Tại sao hộp số nhiều cấp tốt hơn hộp số ít cấp?

Mô men xoắn và công suất sinh ra từ động cơ để truyền được đến bánh dẫn động cần thông qua một hệ truyền động gồm ly hợp, hộp số, các trục truyền động và cầu dẫn động. Trong đó, hộp số đóng vai trò thay đổi tốc độ quay và biến đổi mô men xoắn trên các bánh dẫn động thông qua các cơ cấu bánh răng giảm tốc (hoặc tăng tốc ở vài cấp số cao).

Có nhiều loại hộp số khác nhau. Ở đây chỉ đề cập đến loại hộp số cơ khí truyền thống với các bánh răng ăn khớp ngoài. Hệ thống này thực chất là một cơ cấu gồm rất nhiều các bánh răng, trong đó mỗi cấp số được đảm nhiệm bởi một bánh răng chủ đạo, tỷ số truyền của một cấp số cũng chính là tỷ số truyền của cặp bánh răng tương ứng, như mô tả về nguyên lý ở hình dưới.

Theo đó, mô men xoắn từ động cơ được truyền đến hộp số, thông qua cặp bánh răng này thì tốc độ quay và mô men xoắn trên trục ra được biến đổi tương ứng với tỷ số truyền do sự sai khác về số răng. Khi nguồn mô men xoắn này được truyền đến bánh dẫn động thì mô men xoắn và tốc độ quay của bánh dẫn động cũng biến đổi tương ứng với tỷ số truyền của hệ thống truyền động bánh răng này.

Lấy ví dụ, động cơ quay ở tốc độ 1.500 vòng/phút, sinh ra mô men xoắn 120Nm trên trục khuỷu, nguồn động lực này được truyền qua hộp số đang ở một cấp số có tỷ số truyền 3:1 (đồng thời không có một cơ cấu tăng giảm tốc nào khác trên đường truyền lực), bỏ qua tổn thất trên hệ truyền lực, thì bánh dẫn động sẽ nhận được mô men xoắn là 360Nm, thắng các lực cản và giúp xe di chuyển. Giả sử nếu xe chỉ có một cấp số với 1 tỷ số truyền duy nhất thì nghĩa là để tăng giảm tốc độ, người ta chỉ còn cách tăng giảm ga để tăng giảm tốc độ quay của động cơ. Tuy nhiên, tốc độ quay của động cơ lớn thì xe sẽ rất tốn nhiên nhiên. Đây là một lý do tại sao hộp số xe cần có nhiều cấp với các tỷ số truyền khác nhau để biến thiên tốc độ quay và biến thiên mô men xoắn.

Một hộp số 4 cấp thông thường sẽ có 4 cặp bánh răng như vậy tương ứng với 4 tỷ số truyền khác nhau, kèm theo các bánh răng cho số lùi. Tương tự, hộp số 6 cấp sẽ có 6 cặp bánh răng số tiến, kèm theo các bánh răng cho cấp số lùi. Chênh lệch tỷ số truyền giữa các cấp số của hộp số nhiều cấp sẽ thấp hơn hộp số ít cấp. Và việc chuyển số lúc này chỉ còn là việc lựa chọn cặp bánh răng nào được gài khớp qua bộ đồng tốc để truyền động với một tỷ số truyền tương ứng.

Tác dụng thứ hai của bộ truyền động bánh răng bên trong hộp số như đã thấy đó là biến đổi mô men xoắn. Mô men xoắn sinh ra trên trục khuỷu là 100Nm, sau khi đi qua hộp số đang ở cấp số có tỷ số truyền 3:1 thì mô men xoắn sinh ra trên trục thứ cấp cấp là 300Nm, nghĩa là hộp số đã giảm tốc và tăng mô men xoắn. Các cấp số thấp đóng vai trò giảm tốc và tăng mô men xoắn, điều này có ý nghĩa lớn giúp xe khởi động, đề pa và tăng tốc từ trạng thái đứng yên, vì lúc này xe cần mô men xoắn lớn, nhưng các cấp số này lại không giúp xe đạt tốc độ cao vì tác dụng giảm tốc của bánh răng.

Khi xe đã có đà và cần tiếp tục tăng tốc, đòi hỏi về mô men xoắn trên bánh dẫn động không lớn, thay vào đó là yêu cầu về tốc độ quay, vì vậy hộp số cần phải được chuyển sang các cấp số cao hơn, vốn có tỷ số truyền thấp hơn để tăng tốc độ quay của bánh xe. Ví dụ, Toyota Camry 2015 phiên bản 2.5L với hộp số 6 cấp có tỷ số truyền các cấp số lần lượt là 3,3:1 (số 1), 1,9:1 (số 2) – 1,42:1 (số 3) – 1:1 (số 4) – 0,713:1 (số 5) – 0,608:1 (số 6) và 4:148:1 (số lùi), tức các cấp số 1-2-3 có tác dụng giảm tốc, còn các số 5-6 có tác dụng tăng tốc.

Nhu cầu về mô men xoắn trên bánh dẫn động và sự thay đổi cấp số trên ô tô cũng giống như một vận động viên đi xe đạp địa hình với líp tầng nhiều cấp.

Tiến trình chuyển số của một mẫu xe số sàn 6 cấp điển hình trong điều kiện tăng tốc nhanh tối đa với thao tác chuyển số hoàn hảo được mô tả như hình dưới. Ở đây cho thấy sự liên quan giữa tốc độ quay của động cơ và tốc độ xe ứng với các cấp số khác nhau. Các tay đua F1 thường được đào tạo rất kỹ về tiến trình chuyển số lý tưởng của chiếc xe mà họ điều khiển, để quyết định ở ngưỡng tốc độ quay nào của động cơ và vận tốc xe bao nhiêu thì cần chuyển số, nhằm tăng tốc nhanh nhất có thể.

Trong một mối quan tâm khác không phải để giúp xe tăng tốc nhanh nhất có thể, mà để giúp xe tiết kiệm nhiên liệu nhất có thể, tiến trình chuyển số của các loại hộp số tự động sẽ được nhà sản xuất lập trình theo hướng hạn chế xe chạy ở các cấp số thấp trong thời gian dài với tốc độ quay của động cơ lớn. Tuy nhiên, với các loại xe có hộp số ít cấp, thì để đảm bảo đà tăng tốc, chương trình điều khiển cơ chế sang số trên xe số tự động buộc phải duy trì ga tại một cấp số trong một khoảng thời gian dài hơn trước khi chuyển sang cấp số cao hơn. Hoặc trên các loại xe số sàn thì người lái cũng buộc phải duy trì ga lâu hơn ở cấp số thấp, điều này khiến xe tiêu tốn nhiên liệu nhiều hơn. Đây lại là một lý do nữa khiến nhà sản xuất thường cố gắng tạo ra các loại hộp số nhiều cấp hơn.

So với xe hộp số 6 cấp, các loại xe có hộp số 4 cấp thường phải duy trì một cấp số trong khoảng thời gian lâu hơn với tốc độ vòng tua lớn hơn để đạt đà trước khi chuyển sang cấp số cao hơn.

Trong tiến trình này, mô men xoắn trên bánh dẫn động sẽ thay đổi giảm dần theo từng cấp số. Đây thực chất là sự ghép nối của nhiều đồ thị mô men xoắn ở các cấp số khác nhau. Với xe có hộp số tự động 6 cấp thì đồ thị mô men xoắn trên bánh dẫn động chính là 6 đồ thị mô men xoắn ở 6 cấp số khác nhau. Tại cấp số càng thấp thì mô men xoắn trên bánh dẫn động càng cao, tuy nhiên, xe không thể đạt tốc độ cao ở các cấp số thấp này. Khi chuyển sang các cấp số cao hơn, mô men xoắn trên các bánh dẫn động giảm nhưng tốc độ tăng lên.
Sự biến đổi mô men xoắn trên các bánh dẫn động trong quá trình tăng tốc của một loại xe sử dụng hộp số 6 cấp. Đây là sự ghép nối của 6 đồ thị mô men xoắn ở 6 cấp số khác nhau. Ở cấp số càng thấp thì mô men xoắn trên bánh dẫn động càng cao, tuy nhiên, xe không thể đạt tốc độ cao ở các cấp số thấp này.

Sự biến đổi mô men xoắn trên các bánh dẫn động trong quá trình tăng tốc của một loại xe sử dụng hộp số 4 cấp.

So sánh 2 loại xe hộp số 4 cấp và 6 cấp có thể thấy sự biến thiên mô men xoắn trên bánh dẫn động của xe sử dụng hộp số nhiều cấp thường thấp hơn xe có hộp số ít cấp do ít có sự chênh lệch về tỷ số truyền giữa các cấp số. Đồng thời, với các loại hộp số nhiều cấp thì nhờ nhiều cấp tỷ số truyền nên mỗi cấp số có thể chỉ cần duy trì trong một ngưỡng tốc độ quay hẹp hơn so với hộp số ít cấp như đã nói, nên về mặt tiện nghi, chúng góp phần làm cho xe vận hành mượt hơn, ít giật.
So sánh hai loại hộp số này có thể thấy sự biến thiên mô men xoắn trên bánh dẫn động của xe sử dụng hộp số nhiều cấp thường ít hơn xe có hộp số ít cấp.

Xét về nhiều mặt, thì hộp số ít cấp và hộp số nhiều cấp cũng giống như hai người leo lên cầu thang có độ dốc như nhau, nhưng các bậc thang có độ cao khác nhau, một cái có bậc thang nhỏ nhưng nhiều bậc còn một cái ít bậc thang nhưng độ cao mỗi bậc lại lớn. Người leo cầu thang có bậc thang nhỏ phải bước nhiều bước hơn, nhưng mỗi bước nhỏ hơn, ít phải vận sức cho từng bước, dao động của thân người khi leo nhỏ hơn và sức rải ra đều hơn. Còn hộp số vô cấp lại giống như một cái dốc trơn có thể đẩy được xe lăn.

Theo Xedoisong.vn