Cấu tạo Hộp số Xe Ô tô: Giải Mã Cơ Chế Vận Hành Chi Tiết

Cấu tạo hộp số xe ô tô là một trong những hệ thống cơ khí phức tạp nhưng đóng vai trò cực kỳ quan trọng, quyết định khả năng vận hành, hiệu suất và trải nghiệm lái của chiếc xe. Hộp số, hay còn gọi là bộ truyền động, chịu trách nhiệm điều chỉnh mô-men xoắn và tốc độ quay từ động cơ đến các bánh xe chủ động. Việc hiểu rõ về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hộp số không chỉ giúp người dùng sử dụng xe hiệu quả hơn mà còn hỗ trợ việc bảo dưỡng và sửa chữa, đảm bảo xe luôn hoạt động ổn định và an toàn.

Tầm Quan Trọng Của Hộp Số Trong Xe Ô Tô

Hộp số là cầu nối không thể thiếu giữa động cơ và hệ thống truyền lực, biến sức mạnh của động cơ thành chuyển động thực tế cho xe. Chức năng chính của hộp số bao gồm:

• Thay đổi mô-men xoắn và tốc độ: Động cơ ô tô hoạt động hiệu quả nhất ở một dải tốc độ nhất định. Hộp số giúp thay đổi tỷ số truyền, cho phép xe tăng lực kéo khi khởi hành hoặc leo dốc (số thấp), và duy trì tốc độ cao với mức tiêu thụ nhiên liệu tối ưu trên đường trường (số cao).
• Thay đổi chiều chuyển động: Hộp số cung cấp khả năng đảo chiều quay của bánh xe, cho phép xe di chuyển lùi.
• Ngắt truyền động: Khi xe dừng nhưng động cơ vẫn hoạt động (ví dụ: chờ đèn đỏ), hộp số cho phép người lái ngắt hoàn toàn truyền động đến bánh xe thông qua vị trí số “Mo” (trung gian), giúp động cơ không bị quá tải và tiết kiệm nhiên liệu.
• Giảm tải cho động cơ: Bằng cách chọn tỷ số truyền phù hợp, hộp số giúp động cơ hoạt động trong dải vòng tua tối ưu, kéo dài tuổi thọ và giảm hao mòn.

Một hộp số được thiết kế tốt phải đảm bảo tỷ số truyền linh hoạt, chuyển số êm ái, hiệu suất truyền lực cao, dễ dàng điều khiển và thuận tiện cho công tác bảo dưỡng.

Phân Loại Hộp Số Xe Ô Tô Phổ Biến

Để hiểu sâu hơn về cấu tạo hộp số xe ô tô, chúng ta cần nắm rõ các cách phân loại chính. Hộp số có thể được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau, từ cấu tạo cơ khí đến phương pháp điều khiển và số cấp truyền.

1. Phân loại theo đặc điểm cấu tạo cơ khí

• Hộp số có trục cố định (Hộp số ăn khớp thường xuyên):
  • Hộp số 2 trục: Thường được sử dụng trong các hệ thống dẫn động cầu trước (FF – Front-engine, Front-wheel drive), nơi động cơ và hộp số được đặt ngang. Loại này có cấu tạo gọn nhẹ, ít chi tiết hơn.
  • Hộp số 3 trục: Phổ biến trong các xe dẫn động cầu sau (FR – Front-engine, Rear-wheel drive) hoặc xe tải, nơi hộp số được đặt dọc. Cấu tạo này cho phép truyền tải mô-men xoắn lớn hơn và thường có độ bền cao.
  • Ưu điểm: Độ bền cao, dễ bảo dưỡng, chi phí sản xuất thấp.
  • Nhược điểm: Trọng lượng lớn hơn, không thể thay đổi tỷ số truyền liên tục.
• Hộp số có bộ truyền hành tinh (Planetary Gear Set):
  • Đây là nền tảng của hầu hết các loại hộp số tự động hiện đại. Thay vì các trục song song và bánh răng riêng lẻ, hộp số hành tinh sử dụng một tập hợp các bánh răng (bánh răng mặt trời, bánh răng hành tinh và vành răng) để tạo ra các tỷ số truyền khác nhau.
  • Ưu điểm: Kích thước nhỏ gọn, khả năng truyền mô-men xoắn cao, chuyển số mượt mà, dễ dàng kết hợp với biến mô thủy lực và hệ thống điều khiển điện tử để tạo thành hộp số tự động.
  • Nhược điểm: Phức tạp hơn trong thiết kế và sửa chữa so với hộp số trục cố định.

2. Phân loại theo số cấp truyền

• Hộp số có cấp:
  • Hộp số sàn (Manual Transmission – MT): Có 3, 4, 5, 6 cấp số tiến và 1 cấp số lùi. Người lái phải tự mình điều khiển ly hợp và cần số để chọn tỷ số truyền.
  • Hộp số bán tự động (Automated Manual Transmission – AMT): Về cơ bản là hộp số sàn nhưng được điều khiển bằng hệ thống điện tử để tự động gài số, loại bỏ cần ly hợp cho người lái.
  • Hộp số tự động có cấp (Automatic Transmission – AT): Sử dụng các bộ truyền hành tinh và biến mô thủy lực để tự động chuyển số. Số cấp có thể từ 4 cấp đến 10 cấp hoặc hơn.
  • Hộp số ly hợp kép (Dual Clutch Transmission – DCT): Về cơ bản là hai hộp số sàn hoạt động song song, mỗi hộp số phụ trách một nhóm số (chẵn/lẻ) và có ly hợp riêng. Cho phép chuyển số cực nhanh và mượt mà.
• Hộp số vô cấp (Continuously Variable Transmission – CVT):
  • Không có các cấp số cố định mà thay đổi tỷ số truyền một cách liên tục thông qua hệ thống ròng rọc và dây đai hoặc xích kim loại.
  • Ưu điểm: Tối ưu hiệu suất động cơ, vận hành êm ái, tiết kiệm nhiên liệu.
  • Nhược điểm: Cảm giác tăng tốc kém phấn khích (hiện tượng “rubber band”), khả năng truyền mô-men xoắn giới hạn, chi phí sửa chữa cao hơn.

3. Phân loại theo phương pháp điều khiển

• Điều khiển bằng tay: Hộp số sàn truyền thống, người lái trực tiếp thao tác cần số và bàn đạp ly hợp.
• Điều khiển bán tự động: Người lái chọn chế độ số, nhưng hệ thống điện tử sẽ tự động điều khiển việc gài số và ly hợp (ví dụ: AMT, một số loại DCT).
• Điều khiển tự động: Toàn bộ quá trình chuyển số được thực hiện tự động bởi hệ thống điều khiển điện tử dựa trên tốc độ xe, tải trọng động cơ, vị trí bàn đạp ga, v.v. (ví dụ: AT, CVT, DCT).

Cấu Tạo và Nguyên Lý Hoạt Động Của Hộp Số Xe Ô Tô

Để đi sâu vào cấu tạo hộp số xe ô tô, chúng ta sẽ xem xét chi tiết hai loại hộp số cơ khí phổ biến nhất là hộp số ngang (2 trục) và hộp số 3 trục, cùng với cơ cấu đồng tốc và cơ cấu vận hành.

1. Cấu tạo Hộp số Ngang (Hộp số 2 trục)

Hộp số ngang thường được dùng cho các dòng xe FF (động cơ đặt phía trước, dẫn động cầu trước). Đây là một thiết kế tối ưu không gian và giúp giảm trọng lượng cho hệ thống truyền lực. Chúng ta sẽ phân tích cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hộp số ngang 5 số tiến và 1 số lùi điển hình.

a. Cấu tạo

Hình 1: Cấu tạo hộp số hai trục, minh họa các thành phần chính bên trong hệ thống truyền động xe ô tô.

Bên trong vỏ hộp số chắc chắn, các thành phần chính của cấu tạo hộp số xe ô tô loại 2 trục bao gồm:

• Trục sơ cấp (Input shaft): Là trục nhận chuyển động quay trực tiếp từ trục khuỷu của động cơ thông qua bộ ly hợp. Khi ly hợp được hợp, mô-men xoắn từ động cơ sẽ truyền đến trục này. Trên trục sơ cấp, các bánh răng chủ động được lắp đặt để ăn khớp với các bánh răng bị động trên trục thứ cấp.
  • Các bánh răng chủ động số 1, 2 và số lùi thường được kết nối cứng với trục sơ cấp, quay cùng tốc độ với trục.
  • Các bánh răng chủ động số 3, 4 và 5 lại quay trơn trên trục sơ cấp, có nghĩa là chúng không trực tiếp truyền lực từ trục sơ cấp cho đến khi được khóa bằng cơ cấu đồng tốc.
• Trục thứ cấp (Output shaft): Trục này chịu trách nhiệm truyền chuyển động đã qua điều chỉnh tỷ số truyền đến bộ truyền lực chính (final drive) và bộ vi sai. Từ bộ vi sai, lực sẽ được phân bổ đến bán trục để kéo hai bánh xe chủ động phía trước chuyển động.
  • Các bánh răng bị động số 1, 2 và số lùi quay trơn trên trục thứ cấp.
  • Các bánh răng bị động số 3, 4 và 5 được kết nối cứng trên trục thứ cấp, quay cùng tốc độ với trục.
• Bánh răng: Là các bộ phận quan trọng nhất trong việc thay đổi tỷ số truyền. Các bánh răng trên trục sơ cấp và thứ cấp có kích thước khác nhau, tạo ra các tỷ số truyền khác nhau cho mỗi cấp số.
• Ống trượt gài số (Shift sleeve/Sliding hub): Được bố trí trên các then hoa của trục sơ cấp và thứ cấp. Các ống trượt này có thể trượt dọc trục để khóa các bánh răng quay trơn với trục, tạo ra một cấp số nhất định.
• Cơ cấu đồng tốc (Synchronizer mechanism): Nằm bên trong ống trượt gài số, có nhiệm vụ làm đồng bộ tốc độ quay của bánh răng và trục trước khi gài số, giúp việc chuyển số êm ái và không gây tiếng ồn, giảm mòn bánh răng.
• Bộ truyền lực chính và bộ vi sai: Được bố trí ngay bên trong vỏ hộp số ở xe FF.
  • Truyền lực chính: Thường là một cặp bánh răng giảm tốc cuối cùng, chuyển mô-men xoắn từ trục thứ cấp sang vi sai.
  • Bộ vi sai: Phân chia mô-men xoắn đến hai bán trục, cho phép hai bánh xe quay ở tốc độ khác nhau khi xe vào cua.
• Vòng bi (Bearings): Đảm bảo các trục và bộ vi sai quay trơn tru, giảm ma sát và chịu tải.

b. Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của hộp số ngang dựa trên việc chọn lựa cặp bánh răng ăn khớp phù hợp để tạo ra tỷ số truyền mong muốn.

• Tay số trung gian (Số 0):
  Khi cần số ở vị trí trung gian, chuyển động từ trục khuỷu động cơ qua ly hợp sẽ làm trục sơ cấp của hộp số chuyển động. Các bánh răng chủ động số 1 và 2 cũng quay theo. Tuy nhiên, do các bánh răng bị động tương ứng đang quay trơn trên trục thứ cấp và không có ống trượt nào khóa chúng vào trục, nên không có mô-men xoắn nào được truyền đến truyền lực chính. Vì vậy, xe sẽ đứng yên dù động cơ đang hoạt động.

  • Quá trình truyền động: Trục sơ cấp kéo bánh răng chủ động số 1 và 2 chuyển động -> Bánh răng bị động 1 và 2 quay trơn trên trục thứ cấp (không truyền lực).

• Chuyển sang số 1:
  Hình 2: Minh họa hoạt động của hộp số ở tay số 1, cho thấy sự ăn khớp của bánh răng chủ động và bị động để tạo ra tỷ số truyền thấp nhất.
  Khi người lái chuyển cần số sang số 1, ống trượt trên trục thứ cấp sẽ được đẩy sang phải, sử dụng cơ cấu đồng tốc để khóa bánh răng bị động số 1 với trục thứ cấp. Chuyển động từ trục sơ cấp làm cho bánh răng chủ động số 1 quay, kéo bánh răng bị động số 1 quay theo. Vì bánh răng bị động số 1 đã được khóa với trục thứ cấp thông qua ống trượt, toàn bộ trục thứ cấp sẽ quay với tốc độ tương ứng với tỷ số truyền của cặp bánh răng số 1. Số 1 có tỷ số truyền lớn nhất, tạo ra mô-men xoắn cao nhất để khởi hành xe.

  • Quá trình truyền động: Trục sơ cấp kéo bánh răng chủ động số 1 -> Bánh răng bị động số 1 -> Ống trượt -> Trục thứ cấp hộp số.

• Chuyển sang số 2:
  Nguyên lý làm việc tương tự số 1, nhưng ở trường hợp này, ống trượt trên trục thứ cấp được đẩy sang trái để ăn khớp và khóa bánh răng bị động số 2 với trục. Cặp bánh răng số 2 có tỷ số truyền nhỏ hơn số 1, cung cấp tốc độ cao hơn nhưng mô-men xoắn thấp hơn.

  • Quá trình truyền động: Trục sơ cấp kéo bánh răng chủ động số 2 -> Bánh răng bị động số 2 -> Ống trượt -> Trục thứ cấp hộp số.

• Chuyển sang số 3:
  Hình 3: Hoạt động ở tay số 3, minh họa việc ống trượt trên trục sơ cấp khóa bánh răng chủ động số 3, truyền lực qua cặp bánh răng số 3.
  Khi người lái chuyển sang tay số 3, ống trượt giữa trên trục sơ cấp của hộp số được đẩy sang bên phải để kết nối với bánh răng chủ động số 3 (bánh răng này quay trơn trên trục sơ cấp khi chưa gài số). Chuyển động từ trục sơ cấp truyền đến ống trượt, ống trượt khóa bánh răng chủ động số 3, làm nó quay theo trục sơ cấp. Bánh răng chủ động số 3 ăn khớp và kéo bánh răng bị động số 3 quay. Do bánh răng bị động số 3 được kết nối cứng trên trục thứ cấp, toàn bộ trục thứ cấp sẽ truyền chuyển động đến truyền lực chính, vi sai và cuối cùng là bánh xe chủ động. Tỷ số truyền ở số 3 nhỏ hơn số 2, tăng tốc độ xe.

  • Quá trình truyền động: Trục sơ cấp truyền chuyển động đến ống trượt (thông qua then hoa) -> Ống trượt khóa bánh răng chủ động số 3 -> Bánh răng chủ động số 3 kéo bánh răng bị động số 3 -> Trục thứ cấp hộp số.

• Chuyển sang số 4:
  Khi tay số được chuyển sang số 4, ống trượt giữa trên trục sơ cấp được chuyển sang bên trái để kết nối và khóa bánh răng chủ động số 4. Khi trục sơ cấp chuyển động, nó kéo ống trượt giữa quay theo, ống trượt này khóa bánh răng chủ động số 4. Bánh răng chủ động số 4 truyền chuyển động đến bánh răng bị động số 4, làm trục thứ cấp của hộp số chuyển động.
  Quan sát trên hình vẽ, kích thước của bánh răng chủ động và bị động ở tay số 4 thường là như nhau. Do đó, tốc độ chuyển động của trục thứ cấp bằng với trục sơ cấp của hộp số, hay còn gọi là tay số truyền thẳng (tỷ số truyền 1:1). Đây là cấp số hiệu quả nhất về mặt cơ khí vì không có sự giảm tốc độ đáng kể, thường dùng ở tốc độ trung bình đến cao.

  • Quá trình truyền động: Trục sơ cấp kéo ống trượt giữa -> Ống trượt khóa bánh răng chủ động số 4 -> Bánh răng chủ động số 4 -> Bánh răng bị động số 4 -> Trục thứ cấp hộp số.

• Chuyển sang số 5 (số truyền tăng):
  Khi chuyển sang số 5, ống trượt bố trí bên trái của trục sơ cấp được kết nối với bánh răng chủ động số 5. Số răng của bánh răng chủ động ở số 5 thường nhiều hơn số răng của bánh răng bị động tương ứng. Do đó, khi hộp số ở tay số 5, tốc độ của trục thứ cấp hộp số sẽ nhanh hơn tốc độ của trục sơ cấp. Đây chính là tay số có tỷ số truyền tăng (< 1:1), giúp xe di chuyển ở tốc độ cao trên đường trường với vòng tua máy thấp, tiết kiệm nhiên liệu và giảm tiếng ồn động cơ.

  • Quá trình truyền động: Trục sơ cấp kéo ống trượt -> Ống trượt khóa bánh răng chủ động số 5 -> Bánh răng chủ động số 5 -> Bánh răng bị động số 5 -> Trục thứ cấp hộp số.

• Chuyển sang số lùi:
  Hình 4: Minh họa hoạt động của hộp số khi gài số lùi, cho thấy vai trò của bánh răng trung gian trong việc đảo chiều chuyển động.
  Khi tay số ở vị trí số lùi, một bánh răng trung gian (idler gear) sẽ được đẩy vào ăn khớp đồng thời với bánh răng chủ động số lùi trên trục sơ cấp và bánh răng bị động số lùi trên trục thứ cấp. Sự hiện diện của bánh răng trung gian này làm đảo chiều quay của trục thứ cấp. Do đó, khi trục sơ cấp chuyển động, thông qua bánh răng trung gian, nó sẽ kéo bánh răng bị động số lùi làm trục thứ cấp quay cùng chiều với trục sơ cấp (nhưng ngược chiều so với số tiến), khiến xe chuyển động lùi.

  • Quá trình truyền động: Trục sơ cấp hộp số kéo bánh răng chủ động số lùi -> Bánh răng trung gian -> Bánh răng bị động số lùi -> Ống trượt -> Trục thứ cấp hộp số (quay ngược chiều).

2. Cấu tạo Hộp số 3 Trục

Loại hộp số 3 trục thường được tìm thấy trong các xe dẫn động cầu sau hoặc các loại xe thương mại, nơi đòi hỏi khả năng chịu tải và mô-men xoắn cao.

a. Cấu tạo

Hình 5: Sơ đồ cấu tạo hộp số 3 trục, hiển thị rõ mối quan hệ giữa trục sơ cấp, trục trung gian và trục thứ cấp trong hệ thống truyền lực.

Cấu tạo hộp số xe ô tô loại 3 trục có sự khác biệt cơ bản về cách bố trí các trục:

• Trục sơ cấp (Input shaft): Nhận chuyển động từ động cơ qua ly hợp. Một đầu trục sơ cấp được liên kết với đĩa ma sát của ly hợp và được đỡ bởi một vòng bi hoặc bạc thau ở đuôi trục khuỷu. Đầu còn lại được đỡ bởi vòng bi trong vỏ hộp số. Một bánh răng chủ động duy nhất (bánh răng truyền lực) được lắp cố định ở đầu này của trục sơ cấp, luôn ăn khớp với một bánh răng trên trục trung gian.

• Trục trung gian (Countershaft/Lay shaft): Là trục song song được bố trí bên dưới trục sơ cấp và thứ cấp. Trục này có nhiều bánh răng được kết nối cứng, luôn ăn khớp với các bánh răng tương ứng trên trục sơ cấp và thứ cấp. Trục trung gian nhận chuyển động từ trục sơ cấp và truyền nó đến các bánh răng trên trục thứ cấp.

• Trục thứ cấp (Output shaft): Trục này có một đầu được lồng vào một đầu của trục sơ cấp (có vòng bi đỡ) và đầu còn lại truyền chuyển động ra bên ngoài đến các bánh xe chủ động. Trên trục thứ cấp cũng có các bánh răng bị động quay trơn, sẽ được khóa vào trục bởi cơ cấu đồng tốc khi gài số.

• Các thành phần khác: Tương tự như hộp số 2 trục, hộp số 3 trục cũng bao gồm các bánh răng, ống trượt gài số, cơ cấu đồng tốc, và vòng bi.

• Quá trình truyền động cơ bản: Chuyển động từ trục sơ cấp hộp số được truyền đến bánh răng chủ động của nó, kéo trục trung gian quay. Trục trung gian sau đó sẽ truyền chuyển động đến các bánh răng trên trục thứ cấp. Khi một cấp số được gài, một cặp bánh răng trên trục trung gian và trục thứ cấp sẽ được khóa lại, cho phép mô-men xoắn truyền đến các bánh xe chủ động.

b. Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý gài số và thay đổi tỷ số truyền của hộp số 3 trục tương tự như hộp số ngang (2 trục) về mặt cơ bản, tức là sử dụng các ống trượt và cơ cấu đồng tốc để khóa các cặp bánh răng phù hợp. Tuy nhiên, sự khác biệt nằm ở đường truyền lực: mọi cấp số tiến (trừ số truyền thẳng trực tiếp) đều phải đi qua trục trung gian.

• Đường truyền lực: Động cơ -> Ly hợp -> Trục sơ cấp -> Bánh răng chủ động trên trục sơ cấp -> Bánh răng trên trục trung gian -> Trục trung gian -> Bánh răng trên trục trung gian ăn khớp với bánh răng bị động trên trục thứ cấp -> Trục thứ cấp -> Hệ thống truyền lực -> Bánh xe.
• Số truyền thẳng (thường là số 4 hoặc số 5): Ở một số thiết kế hộp số 3 trục, có thể có một cấp số truyền thẳng nơi trục sơ cấp và trục thứ cấp được khóa trực tiếp với nhau, bỏ qua trục trung gian. Điều này mang lại hiệu suất cao nhất.
• Số lùi: Cũng sử dụng thêm một bánh răng trung gian để đảo chiều quay của trục thứ cấp.

Số lượng cấp số và cách bố trí cụ thể sẽ thay đổi tùy thuộc vào đặc tính và mục đích sử dụng của từng loại xe.

Cơ Cấu Đồng Tốc Của Hộp Số

Một trong những cải tiến quan trọng nhất trong cấu tạo hộp số xe ô tô thủ công là sự ra đời của cơ cấu đồng tốc (synchronizer). Trước khi có đồng tốc, việc sang số thường gây ra tiếng ồn khó chịu do va đập giữa các bánh răng có tốc độ quay khác nhau, đồng thời việc chuyển số cũng khó khăn và dễ làm hỏng bánh răng. Cơ cấu đồng tốc giải quyết vấn đề này bằng cách làm đồng bộ tốc độ quay của hai bánh răng hoặc giữa bánh răng và trục trước khi chúng ăn khớp hoàn toàn.

1. Ưu điểm của hộp số có cơ cấu đồng tốc

• Chuyển số êm dịu: Giảm thiểu tiếng ồn và rung động khi sang số.
• Bảo vệ bánh răng: Tránh mòn và hỏng hóc các răng bánh răng do va đập.
• Đơn giản hóa thao tác lái: Người lái không cần phải đạp bàn đạp ly hợp hai lần (double-clutching) để đồng bộ tốc độ, giúp việc chuyển số nhanh chóng và dễ dàng hơn.
• Truyền công suất tức thì: Sau khi chuyển số, công suất có thể được truyền ngay lập tức, không có độ trễ.

2. Cơ cấu đồng tốc loại có khóa

Loại đồng tốc có khóa là phổ biến nhất, ví dụ như loại được sử dụng trong hộp số C50 của Toyota.

a. Cấu tạo

Hình 6: Minh họa cấu tạo bên trong của hộp số C50, nhấn mạnh vị trí và chức năng của cơ cấu đồng tốc loại có khóa.

Hình 7: Chi tiết về cấu tạo của cơ cấu đồng tốc loại khóa, bao gồm vòng đồng tốc, moayơ, khóa và ống trượt.

Cấu trúc chi tiết của một cơ cấu đồng tốc loại có khóa bao gồm:

1. Bánh răng số tiến: Mỗi bánh răng số tiến (quay trơn trên trục) luôn ăn khớp với bánh răng tương ứng trên trục còn lại và quay tự do khi động cơ hoạt động và ly hợp được hợp.
2. Moayơ ly hợp (Clutch hub): Được lắp cố định trên trục bằng các then hoa, quay cùng tốc độ với trục. Moayơ này có 3 rãnh dọc theo trục để chứa các khóa đồng tốc.
3. Ống trượt gài số (Shift sleeve): Lắp trên then hoa bên ngoài của moayơ ly hợp và có thể trượt dọc trục. Đây là bộ phận mà càng gạt số tác động vào.
4. Khóa đồng tốc (Synchronizer key/blocker): Ba khóa nhỏ được đặt trong các rãnh của moayơ ly hợp và được ấn ép vào ống trượt bằng lò xo hãm. Chúng có một phần nhô ra để khớp với rãnh bên trong của ống trượt.
5. Vòng đồng tốc (Synchronizer ring): Là bộ phận quan trọng nhất, đặt giữa moayơ ly hợp và phần côn của bánh răng số. Vòng này có một mặt côn bên trong để tạo ma sát với mặt côn của bánh răng số và các rãnh hẹp để khớp với khóa đồng tốc. Mục đích của các rãnh là để vòng đồng tốc khóa lại không cho ống trượt gài số ăn khớp khi tốc độ chưa đồng bộ.

b. Nguyên lý hoạt động

Quá trình chuyển số với cơ cấu đồng tốc loại có khóa diễn ra theo các bước sau:

1. Vị trí số trung gian:
   Các bánh răng số quay lồng không trên trục. Ống trượt đang ở vị trí trung gian, các khóa đồng tốc nằm trong rãnh của ống trượt.

2. Bắt đầu quá trình đồng tốc:
   Hình 8: Giai đoạn bắt đầu quá trình đồng tốc, khi vòng đồng tốc tiếp xúc với bánh răng, tạo ma sát để đồng bộ tốc độ.
   Khi cần chuyển số dịch chuyển, càng gạt số đẩy ống trượt. Vì phần nhô ra của khóa đồng tốc được gài vào rãnh của ống trượt, khóa đồng tốc cũng dịch chuyển theo, đẩy vòng đồng tốc vào mặt côn của bánh răng số. Ma sát giữa vòng đồng tốc và bánh răng số bắt đầu quá trình đồng bộ hóa tốc độ.

3. Giữa quá trình đồng tốc:
   Khi người lái tiếp tục đẩy cần số, lực tác dụng lên ống trượt tăng lên, thắng lực lò xo của khóa đồng tốc. Ống trượt bắt đầu trượt qua phần nhô ra của khóa. Tuy nhiên, các then của ống trượt vẫn bị chặn bởi các rãnh trên vòng đồng tốc (do vòng đồng tốc đang bị ép vào bánh răng và có tốc độ khác), ngăn không cho ống trượt ăn khớp hoàn toàn với bánh răng. Đây là lúc ma sát tối đa đang làm việc để đồng bộ tốc độ.

4. Kết thúc quá trình đồng tốc:
   Hình 9: Giai đoạn kết thúc quá trình đồng tốc, khi tốc độ đã được đồng bộ và ống trượt chuẩn bị ăn khớp hoàn toàn với bánh răng.
   Khi tốc độ quay của bánh răng số và ống trượt gài số (và trục) trở nên bằng nhau (hoặc gần bằng nhau), lực ma sát không còn đối kháng. Vòng đồng tốc không còn bị khóa bởi bánh răng và có thể quay nhẹ theo chiều quay này. Lúc này, các rãnh trên vòng đồng tốc sẽ thẳng hàng với các then trên ống trượt gài số, cho phép ống trượt vượt qua vòng đồng tốc.

5. Kết thúc việc chuyển số:
   Sau khi các then của ống trượt gài số ăn khớp với rãnh then của vòng đồng tốc, ống trượt tiếp tục dịch chuyển và ăn khớp hoàn toàn với các rãnh then của bánh răng số. Việc chuyển số hoàn tất, công suất được truyền ổn định.

Lưu ý: Nếu mặt trong của vòng đồng tốc và mặt côn của bánh răng số bị mòn, quá trình đồng tốc sẽ không hiệu quả. Điều này dẫn đến khó chuyển số, gây tiếng ồn (nghiến số) và làm hỏng bánh răng.

3. Cơ cấu đồng tốc không có khóa

Một số hộp số sử dụng cơ cấu đồng tốc không có khóa cho một số cấp số nhất định, thường là số 5 hoặc số lùi, nơi yêu cầu không quá khắt khe về lực truyền. Ví dụ như hộp số E50.

a. Cấu tạo

Hình 10: Sơ đồ hộp số E50, một ví dụ về hộp số sử dụng cơ cấu đồng tốc không có khóa, thường cho các cấp số phụ.

Hình 11: Cận cảnh cấu tạo của cơ cấu đồng tốc không có khóa, phân biệt với loại có khóa thông qua các chi tiết như lò xo hãm và vòng đồng tốc.

Các thành phần chính của cơ cấu đồng tốc không có khóa:

1. Ống trượt: Có các rãnh bên trong để đẩy lò xo khóa trong quá trình chuyển số.
2. Moayơ đồng tốc: Có các vấu lồi để giữ vòng đồng tốc và lò xo hãm đúng vị trí.
3. Lò xo hãm: Thường có nhiều vấu lưỡi cày, một vấu giữ vòng hãm, các vấu còn lại dùng để định vị khóa đồng tốc (nếu có) và lò xo hãm. Trong loại không có khóa, lò xo hãm thường đóng vai trò chính trong việc tạo lực cản ban đầu.
4. Vòng đồng tốc: Có các góc vát và rãnh để giữ chặt một vấu của lò xo hãm.

b. Hoạt động

Hoạt động của loại đồng tốc không có khóa tương tự như loại có khóa ở chỗ chúng đều sử dụng ma sát để đồng bộ tốc độ. Tuy nhiên, sự khác biệt nằm ở cơ chế ngăn chặn ống trượt ăn khớp trước khi đồng tốc hoàn tất. Thay vì các khóa vật lý, loại này có thể dùng lực của lò xo hãm hoặc hình dạng đặc biệt của vòng đồng tốc và ống trượt để tạo ra lực cản ban đầu, đảm bảo tốc độ được đồng bộ trước khi cho phép gài số hoàn toàn. Điều này thường áp dụng cho các cấp số ít dùng hoặc yêu cầu chuyển số không quá nhanh.

Cơ Cấu Vận Hành Hộp Số

Ngoài cấu tạo hộp số xe ô tô bên trong, cơ cấu vận hành (shift linkage) cũng là một phần không thể thiếu, giúp người lái điều khiển hộp số từ khoang cabin. Có hai loại cơ cấu vận hành chính:

1. Loại điều khiển từ xa

Hình 12: Hệ thống hộp số điều khiển từ xa, thể hiện sự kết nối linh hoạt giữa cần số và hộp số qua cáp hoặc thanh nối.

• Đặc điểm: Loại này liên kết cần chuyển số trong khoang lái với hộp số bằng một hệ thống cáp hoặc các thanh nối dài.
• Ứng dụng: Thường được sử dụng trên các xe dẫn động cầu trước (FF), nơi hộp số đặt ở phía trước xe, xa vị trí cần số của người lái.
• Ưu điểm:
  • Linh hoạt trong thiết kế: Cho phép đặt cần số ở vị trí tối ưu trong khoang lái mà không bị ràng buộc bởi vị trí của hộp số.
  • Giảm tiếng ồn và rung động: Do hộp số được tách rời khỏi cabin, tiếng ồn và rung động từ hộp số truyền vào khoang lái ít hơn.
  • Thao tác nhẹ nhàng: Hệ thống cáp hoặc thanh nối được thiết kế để mang lại cảm giác chuyển số nhẹ nhàng, dễ chịu.
• Nhược điểm:
  • Độ chính xác có thể giảm: Do có nhiều khớp nối hoặc độ giãn của cáp, cảm giác chuyển số có thể kém trực tiếp hơn so với loại điều khiển trực tiếp.
  • Yêu cầu bảo dưỡng: Cáp hoặc khớp nối có thể bị mòn hoặc cần bôi trơn định kỳ.

2. Loại điều khiển trực tiếp

Hình 13: Minh họa hệ thống hộp số điều khiển trực tiếp, nơi cần số gắn liền với hộp số, mang lại cảm giác sang số thể thao và chính xác.

• Đặc điểm: Cần chuyển số được lắp trực tiếp lên vỏ hộp số, có một cơ cấu liên kết ngắn và cứng giữa cần số và cơ cấu gạt số bên trong hộp số.
• Ứng dụng: Thường được sử dụng trên các xe dẫn động cầu sau (FR) hoặc các xe thể thao, nơi hộp số thường nằm ngay dưới cần số.
• Ưu điểm:
  • Phản hồi trực tiếp và chính xác: Người lái có cảm giác rõ ràng về sự ăn khớp của các bánh răng và vị trí số, mang lại trải nghiệm lái thể thao và chân thực.
  • Thao tác nhanh chóng: Do liên kết ngắn và trực tiếp, việc chuyển số diễn ra nhanh gọn.
  • Ít bộ phận chuyển động: Đơn giản hơn về mặt cơ khí so với loại điều khiển từ xa.
• Nhược điểm:
  • Tiếng ồn và rung động: Tiếng ồn và rung động từ hộp số có thể dễ dàng truyền vào khoang lái hơn.
  • Hạn chế về vị trí: Vị trí của cần số bị ràng buộc bởi vị trí của hộp số, đôi khi không tối ưu cho thiết kế nội thất.

Bảo Dưỡng Hộp Số Xe Ô Tô

Để đảm bảo cấu tạo hộp số xe ô tô hoạt động bền bỉ và hiệu quả, việc bảo dưỡng định kỳ là vô cùng quan trọng. Dưới đây là một số lưu ý chính:

• Kiểm tra và thay dầu hộp số: Dầu hộp số (dầu cầu) đóng vai trò bôi trơn, làm mát và làm sạch các chi tiết bên trong hộp số. Chu kỳ thay dầu thường được khuyến nghị trong sổ tay hướng dẫn của nhà sản xuất (thường từ 40.000 đến 100.000 km tùy loại hộp số và điều kiện vận hành). Việc sử dụng loại dầu đúng tiêu chuẩn là cực kỳ quan trọng.
• Kiểm tra rò rỉ dầu: Thường xuyên kiểm tra dưới gầm xe để phát hiện sớm các dấu hiệu rò rỉ dầu hộp số. Rò rỉ có thể do phớt dầu bị hỏng, gioăng bị lão hóa hoặc vỏ hộp số bị nứt. Mức dầu thấp sẽ dẫn đến mài mòn và hỏng hóc nghiêm trọng.
• Lái xe đúng cách: Tránh thói quen lái xe gây áp lực lớn lên hộp số như:
  • Chuyển số đột ngột hoặc khi xe chưa dừng hẳn (đối với số lùi).
  • Giữ bàn đạp ly hợp quá lâu khi không cần thiết (đối với hộp số sàn).
  • Chuyển số ở vòng tua máy quá cao hoặc quá thấp.
  • Tải trọng xe vượt quá giới hạn cho phép.
• Chú ý đến các dấu hiệu bất thường:
  • Tiếng ồn lạ: Tiếng hú, tiếng gõ, tiếng nghiến khi chuyển số hoặc khi xe đang chạy.
  • Khó chuyển số: Cần số nặng, kẹt, hoặc không vào số được.
  • Trượt số: Hộp số tự động bị trượt khi tăng tốc hoặc hộp số sàn bị nhảy số.
  • Mùi khét: Dấu hiệu dầu hộp số bị quá nhiệt hoặc các chi tiết ma sát bị mòn.
  • Rung giật: Khi chuyển số hoặc khi xe đang chạy ở tốc độ nhất định.
    Nếu phát hiện bất kỳ dấu hiệu nào, cần đưa xe đến trung tâm bảo dưỡng uy tín để kiểm tra và sửa chữa kịp thời.

Tương Lai Của Công Nghệ Hộp Số Xe Ô Tô

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ ô tô, đặc biệt là xu hướng điện hóa và tự động hóa, cấu tạo hộp số xe ô tô cũng đang trải qua những thay đổi đáng kể:

• Hộp số cho xe điện (EV): Xe điện không cần hộp số phức tạp như xe động cơ đốt trong vì động cơ điện có khả năng cung cấp mô-men xoắn tức thì trên một dải vòng tua rộng. Nhiều xe điện chỉ sử dụng hộp số đơn cấp (single-speed reduction gear). Tuy nhiên, một số hãng đang nghiên cứu hộp số 2 cấp hoặc nhiều cấp hơn để tối ưu hiệu suất ở tốc độ cao và mở rộng phạm vi hoạt động.
• Hộp số hybrid: Các xe hybrid kết hợp động cơ xăng và động cơ điện thường sử dụng hộp số được thiết kế đặc biệt (như hộp số E-CVT của Toyota) để quản lý hiệu quả nguồn năng lượng từ cả hai động cơ.
• Hệ thống điều khiển điện tử thông minh: Hộp số ngày càng được tích hợp các hệ thống điều khiển điện tử tiên tiến, sử dụng thuật toán phức tạp để dự đoán điều kiện lái, tối ưu hóa thời điểm và độ mượt mà của việc chuyển số, thậm chí học hỏi phong cách lái của người dùng.
• Giảm trọng lượng và kích thước: Các nhà sản xuất liên tục nghiên cứu vật liệu mới và thiết kế tối ưu để giảm trọng lượng và kích thước của hộp số, góp phần cải thiện hiệu suất nhiên liệu và giảm phát thải.
• Hộp số ly hợp kép (DCT) và hộp số tự động nhiều cấp: Các công nghệ này tiếp tục được cải tiến để mang lại khả năng chuyển số nhanh, mượt mà và hiệu quả nhiên liệu cao hơn, dần thay thế hộp số sàn truyền thống.

Câu Hỏi Thường Gặp Về Cấu Tạo Hộp Số Xe Ô Tô

1. Hộp số sàn và hộp số tự động khác nhau cơ bản ở điểm nào về cấu tạo?

Về cấu tạo hộp số xe ô tô, hộp số sàn chủ yếu sử dụng các trục song song và bánh răng ăn khớp thường xuyên, cùng với cơ cấu đồng tốc và ống trượt để người lái tự gài số thông qua ly hợp. Hộp số tự động (kiểu AT truyền thống) sử dụng bộ truyền hành tinh và biến mô thủy lực để tự động chuyển số, không cần người lái thao tác ly hợp. Hộp số CVT lại có cấu tạo hoàn toàn khác với ròng rọc và dây đai/xích kim loại để thay đổi tỷ số truyền liên tục.

2. Tại sao hộp số lại cần dầu bôi trơn?

Dầu hộp số có nhiều chức năng quan trọng:

• Bôi trơn: Giảm ma sát và mài mòn giữa các bánh răng, vòng bi và các bộ phận chuyển động khác.
• Làm mát: Dẫn nhiệt sinh ra trong quá trình hoạt động ra khỏi hộp số.
• Làm sạch: Mang các hạt kim loại li ti và cặn bẩn ra khỏi các bề mặt làm việc.
• Truyền lực (đối với hộp số tự động): Dầu ATF (Automatic Transmission Fluid) còn đóng vai trò là môi chất truyền lực trong biến mô thủy lực và kích hoạt các bộ ly hợp/phanh trong bộ truyền hành tinh.

3. “Nghiến số” khi chuyển số sàn là do đâu?

Hiện tượng “nghiến số” (tiếng kêu răng rắc khi gài số) là dấu hiệu cho thấy cơ cấu đồng tốc không hoạt động hiệu quả hoặc người lái chuyển số sai kỹ thuật. Có thể do:

• Cơ cấu đồng tốc bị mòn: Vòng đồng tốc hoặc mặt côn bị mòn, không thể làm đồng bộ tốc độ bánh răng và trục kịp thời.
• Dầu hộp số không đủ hoặc không đúng loại: Giảm khả năng bôi trơn và ma sát của cơ cấu đồng tốc.
• Thao tác ly hợp không triệt để: Bàn đạp ly hợp chưa được đạp hết, ly hợp chưa ngắt hoàn toàn truyền động.
• Chuyển số quá nhanh: Cơ cấu đồng tốc không có đủ thời gian để hoàn thành việc đồng bộ tốc độ.

4. Hộp số ly hợp kép (DCT) khác gì so với hộp số tự động truyền thống (AT)?

DCT về cơ bản là sự kết hợp của hai hộp số sàn mini hoạt động song song, mỗi hộp số phụ trách một nhóm số (chẵn hoặc lẻ) và có ly hợp riêng. Nó cho phép chuyển số cực nhanh vì cấp số tiếp theo đã được chuẩn bị sẵn. Hộp số AT truyền thống sử dụng biến mô thủy lực và bộ truyền hành tinh để chuyển số, thường mượt mà hơn nhưng chậm hơn một chút và có tổn thất năng lượng nhất định trong biến mô. Về cấu tạo hộp số xe ô tô, DCT phức tạp hơn AT về mặt cơ khí ly hợp, nhưng AT lại phức tạp hơn về hệ thống thủy lực điều khiển.

5. Có phải xe điện không có hộp số?

Phần lớn xe điện (EV) chỉ có một hộp số đơn cấp (single-speed reduction gear). Điều này là do động cơ điện có dải mô-men xoắn rộng và cung cấp mô-men xoắn tức thì ngay từ vòng tua thấp, không cần nhiều tỷ số truyền để tối ưu hóa hiệu suất như động cơ đốt trong. Tuy nhiên, một số xe điện hiệu suất cao hoặc xe thương mại có thể sử dụng hộp số 2 cấp hoặc nhiều cấp hơn để tối ưu hóa hiệu suất ở các dải tốc độ khác nhau hoặc tăng khả năng kéo.

Việc hiểu rõ cấu tạo hộp số xe ô tô là yếu tố then chốt giúp người lái và các kỹ thuật viên nắm bắt được cách thức hoạt động của một trong những bộ phận quan trọng nhất trên xe. Từ đó, người dùng có thể duy trì hiệu suất xe tối ưu, kéo dài tuổi thọ của hộp số và đảm bảo an toàn trên mọi hành trình. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, hộp số vẫn sẽ tiếp tục là một lĩnh vực được đổi mới và cải tiến liên tục, đóng góp vào trải nghiệm lái xe ngày càng ưu việt.