Thanh chống lật (còn gọi là thanh chống lắc, thanh ổn định, thanh cân bằng, thanh xoắn) là một bộ phận của nhiều hệ thống treo trên ô tô giúp giảm lực lật của xe khi vào cua nhanh hoặc vượt đường bất thường. Nó kết nối các bánh xe đối diện (trái/phải) với nhau thông qua các tay đòn ngắn có chức năng liên kết đàn hồi xoắn. Thanh chống lật làm tăng độ cứng chống lật của hệ thống treo.
Bằng sáng chế thanh chống lật đầu tiên được trao cho nhà phát minh người Canada Stephen Coleman ở Fredericton, New Brunswick vào ngày 22 tháng 4 năm 1919.
Thanh chống lật là một thanh kim loại hình chữ U có tác dụng liên kết cả hai bánh xe trên cùng một trục với khung xe. Về cơ bản, các đầu của thanh được kết nối với hệ thống treo ở hai bên tương ứng hai bánh xe trong khi phần giữa của thanh được kết nối với thân xe.
Để xảy ra hiện tượng lật thân xe, hệ thống treo ở mép ngoài của ô tô phải nén trong khi hệ thống treo ở mép trong đồng thời bị kéo dài. Tuy nhiên, do thanh chống lật được gắn vào cả hai bánh xe nên chỉ có thể chuyển động như vậy nếu thanh kim loại được phép xoắn. (Một mặt của thanh phải xoắn lên trên trong khi mặt kia xoắn xuống dưới.) Vì vậy, độ cứng xoắn của thanh – hoặc khả năng chống xoắn quyết định khả năng giảm độ cuộn thân xe. Thanh ít xoắn hơn dẫn đến hai bên hệ thống treo ít bị chuyển động ngược chiều nhau hơn (kéo, nén) – điều này dẫn đến thân xe ít bị cuộn hơn.
Mục đích và chức năng của thanh chống lật
Thanh chống lật nhằm buộc mỗi bên của xe phải hạ thấp hoặc nâng lên đến các độ cao tương tự nhau, để giảm độ nghiêng (lật) sang một bên của xe trên các đoạn đường cong, góc nhọn hoặc chỗ xóc lớn. Khi thanh này bị loại bỏ, chiếc xe bị nghiêng đi rõ rệt, như thể hiện trong hình ảnh dưới đây.
Có nhiều biến thể về thiết kế thanh chống lật, nhưng tất cả đều một chức năng chung là buộc bộ giảm xóc, lò xo hoặc thanh xoắn của bánh xe đối diện hạ xuống hoặc nâng lên ngang với bánh xe kia.
Trong trường hợp chuyển hướng nhanh, chiếc xe có xu hướng lật nghiêng ra khỏi góc cua, ngiêng về gần bánh xe bên ngoài hơn, và thanh chống lật sẽ ép bánh xe đối diện cũng tiến lại gần xe hơn. Kết quả là, xe có xu hướng “ôm” đường gần hơn khi rẽ nhanh, trong đó tất cả các bánh xe đều gần thân xe hơn. Sau khi rẽ nhanh, áp suất hướng xuống sẽ giảm và các bánh xe ghép nối có thể trở lại độ cao bình thường so với xe, được giữ ở mức tương tự bằng thanh lắc nối.
Thanh chống lật cung cấp hai chức năng chính. Chức năng đầu tiên là giảm nghiêng thân xe. Việc giảm nghiêng thân xe phụ thuộc vào tổng độ cứng chống lật của xe. Việc tăng tổng độ cứng chống lật của xe không làm thay đổi tổng tải trọng (trọng lượng) ở trạng thái ổn định truyền từ bánh trong ra bánh ngoài, nó chỉ làm giảm độ nghiêng thân xe. Tổng tải trọng bên được xác định bởi chiều cao trọng tâm và chiều rộng vết bánh xe.
Chức năng khác của thanh chống lật là điều chỉnh cân bằng xử lý của ô tô. Có thể điều chỉnh hành vi quay vòng thiếu hoặc thừa bằng cách thay đổi tỷ lệ của tổng độ cứng chống lật từ trục trước và trục sau. Việc tăng tỷ lệ độ cứng chống lật ở phía trước làm tăng tỷ lệ của tổng truyền tải mà cầu trước phản ứng – và giảm tỷ lệ mà trục sau phản ứng với. Nói chung, điều này làm cho bánh trước bên ngoài chạy ở góc trượt tương đối cao hơn và bánh sau bên ngoài chạy ở góc trượt tương đối thấp hơn, đó là một hiệu ứng quay vòng thiếu. Tăng tỷ trọng độ cứng cuộn ở trục sau có tác dụng ngược lại và làm giảm quay vòng thiếu.
Thanh chống lật hoạt động như thế nào?
Thanh chống lật thường là một thanh xoắn đàn hồi để chống lại chuyển động lật của thân xe. Nó thường được cấu tạo từ một thanh thép hình trụ, được tạo thành hình chữ “U”, ở giữa kết nối với thân xe, kết nối với hệ thống treo ở hai bên trái và phải tương ứng với hai bánh xe.
Nếu các bánh xe bên trái và bên phải di chuyển cùng nhau, thanh chống lật chỉ đơn giản là xoay quanh các điểm lắp của nó. Nếu các bánh xe chuyển động tương đối với nhau thì thanh chịu lực xoắn và chuyển động xoắn cưỡng bức. Mỗi đầu của thanh được kết nối với một liên kết cuối thông qua một khớp linh hoạt. Liên kết cuối của thanh chống lật lần lượt kết nối với một điểm gần bánh xe hoặc trục xe, truyền lực từ trục có tải nặng sang phía đối diện.
Khi rẽ qua góc cua, khối lượng bung của thân xe tạo ra một lực ngang tại trọng tâm (CG), tỷ lệ với gia tốc bên – lực quán tính. Vì trọng tâm thường không nằm trên trục lật nên lực bên tạo ra mômen quay về trục cuộn có xu hướng làm lật thân xe. (Trục lật là đường nối tâm cuộn trước và sau). Được gọi là cặp lật.
Cặp lật được chống lại bởi độ cứng chống lật của hệ thống treo. Việc sử dụng thanh chống lật giúp các nhà thiết kế giảm độ cứng của lò xo/hệ thống treo đơn thuần theo hướng thẳng đứng, cho phép cải thiện khả năng kiểm soát và xử lý mà không làm giảm chất lượng xe.
Một tác động của việc lật thân xe (khung), đối với hình dạng hệ thống treo điển hình, là góc camber dương của bánh xe ở bên ngoài chỗ rẽ và âm ở bên trong, làm giảm độ bám cua của chúng (đặc biệt là với lốp đan chéo).
Độ cứng của thanh chống lật
Q = Độ cứng (kg.m/deg)
T = Chiều rộng vết bánh xe (m)
K = Tỷ lệ cánh tay đòn (chuyển động tại thanh chống lật / chuyển động tại bánh xe)
d = Đường kính thanh (m)
R = Chiều dài cánh tay hiệu dụng (m)
L = Một nửa chiều dài của thanh (m)
S = Chiều dài của cánh tay đòn (m)
Độ cứng quyết định khả năng mà thanh chống lật sẽ chống lại lực xoắn. Độ cứng của thanh chống lật tỷ lệ với độ cứng của vật liệu, lũy thừa bậc bốn của đường kính của nó và tỷ lệ nghịch với chiều dài của tay đòn (nghĩa là tay đòn càng ngắn, thanh càng cứng). Độ cứng cũng liên quan đến dạng hình học của các điểm lắp và độ cứng của các điểm lắp của thanh. Thanh càng cứng thì càng cần nhiều lực để di chuyển các bánh xe bên trái và bên phải so với nhau, tức là khả năng chống lật càng tốt.
Hạn chế của thanh chống lật
Do thanh chống lật nối các bánh xe ở phía đối diện nên thanh chống lật sẽ truyền lực va đập của bánh xe này sang bánh xe đối diện. Trên mặt đường gồ ghề hoặc bị vỡ, thanh chống lật có thể tạo ra rung động, chuyển động của thân xe từ bên này sang bên kia (cảm giác “lắc lư”), tăng mức độ nghiêm trọng theo đường kính và độ cứng của thanh chống lật. Các kỹ thuật treo khác có thể trì hoãn hoặc làm giảm tác dụng này của thanh nối.
Độ cứng chống lật quá mức, thường đạt được bằng cách cấu hình thanh chống lật quá mạnh, có thể làm cho các bánh xe bên trong bị nâng lên khỏi mặt đất khi vào cua gấp. Điều này có thể được sử dụng để tạo lợi thế: nhiều xe ô tô sản xuất hệ dẫn động cầu trước nâng bánh sau khi vào cua gấp để gây quá tải cho bánh đối diện, hạn chế việc quay vòng thiếu.
Thanh chống lật có thể điều chỉnh
Một số thanh chống lật, đặc biệt là những thanh chống lật dùng trong đua ô tô, có thể điều chỉnh bên ngoài khi xe đang ở trong hố, trong khi một số hệ thống có thể được điều chỉnh theo thời gian thực bởi người lái từ bên trong xe, chẳng hạn như trong Super GT. Điều này cho phép thay đổi độ cứng, ví dụ bằng cách tăng hoặc giảm chiều dài của tay đòn bẩy trên một số hệ thống, hoặc bằng cách xoay cánh tay đòn phẳng từ vị trí cạnh cứng sang vị trí mặt phẳng linh hoạt hơn ở vị trí khác các hệ thống. Điều này cho phép thợ cơ khí điều chỉnh độ cứng chống lật cho các tình huống khác nhau mà không cần thay thế toàn bộ thanh.
Thanh chống MacPherson
Thanh chống MacPherson là một dạng phổ biến của hệ thống treo thanh chống. Đây không phải là nỗ lực đầu tiên đối với hệ thống treo thanh chống, nhưng trong bằng sáng chế ban đầu của MacPherson, thanh chống lật tạo thành một phần không thể thiếu và thiết yếu của hệ thống treo, ngoài chức năng thông thường của nó là kiểm soát độ lật của thân xe. Hệ thống treo thanh chống như MacPherson yêu cầu một bộ phận có bản lề thấp hơn giữa khung xe và trục bánh xe để kiểm soát vị trí bánh xe cả trong và ngoài, và cả tiến và lùi. Điều này có thể được cung cấp bởi một xương đòn với một số khớp nối, hoặc bằng cách sử dụng một thanh bán kính bổ sung (radius rod). Thiết kế của MacPherson đã thay thế xương đòn bằng một tay điều khiển (control arm) đơn giản hơn và rẻ hơn, với một khớp nối bên trong duy nhất, để điều khiển đường vết bánh xe. Vị trí tiến và lùi được kiểm soát thông qua thanh chống lật. Nhìn chung, điều này yêu cầu một bộ hệ thống treo đơn giản hơn và rẻ hơn so với xương đòn, cũng cho phép giảm trọng lượng không treo (unsprung).
Vì cần có thanh chống lật để điều khiển vị trí bánh xe, các thanh của hệ thống treo thanh chống MacPherson có thể được kết nối thông qua các khớp bi. Tuy nhiên, nhiều hệ thống treo “thanh chống MacPherson” sau này đã quay trở lại sử dụng xương đòn thay vì tay điều khiển đơn giản của thiết kế ban đầu.
