Hộp số vô cấp CVT là gì? Ưu và Nhược điểm của hộp số vô cấp CVT và những lịch sử ?

CVT là viết tắt của CONTINUOUSLY VARIABLE TRANSMISSION – dịch ra nguyên nghĩa: TRUYỀN ĐỘNG BIẾN ĐỔI LIÊN TỤC hay HỘP SỐ BIẾN THIÊN LIÊN TỤC. Vì nó biến thiên liên tục mà không có giới hạn cấp số nên ta gọi nó là Truyền động vô cấp hay Hộp số vô cấp – sau đây chúng ta gọi ngắn gọn là CVT.

CVT là hệ thống truyền động độc đáo có có thể thay đổi vô cấp thông qua số lượng tỷ số truyền liên tục và vô hạn giữa các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất. Điều này trái ngược với các hệ thống truyền động cơ khí khác chỉ cho phép một vài tỷ số truyền khác nhau. Tính linh hoạt của CVT cho phép trục dẫn động (chủ động) duy trì một vận tốc góc cụ thể trong một phạm vi vận tốc đầu ra xác định. Điều này có thể cung cấp khả năng tiết kiệm nhiên liệu tốt hơn so với các hệ thống truyền động khác bằng cách cho phép động cơ chạy với tốc độ RPM hiệu quả nhất trong một loạt tốc độ của xe.

Hộp vô cấp – CVT còn được gọi là hộp số tốc độ đơn ( single-speed transmission), hộp số không không bánh răng (gearless transmission), hộp số tự động một cấp (one-speed automatic), hộp số puli biến thiên (variable pulley transmission),…

Lịch sử của CVT:

Vào những năm 1490, Leonardo da Vinci đã lên ý tưởng về một bộ truyền biến thiên vô cấp. Bằng sáng chế đầu tiên cho hộp số CVT dựa trên ma sát được Benz đệ trình vào những năm 1880 và bằng sáng chế về solid-CV của một quốc gia Bắc Mỹ đã được cấp vào những năm 1930.

Vào những năm 1910, chiếc xe máy Zenith-Gradua động cơ V2 được Celestial Point Motorcycles thiết kế với hộp số CVT Gradua-Gear.

CVT được sử dụng cho ô tô Clyno (Anh), được giới thiệu vào khoảng những năm 1920.

Một hộp số CVT, được gọi là Variomatic, được thiết kế và đưa vào sử dụng bởi Hub van Doorne, người đồng sáng lập DAF, vào khoảng những năm 1950, đặc biệt để cung cấp khả năng truyền lực cho một chiếc ô tô nhỏ và hợp lý. DAF 600, được tạo ra vào năm 1958 sử dụng CVT.

Trong và khoảng năm 1974, Rokon đã cung cấp việc sử dụng CVT trong một số xe địa hình ATV (All-terrain vehicle). 1989 – Subaru Justy GL là chiếc ô tô sản xuất bán tại Mỹ đầu tiên cung cấp hộp số CVT.

Vào mùa hè năm 1987, Ford bắt đầu trang bị cho các xe châu Âu hộp số CVT dây đai thép (để thay thế cho kiểu dây đai cao su kém bền hơn). Từ năm 1976, Ford và Fiat cùng nhau phát triển công nghệ CVT, được đặt tên là Ford CTX, sau đó được sử dụng trong hệ thống truyền động.

Vào khoảng cuối những năm 1990, Nisan đã thiết kế CVT của riêng mình cho phép lực lớn hơn và kèm theo một bộ chuyển đổi. Nissan cũng là nhà sản xuất ô tô duy nhất bắt đầu sử dụng hộp số CVT kiểu roller-type.

Sau khi tìm ra kiểu hộp số vô cấp CVT pulley-sort trong một thời gian dài, Honda cũng đã trình làng mẫu xe Honda Civic VT-i 1995 của riêng mình, được đặt tên là Honda Multi Matic.

Toyota đã sử dụng hệ thống truyền lực phân chia tác động (IST) trong Prius 1997. IST còn được gọi là Hệ truyền động biến thiên điều khiển điện tử (ECVT). Ngoài ra, Toyota còn cung cấp hộp số vô cấp CVT được gọi là Multi-drive cho các mẫu xe như Avensis.

Sau năm 2000, Audi đã cung cấp hộp số chain-sort CVT (đa điện tử) như một giải pháp thay thế trên một số mẫu động cơ lớn hơn của hãng. Điển hình là chiếc A4 3.0 L V6 Fiat năm 2000 cung cấp hộp số CVT Cone-construct như một quyết định đối với một trong những mẫu Punto (16V) hiệu quả của nó.

Ford đã giới thiệu hộp số chain-type CVT, được gọi là CFT30, trong cuộc đua 2005 Ford của họ, Ford 500. Hộp số được thiết kế với sự hợp tác của nhà sản xuất Đức ZF Friedrichshafen và được tạo ra tại Batavia Transmission LLC, Batavia, Ohio (22/03/2007). Nhà máy Batavia cũng tạo ra hộp số vô cấp CVT sau đó được sử dụng trên Ford Focus C-MAX. Ford cũng bán hết các mẫu xe Escort và Orion ở châu Âu với hộp số CVT vào khoảng năm 1980-1990.

Dodge Calibre (2007) sử dụng hộp số CVT làm hệ thống truyền động tùy chọn.

SEAT Exeo (2009) được lắp đặt CVT (đa điện tử) như một lựa chọn cho động cơ xăng 2.0 TSI 200 HP (149 kW), với ” sáu tốc độ ” có thể lựa chọn

Và ngày nay, với những chiếc ô tô hiện đại , hầu hết các nhà sản xuất đều có ít nhất một mô hình xe với hộp số CVT.

CVT hoạt động như thế nào?

Hiện tại, có rất nhiều hệ thống CVT nhưng hầu hết các xe ô tô đều sử dụng hỗn hợp các puli có thể thay đổi đường kính (variable-dia), mỗi puli được tạo thành kết hợp 2 khối côn đối diện, với một dây đai hoặc xích kim loại chạy giữa chúng. Một puli được kết nối với động cơ (trục đầu vào) & puli còn lại kết nối đến bánh xe (trục đầu ra).

Trong khi hộp số truyền thống sử dụng nhiều bộ phận phức tạp để chuyển giữa một loạt các bánh răng cài sẵn, hầu hết các hệ thống CVT hoạt động thông qua một hệ thống ròng rọc. Tóm lại, hệ thống này bao gồm các khối côn ở mỗi ròng rọc được kết nối thông qua một dây đai hoặc xích. Các khối côn có thể di chuyển để tăng hoặc giảm đường kính đai để thay đổi tỷ số truyền, cho phép chuyển nhanh sang tỷ số cần thiết để tăng công suất và tăng cường tiết kiệm nhiên liệu.

Một ròng rọc trong hộp số CVT được kết nối với động cơ và ròng rọc còn lại truyền lực đến các bánh xe. Chiều rộng của các ròng rọc này thay đổi dựa trên công suất cần thiết; Khi một ròng rọc thay đổi đường kính, thì một ròng rọc còn lại phải tự thích ứng nghịch vì chiều dài của dây đai và khoảng cách trục hai ròng rọc là cố định. Điều này cũng tương ứng thay đổi của tỷ số truyền của hộp số.

Có một loại CVT thứ hai, ít phổ biến hơn, sử dụng một loạt đĩa và trục lăn, nhưng nó hoạt động trên các nguyên tắc tương tự.

Mặc dù không có bánh răng trong hộp số CVT, nhưng một số mô phỏng một thay đổi truyền thống của bánh răng. Trong các hộp số CVT này, hệ thống dây đai và ròng rọc được thiết kế để di chuyển đến các điểm đặt trước bằng cách sử dụng cần số truyền thống hoặc lẫy chuyển số trên vô lăng.

Các loại CVT:

1. CVT dựa trên Puli (ròng rọc)

Đây là loại CVT phổ biến nhất, nó sử dụng 2 ròng rọc có đường kính có thể thay đổi được gắn trên 2 trục tương ứng có khoảng cách không đổi. 2 ròng rọc này, mỗi cái được tạo thành từ 2 nửa hình nón (hoặc côn). Truyền động liên kết giữa 2 ròng rọc này được thực hiện bởi dây đai hoặc xích. Vì khoảng cách giữa các ròng rọc và chiều dài của dây đai/xích là không thay đổi, cả hai ròng rọc phải được điều chỉnh đồng thời (ròng rọc này tăng đường kính thì ròng rọc kia phải giảm đường kính) để duy trì độ căng thích hợp trên đai/xích.

1.1. CVT truyền động dây đai

Loại CVT phổ biến nhất sử dụng đai chữ V chạy giữa hai ròng rọc có đường kính có thể thay đổi. Các ròng rọc bao gồm hai nửa hình nón chuyển động cùng nhau và xa nhau. Dây đai chữ V chạy giữa hai nửa này nên đường kính hiệu dụng của ròng rọc phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai nửa ròng rọc. Tiết diện hình chữ V của dây đai làm cho nó chuyển động cao hơn trên một puli và thấp hơn trên puli kia, do đó tỷ số truyền được điều chỉnh bằng cách di chuyển hai nửa của một puli lại gần nhau hơn và hai nửa của puli còn lại xa nhau hơn.

Phần quan trọng nhất của CVT truyền động đai chính là dây đai. Vì nó chịu ứng suất cao, do đó nó phải rất mạnh mẽ và bám rất tốt vào các bề mặt ròng rọc, nhưng nó phải linh hoạt và tạo ra ma sát thấp. Ban đầu, dây đai được làm chỉ từ cao su, nhưng việc ứng dụng lên ô tô khiến nó không thể đáp ứng các điều kiện làm việc. Do đó, đai thép đã ra đời.

Đai thép được thiết kế và phát triển đầu tiên bởi công ty Van Doorne Transmissie B.V. (VDT) của Hà Lan. Người sáng lập Hub Van Doorne là người tiên phong của CVT cũng như người sáng lập của hãng sản xuất xe hơi Hà Lan DAF. Ông đã phát triển hộp số CVT sản xuất hàng loạt đầu tiên để sử dụng cho xe hơi cỡ nhỏ của DAF và Volvo từ năm 1958. Năm 1987, CVT dây đai thép cuối cùng đã được sản xuất hàng loạt, ra mắt trên Subaru Justy, Fiat Uno 60 Selecta và Ford Fiesta.

Đai thép Van Doorne bao gồm hàng trăm tấm thép, tạo độ bám cho các ròng rọc và các dải thép dọc giữ các tấm thép với nhau và chịu được lực căng. Nó linh hoạt nhưng mạnh mẽ. Ngày nay, hầu hết các hộp số CVT trên thị trường, cho dù được sản xuất bởi Jatco , Honda, Toyota, ZF hay Punch, vẫn sử dụng dây đai do Bosch cung cấp (Bosch mua lại VDT vào năm 1995).

1.2. CVT truyền động xích

Về cơ bản thì CVT truyền động xích cũng sử dụng các ròng rọc như CVT truyền động đai, nhưng bộ phận truyền động liên kết lúc này là xích.

Hộp số CVT truyền động xích không phổ biến trên thị trường, vì chỉ có Audi và Subaru sử dụng chúng. Cả hai đều sử dụng các công nghệ chính (xích, ròng rọc, điều khiển thủy lực và cảm biến mô-men xoắn) từ nhà cung cấp LuK của Đức, đã nghiên cứu rất nhiều trong lĩnh vực này. Audi là hãng đầu tiên đưa nó vào sản phẩm vào năm 1999 trên A6 3.0 V6. Multitronic CVT đã phục vụ nhiều chiếc Audi dẫn động cầu trước với động cơ sản sinh công suất lên tới 400 Nm (295 lbft), đây là giới hạn trên của hộp số. Điều đó dễ dàng hơn so với hộp số CVT truyền động bằng dây đai hiện đại. Subaru đã giới thiệu Lineartronic CVT trên Legacy 2009 và sau đó mở rộng sang Impreza, v.v. Một lần nữa, mức sử dụng của nó bị giới hạn ở 400 Nm.

Chuỗi xích thép của Multitronic bao gồm 1025 tấm liên kết và 75 cặp chốt. Nó gần như linh hoạt như dây đai chữ V của CVT thông thường nhưng mạnh hơn nhiều, có khả năng chịu được mô-men xoắn lớn hơn. Nghiên cứu cho thấy nó có hiệu suất cao hơn dây đai, nhưng nó gây ứng suất lớn hơn cho các ròng rọc.

2. CVT truyền động bằng con lăn hay CVT hình xuyến Toroidal

Trong khi CVT truyền động xích là một bước tiến của CVT truyền động đai thông thường, thì CVT loại con lăn – hình xuyến là một cuộc cách mạng, vì nguyên lý hoạt động của nó hoàn toàn khác biệt. Sở dĩ có tên gọi như vậy là CVT truyền động bằng con lăn vì nó sử dụng hai cặp con lăn thay vì dây đai hoặc xích làm phương tiện truyền để thay đổi tỷ số truyền. Nó còn được gọi là CVT hình xuyến vì các con lăn được kẹp giữa các đĩa đầu vào và đầu ra hình xuyến. So với CVT truyền động dây đai hoặc xích, nó có khả năng xử lý mô-men xoắn cao hơn do đó được ưa chuộng hơn cho các động cơ lớn hơn. Nissan giới thiệu hộp số CVT dẫn động con lăn đầu tiên và duy nhất trên thế giới vào năm 1999. Được gọi là Extroid CVT, lần đầu tiên nó được áp dụng cho Nissan Gloria / Cedric, và sau đó là Skyline 350GT-8 vào năm 2002. Nó được phát triển cùng với NSK, một chuyên gia vòng bi Nhật Bản.

Như trong hình, các con lăn liên kết giữa đĩa đầu vào và đĩa đầu ra. Vì các con lăn có thể nghiêng các góc khác nhau, do đó tỷ số truyền có thể thay đổi bằng cách điều chỉnh góc nghiêng. Ví dụ, khi các con lăn gặp đĩa đầu vào gần bán kính bên trong của nó và gặp đĩa đầu ra gần bán kính bên ngoài của nó, tỷ số truyền cao sẽ thu được.

3. CVT thủy tĩnh

Các loại CVT puli V và CVT hình xuyến là những CVT loại ma sát, hoạt động bằng cách thay đổi bán kính của điểm tiếp xúc giữa hai vật thể quay (lực ma sát). CVT thủy tĩnh, sử dụng các máy bơm biến thiên để thay đổi lưu lượng chất lỏng vào động cơ thủy tĩnh. Trong kiểu truyền động này, chuyển động quay của động cơ vận hành bơm thủy tĩnh ở phía dẫn động. Máy bơm chuyển chuyển động quay thành dòng chất lỏng. Sau đó, với một động cơ thủy tĩnh đặt ở phía được dẫn động, dòng chất lỏng được chuyển đổi trở lại thành chuyển động quay.

Thông thường, hộp số CVT thủy tĩnh được kết hợp với bộ bánh răng hành tinh và ly hợp để tạo ra một hệ thống lai được gọi là hộp số thủy cơ. Hộp số thủy cơ truyền sức mạnh từ động cơ đến các bánh xe ở ba chế độ khác nhau. Ở tốc độ thấp, công suất được truyền bằng thủy lực, và ở tốc độ cao, công suất được truyền bằng hệ bánh răng cơ học. Giữa các thái cực này, bộ truyền động sử dụng cả phương tiện thủy lực và cơ khí 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 chạy mọi địa hình.

Đây là các loại CVT thường được sử dụng trên ô tô và các phương tiện vận tải, ngoài ra còn rất nhiều loại CVT khác với các cơ cấu khác nhau, nhưng việc truyền động thì vẫn là nguyên lý biến thiên liên tục và không có giới hạn.

Ưu điểm của CVT

Tăng tốc liên tục, vô cấp từ khi dừng hoàn toàn đến tốc độ tối đa. Loại bỏ “sốc khi chuyển số” – giúp cho chuyến đi mượt mà hơn.

Hoạt động để giữ cho ô tô ở dải công suất tối ưu bất kể ô tô đang di chuyển với tốc độ như thế nào. Cải thiện hiệu suất nhiên liệu.

Lái xe lên dốc dễ dàng hơn với hộp số vô cấp CVT. Hộp số thông thường phải thao tác nhiều hơn để tìm tỷ số truyền phù hợp cho truyền động, trong khi hộp số CVT tìm thấy tỷ số chính xác cần thiết gần như ngay lập tức, cho phép động cơ cung cấp sức mạnh một cách liền mạch mà không cần chuyển số khó.

Bởi vì không có bất kỳ sự chuyển số cứng nào, CVT cũng cho phép bạn tận hưởng cảm giác lái êm ái và tăng tốc ở bất kỳ tốc độ nào. Điều này cũng giúp loại bỏ việc giảm số đột ngột khi bạn đang cố gắng tạo thêm sức mạnh để vượt qua đường cao tốc.

Nhược điểm của CVT

Hộp số CVT thường sẽ đắt hơn các hộp số thường.

Với CVT loại ròng rọc, dây đai hoặc xích có thể bị mòn nhanh chóng, và bị trượt nhiều, dẫn đến công suất nhiều khi không được truyền hết.

Do sức căng của dây đai và xích là có giới hạn, lực ma sát tiếp xúc giữa ròng rọc với dây đai/xích cũng có giới hạn, do đó hộp số CVT không đáp ứng được truyền tải với công suất và mô men lớn.

Chi phí sửa chữa và thay thế cũng có thể đắt hơn, lên tới vài nghìn đô la, có thể là do hộp số CVT thường có tuổi thọ kém hơn các hộp số truyền thống.

Mặc dù hộp số CVT tối ưu cho những hoạt động lái xe bình thường, nhưng nó không được thiết kế cho các tình huống hiệu suất cao. Hộp số biến thiên liên tục không thể xử lý khi mã lực tăng lên, đó là lý do tại sao chúng không được sử dụng trên xe thể thao và xe hiệu suất.