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 | 
Audi A4 1.8T 2011
Audi A4 1.8T 2011
1.150 Tr
0913.291.768 - Mr Đạt
Toyota RAV4 XLE AWD 2014
Toyota RAV4 XLE AWD 2014
2.140 Tr
0913.291.768 - Mr Đạt
Land Rover Range Rover HSE 2009
Land Rover Range Rover HSE 2009
2.461 Tr
091.320.9894 - Mr Hoa
Mercedes Benz S63  2008
Mercedes Benz S63 2008
2.718 Tr
091.320.9894 - Mr Hoa
Kia Morning Slx 2010
Kia Morning Slx 2010
370 Tr
0989.089.805 - Mr Tâm
Lexus ES 350 2009
Lexus ES 350 2009
1.780 Tr
090.564.6588 - Mr Xuyên
0912.66.9955 - Mr Tuấn
0944.88.99.55 - Mr. Long
Toyota Camry 2.4G 2008
Toyota Camry 2.4G 2008
800 Tr
090.564.6588 - Mr Xuyên
0912.66.9955 - Mr Tuấn
0944.88.99.55 - Mr. Long
Jaguar XF 2013
Jaguar XF 2013
2.459 Tr
0988306666 - Mr Hiếu
Toyota Yaris 1.3 Sedan 2009
Toyota Yaris 1.3 Sedan 2009
550 Tr
0989.089.805 - Mr Tâm
Mitsubishi Triton 2011
Mitsubishi Triton 2011
500 Tr
0983.579.127 - Mr Quý
0973.77.44.68
Toyota Fortuner G 2011
Toyota Fortuner G 2011
815 Tr
091.282.9498 - Mr Thành
Daihatsu Materia 2014
Daihatsu Materia 2014
560 Tr
0987.00.0001 - Mr. Nam
Daewoo Lacetti  2010
Daewoo Lacetti 2010
450 Tr
0983.555.688 - Mr Dũng
Lexus HS250h  2010
Lexus HS250h 2010
1.650 Tr
0983.555.688 - Mr Dũng
Toyota Corolla 1.6 AT 2010
Toyota Corolla 1.6 AT 2010
740 Tr
0973.668.999 - Mr. Trường
Lexus RX 350 2009
Lexus RX 350 2009
2.150 Tr
090.571.6686 - Mr Tâm
Audi Q7  2007
Audi Q7 2007
1.020 Tr
097.669.9999 - Mr. Dũng
098.964.6929 - Mr. Thịnh
Lexus LS 460 2006
Lexus LS 460 2006
1.755 Tr
097.669.9999 - Mr. Dũng
098.964.6929 - Mr. Thịnh
Acura ZDX SH AWD 2010
Acura ZDX SH AWD 2010
2.150 Tr
0912.876.999 - Mr Thúy
0933.1111.66 - Mr Giang
Lexus RX 350 2007
Lexus RX 350 2007
1.280 Tr
090.343.5272 - Mr Sơn
Hyundai Getz  2010
Hyundai Getz 2010
360 Tr
0983.579.127 - Mr Quý
0973.77.44.68
Toyota Highlander 2011
Toyota Highlander 2011
1.630 Tr
0946222268 - Mr Hùng
Lexus LX570 2011
Lexus LX570 2011
3.060 Tr
0989.48.8888 - Mr Chung
0983.76.1412 - Ms Hồng
Honda Civic  2009
Honda Civic 2009
495 Tr
0989.48.8888 - Mr Chung
0983.76.1412 - Ms Hồng
BMW X5 2007
BMW X5 2007
1.100 Tr
0989.48.8888 - Mr Chung
0983.76.1412 - Ms Hồng
MG 350S 2012
MG 350S 2012
420 Tr
0986.121.666 - Mr Cương
Mercedes C240 2005
Mercedes C240 2005
480 Tr
091.282.9498 - Mr Thành
Toyota Vios 1.5 AT 2009
Toyota Vios 1.5 AT 2009
515 Tr
0973.668.999 - Mr. Trường
Toyota Camry LE 3.5 2007
Toyota Camry LE 3.5 2007
810 Tr
0989.33.6969 - Mr. Tiến Anh
0982.277.669 - Mr Huy Ánh
Hyundai Sonata 2010
Hyundai Sonata 2010
770 Tr
0989.33.6969 - Mr. Tiến Anh
0982.277.669 - Mr Huy Ánh
Mercedes GLK300 2009
Mercedes GLK300 2009
1.050 Tr
0973.799.799 - Mr Huy
0913.204.970 - Mr Lê
Toyota Innova G 2007
Toyota Innova G 2007
480 Tr
0904.006.006 - Mr Đăng
0973.505.086 - Mr Mạnh
Ford Everest  Limited 2010
Ford Everest Limited 2010
650 Tr
0904.006.006 - Mr Đăng
0973.505.086 - Mr Mạnh
Toyota Zace 2005
Toyota Zace 2005
379 Tr
098.882.8886 - Mr Chiến
Toyota Land Cruiser 1999
Toyota Land Cruiser 1999
460 Tr
0913.204.970 - Mr Lê
093.682.6363
Mitsubishi Gala Lancer 2005
Mitsubishi Gala Lancer 2005
370 Tr
0913.204.970 - Mr Lê
093.682.6363
Lexus LS 460 2010
Lexus LS 460 2010
2.760 Tr
097.669.9999 - Mr. Dũng
098.964.6929 - Mr. Thịnh
Audi Q5 2.0 2013
Audi Q5 2.0 2013
2.418 Tr
091.583.8668 - Mr Bảo: Hà Nội
09.724.66666 - Mr Đức: Tp. HCM
Honda Accord 2007
Honda Accord 2007
770 Tr
0989.33.6969 - Mr. Tiến Anh
0982.277.669 - Huy Ánh
Mazda 3 2004
Mazda 3 2004
425 Tr
098.909.8258 - Mr Tuấn
Land Rover Range Rover Supercharged 2010
Land Rover Range Rover Supercharged 2010
3.103 Tr
098.788.8668 - Mr Dũng
Mercedes GL320 2009
Mercedes GL320 2009
2.054 Tr
098.788.8668 - Mr Dũng
Toyota Fortuner V 2011
Toyota Fortuner V 2011
920 Tr
0989.33.6969 - Mr. Tiến Anh
0982.277.669 - Mr Huy Ánh
Kia Cerato AT 2011
Kia Cerato AT 2011
535 Tr
0933.08.6666 - Mr Bảy
Bentley Continental Flying Spur Speed 2010
Bentley Continental Flying Spur Speed 2010
7.169 Tr
0912.876.999 - Mr Thúy
0933.1111.66 - Mr Giang
Nissan Rogue 2007
Nissan Rogue 2007
860 Tr
0912.876.999 - Mr Thúy
0933.1111.66 - Mr Giang
Toyota Hilux G 2010
Toyota Hilux G 2010
550 Tr
0973.799.799 - Mr Huy
0913.204.970 - Mr Lê
Mazda 6 AT 2.0 2014
Mazda 6 AT 2.0 2014
1.003 Tr
094.286.66.33 - Mr Tuân
Honda Civic  AT 2007
Honda Civic AT 2007
488 Tr
098.882.8886 - Mr Chiến
Lexus LX 570 2013
Lexus LX 570 2013
4.965 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
Lexus GX 460 Premium Luxury 2014
Lexus GX 460 Premium Luxury 2014
5.050 Tr
Mr Trọng 0906.98.33.88
Mr Bình 0916.231 224
Lexus GS 250 2013
Lexus GS 250 2013
2.975 Tr
091.324.8899 - Mr Thành
097.688.8978
Range Rover Autobiography 5.0 2014
Range Rover Autobiography 5.0 2014
7.383 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
BMW 520i 2014
BMW 520i 2014
2.136 Tr
091.207.9922 - Mr Hưng
Mercedes-Benz CLA 250 2014
Mercedes-Benz CLA 250 2014
2.033 Tr
0986.56.8833 - Mr. Tuyên
0986.96.3333
0919.55.0476
Toyota Yaris Hatchback 1.3 AT 2009
Toyota Yaris Hatchback 1.3 AT 2009
550 Tr
0913.222.686 - Mr Nam
BMW 650i Convertible 2014
BMW 650i Convertible 2014
5.628 Tr
0986.56.8833 - Mr. Tuyên
0986.96.3333
0919.55.0476
Hyundai i20 1.4 AT 2011
Hyundai i20 1.4 AT 2011
515 Tr
0989.33.6969 - Mr. Tiến Anh
0982.277.669 - Mr Huy Ánh
Mercedes-Benz C300 2011
Mercedes-Benz C300 2011
1.250 Tr
0913.222.686 - Mr Nam
Toyota Camry XLE 2013
Toyota Camry XLE 2013
1.819 Tr
091.583.8668 - Mr Bảo: Hà Nội
09.724.66666 - Mr Đức: Tp. HCM
Toyota Highlander LE 2.7 2014
Toyota Highlander LE 2.7 2014
2.247 Tr
091.583.8668 - Mr Bảo: Hà Nội
09.724.66666 - Mr Đức: Tp. HCM
Audi Q7 2007
Audi Q7 2007
1.200 Tr
090.853.9999 - Mr Quân
0903.251.251
Lexus GS 250 2013
Lexus GS 250 2013
2.923 Tr
090.853.9999 - Mr Quân
0903.251.251
Toyota Camry LE 2010
Toyota Camry LE 2010
1.220 Tr
0946222268 - Mr Hùng
Toyota Highlander 2014
Toyota Highlander 2014
2.354 Tr
0986.56.8833 - Mr. Tuyên
0986.96.3333
0919.55.0476
Toyota Avalon Hybrid Limited 2014
Toyota Avalon Hybrid Limited 2014
2.630 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
Lexus LX 570 2014
Lexus LX 570 2014
5.430 Tr
091.324.8899 - Mr Thành
097.688.8978
Lexus RX350  2015
Lexus RX350 2015
3.595 Tr
0913.319.819 - Mr Chiến