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                              CVT-無級變速箱知識

                                                           CVT的含義

    目前在汽車上廣泛使用的自動變速技術是將液力變矩器和行星齒輪系組合的自動變速器技術,在主要汽車制造商生產的城市用車中的平均裝車率已經達到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,只能實現分段范圍內的無級變速;液力傳動的效率較低,影響了整車的動力性能與燃料經濟性;增加變速器的檔位數來擴大無級變速覆蓋范圍,就必須采用較多的執行元件來控制行星齒輪系的動力傳遞路線,導致自動變速器零部件數量過多,結構復雜,保養和維護不便。所以汽車行業早就開始研究其它新型變速技術,無級變速(CVT)技術就是其中最有前景的一種。
    CVT(Continuously Variable Transmission)技術即無級變速技術,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可以實現傳動比的連續改變,從而得到傳動系與發動機工況的最佳匹配,提高整車的燃油經濟性和動力性,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。


                                                      CVT技術的發展概況

    CVT技術的發展,已經有了一百多年的歷史。德國奔馳公司是在汽車上采用CVT技術的鼻祖,早在1886年就將V型橡膠帶式CVT安裝在該公司生產的汽油機汽車上。1958年,荷蘭的DAF公司H.Van 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(轉矩局限于135Nm以下),離合器工作不穩定,液壓泵、傳動帶和夾緊機構的能量損失較大,因而沒有被汽車行業普遍接受。
    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系統中,主、從動輪的夾緊力實現電子化控制,在CVT中采用節能泵,傳動帶用金屬帶代替傳統的橡膠帶。新的技術進步克服了CVT系統原有的技術缺陷,導致了傳遞轉矩容量更大、性能更優良的第二代CVT的面世。
    進入20世紀90年代,汽車界對CVT技術的研究開發日益重視,特別是在微型車中,CVT被認為是關鍵技術。全球科技的迅猛發展,使得新的電子技術與自動控制技術不斷被采用到CVT中。
    1997年上半年,日本日產公司開發了使用在2.0L汽車上的CVT。在此基礎上,日產公司在1998年開發了一種為中型轎車設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。通過采用這些先進的技術來獲得較大的轉矩能力,日產公司研究開發CVT的電子控制技術,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車速控制發動機制動,而且在濕滑路面上能夠平順地增加速比來防止打滑。日產公司計劃將它的CVT的應用范圍從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動機的動力來驅動汽車。V型帶/傳動輪機構可以保證在所有速率下發動機動力平順無間斷地傳遞。CVT根除了傳統的自動變速器通過齒輪換檔時的打齒現象,從而獲得更滿意的響應和控制。三菱公司準備采用直噴式發動機(1.5L或更小)與CVT組合。
    日本富士重工同時擁有15年開發CVT的經驗。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CVT。在巴達維亞和俄亥俄州新建的合資企業將從2001年生產為福特公司設計的、帶有電子管理功能的CFT23型CVT。ZF公司設計的CVT是一種變矩器式變速器,使用為安裝橫向發動機前輪驅動汽車生產的鋼帶。ZF公司也能為安裝縱向發動機的前輪驅動汽車和后輪驅動汽車生產CVT系列。ZF公司稱:與四檔自動變速器相比,CVT系統能夠將加速性能提高10%,燃油經濟性提高10%-15%。與鎖止式變矩器相比,CVT系統在不漏油的前提下效率更高。福特公司正在設計一種與公司內所有輕型載貨車匹配的牽引驅動CVT,包括后輪驅動和全輪驅動載貨車。牽引驅動使用沿特殊滑液的可移動滑件代替傳動帶和傳動輪;瑒硬糠值南鄬ξ恢脹Q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型汽車提供鋼帶驅動的VT1型CVT。這種CVT包括螺旋齒輪或變速器、合適的液壓系統、濕式離合器。在系統中集成的ECU可以允許機械、液力和電子系統進一步組合,這就更好地利用了各種系統的獨特優點。
    德國博世的電子式CVT控制系統是基于用傳感器和執行器單元控制基礎上的電子/液力模塊。博世公司已經將獨立部件、執行器、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。



                                                 CVT的工作原理

    CVT的主要結構和工作原理如圖1所示,該系統主要包括主動輪組、從動輪組、金屬帶和液壓泵等基本部件。金屬帶由兩束金屬環和幾百個金屬片構成。主動輪組和從動輪組都由可動盤和固定盤組成,與油缸靠近的一側帶輪可以在軸上滑動,另一側則固定?蓜颖P與固定盤都是錐面結構,它們的錐面形成V型槽來與V型金屬傳動帶嚙合。發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,最后經減速器、差速器傳遞給車輪來驅動汽車。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需要通過控制系統調節主動輪、從動輪液壓泵油缸壓力來實現的。由于主動輪和從動輪的工作半徑可以實現連續調節,從而實現了無級變速。

    

    在金屬帶式無級變速器的液壓系統中,從動油缸的作用是控制金屬帶的張緊力,以保證來自發動機的動力高效、可靠的傳遞。主動油缸控制主動錐輪的位置沿軸向移動,在主動輪組金屬帶沿V型槽移動,由于金屬帶的長度不變,在從動輪組上金屬帶沿V型槽向相反的方向變化。金屬帶在主動輪組和從動輪組上的回轉半徑發生變化,實現速比的連續變化。

    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增大,從動輪的工作半徑相應減小,CVT的傳動比下降,使得汽車能夠以更高的速度行駛。



                                                              CVT的技術特性

 

    1.經濟性
    CVT可以在相當寬的范圍內實現無級變速,從而獲得傳動系與發動機工況的最佳匹配,提高整車的燃油經濟性。德國的大眾公司在自己的Golf VR6轎車上分別安裝了4-AT和CVT進行ECE市區循環和ECE郊區循環測試,證明CVT能夠有效節約燃油(如表1)

1 安裝4-AT和CVT的大眾公司的Golf VR6汽車的燃油消耗對比

試驗油耗

4-AT

CVT

ECE市區循環,L/100km

14.4

13.2

ECE郊區/遠程循環,L/100km

10.8

9.8

90km/h勻速,L/100km

8.3

7.0

120km/h,L/100km

10.3

9.2

    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。

2 安裝4-AT和CVT的克來斯勒Voyager轎車動力性對比

項 目

4-AT

CVT

加速時間(s)

0-30km/h

2.5

2.5

0-100km/h

13.2

12.2

    3.排放
    CVT的速比工作范圍寬,能夠使發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
.成本
    CVT系統結構簡單,零部件數目比AT(約500個)少(約300個),一旦汽車制造商開始大規模生產,CVT的成本將會比AT小。由于采用該系統可以節約燃油,隨著大規模生產以及系統、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)的生產成本,將降低20%-30%。


                                                        CVT技術未來發展趨勢

    CVT技術未來的發展可以從以下四個方面進行分析。  
    1.CVT部件
    推式傳動帶和傳動鏈將在轉矩傳遞容量和專用性上進一步加強。由于產品數量的迅速增加,伴隨產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動泵,和用于正常工況的發動機驅動泵協同工作,將進一步改善整個變速器的效率。
    滑輪優化設計將不僅減小系統的質量和降低成本,而且保證在主、從動輪和傳動帶之間的最大傳遞轉矩。不同部件、微處理器和測試設備的電子控制差異,導致非常高的研究和制造成本,這將通過電液控制模塊化設計和大規模生產而減小,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,制造商已經開始研究開發CVT專用變速器工作液,這將給CVT工作特性進一步優化。  

    2
.CVT變速器
    大量不同的布置有可能出現,不僅由于汽車驅動差異和要求(FWD、RWD、AWD),而且也由于增加傳動比覆蓋范圍的持續要求。
    電子化將帶來傳動比、速度、壓力和轉矩的更快的、更精確的控制,保證發動機和變速器更好的調節,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”。

    3
.發動機與CVT集成控制
    更精確、更快的CVT控制,將與發動機控制一起集成到整個傳動系管理系統中,使得油耗和排放的進一步降低。帶有集成發動機管理單元的第一個CVT傳動系原型已經進行了行駛循環測試。

    4
.混合動力CVT傳動系
    CVT將承擔帶有飛輪儲能裝置的混合動力傳動系設計中的重要角色。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%。


                                                 CVT變速器的應用

    1987年,日本Subaru把裝備CVT變速器的汽車投放市場,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。隨著技術的發展,能源危機引發全球性的節約能源和環境保護意識的提高,在總結第一代的CVT的經驗基礎上,開發出了性能更佳,轉矩容量更大的CVT。當前,全世界各大汽車廠商為了提高產品的競爭力,都大力進行CVT的研發工作,F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轎車的年產量已達到近50萬輛。有一點值得注意的是,裝備有CVT的汽車市場,由最初的日本,歐洲,已經滲透到北美市場,因此無級變速汽車是當今汽車發展的主要趨勢。
   我們國家有巨大的汽車銷售市場,汽車工業是我國的民族工業之一。然而我國汽車業所需的自動變速器(AT)全部依賴進口,這使得國產汽車配備AT后,成本增加很大,而裝備自行開發生產CVT變速器,其成本提高不大,說明CVT的市場前景令人樂觀。
   目前我國正在考慮發展轎車自動變速器的問題。自“九·五”期間轎車金屬帶式無級自動變速器的開發和研制已經被列入國家的重大科技攻關計劃,以跟蹤世界技術的發展和開發適合我國國情的汽車。  

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