Ưu & nhược của động cơ nằm ngang và động cơ nằm dọc trên xe hơi

0

Thiết lập động cơ nằm ngang được nhiều hãng sử dụng cho nhiều dòng xe ở hầu hết mọi phân khúc, tuy nhiên thiết lập động cơ nằm dọc vẫn tồn tại và được cho là có những lợi thế nhất định trong một số điều kiện vận hành. Khác biệt giữa chúng sẽ ảnh hưởng thế nào đến quyết định mua xe của bạn?

Trong thế giới ô tô, có 2 kiểu thiết lập hướng sắp xếp động cơ là động cơ nằm ngang (transverse engine) và động cơ nằm dọc (longitudinal engine). Mỗi kiểu đều có những lợi ích và hạn chế riêng, có thể chi phối việc lựa chọn đúng loại xe phù hợp với nhu cầu và mục đích sử dụng.

Cách định hướng động cơ ảnh hưởng rất lớn đến phần còn lại của thiết kế xe hơi. Xe có nên dẫn động cầu sau? Kích thước của động cơ được mong đợi? Có vấn đề về không gian nào có thể ảnh hưởng đến hướng động cơ nằm không? Tất cả những câu hỏi này phải được trả lời bởi các kỹ sư chịu trách nhiệm về ô tô, vì việc thiết lập hệ thống truyền động có thể có tác động lớn đến cách ô tô di chuyển, xử lý và dừng lại.

Động cơ nằm ngang

Đúng như tên gọi của kiểu thiết lập này, động cơ nằm ngang được lắp sao cho các xy-lanh xếp theo đường thẳng vuông góc với hướng di chuyển (chiều dài của chiếc xe). Kiểu động cơ nằm ngang chủ yếu được sử dụng trong các mẫu xe có kết cấu dẫn động cầu trước và động cơ nằm ở phía trước, nhưng cũng có thể xuất hiện trong các kết cấu khác như động cơ ở giữa hoặc phía sau xe, dẫn động cầu sau hoặc dẫn động 4 bánh, mặc dù nhìn chung là hiếm hơn.

Khi hãng xe quyết định thiết kế động cơ nằm ngang, đồng nghĩa với việc họ sẽ sắp xếp sao cho động cơ, hộp số và bộ vi sai cũng nằm chung với nhau, tạo thành một cụm có kết cấu chặt chẽ và có trục truyền động nhô ra từ hai bên. Đó là lý do vì sao mà hộp số của xe dẫn động cầu trước, động cơ nằm ngang thường được gọi là “transaxle”, khác với “transmission” là loại hộp số nằm riêng rẽ tách biệt khỏi vi sai, thường thấy ở xe dẫn động cầu sau.

Kiểu thiết lập này trở nên phổ biến từ thời những chiếc xe BMC Mini được giới thiệu năm 1959. Khi đó, việc đưa hộp số vào chung một cụm với động cơ là thiết kế mang tính cách mạng, tạo nên hệ thống truyền động chỉ chiếm một không gian nhỏ trong khoang động cơ, từ đó giúp tối đa hóa không gian nội thất để sử dụng cho hành khách và đồ đạc chở theo lên tới 80% diện tích sàn. Điều này có nghĩa là động cơ A-Series dung tích lớn và tương đối mạnh mẽ có thể nằm gọn trong thân hình chiếc Mini nhỏ bé, mang lại hiệu suất vận hành ấn tượng ở thời kỳ đó.

Khi phát sinh nhu cầu về động cơ lớn hơn và hộp số nhiều cấp hơn, hộp số được chuyển sang một bên của khối động cơ cùng với bộ vi sai lệch tâm để lắp trục truyền động thông qua khớp CV một cách đơn giản. Do hộp số nằm ở một bên của khoang động cơ, trục truyền động phải có chiều dài khác nhau để tiếp cận các bánh xe, khác với kiểu thiết lập động cơ nằm dọc với các trục truyền động có chiều dài bằng nhau.

Động cơ nằm ngang đã trở thành tiêu chuẩn trên những chiếc ô tô sản xuất hàng loạt với kích thước trung bình và nhỏ. Thông thường, động cơ lớn nhất có thể được lắp theo cách này là V6, mặc dù thỉnh thoảng vẫn tồn tại những chiếc ô tô chạy bằng động cơ V8 ngang nhưng chúng là ngoại lệ thuộc những dự án đặc biệt hoặc “làm cho vui”.

Lý do chính khiến chúng trở nên phổ biến là do yếu tố tiết kiệm diện tích, qua đó cho phép hãng xe dành thêm không gian cho hành khách sử dụng. Điều này thể hiện rõ nhất ở những chiếc xe cỡ nhỏ dùng cho đô thị, nhờ kiểu thiết lập động cơ nằm ngang nên nội thất xe vẫn có thể chở 5 người lớn và một số hành lý một cách thoải mái. Ngoài ra, sàn xe phẳng do không cần phải bố trí đường hầm truyền động như xe dẫn động cầu sau với động cơ nằm dọc, cũng giúp nội thất xe thông thoáng hơn đáng kể.

Lamborghini Miura là một trong số ít những mẫu siêu xe được thiết lập động cơ nằm ngang

Việc để động cơ nằm ngang và đặt ở phía trước cũng sẽ dồn phần lớn khối lượng của chiếc xe lên các bánh trước. Đối với những xe dẫn động cầu trước, kiểu thiết lập này góp phần giúp cho các bánh xe được truyền động có thể dễ dàng đạt độ bám đường tối đa, rõ ràng có lợi cho quá trình tăng tốc và di chuyển trên bề mặt đường trơn trượt. Cấu trúc hệ truyền động cũng không cần trở nên quá phức tạp, qua đó giảm thiểu chi phí cũng như khối lượng tổng thể, khiến xe trở nên rẻ hơn và dễ lái hơn.

Tuy nhiên, cách bố trí động cơ nằm ngang cũng có những hạn chế. Đầu tiên, sự khác biệt về chiều dài trục truyền động đến các bánh trước có thể gây ra hiện tượng truyền sức kéo động cơ không đồng đều. Bánh xe bên phía có trục truyền động dài hơn sẽ gặp phải sự thất thoát năng lượng nhiều hơn, đồng nghĩa với truyền lực kém hiệu quả hơn và xe sẽ có xu hướng “xỉa lái” nhẹ về phía đó.

Các kỹ sư cũng đã mau chóng tìm ra nhiều cách khắc phục hiện tượng này. Cách đơn giản nhất là cố gắng lấy lại sự cân bằng khi truyền sức kéo thông qua việc để trục dài hơn rỗng và bên trục còn lại đặc. Chiếc xe đầu tiên ứng dụng giải pháp này là Fiat 127 dẫn động cầu trước, sau này Ford cũng học theo để dùng cho chiếc Fiesta thế hệ thứ nhất.

Lancia Delta Integrale sử dụng động cơ 4 xi-lanh ngang tăng áp, dung tích 2.0 lít, mang lại hiệu quả tuyệt vời

Một cách khác là cân bằng chiều dài trục khi bổ sung thêm trục trung gian từ hộp số, khiến cho năng lượng thất thoát thêm tại vị trí này, hy sinh một chút hiệu quả truyền động để đem lại cảm giác lái ổn định hơn. Cũng theo triết lý này, một số hãng có thể gắn bộ vi sai ma sát thấp để cố gắng cân bằng việc truyền mô-men xoắn qua từng trục.

Động cơ nằm ngang cũng bị hạn chế về dung tích và công suất tiềm năng. Không gian theo chiều ngang ở xe dẫn động cầu trước, động cơ đặt trước không được dư dả lắm, đồng nghĩa với hầu như không thể lắp đặt động cơ dung tích lớn và hộp số phức tạp vào bên dưới nắp ca-pô.

Đây chính là lý do mà gần như toàn bộ những mẫu xe thể thao thiên về hiệu năng cao hoặc siêu xe đều không chọn thiết lập động cơ nằm ngang, thay vào đó là kiểu động cơ nằm dọc vì đáp ứng đúng yêu cầu hơn. Tuy nhiên cũng có một vài trường hợp cá biệt chẳng hạn như Noble, Toyota (với MR2) và Lamborghini (Miura) để động cơ nằm ngang và đặt giữa thân xe. Honda NSX hiện tại ban đầu được thiết kế để sử dụng động cơ V6 nằm ngang, trước khi chuyển sang thiết lập động cơ nằm dọc.

Ưu điểm của động cơ nằm ngangNhược điểm của động cơ nằm ngang
Thêm không gian cho cabinGiới hạn về công suất và dung tích động cơ
Hoạt động tốt với hộp số transaxle và dẫn động cầu trướcCó thể gây “xỉa lái” ở xe dẫn động cầu trước
Rẻ hơn và hiệu quả hơn

Động cơ nằm dọc

Đây là kiểu thiết lập thường được sử dụng trong thiết kế xe dẫn động cầu sau, đặc biệt khi cần động cơ mạnh với dung tích lớn. Những động cơ này được lắp dọc theo đường tâm của xe, tạo thành một đường thẳng từ trục khuỷu tới hộp số, trục cánh quạt và bộ vi sai cầu sau. Việc để động cơ nằm dọc trong xe dẫn động cầu trước cũng có nhưng rất hiếm, tiêu biểu là Audi từng áp dụng trên những mẫu xe tầm trung của họ, với hộp số transaxle cũng nằm dọc theo động cơ.

Động cơ nằm dọc dẫn động cầu sau. Động cơ và hôp số (màu xanh) được đặt thẳng hàng với trục truyền động

Động cơ nằm dọc dẫn động 4 bánh. Hệ thống dẫn động máy nén, máy phát, bơm nước bằng dây curoa (màu đỏ) ở phía trước cho phép dễ dàng thay thế, lắp đặt linh kiện

Động cơ nằm dọc thực ra không phải là một giải pháp tối ưu ngay từ đầu. Việc truyền sức kéo từ trục khuỷu kém hiệu quả hơn so với động cơ ngang vì vòng quay phải đổi hướng 90 độ thông qua bộ vi sai để dẫn động các bánh xe. Không gian trong cabin cũng có thể bị ảnh hưởng do vị trí lắp đặt động cơ chiếm phần lớn tại đầu xe, khiến khu vực bảng điều khiển bị đẩy về phía sau. Chưa kể, sàn xe không thể phẳng hoàn toàn do phải dành chỗ đặt đường hầm truyền động chạy dọc theo chiều dài thân xe.

Tuy nhiên, những ưu điểm của thiết lập động cơ nằm dọc mới là điều đáng nói. Đầu tiên, việc phân bổ khối lượng từ trước ra sau của toàn bộ chiếc xe sẽ đồng đều hơn, thay vì chủ yếu dồn về phía trước như kiểu động cơ nằm ngang. Điều này khiến chuyển động của chiếc xe trở nên dễ kiểm soát hơn và đặc biệt có lợi cho các loại xe dẫn động 4 bánh. Chính nhờ thiết lập động cơ nằm dọc mà các hãng xe có thể phát triển được những hệ thống dẫn động 4 bánh phức tạp, ứng dụng vi sai torsen và khớp nối nhớt trực tiếp dọc theo đường truyền từ hộp số.

Kiểu thiết lập động cơ nằm dọc cũng cho phép thực hiện hoán đổi động cơ dễ dàng hơn. Nơi đặt động cơ thường có đủ không gian cho những cỗ máy V8 to lớn, nên chẳng khó khăn gì để thay thế chúng bằng các động cơ nhỏ hơn với 6 hoặc thậm chí 4 xy-lanh nếu cần. Việc không có trục truyền động ở phía trước càng giúp đơn giản hóa mọi thứ khi so với thiết lập động cơ nằm ngang.

Ưu điểm của động cơ nằm dọcNhược điểm của động cơ nằm dọc
Có thêm không gian cho động cơ mạnh hơnKém hiệu quả
Nhiều không gian hơn trong khoang động cơGiảm không gian cabin
Cân bằng khối lượng trước/sau tốt hơnBố trí cồng kềnh

Mặc dù phần lớn những điều nêu ở trên chỉ được xem xét trong bối cảnh động cơ phía trước, chúng vẫn có thể áp dụng được với những yếu tố khác được thay đổi như việc phân bổ khối lượng, khả năng xử lý và phân phối lực. Động cơ phía sau, động cơ đặt giữa, dẫn động 4 bánh, dẫn động cầu trước và cầu sau; mọi thiết lập sẽ có trục truyền động, bộ phận khác biệt và hộp số ở những nơi khác nhau, điều này tạo ra toàn bộ danh sách ưu và nhược điểm cho từng loại.

Khác biệt thực sự giữa động cơ nằm ngang và động cơ nằm dọc chỉ phụ thuộc vào cách ứng dụng. Những chiếc xe không thiếu hoặc không ưu tiên không gian nội thất – như xe saloon và xe thể thao – có thể dễ dàng bố trí theo chiều dọc để tận dụng động cơ lớn, mạnh mẽ. Trong khi đó, phần lớn những chiếc xe hatchback đô thị sẽ chỉ phù hợp với kiểu nằm ngang để duy trì sự nhỏ gọn và gần như không có lựa chọn khác. Cả hai đều làm rất tốt công việc của mình, nhưng cuộc tranh luận này có thể sẽ không còn mấy ý nghĩa trong tương lai khi xu hướng điện hóa đang nổi lên.

Tổng hợp

Le Hai
Author: Le Hai

Bài trước90% người tiêu dùng sẵn sàng đón nhận xe điện sau 10 năm
Bài tiếp theoPorsche 911 Hybrid lộ diện cùng loạt nâng cấp ấn tượng