Lý do gì khiến việc sử dụng hộp số nhiều cấp lại tốt hơn hộp số ít cấp?

Các mẫu xe hiện đại ở năm 2021 hầu hết đều có xu hướng sử dụng hộp số 6-8 cấp số. Hơn nữa là lên tới 9-10 cấp số. Đâu đó chúng ta vẫn còn thấy các mẫu xe trang bị 4 – 5 cấp số và điều ngạc nhiên là vẫn được nhiều người sử dụng bình thường. Lý do gì khiến việc sử dụng hộp số nhiều cấp lại tốt hơn hộp số ít cấp?

Sử dụng hộp số nhiều cấp có tốt hơn hộp số ít cấp không?

Mô men xoắn và công suất được sinh ra từ động cơ. Sức mạnh này được truyền đến bánh dẫn động thông qua một hệ truyền động gồm ly hợp, hộp số, các trục truyền động và cầu dẫn động. Trong đó, thông qua các cơ cấu bánh răng giảm tốc (hoặc tăng tốc ở vài cấp số cao) hộp số sẽ đảm nhiệm vai trò:

• Thay đổi tốc độ quay
• Biến đổi mô men xoắn trên các bánh dẫn động

Hộp số cơ khí truyền thống 

Hộp số cơ khí truyền thống  gồm nhiều bánh răng mà mỗi cấp số được đảm nhiệm bởi một bánh răng chủ đạo. Các hãng sản xuất xe hơi có thể sử dụng nhiều loại hộp số khác nhau. Bài viết này chỉ đề cập đến loại hộp số cơ khí truyền thống với các bánh răng ăn khớp ngoài. Về bản chất, hệ thống này là một cơ cấu gồm nhiều bánh răng mà mỗi cấp số sẽ được đảm nhiệm bởi một bánh răng chủ đạo.

Tỷ số truyền của mỗi cấp số

Tỷ số truyền của mỗi cấp số chính là tỷ số truyền của cặp bánh răng tương ứng .Theo đó, mô men xoắn được truyền đến hộp số thông qua cặp bánh răng này thì trên trục ra. Tốc độ quay và mô men xoắn được biến đổi tương ứng với tỷ số truyền do có sự sai khác về số răng. Khi mức mô men xoắn này được truyền đến bánh dẫn động thì cả mô men xoắn và tốc độ quay của bánh dẫn động cũng được biến đổi tương ứng với tỷ số truyền của hệ thống truyền động bánh răng này.

Audi và hộp số S tronic

Hộp số 4 cấp thường sẽ có 4 cặp bánh răng và ứng với 4 tỷ số truyền khác nhau cùng các bánh răng cho số lùi. Tương tự, hộp số 6 cấp sẽ có 6 cặp bánh răng số tiến cùng các bánh răng cho cấp số lùi. Sự chênh lệch về tỷ số truyền giữa các cấp số của hộp số nhiều cấp sẽ thấp hơn hộp số ít cấp. Việc chuyển số lúc này chỉ còn là việc chọn cặp bánh răng nào được gài ăn khớp qua bộ đồng tốc để truyền động với một tỷ số truyền tương ứng. 

Sự chênh lệch về tỷ số truyền giữa các cấp số khi sử dụng hộp số nhiều cấp

Sự chênh lệch về tỷ số truyền giữa các cấp số của hộp số nhiều cấp sẽ thấp hơn hộp số ít cấp. Bộ truyền động bánh răng bên trong hộp số còn có tác dụng là làm biến đổi mô men xoắn. Mô men xoắn sinh ra trên trục khuỷu là 100Nm, khi đi qua hộp số đang ở cấp số có tỷ số truyền 3:1 thì mức mô men xoắn sinh ra trên trục thứ cấp sẽ là 300Nm. Điều này có nghĩa là hộp số đã giảm tốc và tăng mô men xoắn.

Vai trò của các cấp số thấp

Các cấp số thấp có vai trò giảm tốc và tăng mô men xoắn giúp xe:

• Khởi động
• Đề pha
• Tăng tốc

Khi xe đã di chuyển khỏi vị trí đứng yên và cần tăng tốc (tăng tốc độ quay của bánh xe) thì lúc này yêu cầu về mô men xoắn trên bánh dẫn động không lớn mà thay vào đó là yêu cầu về tốc độ quay. Do đó, hộp số cần phải được chuyển sang các cấp số cao hơn, vốn có tỷ số truyền thấp hơn.

Điển hình như tỷ số truyền các cấp số của mẫu Toyota Camry 2015 phiên bản 2.5L với hộp số 6 cấp 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)
• 4:148:1 (số lùi)

Như vậy, các cấp số 1-2-3 có tác dụng giảm tốc còn các số 5-6 có tác dụng tăng tốc.

Xe ô tô sử dụng hộp số 6 cấp và tiến trình chuyển đổi 

Giúp tăng tốc nhanh 

Tiến trình chuyển số của một mẫu xe dùng số sàn 6 cấp điển hình trong điều kiện tăng tốc nhanh tối đa với thao tác chuyển số hoàn hảo cho thấy sự liên quan giữa tốc độ quay của động cơ và tốc độ xe ứng với các cấp số khác nhau.

Thông thường, tất cả các tay đua F1 đều được đào tạo rất kỹ về tiến trình chuyển số lý tưởng của những chiếc xe mà họ chọn điều khiển. Điều này giúp cho các tay đua quyết định đúng đắn thời điểm chuyển số để tăng tốc nhanh nhất có thể.

Giúp tiết kiệm nhiên liệu

Lúc này, các nhà sản xuất sẽ lập trình để tiến trình chuyển số của các loại hộp số tự động theo hướng hạn chế xe di chuyển ở các cấp số thấp trong thời gian dài với tốc độ quay của động cơ lớn. Tuy nhiên, đối với các loại xe sử dụng hộp số ít cấp, để đảm bảo đà tăng tốc thì chương trình điều khiển cơ chế sang số trên xe số tự động sẽ buộc phải duy trì ga tại một cấp số trong một khoảng thời gian dài hơn trước khi chuyển sang cấp số cao hơn.

Đối với các loại xe số sàn thì người lái cũng phải duy trì ga lâu hơn ở cấp số thấp. Việc làm này sẽ khiến xe tiêu tốn nhiên liệu nhiều hơn. Do đó, nhà sản xuất phải cố gắng tạo ra các loại hộp số nhiều cấp hơn. 

Nguyên lý hoạt động

Tại tiến trình này, mô men xoắn trên bánh dẫn động sẽ dần thay đổi theo từng cấp số. Thực chất đây chính là sự ghép nối của nhiều đồ thị mô men xoắn ở các cấp số khác nhau. Ở xe có hộp số tự động 6 cấp thì đồ thị mô men xoắn trên bánh dẫn động là 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 sẽ càng cao. Tuy nhiên xe không đạt được tốc độ cao ở các cấp số thấp này. Khi chuyển sang các cấp số cao hơn thì mô men xoắn trên các bánh dẫn động sẽ giảm. Tốc độ sẽ được tăng lên.

So sánh khi sử dụng hộp số 4 cấp và 6 cấp

Khi so sánh 2 hộp số này, chúng ta có thể thấy thông thường sự biến thiên mô men xoắn trên bánh dẫn động của ở xe sử dụng hộp số nhiều cấp thấp hơn xe có hộp số ít cấp. Vì sự chênh lệch về tỷ số truyền giữa các cấp số là rất ít.

Ngoài ra, trên các loại hộp số nhiều cấp thì nhờ có nhiều cấp tỷ số truyền nên mỗi cấp số có thể chỉ cần duy trì ở một ngưỡng tốc độ quay hẹp hơn so với hộp số ít cấp. Chúng sẽ giúp cho xe vận hành:

• Mượt hơn
• Ít giật hơn

Chúng ta cũng có thể hình dung hộp số ít cấp và hộp số nhiều cấp tương tự như 2 người leo cầu thang có độ dốc khác nhau. Các bậc cầu thang có độ cao khác nhau.

Một bên là các bậc cầu thang thấp nhưng nhiều bậc. Một bên là các bậc cầu thang cao nhưng có ít bậc. Ở cầu thang có các bậc thấp, người leo phải bước nhiều bước hơn nhưng mỗi bước nhỏ hơn. Ít phải vận sức cho từng bước. Sức rải ra đều hơn và dao động của thân người khi leo nhỏ hơn.