Xe và Công nghệ Nguyên lý hoạt động của hộp số vô cấp CVT

HỘP SỐ CVT HOẠT ĐỘNG NHƯ THẾ NÀO ?

Hộp số vô cấp (Continuously Variable Transmission - CVT), một khái niệm do Leonardo da Vinci đưa ra từ hơn 500 năm trước và ngày nay đang thay thế cho loại hộp số tự động sử dụng bánh răng hành tinh ở một vài loại xe. Sự thực thì, bằng sáng chế của hộp số tự động vô cấp CVT đầu tiên đã được cấp vào năm 1886, công nghệ đó đã được chắt lọc và cải tiến. Ngày nay, có vài hãng ô tô, bao gồm General Motors, Audi, Honda và Nissan đang thiết kế hệ thống truyền động của họ quanh CVT.

Động cơ Nissan HR15DE với hộp số Xtronic CVT

Trong bài viết này, chúng ta cùng khám phá xem một hộp số vô cấp họat động như thế nào ở một chiếc xe dẫn động cầu sau tiêu biểu, trả lời những câu hỏi về:

- Làm thế nào để so sánh một hộp số CVT với một hộp số tự động sử dụng bánh răng hành tinh?
- Nó có những bộ phận gì và những bộ phận đó hoạt động như thế nào?
- Ưu/nhược điểm của hộp số CVT so với hộp số tự động thường?
- Có những cảm nhận gì khi lái một chiếc xe có trang bị CVT?
- Những loại và kiểu xe nào có CVT?
- CVT còn được ứng dụng trong những lĩnh vực nào khác ngòai ô tô?

Chúng ta hãy bắt đầu với những kiến thức cơ bản về hộp số:

Nếu bạn đã biết về cấu tạo và chức năng của hộp số tự động, thì bạn cũng biết nhiệm vụ của hộp số là thay đổi tỷ số truyền giữa động cơ và bánh của một chiếc ô tô. Hay nói cách khác, nếu không có hộp số thì chiếc xe chỉ một số và cái số đó sẽ cho phép chiếc xe di chuyển với vận tốc mong muốn cao nhất. Hình dung xem một lúc nào đó bạn lái một chiếc xe chỉ số 1 hoặc chỉ có số 3. Với chiếc xe trước có thể tăng tốc tốt khi đang đứng yên và có thể leo những đồi dốc cao, nhưng tốc độ tối đa của nó sẽ bị giới hạn ở mức vài km/h. Còn chiếc xe sau, có thể lướt với vận tốc 80 dặm/giờ (1 dặm 1.6km) trên xa lộ, nhưng nó sẽ tăng tốc rất chậm khi khởi hành và sẽ không thể leo được đồi dốc.

Bởi vậy hộp số dùng một dãy bánh răng - từ thấp đến cao – để sử dụng hiệu quả hơn mô men xoắn của động cơ khi thay đổi các điều kiện vận hành. Số có thể điều khiển bằng tay hoặc tự động.

Hộp số tự động của chiếc Mercedes-Benz CLK

Ở hộp số tự động truyền thống, các số đúng là những bánh răng - cài vào nhau, bánh răng giúp truyền lực, thay đổi chuyển động quay và momen xoắn. Môt sự kết hợp giữa các bánh răng hành tinh tạo nên những số truyền khác nhau, tiêu biểu là bốn số tiến và một số lùi. Khi chu trình của loại hộp số này diễn ra thông qua các bánh răng, người lái xe có thể cảm nhận được độ rung mỗi khi bánh răng ăn khớp.

1. Những nét cơ bản của hộp số CVT
Không giống như các hộp số tự động truyền thống, hộp số tự động vô cấp không có hộp bánh răng và cũng không có các số được thiết lập theo thứ tự bánh răng, điều đó có nghĩa là sẽ không có các bánh răng cài với nhau. Loại hộp số CVT có điểm chung nhất là vận hành trên một hệ thống bánh đai ròng rọc (pulley) thông minh, cho phép một khả năng biến thiên vô hạn giữa số cao nhất và số thấp nhất mà không không có sự ngắt quãng giữa các bước số.

Động cơ Duratec của chiếc Ford Freestyle với hộp số CVT

Nếu bạn còn ngạc nhiên là tại sao từ "số" vẫn còn xuất hiện khi giải thích về một hộp số CVT, nên nhớ rằng, "số" được xem như là một tỷ số truyền của trục khuỷu đến trục bánh xe. Mặc dù CVT thay đổi tỷ lệ truyền này mà không dùng đến một bộ bánh răng hành tinh, nó vẫn được mô tả như có số thấp và số cao nhằm mục đích dễ hiểu.

Không còn các bánh răng số: Mốc phát triển của CVT
-1490 - da Vinci phác họa một hộp số vô cấp
-1886 - hộp số CVT con lăn đầu tiên được đăng ký bằng sáng chế.
-1935 - Adiel Dodge nhận bằng sáng chế của Mỹ cho CVT kiểu con lăn.
-1939 - Hộp số tự động toàn phần dựa trên một hệ thống bánh răng hành tinh được giới thiệu
-1958 - Daf (của Hà Lan) sản xuất CVT cho xe ô tô
-1989 - Subaru Justy GL là sản phẩm đầu tiên được lắp CVT được bán ra ở Mỹ.
-2002 - Saturn Vuev ra mắt với CVT; chiếc Saturn đầu tiên ứng dụng công nghệ CVT
-2004 - Ford bắt đầu lắp đặt CVT.

2. Hộp số vô cấp trên cơ sở bánh đai (pulley):

Quan sát kỹ một hộp số tự động kiểu hành tinh, và bạn sẽ thấy một thế giới các bánh răng phức tạp, phanh hãm, ly hợp và các thiết bị điều khiển. Khi so sánh, hộp số vô cấp là một thành tựu trong sự đơn giản. Hầu hết các CVT đều có 3 bộ phận cơ bản:

-Một dây đai chịu lực cao bằng thép hoặc cao su
-Một bánh đai ròng rọc sơ cấp biến thiên (input)
-Một bánh đai ròng rọc thứ cấp biến thiên (output)
Ngoài ra CVT còn có các bộ vi xử lý và bộ phận cảm biến, nhưng ba thành phần mô tả bên trên là các yếu tố then chốt để cho cơ cấu hoạt động.

Các bánh đai ròng rọc có thể thay đổi đường kính làm việc được là trái tim của CVT. Mỗi bánh đai được chế tạo bởi hai bề mặt vát 20 độ hình nón quay vào nhau. Một dây đai chạy trong rãnh của hai mặt côn này. Dây đai chữ "V" thường được ưa chuộng nếu như nó được chế tạo từ cao su.

Khi hai mặt côn của bánh đai cách xa nhau (khi đường kính làm việc giảm xuống – Howstuffworks viết là tăng lên), dây đai sẽ chạy ở vị trí thấp của rãnh (gần tâm), và bán kính của vòng đai xung quanh bánh đai trở nên nhỏ hơn. Khi hai mặt côn sát lại gần nhau (khi đường kính làm việc tăng lên - Howstuffworks viết là giảm xuống), dây đai chạy ở vị trí cao của rãnh (xa tâm), bán kính của vòng đai quanh bánh đai trở nên lớn hơn. CVT có thể dùng áp suất thủy lực, lực ly tâm hoặc lực của lò xo để tạo một lực cần thiết để điều chỉnh hai nửa của bánh đai.

Quá trình biến thiên đường kính của vòng đai, khi hai nửa bánh đai tách xa nhau, đường kính làm việc của dây đai giảm (gần tâm). Khi hai nửa bánh đai đóng lại gần nhau, đường kính làm việc của dây đai tăng lên (xa tâm).

Khi một bánh đai tăng bán kính của nó, thì bánh đai còn lại sẽ giảm bán kính để giữ cho đai bám chặt. Khi hai bánh đai thay đổi bán kính tương xứng với nhau, chúng tạo ra vô số tỷ số truyền - tất cả các mức giữa hai điểm từ thấp đến cao. Ví dụ, khi bán kính ở bánh đai chủ động nhỏ và bán kính ở bánh đai bị động lớn, thì tốc độ quay của bánh đai bị động giảm, khi đó tạo ra một “số” thấp, có sức kéo lớn, tốc độ xe chậm. Khi bán kính ở bánh đai chủ động lớn và bán kính ở bánh đai bị động nhỏ, tốc độ quay của bánh đai bị động tăng lên, khi đó taoh ra một “số” xe cao, tốc độ cao, sức kéo thấp. Như vậy, về mặt lý thuyết, một CVT có vô số "số" mà nó có thể tạo ra bất cứ khi nào, ở bất cứ tốc độ nào của xe và động cơ.

Bản chất tự nhiên về sự đơn giản và vô cấp của CVT làm nó trở thành một hộp số lý tưởng cho các lọai máy móc và thiết bị, không chỉ cho ô tô mà còn trên máy kéo và xe máy ta ga. Nhược điểm cơ bản của nó là: sự trượt đai gây tổn thất đáng kể hiệu suất truyền lực, dây đai có tuổi thọ thấp.

Sư ra đời của vật liệu mới làm cho CVT trở nên tin cậy hơn và hiệu quả hơn. Một trong những tiến bộ quan trọng nhất là việc thiết kế và phát triển của dây đai kim lọai kết nối các bánh đai. Những dây đai mềm mại này được kết hợp bởi một số (thường là 9 hoặc 12) băng thép mỏng liên kết với nhau bằng cái mảnh thép (khoảng trên 300) hình nơ con bướm có sức chịu lực cao.

Thiết kế của đai kim loại

Các dây đai kim loại không trượt và có độ bền cao, cho phép CVT tiếp nhận nhiều hơn momen xuắn của động cơ. Chúng cũng vận hành êm ái hơn loại dây cao su. Nhưng do hệ số ma sát giữa dâu đai kim loại nhỏ và bánh đai nhỏ, nên lực ép giữa chúng cũng cần lớn hơn.

3. Hộp số vô cấp kiểu con lăn.
Một phiên bản khác của CVT là hệ thống CVT dạng con lăn, các dây đai và bánh đai được thay bằng các đĩa và con lăn truyền lực (power roller).

Hộp số CVT dạng con lăn của chiếc Nissan Extroid

Mặc dù hệ thống như thế dường như rất phức tạp, tất cả các bộ phận đều tương tự như hệ thống dây đai và bánh đai và đem lại những kết quả giống nhau - một hộp số vô cấp.

Đây là nguyên lý hoạt động của nó:

- Một cái đĩa nối với động cơ. Chi tiết này tương đương với bánh đai chủ động.
- Một cái đĩa khác nối với trục dẫn động. Chi tiết này tương đương với bánh đai bị động.
- Các con lăn, hoặc các bánh xe, nằm giữa các đĩa họat động như dây đai, truyền lực từ đĩa này sang đĩa kia.

Các bánh xe có thể xoay theo hai trục. Chúng quay quanh trục ngang và lên hoặc xuống quanh trục dọc, cho phép các bánh xe tiếp xúc vào các chỗ khác nhau trên đĩa. Khi các bánh xe này tiếp xúc gần tâm của đĩa chủ động, thì chúng sẽ phải tiếp xúc tại gần mép của đĩa bị động, kết quả là tốc độ giảm nhưng momen xoắn tăng (số thấp). Khi các bánh xe tiếp xúc với đĩa chủ động gần mép đĩa, chúng sẽ tiếp xúc với đĩa bị động tại tâm, kết quả là tốc độ tăng nhưng momen xoắn giảm (số cao). Góc nghiêng thay đổi đơn giản của các bánh xe tạo nên những thay đổi lớn đến tỷ số truyền, mang lại sự êm ái, tỷ số truyền gần như được thay đổi tức thời.

4. Hộp số CVT thủy tĩnh

Cả hai loại hộp số CVT dạng puley-dây đai và dạng con lăn là những điển hình của hộp số CVT ma sát, nó họat động bằng cách thay đổi bán kính giữa tiếp điểm của hai vật thể đang quay. Thêm một loại khác của CVT, được biết đến với tên gọi là CVT thủy tĩnh, loại hộp số này sử dụng các bơm để thay đổi lưu lượng chất lỏng vào các mô-tơ thủy tĩnh. Ở lọai hộp số này, các chuyển động quay của động cơ sẽ vận hành một bơm thủy lực ở đầu chủ động. Chiếc bơm này biến chuyển động quay của động cơ thành dòng chảy của chất lỏng. Tiếp theo, với một động cơ thủy lực được đặt vào đầu còn lại, dòng chảy của chất lỏng được biến trở lại thành chuyển động quay.

Thông thường, một hộp số thủy tĩnh được kết hợp với một bộ bánh răng hành tinh và ly hợp để tạo ra một hệ thống “lai” gọi là hộp số thủy cơ khí (hydromechanical transmission). Hộp số thủy cơ khí truyền lực từ động cơ đến các bánh xe với cách khác nhau. Ở vận tốc thấp, động lực được truyền bằng thủy lực, ở vận tốc cao, động lực được truyền bằng cơ khí. Giữa hai phương pháp này, hộp số sử dụng cả kiểu thủy lực và cơ khí để truyền động lực. Hộp số thủy cơ khí rất lý tưởng cho ứng dụng hạng nặng, vì thế nó thường thấy nhiều ở các xe máy cày nông nghiệp và các loại xe địa hình.

Hộp số thủy cơ khí (hydromechanical transmission)

Ô tô được lắp CVT đã trở nên phổ biến ở châu Âu từ nhiều năm nay. Nhưng đã phải mất một thời gian để cho công nghệ này có chỗ đứng ở thị trường Mỹ. Chiếc xe đầu tiên lắp CVT được bán ở Mỹ là Subaru Justy.

Subaru Justy

Được bán từ năm 1989 - 1993, chiếc Justy chưa bao giờ tạo được sự chú ý tới những người tiêu dùng Mỹ. Vậy có gì khác nhau ở những chiếc xe có CVT như Saturn Vue, Audi A4 và Audi A6, Nissan Murano và Honda Insight? Câu trả lời hay nhất là hãy mang một trong những chiếc này ra chạy thử.

Bạn sẽ nhận thấy sự khác biệt về gia tốc chiếc xe có CVT và không có CVT. Khi bạn đặt chân lên chân ga một chiếc xe có CVT, sẽ thấy sự khác biệt ngay lập tức, vòng tua máy sẽ vọt lên mức mà tại đó sinh công tối đa và dừng tại đó. Nhưng chiếc xe chưa phản ứng ngay. Rồi một lát sau, hộp số nhập kích hoạt, chiếc xe tăng tốc chậm, ổn định và chẳng có sự sang số nào. Về lý thuyết, một chiếc xe có CVT sẽ tăng đạt tốc độ 100km/h nhanh hơn 25% của chiếc xe có cùng động cơ với hộp số tay. Bởi vì CVT biến đổi từng điểm trên đường cong vận hành của động cơ sang các điểm tương ứng trên đường cong vận hành của chính nó.

Nếu bạn nhìn vào đường cong sinh công ở chiếc xe không có CVT, bạn sẽ nhận thấy đúng là vậy. Chú ý đồng hồ tua trong trường hợp này cho thấy vòng tua máy lên xuống khi đổi số, điều đó được ghi nhận như một mũi nhọn trên đường cong sinh công (và khi đó lái xe cảm thấy hơi bị hẫng và giật)

CVT có hiệu quả đều nhau khi leo dốc. Không còn dồn số, bởi vì các chu kỳ quay của CVT giảm một cách vô cấp xuống đến một tỷ số truyền phù hợp với điều kiện vận hành. Hộp số tự động thông thường chuyển số lên xuống cố gắng tìm một số thích hợp, như thế kém hiệu quả hơn.

Với tất cả những ưu điểm của mình, CVT cũng có một số nhược điểm. Ở Mỹ, người ta vẫn đang cố gắng vượt qua một vấn đề mang thuộc về quan niệm. Chiếc Subary Justy, là một điển hình, được biến đến như là một chiếc xe nhỏ không có khí khách. Theo truyền thống, các hộp số CVT dạng dây đai bị giới hạn ở một mức momen mà nó có thể xử lý được và nó lớn hơn và nặng hơn so với những phiên bản số tự động hoặc số tay. Các cải tiến công nghệ đã đặt CVT vào vị trí cạnh tranh, chiếc Nissan Murano CVT có động cơ 3.5 lít, V6, 245 mã lực, nhưng ấn tượng đầu tiên bao giờ cũng khó phai.

http://www.oto-hui.com/threads/nguyen-ly-hoat-dong-cua-hop-so-vo-cap-cvt.2571/

Nguồn: oto-hui.com