Tork Converter thay thế gì cho ly hợp trong hộp số tự động?

Bộ biến mô là một bộ phận truyền lực thủy động lực thay thế ly hợp cơ khí trong hộp số tự động cổ điển, được đặt giữa động cơ và hộp số; khi xe đứng yên, nó truyền mô-men xoắn mà không gây sốc cho động cơ, khi khởi động nó nhân mô-men xoắn do động cơ tạo ra theo tỷ lệ 1,8:1 đến 2,5:1, và khi chạy ở tốc độ hành trình nó tạo kết nối cơ khí không trượt nhờ ly hợp khóa. Nói ngắn gọn, nó thực hiện cả ba chức năng của ly hợp trong cùng một thân: tách ra, nối mềm mại và tăng mô-men xoắn khi cần thiết.

Điều Gì Thay Thế Ly Hợp và Tại Sao Không Phải Là Ly Hoàn Toàn?

Trong hộp số tay, người lái thiết lập và ngắt kết nối giữa động cơ và hộp số bằng bàn đạp ly hợp. Trong hộp số tự động, công việc này không phải do người lái mà là một túi kín được bắt vít vào động cơ (gắn trên bánh đà hoặc flexplate): chất lỏng bên trong truyền chuyển động quay nhận từ động cơ đến trục đầu vào của hộp số. Cơ chế này cho phép xe đang vào số có thể dừng lại khi động cơ chết; trong khi động cơ vẫn chạy, hộp số tách rời một cách tự do.

Vậy tại sao dùng chất lỏng thay vì ly hợp khô? Bởi vì ly hợp cơ khí hoặc khóa hoàn toàn hoặc trượt khi tiếp xúc - và khi trượt, guốc ly hợp nóng lên và mài mòn. Trong khi đó, ly hợp chất lỏng không có khái niệm tiếp xúc; trượt là môi trường hoạt động tự nhiên của thiết kế và nó cũng hấp thụ rung động của động cơ một cách tự nhiên. Hơn nữa, một ly hợp chất lỏng đơn giản chỉ truyền mô-men xoắn với mức giảm nhẹ. Điều làm nên sự khác biệt của bộ biến mô là nhờ có stator ở giữa, nó có thể tăng mô-men xoắn khi tốc độ đầu ra thấp; nghĩa là khi tốc độ quay thấp, nó là một phần tử buộc phải hoạt động như một hộp giảm tốc thích ứng.

Bí quyết giúp hộp số tự động điều khiển bằng máy tính có thể đưa ra quyết định độc lập với bàn đạp của người lái cũng nằm ở đây: bộ biến mô cung cấp một cửa sổ trượt được kiểm soát và an toàn hơn mức ly hợp có thể làm được; hộp số không bao giờ gặp phải cú sốc cơ khí bất ngờ.

Bơm, Tuabin và Stator: Nhân Mô-men Xoắn Như Thế Nào?

Bộ biến mô có ba cấu phần quay/không quay. Bơm (impeller) gắn với động cơ và hoạt động như một bơm ly tâm: khi quay nó văng chất lỏng ra ngoài, tạo chân không ở tâm để hút chất lỏng mới. Chất lỏng bị ném ra đập vào các cánh nan cong của tuabin, đổi hướng và làm quay tuabin, truyền công suất đến trục đầu vào của hộp số.

Trí thông minh thực sự nằm ở phần tử thứ ba. Dòng chất hướng ra từ tuabin chuyển động ngược chiều quay của động cơ; trong một khớp nối chất lỏng đơn giản, năng lượng dòng ngược này chỉ biến thành nhiệt. Stator nằm giữa bơm và tuabin, định hướng lại dòng chất lỏng này để cung cấp cho bơm ở góc tối ưu. Nhờ đó năng lượng của dòng chất lỏng quay ngược được thu hồi và mô-men xoắn đầu ra được cộng thêm vào mô-men xoắn mà động cơ tạo ra. Nói theo phương diện cân bằng cơ khí: dòng chất lỏng ra khỏi tuabin tác động lên stator, và vì va vào stator nên nó tạo ra một mô-men xoắn ngược chiều với thân vỏ mà stator gắn vào; chênh lệch này phản ánh trực tiếp sang phía đầu ra dưới dạng mức tăng mô-men xoắn.

Hai chi tiết quan trọng về mặt kỹ thuật. Thứ nhất là hình học cánh: tuabin và stator dùng cánh nghiêng, cong, và những biến đổi nhỏ trong hình học làm thay đổi hiệu năng đáng kể. Thứ hai là kích thước: các phương trình chuyển động của bộ biến mô dựa trên phương trình turbomachinery của Euler từ thế kỷ 18, và vì các đặc tính phụ thuộc lũy thừa 5 của bán kính, năng lực mô-men xoắn về lý thuyết tỷ lệ với khối lượng riêng của chất lỏng, bình phương tốc độ quay và lũy thừa năm của đường kính. Tăng đường kính một chút sẽ làm năng lực tăng lên nhiều hơn rất nhiều.

Việc stator không đứng yên vô ích cũng quan trọng: stator được lắp trên một khớp nối một chiều. Trong lúc khởi hành và tăng tốc, chất lỏng đẩy nó từ phía sau và stator giữ cố định; khi chuyển sang pha khớp nối, áp suất chất lỏng giảm và stator bắt đầu quay tự do - việc quay ngược chiều bị khớp nối một chiều chặn lại.

Ba Pha Vận Hành: Stall, Tăng Tốc và Khớp Nối

Cách rõ ràng nhất để đọc hành vi của bộ biến mô là qua ba pha. Trong pha stall (đình trệ), số đang ăn, phanh giữ xe, tuabin không quay nhưng bơm quay cùng động cơ; với đủ công suất đầu vào, hệ số nhân mô-men xoắn tối đa đạt được tại đây và tỷ lệ này gọi là tỷ lệ stall. Trong ứng dụng ô tô, giá trị điển hình là 1,8:1-2,5:1; ở các bộ biến mô chuyên dụng cho công nghiệp, hàng hải và tải nặng, tỷ lệ này lên tới 5,0:1. Tác động cấp số tổng thể ở stall có thể gây bất ngờ: một tỷ lệ hộp số 2,46:1 kết hợp với tỷ lệ stall 2,2:1 tạo ra hệ số nhân tổng thể 5,41:1 truyền đến bánh xe khi xe đứng hoàn toàn yên; khi chuyển sang pha khớp nối, con số này giảm xuống 2,73:1.

Trong pha tăng tốc, khi tải tăng, chênh lệch vòng quay giữa bơm và tuabin vẫn còn lớn; có hệ số nhân mô-men xoắn nhưng thấp hơn giá trị stall. Trong vùng này, dòng xoáy vortex xoắn ốc của chất lỏng từ bơm sang stator rồi đến tuabin là chi phối - đây là chế độ mà hệ số nhân mô-men xoắn đạt đỉnh.

Pha khớp nối (coupling) được vào khi tuabin đạt khoảng 90% vòng quay của bơm: bơm quay 10 vòng thì tuabin quay 9 vòng, nghĩa là độ trượt khoảng 1,11:1 là điển hình. Tại điểm này, hệ số nhân mô-men xoắn thực tế kết thúc; chuyển động xoắn ốc của chất lỏng nhường chỗ cho dòng quay rotary trong đó hai cánh quay cùng nhau và stator chuyển sang quay tự do. Giữa hệ số nhân mô-men xoắn và hiệu suất có một sự đánh đổi rõ rệt: bộ biến mô có tỉ lệ stall cao hoạt động kém hiệu quả hơn quanh vùng tốc độ ly hợp. Ai muốn hiệu suất phải chọn hệ số nhân, ai muốn tiết kiệm phải chọn đặc tính ít trượt.

Ly hợp khóa: Ly hợp thứ hai triệt tiêu trượt

Truyền động thủy lực không có gì siêu nhiên: trượt nghĩa là trực tiếp mất hiệu suất và sinh nhiệt. Ly hợp khóa (lock-up clutch) bên trong bộ biến mô tồn tại chính vì lý do đó. Khi đang chạy, nó khóa cơ học turbine trực tiếp vào impeller, truyền toàn bộ công suất theo đường cơ học; mất mát do chất lỏng và sinh nhiệt biến mất, vòng tua giảm nhẹ và đường truyền công suất tới bánh xe trở nên trực tiếp hơn.

Lịch sử của nó khá thú vị. Ứng dụng ô tô đầu tiên bắt nguồn từ hộp số Packard Ultramatic vào năm 1949: xe khi đạt tốc độ du lịch thì khóa, và mở ra khi đạp ga hoặc khi giảm tốc. Thập niên 1950 thấy nó xuất hiện trên một số hộp số Borg-Warner, sau đó bị bỏ rơi do chi phí và độ phức tạp. Giữa thập niên 1970, khi ưu tiên chuyển sang hiệu suất nhiên liệu, ý tưởng này quay trở lại; Chrysler giới thiệu phiên bản hiện đại vào năm 1978. Trong tài liệu kỹ thuật, việc sử dụng phổ biến của bộ biến mô khóa trong thời hiện đại đôi khi được tính từ năm 1981; sự khác biệt bắt nguồn từ việc ứng dụng đầu tiên và việc áp dụng đại trà rơi vào hai thời kỳ khác nhau.

Còn cuộc tranh luận ngày nay xoay quanh việc hiệu chỉnh: cho ly hợp khóa ăn nhập càng sớm càng tốt giúp tiết kiệm nhiên liệu khi lái trong phố, nhưng đổi lại là từ bỏ lợi thế hệ số nhân mô-men của bộ biến mô. Trên các xe đường phố hiệu suất cao, khóa thường không phải là phụ kiện tiết kiệm nhiên liệu, mà là yếu tố giúp bộ biến mô mạnh có thể sống sót trong sử dụng hàng ngày. Khi số lượng cấp số tăng lên, gánh nặng nhân của bộ biến mô giảm, nên trên các hộp tự động 6-10 cấp hiện đại, khóa sớm và thường xuyên đã trở thành tiêu chuẩn; ngược lại, trên hộp tự động truyền thống, bộ biến mô cố ý giữ trạng thái không khóa trong phần lớn quá trình lái - còn trên hộp CVT thì gần như luôn khóa trên khoảng 8 km/h, vì nhiệm vụ nhân mô-men ở đó đã thuộc về bộ biến thiên.

Ảnh hưởng đến đặc tính lái và các hư hỏng thường gặp

Bộ biến mô là người hùng thầm lặng quyết định tính cách của hộp số tự động. Khi ly hợp khóa tham gia, nó mang lại sự vận hành mượt mà; còn trong các pha không khóa, nó hấp thụ rung động và dao động xoắn của động cơ thông qua chất lỏng. Nhưng khả năng giảm chấn này là vô hạn: dao động xoắn trong đường truyền động là giới hạn kỹ thuật chính khiến việc khóa quá sớm bị hạn chế. Hiện tượng stick-slip xảy ra khi ly hợp khóa bám đột ngột thay vì trượt có thể lan rung động ra toàn bộ đường truyền động - đây chính là điều làm xấu cảm giác êm ái của người lái.

Lời phàn nàn thường gặp nhất là rung động bộ biến mô (shudder): thường trong dải ~64-72 km/h, là cú giật ngắn cảm nhận được khi ly hợp đang khóa. Nó xảy ra ở trạng thái khóa một phần, khi ly hợp làm việc bằng cách bám chứ không phải trượt; lớp đĩa ly hợp bị mòn và ATF bị bẩn/leo thang là những nguyên nhân chính, và trong đa số trường hợp, việc thay dầu hộp số sẽ giải quyết được vấn đề. Khi nhấn ga hoặc đạp phanh mà hiện tượng này biến mất là một gợi ý điển hình: khi biến mô khóa lại, vùng trượt biến mất. Thực tế, đa số lỗi khóa biến mô không bắt nguồn từ chính biến mô; mà xuất hiện ở thân van, hệ thống điều khiển điện tử hoặc solenoid đóng/mở.

Còn có những chế độ hỏng hóc nghiêm trọng hơn:

• Quá nhiệt: Các nỗ lực thoát ra bằng cách rung tiến-lùi trong tuyết hoặc bùn giữ biến mô ở chế độ stall trong thời gian dài; hình học cánh hélico hiện đại giảm thiểu tốc độ dòng chất lỏng ở vòng tua thấp, từ đó giảm rủi ro này nhưng không loại bỏ hoàn toàn.
• Ly hợp stator bị khóa: Khi stator không còn quay tự do, biến mô làm việc với hiệu suất rất thấp trong giai đoạn ly hợp; mức tiêu hao nhiên liệu tăng đáng kể là triệu chứng kinh điển.
• Ly hợp stator bị gãy: Các trường hợp tác động công suất đột ngột (ví dụ các sự kiện như neutral start khi đề máy) có thể làm gãy ly hợp một chiều.

Lược sử: Biến mô đã xây dựng nên hộp số tự động như thế nào?

Sự trỗi dậy của biến mô trong ngành ô tô bắt đầu từ Thế chiến II. Sau Thế chiến II, công nghệ này được thúc đẩy nhờ kinh nghiệm từ hệ thống Hydra-Matic trên các phương tiện quân sự. Năm 1948, với Buick Dynaflow, các ly hợp thủy lực bắt đầu nhường chỗ cho biến mô; Dynaflow là một thiết kế tham vọng, dựa hoàn toàn vào sự khuếch đại mô-men xoắn trong chế độ một cấp nhờ bộ biến mô năm phần tử. Tiếp theo là Packard Ultramatic năm 1949 và Chevrolet Powerglide năm 1950: Trong các hộp số hai cấp này, bộ biến mô gần như đảm nhận toàn bộ vai trò khuếch đại mô-men xoắn.

Những năm 1950 chứng kiến sự cân bằng được thiết lập: Chrysler TorqueFlite của BorgWarner, dựa trên hộp số tự động ba cấp và bộ bánh răng hành tinh phức hợp Simpson, đã đưa bộ biến mô trở thành cấu phần không thể thiếu của hộp số tự động. Các thử nghiệm biến mô nhiều phần tử (Buick Triple Turbine Dynaflow, Chevrolet Turboglide) bị từ bỏ do hiệu suất thấp; nhường chỗ cho các cấu hình hộp số ba cấp kết hợp bộ biến mô ba phần tử. Một chi tiết thú vị của GM thời kỳ đó là stator góc thay đổi: khi đạp ga đột ngột, góc tấn của stator thay đổi, hiệu suất bị hy sinh để tăng độ khuếch đại mô-men xoắn - tiền thân mang tính cơ học của triết lý hiệu chỉnh thích ứng ngày nay.

Biến mô xoắn nhân mô-men như thế nào?

Chất lỏng đi ra từ tuabin chảy ngược chiều quay của động cơ;

stator chuyển hướng dòng chất lỏng này theo chiều quay của bơm, thu hồi lại năng lượng của nó. Nhờ vậy, mô-men đến trục đầu ra lớn hơn mô-men động cơ tạo ra; khi xuất phát, chênh lệch này nằm trong khoảng 1,8:1 đến 2,5:1. Tại sao hộp số tự động dùng biến mô thay vì ly hợp?

Tại sao xe số tự động dùng biến mô thay vì ly hợp?

Bởi vì biến mô biến hiện tượng trượt thành một chế độ hoạt động thay vì một lỗi: giúp xe đứng yên khi vào số, hấp thụ rung động, làm dập tắt mô-men xoắn và thực hiện ba công việc này một cách liên tục và an toàn mà không cần sự can thiệp của người lái. Ly hợp cơ khí trong sổ tay chỉ thực hiện một trong những chức năng này: ngắt kết nối khi sang số.

Rung chuyển mô men trông như thế nào?

Đó là một cơn giật ngắn giống như lệch cân bằng bánh xe nhẹ, nhưng chỉ xuất hiện ở dải tốc độ nhất định (thường 64-72 km/h) và cảm nhận được ngay tại thời điểm khóa. Trở nên rõ rệt khi ga nhẹ, thường biến mất khi đạp ga mạnh hơn; có thể khắc phục bằng cách thay dầu.

Tóm tắt: Ba chức năng của bộ chuyển mô men trong một câu

Trong hộp số tự động cổ điển, bộ chuyển mô men đảm nhận chức năng ngắt của ly hợp bằng chất lỏng, chức năng tăng mô men bằng rotor stator, và yêu cầu hiệu suất bằng ly hợp khóa. Cơ cấu này nhân mô men lên tới 2 lần ở trạng thái stall, sống với độ trượt 10% trong pha ly hợp và đưa độ trượt về 0 khi khóa đóng - là thành phần duy nhất mang cả sự êm ái lẫn tính kinh tế của hộp số tự động trong cùng một khối.

Nguồn tham khảo

• Torque converter - Wikipedia
• Torque Converters: The Backbone of Modern Automotive Technology - Gears Magazine
• Understanding Torque Converters - Hot Rod
• Torque converter torque multiplication - Engineering Stack Exchange
• Torque converter clutch - x-engineer.org
• The Evolution of Lock-Up Torque Converters - Motor State
• What is Torque Converter Shudder? - Roadrunner Converters
• The torque converter can of worms - Transmission Digest
• Aggressive Torque Converter Clutch Slip Control (Otanez 2009) - JSTOR