Truyền động 101: P1 – Chuyển động của xe

Nếu xem động cơ là trái tim của một chiếc xe, thì hệ truyền động chẳng khác gì bộ xương khớp. Một trái tim dù khỏe mạnh cũng sẽ không có ý nghĩa gì nếu hệ xương khớp không đủ cứng cáp để truyền tải sức mạnh này.

Điều khiển một chiếc xe với động cơ V8 tăng áp, ta sẽ không cảm nhận được quá nhiều nếu xe chỉ được trang bị hộp số CVT. Do đó, hệ truyền động là cầu nối giữa động cơ và cảm giác của người lái, và cũng chính cơ cấu truyền động là thành phần quan trọng thứ hai của một chiếc xe. Để khai thác sâu hơn thành phần cơ khí phức tạp này, Otoman xin giới thiệu tới bạn đọc series bài viết Truyền động 101, mà bắt đầu sẽ là căn bản về chuyển động của xe.

1. Bánh răng

Trên xe hơi, bánh răng được sử dụng cho hai mục đích: (1) để thay đổi momen xoắn, (2) để thay đổi hướng của chuyển động. Ví dụ, bánh răng trong hộp số phục vụ mục đích (1), trong khi bánh răng lắp ở bộ vi-sai lại phục vụ mục đích (2). Trong bài viết này, ta sẽ không đi sâu vào kết cấu lắp đặt bánh răng ở các chi tiết truyền động này. Tuy nhiên, nói một cách đơn giản thì nếu bỏ qua thất thoát, công suất truyền từ bánh răng này qua bánh răng nọ không đổi. Mà trong phần 3 series Động cơ 101, ta biết rằng . Điều này có nghĩa, qua tỷ lệ truyền GR (gear ratio) của bộ bánh răng, momen xoắn tăng hay giảm bao nhiêu lần thì tốc độ vòng cũng giảm hoặc tăng bấy nhiêu lần. Sơ đồ bên dưới thể hiện điều này.

Trong đó, GR được tính bằng tỷ lệ của số răng (hoặc của đường kính) giữa bánh răng đầu ra với bánh răng đầu vào. Cụ thể:

Từ đó, ta có:

2. Các bộ phận truyền động cơ bản

Hãy tưởng tượng chiếc xe sử dụng mẫu động cơ trong ví dụ ở phần 2 series Động cơ 101 không có các bộ phận truyền động. Khi này, tất cả sức mạnh của động cơ được truyền trực tiếp tới bốn bánh xe (giả sử xe được trang bị bộ bánh kích cỡ 27 inch). Theo đồ thị đặc tính momen xoắn, khi ta đạp hết chân ga, động cơ đạt 177 Nm momen xoắn tại vòng tua máy 6,000 rpm. Phép tính đơn giản cho ta biết rằng, bánh xe lúc này sẽ tạo ra một lực kéo 354 N tại điểm tiếp xúc mặt đường, trong khi xe chạy với vận tốc 600 km/h.

Thật vô lý vì lực kéo quá nhỏ (không thắng được lực ma sát nghỉ cực đại) để xe có thể di chuyển, mà xe lại "bay" với tốc độ "bàn thờ"?!

Tất cả động cơ đốt trong đều sản sinh quá ít momen xoắn, trong khi lại quay quá nhanh để trực tiếp vận hành một chiếc xe. Do vậy, xe cần phải có hệ truyền động. Các bộ phận truyền động này thực chất là tổ hợp của nhiều bộ bánh răng với tỷ lệ truyền GR khác nhau. Nhờ đó, momen xoắn từ động cơ được "khuếch đại" lên nhiều lần trước khi tới bánh xe, đồng thời tốc độ quay bánh xe cũng được chia nhỏ đi.

Hầu hết các xe được trang bị 2 bộ bánh răng: một bộ ở hộp số, bộ còn lại ở vi-sai. Ở hộp số, mỗi cấp số lại có tỷ lệ truyền khác nhau. Ở số 1, GR khoảng 3.0:1; ở số cao nhất, GR khoảng 0.8:1. Ở bộ vi sai, GR rơi vào khoảng 2.5:1 đến 6.0:1 tùy vào loại xe và kích thước bánh xe. Sơ đồ dưới đây mô tả các bộ phận truyền động cơ bản.

3. Xe chuyển động khi nào

Để một chiếc xe chuyển động, chính chiếc xe cần tạo ra một lực kéo đủ lớn tại bánh xe để thắng lực ma sát nghỉ. Khi chiếc xe bắt đầu chuyển bánh, ma sát nghỉ biến mất và tại bánh xe xuất hiện ma sát lăn và có thể là cả ma sát trượt. Ở một chiếc xe hơi, ma sát lăn thường không có nhiều ý nghĩa (vì ma sát quá nhỏ, hệ số ma sát . Tuy nhiên, khi lực kéo quá lớn, xe xảy ra hiện tượng trượt bánh, do đó ma sát trượt trở nên quan trọng hơn.

Nhắc lại một chút kiến thức Vật Lí 8 (Bài 6), ma sát trượt là lực cản trở chuyển động của vật này so với vật khác. Ma sát trượt xuất hiện giữa bề mặt tiếp xúc của hai vật và phụ thuộc vào bề mặt tiếp xúc, độ lớn của áp lực, không phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc và tốc độ của vật. Hãy tưởng tượng, bạn vừa chén xong một tô bún bò và chuẩn bị leo lên chiếc Lamborghini Aventador đến nơi làm việc.

Aventador nặng tổng cộng 1,625 kg và do đó khi vừa lăn bánh chịu một lực ma sát trượt là:

Trong đó, là lực ma sát trượt trên chiếc xe, là hệ số ma sát trượt của bê tông (trong điều kiện khô, sạch), N là phản lực chiếc Aventador.

Tiếp tục giả sử con xe của bạn không có hệ truyền động. Bạn lên xe, nổ máy, bật chế độ 4WD, đạp hết ga.

Vòng tua nhanh chóng đạt 4,500 rpm và sản sinh momen xoắn cực đại 690 Nm. Đây cũng là tổng sức mạnh tại bốn trục bánh xe. Xe bạn có bộ bánh trước 19 inch và bộ bánh sau 20 inch nên tổng lực kéo mà con Aventador của bạn tạo ra tại thời điểm này là:

Trong đó, là tổng lực kéo tại 4 bánh xe, là momen xoắn, là bán kính bánh trước, và là bán kính bánh sau.

Lúc này, , xe không chuyển động!

Trong tình huống này, để xe bạn thắng được lực ma sát nghỉ, bạn gọi Otoman đến và lắp một số bộ phận truyền động lên xe. Theo hướng dẫn của Lamborghini, một hộp số tự động 7 cấp được lắp đặt cùng một bộ vi sai cho cả 2 trục trước và sau.

Theo thông số được cung cấp, GR của cấp số 1 là 3.9:1, và GR của bộ vi-sai là 2.8:1. Với hai bộ phận mới, tổng momen xoắn thực tế được gửi tới bốn trục bánh xe tăng lên theo cấp số nhân. Lực kéo mới mà xe tạo ra sẽ là:

Bingo! Nhờ có hệ truyền động, lực kéo đã tăng lên vượt trội. Xe bạn bắt đầu chuyển bánh. Nhưng vì , con Aventador của bạn gặp tình trạng trượt bánh. Trên thực tế, trượt bánh làm ảnh hưởng đến cảm giác lái và chất lượng lốp xe nên nhà sản xuất sẽ cố gắng không để điều này xảy ra. Nên nhớ rằng, trong phép tính trên, ta đã bỏ qua thất thoát năng lượng. Ví dụ nếu công suất truyền từ động cơ tới trục bánh xe bị hao hụt 15%, lực kéo chỉ còn 1.3 tấn, xe không còn trượt nữa.

4. Xe chạy nhanh ra sao?

Nói xe chạy nhanh ra sao thì hẳn là ai cũng nghĩ tới khái niệm vận tốc. Bạn nào mê xe "nửa vời" thì hay quan trọng cái tốc độ tối đa của xe mà nhà sản xuất họ công bố. Bạn nào đam mê "thực thụ" thì chú trọng thời gian tăng tốc 0 - 100 km/h. Thực ra bạn nào cũng đúng, nhưng về mặt kỹ thuật thì Otoman vẫn thích bạn "thực thụ" hơn, vì cái bạn quan tâm có liên quan tới khái niệm cốt lõi của tốc độ xe - gia tốc.

Nhớ lại thì ta học vận tốc ở Vật Lí 8 (Bài 2), trong khi mãi tới tận Vật Lí 10 thì mới học lên gia tốc. Đối với xe hiệu năng cao và đặc biệt là trong giới đua xe, gia tốc đóng vai trò gần như quyết định. Cái này bạn nào thích bộ môn đua drag sẽ rõ nhất. Muốn một chiếc xe chạy thật nhanh, trước hết ta phải tạo ra gia tốc lớn. Vậy gia tốc được sinh ra như thế nào?

Thực ra khi bạn đã hiểu xe chuyển động khi nào thì câu hỏi xe chuyển động nhanh ra sao cũng không quá khó để trả lời. Quay lại với định luật II Newton, ta có:

Trong đó, F là tổng hợp lực tác dụng lên một vật, m là khối lượng của vật, và a là gia tốc của vật.

Coi như bỏ qua ma sát lăn, đối với trường hợp vật là một chiếc xe, ta suy ra:

Vậy có hai cách để tạo ra một gia tốc lớn: hoặc tăng , hoặc giảm . Dựa vào các công thức trên đây và những kiến thức đã biết từ phần 2 series Động cơ 101, hãy tưởng tượng các tình huống có thể xảy ra để chiếc Aventador của bạn lao đi thật nhanh, tức để đạt giá trị lớn. Nói như vậy có nghĩa là gia tốc không cố định mà thay đổi liên tục theo quá trình hoạt động của xe.

Một cách đơn giản có thể hình dung ngay là khi xe đang chạy thì bạn nhảy ra khỏi xe. Rõ ràng, việc này làm giảm và ngay lập tức gia tốc tăng lên. Tương tự, muốn tăng thì bạn có thể:

• Thay đổi chế độ 4WD và gửi nhiều momen xoắn hơn tới cầu trước, nơi có nhỏ hơn. Khi đó, tăng;
• Áp dụng biểu đồ đặc tính momen xoắn và điều chỉnh vị trí chân ga tới trạng thái động cơ sản sinh nhiều momen xoắn hơn. Khi đó, tăng do T tăng.

Lấy ví dụ trên chiếc Lamborghini Aventador của bạn. Sau khi lao vút đi, bạn thấy thực sự chóng mặt. Lý do là bởi vì tại thời điểm đó, gia tốc của bạn là:

Bạn lao đi với gia tốc gần bằng gia tốc trọng trường , tức cảm giác của bạn lúc đó gần giống với cảm giác lúc bạn rơi tự do từ tầng 81 của tòa Landmark 81 vậy. Một cảm giác rất YoMost!

Thậm chí, nếu bạn chọn tỷ lệ phân bổ momen trước – sau là 70% : 30% thì gia tốc của bạn sẽ tăng lên là , còn gần hơn với gia tốc rơi nữa.

5. Lưu ý

Đọc tới đây hẳn bạn đã có hình dung rõ hơn về cơ chế chuyển động của một chiếc xe. Mọi công thức có vẻ đều đúng và kết quả tính toán thì khá hợp lý. Tuy nhiên, trong những phép tính trên, chúng ta hoàn toàn đã bỏ qua một yếu tố luôn tồn tại trên thực tế - thất thoát. Thất thoát năng lượng xảy ra từ quá trình hoạt động của động cơ cho tới các tiếp điểm bánh răng và cả nhiệt lượng tạo ra do lốp xe tiếp xúc với mặt đường. Một điều nữa cũng cần lưu ý là, trên thực tế, với thuật toán chuyển số của Lamborghini, một hộp số tự động 7 cấp sẽ không cho phép động cơ của Aventador đạt ngay tới vòng tua 4,500 rpm tại cấp số 1. Để kết quả tính toán gần nhất với thực tế, ta cần phải tính đến các yếu tố bên ngoài này. Đây sẽ là nội dung mà Otoman sẽ tiếp tục truyền tải tới bạn trong những số tiếp theo của series Truyền động 101.