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 | 
Lexus RX 350 AWD 2010
Lexus RX 350 AWD 2010
2.664 Tr
0904.103.103 - Mr Hưng
0904.82.9292 - Ms Hồng
Range Rover  Evoque Dynamic 2014
Range Rover Evoque Dynamic 2014
2.547 Tr
0904.103.103 - Mr Hưng
0904.82.9292 - Ms Hồng
Audi Q5 2.0 2013
Audi Q5 2.0 2013
2.418 Tr
091.583.8668 - Mr Bảo
Mercedes GLK 300 2011
Mercedes GLK 300 2011
1.250 Tr
09.747.55555 - Mr Tuấn
Honda Civic 2.0 AT 2008
Honda Civic 2.0 AT 2008
525 Tr
09.747.55555 - Mr Tuấn
Hyundai Santa Fe 2009
Hyundai Santa Fe 2009
900 Tr
0973.668.999 - Mr. Trường
Toyota Vios G 2014
Toyota Vios G 2014
612 Tr
0935.107.154 - Mr.Tú
Toyota Camry 2.5G 2014
Toyota Camry 2.5G 2014
1.164 Tr
0935.107.154 - Mr.Tú
Toyota Fortuner V RWD 2014
Toyota Fortuner V RWD 2014
950 Tr
0935.107.154 - Mr.Tú
Toyota Innova E 2014
Toyota Innova E 2014
710 Tr
0935.107.154 - Mr.Tú
Mercedes C230  2008
Mercedes C230 2008
770 Tr
0983.579.127 - Mr Quý
0973.77.44.68
Land Rover Range Rover Evoque 2013
Land Rover Range Rover Evoque 2013
2.540 Tr
0904.103.103 - Mr Hưng
0904.82.9292 - Ms Hồng
Kia Sportage 2011
Kia Sportage 2011
770 Tr
0983.579.127 - Mr Quý
0973.77.44.68
Toyota Sienna XLE 2014
Toyota Sienna XLE 2014
2.782 Tr
Mr Trọng 0906.98.33.88
Mr Bình 0916.231 224
Toyota Highlander SE 2.7 2011
Toyota Highlander SE 2.7 2011
1.750 Tr
0983.579.127 - Mr Quý
0973.77.44.68
Toyota Hilux G 2010
Toyota Hilux G 2010
550 Tr
0973.799.799 - Mr Huy
0913.204.970 - Mr Lê
Land Cruiser GX 4500 EFI 1999
Land Cruiser GX 4500 EFI 1999
430 Tr
0973.799.799 - Mr Huy
0913.204.970 - Mr Lê
Honda Accord 2007
Honda Accord 2007
770 Tr
0989.33.6969 - Mr. Tiến Anh
0982.277.669 - Huy Ánh
Honda Accord 2007
Honda Accord 2007
740 Tr
0913.222.686 - Mr Nam
Lexus RX 450h 2012
Lexus RX 450h 2012
4.050 Tr
0913.222.686 - Mr Nam
BMW X5 2007
BMW X5 2007
1.100 Tr
0983.579.127 - Mr Quý
0973.77.44.68
Audi Q5 2.0 2013
Audi Q5 2.0 2013
2.493 Tr
0904.103.103 - Mr Hưng
0904.82.9292 - Ms Hồng
Toyota Zace GL 2004
Toyota Zace GL 2004
370 Tr
0983.579.127 - Mr Quý
0973.77.44.68
Hyundai Santa Fe MLX 2008
Hyundai Santa Fe MLX 2008
735 Tr
0912.873.999 - Mr. Đỏ
0984259968 - Mr. Đỏ
01695978888 - Mr. Sơn
Toyota Camry 2.5G 2012
Toyota Camry 2.5G 2012
1.095 Tr
0912.873.999 - Mr. Đỏ
0984259968 - Mr. Đỏ
01695978888 - Mr. Sơn
Mazda 3 2004
Mazda 3 2004
425 Tr
098.909.8258 - Mr Tuấn
Ford Focus 2005
Ford Focus 2005
385 Tr
098.909.8258 - Mr Tuấn
Lexus RX350  2015
Lexus RX350 2015
3.595 Tr
0913.319.819 - Mr Chiến
Toyota Avalon Hybrid 2.5L Limited 2014
Toyota Avalon Hybrid 2.5L Limited 2014
2.547 Tr
0913.319.819 - Mr Chiến
Toyota Camry XLE 2.5L 2014
Toyota Camry XLE 2.5L 2014
1.808 Tr
0913.319.819 - Mr Chiến
Lexus RX350 FSport  2014
Lexus RX350 FSport 2014
3.617 Tr
0913.319.819 - Mr Chiến
Range Rover Sport SuperChaged 2014
Range Rover Sport SuperChaged 2014
4.601 Tr
0913.319.819 - Mr Chiến
Hyundai Veloster 2011
Hyundai Veloster 2011
720 Tr
0973.668.999 - Mr. Trường
Mazda 3 2010
Mazda 3 2010
645 Tr
0973.668.999 - Mr. Trường
Mercedes GL320 2009
Mercedes GL320 2009
2.054 Tr
098.788.8668 - Mr Dũng
Land Rover Range Rover Supercharged 2010
Land Rover Range Rover Supercharged 2010
3.103 Tr
098.788.8668 - Mr Dũng
Toyota Corolla Altis 2.0AT 2011
Toyota Corolla Altis 2.0AT 2011
735 Tr
09.747.55555 - Mr Tuấn
Mercedes E250 2010
Mercedes E250 2010
1.370 Tr
09.747.55555 - Mr Tuấn
Hyundai Santa Fe MLX 2009
Hyundai Santa Fe MLX 2009
850 Tr
0904.006.006 - Mr Đăng
0973.505.086 - Mr Mạnh
Kia Morning slx 2004
Kia Morning slx 2004
265 Tr
0904.006.006 - Mr Đăng
0973.505.086 - Mr Mạnh
Huyndai i30 2008
Huyndai i30 2008
460 Tr
0983.579.127 - Mr Quý
0973.77.44.68
Honda Civic 1.8 AT 2014
Honda Civic 1.8 AT 2014
780 Tr
098.373.3386 - Ms Minh
Honda Civic 2.0 AT 2014
Honda Civic 2.0 AT 2014
860 Tr
098.373.3386 - Ms Minh
Honda City 1.5 AT 2014
Honda City 1.5 AT 2014
590 Tr
098.373.3386 - Ms Minh
Honda CR-V 2.0AT 2014
Honda CR-V 2.0AT 2014
998 Tr
098.373.3386 - Ms Minh
Honda CRV 2.4L 2014
Honda CRV 2.4L 2014
1.143 Tr
098.373.3386 - Ms Minh
Honda CRV 2.4L 2014
Honda CRV 2.4L 2014
1.143 Tr
098.373.3386 - Ms Minh
Toyota Yaris 2007
Toyota Yaris 2007
490 Tr
0983.579.127 - Mr Quý
0973.77.44.68
Hyundai Avante  MT 2012
Hyundai Avante MT 2012
465 Tr
0904.079.079 - Ms Hoài
Mercedes C200 2003
Mercedes C200 2003
330 Tr
0904.079.079 - Ms Hoài
Lexus GX460 Luxury 2011
Lexus GX460 Luxury 2011
3.531 Tr
0913.319.819 - Mr Chiến
Range Rover Evoque Dynamic Ultimate 2013
Range Rover Evoque Dynamic Ultimate 2013
2.482 Tr
0913.319.819 - Mr Chiến
Toyota Yaris SE 2014
Toyota Yaris SE 2014
1.038 Tr
0913.319.819 - Mr Chiến
Audi Q5 2.0 2009
Audi Q5 2.0 2009
1.600 Tr
0913.222.686 - Mr Nam
Mercedes-Benz S 350 2008
Mercedes-Benz S 350 2008
1.800 Tr
0913.222.686 - Mr Nam
Kia Sportage 2011
Kia Sportage 2011
770 Tr
0913.222.686 - Mr Nam
Kia Morning 2011
Kia Morning 2011
480 Tr
0913.222.686 - Mr Nam
Lexus IS 250 C 2010
Lexus IS 250 C 2010
2.012 Tr
0904.103.103 - Mr Hưng
0904.82.9292 - Ms Hồng
Kia Picanto  AT 2013
Kia Picanto AT 2013
425 Tr
0973.668.999 - Mr. Trường
Chevrolet Orlando LT 2011
Chevrolet Orlando LT 2011
520 Tr
090.571.6686 - Mr Tâm
Daewoo Lacetti CDX 2010
Daewoo Lacetti CDX 2010
450 Tr
0933.08.6666 - Mr Bảy
Kia Cerato AT 2011
Kia Cerato AT 2011
535 Tr
0933.08.6666 - Mr Bảy
Range Rover Evoque Dynamic 2014
Range Rover Evoque Dynamic 2014
2.696 Tr
0913.319.819 - Mr Chiến
Audi Q5 3.0 2014
Audi Q5 3.0 2014
3.103 Tr
0913.319.819 - Mr Chiến
Toyota Fortuner V 2011
Toyota Fortuner V 2011
920 Tr
0989.33.6969 - Mr. Tiến Anh
0982.277.669 - Mr Huy Ánh
Lexus RX 450h  2011
Lexus RX 450h 2011
2.493 Tr
0946222268 - Mr Hùng
Kia Cerato Koup 2010
Kia Cerato Koup 2010
545 Tr
0946222268 - Mr Hùng
Kia Cerato 2010
Kia Cerato 2010
540 Tr
0983.579.127 - Mr Quý
0973.77.44.68