Về sự hoàn thiện hộp số cơ khí có cấp

VỀ SỰ HỒN THIỆN HỘP SỐ CƠ KHÍ CĨ CẤP
ThS. Nguyễn Văn Bản

TĨM TẮT
Bài báo trình bày sự hồn thiện về kết cấu một loại hộp số đƣợc sử dụng phổ biến nhất trên ô tô từ trƣớc
tới nay: hộp số cơ khí có cấp.
Trong bài đã nêu lên những ƣu điểm cơ bản của loại hộp số này. Đó là lý do để loại hộp số cơ khí sử dụng
rộng rãi trong hệ thống truyền lực các ô tô truyền thống trƣớc đây cũng nhƣ các ô tô hiện đại ngày nay.
Nội dung chủ yếu của bài báo trình bày các giải pháp kết cấu nhằm khắc phục những nhƣợc điểm của hộp
số cơ khí có cấp, theo hƣớng tăng số lƣợng các số truyền để tăng tốc độ trung bình của ơ tơ, cũng chính là
để giảm tiêu hao nhiên liệu, tăng tính hiệu quả kinh tế. Hộp số cơ khí trên các ơ tơ hiện đại ngày nay đã có
những tính năng vƣợt trội, tiếp cận đƣợc với các loại hộp số tự động.

1. NỘI DUNG
1.1 Hộp số cơ khí có cấp kiểu truyền thống
Chiếc ơ tơ do đại úy kỹ sƣ pháo binh ngƣời Pháp Nicolas Joseph Cugnot (николя жозеф кюньо) chế tạo
năm 1769, hiện đƣợc trƣng bày tại bảo tàng ―Mỹ Thuật và Thủ Công Mỹ Nghệ‖ ở thủ đơ Pari, Pháp (hình
1.1) đƣợc coi là chiếc ô tô đầu tiên trên thế giới đã khơng có hộp số. Tuy tốc độ chuyển động của nó trên
đƣờng phố Pari chỉ đạt 3,5 km/h, tức là chậm hơn tốc độ của ngƣời đi bộ. Nhƣng ý nghĩa quan trọng của
nó là tự hành! Trong hệ thống truyền lực những chiếc ơ tơ thực thụ sau đó đã sử dụng hộp số cơ khí có
cấp để mở rộng khoảng thay đổi mô men xoắn, đồng nghĩa với việc thay đổi tốc độ ô tô, từ động cơ truyền
đến bánh xe chủ động.

Hình 1.1: Chiếc ơ tơ đầu tiên trên thế giới

Hộp số cơ khí thƣờng là loại 3 trục cố định, trục chủ động và bị động đƣợc bố trí đồng trục (hình 1.2,a).
Đặc điểm hộp số là tính có cấp. Do những ƣu điểm nhƣ kết cấu đơn giản, dễ sử dụng và bảo dƣỡng sửa
chữa, giá thành hạ nên hộp số cơ khí có cấp vẫn đƣợc sử dụng trong hệ thống truyền lực các ô tô ngày nay.

1492

Một trong những nhƣợc điểm của hộp số cơ khí có cấp kiểu truyền thống (hình 2,a) là: do sử dụng cần gạt
để điều khiển trực tiếp (hoặc gián tiếp) ba trục trƣợt để chuyển số nên số lƣợng số truyền (khơng tính số
lùi) bị giới hạn, tối đa chỉ là năm.
Việc lựa chọn số lƣợng số truyền phù hợp sẽ đem lại hiệu quả về tính năng động lực học, tính kinh tế của
ơ tơ. Tăng số lượng số truyền sẽ làm tăng tốc độ trung bình của ơ tơ (hình 1.2,b,c), điều này là có lợi khi
xét về mặt hiệu quả kinh tế. Vì vậy, hộp số ở những ơ tơ hiện đại ngƣời ta đều có xu hướng làm tăng số
lượng các số truyền. Đƣơng nhiên, nếu tăng quá mức số cấp truyền sẽ làm cho kết cấu hộp số phức tạp,
cồng kềnh, làm tăng khối lƣợng hộp số và gây khó khăn cho điều khiển.

Hình 1.2: Sơ đồ hộp số ba trục cố định với 3 cấp t số truyền (a); So sánh đặc tính D-V của hộp số có 3 số truyền
(b) và 4 số truyền (c)

1.2. Những giải pháp kết cấu để tăng số lƣợng các số truyền
Giải pháp 1: Sử dụng bộ chia số.
Với mục đích để tăng tốc độ trung bình của xe mà không làm thay đổi về cơ bản khoảng động học và
khoảng lực học của nó, ngƣời ta đã lắp thêm vào phía trƣớc hộp số chính ―bộ chia số‖ có hai t số truyền:

i

c1

 1 và

i

c2

 1 (hình 2.1). Nhƣ vậy, mỗi số truyền ở hộp số chính đƣợc chia đôi. Giá trị mô men lớn

nhất truyền đến bánh xe chủ động không đổi nhƣng khoảng biến đổi mô men xoắn giữa các số truyền liền
kề nhau thay đổi khơng nhiều (hình 2.2). Điều này rất tốt để tăng tốc độ trung bình cho các ơ tơ vận tải
chạy đƣờng dài, ở loại đƣờng có lớp phủ bề mặt tốt, sức cản mặt đƣờng thay đổi không lớn (đƣờng cao tốc
liên tỉnh hoặc liên quốc gia, liên lục địa). Kiểu hộp số này ra đời vào những năm 70 thế k trƣớc (nhƣ ô tô
vận tải Volvo F 89-32 có 8 số truyền; KAMAZ 5230 với 10 số truyền sản xuất năm 1972,…).
Với cách lắp thêm bộ chia số ở phía trƣớc và hộp số phụ ở sau hộp số chính, ngƣời ta cũng đã tạo ra các ô
tô vận tải hoặc xe đầu kéo có tới 16 số truyền (nhƣ Volvo RS-61, Spyser 7016-3A).

1493


Hình 2.1. Sơ đồ bộ chia số:
1.Trục chủ động; 2.Đồng tốc; 3.Trục thứ cấp; 4.Trục chủ động hộp số chính; 5. Trục trung gian hộp số chính; 6.Trục
trung gian bộ chia

Hình 2.2: Dãy số truyền của hộp số có bộ chia đặt trƣớc hộp số chính

Giải pháp 2: Sử dụng hộp số có hai trục bị động

Trên các dịng xe du lịch hiện đại của hãng Audi và Volkswagen, hộp số cơ khí khơng chỉ có một
mà có tới hai trục bị động (hình 2.3) làm việc chung với một trục chủ động. Số lƣợng số truyền
đã đƣợc tăng lên thành 6. Các cặp bánh răng ăn khớp đều là bánh răng trụ răng nghiêng; tất cả
các sô truyền đều có đồng tốc, kể cả số lùi. Bố trí chung của hộp số rất gọn. Giảm đƣợc kích
thƣớc hộp số theo chiều trục.

Hình 2.3: Hộp số cơ khí kiểu 02M:

Hình 2.4: Dẫn động điều khiển hộp số:

1.Cần chọn số; 2.Trục bị động thứ nhất; 3.Trục chủ động;

4.Trục bị động thứ hai; 5.Các te cụm vi sai cầu trƣớc; 6.Hộp
gắn bộ gắn bộ truyền lực ra cầu sau.

1.Dây cáp chọn trục trƣợt; 2.Dây cáp chọn sô;
3.Cần số; 4.Nắp hộp số.

Khi hộp số có sáu số truyền thì cơ cấu điều khiển không thể sử dụng 3 trục trƣợt theo kiểu truyền thống.
Trong hệ thống dẫn động điều khiển cho hộp số này đã sử dụng hai dây cáp: một dây cáp để lựa chọn trục
trƣợt, thƣờng gọi là ―càng lừa‖ và một cáp để chọn vị trí số. Đầu cần số chuyển động trong không gian ba
chiều. Sơ đồ dẫn động điều khiển hộp số kiểu 02M có 6 số tiến và sơ đồ chuyển động của các khâu khi
chọn trục trƣợt và chọn số cho trên các hình hình 2.4, 2.5 và 2.6.

1494


Hình 2.5: Sơ đồ chuyển động của các khâu khi chọn trục
trƣợt:
1.Thao tác qua phải hay qua trái của cần số khi chọn trục
trƣợt; 2. Dây cáp dẫn động; 3. cần điều khiển; 4. Trục
trƣợt; 5. Càng gài và bộ đồng tốc; 6. Bánh răng gài số.

Hình 2.6: Sơ đồ chuyển động của các khâu khi chọn số:
1.Thao tác di chuyển lên hay xuống của cần số khi
chuyển số; 2. Dây cáp dẫn động; 3. Cần điều khiển;
4.Trục trƣợt; 5. Càng gài và bộ đồng tốc; 6. Bánh răng
gài số

Giải pháp 3: Sử dụng ly hợp đôi để giảm tối đa thời gian sang số
Nhƣợc điểm lớn nữa của hộp số có cấp là khi chuyển số, dịng cơng suất truyền bị gián đoạn, ảnh hƣởng
lớn đến tính năng thơng qua của ô tô. Đồng thời, khi sang số phải tốn một khoảng thời gian, dù nhỏ t .

Do đó, trong q trình đổi số, tốc độ của ơ tơ bị giảm, thời gian tăng tốc bị tăng lên làm tăng quãng đƣờng
tăng tốc, giảm vận tốc trung bình của ô tô. Vấn đề đƣợc đặt ra là tìm các giải pháp kết cấu để quá trình đổi
số phải đơn giản, nhẹ nhàng và lái xe chỉ cần thực hiện ít thao tác; giảm tối đa thời gian chuyển số, cho

t  0 trong khi vẫn sử dụng hộp số cơ khí có cấp.
Mong muốn ―khi chuyển số, dịng cơng suất truyền không bị gián đoạn‖ là tiền đề cho hệ thống điều khiển
tự động hộp số, đƣợc Rudolf Frank đề xuất từ năm 1940 trong phát minh của mình về hộp số cơ khí có 4
số truyền (hình 2.7) sử dụng hai ly hợp (tạm gọi là ly hợp đôi). Kết cấu trong phát minh này chứa đựng
hầu nhƣ tất cả các đặc điểm của kết cấu hiện đại nhƣng 30 năm sau phát mình của Frank, nhóm nghiên
cứu Porsche (năm 1970) đã thực hiện không thành công đề tài này trên chiếc ô tô thể thao 962C. Đề tài
này cũng đƣợc hãng sản xuất ô tô Audi thử nghiệm với hộp số có ―ly hợp khơ‖. Tuy nhiên, ý định đƣa vào
sản xuất hàng loạt các ô tô có ly hợp đơi đã khơng thành cơng, tốn q nhiều thời gian cho việc điều khiển
( t quá lớn ) do thời đó các ngành kỹ thuật cơng nghệ cao liên quan chƣa phát triển, đặc biệt là kỹ thuật
điện tử, kỹ thuật về truyền động thủy lực và khí nén.
Từ năm 2003, hãng ơ tơ Volkswagen và Audi khi phối hợp với các tập đoàn chuyên về ly hợp và thủy lực
(hãng Borg Warner) và chuyên về kỹ thuật điện tử (hãng Temic) đã thực hiện thành công trong việc kết
nối hộp số cơ khí với 2 ly hợp đóng-ngắt (ly hợp đơi 02E) trong các ơ tơ đƣợc sản xuất ra hàng loạt của
hãng. Nó mang tên ―hộp số S tronic‖. Hộp số cơ khí với ly hợp đôi S tronic không những đáp ứng đƣợc

1495


những u cầu đã đặt ra mà cịn có những ƣu điểm cơ bản của hộp số cơ khí có cấp kết hợp với những ƣu
điểm của hộp số tự động hiện đại. Chính vì vậy, S tronic cũng có thể gọi là hộp số cơ khí có cấp (6 số
truyền) và cũng có thể gọi là hộp số tự động (tự động điều khiển và dịng cơng suất khơng bị gián đoạn khi
chuyển số). Ta có một so sánh dƣới đây:

Hình 2.7: Bản vẽ phát minh của Rudolf Frank năm 1940

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]

Nguyễn Hữu C n – Phan Đình Kiên, Thiết kế và tính tốn ơ tơ máy kéo, Nhà xuất bản Đại học và
trung học chuyên nghiệp Hà Nội, 1987.

[2]

Nguyễn Hữu C n, Dƣ Quốc Thịnh, Phạm Minh Thái, Nguyễn Văn Tài, Lê Thị Vàng. Lý thuyết ô tô
máy kéo. Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2000.

[3]

Nguyễn Khắc Trai, Hệ thống truyền lực ô tô con, Nhà xuất bản Giao thông vận tải, 1999,

[4]

Nguyễn Nƣớc, Kết cấu và tính tốn ơ tơ, tập 1, ĐH Giao Thông Vận

1496


[5]

Harald Naunheimer –Bernd Bertsche- Joachim Ryborz – Wolfgang Novak, Automotive
tránmissions, Springer, 2010.

[6]

Е. КОЧНЕВ. ЛЮДИ-АВТОМОБИЛИ-РЕКОРДЫ. М. Молодая гвардия, 1982.

[7]

АВТОМОБИЛЬ: КОНСТРУКЦИЯ, КОНСТРУИРОВАНИЯ И РАСЧЕТ ТРАНСМИССИЯ.
Под ред. д-ра техн. наук проф. А.И. Гришкевича. Минск, ―Вышэйшая школа‖.1985

[8]

www.audi.ru

1497