汽車(chē)無(wú)級(jí)變速器（CVT）發(fā)展及趨勢(shì)

閆忠良

摘 要：隨著人們對(duì)汽車(chē)油耗及駕駛舒適性的要求日漸提升，無(wú)級(jí)變速器（CVT）被越來(lái)越多的應(yīng)用于乘用車(chē)。文章簡(jiǎn)述了無(wú)級(jí)變速技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用及無(wú)級(jí)變速器的基本結(jié)構(gòu)和變速原理，并結(jié)合表性的乘用車(chē)用金屬帶式CVT介紹了CVT新技術(shù)的發(fā)展，最后對(duì)闡述未來(lái)無(wú)級(jí)變速技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：汽車(chē);CVT;發(fā)展

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 概述

自第一輛三輪汽車(chē)問(wèn)世到如今汽車(chē)工業(yè)的蓬勃發(fā)展，內(nèi)燃機(jī)都是主要的汽車(chē)動(dòng)力源。但內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速變速范圍有限，并且難以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力中斷及反向輸出等要求。為了彌補(bǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)的不足，使其能夠配合車(chē)輛的復(fù)雜工況進(jìn)行有效的動(dòng)力輸出，并兼顧駕駛性、燃油經(jīng)濟(jì)性等要求，變速器隨之而生。汽車(chē)的發(fā)展史也即是變速器的發(fā)展史[1]。常用的汽車(chē)變速器，按其操縱方式可分為手動(dòng)變速器（MT）和自動(dòng)變速器（包括AMT、AT、DCT、CVT等）。無(wú)論是MT，還是自AMT、AT以及DCT，其變速比都是有級(jí)的。無(wú)法提供更多速比選擇使發(fā)動(dòng)機(jī)更大范圍地工作在高效區(qū)間;增加擋位數(shù)又會(huì)使結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，增加成本。

無(wú)級(jí)變速器CVT（Continuously Variable Transmission），可以實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)速比的實(shí)時(shí)、連續(xù)變化，使汽車(chē)行駛工況與發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性實(shí)現(xiàn)最優(yōu)匹配，提升整車(chē)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放水平等，是一種理想的變速傳動(dòng)裝置[2]。目前乘用車(chē)上已經(jīng)使用，有帶傳動(dòng)和牽引傳動(dòng)兩種型式的無(wú)級(jí)變速器[3]。

1 結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 金屬帶CVT的基本結(jié)構(gòu)

現(xiàn)在乘用汽車(chē)以金屬帶式CVT為主。相較于AT，CVT沒(méi)有過(guò)多復(fù)雜的行星齒輪機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。以Jatco CVT8為例，其機(jī)械部分如圖1所示。主要由液力變矩器、換擋機(jī)構(gòu)、無(wú)級(jí)變速機(jī)構(gòu)、減速機(jī)構(gòu)和集成的差速器組成。其控制系統(tǒng)主要由電子控單元和液壓控制單元等組成，通過(guò)調(diào)節(jié)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的油壓實(shí)現(xiàn)前后進(jìn)換擋和無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)等。

早期的帶式CVT使用的是V形橡膠帶，兩端的錐形帶輪組夾緊V形橡膠帶進(jìn)行傳動(dòng)，但是橡膠帶所能傳遞的扭矩較小、能量損失較大且存在耐久性等問(wèn)題[4]。20世紀(jì)70年代中后期，荷蘭VDT公司研制出利用金屬帶進(jìn)行傳動(dòng)的新型無(wú)級(jí)變速器，開(kāi)啟了金屬帶式CVT應(yīng)用于汽車(chē)的新篇章。經(jīng)各國(guó)多個(gè)廠家在同類(lèi)轎車(chē)上對(duì)比夜里機(jī)械式變速器（AT），CVT在燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、排放和傳動(dòng)效率應(yīng)急使用成本等方面由于AT[5]。憑借良好的燃油經(jīng)濟(jì)性和優(yōu)越的舒適性等優(yōu)勢(shì)，金屬帶式CVT也逐漸被越來(lái)越多應(yīng)用于乘用汽車(chē)。

如圖2所示，金屬帶式CVT的核心部件包括：主動(dòng)輪組、從動(dòng)輪組以及被帶輪夾持的金屬帶。帶輪為錐面，兩側(cè)的帶輪錐面一般為22°夾角。主動(dòng)帶輪和從動(dòng)帶輪在徑向位置上固定，在軸向位置上一側(cè)固定。其目的是保證在變速過(guò)程中金屬帶僅在徑向位上相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而不在軸向位置上發(fā)生相對(duì)位移，有效地傳遞動(dòng)力并實(shí)現(xiàn)靈活變速。金屬帶有數(shù)百枚金屬塊和兩組柔性金屬環(huán)組成。金屬塊側(cè)面與帶輪錐面接觸，在兩側(cè)帶輪的擠壓作用下依靠摩擦力實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞。

1.2 無(wú)級(jí)變速的基本原理

如前所述，金屬塊可以產(chǎn)生相對(duì)于帶輪的徑向位移。調(diào)節(jié)帶輪組的油缸壓力，可以改變帶輪組錐面之間的相對(duì)寬度進(jìn)而改變金屬塊與錐面的接觸位置，即改變傳動(dòng)半徑。同時(shí)調(diào)節(jié)主從帶輪油缸壓力即可以實(shí)現(xiàn)主從帶動(dòng)輪傳動(dòng)半徑也即速比的連續(xù)變化。變速原理如圖3所示。

車(chē)輛在行駛過(guò)程中，根據(jù)工況需要實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)帶輪油缸壓力即可實(shí)時(shí)改變速比。由于變速是連續(xù)的，不存在動(dòng)力中斷，故而可以提高行駛時(shí)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。相對(duì)于有級(jí)式變速器，連續(xù)變速也可以避免因速比跳變帶來(lái)的沖擊進(jìn)而提高舒適性。同時(shí)，CVT的連續(xù)變速能力還使其具有固定速比模擬手動(dòng)及AT的優(yōu)勢(shì)。

2 CVT技術(shù)的研究與創(chuàng)新

2.1 Jatco CVT7

Jatco CVT7是世界上首臺(tái)采用副變速技術(shù)的無(wú)級(jí)變速器。即在帶輪組變速的基礎(chǔ)上創(chuàng)造性的增加一組兩級(jí)變速的行星齒輪機(jī)構(gòu)，將無(wú)級(jí)變速同有級(jí)變速相結(jié)合。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。副變速機(jī)構(gòu)不僅可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)后退等換擋功能，還可以擴(kuò)大速比范圍。副變速1速速比為1.821，2速速比為1，CVT的總速比為7.3，扭矩容量為180 Nm。如圖5所示，車(chē)輛行駛過(guò)程中根據(jù)油門(mén)開(kāi)度和車(chē)速?zèng)Q定目標(biāo)轉(zhuǎn)速以及副變速的擋位。速比范圍的擴(kuò)大為發(fā)動(dòng)機(jī)工作在高效區(qū)間提供了更多可能;同時(shí)能夠減小帶輪尺寸并縮小輪間距，進(jìn)一步降低自重并優(yōu)化結(jié)構(gòu)降低動(dòng)力損失，提升動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性等。Jatco CVT7的拓展型Jatco CVT7W/R的最大速比可達(dá)8.7。

2.2 豐田Direct Shift-CVT

豐田汽車(chē)全球首創(chuàng)齒輪直驅(qū)式CVT（Direct Shift-CVT）。該變速箱速比7.5，扭矩容量215 Nm，相較于其現(xiàn)有CVT燃油經(jīng)濟(jì)性可提升6%。不同于Jatco CVT7的無(wú)級(jí)變速機(jī)

構(gòu)和齒輪變速機(jī)構(gòu)的串聯(lián)，其創(chuàng)新之處在于實(shí)現(xiàn)了兩者的并聯(lián)。該CVT有兩條動(dòng)力傳遞路線(xiàn)：齒輪傳動(dòng)和帶輪傳動(dòng)，二者相互協(xié)調(diào)工作。起步加速和低速時(shí)，通過(guò)齒輪傳動(dòng)可以提高車(chē)輛的動(dòng)力響應(yīng)并獲得較高的傳動(dòng)效率;中高車(chē)速時(shí)，通過(guò)帶輪傳動(dòng)獲得良好的行駛平順性和

穩(wěn)定性。齒輪傳動(dòng)的加入降低了帶輪的負(fù)荷并一定程度上提升了傳動(dòng)效率。

2.3 混合動(dòng)力CVT

隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展、能源形勢(shì)的變化以及環(huán)保等法律法規(guī)的要求?；旌蟿?dòng)力、電動(dòng)化已經(jīng)成為必經(jīng)之路。作為CVT而言，電機(jī)的介入使CVT在給予車(chē)輛行駛平順新的同時(shí)獲得更快的油門(mén)響應(yīng)，并提高能源利用效率和整車(chē)自動(dòng)化水平。例如，JATCO在其原有的Jatco CVT8的基礎(chǔ)上推出Jatco CVT8 HYBRID。電動(dòng)機(jī)代替原有的液力變矩器，并采用兩組離合器實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的分配與傳遞。

3 CVT的發(fā)展趨勢(shì)

金屬帶式CVT自被發(fā)明和應(yīng)用于汽車(chē)以來(lái)，對(duì)其的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與探索也在不斷進(jìn)行。如最大可傳動(dòng)900 Nm的雙金屬帶CVT的研究探索，可滿(mǎn)足城市客車(chē)及卡車(chē)的扭矩需求。作為一種可連續(xù)變速的理想變速裝置，CVT也存在著不足：通過(guò)摩擦傳遞動(dòng)力，傳遞效率還有待提高且仍受限于發(fā)動(dòng)力扭矩;變速動(dòng)力響應(yīng)存在一定滯后;價(jià)格較高等。但其所具有的優(yōu)勢(shì)在今后仍具有較大市場(chǎng)和研究?jī)r(jià)值。未來(lái)的CVT技術(shù)研究和發(fā)展呈現(xiàn)以下趨勢(shì)：

（1）材料革新，提高傳動(dòng)效率和增加CVT使用壽命。（2）結(jié)構(gòu)形式創(chuàng)新，增大變速范圍及扭矩容量。（3）精確化電子控制，提升CVT響應(yīng)速度。（4）小型化和輕量化，適配輕小型汽車(chē)。（5）進(jìn)一步推進(jìn)混合動(dòng)力及電動(dòng)化。

隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，CVT技術(shù)也將不斷地革新。CVT變速器也將更多地適用于乘用汽車(chē)，為更多人所了解和接收。

參考文獻(xiàn)：

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