陳玉萍

（黑龍江省龍建路橋第四工程有限公司）

無(wú)級(jí)變速器汽車適應(yīng)節(jié)能和環(huán)保的要求,目前可應(yīng)用于汽車的無(wú)級(jí)變速器（CVT）有環(huán)盤(pán)滾輪式、擺銷鏈?zhǔn)胶徒饘賻?與前兩種相比,金屬帶式無(wú)級(jí)變速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,承載能力強(qiáng),傳動(dòng)效率高,已在全世界70多種車型中使用。無(wú)級(jí)變速器通過(guò)傳動(dòng)比的連續(xù)變化,使車輛外界行駛條件與發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載實(shí)現(xiàn)最佳匹配,使此時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)在高效區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn),燃燒完全、排放污染減少、噪音降低,從而充分發(fā)揮了發(fā)動(dòng)機(jī)的潛力,使發(fā)動(dòng)機(jī)具有理想的動(dòng)力性能表現(xiàn),并提高了整車的燃油經(jīng)濟(jì)性。系統(tǒng)分析金屬帶式無(wú)級(jí)變速器的優(yōu)勢(shì),對(duì)于完善變速器設(shè)計(jì)理念,優(yōu)化自動(dòng)變速器配比汽車的比例,具有重要意義。

1 金屬帶式無(wú)級(jí)變速器結(jié)構(gòu)組成

典型的金屬帶式CVT變速器傳動(dòng)系統(tǒng)一般由液力變矩器、液壓控制閥體、離合器制動(dòng)器組、主動(dòng)錐輪組件、鋼帶、從動(dòng)錐輪組件和差速器總成等主要部分構(gòu)成。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型CVT傳動(dòng)結(jié)構(gòu)原理圖

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(pán)和固定盤(pán)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(pán)與固定盤(pán)都是錐面結(jié)構(gòu),它們的錐面形成V型槽來(lái)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(guò)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(lái)驅(qū)動(dòng)汽車。工作時(shí)通過(guò)主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的可動(dòng)盤(pán)作軸向移動(dòng)來(lái)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(pán)的軸向移動(dòng)量是由駕駛者根據(jù)需要通過(guò)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(lái)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(wú)級(jí)變速。

在金屬帶式無(wú)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(lái)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(kāi)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(lái)保證汽車有較高的加速度。隨著車速的增加,主動(dòng)輪的工作半徑逐漸增大,從動(dòng)輪的工作半徑相應(yīng)減小,金屬帶式CVT的傳動(dòng)比下降,使得汽車能夠以更高的速度行駛。

金屬帶式CVT的核心部件由兩組帶輪和金屬帶構(gòu)成。每組帶輪由可動(dòng)帶輪和不可動(dòng)帶輪組成。當(dāng)進(jìn)行降速調(diào)速時(shí),應(yīng)使從動(dòng)輪的兩半錐盤(pán)互相靠攏以增大工作直徑,V帶能傳遞有效圓周力也將減小,而所傳遞的轉(zhuǎn)矩基本不變。反之,升速調(diào)速時(shí),應(yīng)使從動(dòng)輪的兩半錐盤(pán)互相分開(kāi)以減小工作直徑,這將使有效圓周力增大而保持轉(zhuǎn)矩。金屬帶在兩帶輪構(gòu)成的V型槽內(nèi)沿徑向滑動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)速比在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)從最小到最大變化。

2 金屬帶式CVT無(wú)級(jí)變速器的優(yōu)越性分析

為了考察金屬帶式CVT在汽車實(shí)際應(yīng)用中的效果,各國(guó)車廠都做過(guò)對(duì)比試驗(yàn),以城市為單元,試驗(yàn)方法就是在同一款車上分別使用MT、AT和金屬帶式CVT,在同等條件下進(jìn)行性能比較。試驗(yàn)的結(jié)果有力地證明了金屬帶式CVT的優(yōu)勢(shì)和技術(shù)特點(diǎn)。

2.1 動(dòng)力性的優(yōu)越性

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。就傳統(tǒng)的MT和AT變速器來(lái)說(shuō),擋數(shù)越多,發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)揮最大功率附近的高功率的機(jī)會(huì)也就越大,汽車的加速和爬坡能力即動(dòng)力性也就越強(qiáng)。但是當(dāng)擋位數(shù)超過(guò)5個(gè)（前進(jìn)擋）時(shí),就會(huì)使變速器的結(jié)構(gòu)和操縱機(jī)構(gòu)大為復(fù)雜。由于金屬帶式CVT的無(wú)級(jí)變速特性,能夠獲得后備功率最大的傳動(dòng)比,所以金屬帶式CVT的動(dòng)力性能明顯優(yōu)于MT和AT；并且相比較起來(lái),金屬帶式CVT的結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單緊湊。幾種不同車型以汽車加速性能作為評(píng)價(jià)指標(biāo),在同樣條件下的試驗(yàn)結(jié)果為：裝用金屬帶式CVT的汽車加速性能（0～100 km/h）比裝用AT變速器的汽車的加速性能提高7.5％～11.5％,在速度較高時(shí)還略優(yōu)于MT汽車。

2.2 經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)越性

CVT可以在一定范圍內(nèi)可以擁有無(wú)數(shù)個(gè)傳動(dòng)比,能自由控制發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn),協(xié)調(diào)汽車外界行駛條件與發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載,從而獲得傳動(dòng)系與發(fā)動(dòng)機(jī)工況的最佳匹配,使汽車按最佳燃料經(jīng)濟(jì)工作線工作成為可能,提高整車的燃油經(jīng)濟(jì)性。

日本富土重工Subaru Justy、福特Fiesta、德國(guó)ZF公司裝用金屬帶式CVT-CFT20E型轎車、美國(guó)Chrysler Voyager、德國(guó)大眾汽車公司Golf VR 6及法國(guó)Renau lt Safrane幾家汽車公司的汽車在裝用金屬帶式CVT前后的經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)結(jié)果為：裝用金屬帶式CVT汽車的經(jīng)濟(jì)性比自動(dòng)變速（AT）汽車提高約8％～12％,與機(jī)械變速（MT）汽車相當(dāng)。

2.3 傳動(dòng)效率的優(yōu)越性

變速裝置本身的傳動(dòng)效率將影響汽車的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。與機(jī)械變速器相比,金屬帶式CVT傳動(dòng)裝置除機(jī)械傳動(dòng)外,額外的液壓控制系統(tǒng)要消耗相應(yīng)的能量,金屬傳動(dòng)帶的摩擦損失也要消耗部分能量,所以無(wú)論金屬帶式CVT傳動(dòng)裝置如何完善,它本身的傳動(dòng)效率一定低于機(jī)械變速器效率,最多只能接近機(jī)械變速器效率。近年采用滾子葉片泵和全電子控制技術(shù),其傳動(dòng)效率已接近到機(jī)械變速器效率。目前,金屬帶式CVT傳動(dòng)技術(shù)已日臻成熟,采用最優(yōu)設(shè)計(jì)的金屬帶式CVT汽車的綜合性能明顯優(yōu)于5擋AT汽車,兩者的比較結(jié)果如蜘蛛圖2。合理確定帶輪軸向力是提高汽車金屬帶式無(wú)級(jí)變速器傳動(dòng)效率的有效途徑,其最佳方案是根據(jù)實(shí)際傳遞的轉(zhuǎn)矩施加軸向力,保證金屬帶傳動(dòng)始終工作在轉(zhuǎn)矩比r=0.8～0.9范圍,這是其傳動(dòng)能力最強(qiáng)、傳動(dòng)效率最高的工況。

圖2 5擋AT與金屬帶式CVT綜合性能比較蜘蛛圖

2.4 平順性、舒適性和操縱性的優(yōu)越性

由于金屬帶式CVT在起步和加減速過(guò)程中不會(huì)像MT和AT變速器那樣產(chǎn)生縱向沖擊或抖動(dòng),因此,使用CVT的汽車行駛更加平順,乘坐也更加舒適。

金屬帶式CVT在變速過(guò)程中無(wú)須中斷動(dòng)力傳輸,再結(jié)合一些電子控制裝置,可以大幅減輕駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了汽車的操縱性,同時(shí)也提高了行車安全性。

2.5 排放方面的優(yōu)越性

由于金屬帶式CVT能夠根據(jù)需要控制發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn),使發(fā)動(dòng)機(jī)能最大限度地被控制在最佳工作點(diǎn)附近,使得氣缸燃燒室內(nèi)混合氣體燃燒充分,大大降低了尾氣中有害氣體和粉塵的排放。根據(jù)德國(guó)著名的金屬帶式CVT生產(chǎn)商ZF公司對(duì)自己的金屬帶式CVT變速器與AT變速器進(jìn)行同比試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù),使用金屬帶式CVT的汽車比使用AT變速器的汽車尾氣中有害氣體的排放減少了大約10％。

2.6 成本上的優(yōu)越性

產(chǎn)品的成本取決于產(chǎn)品的技術(shù)含量、使用的材料、制造工藝以及工藝裝備等因素。金屬帶式CVT變速器與AT變速器相比,結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單得多；但是由于金屬帶式CVT變速器許多關(guān)鍵部件的材料須使用優(yōu)質(zhì)鋼材,加工過(guò)程比較復(fù)雜,加之金屬帶式CVT變速器的生產(chǎn)規(guī)模的限制,金屬帶式CVT變速器的價(jià)格與AT變速器的價(jià)格相差不是很大。但是隨著大規(guī)模生產(chǎn)以及系統(tǒng)、材料的革新,金屬帶式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％。

3 結(jié)論

金屬帶式CVT具有很多優(yōu)越性,在當(dāng)前技術(shù)條件下,裝備金屬帶式CVT的汽車可以達(dá)到比手動(dòng)機(jī)械變速器具有更好的動(dòng)力性；比液力機(jī)械自動(dòng)變速器具有更經(jīng)濟(jì)的價(jià)格,更優(yōu)的性能；比有級(jí)變速器具有更低的排放；同時(shí)具有最佳的駕駛舒適性。采用金屬帶式CVT可以得到傳動(dòng)系與發(fā)動(dòng)機(jī)工況的最好匹配,提高整車的燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性,并可以提高操縱方便性和舒適性,有效地降低了排放污染,且綜合性能優(yōu)于AMT系統(tǒng)。

[1]Osawa M.Basic analysis towards further development of continuously variable transm issions[J].R＆DRev iew of Toyota CRDL,2006,40（3）：1-5.

[2]孫冬野,秦大同,胡建軍.并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)方案的研究[J].車輛與動(dòng)力技術(shù),2000,（4）：22～26.

[3]Vahabzadeh.H.,Macey,J.P.,Dittrich,O.A,Ralinfinitely variable transmission mechanism.In 23rd Internationa Congress.1990：687～695.

[4]張濱剛,姜正根,劇引芳.金屬帶式自動(dòng)無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)（CVT）裝置的性能分析[J].兵工學(xué)報(bào),2000,（7）：32～36.