Các loại hộp số ô tô - Ưu và nhược điểm

Hộp số là một hệ thống gồm nhiều cặp hay bộ các bánh răng khớp với nhau, được sử dụng để truyền mô-men xoắn từ động cơ tới các bánh xe chủ động của ôtô. Ngày nay, ngoài hộp số tay truyền thống, còn có thêm các loại hộp số tự động, số li hợp kép hay số vô cấp (CTV).

1. Hộp số tay

Đặc điểm chính của hộp số tay hay còn gọi là số sàn là người lái phải tự chuyển số bằng pê-đan côn (li hợp) và cần số trên sàn xe. Thành phần chính của hộp số tay gồm một trục bánh răng trung gian, hoạt động nhờ kết nối với trục xoay của động cơ. Một trục bánh răng chốt (splined shaft) nối trực tiếp với trục dẫn động thông qua vi-sai đến các bánh xe. Tương ứng với các bánh răng ở trục trung gian sẽ là các bánh răng trên trục chốt để tạo ra những tỷ số truyền động khác nhau. Nhông cài (collar) gắn với cần số có chức năng kết nối các bánh răng ở trục chốt với trục dẫn động tới các bánh xe. Nhông cài có thể trượt qua trái hoặc phải dọc theo trục chốt để gài vào các bánh răng khác nhau. Các răng trên nhông, gọi là răng chó (dog teeth), khớp với các lỗ mặt bên của bánh răng trên trục chốt để khóa vào nhau.

Hộp số tay ở xe hiện đại còn sử dụng bộ đồng tốc để loại bỏ thao tác côn kép. Mục đích của bộ đồng tốc là cho phép nhông cài và bánh răng có cùng tốc độ trước khi khớp với các răng chó. Xe chạy chậm (số 1) là nhờ tỷ số bánh răng cao để vận tốc của bánh răng truyền mô-men xoắn vào trục bánh xe chủ động thấp. Khi chạy nhanh (số 5, 6, 7) tỷ số bánh răng thấp – các bánh răng có đường kính gần tương đương nhau – để vận tốc của bánh xe tương đương với vận tốc xoay của động cơ.

Ưu điểm của hộp số tay là giá thành (rẻ hơn hộp số tự động khoảng 1.000USD), bảo dưỡng đơn giản hơn, ít tốn kém hơn. Hộp số tay nếu được sử dụng thích hợp có thể hoạt động hàng trăm nghìn km mà không trục trặc. Việc thay dầu định kỳ cũng không thường xuyên như hộp số tự động. Trên đường trường, số tay tiết kiệm từ 5-15% nhiên liệu so với số tự động. Quan trọng hơn, số tay tạo cảm giác chế ngự trực tiếp sức mạnh của động cơ ôtô và người điều khiển có thể cảm nhận được sức mạnh tối đa của động cơ. Tuy nhiên, sử dụng số tay có thể là một trải nghiệm “tra tấn” khi bị kẹt xe trong đô thị.

2. Số tự động

Số tự động là loại hộp số có thể tự động thay đổi tỷ số truyền động bằng cách sử dụng áp suất dầu tác động tới từng li hợp hay đai bên trong. Vì thế, khác biệt dễ thấy nhất là xe lắp số tự động không có chân côn.

Trái tim của số tự động là bộ bánh răng hành tinh. Cấu tạo của bộ bánh răng này bao gồm bánh răng định tinh (còn gọi là bánh răng trung tâm hay bánh răng mặt trời) nằm ở giữa. Các bánh răng hành tinh nhỏ ăn khớp và xoay quanh bánh răng mặt trời, được lắp với một giá đỡ. Cuối cùng là vòng răng ngoài bao quanh và ăn khớp với các bánh răng hành tinh nhỏ.

Trong hộp số tự động, vòng răng thường được chế tạo thêm rãnh răng ở mặt ngoài để ăn khớp với các đĩa ma sát của ly hợp, như vậy các đĩa ma sát sẽ chuyển động cùng với vòng răng. Cả ba thành phần này đều có thể đóng vai trò của bánh răng truyền mô-men xoắn, bánh răng nhận mô-men xoắn hoặc có thể cố định. Bằng cách đổi vai như vậy, tỷ lệ truyền động sẽ thay đổi. Máy tính điện tử sẽ tính toán mức chịu tải của động cơ cũng như tốc độ để qua đó điều khiển các li hợp hay đai giữ thông qua áp suất dầu nhằm cố định hay cho phép các thành phần này chuyển động.

Số tự động có thêm bộ chuyển đổi mô-men (torque converter) - một loại “khớp nối” dầu giữa động cơ và hộp số đóng vai trò thay cho li hợp ở số tay để cho phép động cơ quay độc lập với hộp số. Với bộ chuyển đổi mô-men này, một số chuyển động trượt sẽ xảy ra trong quá trình vận hành vì thế hiệu suất hoạt động của hộp số bị giảm bớt. Tuy nhiên, hầu hết các bộ chuyển đổi mô-men trong hộp số hiện đại ngày nay đã có thêm li hợp khóa để ngăn chuyển động trượt giúp bộ chuyển đổi mô-men có hiệu suất hoạt động tương đương với li hợp của số tay. Mặc dù vậy, do số tự động sử dụng một phần sức mạnh của động cơ để vận hành bơm thủy lực tạo ra áp suất dầu điều khiển các li hợp bên trong nên số tay vẫn tiết kiệm nhiên liệu hơn.

Ưu điểm chính của số tự động là giải phóng cho người lái khỏi chân côn cũng như cần số, giúp người sử dụng cảm thấy thoải mái khi xe hoạt động trong đô thị thường xuyên xảy ra kẹt xe, tắc đường. Nghiên cứu cho thấy xe sử dụng số tự động hoạt động trong đô thị có mức tiêu thụ nhiên liệu tương đương xe lắp số tay, và trong nhiều trường hợp còn thấp hơn. Tuy nhiên, cũng có người cho rằng số tự động đem lại cảm giác nhàm chán, không thú vị. Một ưu điểm khác của số tự động là giá trị bán lại của xe đã qua sử dụng lắp số tự động cao hơn. Tuy nhiên, số tự động cũng chóng mòn và hỏng hơn nên cần được bảo hành nhiều hơn, tốn kém hơn.

3. Số li hợp kép

Hộp số ly hợp kép (dual–clutch transmission - DCT) hay còn gọi là hộp số bán tự động cũng giải phóng cho người lái khỏi pê-đan côn li hợp khi chuyển số. Về cơ bản, có thể mô tả DCT như sự kết hợp giữa hai hộp số tay.

Không giống như số tay truyền thống, vốn đưa tất cả các bánh răng lên một trục truyền mô-men xoắn, DCT gồm hai trục truyền mô-men xoắn lồng vào nhau, một trục nằm phía bên trong của trục kia. Hai trục này gồm một trục gắn các bánh răng ở cấp số lẻ (trục trong) và một trục gồm các bánh răng ở cấp số chẵn (trục ngoài). Bộ đôi ly hợp của DCT, thường thuộc loại ly hợp ma sát ướt, nghĩa là các đĩa ma sát được ngâm trong dầu và được điều khiển bằng cơ cấu thủy lực-điện tử. Hai ly hợp này hoạt động hoàn toàn độc lập với nhau, một điều khiển các bánh răng cấp số lẻ (1, 3, 5 và bánh răng số lùi), trong khi ly hợp còn lại có nhiệm vụ điều khiển bánh răng số chẵn (2, 4,6). Quá trình chuyển số có thể thực hiện tự động hoàn toàn tuỳ thuộc vào chế độ hoạt động của động cơ và lực cản của mặt đường. DCT cũng có thể cho phép người lái chuyển số tay mặc dù nó vẫn được thực hiện thông qua hệ thống thủy lực-điện tử của hộp số.

Với kết cấu như trên, quá trình tăng hoặc giảm số diễn ra rất nhanh chóng (chỉ 8 mili giây), liên tục và vì thế điểm mạnh nhất của DCT là tiết kiệm nhiên liệu. Một số chuyên gia cho biết, hộp số li hợp kép 6 cấp có thể cải thiện 10% hiệu suất tiêu thụ nhiên liệu so với hộp số tự động 5 cấp truyền thống. Tuy nhiên, chi phí phụ trội để ứng dụng hộp số này không nhỏ, khi các hãng ôtô phải điều chỉnh dây chuyền chế tạo cho phù hợp với loại hộp số mới.

4. Số vô cấp

Không giống như hộp số truyền thống, hộp số vô cấp (continuously variable transmission – CVT) không có các cặp bánh răng tạo tỷ số truyền. CVT thường hoạt động trên một hệ thống puli (ròng rọc) và dây đai truyền cho phép thay đổi vô cấp và liên tục, không tách biệt riêng rẽ các số.

Hệ puli với đường kính thay đổi là thành phần chính của CVT. Mỗi puli được tạo thành từ hai khối hình nón có góc nghiêng 20 độ đặt đối diện với nhau. Một dây đai chạy trong rãnh giữa hai khối hình nón này. Hai khối hình nón này có thể thay đổi khoảng cách giữa chúng. Khi hai khối hình nón tách xa nhau, dây đai ngập sâu vào trong rãnh và bán kính của dây đai quấn quanh puli sẽ giảm đi. Khi hai khối hình nón này ở gần nhau, bán kính của dây đai tăng lên.

Hệ puli gồm một puli chủ động nối với trục quay của động cơ. Puli thứ hai gọi là puli bị động có chức năng truyền mômen đến trục dẫn động bánh xe. Tỷ số giữa bán kính quay trên puli chủ động và bán kính quay của puli bị động xác lập nên “số”. Khi một puli tăng bán kính và cái kia giảm bán kính để giữ cho dây đai luôn bám chặt vào giữa hai khối hình nón, chúng sẽ tạo ra vô số các tỷ số truyền, từ mức thấp nhất cho đến cao nhất.

Ưu điểm của CVT là giảm những cú sốc khi chuyển số qua đó có thể tăng đáng kể khả năng tiết kiệm nhiên liệu. Tuy nhiên, dây đai của nó cũng có thể bị trượt và kéo giãn, làm giảm hiệu suất hoạt động. Điểm yếu lớn nhất của CVT là không chịu được mô-men xoắn cao, do đó không ứng dụng được với xe thể thao. Song sự đơn giản của CVT đã biến chúng trở thành lý tưởng cho xe máy. Xe hybrid lắp CVT cũng đang phổ biến và hộp số này đang được sử dụng cho chiếc Toyota Prius danh tiếng.

Nguồn autonet