Nguyên lý hoạt động của hộp số vô cấp CVT

Hơn 500 trước đây, Leonardo da Vinci là người đặt ý tưởng cho hộp số vô cấp CVT (Continuously variable transmission - hay hộp số có tỷ số truyền biến thiên vô cấp). Hiện nay hộp số vô cấp đang thay thế cho hộp số hành tinh trên một số xe hơi và được nhiều hãng xe lớn như General Motors, Audi, Honda, Nissan phát triển và ứng dụng trên nhiều sản phẩm của mình.

Các hộp số nói chung dùng để thay đổi tỷ số tốc độ giữa động cơ và cầu chủ động. Nói một cách khác nếu không có hộp số, chiếc xe chỉ chạy được ở một tốc độ duy nhất với một tốc độ cực đại nhất định. Ngoài ra khả năng tăng tốc từ khi xuất phát cùng với khả năng leo dốc của xe cũng bị hạn chế nếu như nó không sử dụng hộp số. Vì vậy hộp số sử dụng một hệ thống bánh răng khác nhau từ thấp đến cao để biến đổi mô-men xoắn của động cơ phù hợp với nhiều điều kiện vận hành (khởi hành, tăng tốc, leo dốc...). Các số có thể được cài theo cách thông thường bằng tay hoặc tự động.


Hình 1: Mặt cắt hộp số CVT

Cơ sở của hộp số vô cấp CVT

Không giống như những hộp số tự động truyền thống, hộp số vô cấp CTV không có các cặp bánh răng để tạo tỷ số truyền. Điều này có nghĩa là nó không có sự ăn khớp giữa các bánh răng. Loại CVT thông thường nhất hoạt động trên một hệ thống puli (ròng rọc) và dây đai truyền cho phép một sự thay đổi vô cấp và liên tục giữa giới hạn thấp nhất và cao nhất mà không có sự tách biệt riêng rẽ các vị trí số (xem hình 2)


Hình 2

CVT trên cơ sở puli và đai truyền

Nếu ở hộp số tự động kiểu hành tinh bạn sẽ thấy sự phức tạp của cả một “thế giới” bánh răng, phanh và đĩa ly hợp cùng các thiết bị điều khiển hoạt động thì ở hộp số vô cấp CVT lại đơn giản hơn nhiều. Hầu hết hộp số vô cấp CVT đều có ba phần tử cơ bản:

            - Đai truyền bằng kim loại hay cao su có công suất cao

            - Một hệ puli có đầu vào thay đổi gắn với trục quay động cơ

            - Một hệ puli đầu ra dẫn đến bánh xe.  

CVT cũng có bộ vi xử lý và các cảm biến để theo dõi và điều khiển nhưng ba phần tử chính trên là những nhân tố chìa khóa cho phép ý tưởng này trở thành hiện thực.


Hình 3

Hệ puli với đường kính thay đổi là trái tim của CVT. Mỗi puli được tạo thành từ hai khối hình nón có góc nghiêng 20 độ và đặt đối diện với nhau. Một dây đai chạy trong rãnh giữa hai khối hình nón này. Dây đai hình chữ V có ưu điểm hơn nếu chúng được làm từ cao su vì có ma sát cao, hạn chế trượt. (xem hình 3)

Hai khối hình nón này có thể thay đổi khoảng cách giữa chúng. Khi hai khối hình nón tách ra xa nhau, dây đai ngập sâu vào trong rãnh và bán kính của dây đai quấn quanh puli sẽ giảm đi. Khi hai khối hình nón này ở gần nhau thì bán kính của dây đai tăng lên. CVT có thể sử dụng áp suất thủy lực hoặc lò xo để tạo ra lực cần thiết thay đổi khoảng cách giữa hai khối hình nón. (xem hình 4)

Hệ puli và dây đai có đường kính thay đổi này thường đi với nhau thành một cặp. Một trong số đó là puli chủ động được nối với trục quay của động cơ. Puli chủ động cũng được gọi là puli đầu vào bởi vì nó nhận năng lượng trực tiếp từ động cơ đưa vào hộp số. Puli thứ hai gọi là puli bị động nối với puli chủ động hay còn gọi là puli đầu ra và nó truyền momen đến trục truyền động dẫn đến bánh xe.


Hình 4

Khoảng cách giữa trục của puli tới điểm quấn của dây đai được gọi là bán kính quay (picth radius). Tỷ số của bán kính quay trên puli chủ động và bán kính quay của puli bị động xác lập nên “số” của hộp số.

Khi một puli tăng bán kính của nó và cái khác giảm bán kính để giữ cho dây đai luôn bám chặt vào giữa hai khối hình nón, chúng sẽ tạo ra vô số các tỷ số truyền từ mức thấp nhất cho đến cao nhất. Ví dụ khi bán kính quay nhỏ trên puli chủ động và lớn trên puli bị động thì tốc độ quay của puli bị động sẽ giảm kết quả là có được “số thấp". Khi bán kính quay của puli chủ động lớn và của puli bị động nhỏ thì tốc độ của puli bị động tăng lên và kết quả là được “số cao". Về mặt nguyên lý, hộp số CVT hoạt động với vô số cấp độ có thể chạy ở bất cứ thời điểm nào, đối với bất cứ loại động cơ và tốc độ xe nào của xe.

Sự đơn giản của CVT đã biến chúng trở thành ý tưởng tuyệt vời cho hộp số dành cho nhiều loại máy và thiết bị khác nhau không chỉ riêng xe hơi. CVT đã được sử dụng nhiều năm qua trên các máy gia công kim loại. Nó cũng có mặt trên nhiều loại phươn tiện khác nhau bao gồm đầu kéo (tractor), xe trượt tuyết (snowmobile) và scooter. Trong tất cả các ứng dụng này, hộp số đều dựa trên loại dây đai cao su chất lượng tốt và đàn hồi thấp. Tuy nhiên nó vẫn bị trượt và kéo dãn ra do đó giảm đi hiệu quả làm việc.

Những loại vật liệu mới cũng được giới thiệu để chế tạo ra hộp số vô cấp CVT có độ tin cậy và hiệu quả làm việc cao hơn nữa. Một trong những cải tiến quan trọng nhất đó là thiết kế và phát triển một dây đai mới nối giữa hai puli. Đây là loại dây phức hợp được làm từ một vài lá thép mỏng (khoảng từ 9-12) kết hợp cùng với những phiến thép có độ cứng cao, được tạo hình ôm chặt lấy các lá kim loại. Dây đai bằng kim loại không bị trượt và có độ bền cao hơn, cho phép CVT có thể làm việc với mô-men động cơ cao hơn và êm hơn so với dây đai cao su.

Một vài dạng CVT khác

1. Torodial CVT

Một phiên bản khác của CVT đó là Toroidal CVT nhưng thay dây đai và puli bằng các đĩa và con lăn. Mặc dù có sự khác biệt lớn tất cả các thành phần nhưng đều mang đến kết quả tương tự như CVT sử dụng puli và dây đai. 

Một đĩa nối với động cơ tương tự như puli chủ động trong khi một đĩa khác nối với trục truyền tương đương như puli bị động. Các con lăn được đặt vào vị trí giữa các đĩa có vai trò như dây đai, truyền công suất từ đĩa này sang đĩa khác. 

Những con lăn này quay cùng với trục quay nằm ngang và tiếp xúc với hai đĩa quay tại các vùng khác nhau. Khi con lăn tiếp xúc với đĩa quay chủ động gần tâm thì nó sẽ tiếp xúc với đĩa bị động ở gần viền bên ngoài kết quả là giảm được tốc độ và tăng momen (số thấp). Khi con lăn tiếp xúc với đĩa chủ động ở gần mép thì nó lại tiếp xúc với đĩa bị động tại gần trục quay kết quả là làm tăng tốc độ và giảm momen (số cao).  

2. Hydrostatic CVT

Cả hai loại CVT puli-dây đai và Toroidal là những ví dụ về hộp số vô cấp dựa trên cơ sở ma sát trượt làm việc bằng thay đổi bán kính của điểm liên kết giữa hai vật quay. Có một loại nữa được gọi là hộp số vô cấp thủy tĩnh (hydrostatic CVT). Chúng sử dụng bơm để thay đổi lưu lượng chất lỏng chảy qua motor thủy tĩnh. Loại hộp số này, động cơ làm quay trục máy bơm để bơm chất lỏng ở bên nhánh chủ động. Ở bên nhánh bị động, dòng chất lỏng chuyển động qua mô tơ thủy tĩnh biến thành chuyển động quay của trục động cơ.

Thông thường, hộp số thủy tĩnh kết hợp cùng với bộ bánh răng hành tinh và ly hợp để tạo thành hệ thống hybrid được gọi là hộp số cơ khí thủy lực. Hộp số cơ khí thủy lực chuyển công suất từ động cơ đến các bánh xe thông qua ba chế độ khác nhau. Tại tốc độ thấp, công suất được truyền bằng thủy lực, ở tốc độ cao nó được truyền bằng cơ khí. Ở khoảng giá trị trung bình sử dụng cả hai cơ cấu thủy lực và cơ khí để truyền công suất. Hộp số cơ khí thủy lực là ý tưởng phù hợp cho các ứng dụng tải trọng nặng như các máy nông nghiệp và xe địa hình. 

Ưu điểm của hộp số vô cấp CVT

Hộp số vô cấp ngày càng trở nên thông dụng hơn bởi những những ưu điểm của nó, mang đến nhiều tiện dụng cho cải lái xe và các nhà hoạt động môi trường.

Chức năngƯu điểm
Tăng tốc không đổi và liên tục từ khi xuất phát đến khi đạt được tốc độ hành trìnhHạn chế được giật khi vào số tạo cảm giác điều khiển mềm và êm hơn.
Giữ cho xe luôn trong dải công suất tối ưu ở bất cứ tốc độ nào của xeNâng cao hiệu quả tiêu thụ nhiên liệu
Phản ứng tốt hơn theo các điều kiện thay đổi như tăng ga và tốc độHạn chế việc xe giảm tốc khi vào số đặc biệt là khi lên dốc
Mất mát năng lượng ít hơn so với những loại hộp số tự động thông thườngTăng tốc tốt hơn
Điều khiển tốt hơn trong dải tốc độ của động cơ xăngGiảm được khí thải
Có thể kết hợp với các phiên bản tự động của bộ ly hợp cơ khíThay thế các bộ chuyển đổi thủy lực kém hiệu quả
 
Xe hơi sử dụng loại hộp số vô cấp này đã có mặt tại châu Âu trong nhiều năm qua và bắt đầu tiến vào nước Mỹ. Sản phẩm đầu tiên sử dụng hộp số vô cấp CVT tại thị trường Mỹ đó chính là chiếc Subaru Justy.
 

Subaru Justy

Được bán từ năm 1989-1993, Subaru Justy không bao giờ thu hút được sự chú ý của người tiêu dùng Mỹ. Vậy điều gi là khác biệt ở những chiếc xe mới có lắp hộp số vô cấp CVT như Saturn VUE, Audi A4, A6, Nissan Murano và Honda Insight? Cách tốt nhất để trả lời cho câu hỏi này là lấy một trong chiếc xe này và “test”. Xe hơi lắp hộp số vô cấp sẽ được so sánh khả năng tăng tốc và cảm giác mà bạn nhận được với xe không lắp hộp số vô cấp. (xem hình dưới)


So sánh khả năng tăng tốc giữa xelắp CVT và xe không lắp hộp số CVT

Khi bạn nhấn pedal gas của chiếc xe có CVT, bạn chú ý đến sự khác biệt ngay tức thì. Đồng hồ tốc độ vòng quay động cơ (RPM) tiến về giá trị tốc độ vòng quay mà nó tạo ra nhiều công suất nhất và dừng lại ở con số này. Ngay sau đó, chiếc xe tăng tốc một cách từ từ và chắc chắn mà không cần phải vào số. Theo lý thuyết chiếc xe với CVT có thể đạt được tốc độ 100km/h nhanh hơn 25% so với xe sử dụng cùng động cơ nhưng lắp hộp số thường. Bởi vì hộp số vô cấp CVT chuyển tất cả các điểm trên đặc tính công tác của động cơ thành các điểm tương ứng trên đặc tính công tác của nó.

Quá trình phát triển của CVT

1490 - Leonardo da Vinci phác thảo những ý tưởng đầu tiên về CVT
1886 - Hộp số CVT đầu tiên được đăng ký bản quyền
1935 - Adiel Dodge đã đăng ký bản quyền CVT tại Mỹ.
1939 - Hộp số tự động hoàn toàn đầu tiên dựa trên hệ bánh răng hành tinh.
1958 - Nhà sản xuất xe hơi Daf (Hà Lan) sản xuất CVT cho xe hơi.
1989 - Subaru Justy GL là chiếc xe đầu tiên được bán tại Mỹ có trang bị CVT
2002 - Saturn Vue lắp CVT được giới thiệu.
2004 - Ford bắt đầu đưa CVT vào sản xuất.

Nếu để ý đến công suất đầu ra đối với một chiếc xe không có CVT, bạn có thể nhận thấy điều này đúng. Chú ý rằng đồng hồ tốc độ vòng quay trong trường hợp này sẽ chỉ tốc độ vòng quay của động cơ tăng hoặc giảm khi mỗi số được thay đổi. 

CVT cũng có hiệu quả tương đương khi lên dốc. Không cần phải giảm số để lên dốc và xe không bị giật bởi vì CVT tự động điều chỉnh tỷ số truyền để đáp ứng được điều kiện vận hành. Đối với một hộp số tự động thông thường, lái xe sẽ phải chuyển số đi lại nhiều lần để cố gắng tìm được vị trí thích hợp. Điều này làm giảm đi hiệu quả làm việc cũng như tiện lợi. 

Bên cạnh tất cả những ưu điểm có được, hộp số vô cấp CVT cũng có một vài nhược điểm. Tại Mỹ, chúng vẫn đang được phát triển để khắc phục những vấn đề điển hình. Những cải tiến công nghệ đã đưa hộp số vô cấp CVT vào trong lĩnh vực truyền thống mà các đối thủ của nó đã nắm chắc trong nhiều năm qua. Tuy nhiên Nissan Murano - chiếc xe lắp hộp số vô cấp cùng động cơ V6 3.5L 245 mã lực đã thực sự làm nên một điều ấn tượng đầu tiên tưởng chừng như khó vượt qua. 

Theo autonet

Bán

Xe hơi |  Xe máy |  Xe đạp | 
Toyota Yaris  2007
Toyota Yaris 2007
490 Tr
0983.579.127 - Mr Quý
Ford Mondeo 2003
Ford Mondeo 2003
290 Tr
0983.579.127 - Mr Quý
Cadillac SRX4 2010
Cadillac SRX4 2010
1.750 Tr
0983.579.127 - Mr Quý
Kia Sorento AT 2WD 2014
Kia Sorento AT 2WD 2014
875 Tr
0938.808.452 - Mr Tú
Kia Carens S AT 2014
Kia Carens S AT 2014
629 Tr
0938.808.452 - Mr Tú
Kia Rio 2014
Kia Rio 2014
569 Tr
0938.808.452 - Mr Tú
Kia K3 2014
Kia K3 2014
678 Tr
0938.808.452 - Mr Tú
Kia Morning 2014
Kia Morning 2014
409 Tr
0938.808.452 - Mr Tú
Kia New Sorento DAT 2WD 2014
Kia New Sorento DAT 2WD 2014
998 Tr
0938.808.452 - Mr Tú
Toyota Hiace 2009
Toyota Hiace 2009
425 Tr
0973.799.799 - Mr Huy
0913.204.970 - Mr Lê
Mercedes-Benz CLA 250 2014
Mercedes-Benz CLA 250 2014
2.140 Tr
0986.56.8833 - Mr. Tuyên
091.955.0476 - Mr Điệp
Honda Accord 3.5 2010
Honda Accord 3.5 2010
1.100 Tr
0943.35.8282 - Mr. Khang
Lexus RX 350 AWD 2014
Lexus RX 350 AWD 2014
3.531 Tr
0903.49.49.69 - Mr Tuấn
0904.10.3109 - Mr Đàm
0904.75.4444 - Ms Hoa
0904.67.8877 - Mr Hạnh
0904.92.7272 - Mr Định
Infiniti FX 37 2014
Infiniti FX 37 2014
3.681 Tr
0986.56.8833 - Mr. Tuyên
091.955.0476 - Mr Điệp
Lexus ES300h 2013
Lexus ES300h 2013
3.103 Tr
091.286.7571 - Mr Thuần
0986.799.788 - Mr Trọng
Kia Cerato AT 2010
Kia Cerato AT 2010
545 Tr
098.882.8886 - Mr Chiến
Toyota Camry LE 2007
Toyota Camry LE 2007
820 Tr
090.571.6686 - Mr Tâm
Mercedes E250 2014
Mercedes E250 2014
2.152 Tr
0902.940.868 - Mr Khôi
Mazda 6 AT 2.5 2014
Mazda 6 AT 2.5 2014
1.134 Tr
094.286.66.33 - Mr Tuân
Mazda CX-9 AWD  2014
Mazda CX-9 AWD 2014
1.860 Tr
094.286.66.33 - Mr Tuân
Toyota Prado TXL 2014
Toyota Prado TXL 2014
2.300 Tr
0904.103.103 - Mr Hưng
0904.82.9292 - Ms Hồng
Mazda CX-5 AWD 2014
Mazda CX-5 AWD 2014
1.134 Tr
0938.806.971 - Mr Hùng
Mazda 6 AT 2014
Mazda 6 AT 2014
1.124 Tr
0938.806.971 - Mr Hùng
Mazda CX-5 2014
Mazda CX-5 2014
1.084 Tr
0938.806.971 - Mr Hùng
Mazda 2 SAT 2014
Mazda 2 SAT 2014
577 Tr
0938.806.971 - Mr Hùng
Mazda CX-9 AWD 2014
Mazda CX-9 AWD 2014
1.860 Tr
0938.806.971 - Mr Hùng
Mazda BT-50 2.2 4WD 2014
Mazda BT-50 2.2 4WD 2014
673 Tr
0938.806.971 - Mr Hùng
Toyota Camry SE 2013
Toyota Camry SE 2013
1.755 Tr
091.286.7571 - Mr Thuần
0986.799.788 - Mr Trọng
Toyota Camry 2.0 2010
Toyota Camry 2.0 2010
915 Tr
090.564.6588 - Mr Xuyên
0912.66.9955 - Mr Tuấn
0944.88.99.55 - Mr. Long
Lexus RX 330 2005
Lexus RX 330 2005
1.200 Tr
0983.555.688 - Mr Dũng
Chevrolet Cruze 2011
Chevrolet Cruze 2011
435 Tr
0973.668.999 - Mr. Trường
Mazda 3 Hatchback AT 2011
Mazda 3 Hatchback AT 2011
670 Tr
0989.33.6969 - Mr. Tiến Anh
0982.277.669 - Huy Ánh
Volkswagen Passat CC 2009
Volkswagen Passat CC 2009
1.030 Tr
0973.799.799 - Mr Huy
0913.204.970 - Mr Lê
BMW X5 2007
BMW X5 2007
1.150.000.000 Tr
098.330.4996 - Mr Tuân
097.324.9999 - Mr Đức
Toyota Camry LE 2009
Toyota Camry LE 2009
1.020 Tr
0913.222.686 - Mr Nam
Hyundai Avante 2011
Hyundai Avante 2011
450 Tr
0989.48.8888 - Mr Chung
0983.76.1412 - Ms Hồng
Mercedes GLK 300 2009
Mercedes GLK 300 2009
1.200.000.000 Tr
098.330.4996 - Mr Tuân
097.324.9999 - Mr Đức
Toyota Camry 2010
Toyota Camry 2010
1.180 Tr
097.669.9999 - Mr. Dũng
098.964.6929 - Mr. Thịnh
Toyota Camry 3.5Q 2013
Toyota Camry 3.5Q 2013
760 Tr
09.747.55555 - Mr Tuấn
Honda CR-V AT 2010
Honda CR-V AT 2010
920 Tr
0912.876.999 - Mr Thúy
0933.1111.66 - Mr Giang
Toyota Camry 2.5G 2012
Toyota Camry 2.5G 2012
1.120 Tr
090.571.6686 - Mr Tâm
Audi Q7  2007
Audi Q7 2007
1.926 Tr
090.217.2468 - Mr Giáp
097.941.8079 - Mr Trường
Kia Sportage 2011
Kia Sportage 2011
820 Tr
0989.33.6969 - Mr. Tiến Anh
0982.277.669 - Mr Huy Ánh
Honda CR-V 2.4 AT 2013
Honda CR-V 2.4 AT 2013
1.150 Tr
0912.873.999 - Mr. Đỏ
0984259968 - Mr. Đỏ
01695978888 - Mr. Sơn
Daewoo Matiz super 2005
Daewoo Matiz super 2005
269 Tr
0989.37.6699 - Mr Tuấn Anh
0904.30.6868
Toyota Camry LE 2009
Toyota Camry LE 2009
1.150 Tr
0913.291.768 - Mr Đạt
090.887.2913 - Mr Thuận
Nissan Qashqai 2012
Nissan Qashqai 2012
1.338 Tr
0943.35.8282 - Mr. Khang
Mercedes-Benz GLK 300 4Matic 2010
Mercedes-Benz GLK 300 4Matic 2010
1.250 Tr
0913.222.686 - Mr Nam
Mercedes E280 2008
Mercedes E280 2008
900 Tr
09.747.55555 - Mr Tuấn
Ford Everest  2009
Ford Everest 2009
690 Tr
0913.291.768 - Mr. Đạt
0918.15.3369 - Mr. Quang
090.887.2913 - Mr. Thuận
Toyota Corolla Altis 1.8G  2012
Toyota Corolla Altis 1.8G 2012
760 Tr
090.571.6686 - Mr Tâm
Land Cruiser VX 2008
Land Cruiser VX 2008
1.960 Tr
0989.48.8888 - Mr Chung
0983.76.1412 - Ms Hồng
Mercedes-Benz C300 2011
Mercedes-Benz C300 2011
1.250 Tr
0913.222.686 - Mr Nam
BMW X5 2007
BMW X5 2007
1.150 Tr
0943.35.8282 - Mr. Khang
Mercedes-Benz E240 2003
Mercedes-Benz E240 2003
535 Tr
0904.079.079 - Ms Hoài
Land Rover  HSE 5.0 2014
Land Rover HSE 5.0 2014
5.644 Tr
093.456.5555 - Mr Việt
Lexus RX350 2015
Lexus RX350 2015
3.552 Tr
0986.56.8833 - Mr. Tuyên
091.955.0476 - Mr Điệp
Toyota Land Cruiser GXR V8 2008
Toyota Land Cruiser GXR V8 2008
2.461 Tr
091.320.9894 - Mr Hoa
Lexus IS 250 F-Sport 2014
Lexus IS 250 F-Sport 2014
2.825 Tr
0986.56.8833 - Mr. Tuyên
091.955.0476 - Mr Điệp
Land Rover Range Rover Evoque Dynamic 2014
Land Rover Range Rover Evoque Dynamic 2014
2.889 Tr
0986.56.8833 - Mr. Tuyên
091.955.0476 - Mr Điệp
Toyota Alphard 2014
Toyota Alphard 2014
3.039 Tr
0943.35.8282 - Mr. Khang
Toyota Camry XLE 2014
Toyota Camry XLE 2014
1.840 Tr
0903.49.49.69 - Mr Tuấn
0904.10.3109 - Mr Đàm
0904.75.4444 - Ms Hoa
0904.67.8877 - Mr Hạnh
0904.92.7272 - Mr Định
Land Rover Range Rover Evoque 2013
Land Rover Range Rover Evoque 2013
2.461 Tr
093.456.5555 - Mr Việt
Toyota Highlander 2013
Toyota Highlander 2013
2.380 Tr
090.438.6888 - Mr Đường
Lexus ES 300h 2014
Lexus ES 300h 2014
2.868 Tr
0903.49.49.69 - Mr Tuấn
0904.10.3109 - Mr Đàm
0904.75.4444 - Ms Hoa
0904.67.8877 - Mr Hạnh
0904.92.7272 - Mr Định
Toyota Camry XLE 2014
Toyota Camry XLE 2014
1.840 Tr
0903.49.49.69 - Mr Tuấn
0904.10.3109 - Mr Đàm
0904.75.4444 - Ms Hoa
0904.67.8877 - Mr Hạnh
0904.92.7272 - Mr Định
Kia K3 Sedan 1.6 AT 2013
Kia K3 Sedan 1.6 AT 2013
688 Tr
043.681.5340 - Kia Giải Phóng
Kia K3 Sedan 2.0 AT 2013
Kia K3 Sedan 2.0 AT 2013
749 Tr
043.681.5340 - Kia Giải Phóng