Pedeorelha | Hoe CVT's werken

Yurii Mongol
0
3861
904

Transmissie Afbeeldingengalerij

Foto met dank aan Nissan Global
Nissan HR15DE-motor met Xtronic CVT. Zie meer transmissiefoto's.

Sommigen zeggen dat je een oude hond geen nieuwe trucjes kunt leren. Maar de continu variabele transmissie (CVT), die Leonardo da Vinci meer dan 500 jaar geleden bedacht en nu planetaire automatische transmissies in sommige auto's vervangt, is een oude hond die zeker een paar nieuwe trucs heeft geleerd. Sinds het eerste octrooi voor de ringkern CVT in 1886 werd ingediend, is de technologie inderdaad verfijnd en verbeterd. Tegenwoordig ontwerpen verschillende autofabrikanten, waaronder General Motors, Audi, Honda en Nissan, hun aandrijflijnen rond CVT's.

In dit artikel zullen we onderzoeken hoe een CVT werkt in een typische achterwielaangedreven auto, waarbij we onderweg een aantal vragen beantwoorden:

Hoe verhoudt een CVT zich tot een conventionele, planetaire automatische transmissie??
Welke onderdelen heeft het en hoe werken die onderdelen?
Welke voordelen bieden CVT's ten opzichte van conventionele automatische transmissies? Hoe zit het met de nadelen?
Hoe is de rijervaring in een auto met CVT??
Wat voor merken en modellen bevatten CVT's?
Zijn er andere toepassingen voor CVT's dan auto's??

Eerst kijken we hoe een CVT zich verhoudt tot een traditionele automatische transmissie.

Geen versnellingen meer
Een tijdlijn van CVT-innovatie

1490 - da Vinci schetst een traploze continu variabele transmissie
1886 - eerste ringkern CVT-patent aangevraagd
1935 - Adiel Dodge ontvangt Amerikaans patent voor ringkern CVT
1939 - volledig automatische transmissie op basis van planetair tandwielsysteem geïntroduceerd
1958 - Daf (uit Nederland) produceert een CVT in een auto
1989 - De Subaru Justy GL is de eerste in de VS verkochte productieauto met een CVT
2002 - Saturn Vue met een CVT debuteert; eerste Saturnus die CVT-technologie aanbood
2004 - Ford begint met het aanbieden van een CVT

-Als je over de structuur en functie van automatische transmissies hebt gelezen in Hoe automatische transmissies werken, dan weet je dat het de taak van de transmissie is om de snelheidsverhouding tussen de motor en de wielen van een auto te veranderen. Met andere woorden, zonder transmissie zouden auto's maar één versnelling hebben - de versnelling waarmee de auto met de gewenste topsnelheid kan rijden. Stel je eens voor dat je een auto bestuurt die alleen de eerste versnelling had of een auto die alleen de derde versnelling had. De voormalige auto zou goed accelereren vanaf een volledige stop en zou een steile heuvel kunnen beklimmen, maar de topsnelheid zou beperkt zijn tot slechts een paar kilometer per uur. De laatste auto zou daarentegen met een snelheid van 130 km / u over de snelweg vliegen, maar hij zou bijna geen acceleratie hebben bij het starten en zou geen heuvels kunnen beklimmen.

De transmissie gebruikt dus een reeks versnellingen - van laag tot hoog - om het motorkoppel effectiever te gebruiken naarmate de rijomstandigheden veranderen. De versnellingen kunnen handmatig of automatisch worden ingeschakeld.

Foto met dank aan DaimlerChrysler
Mercedes-Benz CLK automatische transmissie.

Bij een traditionele automatische transmissie zijn de versnellingen letterlijk versnellingen: in elkaar grijpende tandwielen die helpen bij het overbrengen en wijzigen van rotatiebeweging en koppel. Een combinatie van planetaire tandwielen creëert alle verschillende overbrengingsverhoudingen die de transmissie kan produceren, meestal vier versnellingen vooruit en één achteruit. Wanneer dit type transmissie door zijn versnellingen schakelt, kan de bestuurder schokken voelen als elke versnelling wordt ingeschakeld.

CVT Basics
In tegenstelling tot traditionele automatische transmissies hebben continu variabele transmissies geen versnellingsbak met een vast aantal versnellingen, wat betekent dat ze geen in elkaar grijpende tandwielen hebben. Het meest voorkomende type CVT werkt op een ingenieus katrol systeem dat zorgt voor een oneindige variabiliteit tussen de hoogste en laagste versnellingen zonder discrete stappen of verschuivingen.

Foto met dank aan Ford Motor Company
Ford Freestyle Duratec-motor met CVT

Als je je afvraagt waarom het woord 'versnelling' nog steeds voorkomt in de uitleg van een CVT, onthoud dan dat een versnelling in grote lijnen verwijst naar een verhouding van het toerental van de motoras tot het toerental van de aandrijfas. Hoewel CVT's deze verhouding veranderen zonder een set planetaire tandwielen te gebruiken, worden ze nog steeds beschreven als lage en hoge "versnellingen" omwille van de conventie.

Vervolgens kijken we naar de verschillende typen CVT's: poelie-gebaseerd, torusvormig en hydrostatisch.

Foto met dank aan Nissan Global
Op poelie gebaseerde CVT

Kijk in een planetaire automatische transmissie en je ziet een complexe wereld van versnellingen, remmen, koppelingen en regelapparatuur. Ter vergelijking: een continu variabele transmissie is een studie in eenvoud. De meeste CVT's hebben slechts drie basiscomponenten:

Een krachtige metalen of rubberen riem
Een "aandrijvende" katrol met variabele input
Een output "aangedreven" katrol

CVT's hebben ook verschillende microprocessors en sensoren, maar de drie hierboven beschreven componenten zijn de belangrijkste elementen waardoor de technologie werkt.

De katrollen met variabele diameter vormen het hart van een CVT. Elke katrol is gemaakt van twee kegels van 20 graden die tegenover elkaar staan. Een riem rijdt in de groef tussen de twee kegels. V-snaren hebben de voorkeur als de riem van rubber is. V-riemen ontlenen hun naam aan het feit dat de riemen een V-vormige doorsnede hebben, wat de wrijvingsgreep van de riem vergroot.

Als de twee kegels van de poelie ver uit elkaar staan (als de diameter groter wordt), beweegt de riem lager in de groef en wordt de straal van de riemlus die rond de poelie loopt kleiner. Wanneer de kegels dicht bij elkaar zijn (wanneer de diameter afneemt), rijdt de riem hoger in de groef en wordt de straal van de riemlus die rond de poelie loopt groter. CVT's kunnen hydraulische druk, middelpuntvliedende kracht of veerspanning gebruiken om de kracht te creëren die nodig is om de poeliehelften af te stellen.

Katrollen met variabele diameter moeten altijd in paren worden geleverd. Een van de katrollen, bekend als de aandrijfpoelie (of aandrijfpoelie), is verbonden met de krukas van de motor. De aandrijfpoelie wordt ook wel de input katrol omdat daar de energie van de motor de transmissie binnenkomt. De tweede katrol heet de aangedreven katrol omdat de eerste katrol het draait. Als een output katrol, de aangedreven poelie draagt energie over aan de aandrijfas.

De afstand tussen het midden van de poelies tot waar de riem contact maakt in de groef staat bekend als de steekradius. Als de poelies ver uit elkaar staan, rijdt de riem lager en neemt de spoedradius af. Als de poelies dicht bij elkaar staan, rijdt de riem hoger en neemt de spoedradius toe. De verhouding van de spoedradius op de aandrijfpoelie tot de spoedradius op de aangedreven poelie bepaalt de versnelling.

Wanneer een katrol zijn straal vergroot, verkleint de andere zijn straal om de riem strak te houden. Omdat de twee katrollen hun radii ten opzichte van elkaar veranderen, creëren ze een oneindig aantal overbrengingsverhoudingen - van laag naar hoog en alles daartussenin. Als de spoedradius bijvoorbeeld klein is op de aandrijfpoelie en groot op de aangedreven poelie, neemt de rotatiesnelheid van de aangedreven poelie af, wat resulteert in een lagere "versnelling". Wanneer de spoedstraal groot is op de aandrijfpoelie en klein op de aangedreven poelie, dan neemt de rotatiesnelheid van de aangedreven poelie toe, wat resulteert in een hogere "versnelling". In theorie heeft een CVT dus een oneindig aantal "versnellingen" die hij op elk moment kan doorlopen, bij elke motor- of voertuigsnelheid..

De eenvoud en traploze aard van CVT's maken ze tot een ideale transmissie voor een verscheidenheid aan machines en apparaten, niet alleen voor auto's. CVT's worden al jaren gebruikt in elektrisch gereedschap en boormachines. Ze zijn ook gebruikt in verschillende voertuigen, waaronder tractoren, sneeuwscooters en scooters. Bij al deze toepassingen zijn de transmissies gebaseerd op rubberen riemen met een hoge dichtheid, die kunnen slippen en uitrekken, waardoor hun efficiëntie afneemt.

Door de introductie van nieuwe materialen worden CVT's nog betrouwbaarder en efficiënter. Een van de belangrijkste vorderingen is het ontwerp en de ontwikkeling van metalen riemen om de katrollen te verbinden. Deze flexibele riemen zijn samengesteld uit verschillende (meestal negen of 12) dunne stalen banden die zeer sterke, vlinderdasvormige stukken metaal bij elkaar houden.

Ontwerp met metalen riem

Metalen riemen slippen niet en zijn sterk duurzaam, waardoor CVT's meer motorkoppel kunnen verwerken. Zij zijn ook stiller dan met rubberen riem aangedreven CVT's.

Een andere versie van de CVT - het ringkern CVT-systeem - vervangt de riemen en poelies door schijven en krachtrollen.

Foto met dank aan Nissan Global
Nissan Extroid ringkern CVT

Hoewel een dergelijk systeem drastisch anders lijkt, zijn alle componenten analoog aan een riem-en-katrolsysteem en leiden tot dezelfde resultaten: een continu variabele transmissie. Dit is hoe het werkt:

Een schijf maakt verbinding met de motor. Dit komt overeen met de aandrijfpoelie.
Een andere schijf is verbonden met de aandrijfas. Dit komt overeen met de aangedreven poelie.
Rollen of wielen, die zich tussen de schijven bevinden, werken als de riem en brengen kracht over van de ene schijf naar de andere.

De wielen kunnen langs twee assen draaien. Ze draaien om de horizontale as en kantelen naar binnen of naar buiten om de verticale as, waardoor de wielen de schijven in verschillende gebieden kunnen raken. Wanneer de wielen in contact zijn met de aandrijfschijf nabij het midden, moeten ze contact maken met de aangedreven schijf nabij de velg, wat resulteert in een vermindering van de snelheid en een toename van het koppel (d.w.z. een lage versnelling). Wanneer de wielen de aandrijfschijf nabij de velg raken, moeten ze contact maken met de aangedreven schijf nabij het midden, wat resulteert in een toename van de snelheid en een afname van het koppel (d.w.z. overdrive-versnelling). Een simpele kanteling van de wielen verandert dan stapsgewijs de overbrengingsverhouding, wat zorgt voor soepele, bijna onmiddellijke veranderingen van de overbrengingsverhouding.

Zowel de katrol-en-V-riem CVT als de ringkern CVT zijn voorbeelden van wrijvings-CVT's, die werken door de straal van het contactpunt tussen twee roterende objecten te variëren. Er is een ander type CVT, bekend als een hydrostatische CVT, dat gebruikmaakt van pompen met variabele opbrengst om de vloeistofstroom in hydrostatische motoren te variëren. Bij dit type transmissie bedient de roterende beweging van de motor een hydrostatische pomp aan de aandrijfzijde. De pomp zet rotatiebeweging om in vloeistofstroom. Vervolgens wordt, met een hydrostatische motor aan de aangedreven zijde, de vloeistofstroom weer omgezet in een roterende beweging.

Vaak wordt een hydrostatische transmissie gecombineerd met een planetaire tandwielset en koppelingen om een hybride systeem te creëren dat bekend staat als een hydromechanische transmissie. Hydromechanische transmissies brengen het vermogen van de motor naar de wielen in drie verschillende modi. Bij lage snelheid wordt het vermogen hydraulisch overgebracht, en bij hoge snelheid mechanisch. Tussen deze uitersten gebruikt de transmissie zowel hydraulische als mechanische middelen om vermogen over te brengen. Hydromechanische transmissies zijn ideaal voor zware toepassingen en daarom worden ze veel gebruikt in landbouwtrekkers en terreinwagens.

CVT-voordelen

Continu variabele transmissies worden om een goede reden steeds populairder. Ze hebben verschillende voordelen waardoor ze aantrekkelijk zijn voor zowel chauffeurs als milieuactivisten. In de onderstaande tabel worden enkele van de belangrijkste kenmerken en voordelen van CVT's beschreven.

Voordelen van CVT's
Voorzien zijn van	Voordeel
Constante, traploze acceleratie van volledige stilstand tot kruissnelheid	Elimineert "shift shock" - zorgt voor een soepelere rit
Houdt de auto in zijn optimale vermogensbereik, ongeacht hoe snel de auto rijdt	Verbeterde brandstofefficiëntie
Reageert beter op veranderende omstandigheden, zoals veranderingen in gaspedaal en snelheid	Elimineert het jagen op versnellingen als een auto vertraagt, vooral bij het oprijden van een heuvel
Minder vermogensverlies in een CVT dan in een typische automatische transmissie	Betere acceleratie
Betere controle over het toerentalbereik van een benzinemotor	Betere controle over emissies
Kan geautomatiseerde versies van mechanische koppelingen bevatten	Vervang inefficiënte vloeistofkoppelomvormers

In de volgende sectie zullen we bekijken hoe het is om in een CVT-gebaseerde auto te rijden.

Auto's met CVT's zijn al jaren gebruikelijk in Europa. Maar het heeft even geduurd voordat de technologie voet aan de grond kreeg in de Verenigde Staten. De eerste productieauto die een CVT in de Verenigde Staten aanbood, was de Subaru Justy.

Foto met dank aan Subaru Frankrijk
Subaru Justy

Verkocht tussen 1989 en 1993, trok de Justy nooit de aandacht van Amerikaanse chauffeurs. Dus wat is er anders aan nieuwere CVT-auto's - auto's zoals de Saturn Vue, de Audi A4 en A6, de Nissan Murano en de Honda Insight? De beste manier om die vraag te beantwoorden, is door een van deze auto's mee te nemen voor een 'proefrit'. De onderstaande animatie, die de acceleratie van een auto met een CVT vergelijkt met een auto zonder, geeft u een goed gevoel voor de ervaring.

Wanneer je op het gaspedaal trapt van een auto met een continu variabele transmissie, merk je het verschil direct. De motor draait op naar het toerental waarbij hij het meeste vermogen produceert, en blijft daar. Maar de auto reageert niet meteen. Dan, even later, treedt de transmissie in werking, waardoor de auto langzaam, gestaag en zonder schakelen versnelt. In theorie zou een auto met een CVT 100 km / u 25 procent sneller moeten halen dan dezelfde auto met dezelfde motor en een handgeschakelde versnellingsbak [ref]. Dat komt doordat de CVT elk punt op de bedrijfscurve van de motor omzet naar een overeenkomstig punt op zijn eigen bedrijfscurve.

Als je naar de vermogenscurve voor de auto zonder CVT kijkt, zie je dat dit waar is. Merk op dat de toerenteller in deze situatie het motortoerental op en neer laat zien bij elke versnelling, wat wordt geregistreerd als een piek in de vermogensafgiftecurve (en die de bestuurder voelt als een schok).

CVT's zijn even efficiënt op heuvels. Er is geen "versnelling zoeken", omdat de CVT traploos terugschakelt naar een overbrengingsverhouding die geschikt is voor de rijomstandigheden. Een conventionele automatische transmissie schakelt heen en weer om de juiste versnelling te vinden, wat veel minder efficiënt is.

Met al hun voordelen hebben CVT's enkele tekortkomingen. In de Verenigde Staten proberen ze nog steeds een imagoprobleem op te lossen. De Subaru Justy stond bijvoorbeeld bekend als een dappere micro-auto. Traditioneel waren CVT's met riemaandrijving beperkt in de hoeveelheid koppel die ze aankonden en waren ze groter en zwaarder dan hun automatische en handmatige tegenhangers. Technologische vooruitgang heeft CVT's in het rijk van hun concurrentie gebracht - de CVT van de Nissan Murano kan zijn 3,5-liter V6-motor met 245 pk aan - maar de eerste indrukken zijn moeilijk te overwinnen.

Raadpleeg de links op de volgende pagina voor meer informatie over continu variabele transmissies en aanverwante onderwerpen.