汽車無級變速技術(shù)及其發(fā)展趨勢

2025China.cn 2009年03月01日

1.前言

CVT(Continuously Variable Transmission)技術(shù)即無級變速技術(shù)，采用傳動帶和工作直徑可變的主、從動輪相配合傳遞動力。由于CVT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，提高整車的燃油經(jīng)濟性和動力性，改善駕駛員的操縱方便性和乘員的乘坐舒適性，所以它是理想的汽車傳動裝置。

目前在汽車上廣泛使用的自動變速技術(shù)是將液力變矩器和行星齒輪系組合的自動變速器技術(shù)，在主要汽車制造商生產(chǎn)的城市用車中的平均裝車率已經(jīng)達到70%。但是液力變矩器和行星齒輪系的組合有著明顯的缺點：傳動比不連續(xù)，只能實現(xiàn)分段范圍內(nèi)的無級變速；液力傳動的效率較低，影響了整車的動力性能與燃料經(jīng)濟性；增加變速器的檔位數(shù)來擴大無級變速覆蓋范圍，就必須采用較多的執(zhí)行元件來控制行星齒輪系的動力傳遞路線，導(dǎo)致自動變速器零部件數(shù)量過多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，保養(yǎng)和維護不便。所以汽車行業(yè)早就開始研究其它新型變速技術(shù)，無級變速(CVT)技術(shù)就是其中最有前景的一種。

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)的汽油機汽車上。1958年，荷蘭的DAF公司 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、傳動帶和夾緊機構(gòu)的能量損失較大，因而沒有被汽車行業(yè)普遍接受。

然而提高傳動帶性能和CVT傳遞功率極限的研究一直在進行，將液力變矩器集成到CVT系統(tǒng)中，主、從動輪的夾緊力實現(xiàn)電子化控制，在CVT中采用節(jié)能泵，傳動帶用金屬帶代替?zhèn)鹘y(tǒng)的橡膠帶。新的技術(shù)進步克服了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)計的包含一個手動換檔模式的CVT。新型CVT采用一個最新研制的高強度寬鋼帶和一個高液壓控制系統(tǒng)。通過采用這些先進的技術(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)，傳動比的改變實行全檔電子控制，汽車在下坡時可以一直根據(jù)車速控制發(fā)動機制動，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)公司計劃將它的CVT的應(yīng)用范圍從1.0 L擴大到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)動機的動力來驅(qū)動汽車。V型帶/傳動輪機構(gòu)可以保證在所有速率下發(fā)動機動力平順無間斷地傳遞。CVT根除了傳統(tǒng)的自動變速器通過齒輪換檔時的打齒現(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)動機(1.5L或更小)與CVT組合。

日本富士重工同時擁有15年開發(fā)CVT的經(jīng)驗。1997年5月，富士重工將它的Vistro微型車裝配了全計算機控制式E-CVT(含有六檔手動換檔模式的CVT)。駕駛員無須操作離合器就可以進行六檔變速。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保持在最小值，行星齒輪用來切換前進檔/倒退檔。傳動比范圍從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)計的、帶有電子管理功能的CFT23型CVT。ZF公司設(shè)計的CVT是一種變矩器式變速器，使用為安裝橫向發(fā)動機前輪驅(qū)動汽車生產(chǎn)的鋼帶。ZF公司也能為安裝縱向發(fā)動機的前輪驅(qū)動汽車和后輪驅(qū)動汽車生產(chǎn)CVT系列。ZF公司稱：與四檔自動變速器相比，CVT系統(tǒng)能夠?qū)⒓铀傩阅芴岣?/SPAN>10%，燃油經(jīng)濟性提高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)計一種與公司內(nèi)所有輕型載貨車匹配的牽引驅(qū)動CVT，包括后輪驅(qū)動和全輪驅(qū)動載貨車。牽引驅(qū)動使用沿特殊滑液的可移動滑件代替?zhèn)鲃訋Ш蛡鲃虞?。滑動部分的相對位置決定傳動比，由一層部件間非常薄的液油來傳遞動力。

德國ZF公司從1999年中期開始為Rover 216型汽車提供鋼帶驅(qū)動的VT1型和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可以允許機械、液力和電子系統(tǒng)進一步組合，這就更好地利用了各種系統(tǒng)的獨特優(yōu)點。

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)將獨立部件、執(zhí)行器、傳感器和變速器換檔ECU組成一個單獨的模塊，變速器制造商只需增加一個集成控制單元。

的工作原理

CVT系統(tǒng)包括主動輪、從動輪、傳動帶和液壓泵等基本部件。發(fā)動機輸出軸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。CVT的主動輪和從動輪都由可動盤和固定盤組成，可動盤與固定盤都是錐面結(jié)構(gòu)，可動盤與固定盤的錐面形成V型槽來與V型傳動帶嚙合。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的軸向移動量是由駕駛者根據(jù)需要通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)主動輪、從動輪液壓泵油缸壓力來實現(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，圖1為日產(chǎn)公司的Hyper CVT結(jié)構(gòu)圖。

汽車開始起步時，主動輪的工作半徑較小，變速器可以獲得較大的傳動比，從而保證驅(qū)動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，主動輪的工作半徑逐漸減小，從動輪的工作半徑相應(yīng)增大，CVT的傳動比下降，使得汽車能夠以更高的速度行駛。

的技術(shù)特性

4.1經(jīng)濟性

CVT可以在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)實現(xiàn)無級變速，從而獲得傳動系與發(fā)動機工況的最佳匹配，提高整車的燃油經(jīng)濟性。德國的大眾公司在自已的Golf VR6轎車上分別安裝了4-AT和CVT進行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

4.2動力性

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比，所以CVT的動力性能明顯優(yōu)于機械變速器(MT)和自動變速器(AT)。表2為分別安裝4-AT和CVT的克萊斯勒的Voyager轎車的動力性比較，安裝CVT的汽車擁有更佳的動力性能。

表2 安裝4-AT和CVT的克來斯勒Voyager轎車動力性對比

4.3排放

CVT的速比工作范圍寬，能夠使發(fā)動機以最佳工況工作，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裝車進行測試，其廢氣排放量比安裝4-AT的汽車減少了大約10%。

4.4成本

CVT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，零部件數(shù)目比AT(約500個)少(約300個)，一旦汽車制造商開始大規(guī)模生產(chǎn)，CVT的成本將會比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(如傳動帶或傳動鏈、主動輪、從動輪和液壓泵)的生產(chǎn)成本，將降低20%-30%。

技術(shù)未來發(fā)展趨勢

CVT技術(shù)未來的發(fā)展可以從以下四個方面進行分析。

5.1CVT部件

推式傳動帶和傳動鏈將在轉(zhuǎn)矩傳遞容量和專用性上進一步加強。由于產(chǎn)品數(shù)量的迅速增加，伴隨產(chǎn)品過程的進一步自動化，成本會大幅降低。

CVT專用的液壓泵將被推廣。用于自動跳合和緊急制動的小型電子驅(qū)動泵，和用于正常工況的發(fā)動機驅(qū)動的泵協(xié)同工作，將進一步改善整個變速器的效率。

滑輪優(yōu)化設(shè)計將不僅減小系統(tǒng)的質(zhì)量和降低成本，而且保證在主、從動輪和傳動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組合。

因為越來越多的CVT進入市場，制造商已經(jīng)開始了研究開發(fā)CVT專用變速器工作液，這將給CVT工作特性進一步優(yōu)化。

5.2CVT變速器

大量不同的布置有可能出現(xiàn)，不僅由于汽車驅(qū)動差異和要求(FWD、RWD、AWD)，而且也由于增加傳動比覆蓋范圍的持續(xù)要求。

電子化將帶來傳動比、速度、壓力和轉(zhuǎn)矩的更快的、更精確的控制，保證發(fā)動機和變速器更好的調(diào)節(jié)，提供了不同的行駛模式，例如運動型、舒適型和巡航控制，從而使用戶獲得全方位的“行駛樂趣”。

5.3發(fā)動機與CVT集成控制

更精確、更快的CVT控制，將與發(fā)動機控制一起集成到整個傳動系管理系統(tǒng)中，使得油耗和排放的進一步降低。帶有集成發(fā)動機管理單元的第一個CVT傳動系原型已經(jīng)進行了行駛循環(huán)測試。

5.4混合動力CVT傳動系

CVT將承擔(dān)帶有飛輪儲能裝置的混合動力傳動系設(shè)計中的重要角色。采用CVT傳動系的混合動力汽車的油耗有可能減少30%，排放有可能降低50%。

6.結(jié)語

在最近的十幾年中，CVT技術(shù)已經(jīng)向前邁進了一大步，使得CVT比有著超過100年歷史的機械變速器(MT)和有著超過50年歷史的自動變速器(AT)更有競爭力。CVT技術(shù)正處在壽命周期的開始，CVT的特性將進一步提高，圖2顯示出CVT的未來潛力。