淺談無級變速器的研究進展

胡宇博

摘?要：文章首先介紹了無級變速器的組成以及工作原理，然后從皮帶式、金屬帶、金屬鏈以及新型結構四種類別無級變速器介紹了當前的研究進展，重點介紹了國內(nèi)獨創(chuàng)的活齒無級變速器，最后指出當前我國無級變速器在汽車變速器領域的發(fā)展前景。

關鍵詞：無級變速;壓力鋼帶;HNCVT

一、無級變速器概述

變速器是車輛的重要部件，其性能對整車的動力性、經(jīng)濟性和舒適性等有著重要影響。在早期的汽車發(fā)展進程中，人們就意識到了在發(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。無級變速的概念最早由達·芬奇提出，但直到1958年，荷蘭人Hub?Van?Doorne?才設計出了現(xiàn)代意義上的CVT無級變速箱。CVT（Continuously?Variable?Transmission）技術即無級變速技術，它采用傳動帶和工作直徑可變的主、從動輪相配合來傳遞動力，可以實現(xiàn)傳動比的連續(xù)改變，從而得到傳動系與發(fā)動機工況的最佳匹配。

無級變速器一般由四個部分組成：機械傳動機構、變速控制機構、液壓控制和電子控制[1]。其中核心結構由傳動帶、滑輪、移動錐盤等組成，傳統(tǒng)摩擦式傳動帶部分采用的是V形鋼帶。主、從動輪部分由兩個滑輪構成，一個滑輪由兩個間距可變化的錐盤構成，V型鋼帶置于這兩個錐盤的凹槽內(nèi)。CVT具體工作原理如下，由高擋位變到低擋位，主動錐盤加大對傳動帶的壓緊力，使其向外邊緣移動，增大旋轉半徑;相反，從動錐盤減小一定的壓緊力，使其旋轉半徑減小，從而實現(xiàn)了由小圓帶動大圓到大圓帶動小圓的變化，傳動比降低，這樣便從低擋位變到高擋位。壓緊力的逐漸變化帶動旋轉半徑的逐漸變化最終產(chǎn)生無級變速效果。

二、無級變速器研究進展

機械無級變速器廣義上分為定軸式、行星式、牽引式、行星式以及變節(jié)距式[2]。由于前四種無級變速器發(fā)展較為低迷，所以上文所提出的無級變速器相關概念便是圍繞變節(jié)距式無級變速器，變節(jié)距式無級變速器是近年來發(fā)展最快的一種無級變速裝置。傳動帶的材質(zhì)和結構可以采用不同的傳動介質(zhì)，主要有皮帶、金屬帶、金屬鏈以及新型結構等。

（1）皮帶式CVT。皮帶式CVT的主要優(yōu)點是價格低廉，因此被廣泛應用于農(nóng)業(yè)機械。但是該變速器中皮帶動磨損和發(fā)熱非常嚴重，大大降低了使用壽命，需要頻繁地更換皮帶以達到連續(xù)工作的目的。另外皮帶在工作過程中的打滑也降低了傳動的精確度，因此只能應用于對速度控制要求不高的情況。日本學者廣瀨聡等[3]指出采用皮帶式CVT的前輪驅動車銷售正在日本國內(nèi)，以及北美、亞洲等市場逐漸擴大份額。阮天林[4]指出在早期摩托車踏板車中，由于結構限制，最常采用齒形皮帶無級變速器，這種V形皮帶又稱同步帶。重慶大學任大鵬等[5]研究了這種摩托車V形皮帶式無級變速器的力學分析模型，并給出了傳動效率的改進方法。

（2）金屬帶式CVT。金屬型帶CVT是目前在汽車上應用最多的一種無級變速器，與皮帶CVT相比，它有更大的傳動能力，效率比皮帶式CVT略高。這條金屬帶一般又稱壓力鋼帶，專利來自德國博世公司。在博世第一代壓力鋼帶問世前，金屬帶如何解決變軌帶來的擠壓力作用下的打滑現(xiàn)象是一大難點，但博世采用推力單元和多層金屬環(huán)的組合很好的解決了這樣的難題，博世鋼帶的局部構造以及橫截面如圖1。目前，博世已經(jīng)研發(fā)和生產(chǎn)出24/6、24/9、24/12以及30/10四種型號鋼帶。當然，國內(nèi)外學者對于金屬帶式CVT本身的相關研究發(fā)展也十分重視。在傳動效率上，BONSEN等[6]采用實驗方法對金屬帶式CVT的夾緊力進行了研究，并從滑移率角度分析提出了夾緊力控制的策略。國內(nèi)東北大學程乃士教授以及吉林大學張伯英教授等對金屬帶式CVT的液壓控制原理以及液壓系統(tǒng)的模型進行了研究。王紅巖等[7]對金屬帶式CVT的液壓控制系統(tǒng)的結構進行了分析，構建整車動力傳動系統(tǒng)模型?；谙嚓P領域學者的成果，日本的加特可（Jatco）企業(yè)以及愛信派系等專門生產(chǎn)變速箱的企業(yè)都在將CVT技術不斷革新，同時變速器的更新?lián)Q代也隨之而來。日系的天籟，奇駿，歐藍德等車系采用了CVT7，CVT8等新型金屬帶式CVT變速箱。

圖1?鋼帶的局部構造以及橫截面

（3）金屬鏈式CVT。鏈式CVT與帶式CVT結構原理基本相同，區(qū)別在于傳統(tǒng)的帶型被嚙合鏈條取代。帶式CVT在進行扭矩的傳遞時，需要依靠推力單元之間的推力。對于鋼鏈式CVT來說，需要依靠拉力來對扭矩進行傳遞。帶式CVT是由金屬層層疊加到一塊的，因此每一層金屬半徑會產(chǎn)生細小的差別，因此金屬帶之間的蠕動就會產(chǎn)生。但是，鏈式CVT由于其自身結構的特性，可以解決這個問題，自然也能夠傳遞更大的扭矩。最早金屬鏈式的產(chǎn)生，在于博世對CVT核心技術的封鎖，所以奧迪聯(lián)合舍弗勒公司就想到用鏈條式的鋼帶作為錐盤間的傳動裝置。德國GCI公司則設計出了一款銷軸不等長的CVT鏈條，即采用兩款不同的銷軸進行摩擦動力傳遞，這種傳遞方式在只有滾動以及靜態(tài)接觸，不會產(chǎn)生相對滑動，銷軸根據(jù)鏈條的運動通過滾動改變接觸位置。Neumann等[8]對鏈式無級變速器中的鏈片和滾銷的幾何形狀進行優(yōu)化，以降低運動過程中的噪聲，并建立了鏈式無級變速的動力學模型。馮增銘等[9]將與鏈板接觸的滾銷輪輪廓型線優(yōu)化成漸開線，并利用心形線改進了銷軸對滾型線，開發(fā)了一款新型滾銷鏈式CVT傳動系統(tǒng)。目前，豐田、雷克薩斯等品牌的混動車型也都有采用鏈式CVT變速箱。

（4）活齒式CVT（HNCVT）。在新型CVT的研制方面，北京維艾迪公司所研發(fā)的HNCVT獨居特色，該變速箱的實驗機搭載在東風猛士上，能夠承受猛士550Nm的高扭矩。與前文提到的幾類CVT相比，HNCVT無疑在承受扭矩輸入上占據(jù)明顯優(yōu)勢?；铨XCVT變速箱在兩個錐輪間增加幾組活齒單元，如圖2。當主、從動輪旋轉時，活齒單元上的齒片在離心力作用下甩出從而與帶有齒形鋼帶實現(xiàn)嚙合傳動。由于齒片是自由活動的，所以仍然可以實現(xiàn)無級變速。另一方面，HNCVT采用電機控制錐輪，而傳統(tǒng)CVT通過液壓系統(tǒng)操縱，所以在重量、成本以及零部件的數(shù)量上HNCVT也更具有優(yōu)勢。但HNCVT也有一定缺陷，活齒變速箱能夠承受高扭矩在于采用了嚙合傳動，而能夠承受多高的扭矩則取決于活齒片的厚度和寬度。這就意味著提高承受扭矩的同時變速箱的體積也會隨之增長。這對于乘用車市場在車輛空間利用上力求最大化乘坐空間，留給動力總成的越來越少的現(xiàn)象來說是一個需要取舍的難題。

圖2?HNCVT局部結構

三、結語

我國在自主研發(fā)變速器領域起步較晚，但近年來仍取得不少的研究成果，相較于國外仍有一定差距，應當進一步加大投入力度，加快研究進展。無級變速器與在汽車自動變速器領域大熱的AT、DCT等中相對處在小眾化的地步。日本、德國等國外車企在CVT領域仍走在前列，但國內(nèi)維艾迪等汽車科技公司也能夠自主研發(fā)新型CVT技術，盡管HNCVT體積大等劣勢存在，但可以從活齒片本身的材料等方面考慮進一步提高抗扭矩的能力?？傮w上，我國目前無級變速器的發(fā)展仍處在緩步提升階段，而無級變速技術本身相信在進一步的研究發(fā)展中能夠投入應用到各個領域中。

參考文獻：

[1]周有強，崔學良，董志峰.機械無級變速器發(fā)展概述[J].機械傳動，2005，29（1）：65-68.

[2]邢偉.機械式無級變速器技術綜述[J].科技尚品，2017，（5）：176.

[3]廣瀨聡，茂木靖裕，彭惠民，等.先進的無級變速器技術[J].國外內(nèi)燃機，2016，48（3）：20-25.

[4]阮天林.淺談無級變速傳動機構的檢修（1）[J].摩托車技術，2012，（3）：73-76.

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[7]王紅巖，秦大同，周云山，等.汽車無級變速傳動系統(tǒng)綜合控制的研究[J].機械工程學報，2000，036（002）：38-41.

[8]Neumann?L，Ulbrich?H，Pfeiffer，F(xiàn).Optimierung?der?dynamik?einer?CVT-kette;Optimisation?of?the?dynamics?of?a?CVT-Chain[J].VDI?Berichte，2005：269-285.

[9]馮增銘，浦前帥，程亞兵，李俊龍，羅彥茹，劉廣武，常奇志.一種無級變速用滾銷鏈[P].吉林：CN102635667A，2012-08-15.