CVT hoạt động như thế nào - Bài viết sưu tầm

Một số người nói rằng bạn không thể dạy một con chó già những trò mới. Nhưng hộp số vô cấp (CVT), được Leonardo da Vinci hình thành cách đây hơn 500 năm và hiện đang thay thế hộp số tự động hành tinh trong một số ô tô, là một con chó già chắc chắn đã học được một vài trò mới. Thật vậy, kể từ khi bằng sáng chế CVT hình xuyến đầu tiên được nộp vào năm 1886, công nghệ này đã được tinh chỉnh và cải tiến. Ngày nay, một số nhà sản xuất ô tô, bao gồm General Motors, Audi, Honda và Nissan, đang thiết kế hệ thống truyền động của họ xung quanh CVT.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu cách CVT hoạt động trong một chiếc xe dẫn động cầu sau thông thường, đồng thời trả lời một số câu hỏi sau:

Hộp số CVT so với hộp số tự động hành tinh thông thường như thế nào?
Nó có những bộ phận nào và những bộ phận đó hoạt động như thế nào?
CVT có những ưu điểm gì so với hộp số tự động thông thường? Còn nhược điểm thì sao?
Trải nghiệm lái xe ô tô sử dụng hộp số CVT như thế nào?
Những loại xe nào có tích hợp hộp số CVT?
CVT còn có ứng dụng nào khác ngoài ô tô không?

Đầu tiên, chúng ta sẽ xem xét CVT khác biệt như thế nào so với hộp số tự động truyền thống.

Nội dung

Cơ bản về truyền động

Nếu bạn đã đọc về cấu trúc và chức năng của hộp số tự động trong How Automatic Transmissions Work , thì bạn biết rằng nhiệm vụ của hộp số là thay đổi tỷ số truyền giữa động cơ và bánh xe của ô tô. Nói cách khác, nếu không có hộp số, ô tô sẽ chỉ có một số - số cho phép ô tô di chuyển với tốc độ tối đa mong muốn. Hãy tưởng tượng trong giây lát khi lái một chiếc ô tô chỉ có số một hoặc một chiếc ô tô chỉ có số ba. Chiếc xe trước sẽ tăng tốc tốt từ trạng thái dừng hoàn toàn và có thể leo lên một con dốc đứng, nhưng tốc độ tối đa của nó sẽ bị giới hạn chỉ ở một vài dặm một giờ. Mặt khác, chiếc xe sau sẽ bay với tốc độ 80 dặm một giờ trên đường cao tốc, nhưng nó sẽ gần như không có khả năng tăng tốc khi bắt đầu và sẽ không thể leo lên những con dốc.

Vì vậy, hộp số sử dụng một loạt các bánh răng -- từ thấp đến cao -- để sử dụng hiệu quả hơn mô-men xoắn của động cơ khi điều kiện lái xe thay đổi. Các bánh răng có thể được cài đặt thủ công hoặc tự động.

Trong hộp số tự động truyền thống, các bánh răng thực chất là các bánh răng -- các bánh răng liên kết, có răng giúp truyền và điều chỉnh chuyển động quay và mô men xoắn. Sự kết hợp của các bánh răng hành tinh tạo ra tất cả các tỷ số truyền khác nhau mà hộp số có thể tạo ra, thường là bốn số tiến và một số lùi. Khi loại hộp số này chuyển qua các bánh răng, người lái có thể cảm thấy những cú giật khi mỗi bánh răng được gài vào.

Cơ bản về CVT

Không giống như hộp số tự động truyền thống, hộp số vô cấp không có hộp số với số lượng bánh răng cố định, nghĩa là chúng không có bánh răng liên kết. Loại CVT phổ biến nhất hoạt động trên hệ thống ròng rọc thông minh cho phép biến thiên vô hạn giữa số cao nhất và số thấp nhất mà không có bước hoặc chuyển số rời rạc.

Động cơ Ford Freestyle Duratec với CVT
ẢNH DO FORD MOTOR COMPANY CUNG CẤP

Nếu bạn thắc mắc tại sao từ "bánh răng" vẫn xuất hiện trong phần giải thích về CVT, hãy nhớ rằng, nói chung, bánh răng ám chỉ tỷ số giữa tốc độ trục động cơ và tốc độ trục truyền động. Mặc dù CVT thay đổi tỷ số này mà không sử dụng bộ bánh răng hành tinh, chúng vẫn được mô tả là có "bánh răng" thấp và cao vì mục đích thông lệ.

Tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét các loại CVT khác nhau: loại puli, loại hình xuyến và loại thủy tĩnh.

Không còn bánh răng nữa: Dòng thời gian đổi mới CVT

1490 - da Vinci phác họa hộp số vô cấp biến thiên liên tục
1886 - Bằng sáng chế CVT hình xuyến đầu tiên được nộp
1935 - Adiel Dodge nhận được bằng sáng chế của Hoa Kỳ cho CVT hình xuyến
1939 - hộp số hoàn toàn tự động dựa trên hệ thống bánh răng hành tinh được giới thiệu
1958 - Daf (Hà Lan) sản xuất hộp số CVT trong ô tô
1989 - Subaru Justy GL là mẫu xe sản xuất đầu tiên được bán tại Hoa Kỳ có hộp số CVT
2002 - Saturn Vue với CVT ra mắt; Saturn đầu tiên cung cấp công nghệ CVT
2004 - Ford bắt đầu cung cấp CVT

CVT dựa trên puli

Nhìn vào hộp số tự động hành tinh, bạn sẽ thấy một thế giới phức tạp của các bánh răng, phanh, ly hợp và các thiết bị điều khiển. So sánh với hộp số vô cấp, hộp số biến thiên liên tục là một nghiên cứu về sự đơn giản. Hầu hết CVT chỉ có ba thành phần cơ bản:

Một vành đai kim loại hoặc cao su công suất cao
Một ròng rọc "lái" có đầu vào thay đổi
Một ròng rọc "được dẫn động" đầu ra

CVT cũng có nhiều bộ vi xử lý và cảm biến khác nhau, nhưng ba thành phần được mô tả ở trên là những yếu tố chính giúp công nghệ này hoạt động.

Biểu đồ CVT được dán nhãn — CÁCH THỨC HOẠT ĐỘNG

Các puli có đường kính thay đổi là trái tim của CVT. Mỗi puli được tạo thành từ hai hình nón 20 độ đối diện nhau. Một dây đai chạy trong rãnh giữa hai hình nón. Dây đai chữ V được ưa chuộng nếu dây đai được làm bằng cao su. Dây đai chữ V có tên như vậy là do dây đai có tiết diện hình chữ V, làm tăng độ bám ma sát của dây đai.

Khi hai hình nón của ròng rọc cách xa nhau (khi đường kính tăng), dây đai chạy thấp hơn trong rãnh và bán kính của vòng đai chạy quanh ròng rọc trở nên nhỏ hơn. Khi các hình nón gần nhau (khi đường kính giảm), dây đai chạy cao hơn trong rãnh và bán kính của vòng đai chạy quanh ròng rọc trở nên lớn hơn. CVT có thể sử dụng áp suất thủy lực, lực ly tâm hoặc lực căng lò xo để tạo ra lực cần thiết để điều chỉnh các nửa ròng rọc.

Các puli có đường kính thay đổi phải luôn đi theo cặp. Một trong các puli, được gọi là puli dẫn động (hoặc puli dẫn động ), được kết nối với trục khuỷu của động cơ. Puly dẫn động cũng được gọi là puli đầu vào vì đây là nơi năng lượng từ động cơ đi vào hộp số. Puly thứ hai được gọi là puli bị động vì puli đầu tiên đang quay puli này. Là puli đầu ra , puli bị động truyền năng lượng đến trục truyền động.

Khoảng cách giữa tâm của các ròng rọc đến nơi dây đai tiếp xúc trong rãnh được gọi là bán kính bước. Khi các ròng rọc cách xa nhau, dây đai chạy thấp hơn và bán kính bước giảm. Khi các ròng rọc gần nhau, dây đai chạy cao hơn và bán kính bước tăng. Tỷ lệ bán kính bước trên ròng rọc dẫn động với bán kính bước trên ròng rọc bị dẫn động xác định bánh răng.
CÁCH THỨC HOẠT ĐỘNG

Khi một ròng rọc tăng bán kính của nó, ròng rọc kia giảm bán kính của nó để giữ cho dây đai chặt. Khi hai ròng rọc thay đổi bán kính của chúng so với nhau, chúng tạo ra vô số tỷ số truyền -- từ thấp đến cao và mọi thứ ở giữa. Ví dụ, khi bán kính bước nhỏ trên ròng rọc dẫn động và lớn trên ròng rọc bị dẫn, thì tốc độ quay của ròng rọc bị dẫn giảm, dẫn đến "bánh răng" thấp hơn. Khi bán kính bước lớn trên ròng rọc dẫn động và nhỏ trên ròng rọc bị dẫn, thì tốc độ quay của ròng rọc bị dẫn tăng, dẫn đến "bánh răng" cao hơn. Do đó, về mặt lý thuyết, CVT có vô số "bánh răng" mà nó có thể chạy qua bất cứ lúc nào, ở bất kỳ tốc độ động cơ hoặc xe nào.

Tính đơn giản và bản chất vô cấp của CVT khiến chúng trở thành hộp số lý tưởng cho nhiều loại máy móc và thiết bị, không chỉ riêng ô tô. CVT đã được sử dụng trong nhiều năm trong các công cụ điện và máy khoan. Chúng cũng được sử dụng trong nhiều loại xe, bao gồm máy kéo, xe trượt tuyết và xe tay ga. Trong tất cả các ứng dụng này, hộp số dựa vào dây đai cao su mật độ cao, có thể trượt và giãn, do đó làm giảm hiệu suất của chúng.

Thiết kế dây kim loại
CÁCH THỨC HOẠT ĐỘNG

Việc giới thiệu các vật liệu mới làm cho CVT thậm chí còn đáng tin cậy và hiệu quả hơn. Một trong những tiến bộ quan trọng nhất là thiết kế và phát triển các dây đai kim loại để kết nối các puli. Các dây đai linh hoạt này bao gồm một số (thường là chín hoặc 12) dải thép mỏng giữ chặt các mảnh kim loại hình nơ có độ bền cao.

Đai kim loại không bị trượt và có độ bền cao , cho phép CVT xử lý được nhiều mô-men xoắn của động cơ hơn. Chúng cũng êm hơn so với CVT dẫn động bằng đai cao su.

CVT hình xuyến

Một phiên bản khác của CVT -- hệ thống CVT hình xuyến -- thay thế dây đai và puli bằng đĩa và con lăn trợ lực .

Mặc dù hệ thống như vậy có vẻ khác biệt đáng kể, nhưng tất cả các thành phần đều tương tự như hệ thống đai và ròng rọc và dẫn đến cùng một kết quả -- hộp số vô cấp. Sau đây là cách thức hoạt động của nó:

Một đĩa kết nối với động cơ. Điều này tương đương với puli dẫn động.
Một đĩa khác kết nối với trục truyền động. Điều này tương đương với ròng rọc bị dẫn động.
Các con lăn hoặc bánh xe nằm giữa các đĩa hoạt động giống như dây đai, truyền lực từ đĩa này sang đĩa khác.

Các bánh xe có thể quay theo hai trục. Chúng quay quanh trục ngang và nghiêng vào trong hoặc ra ngoài quanh trục dọc, cho phép các bánh xe chạm vào đĩa ở các khu vực khác nhau. Khi các bánh xe tiếp xúc với đĩa dẫn động gần tâm, chúng phải tiếp xúc với đĩa bị dẫn động gần vành, dẫn đến giảm tốc độ và tăng mô-men xoắn (tức là số thấp). Khi các bánh xe chạm vào đĩa dẫn động gần vành, chúng phải tiếp xúc với đĩa bị dẫn động gần tâm, dẫn đến tăng tốc độ và giảm mô-men xoắn (tức là số vượt tốc). Sau đó, chỉ cần nghiêng bánh xe một chút, tỷ số truyền sẽ thay đổi dần dần, mang lại những thay đổi tỷ số truyền mượt mà, gần như tức thời.

CVT thủy tĩnh

Cả CVT puli-và-đai chữ V và CVT hình xuyến đều là ví dụ về CVT ma sát, hoạt động bằng cách thay đổi bán kính của điểm tiếp xúc giữa hai vật thể quay. Có một loại CVT khác, được gọi là CVT thủy tĩnh, sử dụng bơm dịch chuyển thay đổi để thay đổi lưu lượng chất lỏng vào động cơ thủy tĩnh. Trong loại truyền động này, chuyển động quay của động cơ vận hành bơm thủy tĩnh ở phía dẫn động. Bơm chuyển đổi chuyển động quay thành dòng chất lỏng. Sau đó, với một động cơ thủy tĩnh nằm ở phía bị dẫn động, dòng chất lỏng được chuyển đổi trở lại thành chuyển động quay.

CÁCH THỨC HOẠT ĐỘNG

Thông thường, hộp số thủy tĩnh được kết hợp với bộ bánh răng hành tinh và bộ ly hợp để tạo ra một hệ thống lai được gọi là hộp số thủy cơ . Hộp số thủy cơ truyền lực từ động cơ đến bánh xe theo ba chế độ khác nhau. Ở tốc độ thấp, lực được truyền bằng thủy lực, và ở tốc độ cao, lực được truyền bằng cơ học. Giữa hai chế độ cực đoan này, hộp số sử dụng cả phương tiện thủy lực và cơ học để truyền lực. Hộp số thủy cơ lý tưởng cho các ứng dụng hạng nặng, đó là lý do tại sao chúng phổ biến trong máy kéo nông nghiệp và xe địa hình.

Lợi ích CVT

Hộp số vô cấp đang trở nên phổ biến hơn vì lý do chính đáng. Chúng có một số ưu điểm khiến chúng hấp dẫn cả người lái xe và những người bảo vệ môi trường. Sau đây là một số tính năng và lợi ích chính của CVT:

Đặc trưng

Tăng tốc liên tục, vô cấp từ trạng thái dừng hoàn toàn đến tốc độ ổn định
Hoạt động để giữ cho xe ở phạm vi công suất tối ưu bất kể xe đang di chuyển nhanh như thế nào
Phản ứng tốt hơn với những thay đổi về điều kiện, chẳng hạn như thay đổi về bướm ga và tốc độ
Giảm thiểu tổn thất công suất trong hộp số CVT so với hộp số tự động thông thường
Kiểm soát tốt hơn phạm vi tốc độ của động cơ xăng
Có thể kết hợp các phiên bản tự động của bộ ly hợp cơ học

Những lợi ích

Loại bỏ "sốc chuyển số" -- giúp xe di chuyển êm ái hơn
Cải thiện hiệu quả nhiên liệu
Loại bỏ tình trạng tìm kiếm bánh răng khi xe giảm tốc, đặc biệt là khi lên dốc
Tăng tốc tốt hơn
Kiểm soát khí thải tốt hơn
Thay thế bộ biến mô chất lỏng kém hiệu quả

Ở phần tiếp theo, chúng ta sẽ xem lái xe sử dụng hộp số CVT sẽ như thế nào.

Một chuyến lái thử CVT

Xe ô tô có CVT đã phổ biến ở châu Âu trong nhiều năm. Nhưng phải mất một thời gian để công nghệ này có chỗ đứng tại Hoa Kỳ. Chiếc ô tô sản xuất đầu tiên cung cấp CVT tại Hoa Kỳ là Subaru Justy.

ẢNH DO SUBARU JUSTY CUNG CẤP

Được bán ra từ năm 1989 đến năm 1993, Justy chưa bao giờ thu hút được sự chú ý của những người lái xe Mỹ. Vậy thì điều gì khác biệt ở những chiếc xe mới hơn sử dụng hộp số CVT -- những chiếc xe như Saturn Vue, Audi A4 và A6, Nissan Murano và Honda Insight? Cách tốt nhất để trả lời câu hỏi đó là lái thử một trong những chiếc xe này.

Khi bạn đạp chân ga của một chiếc xe có hộp số vô cấp, bạn sẽ nhận thấy sự khác biệt ngay lập tức. Động cơ tăng tốc lên đến vòng tua máy mà nó tạo ra nhiều công suất nhất, và sau đó giữ nguyên ở đó. Nhưng chiếc xe không phản ứng ngay lập tức. Sau đó, một lúc sau, hộp số bắt đầu hoạt động, giúp xe tăng tốc chậm rãi, đều đặn và không cần sang số. Về lý thuyết, một chiếc xe có hộp số CVT sẽ đạt tốc độ 60 dặm/giờ (100 km/giờ) nhanh hơn 25 phần trăm so với cùng một chiếc xe có cùng động cơ và hộp số sàn [ tham khảo ]. Đó là vì CVT chuyển đổi mọi điểm trên đường cong vận hành của động cơ thành một điểm tương ứng trên đường cong vận hành của riêng nó.

Nếu bạn nhìn vào đường cong công suất đầu ra của xe không có CVT, bạn có thể thấy điều này là đúng. Lưu ý rằng máy đo tốc độ trong tình huống này cho thấy động cơ tăng và giảm tốc với mỗi lần sang số, được ghi lại dưới dạng một đột biến trong đường cong công suất đầu ra (và người lái xe cảm thấy như một cú giật).

CVT cũng hiệu quả như nhau trên đồi. Không có "săn bánh răng", vì CVT tuần hoàn liên tục xuống tỷ số truyền phù hợp với điều kiện lái xe. Hộp số tự động thông thường chuyển qua lại để cố gắng tìm đúng bánh răng, kém hiệu quả hơn nhiều.

Với tất cả những ưu điểm của mình, CVT vẫn có một số nhược điểm. Ở Hoa Kỳ, họ vẫn đang cố gắng khắc phục vấn đề về hình ảnh. Ví dụ, Subaru Justy được biết đến là một chiếc xe siêu nhỏ không có ruột. Theo truyền thống, CVT truyền động bằng dây đai bị giới hạn về lượng mô-men xoắn mà chúng có thể xử lý và lớn hơn và nặng hơn so với các loại hộp số tự động và hộp số sàn tương đương. Những tiến bộ về công nghệ đã đưa CVT vào phạm vi cạnh tranh của chúng -- CVT của Nissan Murano có thể xử lý động cơ V6 3,5 lít, công suất 245 mã lực -- nhưng ấn tượng đầu tiên khó có thể vượt qua.