Sự phát triển của hộp số

Bài tiểu luận Công nghệ ô tô và sự phát triển

I. Hệ thống truyền lực của ô tô con 1 cầu chủ động được cải thiện
nhằm
- Hạn chế ô nhiễm (tăng tính thân thiện với môi trường)
- Tiết kiệm nhiên liệu (tăng tính kinh tế) và kiểm soát hiệu suất.
- Tăng công suất (tăng tính hiệu quả) và kiểm soát công suất
(chống trượt, giúp ổn định).
- Nâng cao an toàn giao thông
- Nâng cao tiện nghi sử dụng.

II. Sự phát triển của hệ thống truyền lực
Sự ra đời của hộp số sàn
Được ví như trái tim của hệ thống truyền lực, hộp số biến đổi mô-men, tốc độ làm
việc của động cơ sao cho phù hợp với điều kiện làm việc của bánh xe trên đường.
Kể từ khi phát minh nổi tiếng của George Selden về bộ truyền động cầu trước kết
hợp với động cơ 3 xi lanh đặt nằm ngang trở thành thiết kế trên xe hơi, có rất ít ý
tưởng mới phù hợp.
Giới thiệu vào năm 1894, bản phác thảo đầu tiên của hộp số cận đại do hai kỹ sư
người Pháp, Louis-Rene Panhard và Emile Levassor đưa ra đã không mang về cho
hai ông vinh quang mà ngược lại phải nhận những chỉ trích.
Buổi thuyết trình không thành công, chiếc xe mô hình bị chết máy, nội dung bị cắt
bớt chỉ còn trình bày trên bảng đen. Một tờ báo viết "kẻ bịp bợm đã dùng nhiều trò
mánh khóe để lừa gạt công chúng hâm hộ cùng với chiếc xe mới”. Có lẽ các nhà
phát minh nên bỏ qua buổi nói chuyện công nghệ và sử dụng mô tả vừa đủ. Những
gì họ đã làm thật thô thiển.

Trương Minh Hiếu – Lớp 12ACKDL GTVT3

Trang

Bài tiểu luận Công nghệ ô tô và sự phát triển

Chiếc xe do George Selden thiết kế vào năm 1877.
Thời ấy, kết cấu truyền động khá đơn giản bằng bộ truyền đai hoặc bộ truyền bánh
răng côn. Xe chỉ có thể chạy với tốc độ đa 32 km/h. Khi gặp vật cản trên đường,
tài xế phải dừng lại gài số thấp.
F. W. Lanchester, một trong những người tiên phong trong lĩnh vực ôtô ở Anh, mô
tả về chiếc xe của ông gồm hai cấp truyền đai, một cho tốc độ thấp, cần mô-men
lớn và một ở tốc độ cao, mô-men nhỏ.
Một năm sau cuộc hộp báo tai tiếng, Panhard and Levassor nổi danh trở lại không
những chỉ với riêng hộp số mà còn toàn bộ hệ thống truyền lực. Lần này, họ đã có
chiếc xe đầu tiên sẵn sàng chạy khi đạp ga. Bên cạnh đó họ cũng đã có rất nhiều
thay đổi về ý tưởng. Thực tế, nó là một mẫu đã đáp ứng được hầu hết các yêu cầu
của xe được xây dựng vào những năm 90 và cả những năm sau đó.
Không giống như mẫu xe hiện thời, thiết kế mới có động cơ đặt dọc phía trước,
truyền công suất ra cầu sau thông qua ly hợp và hộp số trượt 3 cấp và cầu chuyển
động bằng xích. Nó gần giống như hệ thống truyền lực trên các xe hiện đại, nhưng
chưa có vi sai và bán trục chủ động. Tuy nhiên, vào năm 1898, điều này đã trở

Trương Minh Hiếu – Lớp 12ACKDL GTVT3

Trang


Bài tiểu luận Công nghệ ô tô và sự phát triển

thành hiện thực khi nhà triệu phú Louis Renault kết nối công suất thành công từ
động cơ đặt dọc, qua hộp số tới cầu sau “sống” bằng trục kim loại.
Cầu sau “sống” hay còn gọi là vi sai cầu sau, cái mà Renault đã làm phù hợp với ý

tưởng phát triển của một người Mỹ có tên C. E. Duryea vào năm 1893. Vì đã khắc
phục vấn đề mòn lốp, nên phát minh này được hầu hết các nhà sản xuất ôtô áp
dụng. Vi sai bao gồm một cụm bánh răng răng khớp làm nhiệm vụ phân chia công
suất cho hai bánh của cầu sau. Nó cho phép bánh phía ngoài quay nhanh hơn bánh
trong khi xe quay vòng.
Năm 1904, hộp số sàn sang số trượt của Panhard-Levassor đã được hiện thực hóa
bởi hầu hết các nhà sản xuất ôtô. Dù tồn tại dưới dạng này hay dạng khác thì
chúng vẫn còn được sử dụng cho đến thời gian gần đây. Hiển nhiên, đã có những
cải tiến, thay đổi quan trọng nhất là hệ thống đồng bộ hóa cho phép quá trình ăn
khớp giữa cách bánh răng diễn ra một cách trôi chảy, không phát sinh va đập. Hộp
số trang bị bộ đồng tốc được Cadillac sử dụng lần đầu tiên vào năm 1928. Sau khi
được Porsche phát triển, phát minh này đã trở nên phổ biến cho đến tận ngày nay.
Khoảng thời gian kể từ khi hộp số sàn xuất hiện cho đến thời điểm phát minh ra bộ
đồng tốc, có một sự cố gắng khác cũng nhằm đơn giản quá trình sang số. Đó chính
là hộp số có cấu tạo từ bộ truyền bánh răng hành tinh, xuất hiện lần đầu tiên trên
mẫu Ford Model T 1908.

Ford Model T 1908.

Trương Minh Hiếu – Lớp 12ACKDL GTVT3

Trang


Bài tiểu luận Công nghệ ô tô và sự phát triển

Bộ truyền bánh răng hành tinh bao gồm một bánh răng trung tâm hay còn được
gọi là bánh răng mặt trời, một số bánh răng hành tinh ăn khớp xung quanh. Ngày
nay, bộ truyền hành tinh được sử dụng trên hộp số tự động nhiều hơn trên số sàn.
Một vài loại số sàn phức tạp sử dụng bánh răng hành tinh đã được đưa ra, Wilson

Preselector là một trong những hộp số như thế. Nó từng được sử dụng vào những
năm 30. Hệ thống sử dụng 4 bộ truyền bánh răng hành tinh riêng rẽ, cho phép lái
xe chọn trước một tỷ số truyền bằng cách di chuyển cần điều khiển nhỏ cạnh trục
lái.
Sự ra đời của hộp số tự động
Kể từ khi hộp số Panhard-Levassor ra đời, tất cả các phát minh hay cải tiến khác
đều nhằm mục đích làm cho quá trình sang số dễ dàng hơn. Tất nhiên dễ nhất là
quá trình chuyển số được thực hiện một cách tự động. Đó là lý do giải thích vì sao
Sturtevant, anh trai của Boston, giới thiệu hộp số tự động vào năm 1904.
Quả văng ly tâm điều khiển sự ăn khớp của các bánh răng theo tốc độ, Quá trình
sang số không cần đến sự đóng mở của ly hợp. Tuy nhiên bộ truyền này gặp lỗi,
trọng lượng thường lệch bề một bên.
Reo đã có một sự cố gắng đầy ý nghĩa vào năm 1934 khi cho ra đời hộp số Reo
Self-Shifter gồm hai bộ truyền mắc nối tiếp. Bộ truyền thứ nhất tự động chuyển số
bằng cách điều khiển quá trình đóng mở ly hợp ma sát nhiều đĩa theo tốc độ xe.
Bộ truyền thứ 2 được điều khiển bằng tay nhưng chỉ sử dụng khi động cơ cần tỷ số
truyền thấp.

Trương Minh Hiếu – Lớp 12ACKDL GTVT3

Trang


Bài tiểu luận Công nghệ ô tô và sự phát triển

Sơ đồ cấu tạo hộp số Reo Self Shifter.
Năm 1937, Oldsmobile tung ra hộp số bán tự động 4 cấp được gọi “ hộp số an
toàn tự động”. Tài xế không cần sử dụng tới bàn đạp ly hợp và cần số khi xe
chuyển từ số 1 sang số 2 hoặc từ 3 lên 4. Áp suất dầu điều khiển bộ truyền hành
tinh. Điểm sang số được thiết lập sẵn theo tốc độ động cơ. Đã có 28.000 chiếc

Oldsmobile 1938 trang bị hộp số này. Khía cạnh an toàn mà các nhà sản xuất đưa
ra ở đây: lái xe có thể tập trung trên đường nhiều hơn vì không cần thao tác
chuyển số.
Hộp số an toàn xuất hiện như một điềm báo trước sự ra đời của hộp số GM HydraMatic vào năm 1939. Ngay sau đó, Oldsmobile đã trang bị cho các mẫu xe phiên
bản 1940. Buick đã được trang bị hộp số bán tự động 5 cấp trên bản đặc biệt vào
năm 1938, nhưng đã có một số vấn đề phát sinh nên nó chỉ được hiện thực hóa vào
những năm tiếp theo.
Hydra-Matic gồm 3 bộ truyền bánh răng hành tinh, điều khiển thủy lực. Bộ kết nối
thủy lực làm nhiệm vụ truyền công suất từ động cơ sang hộp số thay cho ly hợp.
Danh tiếng về bộ kết nối thủy lực đi tới Chrysler, nơi đã phát triển mẫu ý tưởng
vào năm 1937. Tuy nhiên, Chrysler đã không sử dụng cho đến năm 1941, khi hộp
số Chrysler Fluid Drive được giới thiệu. Tuy đây không phải hộp số tự động,
nhưng nó là hộp số tiêu chuẩn cùng kết nối thủy lực, không có ly hợp.
Trương Minh Hiếu – Lớp 12ACKDL GTVT3

Trang


Bài tiểu luận Công nghệ ô tô và sự phát triển

Ý tưởng đã có từ lâu, nhưng đến năm 1948 hộp số tự động hoàn toàn mới xuất
hiện, sử dụng biến mô thủy lực và bộ truyền bánh răng hành tinh như ngày nay.
Chiếc Buick Roadmaster vinh dự là mẫu xe đầu tiên trang bị Dynaflow, một trong
những mẫu hộp số tự động hiện đại, như là một option giá 244 USD. Trong vòng 3
năm, 85% Buick đã có Dynaflow
Các loại hộp số mới ngày nay
Hộp số – ly hợp kép DCT
Hộp số tay thường dùng hiện nay trên dòng xe phổ thông đã giúp người lái thay
đổi lực kéo và số vòng quay của bánh xe chủ động để vận tốc phù hợp với lực cản
của đường 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, những loại hộp số tự động 4, 5, 6 hay 7 cấp lần lượt ra đời. Dùng hộp số tay
có nhược điểm là không tạo được cảm giác êm dịu mỗi khi chuyển số, còn hộp số
tự động có kết cấu quá phức tạp và làm gia tăng lượng tiêu thụ nhiên liệu. Nhưng,
có một loại hộp số có thế loại bỏ được các nhược điểm trên, đó là hộp số- ly hợp
kép: Dual - Clutch Transmission (DCT) hay còn gọi là hộp số bán tự động.
Sơ lược lịch sử
Người đã sáng tạo ra hệ thống ly hợp kép là một kỹ sư ôtô trẻ tuổi, Adolphe
Kégresse được biết đến nhiều nhất trong vai trò người đã phát triển loại xe halftrack (với bánh lốp đằng trước và bánh xích phía sau), giúp chiếc xe có thể vượt
qua nhiều loại địa hình phức tạp. 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.

Trương Minh Hiếu – Lớp 12ACKDL GTVT3

Trang


Bài tiểu luận Công nghệ ô tô và sự phát triển

Cần điều khiển của hộp số DCT
Cả Porsche và Audi phát triển những concept 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 962C
phiên bản xe đua đã được lắp đặt hệ thống Porsche Dual Klutch - PDK (hệ thống
ly hợp kép Porsche). Năm 1986, chiếc 962 đã chiến thắng giải đua Monza
1.000km dành cho xe prototype (Monza 1.000km World Sports Prototype
Championship). Đây là 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, chinh phục ngọn Pikes Peak trong một cuộc đua lên đỉnh núi
cao đến 4.300m này
Tuy nhiên, việc sản xuất thương mại hộp số với ly hợp kép không được tiến hành
cho đến khi VW là người tiên phong trong việc sản xuất đại trà hộp số với ly hợp
kép với sự cho phép của công ty BorgWarner’s DualTronic. Hiện nay, những
chiếc xe được trang bị công nghệ DCT chỉ được 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 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 GETRAGFord. Đây chính là hệ thống mà Ford gọi là Powershift System, một hộp số 6 tốc
độ với hệ thống ly hợp kép xuất hiện lần đầu tại triển lãm Ôtô Quốc tế Frankfurt

Trương Minh Hiếu – Lớp 12ACKDL GTVT3

Trang


Bài tiểu luận Công nghệ ô tô và sự phát triển

2005. Với sự phát triển nhanh như thế, nhiều người đã đặt ra câu hỏi: liệu trong
tương lai, DCT có loại bỏ loại hộp số tự động vô cấp CVT (Continuously Variable
Transmission) 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 dễ 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) diễn 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
lượng động lực học và tính kinh tế nhiên liệu của ôtô.

Trương Minh Hiếu – Lớp 12ACKDL GTVT3

Trang


Bài tiểu luận Công nghệ ô tô và sự phát triển

Kết cấu của hộp số DCT
Các ký hiệu: 1: Bánh răng xoắn ăn khớp với bộ vi sai; 2: bánh răng thuộc bộ vi
sai; 3: trục sơ cấp số1; 4: trục khuỷu động cơ; 5: trục sơ cấp số 2; 6: Ly hợp 2; 7:
Ly hợp 1; 8: bánh răng xoắn ăn khớp với bộ vi sai; 9: bánh răng ăn khớp với bộ
đồng tốc; BR: Cặp bánh răng số
Kết cấu của bộ ly hợp ma sát ướt: Giống như biến mô thuỷ lực, bộ ly hợp ma sát
ướt sử dụng dầu để tạo áp suất điều khiển các bánh răng. Và sự nối ngắt của ly

hợp thông qua các pit-tông 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 đồng trục lồng
nhau. 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 nhất, tạo 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,
Trương Minh Hiếu – Lớp 12ACKDL GTVT3

Trang


Bài tiểu luận Công nghệ ô tô và sự phát triển

do vậy mô-men động cơ không truyền tới trục sơ cấp của hộp số và người lái thực
hiện việc chuyển số. Tiếp đó, 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 và giảm thiểu tổn hao công suất máy. Tuy nhiên,
DCT hoàn toàn có thể khắc phục được điểm yếu 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 điểm
hiện tại, xe đang di chuyển ở số 1, lúc này ly hợp 1 đóng (màu đỏ), ly hợp 2 (màu
xanh) mở, khi đó dòng công suất được từ động cơ qua ly hợp 1, 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 2 được chọn. Khi người
điều khiển chuyển số, ngay lập tức ly hợp 1 sẽ được ngắt, đồng thời ly hợp 2 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 1 lên 2 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.

Trương Minh Hiếu – Lớp 12ACKDL GTVT3

Trang


Bài tiểu luận Công nghệ ô tô và sự phát triển

Hình cắt hộp số DCT
So sánh với hộp số tay và hộp số tự động truyền thống
Với hộp số tay: hai xe đều có động cơ cùng công suất thì xe sử dụng hộp số DCT
cần ít thời gian hơn hơn so với hộp số tay để đạt được cùng 1 vận tốc. Và tại mỗi

điểm chuyển số, khoảng thời gian OFF gần như bằng )
Với hộp số tự động: So với hộp số tự động truyền thống (sử dụng biến mô-men
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 nổi với nó, nhưng sẽ rất hợp lý để
lắp trên những xe hạng trung, vừa giúp giảm chi phí sản xuất xe vừa 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. Tuy vậy DCT
vẫn còn bộc lộ một hạn chế: do sử dụng ly hợp ma sát ướt nên khó có thể truyền
tải được lượng mô-men lớn. Vì vậy, hộp số DCT chỉ được lắp trên dòng xe du lịch
nhỏ: Volkswagen Beatle, Audi TT… Hiện Audi đang là nhà sản xuất xe hơi sử
dụng DCT nhiều nhất cho các model 2006 A3 V6 3.2, TT 3.2 Quatro,… với tên
gọi là Direct Shift Gears (DSG).

Trương Minh Hiếu – Lớp 12ACKDL GTVT3

Trang