Mô hình hộp số hybrid Toyota/Ford Electronic Continuously Variable Transmission (E-CVT)

Mô hình đơn giản của E-CVT được Toyota và Ford dùng trên xe của họ, ví dụ như Toyota Prius và Ford Maverick. Hộp số này dùng một bộ bánh răng hành tinh kết hợp với các mô-tơ điện để tạo ra số lượng tỉ số truyền “vô hạn” trong một khoảng nhất định. Nghĩa là không có dây đai bị mòn như ở CVT thông thường.

Cách nó hoạt động

Động cơ đốt trong (ICE) nhìn chung chỉ hiệu quả nhất trong một dải RPM nhỏ, thường khoảng 2000 RPM. Để giữ động cơ trong dải RPM tối ưu, người ta dùng hộp số, nhưng hộp số thường chỉ có 5 đến 8 cấp số, nên khả năng đạt hiệu suất tối đa ở mọi tốc độ sẽ bị giới hạn.

Đây là lúc continuously variable transmission (CVT) xuất hiện để giành “ngôi vương” về hiệu suất. CVT có số lượng tỉ số truyền vô hạn (trong một khoảng nào đó), giúp giữ động cơ chạy ở hiệu suất đỉnh gần như mọi lúc. Nhược điểm lớn nhất của CVT thường là cơ chế hoạt động kiểu “ép” dây đai, nghe là thấy độ tin cậy không cao. E-CVT không dựa vào dây đai, mà dùng bộ bánh răng hành tinh, hai motor-generator điện và một chút “mánh” để đạt hiệu suất tối ưu.

Cấu hình của E-CVT như sau:

• ICE (Đỏ) nối với carrier của bộ bánh răng hành tinh

• Một motor-generator nhỏ (MG1) (trắng / xanh lá) nối với sun gear

• Một motor generator lớn hơn (MG2) (xanh dương) nối với ring gear, đồng thời ring gear cũng nối trực tiếp ra bánh xe đầu ra (vàng / bạc).

“Chiêu” chính của E-CVT là các motor-generator có thể chuyển đổi công suất từ sun gear sang ring gear và ngược lại thông qua điện. Nhờ vậy, hệ thống có thể chuyển phần mô-men hoặc tốc độ dư của ICE để giữ ICE ở đúng RPM mong muốn gần như mọi lúc.

Với ba ngõ vào, sẽ có 8 chế độ khác nhau như bên dưới. Thử tái hiện đủ hết nha!

Modes

MG1

MG2

ICE

Wheels

Low load, low speed

Free

Clockwise

Held

Output

Engine start

Counter clockwise

Held

Output

Held

Normal drive

Output

Clockwise

Clockwise

Output

High load drive

Output

Clockwise (faster)

Clockwise

Output

High speed, low load

Clockwise

Output

Clockwise

Output

Coasting and regenerative breaking

Free

Output

Held

Slowing down

Reverse gear

Free

Counter clockwise

Held

Output

In 3D

Mình khuyên in mô hình bằng 5 màu khác nhau: phần đế, phần output và mỗi ngõ vào một màu. Cho tiện, các chi tiết theo từng màu đã được tách ra theo từng plate trong file 3mf. Khuyến nghị dùng PETG thay vì PLA vì PETG chịu nhiệt tốt hơn.

Cài đặt slicer quan trọng:

• Ít nhất 3 walls, 15% infill

• Random seam placement

• Supports chỉ cần cho planetary gear carrier

Bạn cần in các chi tiết sau (rất nên phân màu để nhìn cho rõ):

• base (đen)

• planetary_gear (printed in place) (trắng)

• MG2 shaft (trắng / xanh lá):

  • sun_shaft

  • shaft_handle

• ICE shaft (đỏ):

  • carrier

  • planet_shaft

  • shaft_handle

• MG1 gears (xanh dương):

  • small_shaft

  • small_gear_reverse

  • small_shaft_h

  • small_gear

  • shaft_handle

• Output gears (bạc):

  • small_shaft

  • small_gear_reverse

  • small_shaft_h

  • small_gear

  • shaft_handle

Lắp ráp

Vật tư

Bạn cần:

• 10 con vít M3 dài 16-20mm

• 10 ê-cu M3

• 10 long-đen M3

• (Tuỳ chọn) 10-17mm chân cao su cho phần đế

Các bước lắp

Lắp ráp khá đơn giản. Trước hết, bắt đầu bằng cách đặt carrier vào trong bộ planetary gears. Sau đó cụm planetary gearset và carrier có thể được gắn lên các trục (shafts) và lên đế. Chúng được cố định vào trục bằng vít xuyên lỗ và một ê-cu âm (embedded nut). Nhớ canh carrier so với đế ở phía bên ICE.

Với các bánh răng còn lại, trước tiên đặt chúng vào đúng vị trí tương đối sao cho ăn khớp với bánh răng khác, rồi lắp trục vào và cố định bánh răng lên trục.

Liên kết

Mã nguồn OpenSCAD và các mẫu mới nhất có trên trang Github của mình: https://github.com/Bob-vdV/ecvt-transmission.

Mô hình này lấy cảm hứng rất nhiều từ bộ trainer hybrid planetary gearset của Consulab. Nếu bạn muốn bản chắc chắn/“xịn” hơn thì ghé xem mẫu của họ trên website: https://www.consulab.com/products#cat_l3-hybrid-electric-vehicle_prod_em-200-29-053137-hybrid-planetary-gearset-trainer.

Video

Nội dung này có thể sẽ hơi khó hình dung lúc đầu, nên mình khuyên bạn xem một trong hai video dưới đây (không phải của mình) để hiểu E-CVT kỹ hơn (dùng Consulab trainer).

Góp ý

Nếu bạn có góp ý về thiết kế hoặc chỗ nào chưa rõ, cứ cho mình biết nha!