Hộp số và ưu - nhược điểm của các loại hộp số hiện đại trên ô tô

Tổng quan chung

Ngành công nghiệp chế tạo ô tô đã có hàng triệu phát minh kể từ khi chiếc ô tô đầu tiên ra đời vào năm 1886. Một trong những bộ phận không thể thiếu chính là hộp số, và đến ngày nay, bộ phận này vẫn không ngừng được cải tiến để cho ra những sản phẩm mới. Tuy nhiên, dù thế nào đi nữa thì về cơ bản, hộp số trên ô tô vẫn chỉ có hai công dụng chính:

• Ngắt công suất từ động cơ đến các bánh xe khi xe đứng yên, cho phép động cơ vẫn quay ở chế độ không tải.
• Cung cấp tỉ số truyền khác nhau giúp xe khởi hành từ vị trí đứng yên đồng thời giảm số vòng quay của động cơ ở tốc độ cao hơn giúp tiết kiệm nhiên liệu, đồng thời xe vận hành mượt mà hơn.

Và ngày nay, hộp số vẫn gồm hai loại chính:

• Hộp số sàn
• Hộp số tự động nói chung.

Với hộp số sàn, khu vực pedal điều khiển sẽ có thêm chân côn bên cạnh chân ga và phanh. Chân côn sẽ điều khiển bộ ly hợp gồm hai lá, một lá gắn liền với động cơ, lá còn lại gắn trên hộp số. Khi vận hành, hai lá ly hợp sẽ ma sát vào nhau giúp chuyển lực quay của động cơ thông qua các cấp số và đến các bánh xe. Khi người lái nhấn chân côn, hai lá ly hợp sẽ tách rời nhau, đồng thời cắt lực truyền động, động cơ vẫn quay trong khi các bánh xe giảm tốc độ và dừng lại nếu người lái đạp phanh. Trên hộp số sàn, người lái sẽ chủ động lựa chọn cấp số thích hợp khi vận hành xe. Thông thường các cấp số được sắp xếp thứ tự song song nhau, có 5 cấp số tiến và 1 cấp số lùi, trên một số mẫu xe bán tải như Ford Ranger hay Nissan Navara… hộp số sàn có tới 6 cấp số tiến và 1 cấp số lùi.

Với hộp số tự động, mọi thứ sẽ phức tạp hơn. Người lái chỉ còn chân ga và chân phanh tại khu vực điều khiển, trong khi chân côn được bỏ đi, việc lựa chọn các cấp số và hoạt động của ly hợp sẽ do máy tính đảm nhiệm.

Hiện tại, có 4 loại hộp số tự động:

1. Hộp số tự động truyền thống

Những hộp số tự động truyền thống sử dụng một bộ biến mô để truyền công suất và mô-men xoắn từ động cơ đến hộp số. Hộp số sẽ gồm nhiều cấp số khác nhau và việc lựa chọn cấp số sẽ được đảm nhiệm tự động hoàn toàn bởi hệ thống ly hợp thủy lực điều khiển bằng điện tử. Những hộp số tự động thuở ban đầu cũng hoạt động theo cơ chế tương tự nhưng ít cấp số hơn và ít xử lý bằng điện toán hơn.

Hộp số tự động truyền thống ngày càng vận hành êm ái hơn cả lúc khởi hành lẫn lúc chuyển số, nhưng thiếu hiểu quả vẫn là điểm yếu cố hữu. Xe thường bị tiêu hao nhiên liệu nhiều hơn do sự hao hụt công suất từ các đĩa trượt của bộ biến mô thủy lực và hoạt động của các bơm thủy lực của hệ thống ly hợp.

2. Hộp số vô cấp CVT

Không còn các cấp số như hộp số tự động truyền thống, hộp số vô cấp sử dụng đai truyền lực di chuyển giữa hai pulli có đường kính biến thiên để thay đổi tỉ số truyền. Trong ứng dụng thực tế, một số nhà sản xuất hộp số vô cấp sử dụng bộ biến mô thủy lực (tương tự hộp số tự động truyền thống) để truyền động năng từ động cơ đến hộp số. Một số nhà sản xuất khác sử dụng bộ ly hợp tương tự hộp số sàn nhưng tất nhiên vận hành hoàn toàn tự động.

Hộp số vô cấp Nissan XTronic CVT

Ưu điểm của loại hộp số này là động cơ có thể duy trì được hiệu quả cao nhất, trong khi hộp số tự động điều chỉnh tùy thuộc vào tải trọng và tốc độ. Khi cần tăng tốc nhanh, động cơ sẽ cung cấp lực kéo mạnh nhất, ở tỉ số truyền cao nhất và duy trì liên tục để giúp xe nhanh chóng đạt vận tốc mong muốn. Khi đạt vận tốc ổn định, hộp số sẽ tự động giảm tỉ số truyền đủ để duy trì tốc độ, đồng thời tốc độ động cơ được giảm xuống giúp tăng hiệu quả sử dụng nhiên liệu.

Điểm hạn chế của hộp số vô cấp lại đến từ chính cấu tạo của nó. Vì hoạt động dựa trên ma sát của dây đai truyền và pulli, do đó hộp số vô cấp không thể thiết kế cho những động cơ có công suất lớn. Hiện tại, mẫu xe có mức công suất lớn nhất được trang bị hộp số này chính là Nissan Maxima, với động cơ 3.5L V6 công suất tối đa 290 mã lực.

3. Hộp số bán tự động

Bản chất của hộp số này chính là hộp số sàn nhưng không có chân côn và thao tác sang số được điều khiển hoàn toàn bằng máy tính, và các hệ thống điện tử, vì thế không cần sự tác động từ phía người lái, tương tự hộp số tự động truyền thống. Tuy nhiên, người lái sẽ chủ động vào số thông qua cần số hoặc lẫy chuyển số tích hợp sau vô lăng.

Hộp số này hiệu quả hơn nhiều so với hộp số tự động truyền thống vì khả năng kết nối tốt hơn với động cơ, đồng thời không xảy ra hiện tượng trượt ở bộ biến mô và vì thế không bị tiêu hao công suất, động cơ phản hồi nhanh hơn khi người lái đạp ga. Những mẫu xe hiệu năng cao đến từ Châu Âu thời sơ khai thường sử dụng kiểu hộp số này, khi ấy hộp số bán tự động được phát triển dựa trên một hộp số sàn thông thường và một ly hợp đơn tự động.

Một số mẫu xe sử dụng hộp số này có thể kế ra như BMW 545i (E60), BMW 645Ci/650i (E63/64) với hộp số bán tự động 7 cấp Getrag SMG III hay hộp số Mercedes-Benz’s AMG Speedshift MCT chuyên dành cho những mẫu xe AMG thể thao.

Hộp số Mercedes-Benz's AMG SpeedShift MCT

Nhược điểm của loại hộp số này chính là giá thành. Giá thành khá cao do đó chỉ trang bị trên những mẫu xe hiệu suất cao, ngoại trừ mẫu xe "con cóc" Smart ForTwo. Ngoài ra, hộp số bán tự động cũng gây ra cảm giác giật cục khó chịu, chính vì thế hộp số bán tự động ly hợp kép ra đời và dần thay thế loại hộp số này cho tới ngày nay.

4. Hộp số bán tự động ly hợp kép

Vì không có chân côn nên hộp số này cũng có thể gọi là hộp số tự động ly hợp kép. Đúng như tên gọi của nó, hộp số này có hai ly hợp, một sẽ được dùng cho các cấp số lẻ (1, 3, 5, 7), ly hợp còn lại sẽ dùng cho các cấp số chẵn (2, 4 ,6). Khi xe bắt đầu khởi hành, cấp số 1 sẽ được chọn và ly hợp lẻ sẽ gài số vào động cơ giúp xe khởi hành. Cùng lúc đó, bộ xử lý sẽ đặt các bánh răng sẵn sàng để gài số hai. Khi thời điểm chuyển số đến, ly hợp lẻ sẽ ngắt và ly hợp chẵn tiếp tục gài số hai ngay sau đó. Quy trình tiếp tục lặp lại ở các cấp số cao hơn khi xe có vận tốc nhanh hơn. Và nhờ có hai ly hợp, nên quá trình chuyển số được nhanh hơn, triệt tiêu tối đa độ ngắt quãng giữa hai cấp số, nhờ đó xe vận hành mượt mà hơn.

Hộp số tự động ly hợp kép được sử dụng trên những mẫu xe hiệu năng cao ngày càng nhiều vì hiệu suất cao hơn khi so với hộp số tự động truyền thống và khả năng kiểm soát tốt hơn khi so với hộp số vô cấp.

Một số hãng xe xây dựng hộp số tự động ly hợp kép có thể kể ra như Ford với hộp số tự động 6 cấp ly hợp kép PowerShift dành cho hai mẫu Fiesta và Focus; Porsche với hộp số PDK trứ danh của mình.

Kết luận

Vậy hộp số tự động kiểu nào tốt nhất? Câu trả lời là ‘không có cái nào tốt nhất’, vì bốn loại hộp số tự động trên đều cho ra những trải nghiệm lái khác nhau. Tuy nhiên, mục đích cuối cùng hiện tại đều gia tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu, đồng thời đảm bảo khả năng vận hành êm ái nhất có thể.

Các nhà sản xuất hiện tại vẫn tin dùng hộp số tự động truyền thống với nhiều cấp số hơn, đồng thời ứng dụng nhiều hơn hộp số vô cấp và bắt đầu phổ biến dần hộp số tự động ly hợp kép. Các kiểu hộp số tự động mới cũng ngày càng cải tiến để cho cảm giác vận hành mượt mà không khác hộp số tự động truyền thống nhưng cho khả năng tiết kiệm nhiên liệu hơn cùng khả năng vận hành tốt hơn đáng kể.