配備起動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)的寬速比無(wú)級(jí)變速器

瀬尾隆 谷中悟史 友松大輔 深尾光博 大槻武

無(wú)級(jí)變速器（CVT）正在逐漸成為改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的1項(xiàng)重要技術(shù)，同時(shí)也可有效降低汽車的CO2排放。介紹了豐田汽車公司與日本愛信精機(jī)株式會(huì)社聯(lián)合開發(fā)的新款CVT及相關(guān)技術(shù)。該款CVT采用傳統(tǒng)的鋼帶結(jié)構(gòu)，且增設(shè)了獨(dú)特的起動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)，并圍繞降低燃油耗、提高駕駛性能、實(shí)現(xiàn)輕量化等目標(biāo)，引進(jìn)了諸多新技術(shù)，從而使新款CVT具有換檔平順，速比范圍寬廣的特點(diǎn)。由此，發(fā)動(dòng)機(jī)可在任何車速下均以最高效率運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)也使車輛的起步、加速及駕駛性能得到改善。

無(wú)級(jí)變速器;起動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu);駕駛性能;燃油經(jīng)濟(jì)性

0 前言

近年來(lái)，世界各國(guó)針對(duì)環(huán)保領(lǐng)域提出了進(jìn)一步要求。在汽車工業(yè)領(lǐng)域，降低CO2排放已成為重要課題。豐田汽車公司提出到2050年，應(yīng)使上市新車的CO2排放量減少90%，并已開始致力于該項(xiàng)課題的研究工作。豐田方面制定的規(guī)劃是到2030年，使新車銷售量的10%以上為純電動(dòng)汽車（EV）及燃料電池汽車（FCV）（圖1）。根據(jù)目前現(xiàn)狀，到2030年，仍將有90%的汽車以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力裝置，所以研究人員需要通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及變速器技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)開發(fā)，以降低CO2排放。在該背景條件下，豐田汽車公司與日本愛信精機(jī)株式會(huì)社于2012年起聯(lián)合開展了針對(duì)新型無(wú)級(jí)變速器（CVT）的開發(fā)工作。

1 開發(fā)理念

此次推出的新型CVT可與1.5 L及2.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行匹配使用。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)推廣普及，研究人員針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排量為2.0 L以下的車型設(shè)定了如下開發(fā)目標(biāo)：

（1）通過(guò)擴(kuò)大變速比范圍并實(shí)現(xiàn)高效化，改善燃油經(jīng)濟(jì)性;

（2）通過(guò)兼顧C(jī)VT換檔平順性及加速感，提高駕駛性能;

（3）通過(guò)使CVT部件實(shí)現(xiàn)小型化及輕量化，降低整車質(zhì)量，并提高其匹配性能。

為滿足各類車型的性能需求，研究人員針對(duì)1.5 L與2.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)了新型部件。研究人員在開發(fā)不同的部件時(shí)，應(yīng)使變速器換檔閥閥體實(shí)現(xiàn)通用化，并使CVT基本結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一化。由此不僅能提高開發(fā)效率，而且通過(guò)對(duì)機(jī)型系列的整合，成功減少了零部件種類。另一方面，研究人員為使轉(zhuǎn)軸及齒輪等動(dòng)力傳動(dòng)零件與自身扭矩需求相匹配，進(jìn)行了最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 開發(fā)技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)開發(fā)目標(biāo)，研究人員不僅采用了與傳統(tǒng)CVT相同的鋼帶進(jìn)行動(dòng)力傳動(dòng)，而且為其配備了全新的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可使車輛在起步及加速時(shí)具有較高的動(dòng)力性能（如圖2、圖3和表1所示）。圖4示出了在各種行駛模式下的新型CVT的傳動(dòng)狀態(tài)示意圖。齒輪機(jī)構(gòu)與皮帶的動(dòng)力傳動(dòng)路線的切換，是利用C1、C2 這2款濕式離合器的接合與分離而實(shí)現(xiàn)的，研究人員為此引進(jìn)了源于自動(dòng)變速器（AT）的高速響應(yīng)控制模式。在駕駛?cè)藛T輕踩加速踏板時(shí)，可實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)CVT同樣的平順加速過(guò)程。在駕駛?cè)藛T用力踩下加速踏板時(shí)，可使整車具有更迅捷的加速體驗(yàn)。

2.1 改善燃油耗的技術(shù)

新型CVT相比傳統(tǒng)CVT，扭矩?fù)p失降低了34%（圖5）。由此使系統(tǒng)效率提高了5%，整車燃油經(jīng)濟(jì)性提升了6%（在北美行駛工況及歐洲共同體行駛工況下）。本節(jié)重點(diǎn)介紹降低CVT能量損失的相關(guān)技術(shù)。

2.1.1 擴(kuò)大變速器速比范圍

與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似，在擴(kuò)大變速器速比范圍的同時(shí)，皮帶傳動(dòng)效率將會(huì)有所降低。因此，研究人員應(yīng)逐步擴(kuò)大傳統(tǒng)型CVT的速比范圍，并兼顧駕駛性能與燃油經(jīng)濟(jì)性。為解決上述問題，研究人員為新款CVT的低速檔側(cè)增加了齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。在車輛剛起步時(shí)，由于變速器利用具有較高傳動(dòng)效率的齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，為此具有強(qiáng)勁的動(dòng)力性能，并能實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。由于駕駛?cè)藛T會(huì)將皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的速比向高速檔側(cè)轉(zhuǎn)換，因此車輛可以在皮帶傳動(dòng)效率較高的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)高速、高效的行駛過(guò)程，并具有寬廣的速比范圍（圖6）。隨著帶輪的高剛度化，皮帶在傳遞動(dòng)力時(shí)出現(xiàn)的徑向下沉量減小了，有效改善了皮帶傳動(dòng)效率。

2.1.2 附加軸雙排油口葉輪式油泵

機(jī)油泵采用了如圖7所示的雙排油口葉輪式油泵。按照行駛條件，研究人員將2個(gè)排油口分別設(shè)為高壓排油口與低壓排油口，以此降低了驅(qū)動(dòng)油泵的能量。而且，由于采用了容積效率較高的葉輪式油泵，從而大幅提高了油泵工作效率。此外，由于研究人員在發(fā)動(dòng)機(jī)的附加軸上配裝了油泵，除了能使油泵實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行之外，也為CVT本體的小型化及輕量化作出了貢獻(xiàn)。

2.1.3 起動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)與同步齒輪機(jī)構(gòu)

為拓寬速比范圍并提高傳動(dòng)效率，研究人員為系統(tǒng)增設(shè)了起動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)（圖8）。研究人員考慮到車輛在高速行駛時(shí)，由于前進(jìn)及倒車的摩擦部件及行星齒輪的高速差動(dòng)會(huì)導(dǎo)致能量損失，因此為用于起動(dòng)的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)配備了同步機(jī)構(gòu)。由此，除了皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的變速效果外，在中等車速以上的工況區(qū)域，研究人員應(yīng)借助于換檔撥叉等機(jī)構(gòu)，以避免傳動(dòng)效率降低。

2.2 提高駕駛性能的技術(shù)

為了兼顧駕駛性能與燃油經(jīng)濟(jì)性，研究人員根據(jù)加速踏板開度，將工況分為以下3個(gè)區(qū)域：車速控制區(qū)域、加速感受區(qū)域及動(dòng)力性能區(qū)域，以此開發(fā)出最佳的控制方式。本節(jié)將介紹不同工況區(qū)域所要求的開發(fā)目標(biāo)。

2.2.1 車速控制區(qū)域

該區(qū)域主要為車輛在市區(qū)道路及高速公路上恒速行駛時(shí)的工況區(qū)（圖9）。研究人員力求兼顧車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性與車速控制性能。由于在車輛起步時(shí)，駕駛?cè)藛T通常會(huì)將CVT傳動(dòng)方式由齒輪傳動(dòng)調(diào)整為皮帶傳動(dòng)，該過(guò)程能與傳統(tǒng)CVT充分實(shí)現(xiàn)匹配，并可使發(fā)動(dòng)機(jī)在高效區(qū)域運(yùn)作。研究人員可通過(guò)調(diào)整離合器的變速控制方式、CVT變速控制方式、鎖止式控制方式及發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩控制方式，使駕駛?cè)藛T感覺不到明顯的齒輪運(yùn)作過(guò)程，充分兼顧了平順的變速過(guò)程與優(yōu)良的燃油經(jīng)濟(jì)性。此外，研究人員為提高車輛在恒速行駛區(qū)的行駛性能，將各車速下的驅(qū)動(dòng)力控制特性設(shè)定為線性，以此提高了車速控制性能。當(dāng)車輛處于制動(dòng)工況時(shí)，研究人員通過(guò)設(shè)定，可使變速器由皮帶傳動(dòng)向齒輪傳動(dòng)切換。此時(shí)，研究人員可根據(jù)減速度而精確地控制離合器液壓系統(tǒng)，使離合器處于半分離狀態(tài)，力求緩解由于傳動(dòng)方式切換而導(dǎo)致的車輛重心垂向位移現(xiàn)象。結(jié)果表明，通過(guò)上述方式，可使整車制動(dòng)感受更為平順。

2.2.2 加速感受區(qū)域

該區(qū)域是車輛在起動(dòng)及超車加速時(shí)所使用的工況區(qū)（圖10）。為了優(yōu)化駕駛?cè)藛T的駕駛體驗(yàn)，并使整車具有線性的加速感，研究人員充分運(yùn)用了新型CVT的高效齒輪傳動(dòng)特性及新型發(fā)動(dòng)機(jī)的出色扭矩特性。為加快C1、C2離合器的接合及轉(zhuǎn)換速度，并使變速過(guò)程更為順暢、平滑，研究人員應(yīng)充分重視加速時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與車輛重心位置的關(guān)系。研究人員應(yīng)根據(jù)車輛加速度，以調(diào)整CVT變速控制方式及發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩控制方式，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的上升率處于最佳狀態(tài)。即使CVT處于變速過(guò)程中，也能使其實(shí)現(xiàn)線性的快速升檔過(guò)程。同時(shí)，上述特性應(yīng)符合市區(qū)道路高速行駛過(guò)程中的加減速及恒速行駛等工況。

2.2.3 動(dòng)力性能區(qū)域

該區(qū)域是駕駛?cè)藛T踩下加速踏板時(shí)所處于的工況區(qū)（圖11）。為滿足駕駛員的加速需求，應(yīng)使其具有較高的響應(yīng)性及強(qiáng)勁的加速性能。首先，在加速過(guò)程中，變速器會(huì)從皮帶傳動(dòng)快速地向齒輪傳動(dòng)進(jìn)行切換。研究人員根據(jù)CVT的速比，設(shè)定了分離側(cè)C2離合器的液壓參數(shù)，按照任何1個(gè)速比進(jìn)行調(diào)整，均會(huì)使分離側(cè)C2離合器的油壓斜率有所降低。此外，在變速過(guò)程結(jié)束前，研究人員可通過(guò)改善離合器分離側(cè)的液壓效果，以緩解變速結(jié)束時(shí)產(chǎn)生的沖擊，力求兼顧響應(yīng)性與平順性。當(dāng)車輛在以中等負(fù)荷工況行駛時(shí)，變速器皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)會(huì)出現(xiàn)速比大幅變化的降檔過(guò)程。由于采用了窄角皮帶并實(shí)現(xiàn)了帶輪的小型化及輕量化，加速響應(yīng)性得以顯著提高。由于可動(dòng)帶輪的軸向行程有所減小，為此提高了傳動(dòng)帶變速的幅度。此外，由于能降低變速過(guò)程中的慣性力矩，一方面抑制了加速滯后現(xiàn)象，一方面也能提高變速速度。

除了提高車輛在上述自動(dòng)變速模式下的駕駛性能之外，為了進(jìn)一步提升整車性能，研究人員將手動(dòng)換檔模式設(shè)定為10檔，提升了換檔操作過(guò)程的平順性。相比傳統(tǒng)變速器，該款CVT進(jìn)一步提升了變速器的換檔速度，也進(jìn)一步改善了駕駛?cè)藛T的駕駛樂趣，其可通過(guò)調(diào)整傳動(dòng)帶變速控制與發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩控制而實(shí)現(xiàn)。此外，研究人員對(duì)測(cè)量?jī)x表進(jìn)行了技術(shù)改良，使其在控制過(guò)程中并未出現(xiàn)明顯滯后的現(xiàn)象，同時(shí)使駕駛?cè)藛T具有良好的駕駛感受。在硬件、軟件兩方面的技術(shù)開發(fā)過(guò)程中，研究人員通過(guò)實(shí)施兼容性開發(fā)，從而打造出具有較高商業(yè)價(jià)值的新款車型。

2.3 小型輕量化技術(shù)

研究人員根據(jù)新型CVT的技術(shù)特點(diǎn)，為其增加了齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等全新的技術(shù)部件，并通過(guò)技術(shù)調(diào)整使其適用于1.5 L、2.0 L等不同機(jī)型，下文將重點(diǎn)介紹CVT小型輕量化技術(shù)。

2.3.1 采用窄角傳動(dòng)帶輪與帶輪的小型化

由于研究人員將傳動(dòng)帶的傾斜角度由原來(lái)的11 °縮小到9 °，壓縮了可動(dòng)帶輪的軸向行程量（圖12）。因此，不僅縮短了CVT部件的全長(zhǎng)，并成功地實(shí)現(xiàn)了輕量化，同時(shí)使變速速度提高了20%，為提高駕駛性能作出了重要貢獻(xiàn)。此外，在起步及加速等對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩要求較高的工況區(qū)域，由于變速器通過(guò)起動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)傳遞扭矩，以此能減輕系統(tǒng)向傳動(dòng)帶及帶輪施加的負(fù)荷。研究結(jié)果表明，2.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)所采用的CVT，能使皮帶傳動(dòng)部件的寬度從30 mm減少到24 mm（圖13）。

2.3.2 CVT殼體的薄壁化與換擋閥閥體保護(hù)罩的樹脂化

研究人員通過(guò)有限元法（FEM）分析得出了CVT的形狀，從而對(duì)加強(qiáng)筋布置進(jìn)行了最優(yōu)化處理，與2.0 L發(fā)動(dòng)機(jī)相匹配的CVT殼體的最薄部位由3.2 mm減至2.2 mm;與1.5 L發(fā)動(dòng)機(jī)相匹配的CVT殼體的最薄部位由3.0 mm減至1.8 mm，成功地實(shí)現(xiàn)了CVT部件的輕量化。此外，研究人員將以往布置于CVT下方的換檔閥閥門調(diào)整到CVT的前方。由此，可將現(xiàn)有的鋼制防護(hù)罩改為樹脂材質(zhì)，而且由于部件的低配置化，也有利于實(shí)現(xiàn)車輛的低重心化。

3 目前的應(yīng)用情況與發(fā)展前景

該款新型CVT已配裝在于2018年7月正式上市銷售的Coralla艙背式乘用車上，并已投放至北美市場(chǎng)。近期，該款CVT已陸續(xù)配裝在IZOA/C-HR車型及RAV4車型上，有效兼顧了強(qiáng)勁的動(dòng)力性能與優(yōu)越的燃油經(jīng)濟(jì)性，以此贏得了用戶的好評(píng)。今后，該款CVT將會(huì)被推廣至全球市場(chǎng)，以此改善環(huán)保性能，并實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)的小型化與輕量化，同時(shí)進(jìn)一步降低整車燃油耗。

[1]D.Niii：Development of New Continuously Variable Transmission for 2.0-Liter Class Vehicles. SAE Technical Paper 2018-01-1062.

[2]友松大輔ぼか：新2.0L用