新型無級變速器(CVT)技術解析

潘國揚，石曉輝，郝建軍，郭 棟

(1.汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室，重慶 400054;2.奇瑞汽車股份有限公司，安徽蕪湖 241000)

汽車變速器是伴隨著車用內(nèi)燃機而出現(xiàn)的。最初其主要作用是傳遞動力，彌補發(fā)動機工作特性的缺陷，滿足整車起步時大扭矩小轉(zhuǎn)速、高車速時低扭矩高轉(zhuǎn)速的需求，同時實現(xiàn)倒車等功能。隨著汽車技術的發(fā)展及人們對汽車燃油經(jīng)濟性及舒適性要求的不斷提高，變速器的作用早已不單是滿足起步、倒車等需求，它對整車燃油經(jīng)濟性、排放性能、操控駕駛舒適性等起著越來越重要的作用。市場上廣義的變速器分為手動和自動變速器，其中自動變速器由于操控簡單、駕駛舒適性好，越來越受消費者追捧(北美、日本等市場中自動變速器比重已經(jīng)超過90%)。隨著電子技術和自動控制技術的迅速發(fā)展，自動變速器在燃油經(jīng)濟性、排放以及混合動力匹配上的優(yōu)勢越來越明顯。

車用自動變速器大致有4類:液力自動變速器(即AT)、電子控制機械式自動變速器(AMT)、無級變速器(CVT)及雙離合自動變速器(DCT)。其中，無級變速器(CVT)由于具有傳動比連續(xù)、傳遞動力平穩(wěn)、燃油經(jīng)濟性好、結(jié)構簡單緊湊、成本低、操縱方便等特點，已成為自動變速器家族中重要的一員［1－11］。但是 CVT對液壓系統(tǒng)油壓要求較高，使得其整體效率較低，其燃油經(jīng)濟性相對手動變速器(MT)沒有明顯優(yōu)勢。不過隨著CVT技術的發(fā)展，最近日產(chǎn)JATCO公司推出的CVT7無級變速器相比MT燃油經(jīng)濟性有大幅提升，在北美EPA公布的數(shù)據(jù)中其節(jié)油率達到15%，在國內(nèi)工信部公布的數(shù)據(jù)中也達到了6.8%，使得CVT的節(jié)油性能得到了充分的體現(xiàn)［1］。

1 CVT的發(fā)展與應用

在汽車發(fā)展的初期，工程師們就已認識到只有在發(fā)動機與傳動系之間實現(xiàn)無級變速調(diào)節(jié)才能使汽車達到理想的行駛工況。長期以來，研究人員一直致力于開發(fā)能傳遞大功率，維持高效率、高壽命的無級變速器。迄今為止，無級變速傳動機構已有很多類型。最早應用于汽車的無級變速傳動是V型橡膠帶式無級自動變速傳動，應用在1886年由德國Daimlar-Benz公司生產(chǎn)的汽油機汽車上。1965年DAF55使用的由兩副橡膠帶組成的CVT如圖1所示。但橡膠帶式無級自動變速器因無法解決橡膠帶耐久性問題而逐步退出市場。

CVT取得里程碑式的成績是在20世紀60年代中期，荷蘭的H.Vandoorne博士等研制出功率密度大、可靠性高的金屬傳動帶，使帶式無級變速器取得突破性進展。1987年，荷蘭VDT公司聯(lián)合富士重工開發(fā)的金屬帶式CVT應用在Subaru Justy轎車上并投放市場，取得了巨大的成功，開啟了CVT車用的時代。之后日產(chǎn)、本田、豐田、奧迪、奔馳等汽車公司都陸續(xù)推出了CVT變速器產(chǎn)品［4］。

圖1 橡膠帶式CVT

1995年，荷蘭VDT公司被Bosch集團收購。隨著Bosch公司在鋼帶研發(fā)和生產(chǎn)工藝技術方面的大量投入，CVT技術得到了飛速的發(fā)展和推廣?，F(xiàn)在Bosch公司開發(fā)出的最新一代鋼帶傳遞扭矩已經(jīng)突破了500 N·m［5］。結(jié)合當今先進的電子液壓控制技術，CVT變速器的傳動效率等性能更加完善。近期日產(chǎn)JATCO、本田、豐田等公司推出的新一代CVT變速器在燃油經(jīng)濟性等方面的指標已經(jīng)成為新一代變速器的標桿。CVT在本田、豐田、日產(chǎn)等公司混合動力車型上已成功應用，成為了混合動力的最佳傳動系統(tǒng)。

大規(guī)模成功應用的CVT是如圖2所示的由錐輪和傳動帶組合的傳動帶式CVT(下文中所提的CVT都指該種CVT)。這種CVT變速器主要靠傳動帶和帶輪錐面摩擦來實現(xiàn)扭矩傳遞，摩擦傳動使得傳動帶承受很大的應力，導致CVT的扭矩容量受到很大限制，同時由于傳動帶高夾壓力的需求，導致CVT傳動效率相對MT較低。

圖2 傳動帶式CVT

當前，開發(fā)真正節(jié)油高效的自動變速器成為汽車企業(yè)的一大主要任務。各大汽車巨頭紛紛在傳動技術上進行攻關，如大眾公司近期推出的干式DCT、日產(chǎn)推出的新一代CVT和ZF公司推出的9AT，其節(jié)油效果均已超過MT變速器車型。CVT變速器由于其優(yōu)異的駕乘舒適性及燃油經(jīng)濟性表現(xiàn)，正被越來越多的人所青睞。2013年CVT占全球乘用車自動變速器的市場份額突破20%，僅次于傳統(tǒng)AT變速器。隨著人們對汽車節(jié)能減排及駕駛舒適性要求的逐步提高，高效CVT無級變速器技術將得到更廣泛的發(fā)展及應用［6－7］。

2 日產(chǎn)新式無級變速器CVT7的結(jié)構原理及特點

CVT7結(jié)構如圖3所示，主要由起步機構、減速機構、變速機構、副變速器機構、前進倒擋機構、液壓控制系統(tǒng)和差速器構成［6］。動力從起步機構輸入，通過減速機構傳遞到帶輪變速機構，再經(jīng)過副變速機構、前進倒擋機構和差速器輸出。前進和倒擋通過集成的副變速機構實現(xiàn)，而變速則是通過帶輪變速機構和副變速機構組合實現(xiàn)。下面分別介紹各機構的結(jié)構工作原理及技術特點。

圖3 日產(chǎn)CVT7結(jié)構

2.1 起步機構

液力變矩器及其特性示意圖如圖4所示。為了在平穩(wěn)起步的同時兼顧傳動效率，CVT7應用了具備滑差控制的閉鎖式液力變矩器。隨著液力變矩器的發(fā)展，匹配閉鎖離合器和高性能緩沖器，以及安裝有高精度液壓控制系統(tǒng)的使變矩器具備了低速滑差閉鎖功能，保證了燃油經(jīng)濟性，同時也具備出色的起步舒適性及爬坡性能。CVT7應用的變矩器結(jié)構相比以往更緊湊，更加扁平，使整個變速器的軸向尺寸及質(zhì)量都大大減小。另外，結(jié)合CVT7大的起步速比及變矩器滑差閉鎖控制，使得變矩器在很低的車速就能實現(xiàn)閉鎖，兼得舒適性及燃油經(jīng)濟性。圖5為滑差閉鎖控制示意圖。采用滑差控制后，整車在更低的車速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速時變矩器就實現(xiàn)了閉鎖，大大提高了CVT整車工況下的傳動效率。

圖4 液力變矩器及特性

圖5 滑差閉鎖控制示意圖

2.2 減速機構

和傳統(tǒng)CVT減速機構不同，CVT7將減速機構布置在了帶輪變速系統(tǒng)前面，使得整個變速器高度和寬度尺寸得到了很好的控制，相應地減少了一對軸承和軸系，并且由于在鋼帶前段進行減速，減小了鋼帶工作的最大線速度，使得鋼帶在扭矩和轉(zhuǎn)速應用上達到很好的平衡，避免了鋼帶超高速運行帶來的速比擾動等不利因素。此外，由于帶輪整體轉(zhuǎn)速下降，使得從動帶輪上的平衡油缸得以取消，避免了帶輪油缸高速運轉(zhuǎn)造成的液壓系統(tǒng)的擾動，從而不僅使其在整體尺寸、質(zhì)量和成本方面大大降低，也使其可靠性得到了很大的提升。

2.3 變速機構

無級變速機構由金屬傳動帶，主、從動工作輪組和加壓機構組成，如圖6所示。金屬傳動帶由幾百個金屬片和兩組金屬環(huán)組成，每個金屬片的厚度為1.4 mm左右，單側(cè)鋼環(huán)組由厚度為0.2 mm左右的12片鋼環(huán)組成，在兩側(cè)工作輪夾緊下通過摩擦來傳遞動力。主、從動工作輪由活動和固定錐盤兩部分組成，與加壓裝置靠近的一側(cè)帶輪可以軸向移動，另一側(cè)固定?？蓜颖P與固定盤都是錐面結(jié)構，它們的錐面形成V型槽與V型金屬傳動帶嚙合。

圖6 無級變速機構

發(fā)動機輸出的動力首先傳遞到CVT的主動輪，然后通過V型傳動帶傳遞到從動輪，最后經(jīng)減速器、差速器傳遞給車輪來驅(qū)動汽車。工作時通過主動輪與從動輪的可動盤作軸向移動來改變主動輪、從動輪錐面與V型傳動帶嚙合的工作半徑，從而改變傳動比?？蓜颖P的軸向移動是由通過變速器的電子控制系統(tǒng)按照當前駕駛者的意圖來調(diào)節(jié)主動輪、從動輪加壓機構壓力來實現(xiàn)的。由于主動輪和從動輪的工作半徑可以實現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)了無級變速。

CVT7變速機構增加了一組行星齒輪副變速器(如圖7所示)，使得CVT速比范圍突破了傳統(tǒng)鋼帶帶輪系統(tǒng)的束縛，而且很好地結(jié)合了鋼帶帶輪系統(tǒng)和行星齒輪的效率優(yōu)勢。CVT7帶輪變速比范圍由0.5～2.0縮小到了4，增加的副變速器擁有2個速比，分別為1和1.825，使得整個變速比范圍達到了驚人的7.3。由圖8帶輪效率曲線圖可以看出:帶輪速比范圍減小后使得整個帶輪系統(tǒng)效率得到明顯提升。由于副變速器行星齒輪組數(shù)很少，傳動效率接近定軸一級齒輪傳動，使得該套系統(tǒng)組合后整體效率得到大大提升，匹配整車油耗相比手動擋車型低6%。

圖7 CVT7實物

圖8 帶輪速比－效率圖

2.4 前進倒擋機構

CVT的前進倒擋機構是通過行星齒輪機構配合兩套離合器系統(tǒng)實現(xiàn)的。當前進離合器結(jié)合時，行星輪系一體運行，實現(xiàn)前進;當?shù)箵蹼x合器結(jié)合時，行星輪系工作，實現(xiàn)動力的反向輸出。通常CVT的該系統(tǒng)會布置在變速器輸入軸上，且只實現(xiàn)前進和倒擋功能。

CVT7將前進倒擋機構移到了輸出端從動帶輪軸上，使得前進倒擋機構中的濕式摩擦片旋轉(zhuǎn)損失減小(因為CVT布置中輸入主動帶輪比從動帶輪距離液面更近，液面很容易觸碰布置在輸入帶輪上的前進倒擋機構的行星輪系，增加攪油功率損失)。CVT7的結(jié)構及油位示意圖如圖9所示。輸入輸出帶輪的高度相同，使得離合器系統(tǒng)和帶輪系統(tǒng)離液面距離增加，減小了旋轉(zhuǎn)件的攪油功率損失，提高了整個機構的傳動效率，而且將前進倒擋機構和副變速器集成后，沒有增加多余的零部件，使得在速比范圍和效率提升的同時不增加成本。

圖9 CVT7結(jié)構及油位示意圖

2.5 控制系統(tǒng)

CVT7的控制系統(tǒng)采用了電液控制系統(tǒng)，由液壓系統(tǒng)和電子軟件控制系統(tǒng)組成。液壓系統(tǒng)結(jié)構如圖10所示，主要由油泵、主油路液壓調(diào)節(jié)閥、主從動帶輪油壓調(diào)節(jié)閥、液力變矩器閉鎖離合器油壓調(diào)節(jié)閥、倒擋離合器油壓調(diào)節(jié)閥和一二擋離合器油壓控制閥組成。

電子軟件控制系統(tǒng)主要是由電子硬件及控制軟件組成。軟件控制策略是根據(jù)油門開度、油門變化率、車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速等的變化來對液壓系統(tǒng)各液壓調(diào)節(jié)閥進行控制調(diào)節(jié)，實現(xiàn)變速、前進、倒擋、變矩器閉鎖分離控制。CVT7的軟件控制策略模塊包括速比控制模塊、從動帶輪鋼帶夾緊控制模塊、變矩器閉鎖控制模塊和組合式行星輪系控制模塊。其中由于采用了帶輪和行星輪系組合的變速方式，導致帶輪變速和行星輪變速需要協(xié)調(diào)控制。CVT7帶輪和行星輪系速比控制原理如圖11所示，整個速比控制過程包括預備階段、慣量控制階段、扭矩控制階段和最終離合器閉鎖階段［4］。

預備階段主要是完成副變速器與當前離合器的分離。為防止發(fā)動機轉(zhuǎn)速瞬間突變，此時進行帶輪速比反向微調(diào)。

慣量控制階段主要是指離合器滑摩和帶輪速比的聯(lián)合變化階段。該階段確保傳動系的慣量變化按目標設定平緩過渡，使發(fā)動機轉(zhuǎn)速不產(chǎn)生突變。

在扭矩控制階段主要考慮離合器油壓響應存在滯后的固有特性，且壓力響應存在線性增加的過程，需要根據(jù)離合器油壓的響應特性來控制發(fā)動機扭矩的響應，防止離合器在該過程中產(chǎn)生滑摩震顫和沖擊，同時也控制扭矩為線性響應，以免扭矩的階躍突變產(chǎn)生沖擊，影響駕乘性能。

由于采用了上述控制策略，CVT7的副變速器在一二擋切換的過程中沒有丟失CVT變速器平順的變速特性，并且CVT的傳動效率和速比范圍得到大幅提升。

圖10 CVT7液壓系統(tǒng)結(jié)構

圖11 CVT7速比控制原理

3 CVT技術的發(fā)展前景

隨著科技及市場需求的發(fā)展，CVT正采用新的控制策略來滿足更高的變速響應性的要求，以滿足整車動力響應性的需求。以往CVT變速控制往往采用主動油缸流量速比反饋控制，這導致CVT速比變化存在一定滯后。新的控制技術則采用主動油缸壓力前饋控制，通過對帶輪變速機構物理動態(tài)模型的優(yōu)化使得速比的響應速度和控制精度都得到了大幅的提升，最終使整車的動力響應性得到大幅提高。同時針對不同駕駛習慣的駕駛性自學習策略和不同工況的自學習策略進一步開發(fā)和應用，使得CVT的優(yōu)越性更大限度地得以發(fā)揮。

CVT使用帶閉鎖功能的液力變矩器，并匹配更優(yōu)越的電子控制技術，使得CVT在具備出色的起步舒適性和加速性的同時保證高的傳動效率，從而進一步提升CVT的駕駛舒適性及燃油經(jīng)濟性，大大改善汽車的起動加速性能及爬坡性能等。

帶輪變速機構的效率得以不斷的優(yōu)化提升，主要是通過開發(fā)高摩擦因數(shù)油品及對傳動帶內(nèi)部結(jié)構的優(yōu)化來提高整體傳動效率;同時采用高效液壓油泵降低液壓閥的泄漏，以及開發(fā)傳動帶打滑控制策略都可進一步降低CVT的功率損耗，提高效率。

CVT混合動力集成化的應用得到不斷的開發(fā)。由于CVT在尺寸上的優(yōu)勢，使得其很容易集成作為前驅(qū)混動車型的傳動系統(tǒng);同時由于無級變速的特性，在整車能量回收過程中，同樣可以使電機工作在最佳的充電區(qū)域。目前，本田、日產(chǎn)等公司都將CVT作為其混和動力汽車技術開發(fā)的平臺，并在市場上取得巨大的成功。今后CVT在混合動力上的應用將有很大的發(fā)展空間。

隨著電子、材料、加工技術、油品及液壓系統(tǒng)等關鍵技術的發(fā)展，CVT正朝著以下幾方面發(fā)展:①向大排量的汽車上發(fā)展，以實現(xiàn)更廣泛的應用;②具有更加優(yōu)越的控制及快捷的反應;③具有更高的傳動效率;④ 具有更寬的變速比范圍;⑤ 小型化及輕量化;⑥ 價格更低廉;⑦ 向混合動力的高度集成應用發(fā)展。

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