Hệ thống truyền động (bao gồm hộp số) là một trong những thành phần hết sức quan trọng trên xe hơi. Nếu không có nó thì sức mạnh từ động cơ không thể nào truyền đến bánh xe và dĩ nhiên là chiếc xe của bạn sẽ không thể nào chạy được. Vậy bộ truyền động được cấu tạo như thế nào? Nó hoạt động ra sao? Có bao nhiêu loại hộp số? Bài viết này sẽ giúp các bạn trả lời cho các câu hỏi trên.
Về cơ bản, cơ cấu truyền động trên xe hơi (transmission) là thành phần "ở giữa" động cơ và bánh xe, có nhiệm vụ truyền sức mạnh tạo ra bởi động cơ tới các bánh xe để giúp cả chiếc xe di chuyển. Thành phần quan trọng nhất của co cấu truyền động chính là hộp số, một hệ thống các bánh răng với đường kính, số răng khác nhau giúp kiểm soát sức mạnh được truyền từ động cơ tới bánh xe.
Một chi tiết khá thú vị, trong tiếng Anh của người Anh (Bristish English) thi thuật ngữ transmission được dùng để chỉ tất cả các cơ cấu bao gồm ly hợp, hộp số, trục láp (đối với xe dẫn động cầu sau), vi sai và ổ trục cuối. Tuy nhiên trong tiếng Anh của người Mỹ (American English), thuật ngữ này có thể hiểu đơn giản là hộp số và tách riêng với các cơ cấu khác.
Các bộ phận có liên quan tới quá trình truyền động
Dưới đây sẽ liệt kê ra các khái niệm thành phần cơ bản có liên quan tới quá trình chuyển mô men xoắn từ động cơ ra bánh xe
Bộ truyền động: Thành phần chính của bộ truyền động bao gồm hệ thống các bánh răng có nhiệm vụ giới hạn hoặc thay đổi mối quan hệ giữa tốc độ của động cơ với tốc độ của bánh xe. Đồng thời, khái niệm này còn được biểu hiện bằng tên gọi "số", diễn tả trạng thái hệ thống bánh răng trong quá trình truyền động, mỗi "số" sẽ tương ứng với tỷ lệ động năng từ máy/bánh xe khác nhau. Một khái niệm xuất hiện ở đây là tỷ số truyền của từng, dùng để diễn tả tỷ số vòng quay của bánh răng chủ động và bánh răng bị động.
Ly hợp: một cơ cấu cho phép kết nối và ngắt kết nối giữa động cơ xe với hệ thống truyền động.
Cần số: một gần gạt được người lái xe sử dụng để điều khiển số (hoặc khoảng số) hiện tại của bộ truyền động.
Mô hình chữ H: Một trình tự sắp xếp của các số, thường được ghi trên núm đầu cần số.
Tại sao phải cần có bộ truyền động?
Trong động cơ xe hơi, mô men xoắn được tạo ra từ quá trình đốt cháy nhiên liệu sẽ làm quay trục khuỷu. Tốc độ quay này có thể dao động từ 600 đến 7000 vòng/phút hoặc thậm chí là lớn hơn tùy thuộc vào sức mạnh của khối động cơ mà chiếc xe sở hữu. Tuy nhiên, tốc độ quay trên là quá lớn đối với bánh xe hơi (từ 0 đến 1800 vòng/phút), do đó chuyển động quay của trục khuỷu cần phải được dẫn qua một hệ thống các bánh răng để có thể tạo ra tốc độ quay phù hợp của các bánh xe giúp xe di chuyển.
Bên cạnh đó, trong quá trình đốt cháy nhiên liệu, động cơ chỉ có thể tạo ra công xuất và mô men xoắn ở một phạm vi hẹp nhất định. Do đó, cần phải sử dung bộ truyền động để thay đỏi tỷ số truyền giữa động cơ và bánh xe trong trường hợp tốc độ xe thay đổi nhằm đảm bảo động cơ có thể vận hành trong dải tua máy tối ưu.
Trong quá khứ, nếu đề cập đến hộp số thì có lẽ mọi người đều nhắc đến số sàn và số tự động. Thậm chí, đây từng được xem như một tiêu chuẩn hộp số cho xe hơi. Tuy nhiên mọi chuyện đã thay đổi, nhiều công nghệ mới đã len lỏi vào mọi ngóc ngách của xe hơi và hộp số cũng ngày càng được nâng cấp theo hướng hiện đại hơn rất nhiều. Các loại hộp số phổ biến trên xe hơi hiện nay bao gồm:
Hộp số sàn (số tay)
Hộp số tự động (AT)
Hộp số tự động có thể điều khiển bằng tay
Hộp số vô cấp (CVT)
Hộp số ly hợp kép (DCT)
Hộp số trên xe hơi điện
Sơ lược mỗi loại hộp số xe hơi
Hộp số sàn (số tay)
Hình ảnh cấu tạo số sàn
Đây được xem là tiêu chuẩn của hệ thống truyền động và đại đa số người mới tập lái xe đều được tiếp cận với loại xe số sàn trước tiên. Khi vận hành hộp số sàn đòi hỏi người lái phải đạp cần côn và chuyển số bằng cách dùng tay gật cần số. Phần lớn những chiếc xe hơi số sàn hiện nay đều có 5 cấp số. Một số khác còn được trang bị hộp số sàn 6 cấp.
Vào những ngày đầu của ngành công nghiệp xe hơi, những chiếc xe đều sử dụng hộp số sàn. Nhìn chung, hệ thống số sàn khá đơn giản và hoạt động một cách hiệu quả và cho phép người lái có thể trực tiếp kiểm soát toàn bộ chiếc xe. Một số ý kiến cho rằng chỉ có hộp số sàn mới cho phép người lái có được cảm giác làm chủ xe tổt nhất. Tuy nhiên, vận hành xe số sàn đòi hỏi người lái phải liên tục thực hiện nhiều thao tác khi thay đổi tốc độ xe, dừng xe tạm thời,...Đồng thời, người lái cũng cần phải có nhiều kinh nghiệm và kỹ năng để hoàn toàn điều khiển hiệu quả chiếc xe của mình.
Hộp số tự động
Cấu tạo một bộ hộp số tự động
Tên gọi đã khá rõ ràng và nói lên được bản chất của loại hộp số này. Được phát triển đầu tiên từ những năm 1920 và qua thời gian dài cải tiến, cho đến hiện nay thì phần lớn xe hơi được bán ra đều được trang bị hộp số tự động do sự tiện lợi, giảm bớt thao tác điều khiển của người lái, giúp họ tập trung vào tình hình giao thông và xử lý tình huống trên đường tốt hơn. Một cách nôm na, người dùng chỉ cần đặt chân vào cần ga và đạp, hệ thống sẽ tự động chọn số thích hợp với tình hình vận hành hiện tại của xe.
Vào giai đoạn ban đầu, nhiều hộp số tự động có 3 hoặc 4 cấp số (bao gồm cả lùi), cấu tạo rất phức tạp, hơi nặng hơn và hiệu suất làm việc kém hơn so với hộp số sàn. Tuy nhiên, các hộp số tự động hiện nay có thể có tới 8 cấp số, hiệu suất làm việc ngày càng được cải thiện và có thể chọn số một cách thông minh để giúp tiết kiệm nhiên liệu một cách tối đa. Bên cạnh đó, một số mẫu hộp số tự động còn cho người lái trực tiếp can thiệp và điều khiển khí cần thiết.
Hộp số tự động có thể điều khiển tay
Số tự động có thể điều chỉnh bằng tay ở khu vực dấu +/-
Như đã đề cập ở trên, hiện nay, một số hộp số tự động đã có tới 8 cấp số hoặc nhiều hơn và việc lựa chọn số cho phù hợp với điều kiện vận hành của xe do hệ thống máy tính đảm nhiệm. Tuy nhiên, các hãng sản xuất xe vẫn cho phép người lái có thể chủ động can thiệp vào quá trình sang số thông qua một cơ cấu đặc biệt bố trí tại cần số (khu vực dấu +/-) hoặc lẫy chuyển số phía sau vô lăng (phổ biến trên những mẫu xe thể thao). Tuy nhiên, tính cơ động của hộp số tự động điều khiển tay không thể sánh với hộp số tay toàn phần, điển hình như người lái muốn từ số 7 về số 4 thì chỉ có thể giảm theo từng cấp số 7->6->5->4.
Hộp số vô cấp (Continuously Variable Transmission - CTV)
Hộp số vô cấp (CVT) đặc trưng bởi cơ cấu ròng rọc và dây đai truyền
Khác với hộp số truyền thống, hộp số vô cấp (CVT) không sử dụng các cặp bánh răng để thay đổi tỷ số truyền mà sử dụng hệ thống puly (ròng rọc) cùng đai truyền. Hệ thống ròng rọc có thể kích thước thay đổi được, từ đó thay đổi số của xe một cách liên tục và vô cấp. Sở dĩ xuất hiện khái niệm "vô cấp" là do hộp số CVT không rơi vào những bộ số cụ thể, thay vào đó "số" có thể biến thiên một cách liên tục trong khoảng tỷ số truyền cực đại và cực tiểu.
Về cơ bản thì lái một chiếc xe có hộp số CVT cũng tương tự như khi điều khiển xe số tự động nhưng người lái không cần quan tâm đến việc "sang số". Thay vào đó, khi chân ga được nhấn xuống, động cơ của xe sẽ chuyển đến tua máy cao hơn, tốc độ chiếc xe sẽ răng dần và hệ ròng rọc trong bộ truyền động sẽ tự thay đổi kích thước để tạo tỷ số truyền phù hợp. Do "số" có thể thay đổi một cách mượt mà nên hộp số CVT giúp tránh được tình trạng sốc khi sang số, giúp phần nào tiết kiệm nhiên liệu hơn. Đồng thời do thao tác sử dụng tương đối đơn giản nên hộp số CVT được trang bị khá phổ biến trên các mẫu xe hiện nay, đặc biệt là xe Hybird và cả cho xe gắn máy.
Hộp số ly hợp kép (Dual-Clutch Transmission - DCT)
Một mẫu xe của Mercedes trang bị hộp số ly hợp kép, có thể điều khiển số thông qua lẫy sau vô lăng
Về cơ bản, hộp số ly hợp kép (DCT) là sự kết hợp nhuần nhuyễn công nghệ cao giữa số tự động, số sàn và được điều khiển bởi máy tính. Đây được xem như đối thủ cạnh tranh trực tiếp của hộp số CVT do khắc phục được những nhược điểm của cơ cấu ròng rọc là dây đai có thể dễ bị trượt, chùng trong quá trình sử dụng. Giống như tên gọi, hệ thống DCT sử dụng 2 ly hợp ma sát ướt để thay đổi số của xe. Công tác truyền động có thể được sử dụng ở chế độ hoàn toàn tự động, khi đó, máy tính sẽ tự điều khiển quá trình thay đổi hệ bánh răng. Nếu được chuyển sang chế độ điều khiển tay, người lái sẽ dùng cần gạt hoặc nút nhấn đề thay đổi số cho phù hợp với ý muốn.
Thêm vào đó, máy tính sẽ kiểm soát quá trình sang số (cả tự động lẫn bằng tay) cho phù hợp với nhu cầu cá nhân của người lái. Đồng thời, do được trang bị 2 ly hợp tương ứng với các bánh răng cấp số lẻ và bánh răng cấp số chẵn nên hạn chế tối đa hao hụt công suất trong quá trình sang số. Nếu chọn chế độ tự động hoàn toàn, việc sang số sẽ được thực hiện cho phù hợp với mức độ hoạt động của động cơ và điều kiện môi trường bên ngoài nên luôn đảm bảo lực kéo được cung cấp phù hợp, tạo chất lượng động lực học và mức tiêu hao nhiên liệu tối ưu.
Hộp số trên xe hơi điện
Hình ảnh hộp số 2 cấp do hãng Vocis phát triển
Do những đặc thù riêng nên bộ truyền động của xe điện cũng khác so với các mẫu xe sử dụng động cơ đốt trong. Thông thường, xe hơi điện không có số hoặc chỉ có 1 cấp số cho phép xe có thể vận hành mượt mà ở tất cả các dải tốc độ. Nguyên nhân là do mô men xoắn tạo ra bởi motor điện phụ thuộc vào dòng điện chứ không phải tốc độ quay nên xe điện thường có mô men xoắn cao trên một dải tốc độ dài trong quá trình tăng tốc so với động cơ đốt trong. Đơn giản nhất là bộ truyền động không số. Do mô men xoắn của motor điện không phụ thuộc vào tốc độ quay, năng lượng từ motor sẽ được sinh ra dưới dạng cả mô men xoắn lẫn tốc độ quay của động cơ. Điều này có nghĩa là sẽ có nhiều năng lượng bị hao hụt hơn khi xe di chuyển ở tốc độ chậm.
Đối với bộ truyền động 1 số, vấn đề trên được phần nào cải thiện bằng cách sử dụng tỷ lệ truyền cho phép motor quay nhanh hơn so với bánh xe (chuyển mô men xoắn thấp, tốc đọ quay nhanh của motor thành mô men xoắn cao, tốc độ quay chậm của bánh xe) giúp quá trình tăng tốc trở nên hiệu quả hơn. Tuy nhiên, motor chỉ có thể hoạt động ở một tốc độ tối đa nhất định, từ đó ảnh hưởng đến tốc độ tối đa của xe. Nếu muốn xe đạt tốc độ cao hơn, cái giá phải trả là gia tốc sẽ giảm xuống và hiệu suất ở tốc độ thấp cũng giảm đi. Bộ truyền động đa cấp số cho phép xe vận hành với hiệu suất cao ở cả tốc độ thấp và cao, nhưng hệ thống cũng phức tạp, nặng nề và có giá thành sản xuất cao chính là những rào cản khiến nó vẫn chưa được phổ biến trên những chiếc xe hơi điện ở hiện tại.
