Tại sao biến mô lại có thể khuếch đại mô men xoắn trong xe ô tô?

Biến mô (torque converter) là một bộ phận cốt lõi trong hệ thống truyền động của xe ô tô sử dụng hộp số tự động, đóng vai trò thay thế bộ ly hợp (bàn đạp côn) ở xe số sàn. Chức năng chính của nó là truyền mô men xoắn từ động cơ đến hộp số thông qua chất lỏng (dầu hộp số), đồng thời loại bỏ nhu cầu dừng hẳn xe để chuyển số. Tuy nhiên, điểm độc đáo và quan trọng nhất của biến mô, khiến nó khác biệt hoàn toàn so với khớp nối chất lỏng thông thường, chính là khả năng khuếch đại mô men xoắn của động cơ trong những điều kiện nhất định.

Vậy làm thế nào một thiết bị sử dụng chất lỏng lại có thể gia tăng sức mạnh quay (mô men xoắn) ban đầu từ động cơ? Đây là một nguyên lý kỹ thuật phức tạp nhưng cực kỳ thông minh, dựa trên động lực học chất lỏng và cấu trúc đặc biệt của biến mô.

Cấu tạo cơ bản của biến mô

Để hiểu được khả năng khuếch đại mô men xoắn, chúng ta cần nắm rõ các bộ phận chính của biến mô:

Cánh bơm (Impeller): Được gắn trực tiếp vào bánh đà của động cơ, nên tốc độ quay của cánh bơm luôn bằng tốc độ quay của động cơ. Nó hoạt động như một máy bơm ly tâm, sử dụng lực ly tâm để đẩy dầu hộp số ra phía ngoài với tốc độ cao, tạo thành dòng chảy hướng về phía tuabin.
Tua bin (Turbine): Nằm đối diện với cánh bơm và được gắn vào trục sơ cấp của hộp số. Dòng dầu từ cánh bơm đập vào các cánh quạt của tuabin, khiến tuabin quay và truyền động tới hộp số, từ đó dẫn động bánh xe.
Stato (Stator): Đây là bộ phận then chốt tạo nên sự khác biệt. Stato nằm ở trung tâm biến mô, giữa cánh bơm và tuabin. Nó được gắn vào vỏ biến mô (hoặc hộp số) thông qua một khớp một chiều (one-way clutch). Khớp một chiều này cho phép stato quay tự do theo một chiều, nhưng bị khóa lại khi có xu hướng quay ngược chiều đó. Stato có các cánh quạt được thiết kế đặc biệt với hình dạng cong.

Nguyên lý hoạt động: Từ khớp nối chất lỏng đến khuếch đại mô men xoắn

Quá trình truyền động của biến mô diễn ra theo hai giai đoạn chính:

Giai đoạn Khớp nối chất lỏng (Coupling Phase)

Khi động cơ quay, cánh bơm (gắn với động cơ) quay theo, đẩy dầu hộp số. Dòng dầu này chảy vào tuabin (gắn với hộp số), làm tuabin quay. Tốc độ quay của tuabin tăng lên khi xe bắt đầu di chuyển. Ở giai đoạn này, tốc độ của tuabin vẫn còn chậm hơn đáng kể so với tốc độ của cánh bơm. Dòng dầu sau khi đi qua tuabin sẽ có xu hướng chảy ngược về phía trung tâm biến mô, đi qua stato và quay trở lại cánh bơm.

Trong giai đoạn này, nếu stato có thể quay tự do theo cả hai chiều, biến mô chỉ đơn thuần là một khớp nối chất lỏng, truyền mô men xoắn xấp xỉ bằng mô men xoắn từ động cơ, có tổn thất do trượt.

Giai đoạn Khuếch đại mô men xoắn (Torque Multiplication Phase)

Khả năng “phép màu” của biến mô nằm ở giai đoạn này, thường xảy ra khi xe bắt đầu lăn bánh từ trạng thái dừng (hoặc khi xe cần tăng tốc mạnh ở tốc độ thấp), tức là khi tốc độ quay của tuabin chậm hơn nhiều so với tốc độ quay của cánh bơm (gọi là độ trượt – slip – lớn).

Trong điều kiện độ trượt lớn, dòng dầu sau khi ra khỏi tuabin vẫn mang một lượng động năng đáng kể và có xu hướng chảy ngược lại, đập vào mặt sau của các cánh stato. Nhờ thiết kế hình dạng cong đặc biệt của các cánh stato và khớp một chiều giữ stato không quay ngược lại, stato sẽ định hướng lại dòng chảy của dầu. Thay vì để dòng dầu “cản” cánh bơm, stato bẻ cong dòng dầu và hướng nó trở lại cánh bơm theo chiều quay của cánh bơm.

Khi dòng dầu được stato định hướng lại và đập vào cánh bơm theo chiều quay của cánh bơm, nó tạo ra một lực bổ sung, tương tự như việc đẩy mạnh vào một vật đang quay theo đúng hướng quay của nó. Lực phản hồi tích cực này từ stato (thông qua dòng dầu được bẻ lái) làm tăng hiệu quả truyền động và quan trọng hơn, tạo ra một phản lực trên chính stato.

Theo Định luật III Newton (Định luật Hành động và Phản ứng), lực mà dòng dầu tác động lên stato để bẻ hướng nó sẽ tạo ra một phản lực tương ứng và ngược chiều tác động lên dòng dầu. Phản lực này làm thay đổi động lượng góc của dòng dầu một cách đáng kể. Sự thay đổi động lượng góc của dòng dầu khi đi qua stato chính là nguyên nhân tạo ra mô men xoắn tác dụng lên stato. Vì stato được giữ cố định (nhờ khớp một chiều khóa lại), mô men xoắn này sẽ truyền qua vỏ biến mô (gắn với hộp số) và cộng thêm vào mô men xoắn đang tác dụng lên tuabin.

Nói một cách đơn giản hơn, stato không chỉ đơn thuần là một bộ phận trung gian. Nó giống như một “điểm tựa” phản lực. Khi dầu đập vào stato và bị bẻ hướng, stato đẩy ngược lại dòng dầu. Phản lực này không chỉ giúp dòng dầu chảy hiệu quả hơn về cánh bơm mà còn tạo ra một lực quay phụ trợ tác động vào tuabin, làm tăng tổng mô men xoắn tại tuabin so với mô men xoắn do cánh bơm truyền trực tiếp qua dầu.

Mô men xoắn tại tuabin lúc này sẽ lớn hơn mô men xoắn từ động cơ (tại cánh bơm). Tỉ số khuếch đại mô men xoắn (tỉ số giữa mô men xoắn tuabin và mô men xoắn cánh bơm) có thể đạt từ 2:1 đến 3:1 khi tuabin đứng yên (gọi là điều kiện “stall speed”). Tỉ số này giảm dần khi tốc độ tuabin tiến gần tốc độ cánh bơm, và bằng 1:1 khi tốc độ hai bộ phận này gần bằng nhau (trước khi bộ khóa biến mô – lock-up clutch – hoạt động).

Tầm quan trọng của khả năng khuếch đại mô men xoắn

Khả năng khuếch đại mô men xoắn của biến mô mang lại những lợi ích đáng kể cho xe số tự động:

Khởi hành mượt mà: Khi xe đứng yên, động cơ có thể quay ở tốc độ nhất định (ví dụ: vòng tua chờ – idle speed) mà không làm chết máy, nhờ sự trượt của biến mô. Khi người lái đạp ga, tốc độ cánh bơm tăng lên, và biến mô bắt đầu khuếch đại mô men xoắn. Lượng mô men xoắn gia tăng này giúp xe lăn bánh từ trạng thái dừng một cách êm ái và mạnh mẽ hơn so với chỉ truyền động trực tiếp.
Tăng tốc hiệu quả ở dải tốc độ thấp: Khả năng khuếch đại mô men xoắn đặc biệt hữu ích khi cần tăng tốc nhanh từ tốc độ thấp hoặc leo dốc, giúp xe phản ứng nhanh và vượt qua lực cản ban đầu hiệu quả hơn.
Ngăn chết máy: Ngay cả khi phanh gấp đến mức dừng hẳn xe, động cơ vẫn có thể tiếp tục nổ máy vì biến mô cho phép sự trượt giữa động cơ và hộp số.

Theo Ông Nông Văn Linh, Kỹ sư trưởng tại Garage Auto Speedy, “Khả năng khuếch đại mô men xoắn chính là yếu tố cốt lõi khiến xe số tự động trở nên phổ biến và tiện lợi, đặc biệt trong điều kiện giao thông đông đúc như tại Hà Nội. Nó giúp người lái dễ dàng điều khiển xe ở tốc độ thấp và khởi hành êm ái mà không cần thao tác ly hợp phức tạp. Am hiểu nguyên lý này cũng rất quan trọng trong việc chẩn đoán các vấn đề liên quan đến hiệu suất hộp số tự động.”

Khi nào biến mô ngừng khuếch đại?

Khả năng khuếch đại mô men xoắn chỉ xảy ra khi có sự khác biệt đáng kể về tốc độ quay giữa cánh bơm và tuabin (độ trượt lớn). Khi tốc độ xe tăng lên và tốc độ quay của tuabin gần bằng tốc độ của cánh bơm, dòng dầu quay trở lại stato không còn đủ mạnh để làm cho khớp một chiều của stato khóa lại. Stato lúc này sẽ bắt đầu quay tự do theo chiều quay của cánh bơm và tuabin. Lúc này, biến mô hoạt động như một khớp nối chất lỏng thông thường, chỉ truyền mô men xoắn xấp xỉ 1:1 từ động cơ, không còn khả năng khuếch đại.

Ở tốc độ hành trình ổn định, hầu hết các xe số tự động hiện đại đều sử dụng bộ khóa biến mô (lock-up clutch). Đây là một ly hợp cơ khí bên trong biến mô sẽ khóa cứng cánh bơm và tuabin lại với nhau, tạo thành một kết nối trực tiếp giữa động cơ và hộp số. Điều này giúp loại bỏ hoàn toàn hiện tượng trượt dầu trong biến mô, giảm thiểu tổn thất năng lượng và sinh nhiệt, từ đó cải thiện hiệu quả sử dụng nhiên liệu. Khi cần tăng tốc hoặc giảm tốc đột ngột, bộ khóa này sẽ tự động nhả ra để biến mô có thể tiếp tục thực hiện chức năng khớp nối chất lỏng và khuếch đại mô men xoắn khi cần thiết.

Câu hỏi thường gặp về biến mô

Biến mô là gì? Là một bộ phận trong hộp số tự động, dùng chất lỏng (dầu hộp số) để truyền mô men xoắn từ động cơ tới hộp số, thay thế cho ly hợp khô ở xe số sàn.
Biến mô có tác dụng gì? Giúp xe số tự động khởi hành và dừng xe mà không cần ngắt kết nối động cơ, truyền động êm ái, và quan trọng nhất là khuếch đại mô men xoắn ở tốc độ thấp.
Khi nào biến mô khuếch đại mô men xoắn? Chủ yếu khi xe bắt đầu di chuyển từ trạng thái dừng hoặc ở tốc độ rất thấp, khi tốc độ quay của tuabin (gắn với hộp số) thấp hơn nhiều so với tốc độ quay của cánh bơm (gắn với động cơ).
Bộ phận nào giúp biến mô khuếch đại mô men xoắn? Bộ phận stato (stator) với các cánh quạt được thiết kế đặc biệt và khớp một chiều giữ nó không quay ngược lại.
Biến mô bị hỏng có biểu hiện gì? Các dấu hiệu phổ biến bao gồm: xe tăng tốc yếu, cảm giác trượt khi tăng tốc, nóng hộp số bất thường, tiếng ồn lạ, hoặc xe bị giật cục khi sang số.
Có cần bảo dưỡng biến mô không? Biến mô sử dụng chung dầu hộp số. Việc thay dầu hộp số định kỳ là cách quan trọng nhất để đảm bảo biến mô hoạt động hiệu quả và bền bỉ.
Làm thế nào để kiểm tra biến mô? Cần có kiến thức chuyên môn và thiết bị chẩn đoán phù hợp. Nếu nghi ngờ biến mô gặp vấn đề, bạn nên đưa xe đến các gara uy tín. Tại Garage Auto Speedy, chúng tôi có đầy đủ thiết bị và kỹ thuật viên giàu kinh nghiệm để kiểm tra và chẩn đoán chính xác tình trạng biến mô của xe bạn.

Kết luận

Khả năng khuếch đại mô men xoắn là một tính năng kỹ thuật đỉnh cao của biến mô, làm nên sự khác biệt và hiệu quả vượt trội của hộp số tự động trong việc khởi hành và vận hành ở tốc độ thấp. Nhờ có stato và nguyên lý động lực học chất lỏng phức tạp, biến mô không chỉ đơn thuần truyền lực mà còn “nhân đôi” hoặc “nhân ba” sức mạnh quay của động cơ khi xe cần nhất.

Hiểu rõ về nguyên lý hoạt động của biến mô không chỉ giúp bạn thêm yêu chiếc xe tự động của mình mà còn là kiến thức hữu ích để nhận biết sớm các dấu hiệu bất thường, từ đó có kế hoạch bảo dưỡng hoặc sửa chữa kịp thời.

Nếu bạn có bất kỳ câu hỏi nào về biến mô, hộp số tự động, hoặc cần kiểm tra, bảo dưỡng hệ thống truyền động cho chiếc xe của mình, đừng ngần ngại liên hệ với Garage Auto Speedy. Với đội ngũ kỹ thuật viên chuyên môn cao và giàu kinh nghiệm, chúng tôi tự tin cung cấp các giải pháp chính xác và hiệu quả, giúp chiếc xe của bạn luôn vận hành trơn tru và mạnh mẽ.

Truy cập website https://autospeedy.vn/ hoặc liên hệ hotline 0877.726.969 để được tư vấn chi tiết và đặt lịch dịch vụ từ chuyên gia Garage Auto Speedy. Chúng tôi luôn sẵn sàng đồng hành cùng bạn trên mọi cung đường.