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.

>> Bạn có thể bình luận về bài viết này trên http://www.facebook.com/Autodaily

>> Nguyên lý hoạt động của hộp số sàn

>> Nguyên lý hoạt động của hộp số tự động

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.

Hình 1: Mặt cắt hộp số CVT

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.

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.

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.

So sánh khả năng tăng tốc giữa xelắp CVT và xe không lắp hộp số CVT. Hình 5

Được bán từ năm 1989-1993, Subaru Justy không bao giờ thu hút được sự chú ý của người tiêu dùng Mỹ. Vậy điều gì 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 5).

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.

Lê Hùng (theo PLXH/nguồn: howstuffworks)