Nguyên lý hoạt động của hộp số ly hợp kép

Thiết kế hộp số tay giúp người lái thay đổi lực kéo và số vòng quay của bánh xe chủ động để phù hợp với lực cản của đường và vận tốc theo nhu cầu sử dụng. Tuy nhiên ngoài chức năng trên, xe hơi hiện đại còn đòi hỏi hơn nữa độ êm dịu khi chuyển số và sự nhàn nhã khi điều khiển xe. Vì thế, lần lượt những hộp số tự động 4, 5, 6 hay 7 cấp ra đời. Trong khi hộp số tay có nhược điểm là không tạo được cảm giác êm dịu mỗi khi chuyển số thì hộp số tự động có kết cấu phức tạp và làm gia tăng lượng tiêu thụ nhiên liệu. Nhưng, có một loại hộp số vừa có thế loại bỏ được nhược điểm của cả hai loại trên, đó là hộp số- ly hợp kép (DTC) hay còn gọi là hộp số bán tự động.

>> Nguyên lý hoạt động của hộp số cơ khí tuần tự

>> Nguyên lý hoạt động của hộp số sàn

Sơ lược lịch sử

Người đã sáng tạo ra hệ thống ly hợp kép là một kỹ sư ô tô trẻ tuổi, Adolphe Kegresse được biết đến nhiều nhất trong vai trò người đã phát triển loại xe half-track (với bánh lốp đằng trước và bánh xích phía sau), giúp chiếc xe có thể vượt qua nhiều loại địa hình phức tạp khác nhau. Năm 1939, Kegresse đã thai nghén ý tưởng về hệ thống hộp số trang bị ly hợp kép với hy vọng sử dụng nó trong chiếc xe huyền thoại, Citroen “Traction”. Thật không may, tình hình tài chính bất lợi đã ngăn cản kế hoạch phát triển xa hơn của dự án này.

Cả Porsche và Audi phát triển những ý tưởng về hệ thống ly hợp kép, mặc dù nó chỉ được sử dụng trên những phiên bản xe đua hạn chế. Những chiếc 956 và 962 phiên bản xe đua đã được lắp đặt hệ thống Porsche Dual Klutch (hệ thống ly hợp kép Porsche). Năm 1986, chiếc 962 đã chiến thắng giải đua Monza 1000km dành cho xe prototype (Monza 1000km World Sports Prototype Championship), chiến thắng đầu tiên dành cho chiếc xe được trang bị hệ thống PDK cùng hộp số bán tự động với nút bấm chuyển số. Audi cũng làm nên lịch sử năm 1985 khi chiếc Sport Quatro S1 Rally được trang bị hộp số với ly hợp kép, đã chiến thắng đỉnh Pikes Peak trong một cuộc đua lên đỉnh ngọn núi cao đến 4300m.

Tuy nhiên, việc sản xuất thương mại hộp số với ly hợp kép không được tiến hành cho đến hiện nay, khi VW là người tiên phong trong việc sản xuất đại trà hộp số với ly hợp kép dưới sự cho phép của công ty BorgWarners’ DualTronic. Hiện nay, những chiếc xe được trang bị công nghệ DTCs chỉ có bán tại châu Âu bao gồm: Beatle, Golf, Touran và Jetta của Volkswagen; TT và A3 của Audi; Altea, Toledo, Leon của Seat và Skoda Octavia.

Ford trang bị hộp số ly hợp kép cho mẫu Focus

Ford là đại gia thứ hai ứng dụng sản xuất công nghệ ly hợp kép, với sự liên kết của Ford Châu Âu và nhà sản xuất mà Ford góp 50% vốn trong liên doanh GETRAG-Ford. Đây chính là hệ thống mà Ford gọi là Powershift System, một hộp số sáu tốc độ với hệ thống ly hợp kép xuất hiện lần đầu tại triển lãm Ôtô Quốc tế Frankfurt 2005. Với sự trưởng thành như thế, các chuyên ra đã đặt ra câu: liệu trong tương lai, DCT sẽ loại bỏ hộp số kiểu CVT không?

DCT: đối thủ trực tiếp của CVT

Có thể nói DCT chính là đối thủ cạnh tranh trực tiếp với hộp số CVT. Cả hai đều giúp xe tiết kiệm nhiên liệu và giảm chi phí sản xuất hơn so với hộp số tự động truyền thống. Tuy nhiên, khi so sánh về chức năng và kết cấu, CVT lại lộ rõ những hạn chế. Mà cụ thể là CVT sử dụng đai để truyền mô-men và tạo ra các cấp số, vì thế trong quá trình hoạt động sẽ xảy ra sự trượt đai gây tổn thất đáng kể đến hiệu suất truyền lực trong khi đó hộp số ly hợp kép vẫn sử dụng các bánh răng xoắn như hộp số tay để thay đổi tỉ số truyền và mô-men. Với cấu tạo đó, DCT kết hợp được ưu điểm của cả hai hộp số hiện rất phổ biến trên nhiều dòng xe: hộp số tự động và hộp số tay.

Cấu tạo và cải tiến mới

- Tuy gọi là hộp số ly hợp kép nhưng DCT lại không có bàn đạp ly hợp để người lái sử dụng mỗi khi chuyển số. Bộ đôi ly hợp ở đây thuộc loại ly hợp ma sát ướt, nghĩa là các đĩa ma sát được ngâm trong dầu và sự tách, nối của nó được điều khiển bằng cơ cấu chấp hành: thuỷ lực-điện từ. 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 gài số lùi), trong khi ly hợp còn lại có nhiệm vụ điều khiển bánh răng gài số chẵn (2, 4 và số lùi). Với kết cấu như vậy, khi quá trình tăng số (1 - 2 - 3…) hoặc giảm số (5 - 4) xảy ra sẽ không bị mất mát công suất. Đồng thời, việc gài các số truyền thực hiện một cách tự động tuỳ thuộc vào chế độ hoạt động của động cơ và sức cản của mặt đường (nếu người lái chọn chế độ tự động hoàn toàn). Vì vậy nó luôn đảm bảo được lực kéo phù hợp với sức cản chuyển động, bảo đảm được chất lược động lực học và tính kinh tế nhiên liệu của ô tô.

- Kết cấu của bộ ly hợp ma sát ướt: Giống như biến mô thuỷ lực, bộ ly hợp ma sát ướt sử dụng áp suất dầu để điều khiển các bánh răng. Và sự nối ngắt của ly hợp thông qua các pittông và lò xo hồi vị. Điều khiển ly hợp này bằng cơ cấu điện từ và thuỷ lực, giống như quá trình điều khiển của hộp số tự động.

- Kết cấu đặc biệt của DCT chính là hệ trục trung tâm gồm hai trục lồng nhau có đường tâm đồng trục. Trục thứ nhất (màu đỏ): một đầu (bên trái) liên kết với ly hợp thứ nhất (màu đỏ) bằng then hoa, trên thân trục bao gồm 3 bánh răng có kích thước khác nhau ăn khớp với các bánh răng trên trục thứ cấp thứ nhattấo ra các cấp số: 1, 3, 5. Trục còn lại (màu xanh), một đầu lắp với ly hợp thứ 2 (màu xanh), trên thân trục gồm 2 bánh răng ăn khớp với 2 bánh răng trên trục thứ cấp thứ hai tạo ra 2 cấp số 2, 4 và thêm một số lùi.

- Cấu tạo đặc biệt của hệ trục trung tâm và bộ đôi ly hợp cho phép quá trình chuyển số nhanh hơn và êm hơn hộp số tay truyền thống? Tại sao vậy? Chúng ta hãy cùng hình dung lại thao tác sang số của hộp số tay: Khi người điều khiển muốn chuyển số, đầu tiên cần phải giảm ga sau đó tác động vào bàn đạp ly hợp để ngắt ly hợp, do vậy mô-men động cơ không truyền tới trục sơ cấp của hộp số và người lái thực hiện việc chuyển số. Tiếp theo sau, người lái nhả bàn đạp và ly hợp được nối lại đồng thời công suất động cơ truyền tới hộp số. Mô men được phân bố theo trạng thái: ON-OFF-ON trong suốt quá trình chuyển số.

Như vậy, độ êm dịu của xe khi sang số phụ thuộc rất nhiều vào kĩ năng của người điều khiển. Khoảng thời gian OFF càng bé thì xe bớt bị rung, giật đồng thời không bị tổn hao công suất máy. Tuy nhiên, DSG hoàn toàn có thể khắc phục được yếu điểm trên của hộp số tay nhờ vào sự hoạt động độc lập của hai ly hợp. Quá trình chuyển số như sau: Giả sử ở thời điêm hiện tại, xe đang di chuyển ở số 2, lúc này ly hợp 2 đóng (màu xanh), ly hợp 1 mở, khi đó dòng công suất được từ động cơ qua ly hợp 2, qua trục và bộ đồng tốc tới trục sơ cấp và tới bộ vi sai (xem hình vẽ). Xe tiếp tục gia tăng tốc độ, máy tính sẽ tìm kiếm vị trí số kế tiếp, và bánh răng số 3 được chọn. Khi người điều khiển chuyển số, ngay lập tức ly hợp 2 sẽ được ngắt, đồng thời ly hợp 1 đóng, và dòng công suất sẽ vẫn tiếp tục truyền từ động cơ tới trục thứ cấp và dẫn động bộ vi sai. Như vậy, thời gian chuyển từ số 2 lên 3 rất bé, do vậy dòng mô-men gần như không bị ngắt quãng. Cũng theo nguyên lý đó, khi người lái giảm số chu trình sẽ diễn ra ngược lại. Toàn bộ quá trình chuyển số sẽ được máy tính kiểm soát và ra lệnh cho cơ cấu chấp hành chọn bánh răng và đòng hoặc ngắt từng ly hợp. Nếu người lái chọn chế độ tự động hoàn toàn hoặc chế độ điều khiển số tay. ở chế độ tự động thì bộ đôi ly hợp hoạt động như một biến mô thuỷ lực của hộp số tự động truyền thống, còn nếu sử dụng chế độ số tay, người lái cũng không phải mất thêm thao tác dùng chân trái để điều hành bàn đạp ly hợp.

- Khối điều khiển: Dựa vào thông tin từ các cảm biến: cảm biến vị trí số, cảm biến tốc độ xe, cảm biến vị trí bướm ga, cảm biến tốc độ động cơ đưa về, máy tính sẽ ra lệnh điều khiển thông qua cơ cấu chấp hành.

- Cơ cấu chấp hành: Trong DCT van điều khiển điện từ đóng vai trò là cơ cấu chấp hành, thực hiện việc đóng mở các đường dầu. Van điều khiển từ bao gồm lõi thép từ, cuộn dây.

So sánh với hộp số tay và hộp số tự động truyền thống

- So sánh với hộp số tay: Sử dụng sơ đồ so sánh với hộp số tay: để đạt được cùng 1 vận tốc, thì xe sử dụng hộp số DCT cần ít thời gian hơn.

- Với hộp số tự động: So với hộp số tự động truyền thống (sử dụng biến mo-mên thuỷ lực và cơ cấu bánh răng hành tinh) thì DCT có cấu tạo đơn giản, gọn nhẹ hơn rất nhiều. Tuy về đẳng cấp vẫn không thể sánh được với nó, nhưng sẽ rất hợp lý để lắp trên những xe hạng, vừa giúp giảm chi phí sản xuất xe mà vẫn tạo ra sự nhàn nhã cho người điều khiển khi sử dụng chế độ tự động và cũng tạo phấn khích cho những dân mê tốc độ ở chế độ tự thay đổi cấp số. Với giá nhiên liệu đang biến đổi theo xu hướng ngày một tăng, chúng ta hãy chờ xem sự thôi thúc của việc tiết kiệm nhiên liệu sẽ đưa DCT đi đến đâu và phổ biến đến mức nào.

Lê Hùng (TTTĐ)