Hai loại khớp bóng được sử dụng trong hệ thống treo và hệ thống lái của ô tô là khớp bi chịu tải và khớp bi không mang tải, còn được gọi là khớp bi dẫn động. Sự khác biệt này không dựa trên kích thước hoặc nhãn hiệu mà dựa trên trọng lượng của xe và lực đường di chuyển qua khớp. Theo tiêu chuẩn J491 của Hiệp hội Kỹ sư Ô tô (SAE) về danh pháp và thử nghiệm khớp bi, một khớp cầu chịu tải hỗ trợ trọng lượng nảy của xe và truyền chấn động trên đường từ bánh xe đến hệ thống treo, đồng thời khớp cầu không chịu tải chỉ đóng vai trò là điểm xoay cho chuyển động lái và không chịu tải trọng thẳng đứng. Hiểu loại nào được lắp trên xe của bạn là điều cần thiết để chẩn đoán độ mòn, thực hiện căn chỉnh và thay thế các bộ phận một cách chính xác. Bài viết này giải thích các chỉ báo thiết kế, chức năng và lỗi của từng loại có tham khảo hình dạng hệ thống treo và dữ liệu độ mòn trong thế giới thực.

Khớp bi chịu tải: Bộ phận chịu trọng lượng của hệ thống treo

Khớp bi chịu tải được thiết kế để hỗ trợ trọng lượng của xe và chịu được lực đập thẳng đứng và lực ngang tạo ra trong quá trình lái xe. Trong hệ thống treo trước tay đòn kép hoặc tay đòn ngắn (SLA) điển hình, khớp cầu chịu tải được lắp trên tay điều khiển nối với lò xo cuộn hoặc thanh xoắn. Khi lò xo đẩy tay điều khiển phía dưới xuống, khớp bi phía dưới trở thành bộ phận chịu tải; khi lò xo tác dụng lên tay điều khiển phía trên thì khớp bi phía trên chịu tải. Thiết kế này phổ biến ở nhiều xe tải nhẹ, xe sedan cũ và xe hiệu suất cao. Theo một bài báo kỹ thuật năm 2022 do SAE xuất bản, khớp chịu tải chịu tải trọng tĩnh lên tới 3,5 lần tải trọng tĩnh của bánh xe khi va chạm với ổ gà, dẫn đến lực vượt quá 4.000 pound trên mỗi khớp trên một chiếc SUV cỡ lớn. Cấu trúc bên trong phản ánh nhiệm vụ này: một chốt bi bằng thép đánh bóng quay và khớp nối bên trong một cốc chịu lực bằng thép cứng, với một lò xo hoặc tấm chèn polymer được nạp sẵn giúp duy trì độ hở bằng 0 và hấp thụ mài mòn nhỏ. Nhiều khớp nối chịu tải được lắp khớp nối bằng mỡ để cho phép bôi trơn định kỳ, có thể kéo dài tuổi thọ sử dụng từ 30% đến 50% theo dữ liệu bảo trì đội xe từ Hiệp hội Vận tải Đường bộ Hoa Kỳ.

Cơ chế mài mòn chính trong khớp cầu chịu tải là sự xói mòn dần dần của vật liệu ổ trục dưới sự nén và trượt liên tục. Khi cốc ổ trục mòn, khe hở xuyên tâm phát triển, làm cho chốt bi di chuyển theo phương thẳng đứng trong vỏ của nó. Một nghiên cứu năm 2019 của Viện Dịch vụ Ô tô Xuất sắc (ASE) Quốc gia đã đo lường rằng khớp nối chịu tải bị mòn có thể có lực tác động dọc trục từ 0,030 đến 0,060 inch trước khi đạt đến thông số kỹ thuật loại bỏ của nhà sản xuất. Hiện tượng này ảnh hưởng trực tiếp đến độ thẳng hàng, gây ra hiện tượng thay đổi độ cong và độ mòn lốp không đều ở vai trong hoặc ngoài.

Khớp bi không chịu tải: Trục lái không cần hỗ trợ trọng lượng

Khớp bi không chịu tải hoặc khớp bi dẫn hướng chỉ có chức năng như một điểm xoay lái và không chịu trọng lượng thẳng đứng đáng kể của xe. Nó nằm trên cần điều khiển đối diện với lò xo nên nếu lò xo lắp ở tay điều khiển phía dưới thì khớp bi phía trên là loại không chịu tải. Trong hệ thống treo thanh chống MacPherson, khớp bi phía dưới thường không chịu tải vì cụm thanh chống chuyển trọng lượng xe trực tiếp lên giá đỡ thanh chống phía trên, để khớp dưới chỉ chịu lực lái bên và phía trước. Thiết kế bên trong của một khớp cầu không chịu tải thường đơn giản và nhẹ hơn, với ổ trục bằng nhựa hoặc kim loại thiêu kết mang lại khả năng quay trơn tru mà không cần lò xo tải trước nặng. Nhiều ô tô du lịch hiện đại sử dụng các khớp nối kín, bôi mỡ suốt đời mà không cần bảo trì.

Bởi vì khớp nối không chịu được lực tác động liên tục của trọng lượng đường nên kiểu mòn của nó sẽ khác. Nguyên nhân hư hỏng chính không phải là lỏng lẻo theo phương thẳng đứng mà là do độ cứng khi quay hoặc chuyển động ngang dẫn đến rung lắc và lệch tay lái. Các tiêu chuẩn kiểm tra của Dịch vụ Ô tô Xuất sắc về hệ thống lái và hệ thống treo chỉ ra rằng bộ phận lái bị mòn khớp cầu không chịu tải không được có hành trình xuyên tâm quá 0,020 inch và phải quay trơn tru với mô-men xoắn từ 3 đến 12 in-lbs khi không tải. Việc vượt quá các giá trị này sẽ khiến hệ thống lái tuân thủ, khiến xe có cảm giác phản ứng kém hơn. Một cuộc khảo sát năm 2021 tại các cửa hàng căn chỉnh báo cáo rằng 40% phương tiện đi được hơn 120.000 dặm có biểu hiện hoạt động quá mức ở khớp bi phía trên không chịu tải, mặc dù khớp bi phía dưới chịu tải vẫn nằm trong thông số kỹ thuật.

So sánh hai loại khớp bi

Hiểu được sự khác biệt trong hoạt động giữa hai loại khớp bi cho phép chẩn đoán và thay thế chính xác. Bảng dưới đây tóm tắt các đặc điểm chính của chúng dựa trên phân loại SAE J491 và dữ liệu dịch vụ từ các nhà sản xuất thiết bị căn chỉnh.

Bảng: So sánh trực tiếp các đặc tính của khớp bi chịu tải và không chịu tải, dựa trên SAE J491, các quy trình thử nghiệm ASE và thông số kỹ thuật dịch vụ của nhà sản xuất xe.

Cách xác định loại khớp bi mà xe của bạn sử dụng

Loại khớp bi trên cần điều khiển nhất định có thể được xác định bằng cách quan sát vị trí lắp lò xo hoặc bằng cách tham khảo sách hướng dẫn bảo dưỡng xe. Nếu lò xo cuộn được đặt trên tay điều khiển phía dưới thì khớp dưới chịu tải và khớp trên không chịu tải. Trong hệ thống thanh chống MacPherson, cụm lò xo và thanh chống được gắn vào thân hoặc khung ở phía trên, làm cho khớp cầu phía dưới trở thành một bộ phận chỉ xử lý lực lái. Để kiểm chứng, kỹ thuật viên có thể nâng xe bằng tay điều khiển phía dưới (càng gần khớp bi càng tốt) để dỡ khớp; nếu phát hiện chuyển động bằng thanh nâng lên dưới lốp thì khớp đó đang chịu tải và lực tác động theo phương thẳng đứng của nó đang được đo. Thử nghiệm "không tải" thay thế, trong đó xe được nâng lên bằng khung và hệ thống treo treo tự do, kiểm tra hoạt động của khớp không chịu tải vì lò xo không còn nén khớp. Danh sách sau đây tóm tắt các bước nhận dạng.

• Xác định vị trí lò xo cuộn hoặc thanh xoắn: Tay điều khiển tiếp xúc trực tiếp với lò xo mang tải trọng khớp bóng . Cánh tay đối diện mang khớp theo sau.
• Kiểm tra khớp nối dầu mỡ: Khớp chịu tải thường bao gồm khớp nối Zerk để bôi trơn định kỳ, mặc dù một số thiết kế kín mới hơn thì không có. Các mối nối không chịu tải hầu như luôn được bịt kín.
• Tham khảo hướng dẫn sửa chữa: Thông tin dịch vụ của nhà sản xuất nêu rõ loại cho từng vị trí và quy trình đo độ mòn chính xác.

Nguyên tắc thay thế và tầm quan trọng của việc lựa chọn loại chính xác

Lắp khớp cầu không chịu tải ở vị trí chịu tải sẽ dẫn đến hỏng hóc nhanh chóng, có khả năng gây mất khả năng điều khiển xe trong phạm vi vài nghìn km. Lò xo tải trước của khớp chịu tải và vòng bi nặng hơn là rất cần thiết để ngăn chặn sự tiếp xúc giữa kim loại với kim loại dưới tải trọng trên đường. Khớp nối thiếu các tính năng này và không thể chịu được lực đập thẳng đứng. Một cuộc điều tra năm 2018 của Cục Quản lý An toàn Giao thông Đường cao tốc Quốc gia (NHTSA) về các vụ tai nạn liên quan đến hệ thống treo cho thấy 12% lỗi khớp bi hậu mãi liên quan đến việc thay thế các bộ phận không chính xác. Khi thay thế một khớp cầu chịu tải , kỹ thuật viên phải đảm bảo bộ phận thay thế phù hợp với định mức và loại tải của bản gốc. Các khớp nối vừa khít cần có máy ép thủy lực và bộ điều hợp chính xác để tránh làm hỏng cần điều khiển; các khớp nối bu-lông phải được mô-men xoắn theo thông số kỹ thuật (thường là 40 đến 80 ft-lbs đối với bu lông giữ và 60 đến 120 ft-lbs đối với đai ốc đinh tán khớp bi, theo dữ liệu cụ thể của xe). Sau khi thay thế, việc căn chỉnh toàn bộ bánh xe là cần thiết vì ngay cả một thay đổi nhỏ ở vị trí khớp cũng có thể làm thay đổi cài đặt góc cam và chân. Chi phí thông thường để thay thế một khớp chịu tải dao động từ 200 đến 400 USD bao gồm cả nhân công, trong khi thay khớp nối tiếp theo thường là 150 đến 300 USD, dựa trên khảo sát tỷ lệ lao động quốc gia từ AAA.

Những câu hỏi thường gặp về hai loại khớp bi

Điều gì xảy ra nếu khớp bi chịu tải bị hỏng khi đang lái xe?

Sự thất bại thảm hại của một khớp cầu chịu tải khiến hệ thống treo bị sập ở góc đó, ngay lập tức kéo mạnh xe về hướng đó. Bánh xe có thể bị gập dưới chắn bùn, lốp có thể tiếp xúc tốt với bánh xe bên trong, đồng thời khả năng điều khiển phanh và lái bị ảnh hưởng nghiêm trọng. Đây là lý do tại sao việc kiểm tra định kỳ các mối nối chịu tải là rất quan trọng; NHTSA khuyến cáo nên kiểm tra chúng ở mỗi kỳ thay dầu đối với những xe đã đi được trên 75.000 dặm.

Khớp bi không chịu tải có thể gây ra tiếng ồn không?

Có, mặc dù ít phổ biến hơn so với các khớp chịu tải. Bị mòn nghiêm trọng khớp cầu không chịu tải có thể tạo ra âm thanh lạch cạch khi hệ thống treo khớp nối, đặc biệt khi đánh lái hoặc vượt tốc độ. Tuy nhiên, triệu chứng chính của nó thường là cảm giác lái bị lỏng hoặc lệch chứ không phải là tiếng cạch nặng. Nếu có cục cục ở phần đầu xe, kỹ thuật viên thường sẽ cách ly nó bằng cách kiểm tra chuyển động thẳng đứng trên khớp chịu tải trước.

Có phải cả hai loại khớp bi luôn hiện diện trên cùng một chiếc xe?

Không phải lúc nào cũng vậy. Hệ thống treo trước thanh giằng MacPherson thường chỉ có một thanh giằng phía dưới khớp bóng mỗi bên, thường là loại không chịu tải vì thanh chống chịu trọng lượng. Hệ thống treo xương đòn kép (SLA) có cả khớp trên và khớp dưới, một khớp chịu tải trong khi khớp kia là khớp nối, tùy thuộc vào vị trí của lò xo. Một số xe tải hạng nặng sử dụng khớp bi chịu tải ở cả tay trên và tay dưới, nhưng điều này ít phổ biến hơn và cần có thiết kế lò xo riêng.

Làm cách nào để kiểm tra khớp bi không chịu tải bị mòn?

Thử nghiệm bao gồm việc nâng xe lên bằng khung để hệ thống treo treo tự do, sau đó cố gắng di chuyển bánh xe ra vào ở phía trên và phía dưới. Nếu khớp bị mòn, bạn sẽ cảm nhận được chuyển động ngang khi khớp tay lái xoay quanh khớp đối diện. Chỉ báo quay số có thể định lượng lượt chơi; bất kỳ chuyển động xuyên tâm nào vượt quá 0,020 inch đều cho thấy cần phải thay thế. Việc kiểm tra phải được thực hiện với khớp ở vị trí không tải bình thường để tránh đọc sai.

Vật liệu của khớp bi có ảnh hưởng đến việc phân loại loại của nó không?

Không. khớp bóng loại được xác định bởi chức năng và đường dẫn tải của nó, chứ không phải bởi việc nó được làm bằng thép, hợp kim hay kết hợp với ổ trục bằng nhựa. Tuy nhiên, các mối nối chịu tải hầu như luôn được chế tạo từ thép rèn hoặc thép nguội với bề mặt chịu lực cứng để chịu được ứng suất cao, trong khi các mối nối không chịu tải có thể sử dụng vật liệu nhẹ hơn và vòng bi đơn giản hơn. Việc chỉ định loại là về nhiệm vụ thiết kế, không phải thành phần vật liệu.

Kết luận: Biết các khớp bi của bạn sẽ ngăn ngừa được những thất bại tốn kém

Sự khác biệt giữa hai loại khớp bóng —có tải và không tải—là nền tảng để hiểu được động lực học và bảo trì của hệ thống treo xe. Khớp chịu tải chịu trọng lượng của xe và không hoạt động khi di chuyển theo phương thẳng đứng và va đập, trong khi khớp nối không chịu tải xoay để điều khiển và có biểu hiện mòn do lỏng ngang và lệch lái. Việc nhận biết loại xe của bạn sử dụng và cách kiểm tra từng loại một cách chính xác sẽ đảm bảo rằng việc thay thế được thực hiện với đúng bộ phận cũng như sự liên kết và an toàn của hệ thống lái được duy trì. Dữ liệu từ SAE, ASE và NHTSA đều củng cố thông điệp: kiểm tra thường xuyên theo loại tải trọng là cách hiệu quả nhất để phát hiện tình trạng hao mòn trước khi nó dẫn đến hỏng hóc nguy hiểm trên đường.