汽車無級(jí)變速技術(shù)發(fā)展概況與原理

汽車無級(jí)變速技術(shù)發(fā)展概況與原理汽車無級(jí)變速技術(shù)發(fā)展概況與原理1.前言

目前在汽車上廣泛使用的自動(dòng)變速技術(shù)是將液力變矩器和行星齒輪系組合的自動(dòng)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(dá)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(diǎn)：傳動(dòng)比不連續(xù)，只能實(shí)現(xiàn)分段范圍內(nèi)的無級(jí)變速；液力傳動(dòng)的效率較低，影響了整車的動(dòng)力性能與燃料經(jīng)濟(jì)性；增加變速器的檔位數(shù)來擴(kuò)大無級(jí)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(dòng)力傳遞路線，導(dǎo)致自動(dòng)變速器零部件數(shù)量過多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，保養(yǎng)和維護(hù)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(jí)變速(CVT)技術(shù)就是其中最有前景的一種。

CVT(ContinuouslyVariableTransmission)技術(shù)即無級(jí)變速技術(shù)，采用傳動(dòng)帶和工作直徑可變的主、從動(dòng)輪相配合傳遞動(dòng)力。由于CVT可以實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比的連續(xù)改變，從而得到傳動(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)性和動(dòng)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(dòng)裝置。

2.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.VanDoorne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，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。3.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?？蓜?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?？蓜?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(jí)變速。

在金屬帶式無級(jí)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(zhǎng)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)輪的工作半徑逐漸減小，從動(dòng)輪的工作半徑相應(yīng)增大，CVT的傳動(dòng)比下降，使得汽車能夠以更高的速度行駛。4.CVT的技術(shù)特性

4.1經(jīng)濟(jì)性

CVT可以在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級(jí)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GolfVR6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(cè)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GolfVR6汽車的燃油消耗對(duì)比

試驗(yàn)油耗4-ATCVT

ECE市區(qū)循環(huán)，L/100km14.413.2

ECE郊區(qū)/遠(yuǎn)程循環(huán)，L/100km10.89.8

90km/h勻速，L/100km8.37.0

120km/h，L/100km10.39.2

4.2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(jí)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(duì)比

項(xiàng)目4-ATCVT

加速時(shí)間(s)

0-30km/h2.52.5

0-100km/h13.212.2

4.3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(cè)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(jiǎn)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%。5.CVT技術(shù)未來發(fā)展趨勢(shì)

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。

5.1CVT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(cè)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(chǎng)，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。

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(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”。

5.3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(cè)試。

5.4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%。6．CVT關(guān)鍵技術(shù)

CVT變速器的關(guān)鍵技術(shù)包括：發(fā)動(dòng)機(jī)與CVT變速器之間的匹配關(guān)系；帶輪夾緊力的控制策略；液壓系統(tǒng)的集成化設(shè)計(jì)等。

毋庸置疑，CVT變速器的技術(shù)含量和制造難度都要比MT變速器高，與AT變速器相仿，由于金屬帶式CVT的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所含的零件數(shù)量比AT變速器少40%左右，整車的質(zhì)量因而也有所減輕。

7．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(chǎng)，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(jìng)爭(zhēng)力，都大力進(jìn)行CVT的研發(fā)工作?，F(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(chǎng)，由最初的日本，歐洲，已經(jīng)滲透到北美市場(chǎng)，因此無級(jí)變速汽車是當(dāng)今汽車發(fā)展的主要趨勢(shì)。

我們國家有巨大的汽車銷售市場(chǎng)，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(chǎng)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(jí)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。