本词条由“科普中国”科学百科词条编写与应用工作项目 审核 。 特点 CVT最大的特点是无级控制输出的速比,在行驶中达到行云流水的感觉,从而没有了换档的感觉。乘员感觉不到换档冲击,动力衔接连贯。这样CVT在行驶时增加了舒适性,加速也会比自动变速器快。与有级变速器相比,无级变速器可以减少有害物的排放,提高了行驶功率和燃油经济性(即保持发动机在最低油消耗率区运行)。 [1] 结构分析 前传动机构 既是动力传递机构,又是无级自动变速机构。前带轮由主动盘、强制冷却风扇、空心轴套、离心滚柱、定位板、移动盘组成。后带轮由固定盘、移动盘以及离心力控制弹簧组成。传动带内侧有齿牙(不属于同步带),传动带在前、后带轮之间,既是动力传递件,又是无级变速件。 后传动机构 是一个二级减速传动箱,它是将前传动输入的转速在此进行二级减速增矩后,把动力传递给后轮轴。 V带无级变速系统(ContinuouslyVariableTransmission以下简称CVT)目前广泛用于踏板车的传动系统中。该系统与我们常见的有挡变速系统相比主要有以下优点:操作简单、平稳舒适。CVT系统传动比的变化只需由油门控制曲轴转速就可以达到,并可实现传动比的连续变化,没有有挡变速系统所必需的离合、变挡等操作和传动比突变造成的冲击。 CVT系统在设计范围内减速比可连续变化,使摩托车在使用时,发动机转速保持在比较理想的范围内,有利于降低油耗,减少排放污染。 传递机构 无级变速动力传递机构主要由前传动和后传动两大部分组成。前传动由前带轮、后带轮、V带3大件组成;后传动由后齿轮箱内的末级齿轮轴、双联齿轮、动力输入轴组成。在前传动与后传动之间,由重锤式干式自动离心式离合器来联接或切断动力。 工作原理 CVT系统主要包括主动轮组、从动轮组、金属带和液压泵等基本部件。金属带由两束金属环和几百个金属片构成。主动轮组和从动轮组都由可动盘和固定盘组成,与油缸靠近的一侧带轮可以在轴上滑动,另一侧则固定。可动盘与固定盘都是锥面结构,它们的锥面形成V型槽来与V型金属传动带啮合。 发动机输出轴输出的动力首先传递到CVT的主动轮,然后通过V型传动带传递到从动轮,最后经减速器、差速器传递给车轮来驱动汽车。工作时通过主动轮与从动轮的可动盘作轴向移动来改变主动轮、从动轮锥面与V型传动带啮合的工作半径,从而改变传动比。可动盘的轴向移动量是由驾驶者根据需要通过控制系统调节主动轮、从动轮液压泵油缸压力来实现的。由于主动轮和从动轮的工作半径可以实现连续调节,从而实现了无级变速。 汽车开始起步时,主动轮的工作半径较小,变速器可以获得较大的传动比,从而保证驱动桥能够有足够的扭矩来保证汽车有较高的加速度。随着车速的增加,从动轮的工作半径逐渐减小,主动轮的工作半径相应增大,CVT的传动比下降,使得汽车能够以更高的速度行驶。 在金属带式无级变速器的液压系统中,从动油缸的作用是控制金属带的张紧力,以保证来自发动机的动力高效、可靠的传递。主动油缸控制主动锥轮的位置沿轴向移动,在主动轮组金属带沿V型槽移动,由于金属带的长度不变,在从动轮组上金属带沿V型槽向相反的方向变化。金属带在主动轮组和从动轮组上的回转半径发生变化,实现速比的连续变化。 技术特性 经济性 CVT可以在相当宽的范围内实现无级变速,从而获得传动系与发动机工况的最佳匹配,提高整车的燃油经济性。某公司在某轿车上分别安装了4-AT和CVT进行ECE市 区循环和ECE郊区循环测试,证明CVT能够有效节约燃油(如表1) 表1安装4-AT和CVT的汽车燃油消耗对比 试验油耗4-ATCVT ECE市区循环,L/100km14.413.2 ECE郊区/远程循环,L/100km10.89.8 90km/h匀速,L/100km8.37.0 120km/h,L/100km10.39.2 排放 CVT的速比工作范围宽,能够使发动机以最佳工况工作,从而改善了燃烧过程,降低了废气的排放量。ZF公司将自己生产的CVT装车进行测试,其废气排放量比安装4-AT的汽车减少了大约10%。 动力性 汽车的后备功率决定了汽车的爬坡能力和加速能力。汽车的后备功率愈大,汽车的动力性愈好。由于CVT的无级变速特性,能够获得后备功率最大的传动比,所以C VT的动力性能明显优于机械变速器(MT)和自动变速器(AT)。表2为分别安装4-AT和CVT的某轿车的动力性比较,安装CVT的汽车拥有更佳的动力性能。 图2安装4-AT和CVT的轿车动力性对比 项目4-ATCVT 加速时间(s) 0-30km/h2.52.5 0-100km/h13.212.2 成本 CVT系统结构简单,零部件数目比AT(约500个)少(约300个),一旦汽车制造商开始大规模生产,CVT的成本将会比AT小。由于采用该系统可以节约燃油,随着大规模生产以及系统、材料的革新,CVT零部件(如传动带或传动链、主动轮、从动轮和液压泵)的生产成本,将降低20%-30%。 关键技术 CVT变速器的关键技术包括:发动机与CVT变速器之间的匹配关系;带轮夹紧力的控制策略;液压系统的集成化设计等。 毋庸置疑,CVT变速器的技术含量和制造难度都要比MT变速器高,与AT变速器相仿,由于金属带式CVT的结构简单,所含的零件数量比AT变速器少40%左右,整车的质量因而也有所减轻。 注意事项 对于正确使用CVT应注意以下几点: 1、行驶时,不要将变速杆拉到“N”档。 2、从前进变后退,从后退变前进档时,要完全停住车,在踩住制动踏板的同时操作变速杆,否则有可能使变速箱损坏。 3、下坡时,应使用“S”档或手动模式的低档,利用发动机制动作用,避免长时间制动时使制动蹄片产生热衰退性,使制动性能变差。 4、由于CVT的结构和工作原理,所有的控制都是靠内部油压来进行完成的。所以应按照生产厂家指定的期限检查CVT的油质、油量,并定期进行更换符合厂家规定的油品。 5、为了最大限度的提高其燃油经济性,行驶中最好使用CVT变速箱的自动模式。这样可以使发动机和变速器全程保持达到最佳匹配的状态,最大限度利用发动机的扭矩和功率输出,达到经济的车速,从而提高燃油的经济性。 6、由于CVT的结构,假如对其相关的零部件或电路进行检修或断电之后,都要对内部进行一种特殊的设定程序才能使CVT发挥正常的状态。所以,相对于CVT变速箱的维修应去专业的修理单位进行维修。 发展历程 CVT技术的发展,已经有了一百多年的历史。德国奔驰公司是在汽车上采用CVT技术的鼻祖,早在1886年就将V型橡胶带式CVT安装在该公司生产的汽油机汽车上。1958年,荷兰的DAF公司H.VanDoorne博士研制成功了名为Variomatic的双V型橡胶带式CVT,并装备于DAF公司制造的Daffodil轿车上,其销量超过了100万辆。但是由于橡胶带式CVT存在一系列的缺陷:功率有限(转矩局限于135Nm以下),离合器工作不稳定,液压泵、传动带和夹紧机构的能量损失较大,因而没有被汽车行业普遍接受。 然而提高传动带性能和CVT传递功率极限的研究一直在进行,将液力变矩器集成到CVT系统中,主、从动轮的夹紧力实现电子化控制,在CVT中采用节能泵,传动带用金属带代替传统的橡胶带。新的技术进步克服了CVT系统原有的技术缺陷,导致了传递转矩容量更大、性能更优良的第二代CVT的面世。 进入20世纪90年代,汽车界对CVT技术的研究开发日益重视,特别是在微型车中,CVT被认为是关键技术。全球科技的迅猛发展,使得新的电子技术与自动控制技术不断被采用到CVT中。 1997年上半年,日本日产公司开发了使用在2.0L汽车上的CVT。在此基础上,日产公司在1998年开发了一种为中型轿车设计的包含一个手动换档模式的CVT。新型CVT采用一个最新研制的高强度宽钢带和一个高液压控制系统。通过采用这些先进的技术来获得较大的转矩能力,日产公司研究开发CVT的电子控制技术,传动比的改变实行全档电子控制,汽车在下坡时可以一直根据车速控制发动机制动,而且在湿滑路面上能够平顺地增加速比来防止打滑。日产公司计划将它的CVT的应用范围从1.0L扩大到3.0L的轿车。 日本三菱公司已选择了CVT平顺无能量损失地传递直喷式发动机的动力来驱动汽车。V型带/传动轮机构可以保证在所有速率下发动机动力平顺无间断地传递。CVT根除了传统的自动变速器通过齿轮换档时的打齿现象,从而获得更满意的响应和控制。三菱公司准备采用直喷式发动机(1.5L或更小)与CVT组合。 日本富士重工同时拥有15年开发CVT的经验。1997年5月,富士重工将它的Vistro微型车装配了全计算机控制式E-CVT(含有六档手动换档模式的CVT)。驾驶员无须操作离合器就可以进行六档变速。富士重工在Pleo微型车上采用一种有锁止式变矩器的电控式CVT、通过小范围锁止可以使液力变矩器的滑动保持在最小值,行星齿轮用来切换前进档/倒退档。传动比范围从1:10-5.5:1。 1999年上半年,美国的福特公司和德国ZF公司合作为福特公司的轿车和轻型载货车生产CVT。在巴达维亚和俄亥俄州新建的合资企业将从2001年生产为福特公司设计的、带有电子管理功能的CFT23型CVT。ZF公司设计的CVT是一种变矩器式变速器,使用为安装横向发动机前轮驱动汽车生产的钢带。ZF公司也能为安装纵向发动机的前轮驱动汽车和后轮驱动汽车生产CVT系列。ZF公司称:与四档自动变速器相比,CVT系统能够将加速性能提高10%,燃油经济性提高10%-15%。与锁止式变矩器相比,CVT系统在不漏油的前提下效率更高。福特公司正在设计一种与公司内所有轻型载货车匹配的牵引驱动CVT,包括后轮驱动和全轮驱动载货车。牵引驱动使用沿特殊滑液的可移动滑件代替传动带和传动轮。滑动部分的相对位置决定传动比,由一层部件间非常薄的液油来传递动力。 德国ZF公司从1999年中期开始为Rover216型汽车提供钢带驱动的VT1型CVT。这种CVT包括螺旋齿轮或变速器、合适的液压系统、湿式离合器。在系统中集成的ECU可以允许机械、液力和电子系统进一步组合,这就更好地利用了各种系统的独特优点。 德国博世的电子式CVT控制系统是基于用传感器和执行器单元控制基础上的电子/液力模块。博世公司已经将独立部件、执行器、传感器和变速器换档ECU组成一个单独的模块,变速器制造商只需增加一个集成控制单元。 发展趋势 CVT技术未来的发展可以从以下四个方面进行分析。 CVT部件 推式传动带和传动链将在转矩传递容量和专用性上进一步加强。由于产品数量的迅速增加,伴随产品过程的进一步自动化,成本会大幅降低。 CVT专用的液压泵将被推广。用于自动跳合和紧急制动的小型电子驱动泵,和用于正常工况的发动机驱动泵协同工作,将进一步改善整个变速器的效率。 滑轮优化设计将不仅减小系统的质量和降低成本,而且保证在主、从动轮和传动带之间的最大传递转矩。不同部件、微处理器和测试设备的电子控制差异,导致非常高的研究和制造成本,这将通过电液控制模块化设计和大规模生产而减小,从而将柔性的功能和低廉的成本有机组合。 因为越来越多的CVT进入市场,制造商已经开始研究开发CVT专用变速器工作液,这将给CVT工作特性进一步优化带来机会。 CVT变速器 大量不同的布置有可能出现,不仅由于汽车驱动差异和要求(FWD、RWD、AWD),而且也由于增加传动比覆盖范围的持续要求。 电子化将带来传动比、速度、压力和转矩的更快的、更精确的控制,保证发动机和变速器更好的调节,提供了不同的行驶模式,例如运动型、舒适型和巡航控制,从而使用户获得全方位的“行驶乐趣”。 发动机与CVT集成控制 更精确、更快的CVT控制,将与发动机控制一起集成到整个传动系管理系统中,使得油耗和排放的进一步降低。带有集成发动机管理单元的第一个CVT传动系原型已经进行了行驶循环测试。 混合动力CVT传动系 CVT将承担带有飞轮储能装置的混合动力传动系设计中的重要角色。采用CVT传动系的混合动力汽车的油耗有可能减少30%,排放有可能降低50%。 [2]