Hộp số 11 cấp: Khám phá trên xe ô tô của Ford

Hộp số 11 cấp là ý tưởng mới của Hãng Ford. Hãng xe hơi Mỹ đã áp dụng hộp số tự động 10 cấp trên mẫu F-150 năm 2017, đi cùng với đó là động cơ EcoBoost 3.5L. Nhưng có rất ít người biết rằng, hãng xe này cũng đã sở hữu bằng sáng chế đối với hộp số 11 cấp, và dường như hãng đã làm chủ được toàn bộ công nghệ cho hai loại hộp số siêu phức tạp này.

Bằng sáng chế hộp số 11 cấp của Ford đã được gửi lên Cơ quan sáng chế và nhãn hiệu Liên bang Mỹ (USPTO) vào ngày 04/10/2013. Sau hơn 1 năm rưỡi nghiên cứu, USPTO đã chính thức cấp bằng sáng chế số hiệu US 2015/0099603 AI, thừa nhận quyền sở hữu trí tuệ của hãng đối với hộp số 11 cấp mà họ Ford đã gửi lên. Điều này đánh dấu một bước ngoặt mới cho Ford đối với công nghệ hộp số ô tô.

Cho đến nay, hộp số 10 cấp vẫn đang được xem là bước đột phá lớn trong ngành công nghiệp ô tô. Đã có không ít hãng xe lớn bắt tay vào nghiên cứu và phát triển hộp số 10 cấp, kể đến như Mercedes, Volkswagen, Hyundai, Honda,… Tuy nhiên chưa có hãng nào có thể sản xuất đại trà loại hộp số 10 cấp này, thậm chí đã có nhiều hãng quyết định bỏ cuộc. Các bạn hãy cùng trung tâm dạy nghề ô tô VATC tìm hiểu dưới đây.

Ford tiên phong trong việc nghiên cứu hộp số 10 cấp và 11 cấp

Việc Ford áp dụng hộp số 10 cấp trên F-150 đã khiến dòng bán tải này trở thành mẫu xe đầu tiên trên thế giới sử dụng hộp số 10 cấp được sản xuất đại trà.

Bởi vậy nên, với bằng sáng chế hộp số 11 cấp của Ford do USPTO phê duyệt đã tạo không ít bất ngờ cho giới kỹ sư ô tô trên thế giới. Bên cạnh tài liệu của hãng Ford gửi lên cho USPTO, hiện chưa có thêm bất kỳ thông tin hay hình ảnh nào mô tả loại hộp số 11 cấp này.

Có thể đoán rằng Ford cũng đang ở trong giai đoạn phát triển hộp số 11 cấp, và chưa chắn chắn rằng liệu hãng Ford có thể sản xuất và áp dụng đại trà trên các dòng xe thương mại thế hệ tiếp theo hay không.

Tuy nhiên với bằng sáng chế 11 cấp trên tay, hãng Ford cũng đã bỏ xa rất nhiều hãng xe khác về công nghệ hộp số. Nhìn qua bằng sáng chế của Ford, chúng ta có thể thấy được sự phức tạp bên trong loại hộp số này.

Ý tưởng sáng chế hộp số 11 cấp của Ford

Trên bằng sáng chế hộp số 11 cấp của Ford được đề tên ba nhà sáng chế, đó là: Robert Scott Lippert, Gregory Daniel Goleski, Donald Edward Hoffman. Theo tài liệu của USPTO, thì ý tưởng hộp số 11 cấp của nhóm nhà phát minh này được dựa trên hệ dẫn động bánh răng hành tinh, gồm các bánh răng mặt trời, giá đỡ bánh răng hành tinh và vòng răng, kết hợp cùng với một loạt các bộ ly hợp cắt nhả lồng ghép bên trong hộp số.

Không chỉ dừng lại ở một ý tưởng, nhóm nhà phát minh này gửi tận 3 sơ đồ phác thảo các cách bố trí hệ bánh răng hành tinh, ly hợp và vòng răng khác nhau, tạo thành 3 loại hộp số 11 cấp có cách phân bố tỷ số truyền giữa các cấp số riêng biệt.

Cấu tạo cơ bản của hộp số 11 cấp

Là một hệ bánh răng hành tinh đơn giản nhất, gồm có 1 bánh răng mặt trời có răng ăn khớp ngoài; một hoặc nhiều hơn bánh răng hành tinh ăn khớp ngoài với bánh răng mặt trời, quay quanh bánh răng mặt trời, đồng thời có thể tự quay quanh các trục của mình tương tự như 1 hệ hành tinh, và được đỡ trên giá đỡ bánh răng hành tinh; một vòng ăn khớp trong với bánh răng hành tinh.

Bánh răng mặt trời, giá đỡ bánh răng hành tinh, các bánh răng hành tinh và cả vòng răng ngoài đều có thể được khóa cứng độc lập. Cứ mỗi trạng thái khóa cứng của 1 trong 4 chi tiết trên, thì hệ thống bánh răng hành tinh này sẽ có được 1 cơ chế truyền động tương ứng phù hợp với mỗi tỷ số truyền.

Hoạt động cơ bản

Giả sử vòng răng ngoài (gồm 86 răng) được khóa cứng độc lập, chuyển động của bánh răng mặt trời (gồm 48 răng) được truyền tới giá đỡ các bánh răng hành tinh (gồm 19 răng) theo tỷ số truyền T1 = (48 + 86) : 48 = 2,791666.

Trong trường hợp khóa cứng giá đỡ bằng bánh răng hành tinh, chuyển động của bánh răng mặt trời sẽ được truyền tới vòng răng bên ngoài, thông qua các bánh răng hành tinh theo tỉ số truyền T2: -86/48 = -1,791666 (quay ngược chiều).

Nếu khóa cứng các bánh răng hình tinh vào giá đỡ (không cho phép bánh răng hành tinh quay quanh trục của mình), thì hệ thống sẽ được liên kết thành một khối thống nhất, chuyển động của bánh răng mặt trời sẽ được truyền ra vòng răng theo đúng tỉ lệ 1:1. Như vậy, tùy thuộc vào từng cách khóa cứng độc lập các bộ phận bên trong bánh răng hành tinh, mà cơ cấy truyền động sẽ sinh ra các cấp tỷ số truyền khác nhau.

Đây là nguyên lý hoạt động cơ bản của hầu hết các loại hộp số tự động. Cơ cấy khóa cứng các chi tiết bên trong hệ thống truyền động thường là các bộ ly hợp (cắt nhả).

Sơ đồ hoạt động của hộp số 11 cấp của Ford

Với hộp số 11 cấp của Ford, các nhà sáng chế này đã vận dụng cơ cấu truyền động bánh răng hành tinh vừa nói ở trên. Tuy nhiên, nhóm không chỉ sử dụng 1 bộ bánh răng hành tinh, mà họ thiết kế rất nhiều bộ bánh răng hành tinh khác nhau, kèm theo nhiều bộ ly hợp để tạo nên các cơ cấu khóa.

Trong sơ đồ bố trí thứ nhất của Ford, nhóm đã sáng chế thiết kế lên tới 4 bánh răng mặt trời khác nhau, gồm các bánh răng số 16 – 26 – 36 – 46; nằm giữa những bánh răng và vòng răng này là các bộ bánh răng hành tinh gồm bộ số 14 – 24 – 34 – 44. Bốn bộ này lần lượt tạo thành 4 hệ bánh răng hành tinh tương ứng số 10 – 20 – 30 – 40. Trục vào là trục mang số 50, số 52 là trục ra.

Để khóa cứng các vòng răng ngoài hoặc các giá đỡ bánh răng hành tinh, hay muốn liên kết các bánh răng mặt trời với trục sơ cấp, hãng Ford đã sử dụng 8 bộ ly hợp gồm các số 60 – 62 – 64 – 68 – 70 – 72 – 74. Trong đó, ly hợp số 72 là ly hợp một chiều. Ví dụ, vòng răng ngoài số 28 có thể khóa cứng vào thành hộp bằng cách đóng ly hợp số 70, hoặc vòng răng số 38 có thể khóa cứng bằng cách đóng ly hợp số 60…

Sự phức tạp

Trục sơ cấp của loại hộp số này là trục 50, khi tất cả các ly hợp nhả sẽ quay trơn. Truy nhiên, nếu khóa ly hợp số 66 thì bánh răng mặt trời số 16 sẽ cố định với trục sơ cấp và trở thành bánh răng dẫn động. Tương tự, bánh răng mặt trời số 26 sẽ nối cứng với trục sở cấp và trở thành bánh răng dẫn động nếu khóa ly hợp số 64.

Nếu đóng cùng lúc cả hai ly hợp 74 và 64, thì toàn bộ hệ thống hành tinh sẽ được nối cứng với trục sơ cấp, thì bánh răng mặt trời số 36 và 46 sẽ trở thành bánh răng dẫn động. Trong trường hợp này, nếu tiếp tục khóa cứng ly hợp số 62 thì hệ hành số số 40 được nối cứng và truyền động trực tiếp từ trục có sở cấp 50 ra trục thứ cấp 52 với tỉ số truyền là 1:1, tương ứng với cấp số 7 như hình dưới.

2 loại hộp số 11 cấp còn lại

Tùy vào sự đóng cắt các ly hợp, bốn hệ bánh răng hành tinh và 8 ly hợp này sẽ tạo thành 11 cấp số tiến lùi có tỉ số truyền thay đổi từ 7.2 đến 0.58, cùng một cấp số lùi có tỉ số truyền -6.19.

Thực tế thì các ly hợp 60 – 68 – 70 – 72 được nhóm sáng chế gom thành 2 bộ và gọi là các bộ khóa hãm (brake), vì khóa cứng các chi tiết liên kết với nó vào thành hộp số, thay vì ly hợp quay bên trong hộp số. Các ly hợp còn lại gồm 62 – 64 – 66 – 74 là những ly hợp quay thuần túy. Vậy nên, nhóm sáng chế trình bày loại hộp số này có 4 ly hợp và 2 bộ khóa hãm.

Ford còn có 2 sơ đồ bố trí khác. Trong đó, sơ đồ thứ 3 gần như tương đồng với sơ đồ thứ nhất, chỉ khác ở việc dời hệ bánh răng hành tinh 30 về gần trục sơ cấp hơn, và các cấp tỉ số truyền giảm dần từ 6.88 về 0.58, thay vì 7.2 về 0.58.

Còn sơ đồ thứ 2 thì nhóm sáng chế chỉ sử dụng 3 hệ bánh răng hành tinh. Tuy nhiên, trên thực tế thì đây chỉ là gom hệ bánh răng hành tinh 30 vào hệ bánh răng hành tinh 40, và biến đổi nó thành một cơ cấu “bánh răng hành tinh trong bánh răng hành tinh”.

Cơ cấu đóng cắt ly hợp

Trong văn bằng sáng chế của mình, hãng Ford không trình bày cơ cấu điều khiển đóng cắt các ly hợp mà chỉ nói rằng, các ly hợp này có thể được điều khiển bằng điện từ hoặc thủy lực, hai phương pháp điều khiển cắt nhả ly hợp phổ biến nhất hiện nay.

Ngoài tính chất vô cùng phức tạp của bộ hộp số có tận 4 hệ bánh răng hành tinh như đã nêu ở trên, thì việc thiết kế được 4 bộ ly hợp và hai bộ hãm khóa và cơ cấu điều khiển các ly hợp này vào bên trong hộp số là việc vô cùng nan giải.

Hiện tại các loại hộp số tự động ly hợp kép dùng bánh răng ăn khớp ngoài truyền thống và bộ đồng tốc như Powershift đến nay vẫn còn được xem là một công nghệ mới và tinh vi. Vì vậy, nếu Ford đã có giải pháp khả thi cho bằng sáng chế này, hóa giải được các khó khăn và biến nó thành hiện thực, thì đây sẽ là một bước tiến ngoạn mục trong công nghệ hộp số trên ô tô.

Hộp số 11 cấp sẽ là những điều tuyệt vời của ô tô tương lai, chúng ta hãy cùng chờ đợi và sửa chữa chúng.

Tìm hiểu: Hộp số ô tô tự động

Tìm hiểu: Hộp số sàn ô tô

Trung Tâm Huấn Luyện Kỹ Thuật Ô Tô Việt Nam VATC

Địa chỉ: số 50 đường 12, P.Tam Bình, Q.Thủ Đức, TP.HCM
Điện thoại: 0945711717

Theo: xedoisong.vn