無級變速器的發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀和展望

無級變速器的發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀和展望ZHENGYI1(海南大學機電工程學院機械系，?？谑?，570228)摘要:說明了無級變速器的原理及組成，分析了其結(jié)構(gòu);介紹了國內(nèi)外汽車用機械無級變速器的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：無級變速器；發(fā)展歷史；研究現(xiàn)狀；展望中圖分類號：XXXXXThedevelopmenthistoryofCVTAnditsResearchSituationandandProspectsPengfeiZheng1(HAINANUNIVERSITY,HAIKOU,570228)Abstract：IllustratesthetheoryandcompositionofCVTandanalyseitsstructure.Introducethe

developmenthistoryofCVTAnditsResearchSituationandandProspectsKeywords：CVT;;Developmenthistory;ResearchSituationand;Prospects0引言無級變速器是汽車理想的傳動系統(tǒng)，自汽車誕生以來，它一直是人們追求的目標。無級變速傳動(ContinuosuslyVariableTransmission,簡稱CVT)具有普通有級變速傳動無法相比的優(yōu)點，它可以控制汽車發(fā)動機始終運行在最佳目標運行區(qū)，顯著提高汽車的經(jīng)濟性，改善汽車的動力性，既可減少汽車的換擋沖擊，也可減輕駕駛員的勞動強度?；痦椖浚夯痦椖恳?guī)范全稱(編號)收稿日期：xxxx-xx-xx1無級變速器1.1無級變速器的組成CVT采用V形承推鋼帶,由安裝在撓性馬氏體時效鋼圈上的多片楔形鋼片構(gòu)成。CVT的主要結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1、2所示。動力從主動輪輸入，經(jīng)過V形鋼帶，由從動輪輸出。帶輪由可以相對滑動的兩部分構(gòu)成,鋼帶位于這兩部分間的凹槽內(nèi)。當帶輪兩部分靠緊時，凹槽較窄，金屬帶位于帶輪外緣,此時帶輪的工作直徑最大。隨著這兩部分間的相對滑動,凹槽越來越寬，鋼帶逐漸靠近帶輪中心，即工作直徑最小的地方。汽車剛剛起動、車速較低時，主動輪工作直徑較小,變速器可得到較大的傳動比，使汽車獲得足夠動力克服行駛阻力。隨著車速的升高，主動輪工作直徑逐漸增大，從動輪工作直徑越來越小，變速比也相應減小。由于帶輪工作直徑可連續(xù)變化，因此這種變速器的傳動比是無級、連續(xù)變化的，傳遞動力更平穩(wěn),其動力性和燃油經(jīng)濟性遠遠高于行星齒輪式自動變速器。CVT采用液壓控制方式控制帶輪兩部分之間的相對滑移,滑移量的大小(即傳動比的數(shù)值)取決于節(jié)氣門開度和變速器輸出軸轉(zhuǎn)速的綜合作用。(ft)低速傳動 (b)高速佑動S1CVTI作原理圖2鋼帶結(jié)構(gòu)1.2無級變速器的基本原理目前，廣泛應用于轎車的自動變速器是將液力變矩器和行星齒輪系統(tǒng)組合使用，這種組合方式的傳動比不連續(xù),自動變速器只能在若干段范圍內(nèi)實現(xiàn)無級變速；其次，為增加變速器擋數(shù)，擴大傳動比的變化范圍，必須采用多個執(zhí)行元件(離合器或制動器)控制行星齒輪系統(tǒng)的動力傳遞路線，造成自動變速器零件數(shù)量過多及結(jié)構(gòu)復雜，發(fā)生故障的可能性增加，并給保養(yǎng)和維修帶來不便。除此之外，由于液力傳動效率較低,不能使自動變速器百分之百發(fā)揮效率,影響汽車的總體工作性能。為此，許多汽車制造廠開始研究新的自動變速技術(shù),CVT就是其中最有發(fā)展前景的一種。CVT的突出特點是不使用液力變矩器,而采用傳動帶和工作直徑可變的帶輪與普通齒輪式變速器配合傳遞動力。由于它一般不采用行星齒輪系統(tǒng)，因此也稱為非行星齒輪自動變速器。CVT變速動力系統(tǒng)輸出的動力傳到金屬帶式無級變速傳動裝置的主動錐輪，通過V形金屬帶將動力傳輸?shù)綇膭渝F輪，之后經(jīng)減速器與差速器傳遞到車輪（見圖1）。帶傳動裝置是其核心部分，主要由主動錐輪、從動錐輪以及V形金屬帶組成。其主、從動輪均為組合結(jié)構(gòu)，由活動錐輪和固定錐輪組成。主動錐輪的活動錐輪和固定錐輪形成的V形槽與V形金屬帶嚙合，實現(xiàn)動力傳遞。在工作中，當主、從動錐輪的活動錐輪沿軸向移動時,可改變金屬帶在主、從動錐輪上的工作半徑，從而改變無級變速器的傳動比?；顒渝F輪的移動量是根據(jù)汽車變速的要求,通過調(diào)節(jié)作用在主、從動錐輪油缸內(nèi)的液壓壓力來實現(xiàn)的。由于液壓壓力的調(diào)節(jié)是連續(xù)變化的,所以可實現(xiàn)無級變速傳動。2無級變速器的發(fā)展歷史2.1國外無級變速器的發(fā)展歷史1958年.荷蘭達夫（OAF）公司開發(fā)出的橡膠帶式CVT后經(jīng)多次改進，沃爾沃公司將該橡膠帶式CVT裝于1.4L發(fā)動機排的沃爾沃343汽車上，但存在普橡膠帶的可靠性和壽命等問題魚待解決。直到1987年日本富士重工公司、歐洲福特公司、菲亞特公司使用荷蘭VDT（粕nDoornesTransmissie）公司金屬帶式CVT才突破了原來技術(shù)障礙而獲得飛速發(fā)展。第一代無級變速器（CVT）。采用液壓機械控制.CVT傳遞扭矩為,25Nm,金屬鋼帶寬度為24mmo第二代無級變速器采用液力變矩器、電子控制,CVT傳遞扭矩提高到250Nm,金屬鋼帶寬度可為3Omm。大多數(shù)CVT都采用液力變矩器.在起動時,其傳遞扭矩放大能力和傳遞平順性可提供最佳的性能。為了改善其傳動效率,當車速達到一定值后.鎖止離合器使液力變矩器鎖止.鎖止離合器接合來降低損耗目前最新型的無級變速器將傳遞扭矩提高到350Nm。改進金屬鋼帶，增加其功率密度、優(yōu)化了起動策略、增加扭矩過載保護裝皿、優(yōu)化了液壓系統(tǒng)、速比范圍增加、提高變速機械和液壓系統(tǒng)效率、降低鋼帶和帶輪夾緊力，從而提高了整個CVT的效率，減少了體積和成本。下一代的無級變速器與現(xiàn)有CVT相比，采用了帶弧面的帶輪（原主動帶輪和從動帶輪兩側(cè)為錐面）可進一步減少CVT變速器的尺寸，減小金屬鋼帶的扭曲t（Misalignment）;運用新的側(cè)滑控制和自優(yōu)化控制策略;液壓系統(tǒng)和泵進一步優(yōu)化;縮小中心距;采用多片式離合器代替液力變矩器，使CVT變速器體積和成本進一步降低。博世公周開發(fā)的P07OCVT博世公司CVT無級變速器業(yè)務部（VOT）隸屬于汽油機系統(tǒng)。博世公司VOT部主要進行CVT研發(fā)一全新概念開發(fā)、整機系統(tǒng)的聯(lián)合開發(fā)、給客戶CVT技術(shù)和專利的授權(quán)、軟件和匹配標定。博世主要生產(chǎn)金屬鋼帶。從1985年起開始生產(chǎn)金屬鋼帶;200,年金屬鋼帶年產(chǎn)超過100萬根;到2007年金屬鋼帶累計產(chǎn)達到,1000萬根（到2007年5月）.年產(chǎn)超過200萬根;2008年啟動第二個生產(chǎn)基地;到2011年市場上金屬鋼帶累計數(shù)達2000萬根,2015年總的年產(chǎn)達到500萬根。2007年博世金屬鋼帶年銷量達到250萬根，占全球金屬鋼帶年銷t5o%。博世公司金屬鋼帶產(chǎn)地在荷蘭蒂爾堡,2008年第二個生產(chǎn)基地放在越南胡志明市。博世公司2007年開發(fā)的PO70無級變速器，采用了側(cè)滑和自優(yōu)化控制策略，改良了鋼帶和主、從動帶輪錐盤接觸面-采用曲面帶輪，提高了CVT輸出扭矩到140Nm,縮小了中心距，減少了起動功率（最優(yōu)化的油泵和液壓系統(tǒng)）,采用多片離合器式代替液力變矩器，降低了系統(tǒng)成本，提高了耐久性和功率密度（更高的扭矩），進一步減小了變速器重和長度，進一步降低油耗。博世公周策七代金月鑰帶博世公司第七代金屬鋼帶有24mm金屬推片寬度，柔性環(huán)9層可傳遞功率可達110kw;30mm金屬推片寬度和9層柔性環(huán)可傳遞功率180kw;30mm金屬推片寬度和12層柔性環(huán)可傳遞功率達200kw。第七代金屬鋼帶提高了動力性能（更高傳遞功率和扭矩）、降低成本（柔性層減少和鋼帶進一步縮?。?、降低燃油消耗（更大速比范圍和更好的鋼帶效率）、縮小中心距減少變速器尺寸、可完全與前幾代鋼帶兼容、進一步提高了耐久性和可靠性。同樣的柔性帶的應力，第七代金屬鋼帶耐久性提高不少。在同樣耐久性情況下，第7代金屬鋼帶應力提高不少。CVT第7代金屬鋼帶，其傳遞功率在相同金屬推片寬度情況下，傳遞相同扭矩而柔性環(huán)數(shù)可由12層減為9層。同樣的傳遞扭矩（350Nm）、同樣的金屬推片寬度，采用第7代金屬鋼帶其柔性環(huán)層數(shù)由第6代金屬鋼帶12層減為第7代10層。2.2國內(nèi)無級變速器的發(fā)展歷史我國一貫重視無級變速器的開發(fā),2004年中國汽車工業(yè)協(xié)會和中國齒輪協(xié)會就國內(nèi)自動變速器的研發(fā)方向達成了共識:優(yōu)先發(fā)展AMT和CVT,適時發(fā)展OCT,適當生產(chǎn)AT。2007年9月，國家發(fā)改委、財政部、商務部發(fā)布（鼓勵進口技術(shù)和產(chǎn)品目錄》中,自動變速器被列為鼓勵發(fā)展的重點行業(yè)，享受進口貼息優(yōu)惠政策，解決進口中企業(yè)融資難的問題。2007年12月.國家發(fā)改委在《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導目錄（2007年文本）》征求意見稿中將無級變速器等幾種自動變速器類列為汽車零部件關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)制造。我國湖南江麓容大車輛傳動有限公司年產(chǎn)2萬臺國產(chǎn)CVT總裝生產(chǎn)線巳建成，正式投產(chǎn),這是國內(nèi)自主開發(fā)的CVT,巳攻克CVT主要技術(shù)難關(guān)，具備了產(chǎn)業(yè)化的條件。目前處于試生產(chǎn)階段，年底將有批量產(chǎn)品下線,主要用于力帆、眾泰等自主品牌經(jīng)濟型轎車。該公司定位于8萬元人民幣以下經(jīng)濟型轎車市場，生產(chǎn)適合中低端市場的高性價比產(chǎn)品。洛陽聯(lián)合變速器有限責任公司成立于2007年5月。該公司擁有自主知識產(chǎn)權(quán).開發(fā)生產(chǎn)乘用車用金屬鋼帶式無級變速器。2002年1月我國第一臺擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的CVT樣機試車成功,2003年9月和2004年3月，通過國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（襄樊）20萬km路試和臺架試驗。2加3年10月,該公司CVT通過河南省科技廳組織鑒定。該公司產(chǎn)業(yè)化進程獲得國家發(fā)改委、省、市的高度重視和支持，國家資助300萬元人民幣，洛陽市準備資持3000萬元人民幣入股。該公司CVT項目分兩個階段,第一階段年產(chǎn)5萬臺CVT工程巳于2007年7月19日開工建設(shè),該工程總投資2.3億元人民幣，預計2008年年底投產(chǎn);第二階段年產(chǎn)30萬臺,總投資15億元，預計2010年建成投產(chǎn)。該公司巳經(jīng)形成013、018、023三個系列5個品種產(chǎn)品，主導產(chǎn)品018型CVT最大輸入扭矩18ONm,適用于1.5L~2.OL轎車車型，采用博世金屬鋼帶，巳完成哈飛賽豹、奇瑞風云、力帆520等多項自主品牌車型匹配工作,得到多家整車廠認可,2005年11月匹配完成哈飛賽豹，在海南汽車試驗場進行717000km可靠性強化試驗。2006年9月與哈飛簽訂了供貨合同。該公司擁有國家發(fā)明專利6項,實用新型專利17項。在國內(nèi)兩家CVT準備投產(chǎn)的同時,日本捷特科（Jatco）于2加7年投資46億日元（約合4.2億元人民幣）在廣州建立CVT生產(chǎn)企業(yè)，年產(chǎn),4萬臺CVT,預計2009年初投產(chǎn)，計劃實現(xiàn)70%本土化率，主要向東風日產(chǎn)軒逸、新天籟、奇駿等車型提供CVT。比利時邦奇（Puneh）在南京建立CVT生產(chǎn)企業(yè)，計劃年產(chǎn)10萬臺，預計2008年年底或2009年初投產(chǎn),它的客戶主要是國內(nèi)應用CVT的汽車制造企業(yè)。目前國內(nèi)安裝金屬鋼帶式CVT的汽車見下表。隨著采用CVT的配套車型不斷擴大，國內(nèi)自主品牌采用CVT車型的不斷增加,跨國汽車制造企業(yè)引入我國的采用CVT的車型不斷增加，我國CVT的配套率占整個變速器的市場比例將會不斷提高。3無級變速器的研究現(xiàn)狀目前，金屬帶式無級變速器是國外汽車無級變速傳動研究和推廣的重點，世界主要汽車公司都在研究和開發(fā)金屬帶式無級變速系統(tǒng)。最早應用于汽車的無級變速傳動是V形橡膠帶式無級自動變速傳動，它出現(xiàn)在1886年由德國Daimlar-Benz公司生產(chǎn)的汽油機汽車上。之后，荷蘭DAF公司H.Vandoorne博士于1958年研制成功雙V形橡膠帶式無級自動變速器，并裝備于DAF公司的小型轎車上。CVT取得里程碑式的成績是在20世紀60年代中期,VDT公司的研究人員在荷蘭研制出能傳遞功率容量大、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊的無級自動變速器CVT,使金屬帶式無級變速器取得突破性進展。1987年,VDT公司的金屬帶式無級變速器進入商品化階段,這年福特汽車公司首次在市場上推出裝有這種金屬帶的CVT。日本富士重工也于同年研制成功裝備于Juste車上排量1~1.2L的電子控制CVT。之后,菲亞特、福特、日產(chǎn)等汽車公司都在其生產(chǎn)的一些1.2~1.6L排量轎車上裝備這種變速器。90年代，在總結(jié)80年代產(chǎn)品和使用經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,VDT公司研制成功傳動力矩大、性能更佳的第二代CVT變速器。到1995年，裝有CVT的汽車產(chǎn)量達100多萬輛。目前主要CVT生產(chǎn)廠商有FHISubaruJustyFord、Fiat.Nissan等。其中歐洲Ford公司CVT產(chǎn)量為15萬臺/年,FHICVT產(chǎn)量為20萬臺/年。特別指出的是，美國福特公司在1997年取得歷史性的突破，生產(chǎn)出可以用于大扭矩、排量高達3.8L扭矩為365N#m）V6發(fā)動機的CVT，并成功安裝于Winstarminivan氣車上,從而結(jié)束了CVT只能應用于中型汽車上的歷史，為將CVT大規(guī)模應用于汽車開辟了道路。而且，無級變速器已與當今先進的計算機技術(shù)結(jié)合起來，構(gòu)成高性能的無級自動變速器，性能更加完善。世界上的主要汽車生產(chǎn)國都在積極開發(fā)CVT系統(tǒng),已經(jīng)出現(xiàn)了很好的實用化發(fā)展趨勢。有專家預言,CVT將會占據(jù)50%的自動變速器市場份額。從理論上說,CVT可使發(fā)動機始終在經(jīng)濟工況區(qū)運行,從而大幅度節(jié)約燃油。但由于CVT是摩擦傳動,效率低。因此,CVT并沒有達到理論上所能達到的燃油經(jīng)濟性水平。這是CVT有待進一步提高之處。國內(nèi)機械無級變速器于20世紀60年代前后起步，到80年代中期,隨著國外先進設(shè)備的大量引進，工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化及自動流水線的迅速發(fā)展，對各種類型機械無級變速器的需求大幅度增加，專業(yè)廠開始建立并進行規(guī)?；a(chǎn)，一些高等院校也開展了該領(lǐng)域的研究工作。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，現(xiàn)在，國內(nèi)機械無級變速器行業(yè)從研制、生產(chǎn)到情報信息各方面都已組成一個較完整的體系,發(fā)展為機械領(lǐng)域中一個新興行業(yè)。目前,國內(nèi)生產(chǎn)的機械無級變速器大都是仿制國外產(chǎn)品，主要系列產(chǎn)品類型有:、1） 摩擦式無級變速器，包括行星錐盤式（DIS-CO型）、行星環(huán)錐式（RX型）、錐盤環(huán)盤式（干式、濕式）和多盤式（Beier型）等。2） 齒鏈式無級變速器,包括滑片鏈式、滾柱鏈式、鏈式卷繞式。3） 帶式無級變速器，包括普通V帶式和寬V帶式。4） 脈動式無級變速器,包括三相并列連桿式（GUSA型）與四相并開連桿式（Zero-Max型）。其中行星錐盤式無級變速器通用性較強，結(jié)構(gòu)和工藝較簡單，工作可靠,綜合性能優(yōu)良，尤其是能適應各種生產(chǎn)流水線需要,故應用最廣，產(chǎn)量最大,其年產(chǎn)量占機械無級變速器總產(chǎn)量的50%以上。大部分無級變速器產(chǎn)品的輸入功率為0.18~7.5kW,少數(shù)類型可以達到22~30kW。4展望近幾年來隨著科技的不斷進步、新材料的不斷進步以及加工技術(shù)的不斷提高，CVT正朝著以下幾個方面發(fā)展?？刂葡到y(tǒng)方面：通過改進現(xiàn)有的控制系統(tǒng)的控制精度從而使對離合器的控制、速比的控制與夾緊力的控制更加符合轎車在不同路況下的動力需求。動力的需求控制是一部優(yōu)質(zhì)CVT的先決條件。結(jié)構(gòu)方面：在現(xiàn)有CVT的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上使用新型材料使變速器更加輕巧，以及對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化在可靠性不降低的情況下使其更加緊湊。對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進使汽車在出現(xiàn)故障時鋼帶不會出現(xiàn)鎖死的現(xiàn)象從而能夠用拖動的辦法拖動汽車。性能方面：通過對鋼帶與傳感器的改進使CVT能夠普遍應用于大排量的汽車，CVT的傳動效率也因摩擦損失的能量減少從而有所提高。同時CVT與其匹配的發(fā)動機相結(jié)合也將能獲得更好的節(jié)油性、舒適性與操控性（目前較好的組合方式CVT+CVVT）。通過前一階段的實踐,并掌握了現(xiàn)有技術(shù)之后,近年來國內(nèi)機械無級變速器的研制生產(chǎn)出現(xiàn)了新的發(fā)展趨向,主要是：1）對原有產(chǎn)品的創(chuàng)新改進。在原來行星錐盤式無級變速器的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新開發(fā)/恒功率行星摩擦式無級變速器0及/無物理心軸行星輪無級變速器0,后者的變速比由原來的5~6增大到20或更大，輸出轉(zhuǎn)矩也高了一倍以上,而且其他性能指標優(yōu)良,目前已有系列產(chǎn)品。研制開發(fā)汽車用無級變速器。汽車用無級變速器屬高新技術(shù)產(chǎn)品,目前國內(nèi)巳開發(fā)出金屬帶式無級變速器，正準備進行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn);其中靠進口的關(guān)鍵零件/金屬鋼帶0也將自行生產(chǎn)。另外，新型的車用無級變速器及復合帶也在探討之中。創(chuàng)新研制新型(車用和通用)無級變速器。近年來不斷提出創(chuàng)新型無級變速器，這些無級變速器的特點主要是?不用摩擦式變速傳動而多半以連桿脈動式無級變速器傳動為主或采取鏈式傳動；°實現(xiàn)大功率、恒功率或者高速；》結(jié)構(gòu)簡單緊湊，并獲得優(yōu)良的性能。其中有些方案巳經(jīng)過多年的研究試驗,可能在不久的將來即有成果。上述情況說明，國內(nèi)無級變速器的研制生產(chǎn)巳由過去的仿造階段進入創(chuàng)新階段,由小功率往大功率、一般技術(shù)向高新技術(shù)發(fā)展，今后有可能出現(xiàn)一些性能優(yōu)良