Nguyên lý hoạt động của hộp số vô cấp - Continuously variable transmission (CVT)


Hộp số vô cấp (Continuously Variable Transmission - CVT hay hộp số có tỷ số truyền biến thiên vô cấp), 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.

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. 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 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.

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.

Giới thiệu chung về 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, nghĩa là 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.


(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

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.

CVT trên cơ sở bánh đai (pulley).


(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

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. 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:

- 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 - bánh đai ròng rọc sơ cấp biến thiên (input).
- Một hệ puli đầu ra dẫn đến bánh xe - 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.


(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

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.


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.


(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

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.

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.




(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

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.

Một vài dạng hộp số vô cấp khác.

Hộp số vô cấp kiểu con lăn (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.


(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)


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).

Hộp số vô cấp thủy tĩnh (Hydrostatic CVT).

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.


(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

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.

Ưu điểm của hộp số vô cấp.

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.


(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

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.

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 xe lắp hộp số 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.


(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)


VIDEO THAM KHẢO:



Hộp số vô cấp - Continuously variable transmission



Hộp số thủy lực vô cấp - Continuous hydraulic variable transmission



Hộp số vô cấp thủy tĩnh (Hydrostatic CVT)


NGUỒN: Tổng hợp

Chúc các bạn thành công!
M_tả

Loading...

No comments: