Trải qua hàng trăm năm đồng hành cùng sự phát triển của động cơ đốt trong, công nghệ hộp số cũng có những bước tiến đáng ghi nhận, mà tiêu biểu nhất là sự ra đời của những loại hộp số mới, tân tiến và hiện đại hơn.
Hộp số là một trong những bộ phận đóng vai trò quan trọng nhất trong hệ thống truyền lực của ô tô. Vai trò chính của hộp số là đảm bảo khả năng thay đổi tỷ số truyền (thông qua việc thay đổi các cấp số) để điều chỉnh moment từ động cơ cho phù hợp với các điều kiện vận hành khác nhau. Hiện tại, có 4 loại hộp số đang được sử dụng phổ biến trên thị trường, từ loại đơn giản nhất đến loại hiện đại, phức tạp nhất.
Hộp số sàn, số tay (MT – Manual Transmission)
Đây là loại hộp số có tuổi đời lớn nhất, đi cùng với đó là cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ và độ tin cậy cao. Loại hộp số này sử dụng ly hợp ma sát dạng đĩa để ngắt hoặc kết nối chuyển động từ động cơ xuống hộp số. Ly hợp này được điều khiển bởi người lái thông qua bàn đạp ly hợp (chân côn). Bên trong hộp số là các trục sơ cấp (đầu vào từ động cơ), trục thứ cấp (đầu ra khỏi hộp số) và trục trung gian (đối với hộp số 3 trục). Trên các trục này là các bánh răng ăn khớp cố định với nhau tạo nên các tỷ số truyền ứng với từng cấp số của xe.
Để cài số, trên các bánh răng có các vòng đồng tốc để kết nối và đồng bộ giữa bánh răng đang quay nhanh và bánh răng đang quay chậm (hoặc chưa quay) trước khi thực hiện kết nối hai bánh răng này với nhau qua vòng tự lựa. Mọi hoạt động này đều được thực hiện một cách đơn giản qua chuyển động của cần số mà người điều khiển xe theo tác trên đó.
Ưu điểm:
- Thường tiết kiệm nhiên liệu hơn hộp số tự động hay hộp số vô cấp CVT.
- Giá thành rẻ hơn so với các loại hộp số khác.
- Việc bảo trì, bảo dưỡng thường dễ dàng và ít tốn kém chi phí hơn.
- Giúp người lái kiểm soát xe tốt hơn trong nhiều tình huống.
- Việc phải sử dụng nhiều thao tác để điều khiển côn, số hợp lý giúp người lái tập trung hơn.
- Mang lại cảm giác điều khiển chân thật và thú vị hơn.
Nhược điểm:
- Điều khiển và xử lý tình huống với hộp số sàn khó hơn so với xe số tự động. Những “tay lái yếu” có thể cảm thấy căng thẳng khi vừa phải tập trung quan sát đường đi, vừa thực hiện nhiều thao tác của hộp số sàn.
- Gây bất tiện trong trường hợp tắc đường vì người lái sẽ phải thường xuyên thực hiện các thao tác với hộp số, đặc biệt là “rà côn” để giữ cho xe không tắt máy khi đường đông.
- Việc phải liên tục làm việc với bàn đạp ly hợp (chân côn) có thể sẽ khiến chân người lái bị đau nhức, nhất là sau một hành trình dài.
Trong nhiều thập kỷ, hộp số tay là lựa chọn tiêu chuẩn duy nhất để sử dụng trên các mẫu xe đua công suất lớn và các xe thể thao. Nhiều năm trở lại đây, hộp số ly hợp kép (Dual-Clutch Transmission) và hộp số bán tự động (Semi-Auto Transmission) ngày càng phổ biến hơn trên các mẫu xe đặc biệt này.
Hộp số tự động (AT – Automatic Transmission)
Hộp số tự động có đặc điểm là không có chân côn như hộp số sàn. Hộp số tự động có cấu tạo phức tạp hơn, bao gồm nhiều chi tiết được gọi là bộ bánh răng hành tinh gồm nhiều bánh răng hành tinh nhỏ xoay xung quanh bánh răng mặt trời và được lắp trên giá đỡ. Hộp số tự động có thêm bộ chuyển đổi mô men cho phép động cơ quay độc lập với hộp số. Vì cấu tạo phức tạp nên người sử dụng cần vận hành đúng cách để giúp tăng tuổi thọ của hộp số.
Từ khi được giới thiệu năm 1940 đến nay, hộp số tự động đang ngày càng khẳng định vị trí và tầm quan trọng của mình trong ngành công nghiệp ô tô. Hiện nay, đa số những mẫu xe bán ra tại Việt Nam đều được trang bị hộp số tự động.
Hệ thống sử dụng bộ biến mô thủy lực đóng vai trò như ly hợp để ngắt và truyền chuyển động quay từ động cơ đến hộp số. Bên trong hộp số là hệ thống các bánh răng hành tinh phức tạp kết hợp với nhau để tạo nên các cấp số cho xe. Điều đặc biệt là toàn bộ quá trình lựa chọn tỷ số truyền thích hợp và sang số đều được tính toán và điều khiển tự động bởi máy tính dựa theo điều kiện vận hành của xe.
Ưu điểm:
- Loại hộp số này mang đến trải nghiệm dễ dàng, thoải mái hơn cho người lái, đặc biệt là những “tay lái yếu”.
- Hộp số tự động rất hữu dụng khi lái xe trong khu vực thành thị đông đúc; người lái thoải mái và tự tin trong việc điều khiển.
Nhược điểm:
- Độ tiêu hao nhiên liệu lớn hơn so với hộp số sàn truyền thống do sự hao hụt công suất ở biến mô thủy lực.
- Chi phí bảo dưỡng, sửa chữa và thay thế khác cao do cấu tạo phức tạp của hệ thống.
Mặc dù thế hệ hộp số tự động chưa thể chạy đua kịp với hộp số sàn về mảng tiết kiệm nhiên liệu. Tuy nhiên, khoảng cách này đã dần được rút ngắn lại nhờ vào các thế hệ hộp số tự động thế hệ mới với 8, 9 hoặc thậm chí 10 cấp số.
Hộp số tự động vô cấp CVT (Continuous Variable Transmission)
Hộp số vô cấp CVT không có các cặp bánh răng mà hoạt động dựa trên hệ thống ròng rọc và dây đai truyền cho phép thay đổi vô cấp và liên tục. Hệ thống ròng rọc gồm ròng rọc chủ động được nối với động cơ và ròng rọc bị động truyền mô men đến trực tiếp trục dẫn động bánh xe.
So với hộp số tự động, quá tình chuyển số của hộp số CVT mượt mà hơn do dùng dây đai thay cho bánh răng. Đồng thời cũng tiết kiệm nhiên liệu và có cấu tạo nhỏ gọn hơn. Dây đai cũng là nhược điểm của loại hộp số này. Nếu tốc độ quay của puli quá cao do sử dụng trên các động cơ có công suất và mô-men xoắn lớn, dây đai sẽ nhanh hỏng hóc. Chưa kể đến mức chi phí tốn kém để sửa chữa và tiếng ồn phát ra lớn khi vòng tua máy cao.
Ưu điểm:
- Giữ lại được khả năng điều khiển nhẹ nhàng, thoải mái của một hộp số tự động.
- Khả năng tiết kiệm nhiên liệu tốt hơn so với hộp số tự động có cấp truyền thống.
- Cấu tạo đơn giản, kích thước nhỏ và khối lượng nhẹ hơn so với hộp số tự động có cấp.
- Quá trình vận hành mượt mà và chính xác do người lái không cảm nhận được quá trình sang số thông thường (vòng tua lên cao rồi giảm xuống) như ở các loại hộp số khác.
Nhược điểm:
- Tiếng ồn khi tăng tốc cũng như khi chạy ở tua máy cao là một trong những nhược điểm cố hữu của CVT, dù hộp số có trang bị chế độ giả lập cấp số hay không.
- Dây đai trong hộp số CVT cũng không thể chịu được những động cơ có công suất và momen xoắn cao, do đó hoàn toàn không phù hợp đối với những dòng xe thể thao.
- Chi phí bảo dưỡng, thay thế, sửa chữa các bộ phận bên trong hộp số CVT còn khá cao.
Do được thiết kế với nguyên tắc hoạt động đơn giản, hộp số CVT ít gặp vấn đề về kỹ thuật và chi phí sửa chữa cũng thấp hơn so với hộp số tự động thông thường. Nhược điểm lớn nhất của hộp số CVT cũng chính là ưu điểm của nó: cảm giác lái. Chính vì việc không xuất hiện quá trình chuyển số, quá trình hoạt động mượt mà, quá trình tăng tốc không tạo cảm giác phấn khích đã khiến cho những người mê cảm giác lái xe tưởng tượng như họ đang vận hành một thiết bị điện tử, hơn là cảm giác điều khiển chiếc xe thật sự.
Hộp số bán tự động, hộp số ly hợp kép DCT (Dual Clutch Transmission)
Hộp số ly hợp kép là hộp số bán tự động, là sự kết hợp giữa hộp số sàn và hộp số tự động. Được trang bị cả cơ cấu thủy lực và mô tơ điện, gồm hai trục mô mem xoắn vào nhau. Ngoài ra, ở hộp số ly hợp kép người lái xe có thể điều khiển thông qua lẫy chuyển số được trang bị trên vô lăng.
Có thể hiểu nôm na rằng hộp số ly hợp kép gồm hai hộp số sàn thông thường ghép lại. Do vậy, nó vừa đảm bảo được lực kéo phù hợp với điều kiện hoạt động của xe, vừa tối ưu được hiệu suất truyền động và tính kinh tế nhiên liệu của ô tô.
Hộp số bán tự động (Semi-Automatic transmission) có phương thức hoạt động như loại hộp số tự động thông thường, nhưng được trang bị các cơ cấu thủy lực và motor điện để điều khiển việc chuyển số. Ở hộp số ly hợp kép (Dual-Clutch Transmission), có 2 bộ đĩa ly hợp ma sát khác nhau, mỗi bộ đảm nhận việc điều khiển các số chẵn và lẻ riêng biệt. Thiết kế này giúp thời gian chuyển số được rút ngắn đáng kể. Hai loại hộp số này vừa có thể hoạt động ở chế độ tự động hoàn toàn hoặc được điều khiển theo ý muốn của người lái thông qua 2 lẫy chuyển số nằm trên vô-lăng.
Ưu điểm:
- Chuyển số trong thời gian ngắn, tốc độ chuyển số nhanh, chuyển số êm, tiết kiệm nhiên liệu.
- So với những hộp số tự động có cấp (sử dụng biến mô thủy lực và cơ cấu bánh răng hành tinh), hộp số ly hợp kép DCT có cấu tạo đơn giản, gọn nhẹ hơn khá nhiều.
Nhược điểm:
- Với thiết kế cũng như thuật toán phức tạp khiến giá thành của hộp số DCT còn khá đắt đỏ, chỉ phù hợp với những dòng xe hạng sang, xe thể thao hay siêu xe.
- Chi phí bảo dưỡng, sửa chữa và thay thế khá cao so với các loại hộp số khác.
Hộp số bán tự động và ly hợp kép cho phép chuyển số với thời gian ngắn nhất, tốc độ chuyển số nhanh hơn nhiều so với hộp số tay. Hiện tại, những loại hộp số này chỉ được tìm thấy trên các mẫu xe thể thao hạng sang hoặc hiệu năng cao vì chúng có giá không hề rẻ. Điều này được giải thích bởi sự phức tạp trong thiết kế, dẫn đến chi phí sản xuất và sửa chữa vô cùng cao.
Một số hãng xe như Ford hay Volkswagen đã cố gắng trang bị hộp số ly hợp kép trên những dòng xe phổ thông và dễ tiếp cận hơn, tuy nhiên cũng gặp nhiều khiếm khuyết như việc chuyển số không mượt mà, thuật toán chọn số chưa tối ưu hay hiện tượng giật ở tốc độ thấp.
Một số loại hộp số ô tô khác:
1. Hộp số bán tự động (Manual-Automatic Transmission)
Một hộp số tự động bằng tay (còn gọi là bán tự động), được trang bị bộ ly hợp và bánh răng thông thường. Tuy nhiên, việc sang số thực tế được thực hiện bởi các cảm biến, bộ xử lý, bộ truyền động và khí nén thay vì tổ hợp lẫy chuyển số / bàn đạp ly hợp.
2. Hộp số sang số trực tiếp DSG (Direct Shift Gearbox)
Sử dụng một cơ cấu tương tự như hộp số ly hợp kép, hộp số sang số trực tiếp (DSG) sử dụng hai bộ ly hợp thay thế xen kẽ trong việc thay đổi bánh răng. DCT, nhưng không có sự ồn ào. Nó giải quyết các vấn đề của DCT bằng cách đơn giản là ngắt một ly hợp thay vì cho phép nó quay khi không sử dụng, như trường hợp của DCT. Các hệ thống hiện đại cũng cung cấp hiệu quả nhiên liệu hơn hộp số sàn.
Hộp số này thường trang bị trên xe hạng sang và siêu xe như Bugatti, Audi,…
3. Hộp số Tiptronic Transmission
Loại hộp số ô tô hoạt động tương tự như hộp số sàn, tuy nhiên nó sử dụng bộ chuyển đổi mô-men xoắn thay cho bàn đạp ly hợp. Người lái có thể chọn chế độ số sàn hoặc số tự động. Tất nhiên hộp số này có cơ cấu để đàm bảo an toàn khi chuyển hai chế độ.
Thường được sử dụng trong các phương tiện vận hành hoặc thể thao, hệ truyền động Tiptronic được Porsche tiên phong trong thập niên 90.