Giải mã hộp số vô cấp CVT trên ô tô

Vài nét về lịch sử hộp số vô cấp:

1490 - Leonardo Da Vinci phác họa một hộp số vô cấp.
1886 - Hộp số con lăn đầu tiên được đăng ký bằng phát minh.
1935 - Adiel Dodge nhận bằng sáng chế của Mỹ về CVT kiểu con lăn.
1939 - Hộp số tự động toàn phần dựa trên một hệ thống bánh răng hành tinh ra đời.
1958 - Daf (ở Hà Lan) sản xuất CVT cho xe ô tô.
1989 - Subaru Justy GL là sản phẩm đầu tiên lắp CVT được bán ra ở Mỹ.
2002 - Saturn Vuev với hộp số CVT, chiếc Saturn đầu tiên ứng dụng công nghệ CVT.
2004 - Ford bắt đầu trang bị hộp số CVT trên một số mẫu xe ô tô mới.

Ngày nay hộp số vô cấp CVT được dùng rộng rãi trên các dòng xe từ phổ thông đến hạng sang. Điển hình là các mẫu xe hết sức thông dụng tại Việt Nam như: Toyota Vios, Honda City, Nissan Sunny, Toyota Corola Altis ...

Vậy hộp số vô cấp CVT Có cấu tạo và hoạt động như thế nào?

Không giống như các hộp số thông thường như MT hay AT dùng các bộ truyền bánh răng để tạo ra các tỷ số truyền khác nhau thì hộp số vô cấp CVT sử dụng bộ truyền đai biến thiên vô cấp.

Bộ truyền động đai trên hốp số vô cấp

Cấu tạo và hoạt động của bộ truyền đai:

Cũng giống như các bộ truyền đai thông thường thì bộ truyền đai của CVT cũng có 3 phần là:

• Bánh đai chủ động nối với nguồn mô men từ động cơ.
• Bánh đai bị động nối đầu ra của hộp số.
• Dây đai.

Tuy nhiên sự khác biệt với bộ truyền đai thông thường đó là:
Cả bánh chủ động và bánh bị động đều là một hệ puli với đường kính thay đổi. Mỗi hệ puli được tạo thành từ hai khối hình nón có góc nghiêng 20 độ và đặt đối diện với nhau, một nửa puli được cố định và một nửa puli có thể dịch trượt trên trục vì thế hệ puli có thể thay đổi đường kính. Dây đai được dùng ở trong bộ truyền này không phải bằng cao su như thông thường mà dây đai ở đây là dây đai bằng thép.

Hộp số vô cấp sử dụng hệ puli có đường kính thay đổi

Nửa di động của hệ puli ở mỗi đầu sẽ được điều khiển dịch trượt trên trục bởi bộ điều khiển thủy lực, khi chúng di chuyển xích lại gần nhau thì dây đai sẽ bị buộc di chuyển đến vị trí xa tâm ròng rọc, đường kính của hệ puli sẽ tăng lên. Khi chúng di chuyển ra xa nhau thì dây đai sẽ rơi vào gần tâm hơn vì thế đường kính của hệ puli sẽ giảm xuống. 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. Việc tạo ra đường kính thay đổi của hệ puli cả hai đầu chủ động và bị động giúp cho tỷ số truyền của bộ truyền có thể biến thiên một cách liên tục. Đó cũng là lý do vì sao hộp số CVT không có cấp số cố định và được gọi là hộp số vô cấp.

Khi một puli tăng bán kính của nó thì cái còn lại 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 thay đổi của tỷ số truyền trong hộp số vô cấp và cấu tạo dây đai thép

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 phương tiện khác nhau bao gồm đầu kéo (tractor), xe trượt tuyết (snowmobile) ... 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 những lá thép mỏng 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 ít 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.
Ngày nay thì công nghệ sản xuất dây đai bằng thép này đã rất phát triển giúp cho bộ truyền cho phép truyền công suất lớn hơn mà ít bị trượt hơn vì thế hộp số CVT cũng được dùng ngày càng nhiều hơn trên ô tô.

Cấu tạo của dây đai thép sử dụng trong hộp số vô cấp

Vì không dùng bộ truyền bánh răng để thay đổi tỷ số truyền nên câu hỏi đặt ra ở đây là làm sao để hộp số vô cấp CVT đảo chiều chuyển động để tạo ra số lùi? 
Vấn đề được các hãng ô tô giải quyết bằng cách lắp ở trước đầu vào của bộ truyền đai một bộ bánh răng hành tinh.

Bộ bánh răng hành tinh được bố trí ở đầu vào của hộp số CVT

Đầu vào từ động cơ được nối với bánh răng mặt trời và cần dẫn đầu ra của bộ bánh răng hành tinh được khớp với puli đầu vào của bộ truyền đai, và bộ các bánh răng hành tinh được lắp lên cần dẫn. Nếu bánh răng bao quay với tốc độ đầu vào thì cần dẫn cũng quay với tốc độ đầu vào vì thế một bộ ly hợp được sử dụng ở đây để nối cố định bánh răng mặt trời với bánh răng bao khi di chuyển ở số tiến. Và để tạo ra số lùi thì một bộ ly hợp thứ hai được sử dụng. Bộ ly hợp này sẽ cố định bánh răng bao ngoài vì thế ở đầu ra cần dẫn được nối với các bánh răng hành tinh sẽ quay ngược chiều với đầu vào nối với bánh răng mặt trời và đầu ra của hộp số sẽ quay ngược chiều với đầu vào tạo ra số lùi.

Ưu nhược điểm của hộp số vô cấp CVT

Ưu điểm:

• Vì có dải tỷ số truyền biến thiên liên tục nên tạo ra cảm giác điều khiển mượt mà và êm ái, không có hiện tượng giật khi sang số nữa. Chiếc xe sẽ được gia tốc một cách nhẹ nhàng như đang nằm trong một dòng chảy, không còn những gián đoạn bởi việc thay đổi trong thiết bị.
• CVT hoạt động hiệu quả hơn so với hộp số thường bởi vì nó giúp cho động cơ có thể vận hành ở khoảng giữa của mô-men xoắn tối đa và công suất tối đa. Bằng cách này động cơ sẽ luôn được hoạt động ở tốc độ vòng quay tối ưu vì thế tiết kiệm nhiên liệu hơn và giảm được khí thải ra môi trường.
• CVT có số lượng các chi tiết ít hơn và kết cấu đơn giản hơn, gọn nhẹ hơn. Giá thành sản xuất hộp số CVT cũng rẻ hơn so với hộp số tự động AT 7-8 cấp.

Nhược điểm:

• Tất nhiên là mọi thứ đều có ưu điểm và nhược điểm của nó, CVT cũng không phải là ngoại lệ. Một trong những hạn chế lớn nhất của nó chính là hiện tượng trượt đai khi truyền công suất lớn vì thế lượng mô men xoắn mà chúng có thể xử lý khá thấp. Ở một số mô hình thì giới hạn của nó vào khoảng 300 đến 350 NM. Tuy nhiên trong tương lai, với sự cải tiến về các công nghệ mới sản xuất dây đai thì hộp số CVT có khả năng sẽ tăng lượng mô-men xoắn này.
• Tỷ số truyền biến thiên vô cấp một cách chậm cho nên khả năng tăng tốc có phần kém hơn so với các hộp số thông thường khi có thể điều khiển linh hoạt thay đổi cấp số để tăng tốc.

Xem thêm: 

• Lý do hộp số vô cấp (CVT) được đánh giá cao
• Nên mua Toyota Corolla Altis hộp số CVT hay AT?