Nguyên lý hoạt động của hộp số sàn

Trong hệ thống truyền lực của ô tô, hộp số có tác dụng tăng mô men quay khi khởi hành và leo dốc, truyền lực đến các bánh xe ở tốc độ cao khi đang chạy với tốc độ lớn và đặc biệt giúp chiếc xe của bạn có thể lùi được.

Vai trò của hộp số trong hệ thống truyền lực

Theo lý thuyết động cơ đốt trong thì động cơ chỉ sinh công và mô men xoắn tối đa ở dải tua máy hẹp. Ví dụ, công suất động cơ cực đại ở vòng tua 5.500 vòng/phút. Hộp số cho phép tỉ số truyền của động cơ và cầu dẫn động thay đổi khi xe tăng và giảm tốc độ. Bạn thay đổi số để động cơ luôn làm việc ở dưới điểm tới hạn và hoạt động gần với vòng tua lý tưởng nhất. Điều đó lý giải sự cần thiết khi chuyển số.

HInh 1 - Đường cong (A) lý tướng của hộp số.

Về lý thuyết, đường biểu diễn lực truyền động của động cơ cần phải thay đổi liên tục như đường cong A ở đồ thị này. Ở chế độ lý tưởng, hộp số sẽ duy trì được tỷ số truyền để động cơ luôn luôn hoạt động ở vòng tua máy tối ưu nhất. Đây chính là nguyên lý được áp dụng cho loại hộp số vô cấp CVT khá phổ biến thời nay. Nhược điểm của hộp số này là mô men sinh ra không lớn bằng loại bánh răng truyền thống do sự trượt của dây đai trên mặt côn. Hơn nữa, vật liệu chế tạo cũng yêu cầu khắt khe hơn nhiều so với hộp số bánh răng.

Hộp số 5 cấp phổ biến trên các dòng xe hiện nay.

Theo lý thuyết, hộp số có đường đặc tính truyền lực càng tiệm cận với đường cong lý tưởng A là tối ưu nhất. Tuy nhiên, thiết kế của hộp số như vậy sẽ trở nên phức tạp và làm cho việc điều khiển hộp số của người lái cũng phức tạp.

Trên thực tế, lực truyền động của hộp số sử dụng bánh răng không thay đổi liên tục từ số 1 đến số 6. 
Do đó, lực truyền động của động cơ sẽ có hiệu quả khi thu hẹp khu vực gạch chéo trong đồ thị để gần với đường cong này.

Vì vậy, các nhà chế tạo sử dụng các cặp bánh răng để thay đổi tỷ số truyền lực từ 1 đến 6. Trong đó, 
số truyền 5 được sử dụng nhiều nhất.

Trên đồ thị (hình 1) mô tả mối quan hệ giữa lực truyền và tốc độ của xe:

Số
1: Khi xe khởi hành, cần có công suất lớn, nên cần phải sử dụng số truyền 1 có lực truyền động lớn nhất.

Số 2: Sau khi khởi hành, người ta dùng số 2 và số 3 để tăng tốc độ của xe. Người ta dùng các số truyền này vì chúng có giới hạn tốc độ cao hơn số 1 và cần không nhiều lực truyền động.

Số 3, 4, 5, 6: Khi xe chạy ở tốc độ cao, người điều khiển dùng các số 4, số 5 và số 6 để tiếp tục tăng tốc độ của xe. Việc sử dụng các số truyền với lực truyền động nhỏ và hạ thấp tốc độ của động cơ sẽ giảm mức tiêu thụ nhiên liệu.

Số lùi: Khi gài số lùi, bánh răng trung gian số lùi được nối khớp và xe sẽ chạy lùi.

Nguyên lý làm việc của bánh răng

Cơ cấu truyền lực thường có hai bánh răng, một chủ động và một bị động. Tốc độ quay tùy thuộc vào số răng hay đường kính của mỗi bánh răng đó.

Nguyên tắc của bánh răng.

Hộp số tay thường sử dụng hai loại: bánh răng trụ răng thẳng và trụ răng ghiêng. Bánh răng trụ răng thẳng có đường sinh song song với đường tâm của trục bánh răng. Thường gây tiếng ồn và không bền nên ít được sử dụng cho các bánh răng chủ động chính, được sử dụng cho các bánh răng trượt.  Bánh răng trụ răng nghiêng có đường sinh nghiêng một góc so với đường tâm trục bánh răng. Hộp số hiện đại thường sử dụng các bánh răng răng nghiêng cho các bánh răng chủ động chính.

Dạng cơ bản của bánh răng sử dụng trong hộp số.

Tỷ số truyền

Tỷ số giữa số răng bánh răng bị động với số răng bánh răng chủ động, hay số vòng quay trục chủ động với số vòng quay trục bị động gọi là tỷ số truyền.

Tỷ số truyền = số răng của bánh răng bị động (nằm trên trục thứ cấp)/số răng của bánh răng chủ động (nằm trên trục trung gian). Nếu bánh răng bị động có 38 răng và bánh răng chủ động có 12 răng, thì tỷ số truyền giảm tốc của số 1 là 38/12 = 3,166.

Ở vị trí tay số số 1 còn gọi là số số thấp, đó là một tỷ số truyền lớn. Điều này làm giảm vận tốc ở trục ra nhưng lại làm gia tăng lực vòng và xe có thể tăng tốc một cách dễ dàng ngay cả khi tốc độ động cơ chậm và trong tình trạng công suất thấp.

Khi trục sơ cấp truyền chuyển động quay và mômen quay cho trục thứ cấp, tốc độ quay sẽ giảm xuống và mômen quay sẽ tăng lên theo tỷ số truyền giảm tốc của các bánh răng này. Khi đó Mômen đầu thứ cấp = Mômen đầu sơ cấp x Tỷ số truyền  và Số vòng quay đầu sơ cấp = Số vòng quay đầu thứ cấp x Tỷ số truyền.

Điều này cho thấy rằng tỷ số truyền càng lớn thì mômen quay càng tăng, còn số vòng quay càng giảm. Nghĩa là xe có thể chạy ở tốc độ càng cao khi tỷ số truyền càng nhỏ, mặc dù lực truyền động giảm xuống. Ở số cao tỷ số truyền thường là 1:1, trục ra hộp số quay cùng một vận tốc với trục khuỷu động cơ, không có sự gia tăng lực vòng nên xe chạy nhanh hơn.

Nguyên lý hoạt động của hộp số 2 cấp

Sơ đồ dưới đây miêu tả cấu tạo của loại hộp số rất đơn giản, chỉ có hai cấp

Sơ đồ cấu tạo của hộp số dọc, 2 cấp. Trục màu xanh là trục sơ cấp, trục màu vàng là trục thứ cấp, trục màu đỏ là trục trung gian.

Trục sơ cấp gồm và bánh răng màu xanh liên kết cứng với nhau và nhận công suất, mô men từ động cơ thông qua li hợp. Bánh răng trên trục sơ cấp này còn được gọi là bánh răng dẫn động.

Trục và bánh răng màu đỏ (bánh răng chủ động) được gọi là trục trung gian, và cũng được liên kết cứng với nhau thành một khối quay cùng tốc độ. Nhờ sự ăn khớp cặp bánh răng này nên khi trục màu xanh quay cũng trục đỏ sẽ quay theo. Vì vậy, trục trung gian này nhận công suất và mô men xoắn trực tiếp từ động cơ khi ly hợp đóng.

Trục màu vàng được nối trực tiếp tới các bánh dẫn động thông qua bộ vi sai. Những bánh răng màu xanh (bánh răng bị động) có thể quay trên trục màu vàng nhờ ổ bi. Nếu động cơ đã tắt nhưng xe vẫn chạy, trục màu vàng có thể quay bên trong các bánh răng màu xanh, trong khi các bánh răng này và trục trung gian hoàn toàn đứng yên.

Bánh răng (màu tím) có thể ăn khớp một trong hai bánh răng màu xanh để truyền lực màu vàng do bánh răng này được liên kết cứng (dạng then hoa) với trục màu vàng và quay cùng với nó. Tuy nhiên, bánh răng có thể trượt dọc về bên trái và phải của trục màu vàng để kết nối với một trong hai bánh răng màu xanh. Bánh răng này được gia công răng để ăn khớp với các bánh răng màu xanh.

Theo hình vẽ trên, trục màu xanh từ động cơ truyền động đến bánh răng màu xanh bên phải thông qua trục trung gian màu đỏ. Bánh răng này sẽ truyền chuyển động đến trục dẫn động màu vàng thông qua bánh răng màu tím. Đồng thời lúc đó, bánh răng màu xanh còn lại cũng đang quay, nhưng nó chỉ quay trơn trên trục màu vàng nhờ ổ bị mà không hề gây ảnh hưởng tới trục dẫn động.

Khi bộ bánh răng màu tím nằm ở vị trí giữa hai bánh răng màu xanh, hiện xe đang ở số 0. Lúc này cả hai bánh răng màu xanh đều quay tự do trên trục màu vàng theo các tỉ số truyền khác nhau do trục trung gian quyết định.

Trong quá trình sang số, khi bạn chuyển số không đúng, bạn sẽ nghe thấy âm thanh chói tai. Đó không phải là âm thanh phát ra do các bánh răng trong hộp số không ăn khớp với nhau. Mà âm thanh đó là do các răng của bánh răng màu tím không ăn khớp được với các bánh răng màu xanh.

Vui lòng xem sơ đồ mô phỏng nguyên lý hoạt động của hộp số 4 cấp, 4 số tiến và 1 số lùi. Bạn có thể click chuột vào từng cấp số để xem chi tiết hoạt động của hộp số này.

Sơ đồ dưới đây sẽ cho ta biết cấu tạo và nguyên lý hoạt động của loại hộp số sàn 5 cấp. Loại hộp số khá phổ biến trên các loại xe hiện đại ngày nay.

Hộp số 5 cấp, bố trí kiểu ngang phổ biến hiện nay, thường dùng cho xe dẫn động cầu sau.

Hộp số 5 cấp, bố trí kiểu ngang phổ biến hiện nay, thường dùng cho xe dẫn động cầu trước.

Cần số điều chỉnh quá trình sang số nhờ ba cần nối. Dưới đây là sơ đồ minh họa từ phía trên của hộp số tại các số khác nhau.

Bạn có thể thấy, khi bạn di chuyển sang trái hoặc sang phải cần số, thì cũng có nghĩa bạn đang điều khiển bánh răng màu tím vào các vị trí khác nhau. Khi bạn đẩy cần số về phía trước hoặc phía sau là bạn đang di chuyền để bánh răng vào khớp của một trong các bánh răng.

Sơ đồ cấu tạo của cặp bánh răng số lùi.

Bánh răng màu xanh mang chức năng số lùi được điều khiển bởi một bánh răng trung gian (Idle gear). Khi gài bánh răng trung gian ăn khớp với bánh răng màu xanh, khi đó bánh răng màu xanh có chức quay ngược chiều với các bánh răng màu xanh còn lại, trục sơ cấp cũng sẽ quay ngược lại, vì vậy xe của bạn có thể lùi được. Nên nhớ rằng bạn không thể sang số lùi khi xe đang chạy về phía. Thay vào đó, bạn sẽ nhận được âm thanh khó nghe do sự không ăn khớp của các bánh răng đó phát ra.

Sơ đồ cấu tạo của bộ đồng tốc.

Bộ đồng tốc

Trong các loại hộp số được trang bị cho ô tô hiện nay, để tránh tình trạng phát ra tiếng kêu khi bánh răng màu tím ăn khớp với bánh răng màu xanh, nhà sản xuất đã sử dụng bộ đồng tốc. Bộ đồng tốc cho phép tạo ra ma sát (nhờ mặt côn) tiếp xúc giữa bánh răng màu tím và bánh răng trước khi ăn khớp, để bánh răng màu tím và bánh răng màu xanh có cùng tốc độ trước khi các răng vào khớp.

Trên hình vẽ cho thấy mặt côn trên bánh răng màu xanh vừa khít với phần mặt côn trên bánh răng màu tím. Ma sát tạo ra giữa hình côn và bánh răng màu tím cần phải bằng tốc độ giữa bánh răng màu tím và bánh răng cần ăn khớp. Sau đó phần bên ngoài của bánh răng màu tím sẽ trượt vào để các răng của bánh răng màu tím ăn khớp với phần răng của bánh răng màu xanh.

Hiện nay, các nhà sản xuất xe hơi đều sử dụng bộ đồng cho hộp số sàn tuy nhiên, nguyên lý là chung nhưng cấu tạo chi tiết là có sự khác biệt. Chính vì vậy, bạn có thấy tại sao cùng dùng hộp số sàn nhưng độ êm và mượt ở mỗi xe là khác nhau. Mộ trong những nguyên nhân chính là do chất lượng của bộ đồng tốc.

Lê Hùng (Theo PLXH/nguồn: howstuffworks)