CVT-無級變速箱知識(shí)

                                                      CVT技術(shù)的發(fā)展概況
 
    CVT技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)有了一百多年的歷史。德國奔馳公司是在汽車上采用CVT技術(shù)的鼻祖，早在1886年就將V型橡膠帶式CVT安裝在該公司生產(chǎn)的汽油機(jī)汽車上。1958年，荷蘭的DAF公司H.Van Doorne博士研制成功了名為Variomatic的雙V型橡膠帶式CVT，并裝備于DAF公司制造的Daffodil轎車上，其銷量超過了100萬輛。但是由于橡膠帶式CVT存在一系列的缺陷：功率有限(轉(zhuǎn)矩局限于135Nm以下)，離合器工作不穩(wěn)定，液壓泵、傳動(dòng)帶和夾緊機(jī)構(gòu)的能量損失較大，因而沒有被汽車行業(yè)普遍接受。
    然而提高傳動(dòng)帶性能和CVT傳遞功率極限的研究一直在進(jìn)行，將液力變矩器集成到CVT系統(tǒng)中，主、從動(dòng)輪的夾緊力實(shí)現(xiàn)電子化控制，在CVT中采用節(jié)能泵，傳動(dòng)帶用金屬帶代替?zhèn)鹘y(tǒng)的橡膠帶。新的技術(shù)進(jìn)步克服了CVT系統(tǒng)原有的技術(shù)缺陷，導(dǎo)致了傳遞轉(zhuǎn)矩容量更大、性能更優(yōu)良的第二代CVT的面世。
    進(jìn)入20世紀(jì)90年代，汽車界對CVT技術(shù)的研究開發(fā)日益重視，特別是在微型車中，CVT被認(rèn)為是關(guān)鍵技術(shù)。全球科技的迅猛發(fā)展，使得新的電子技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)不斷被采用到CVT中。
    1997年上半年，日本日產(chǎn)公司開發(fā)了使用在2.0L汽車上的CVT。在此基礎(chǔ)上，日產(chǎn)公司在1998年開發(fā)了一種為中型轎車設(shè)計(jì)的包含一個(gè)手動(dòng)換檔模式的CVT。新型CVT采用一個(gè)最新研制的高強(qiáng)度寬鋼帶和一個(gè)高液壓控制系統(tǒng)。通過采用這些先進(jìn)的技術(shù)來獲得較大的轉(zhuǎn)矩能力，日產(chǎn)公司研究開發(fā)CVT的電子控制技術(shù)，傳動(dòng)比的改變實(shí)行全檔電子控制，汽車在下坡時(shí)可以一直根據(jù)車速控制發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)，而且在濕滑路面上能夠平順地增加速比來防止打滑。日產(chǎn)公司計(jì)劃將它的CVT的應(yīng)用范圍從1.0 L擴(kuò)大到3.0L的轎車。
    日本三菱公司已選擇了CVT平順無能量損失地傳遞直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力來驅(qū)動(dòng)汽車。V型帶/傳動(dòng)輪機(jī)構(gòu)可以保證在所有速率下發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力平順無間斷地傳遞。CVT根除了傳統(tǒng)的自動(dòng)變速器通過齒輪換檔時(shí)的打齒現(xiàn)象，從而獲得更滿意的響應(yīng)和控制。三菱公司準(zhǔn)備采用直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)(1.5L或更小)與CVT組合。
    日本富士重工同時(shí)擁有15年開發(fā)CVT的經(jīng)驗(yàn)。1997年5月，富士重工將它的Vistro微型車裝配了全計(jì)算機(jī)控制式E-CVT(含有六檔手動(dòng)換檔模式的CVT)。駕駛員無須操作離合器就可以進(jìn)行六檔變速。富士重工在Pleo微型車上采用一種有鎖止式變矩器的電控式CVT、通過小范圍鎖止可以使液力變矩器的滑動(dòng)保持在最小值，行星齒輪用來切換前進(jìn)檔/倒退檔。傳動(dòng)比范圍從1：10-5.5：1。
    1999年上半年，美國的福特公司和德國ZF公司合作為福特公司的轎車和輕型載貨車生產(chǎn)CVT。在巴達(dá)維亞和俄亥俄州新建的合資企業(yè)將從2001年生產(chǎn)為福特公司設(shè)計(jì)的、帶有電子管理功能的CFT23型CVT。ZF公司設(shè)計(jì)的CVT是一種變矩器式變速器，使用為安裝橫向發(fā)動(dòng)機(jī)前輪驅(qū)動(dòng)汽車生產(chǎn)的鋼帶。ZF公司也能為安裝縱向發(fā)動(dòng)機(jī)的前輪驅(qū)動(dòng)汽車和后輪驅(qū)動(dòng)汽車生產(chǎn)CVT系列。ZF公司稱：與四檔自動(dòng)變速器相比，CVT系統(tǒng)能夠?qū)⒓铀傩阅芴岣?0%，燃油經(jīng)濟(jì)性提高10%-15%。與鎖止式變矩器相比，CVT系統(tǒng)在不漏油的前提下效率更高。福特公司正在設(shè)計(jì)一種與公司內(nèi)所有輕型載貨車匹配的牽引驅(qū)動(dòng)CVT，包括后輪驅(qū)動(dòng)和全輪驅(qū)動(dòng)載貨車。牽引驅(qū)動(dòng)使用沿特殊滑液的可移動(dòng)滑件代替?zhèn)鲃?dòng)帶和傳動(dòng)輪。滑動(dòng)部分的相對位置決定傳動(dòng)比，由一層部件間非常薄的液油來傳遞動(dòng)力。
    德國ZF公司從1999年中期開始為Rover 216型汽車提供鋼帶驅(qū)動(dòng)的VT1型CVT。這種CVT包括螺旋齒輪或變速器、合適的液壓系統(tǒng)、濕式離合器。在系統(tǒng)中集成的ECU可以允許機(jī)械、液力和電子系統(tǒng)進(jìn)一步組合，這就更好地利用了各種系統(tǒng)的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。
    德國博世的電子式CVT控制系統(tǒng)是基于用傳感器和執(zhí)行器單元控制基礎(chǔ)上的電子/液力模塊。博世公司已經(jīng)將獨(dú)立部件、執(zhí)行器、傳感器和變速器換檔ECU組成一個(gè)單獨(dú)的模塊，變速器制造商只需增加一個(gè)集成控制單元。
 

                                                 CVT的工作原理
 
    CVT的主要結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1所示，該系統(tǒng)主要包括主動(dòng)輪組、從動(dòng)輪組、金屬帶和液壓泵等基本部件。金屬帶由兩束金屬環(huán)和幾百個(gè)金屬片構(gòu)成。主動(dòng)輪組和從動(dòng)輪組都由可動(dòng)盤和固定盤組成，與油缸靠近的一側(cè)帶輪可以在軸上滑動(dòng)，另一側(cè)則固定。可動(dòng)盤與固定盤都是錐面結(jié)構(gòu)，它們的錐面形成V型槽來與V型金屬傳動(dòng)帶嚙合。發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸輸出的動(dòng)力首先傳遞到CVT的主動(dòng)輪，然后通過V型傳動(dòng)帶傳遞到從動(dòng)輪，最后經(jīng)減速器、差速器傳遞給車輪來驅(qū)動(dòng)汽車。工作時(shí)通過主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的可動(dòng)盤作軸向移動(dòng)來改變主動(dòng)輪、從動(dòng)輪錐面與V型傳動(dòng)帶嚙合的工作半徑，從而改變傳動(dòng)比。可動(dòng)盤的軸向移動(dòng)量是由駕駛者根據(jù)需要通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)主動(dòng)輪、從動(dòng)輪液壓泵油缸壓力來實(shí)現(xiàn)的。由于主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的工作半徑可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)了無級變速。

    在金屬帶式無級變速器的液壓系統(tǒng)中，從動(dòng)油缸的作用是控制金屬帶的張緊力，以保證來自發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力高效、可靠的傳遞。主動(dòng)油缸控制主動(dòng)錐輪的位置沿軸向移動(dòng)，在主動(dòng)輪組金屬帶沿V型槽移動(dòng)，由于金屬帶的長度不變，在從動(dòng)輪組上金屬帶沿V型槽向相反的方向變化。金屬帶在主動(dòng)輪組和從動(dòng)輪組上的回轉(zhuǎn)半徑發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)速比的連續(xù)變化。
    汽車開始起步時(shí)，主動(dòng)輪的工作半徑較小，變速器可以獲得較大的傳動(dòng)比，從而保證驅(qū)動(dòng)橋能夠有足夠的扭矩來保證汽車有較高的加速度。隨著車速的增加，主動(dòng)輪的工作半徑逐漸增大，從動(dòng)輪的工作半徑相應(yīng)減小，CVT的傳動(dòng)比下降，使得汽車能夠以更高的速度行駛。 
 

                                                              CVT的技術(shù)特性
 
　
 
    1.經(jīng)濟(jì)性
    CVT可以在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級變速，從而獲得傳動(dòng)系與發(fā)動(dòng)機(jī)工況的最佳匹配，提高整車的燃油經(jīng)濟(jì)性。德國的大眾公司在自己的Golf VR6轎車上分別安裝了4-AT和CVT進(jìn)行ECE市區(qū)循環(huán)和ECE郊區(qū)循環(huán)測試，證明CVT能夠有效節(jié)約燃油(如表1) 

表1 安裝4-AT和CVT的大眾公司的Golf VR6汽車的燃油消耗對比

試驗(yàn)油耗
 4-AT
 CVT
 
ECE市區(qū)循環(huán)，L/100km
 14.4
 13.2
 
ECE郊區(qū)/遠(yuǎn)程循環(huán)，L/100km
 10.8
 9.8
 
90km/h勻速，L/100km
 8.3
 7.0
 
120km/h，L/100km
 10.3
 9.2
 

    2.動(dòng)力性
    汽車的后備功率決定了汽車的爬坡能力和加速能力。汽車的后備功率愈大，汽車的動(dòng)力性愈好。由于CVT的無級變速特性，能夠獲得后備功率最大的傳動(dòng)比，所以CVT的動(dòng)力性能明顯優(yōu)于機(jī)械變速器(MT)和自動(dòng)變速器(AT)。表2為分別安裝4-AT和CVT的克萊斯勒的Voyager轎車的動(dòng)力性比較，安裝CVT的汽車擁有更佳的動(dòng)力性能。

表2 安裝4-AT和CVT的克來斯勒Voyager轎車動(dòng)力性對比

項(xiàng) 目
 4-AT
 CVT
 
加速時(shí)間(s)
 0-30km/h
 2.5
 2.5
 
0-100km/h
 13.2
 12.2
 

    3.排放
    CVT的速比工作范圍寬，能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)以最佳工況工作，從而改善了燃燒過程，降低了廢氣的排放量。ZF公司將自已生產(chǎn)的CVT裝車進(jìn)行測試，其廢氣排放量比安裝4-AT的汽車減少了大約10%。
    4.成本
    CVT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，零部件數(shù)目比AT(約500個(gè))少(約300個(gè))，一旦汽車制造商開始大規(guī)模生產(chǎn)，CVT的成本將會(huì)比AT小。由于采用該系統(tǒng)可以節(jié)約燃油，隨著大規(guī)模生產(chǎn)以及系統(tǒng)、材料的革新，CVT零部件(如傳動(dòng)帶或傳動(dòng)鏈、主動(dòng)輪、從動(dòng)輪和液壓泵)的生產(chǎn)成本，將降低20%-30%。
 

                                                        CVT技術(shù)未來發(fā)展趨勢
 
    CVT技術(shù)未來的發(fā)展可以從以下四個(gè)方面進(jìn)行分析。  
    1.CVT部件
    推式傳動(dòng)帶和傳動(dòng)鏈將在轉(zhuǎn)矩傳遞容量和專用性上進(jìn)一步加強(qiáng)。由于產(chǎn)品數(shù)量的迅速增加，伴隨產(chǎn)品過程的進(jìn)一步自動(dòng)化，成本會(huì)大幅降低。
    CVT專用的液壓泵將被推廣。用于自動(dòng)跳合和緊急制動(dòng)的小型電子驅(qū)動(dòng)泵，和用于正常工況的發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泵協(xié)同工作，將進(jìn)一步改善整個(gè)變速器的效率。
    滑輪優(yōu)化設(shè)計(jì)將不僅減小系統(tǒng)的質(zhì)量和降低成本，而且保證在主、從動(dòng)輪和傳動(dòng)帶之間的最大傳遞轉(zhuǎn)矩。不同部件、微處理器和測試設(shè)備的電子控制差異，導(dǎo)致非常高的研究和制造成本，這將通過電液控制模塊化設(shè)計(jì)和大規(guī)模生產(chǎn)而減小，從而將柔性的功能和低廉的成本有機(jī)組合。
    因?yàn)樵絹碓蕉嗟腃VT進(jìn)入市場，制造商已經(jīng)開始研究開發(fā)CVT專用變速器工作液，這將給CVT工作特性進(jìn)一步優(yōu)化。  
    2.CVT變速器
    大量不同的布置有可能出現(xiàn)，不僅由于汽車驅(qū)動(dòng)差異和要求(FWD、RWD、AWD)，而且也由于增加傳動(dòng)比覆蓋范圍的持續(xù)要求。
    電子化將帶來傳動(dòng)比、速度、壓力和轉(zhuǎn)矩的更快的、更精確的控制，保證發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器更好的調(diào)節(jié)，提供了不同的行駛模式，例如運(yùn)動(dòng)型、舒適型和巡航控制，從而使用戶獲得全方位的“行駛樂趣”。
    3.發(fā)動(dòng)機(jī)與CVT集成控制
    更精確、更快的CVT控制，將與發(fā)動(dòng)機(jī)控制一起集成到整個(gè)傳動(dòng)系管理系統(tǒng)中，使得油耗和排放的進(jìn)一步降低。帶有集成發(fā)動(dòng)機(jī)管理單元的第一個(gè)CVT傳動(dòng)系原型已經(jīng)進(jìn)行了行駛循環(huán)測試。
    4.混合動(dòng)力CVT傳動(dòng)系
    CVT將承擔(dān)帶有飛輪儲(chǔ)能裝置的混合動(dòng)力傳動(dòng)系設(shè)計(jì)中的重要角色。采用CVT傳動(dòng)系的混合動(dòng)力汽車的油耗有可能減少30%，排放有可能降低50%。
 

                                                 CVT變速器的應(yīng)用
 
    1987年，日本Subaru把裝備CVT變速器的汽車投放市場，獲得成功。歐洲的Ford和Fiat也將VDT-CVT裝備于排量為1.1L到1.6L的轎車上。隨著技術(shù)的發(fā)展，能源危機(jī)引發(fā)全球性的節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高，在總結(jié)第一代的CVT的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，開發(fā)出了性能更佳，轉(zhuǎn)矩容量更大的CVT。當(dāng)前，全世界各大汽車廠商為了提高產(chǎn)品的競爭力，都大力進(jìn)行CVT的研發(fā)工作。現(xiàn)在NISSAN、TOYOTA、FORD、GM、AUDI等著名汽車品牌中，都有配備CVT變速器的轎車銷售，全世界CVT轎車的年產(chǎn)量已達(dá)到近50萬輛。有一點(diǎn)值得注意的是，裝備有CVT的汽車市場，由最初的日本，歐洲，已經(jīng)滲透到北美市場，因此無級變速汽車是當(dāng)今汽車發(fā)展的主要趨勢。
   我們國家有巨大的汽車銷售市場，汽車工業(yè)是我國的民族工業(yè)之一。然而我國汽車業(yè)所需的自動(dòng)變速器（AT）全部依賴進(jìn)口，這使得國產(chǎn)汽車配備AT后，成本增加很大，而裝備自行開發(fā)生產(chǎn)CVT變速器，其成本提高不大，說明CVT的市場前景令人樂觀。
   目前我國正在考慮發(fā)展轎車自動(dòng)變速器的問題。自“九·五”期間轎車金屬帶式無級自動(dòng)變速器的開發(fā)和研制已經(jīng)被列入國家的重大科技攻關(guān)計(jì)劃，以跟蹤世界技術(shù)的發(fā)展和開發(fā)適合我國國情的汽車。