong quá trình hoạt động, ví dụ: khi bắt đầu hoặc thay đổi tải.
3.6. Lò xo vòng cung
Hệ thống DMF giúp cải thiện tiếng ồn của xe bằng cách sử dụng thiết kế giảm chấn xoắn đặc biệt. Nhờ đó, ít tạo ra tiếng ồn hơn và giảm mức tiêu thụ nhiên liệu.
Để tận dụng lý tưởng không gian có sẵn, một lò xo cuộn với số lượng cuộn lớn được lắp ở vị trí hình bán nguyệt. Được gọi là lò xo vòng cung nằm trong rãnh lò xo của DMF và được hỗ trợ bởi một thanh dẫn. Khi hoạt động, các cuộn của lò xo vòng cung trượt dọc theo thanh dẫn và tạo ra ma sát và do đó giảm chấn. Để ngăn lò xo vòng cung bị mòn, các vùng tiếp xúc trượt được bôi trơn. Hình dạng tối ưu của thanh dẫn lò xo giúp giảm ma sát đáng kể. Ngoài khả năng giảm rung được cải tiến, lò xo vòng cung giúp giảm mài mòn.
3.6.1. Tác dụng của lò xo vòng cung:
- Ma sát cao ở góc xoắn lớn (khởi động) và ma sát thấp ở góc xoắn nhỏ (gia tốc)
- Độ cứng lò xo thấp do sử dụng tốt và linh hoạt không gian có sẵn
- Có thể giảm chấn tác động (lò xo giảm chấn)
Nhờ sự đa dạng của thiết kế lò xo vòng cung, một hệ thống DMF có thể được sản xuất để phù hợp chính xác với các đặc tính tải riêng của từng loại xe. Lò xo vòng cung có nhiều kiểu dáng và đặc điểm được sử dụng. Các loại phổ biến nhất là:
- Lò xo một giai đoạn
- Lò xo hai giai đoạn sắp xếp song song với các cách bố trí khác nhau hoặc bố trí thẳng hàng
- Lò xo giảm chấn
Trong thực tế, các loại lò xo được áp dụng trong các kết hợp khác nhau.
3.6.2. Lò xo đơn
Dạng đơn giản nhất của lò xo vòng cung là lò xo đơn tiêu chuẩn.
3.6.3. Lò xo song song một bước
Ngày nay, lò xo song song một bước là thiết kế lò xo vòng cung tiêu chuẩn. Nó bao gồm một lò xo bên ngoài và một bên trong, cả hai đều có chiều dài gần như nhau. Cả hai lò xo được bố trí song song. Các đặc điểm riêng biệt tạo nên đường cong thiết lập lò xo.
3.6.4. Lò xo song song hai giai đoạn
Trong lò xo hai giai đoạn song song, người ta bố trí hai lò xo vòng cung bên trong lò xo kia. Tuy nhiên, lò xo bên trong ngắn hơn, do đó hoạt động muộn hơn. Đường cong uốn lượn của lò xo bên ngoài phù hợp với yêu cầu khi khởi động động cơ. Ở đây, tải trọng chỉ được tác động lên lò xo bên ngoài mềm hơn, cho phép hệ thống vượt qua phạm vi tốc độ cộng hưởng tới hạn nhanh hơn. Trong phạm vi mô-men xoắn cao hơn và tối đa, tải trọng được tác động lên lò xo bên trong. Cả hai lò xo bên ngoài và bên trong hoạt động cùng nhau trong giai đoạn thứ hai. Sự tác động lẫn nhau của cả hai lò xo giúp giảm xóc tốt ở mọi tốc độ động cơ.
3.6.5. Lò xo vòng cung ba giai đoạn
Đây là loại lò xo vòng cung bao gồm một lò xo bên ngoài và hai lò xo bên trong có chiều dài khác nhau được bố trí thẳng hàng. Thiết kế này kết hợp những lợi ích của việc bố trí song song và thẳng hàng, do đó cho phép giảm lực xoắn tối ưu ở mỗi mức mô-men xoắn của động cơ.
3.7. Các phiên bản đặc biệt của DMF
3.7.1. DMF nhỏ gọn (Compact DMF DFC)
DFC = Bộ ly hợp bánh đà giảm chấn (Damped Flywheel Clutch)
Phiên bản đặc biệt này của Bánh đà khối lượng kép là một đơn vị mô-đun được lắp ráp trước bao gồm DMF, đĩa ly hợp và đĩa ép ly hợp, được đồng bộ hoàn hảo với nhau.
3.7.2. DMF cho CVT
Bánh đà khối lượng kép cho hộp số vô cấp CVT.
Phiên bản DMF này được sử dụng cho hộp số biến thiên liên tục (hộp số vô cấp) và hộp số chuyển số trực tiếp. Ở đây, công suất được truyền không phải thông qua ma sát giữa bánh đà thứ cấp và đĩa dẫn động ly hợp, mà trực tiếp từ moay ơ đến trục đầu vào của hộp số bằng cách tương tác tích cực. Điều này cho phép kết nối nhiều loại hộp số khác nhau.
LuK
