深入浅出 全面了解CVT技术及应用状况

        深入浅出 全面了解CVT技术及应用状况

　　CVT技术再次成为人们关注的新技术之一，这里我们就将CVT的原理深入浅出的向大家介绍，让大家了解究竟CVT技术与现在大量使用的手动变速器和自动变速器有什么不同。

　　现在市场上销售的汽车，装备的变速箱主要有手动变速器(MT)、自动变速器(AT)、无级变速器(CVT)。

　　1、MT：

　　手动变速器(MT：Manual Transmission)采用齿轮组，由于每挡的齿轮组的齿数是固定的，所以各挡的变速比是个定值(也就是所谓的“级”)。比如，一挡变速比是3.455,二挡是2.056,再到五挡的0.85,这些数字再乘上主减速比就是总的传动比，总共只有5个值(即有5级)，所以说它是有级变速器。

　　手动变速器是最常见的变速器，它的基本构造用一句话概括，就是两轴一中轴，即指输入轴、轴出轴和中间轴，它们构成了变速器的主体，当然还有一根倒档轴。手动变速器又称手动齿轮式变速器，含有可以在轴向滑动的齿轮，通过不同齿轮的啮合达到变速变扭目的。

　　2、AT：

　　自动变速器(AT:Automatic Transmission)是利用车速和负荷(油门踏板的行程)进行双参数控制，挡位根据上面的两个参数来自动升降。AT与MT的相同点，就是二者都是有级式变速器，只不过AT能根据车速的快慢来自动实现挡位的增减，可以消除手挡车“顿挫”的变挡感觉。

　　(1)AT的结构：

　　与手动波相比，液力自动波(AT)在结构和使用上有很大的不同。手动波主要由齿轮和轴组成，通过不同的齿轮组合产生变速变矩;而AT是由液力变扭器、行星齿轮和液压操纵系统组成，通过液力传递和齿轮组合的方式来达到变速变矩。其中液力变扭器是AT最具特点的部件，它由泵轮、涡轮和导轮等构件组成，直接输入发动机动力传递扭矩和离合作用。

　　(2)AT的优缺点 ：

　　AT不用离合器换档，档位少变化大，连接平稳，因此操作容易，既给开车人带来方便，也给坐车人带来舒适。

　　但缺点也多，一是对速度变化反应较慢，没有手动波灵敏，因此许多玩车人士喜欢开手动波车;二是费油不经济，传动效率低变矩范围有限，近年引入电子控制技术改善了这方面的问题;三是机构复杂，修理困难。在液力变扭器内高速循环流动的液压油会产生高温，所以要用指定的耐高温液压油。另外，如果汽车因蓄电池缺电不能启动，不能用推车或拖车的方法启动。如果拖运故障车，要注意使驱动轮脱离地面，以保护自动波齿轮不受损害。

　　(3)AMT

　　AMT在机械变速器(手动波)原有基础上进行改造，主要改变手动换档操纵部分。即在总体传动结构不变的情况下通过加装微机控制的自动操纵系统来实现换挡的自动化。因此AMT实际上是由一个机器人系统来完成操作离合器和选档的两个动作。由于AMT能在现生产的手动波基础上进行改造，生产继承性好，投入的责用也较低，容易被生产厂接受。AMT的核心技术是微机控制，电子技术及质量将直接决定AMT的性能与运行质量。

　　3、CVT：

　　CVT

　　无级变速器(CVT：ContinuouslyVariableTrans-mission)与有级式的区别在于，它的变速比不是间断的点，而是一系列连续的值，譬如可以从3.455一直变化到0.85。CVT结构比传统变速器简单，体积更小，它既没有手动变速器的众多齿轮副，也没有自动变速器复杂的行星齿轮组，它主要靠主、从动轮和金属带来实现速比的无级变化。

　　其原理是与普通的变速箱一样大小不一的几组齿轮在操控下有分有合，形成不同的速比，像自行车的踏板经大小轮盘与链条带动车轮以不同的速度旋转。由于不同的力度对各组齿轮产生的推力大小不一，致使变速箱输出的转速也随之变化，从而实现不分档次的徐缓转动。

　　CVT采用传动带和可变槽宽的棘轮进行动力传递，即当棘轮变化槽宽肘，相应改变驱动轮与从动轮上传动带的接触半径进行变速，传动带一般用橡胶带、金属带和金属链等。CVT是真正无级化了，它的优点是重量轻，体积小，零件少，与AT比较具有较高的运行效率，油耗较低。但CVT的缺点也是明显的，就是传动带很容易损坏，不能承受较大的载荷，只能限用于在1升排量左右的低功率和低扭矩汽车，因此在自动变速器占有率约4%以下。近年来经过各大汽车公司的大力研究，情况有所改善。CVT将是自动变速箱的发展方向。

　　国内目前有三款CVT产品，分别是奥迪、飞度、西耶那(帕力奥)，第四款上市的CVT就是旗云。这四款产品中只有奥迪和旗云带巡航定速。

　　CVT的发展历史

　　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.Van Doorne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1.0 L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Rover 216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。

　　CVT变速器的应用

　　1987年，日本Subaru把装备CVT变速器的汽车投放市场，获得成功。欧洲的Ford和Fiat也将VDT-CVT装备于排量为1.1L到1.6L的轿车上。随着技术的发展，能源危机引发全球性的节约能源和环境保护意识的提高，在总结第一代的CVT的经验基础上，开发出了性能更佳，转矩容量更大的CVT。当前，全世界各大汽车厂商为了提高产品的竞争力，都大力进行CVT的研发工作。现在NISSAN、TOYOTA、FORD、GM、AUDI等著名汽车品牌中，都有配备CVT变速器的轿车销售，全世界CVT轿车的年产量已达到近50万辆。有一点值得注意的是，装备有CVT的汽车市场，由最初的日本，欧洲，已经渗透到北美市场，因此无级变速汽车是当今汽车发展的主要趋势。

　　我们国家有巨大的汽车销售市场，汽车工业是我国的民族工业之一。然而我国汽车业所需的自动变速器(AT)全部依赖进口，这使得国产汽车配备AT后，成本增加很大，而装备自行开发生产CVT变速器，其成本提高不大，说明CVT的市场前景令人乐观。

　　目前我国正在考虑发展轿车自动变速器的问题。自“九·五”期间轿车金属带式无级自动变速器的开发和研制已经被列入国家的重大科技攻关计划，以跟踪世界技术的发展和开发适合我国国情的汽车。

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　　在最近的十几年中，CVT技术已经上前迈进了一大步，使得CVT比有着超过100年历史的机械变速器MT和有着超过50年历史的自动变速器AT更有竞争力。CVT技术正处于寿命周期的开始，CVT的特性将进一步提高。

　　什么是CVT?

　　CVT的主要结构和工作原理如图1所示，该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。

　　无极变速器电控系统结构原理图

　　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。

　　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。

　　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，主动轮的工作半径逐渐减小，从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。

　　CVT的特性

　　1、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。德国的大众公司在自己的Golf VR6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)

　　安装4-AT和CVT的大众公司的Golf VR6汽车的燃油消耗对比

　　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

　　2、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CVT的动力性能明显优于机械变速器(MT)和自动变速器(AT)。

　　3、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公司将自已生产的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%。

　　4、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%。

　　勿庸置疑，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。

　　5、驾驶平顺性

　　由于CVT的速比变化是连续不断的，所以汽车的加速或减速过程非常平缓，而且驾驶非常简单、安全。从而使用户获得全方位的“行驶乐趣”。