Là một phần đóng góp rất quan trọng đến cảm giác lái năng động và thể thao đặc trưng của những chiếc xe Porsche, hộp số ly hợp kép PDK có lịch sử hào hùng và từng được biết đến như một đột phá về công nghệ ưu việt đến mức có lúc suýt nữa đã làm cho hộp số sàn phải bị khai tử.
Hộp số ly hợp kép PDK (Porsche Doppelkupplungsgetriebe) của Porsche là một trong số những điều mang tính chất đặc trưng nhất mỗi khi có ai đó nhắc đến nhà sản xuất xe thể thao đến từ nước Đức này, thứ còn lại là dòng xe 911 xứng tầm huyền thoại. Không chỉ được coi là một trong những kiệt tác cơ khí của ngành công nghiệp ô tô toàn cầu, hộp số ly hợp kép PDK còn sở hữu bề dày lịch sử khi nguồn gốc của nó xuất phát từ những năm 1960.
Mới đây, Porsche đã chia sẻ một số góc nhìn sâu sắc về quá trình phát triển hộp số ly hợp kép PDK, lý do vì sao nó được ra đời cũng như những khó khăn và thách thức gặp phải trong suốt một khoảng thời gian dài. Ý tưởng về hộp số PDK lần đầu tiên được nêu ra bởi một kỹ sư có tên Imre Szodfridt. Ông đã trình bày ý tưởng này với Ferdinand Piech – Trưởng bộ phận Phát triển của Porsche vào thời điểm đó. Szodfridt đã cố gắng chế tạo hộp số ly hợp kép nhưng bị hạn chế bởi công nghệ tại thời điểm lúc bấy giờ. Thế nên ý tưởng này tạm thời được “cất đi” và phải chờ đến khi một vị kỹ sư khác có tên Rainer Wust xuất hiện thì việc phát triển hộp số PDK mới được tiếp tục triển khai.
Ông Wust nhớ lại: “Szodfridt là một người rất thông minh, với nền tảng kiến thức uyên thâm và sở hữu những ý tưởng vô cùng táo bạo. Ông ta muốn kết hợp những gì tốt nhất của hộp số sàn và hộp số tự động vào một loại hộp số hoàn hảo nhất. Toàn bộ những công việc ông đã làm trong quá trình nghiên cứu sơ bộ trước đây đã giúp ích rất nhiều cho chúng tôi về sau này.”
Rainer Wust bắt đầu làm việc tại Porsche với tư cách là kỹ sư thử nghiệm hộp số vào năm 1971. Sau 10 năm làm việc tại Porsche, ở tuổi 35 ông chính thức trở thành giám đốc kỹ thuật chịu trách nhiệm dự án phát triển hộp số ly hợp kép PDK của Porsche. Điều đầu tiên mà Wust làm sau khi nhận chức vụ mới là vào trong kho lưu trữ và lấy ra nguyên mẫu hộp số đã được kỹ sư Imre Szodfridt nghiên cứu và phát triển dang dở trước kia.
“Tất cả mọi người đều tôn trọng những gì Szodfridt đã làm được, cả tôi cũng thế. Đó là cả một khối lượng công việc khổng lồ, trong khi tôi vào lúc đó chỉ là nhân sự mới vào nghề chưa lâu, thế nên áp lực là vô cùng lớn. Tuy nhiên đồng thời đó cũng là một cơ hội tuyệt vời mà không phải lúc nào cũng gặp được. Giờ đây nhìn lại, đó thực sự là một câu chuyện đáng nhớ,” ông Wust chia sẻ.
Wust và các cộng sự cố gắng tìm hiểu cách thức hộp số từng được Szodfridt phát triển hoạt động ra sao, nhằm xác định hướng đi tiếp theo là tiếp tục cải tiến dựa trên những gì sẵn có, hoặc là bỏ đi hết để làm lại từ đầu. “Chúng tôi nhận ra rằng van khí nén là một yếu tố quan trọng và tập trung vào đây, sau đó chuyển đổi sang cơ chế hoạt động bằng thủy lực. Đó là công việc rất phức tạp, nhưng kết quả nó đem lại khiến tất cả hài lòng.”
Bước tiếp theo là lắp hộp số này vào một chiếc xe để tiến hành các bài thử nghiệm vận hành trên thực tế và chiếc 944 Turbo đã được chọn. Theo quá trình phát triển lịch sử của Porsche, chiếc 944 Turbo rốt cuộc đã phải lùi lại phía sau cánh gà sân khấu để nhường chỗ cho Porsche 911 tỏa sáng, nhưng hộp số ly hợp kép PDK vẫn tiếp tục tồn tại đến ngày nay.
Khi nhìn lại những hình ảnh về hộp số ly hợp kép PDK sau khi được lắp đặt vào bên trong 944 Turbo, chắc hẳn nhiều người sẽ ngạc nhiên vì mọi thứ gọn gàng thế nào. Một bộ chuyển số đơn giản có dấu trừ ở trên và dấu cộng ở dưới. Cấu trúc này cũng sẽ dần dần được trau chuốt để trở thành mặc định trên hầu hết các xe Porsche về sau này.
Ngày nay, loại hộp số như PDK được coi là cực kỳ đơn giản. Cấu tạo của hộp số này thực chất bao gồm 2 hộp số phụ, mỗi hộp số có bộ ly hợp riêng. Tại một thời điểm, chỉ có một bộ ly hợp hoạt động trong phạm vi cấp số của nó, trong khi bộ ly hợp còn lại ở trong tư thế sẵn sàng để chuyển đến cấp số tiếp theo đã được mồi sẵn từ trước. Cấp số được thay đổi bằng cách đóng ly hợp đang hoạt động đồng thời mở ly hợp còn lại.
Tại thời điểm chiếc 944 Turbo được ra mắt, nó đã khiến tất cả mọi người phải kinh ngạc về khả năng hoạt động nhanh nhạy của hộp số ly hợp kép PDK. Nguyên lý vận hành tưởng chừng rất đơn giản ấy lại là giải pháp tối ưu nhất để khắc phục những nhược điểm của hộp số tự động dùng biến mô thủy lực tại thời điểm đó, vốn còn sơ khai do những giới hạn của công nghệ.
Tất nhiên, 944 Turbo chỉ là bước đầu tiên. Cũng như nhiều thành tựu khác của Porsche, việc đạt được sự ca tụng trên một chiếc xe thương mại là chưa đủ và nó cần phải gây trầm trồ cũng như chứng minh được khả năng trên đường đua nóng bỏng. Helmuth Bott – Trưởng bộ phận Phát triển của Porsche vào thời điểm đó tin rằng hộp số ly hợp kép PDK sẽ là lựa chọn tốt nhất để áp dụng cho chiếc Porsche 956 tham gia các giải đua sức bền. Ngay lập tức, các tay đua đã nhận ra tiềm năng to lớn của loại hộp số này và yêu thích nó.
Hans-Joachim Stuck – người đã từng đua cho Brabham, BMW và Ford cho biết: “Chúng tôi có thể sang số và lái xe nhanh hơn đáng kể mà không làm gián đoạn quá trình truyền động của động cơ. Cảm giác thật tuyệt khi vừa có thể giữ vô-lăng và vừa chuyển số ở mức ga tối đa, đó là điều mà trước đó tưởng chừng bất khả thi!”
Theo lời Wust kể lại, chính Stuck là người có ý tưởng đặt cần số trên vô-lăng và nhờ có hộp số PDK nên đề xuất mang tính đột phá này sau đó đã trở thành hiện thực. Những lợi thế cho cuộc đua là rất đáng kể. Các tay đua không còn phải rời tay khỏi vô-lăng để thao tác chuyển số khi vào cua, tiết kiệm công sức cũng như tranh thủ tập trung duy trì tốc độ xe không bị giảm đi quá nhiều, sau đó đạt được vận tốc cao hơn ở những đoạn thẳng bứt tốc tiếp theo.
Wust nhớ lại: “Jacky Ickx nhanh chóng học cách phanh bằng chân trái khi vào cua và tăng tốc bằng chân phải để duy trì hiệu quả của bộ tăng áp bên trong động cơ. Điều này giúp anh ta thoát ra khỏi góc cua nhanh hơn đáng kể.” Cũng không còn khả năng bị trượt bánh nữa và người lái có thể phanh muộn hơn trước khi vào cua vì PDK chuyển số với tốc độ rất kịp thời.
Tuy nhiên theo Wust thì hộp số ly hợp kép PDK vẫn còn tồn tại một vấn đề tương đối nghiêm trọng. Đó là mỗi khi chuyển số, người lái sẽ nhận được một cú giật mạnh vào lưng – nếu bạn đã từng lái một chiếc xe số tự động đời cũ thì hẳn bạn sẽ không mấy xa lạ với cảm giác này. Lý do là bởi hệ thống điều khiển ly hợp vẫn chưa đạt đến độ hoàn thiện cao.
Đối với các tay đua thì điều đó không phải là thứ đáng lo nhất so với muôn vàn khó khăn khác mà họ thường xuyên phải đương đầu trên đường đua, thậm chí còn góp phần đem lại sự kích thích, như thể cổ vũ họ tiến về phía trước. “Tuy nhiên, những cú giật này gây áp lực lớn lên hộp số và toàn bộ trục truyền động. Trong nhiều trường hợp, lượng mô-men xoắn dư thừa đã khiến cho chiếc xe trở nên khó kiểm soát. Có những ngày tôi trở về nhà và chỉ muốn từ bỏ công việc vì không thể tìm ra cách giải quyết, ” Wust kể lại.
Sau này, nhóm nghiên cứu của Wust đã cố gắng tìm cách giảm quán tính của bộ truyền động và lắp nó vào chiếc 962. Lần này PDK thực sự được sử dụng trong một loạt cuộc đua, giành chiến thắng đầu tiên vào năm 1986 với Derek Bell trong chặng đua có quãng đường dài hơn 360 km tại Monza (Italia). Chiếc 962 với hộp số PDK cũng giành được chức vô địch giải đua xe thể thao thế giới năm 1986.
Không chỉ dừng lại trong phạm vi xe Porsche, hộp số ly hợp kép PDK này cũng được trang bị cho chiếc Audi Sport-Quattro S1 và giúp tay đua Walter Röhrl giành chiến thắng chung cuộc trong giải đua Semperit-Rallye vào cuối năm 1985. Sau này khi cả Porsche và Audi đều về dưới trướng tập đoàn Volkswagen, hộp số PDK tiếp tục được cải thiện và đạt đến độ chín muồi để có thể được đưa sang các nhãn hiệu xe khác, bắt đầu từ chiếc Volkswagen Golf R32 đời 2003 dưới cái tên là hộp số Direct Shift Gearbox (DSG).
Wust nói: “Chúng tôi đã đi trước thời đại ít nhất 20 năm. Cùng với sự phát triển của cơ chế van và các thiết bị điều khiển bằng điện tử, vẫn còn những thứ khác chưa đủ hoàn thiện để có thể đưa hộp số ly hợp kép PDK vào sản xuất hàng loạt, chẳng hạn như điều kiện để triển khai bộ ly hợp ướt. Sự thay đổi đáng kể xảy ra vào đầu những năm 2000 khi Ferdinand Piech quan tâm nhiều hơn. Khi trở thành ông chủ của Volkswagen và có nhiều quyền lực hơn, ông đã giúp PDK thực sự cất cánh.”
Một hộp số PDK hiện đại ngày nay có ly hợp ngoài đường kính 202 mm, ly hợp trong đường kính 153 mm. Mỗi một ly hợp dẫn động một trục. Ly hợp lớn làm quay trục đặc, trục này cài ăn khớp các cặp bánh răng ứng với số 1, số 3, số 5, số 7 và số lùi. Ly hợp nhỏ làm quay trục rỗng, trục này được lồng bên ngoài trục đặc, bởi vậy mà cả hai sẽ được đồng trục. Trục rỗng nối với các bánh răng tương ứng số 2, số 4 và số 6.
Khi đặt ở vị trí đi (D), máy tính di chuyển bánh răng trung gian đến ăn khớp với bánh răng ứng với số 1 trên trục thứ cấp, nhưng lúc này ly hợp vẫn ngắt. Khi bạn đạp bàn đạp ga, máy tính điều khiển để ép ly hợp lớn một cách êm dịu làm cho chiếc xe di chuyển. Bạn đạp bàn đạp nhanh hơn, ly hợp sẽ đóng nhanh hơn.
Khi chạy trên đường, bánh răng thứ 2 sẵn sàng ăn khớp bởi một trục khác, nhưng ly hợp dẫn động nó chưa đóng. Tại một thời điểm nào đó cần sang số 2, máy tính chỉ làm nhiệm vụ đơn giản là nhả ly hợp lớn và đóng ly hợp nhỏ. Khi đó bánh răng thứ 2 bắt đầu làm nhiệm vụ truyền công suất. Trong khi bạn lái xe ở số 2 thì máy tính sẽ phân tích trạng thái chuyển động của xe để quyết định tiếp tục chuyển sang số 3 hay về số 1, việc lựa chọn trước trong hộp số và sẵn sàng cho sự di chuyển.
Trong suốt thời gian lái, máy tính sẽ chuyển đổi giữa hai ly hợp, chuyển đổi các cặp bánh răng ăn khớp, từ số 1 đến số 7 một cách êm dịu và hiệu quả. Nó hiệu quả là bởi vì loại hộp số này đem lại hiệu suất đương đương với hiệu suất của hộp số sàn cùng nhưng thuận tiện như hộp số tự động.
Với hộp số PDK, sự di chuyển giữa các cặp bánh răng mất ít hơn 0,42 giây. Nó nhanh hơn 60% với tự động thông thường và nhanh hơn rất nhiều so với một lái xe lão luyện sử dụng số sàn. Nút điều khiển chuyển số được tích hợp trên vô-lăng.
Ưu điểm của hộp số PDK là: giảm khối lượng, tăng hiệu suất bởi việc thiết kế bánh răng, giảm lực cản đáng kể do yêu cầu một mức dầu thấp tăng tính kinh tế nhiên liệu và tỉ số truyền 0.62:1 của số 7, và tối ưu hóa chương trình điều khiển.
Đến nay, khi nhìn lại cả quá trình phát triển hộp số PDK, Wust nói: “PDK chắc chắn là một điểm nhấn trong 38 năm làm việc của tôi tại Porsche. Có rất nhiều dự án tôi thích thú nhưng đây là một trong những dự án tôi tâm đắc nhất. Khi tôi nhìn thấy một chiếc xe với hộp số PDK đi trên đường ngày hôm nay, tôi biết một phần của tôi đã ở bên trong đó. Và đây là một sự phát triển tuyệt vời.”
Tham khảo Porsche
