Từ chỗ chỉ có một vài cấp số như 4 cấp, 5 cấp hay 6 cấp thì hiện nay hộp số tự động trên các mẫu xe ô tô dùng động cơ đốt trong đã đạt được bước tiến vượt bậc khi có 8 cấp, 9 cấp hoặc thậm chí 10 cấp và vẫn còn có thể tăng lên thêm nữa. Vậy tại sao hộp số tự động của ô tô lại cần nhiều cấp số và bao nhiêu cấp số là tối ưu?
Kể từ khi thiết kế hộp số tự động dành cho ô tô hiện đại được ra đời đến nay đã gần một thế kỷ, tuy nhiên hầu hết những cải tiến mang tính chất đột phá đều diễn ra khi nhân loại bắt đầu bước qua những năm 2000.
Năm 1939, General Motors (GM) lần đầu giới thiệu hộp số tự động Hydra-Matic với 4 cấp số và trở nên rất phổ biến, được nhiều hãng khác ứng dụng cho sản phẩm của họ. Sau này hãng Mỹ còn cho ra mắt thêm phiên bản Turbo Hydra-Matic với 3 cấp số. Những lựa chọn hộp số tự động 2 cấp, 3 cấp và 4 cấp đều được coi là tiêu chuẩn của ngành xe cho đến hết thập niên 1980.
Năm 1991, hãng ZF giới thiệu hộp số tự động 5 cấp đầu tiên trên thế giới với tên gọi 5HP18, được ứng dụng trên nhiều mẫu xe BMW. Tiếp đến là ZF 6HP26, hộp số tự động 6 cấp đầu tiên trên thế giới, ra mắt cùng mẫu BMW 7 Series E65 năm 2002. Một năm sau đó vào 2003, hộp số tự động 7 cấp đầu tiên trên thế giới được giới thiệu bởi Mercedes-Benz với tên 7G-Tronic.
Đến 2007, hộp số tự động 8 cấp đầu tiên trên thế giới được sản xuất hàng loạt là Toyota AA80E dùng công nghệ Aisin. Danh hiệu hộp số tự động 9 cấp đầu tiên quay trở lại với ZF thông qua mẫu 9HP vào năm 2013. Tuy nhiên đến 2017, Toyota tiếp tục vượt lên trước khi cho ra mắt hộp số tự động 10 cấp đầu tiên trên thế giới là Direct Shift-10AT dùng cho mẫu xe thể thao Lexus LC 500.
Có thể thấy, công nghệ sản xuất ô tô càng phát triển thì việc tăng số lượng các cấp số của hộp số tự động dành cho xe dùng động cơ đốt trong lại càng trở thành xu hướng. Rõ ràng là các nhà sản xuất không chỉ chi tiền cho việc nghiên cứu và phát triển để bổ sung thêm linh kiện cho sản phẩm của mình mà không có lý do. Họ luôn có nhu cầu cải thiện khả năng vận hành đồng thời sử dụng nhiên liệu hiệu quả hơn, nhất là khi các vấn đề về môi trường đang ngày càng khắt khe ở nhiều quốc gia.
Cơ chế hoạt động cơ bản của hộp số tự động ô tô
Trước khi đi vào nguyên nhân vì sao lại có xu hướng tăng cấp số cho hộp số tự động, cần phải đề cập đến tỷ số truyền. Trong kỹ thuật cơ khí hiện nay, tỷ số truyền là thước đo trực tiếp của phần trăm tốc độ quay của hai hoặc nhiều bánh răng lồng vào nhau. Hộp số thực chất là một cơ cấu gồm nhiều dãy bánh răng hành tinh, có nhiệm vụ tạo tỷ số truyền, điều khiển việc giảm tốc, đảo chiều, nối trực tiếp và tăng tốc.
Mục đích chính của tỷ số truyền là điều chỉnh lượng sức kéo (mô-men xoắn) được truyền từ động cơ đến các bánh xe được dẫn động, sao cho phù hợp với trạng thái và tốc độ di chuyển của xe. Ở vị trí đứng yên, cần huy động sức kéo tối đa để cho xe lăn bánh xuất phát, lúc này hộp số tự động dùng số thấp với tỷ số truyền lớn và xe có thể di chuyển, nhưng không thể đạt được vận tốc cao. Khi xe càng tăng tốc, hộp số tự động tiếp tục chuyển lên các cấp số cao hơn với tỷ số truyền nhỏ dần, lượng sức kéo không còn quá lớn nhưng ngưỡng giới hạn về tốc độ tối đa tăng dần, để xe có thể chạm đến những mức vận tốc cao hơn.
Các mẫu xe dùng động cơ đốt trong cần phải duy trì thông số vòng tua máy (RPM – số vòng quay trên một phút) nhất định để vận hành đúng thiết kế. Nếu vòng tua máy quá thấp, động cơ sẽ ngắt (“chết máy”) nhưng ngược lại nếu vòng tua máy quá cao sẽ gây tổn hại nghiêm trọng đến động cơ, dẫn đến hư hỏng vĩnh viễn. Hộp số tự động được thiết kế để luôn đảm bảo động cơ sẽ hoạt động trong ngưỡng vòng tua máy an toàn, không quá thấp cũng như không quá cao.
Mục đích của hộp số tự động nhiều cấp
Có 2 lý do chính khiến việc hộp số có nhiều cấp số sẽ tốt hơn so với loại sở hữu ít cấp số hơn nó, tất nhiên là với điều kiện mọi thiết kế kỹ thuật đều đã được tối ưu: tính hiệu quả và sự thoải mái khi lái xe.
Giả sử có 2 mẫu xe giống hệt nhau về tất cả các phương diện ngoại trừ hộp số: một chiếc dùng hộp số 3 cấp trong khi chiếc còn lại trang bị hộp số 7 cấp. Lượng mô-men xoắn và động lượng cần thiết để đạt được tỷ số truyền 1:1 là như nhau bất kể có bao nhiêu cấp số.
Sự khác biệt ở đây là: trong khi một chiếc chỉ có 3 bước số để chuyển qua sao cho đạt tới mức tỷ số truyền 1:1, thì chiếc còn lại có hẳn từ 5 cho đến 6 bước số để thoải mái lựa chọn (vì 1:1 hiếm khi là tỷ số truyền của cấp số cao nhất trong các hộp số tự động hiện đại). Càng có nhiều cấp số, chiếc xe càng đem lại cảm giác mượt mà khi hộp số thực hiện chuyển cấp, vì động cơ không cần phải đạt vòng tua cao mới có thể chuyển lên cấp số tiếp theo, như trường hợp của các hộp số ít cấp.
Scott Kline, trợ lý kỹ sư trưởng dự án phát triển phiên bản 9 cấp của hộp số tự động Hydra-Matic, cho biết rằng một trong những tác dụng quan trọng nhất của việc tăng số lượng các cấp trong hộp số chính là để mang lại trải nghiệm tốt hơn cho người dùng. Khi số cấp trong một hộp số càng tăng thêm, khác biệt về tỷ số truyền của các cấp số sẽ trở nên nhỏ hơn, làm cho các bước chuyển số ngắn hơn, từ đó giảm bớt sự rung động do vòng tua máy cao.
Các quãng số nhỏ trong hộp số nhiều cấp cho phép động cơ vận hành tối ưu ở mỗi cấp số. Điều này mang đến cảm giác chân ga lanh lẹ và chuyển số êm mượt hơn, chưa kể đến việc lên xuống số nhanh chóng và có nhiều lựa chọn hơn để vào số.
Động cơ càng có nhiều lựa chọn cấp số thì số vòng tua máy mà nó phải thực hiện sẽ giảm xuống. Điều này cho phép động cơ hoạt động ở vòng tua thấp hơn trong khi vẫn giữ cho xe vận hành ở tốc độ mà người lái mong muốn. Ngược lại, với một hộp số ít cấp hơn, động cơ sẽ phải hoạt động ở vòng tua máy cao hơn. Điều này là do đặc tính của hộp số luôn phải lựa chọn cấp số nào phù hợp nhất với tốc độ hiện tại của xe.
“Vì vậy, người lái sẽ cảm nhận được việc chuyển số sẽ trở nên rất chính xác và mượt mà. Hộp số nhiều cấp làm tốt cả hai vai trò là đảm bảo tiết kiệm nhiên liệu và cảm giác êm ái khi chuyển số.” – Kline nói.
Khả năng tiết kiệm nhiên liệu hiệu quả hơn của hộp số nhiều cấp cũng là một lợi ích to lớn. Mike Solt, giám đốc phụ trách hộp số tự động của FCA, cho biết: “Lý do chúng tôi sử dụng hộp số nhiều cấp là để giúp động cơ có thể vận hành ở hoặc gần điểm tối ưu nhất có thể. Hộp số càng có nhiều cấp, nó sẽ càng hoạt động thường xuyên ở những điểm tối ưu, qua đó giúp hạn chế những sự lãng phí do thất thoát năng lượng không cần thiết.”
Hộp số càng nhiều cấp thì càng tốt?
Mục tiêu cuối cùng của hộp số là giữ cho động cơ hoạt động ở trạng thái hiệu quả nhất trong điều kiện sử dụng bình thường, hoặc tại vòng tua có mô-men xoắn cao nhất khi cần phát huy hiệu năng vận hành tối đa (chẳng hạn như lúc vượt xe hoặc leo dốc).
Không ít người sẽ thắc mắc, nếu như các loại hộp số tự động nhiều cấp ưu việt như vậy, sao chúng không xuất hiện sớm hơn, mà phải để những hộp số từ 4 cấp đến 6 cấp thống trị suốt một thời gian dài? Câu trả lời đơn giản là do hạn chế về công nghệ. Rõ ràng là khi có nhiều bộ phận cần điều khiển hơn, mọi thứ càng trở nên phức tạp hơn so với những thiết kế hộp số ít cấp và do đó, nhiều sự cố tiềm năng có thể xảy ra.
Kline cho biết: “Với các hộp số tự động từ 8 cấp trở lên, chúng tôi nhận thấy rằng các mục tiêu về khả năng tiết kiệm nhiên liệu và độ chính xác khi chuyển đến đúng cấp số mong muốn đều đã đạt được. Tất nhiên, luôn có những sự đánh đổi. Vì phải thêm nhiều bộ phận, chi phí sẽ phát sinh nhiều hơn. Bạn sẽ phải cân bằng tất cả những thứ đó.”
Cũng khá nghiêm trọng là các vấn đề về kích thước và khối lượng. Ở những chiếc xe trước đây, quy trình và kỹ thuật sản xuất đơn giản là không đáp ứng được yêu cầu chế tạo các bộ phận nhỏ ở bên trong hộp số hiện đại. Nếu như hộp số tự động 8 cấp mà được chế tạo bằng kỹ thuật sản xuất từ năm 1970 sẽ rất to lớn và nặng nề tới mức khó có thể ứng dụng hợp lý vào thực tế. Lúc đó, lợi ích của việc bổ sung thêm 4 cấp số sẽ hoàn toàn bị lu mờ bởi gánh nặng tăng thêm của chính hộp số đối với thân xe. Chưa kể, kỹ thuật chế tác lạc hậu sẽ khiến hộp số 8 cấp nếu ra đời vào thời kỳ đó sẽ còn kém ổn định hơn so với các loại hộp số 3 cấp.
Chi phí mà khách hàng phải gánh chịu cũng là một yếu tố cần phải cân nhắc. Các nhà sản xuất hoàn toàn có thể chế tạo ra những hộp số tự động với nhiều cấp số từ rất sớm, nhưng chi phí cực kỳ đắt đỏ khi làm như vậy có nghĩa là thị trường cho loại hộp số đó sẽ bị hạn chế. Giống như tất cả các công nghệ khác, chi phí sản xuất giảm dần theo thời gian và phải chờ đến lúc thích hợp thì hộp số nhiều cấp mới có thể trở nên phổ biến.
Mức độ phát triển vượt bậc của thiết bị điện toán trong vòng 20 năm trở lại đây cũng góp phần làm cho các hộp số nhiều cấp trở thành hiện thực. Chẳng hạn, hộp số 10 cấp được Ford giới thiệu năm 2017 trang bị máy tính với hơn 1 triệu dòng lệnh, với khả năng chọn đúng cấp số cực kỳ chính xác. Hộp số 10 cấp này không bắt buộc phải chuyển số tuần tự mà có thể bỏ qua các cấp số không cần thiết, khoảng tối đa 4 hoặc 5 bước chuyển số tùy vào thời điểm và tốc độ của xe, miễn sao có thể sang số nhanh chóng nhất.
“Với nhiều cấp hơn, khoảng cách giữa các cấp số cũng rất nhỏ. Vì vậy hộp số có thể chọn chính xác tỷ số truyền bạn cần. Thường thì người lái sẽ không nhận thấy được rằng hộp số có nhiều cấp hơn hay có nhiều bước chuyển số hơn. Họ sẽ chỉ cảm thấy rằng khả năng phản hồi chân ga tốt hơn, đồng thời hiệu suất nhiên liệu của xe được cải thiện đáng kể.” – Kevin Norris, Giám đốc bộ phận phát triển hộp số 10 cấp của Ford, cho biết.
Hầu hết các kỹ sư đều tin rằng số lượng cấp số trong các loại hộp số tự động tối tân nhất hiện nay đều đã đạt đến mức tối ưu nhất. Bất kỳ thay đổi gì khác sẽ không đem lại nhiều giá trị cho hộp số.
“Tại Ford, chúng tôi đã thực hiện rất nhiều nghiên cứu và phân tích về tất cả các ứng dụng của những thiết kế hộp số mới. Chúng tôi nhận thấy rằng các lợi ích là có thể cảm nhận được khi hộp số có từ 8 đến 10 cấp,” Norris nói. “Tuy nhiên, với những phân tích sâu hơn, khi số cấp của hộp số lên đến ngưỡng 11 hoặc 12 cấp thì lợi ích của nó đối với xe dân dụng không còn đáng kể nữa. Việc vượt ra khỏi phạm vi 10 cấp cũng sẽ dẫn đến nhiều vấn đề khó giải quyết về thiết kế.”
Dẫu vậy, mới chỉ cách đây một thập kỷ thôi, ý tưởng về hộp số 10 cấp đã từng có vẻ rất điên rồ. Do đó, chúng ta không bao giờ biết được tương lai sẽ ra sao, nhất là khi xe động cơ đốt trong đang phải chịu sức ép cạnh tranh từ xe thuần điện và buộc phải cải tiến liên tục nhằm thu hút khách hàng.
Tổng hợp
Le Hai.