潘國(guó)揚(yáng)，石曉輝，郝建軍，郭 棟

(1.汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054;2.奇瑞汽車股份有限公司，安徽蕪湖 241000)

汽車變速器是伴隨著車用內(nèi)燃機(jī)而出現(xiàn)的。最初其主要作用是傳遞動(dòng)力，彌補(bǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性的缺陷，滿足整車起步時(shí)大扭矩小轉(zhuǎn)速、高車速時(shí)低扭矩高轉(zhuǎn)速的需求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)倒車等功能。隨著汽車技術(shù)的發(fā)展及人們對(duì)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性及舒適性要求的不斷提高，變速器的作用早已不單是滿足起步、倒車等需求，它對(duì)整車燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性能、操控駕駛舒適性等起著越來越重要的作用。市場(chǎng)上廣義的變速器分為手動(dòng)和自動(dòng)變速器，其中自動(dòng)變速器由于操控簡(jiǎn)單、駕駛舒適性好，越來越受消費(fèi)者追捧(北美、日本等市場(chǎng)中自動(dòng)變速器比重已經(jīng)超過90%)。隨著電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，自動(dòng)變速器在燃油經(jīng)濟(jì)性、排放以及混合動(dòng)力匹配上的優(yōu)勢(shì)越來越明顯。

車用自動(dòng)變速器大致有4類:液力自動(dòng)變速器(即AT)、電子控制機(jī)械式自動(dòng)變速器(AMT)、無級(jí)變速器(CVT)及雙離合自動(dòng)變速器(DCT)。其中，無級(jí)變速器(CVT)由于具有傳動(dòng)比連續(xù)、傳遞動(dòng)力平穩(wěn)、燃油經(jīng)濟(jì)性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、成本低、操縱方便等特點(diǎn)，已成為自動(dòng)變速器家族中重要的一員［1－11］。但是 CVT對(duì)液壓系統(tǒng)油壓要求較高，使得其整體效率較低，其燃油經(jīng)濟(jì)性相對(duì)手動(dòng)變速器(MT)沒有明顯優(yōu)勢(shì)。不過隨著CVT技術(shù)的發(fā)展，最近日產(chǎn)JATCO公司推出的CVT7無級(jí)變速器相比MT燃油經(jīng)濟(jì)性有大幅提升，在北美EPA公布的數(shù)據(jù)中其節(jié)油率達(dá)到15%，在國(guó)內(nèi)工信部公布的數(shù)據(jù)中也達(dá)到了6.8%，使得CVT的節(jié)油性能得到了充分的體現(xiàn)［1］。

1 CVT的發(fā)展與應(yīng)用

在汽車發(fā)展的初期，工程師們就已認(rèn)識(shí)到只有在發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系之間實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速調(diào)節(jié)才能使汽車達(dá)到理想的行駛工況。長(zhǎng)期以來，研究人員一直致力于開發(fā)能傳遞大功率，維持高效率、高壽命的無級(jí)變速器。迄今為止，無級(jí)變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)已有很多類型。最早應(yīng)用于汽車的無級(jí)變速傳動(dòng)是V型橡膠帶式無級(jí)自動(dòng)變速傳動(dòng)，應(yīng)用在1886年由德國(guó)Daimlar-Benz公司生產(chǎn)的汽油機(jī)汽車上。1965年DAF55使用的由兩副橡膠帶組成的CVT如圖1所示。但橡膠帶式無級(jí)自動(dòng)變速器因無法解決橡膠帶耐久性問題而逐步退出市場(chǎng)。

CVT取得里程碑式的成績(jī)是在20世紀(jì)60年代中期，荷蘭的H.Vandoorne博士等研制出功率密度大、可靠性高的金屬傳動(dòng)帶，使帶式無級(jí)變速器取得突破性進(jìn)展。1987年，荷蘭VDT公司聯(lián)合富士重工開發(fā)的金屬帶式CVT應(yīng)用在Subaru Justy轎車上并投放市場(chǎng)，取得了巨大的成功，開啟了CVT車用的時(shí)代。之后日產(chǎn)、本田、豐田、奧迪、奔馳等汽車公司都陸續(xù)推出了CVT變速器產(chǎn)品［4］。

圖1 橡膠帶式CVT

1995年，荷蘭VDT公司被Bosch集團(tuán)收購(gòu)。隨著Bosch公司在鋼帶研發(fā)和生產(chǎn)工藝技術(shù)方面的大量投入，CVT技術(shù)得到了飛速的發(fā)展和推廣?，F(xiàn)在Bosch公司開發(fā)出的最新一代鋼帶傳遞扭矩已經(jīng)突破了500 N·m［5］。結(jié)合當(dāng)今先進(jìn)的電子液壓控制技術(shù)，CVT變速器的傳動(dòng)效率等性能更加完善。近期日產(chǎn)JATCO、本田、豐田等公司推出的新一代CVT變速器在燃油經(jīng)濟(jì)性等方面的指標(biāo)已經(jīng)成為新一代變速器的標(biāo)桿。CVT在本田、豐田、日產(chǎn)等公司混合動(dòng)力車型上已成功應(yīng)用，成為了混合動(dòng)力的最佳傳動(dòng)系統(tǒng)。

大規(guī)模成功應(yīng)用的CVT是如圖2所示的由錐輪和傳動(dòng)帶組合的傳動(dòng)帶式CVT(下文中所提的CVT都指該種CVT)。這種CVT變速器主要靠傳動(dòng)帶和帶輪錐面摩擦來實(shí)現(xiàn)扭矩傳遞，摩擦傳動(dòng)使得傳動(dòng)帶承受很大的應(yīng)力，導(dǎo)致CVT的扭矩容量受到很大限制，同時(shí)由于傳動(dòng)帶高夾壓力的需求，導(dǎo)致CVT傳動(dòng)效率相對(duì)MT較低。

圖2 傳動(dòng)帶式CVT

當(dāng)前，開發(fā)真正節(jié)油高效的自動(dòng)變速器成為汽車企業(yè)的一大主要任務(wù)。各大汽車巨頭紛紛在傳動(dòng)技術(shù)上進(jìn)行攻關(guān)，如大眾公司近期推出的干式DCT、日產(chǎn)推出的新一代CVT和ZF公司推出的9AT，其節(jié)油效果均已超過MT變速器車型。CVT變速器由于其優(yōu)異的駕乘舒適性及燃油經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)，正被越來越多的人所青睞。2013年CVT占全球乘用車自動(dòng)變速器的市場(chǎng)份額突破20%，僅次于傳統(tǒng)AT變速器。隨著人們對(duì)汽車節(jié)能減排及駕駛舒適性要求的逐步提高，高效CVT無級(jí)變速器技術(shù)將得到更廣泛的發(fā)展及應(yīng)用［6－7］。

2 日產(chǎn)新式無級(jí)變速器CVT7的結(jié)構(gòu)原理及特點(diǎn)

CVT7結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由起步機(jī)構(gòu)、減速機(jī)構(gòu)、變速機(jī)構(gòu)、副變速器機(jī)構(gòu)、前進(jìn)倒擋機(jī)構(gòu)、液壓控制系統(tǒng)和差速器構(gòu)成［6］。動(dòng)力從起步機(jī)構(gòu)輸入，通過減速機(jī)構(gòu)傳遞到帶輪變速機(jī)構(gòu)，再經(jīng)過副變速機(jī)構(gòu)、前進(jìn)倒擋機(jī)構(gòu)和差速器輸出。前進(jìn)和倒擋通過集成的副變速機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，而變速則是通過帶輪變速機(jī)構(gòu)和副變速機(jī)構(gòu)組合實(shí)現(xiàn)。下面分別介紹各機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)工作原理及技術(shù)特點(diǎn)。

圖3 日產(chǎn)CVT7結(jié)構(gòu)

2.1 起步機(jī)構(gòu)

液力變矩器及其特性示意圖如圖4所示。為了在平穩(wěn)起步的同時(shí)兼顧傳動(dòng)效率，CVT7應(yīng)用了具備滑差控制的閉鎖式液力變矩器。隨著液力變矩器的發(fā)展，匹配閉鎖離合器和高性能緩沖器，以及安裝有高精度液壓控制系統(tǒng)的使變矩器具備了低速滑差閉鎖功能，保證了燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)也具備出色的起步舒適性及爬坡性能。CVT7應(yīng)用的變矩器結(jié)構(gòu)相比以往更緊湊，更加扁平，使整個(gè)變速器的軸向尺寸及質(zhì)量都大大減小。另外，結(jié)合CVT7大的起步速比及變矩器滑差閉鎖控制，使得變矩器在很低的車速就能實(shí)現(xiàn)閉鎖，兼得舒適性及燃油經(jīng)濟(jì)性。圖5為滑差閉鎖控制示意圖。采用滑差控制后，整車在更低的車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)變矩器就實(shí)現(xiàn)了閉鎖，大大提高了CVT整車工況下的傳動(dòng)效率。

圖4 液力變矩器及特性

圖5 滑差閉鎖控制示意圖

2.2 減速機(jī)構(gòu)

和傳統(tǒng)CVT減速機(jī)構(gòu)不同，CVT7將減速機(jī)構(gòu)布置在了帶輪變速系統(tǒng)前面，使得整個(gè)變速器高度和寬度尺寸得到了很好的控制，相應(yīng)地減少了一對(duì)軸承和軸系，并且由于在鋼帶前段進(jìn)行減速，減小了鋼帶工作的最大線速度，使得鋼帶在扭矩和轉(zhuǎn)速應(yīng)用上達(dá)到很好的平衡，避免了鋼帶超高速運(yùn)行帶來的速比擾動(dòng)等不利因素。此外，由于帶輪整體轉(zhuǎn)速下降，使得從動(dòng)帶輪上的平衡油缸得以取消，避免了帶輪油缸高速運(yùn)轉(zhuǎn)造成的液壓系統(tǒng)的擾動(dòng)，從而不僅使其在整體尺寸、質(zhì)量和成本方面大大降低，也使其可靠性得到了很大的提升。

2.3 變速機(jī)構(gòu)

無級(jí)變速機(jī)構(gòu)由金屬傳動(dòng)帶，主、從動(dòng)工作輪組和加壓機(jī)構(gòu)組成，如圖6所示。金屬傳動(dòng)帶由幾百個(gè)金屬片和兩組金屬環(huán)組成，每個(gè)金屬片的厚度為1.4 mm左右，單側(cè)鋼環(huán)組由厚度為0.2 mm左右的12片鋼環(huán)組成，在兩側(cè)工作輪夾緊下通過摩擦來傳遞動(dòng)力。主、從動(dòng)工作輪由活動(dòng)和固定錐盤兩部分組成，與加壓裝置靠近的一側(cè)帶輪可以軸向移動(dòng)，另一側(cè)固定。可動(dòng)盤與固定盤都是錐面結(jié)構(gòu)，它們的錐面形成V型槽與V型金屬傳動(dòng)帶嚙合。

圖6 無級(jí)變速機(jī)構(gòu)

發(fā)動(dòng)機(jī)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。可動(dòng)盤的軸向移動(dòng)是由通過變速器的電子控制系統(tǒng)按照當(dāng)前駕駛者的意圖來調(diào)節(jié)主動(dòng)輪、從動(dòng)輪加壓機(jī)構(gòu)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。

CVT7變速機(jī)構(gòu)增加了一組行星齒輪副變速器(如圖7所示)，使得CVT速比范圍突破了傳統(tǒng)鋼帶帶輪系統(tǒng)的束縛，而且很好地結(jié)合了鋼帶帶輪系統(tǒng)和行星齒輪的效率優(yōu)勢(shì)。CVT7帶輪變速比范圍由0.5～2.0縮小到了4，增加的副變速器擁有2個(gè)速比，分別為1和1.825，使得整個(gè)變速比范圍達(dá)到了驚人的7.3。由圖8帶輪效率曲線圖可以看出:帶輪速比范圍減小后使得整個(gè)帶輪系統(tǒng)效率得到明顯提升。由于副變速器行星齒輪組數(shù)很少，傳動(dòng)效率接近定軸一級(jí)齒輪傳動(dòng)，使得該套系統(tǒng)組合后整體效率得到大大提升，匹配整車油耗相比手動(dòng)擋車型低6%。

圖7 CVT7實(shí)物

圖8 帶輪速比－效率圖

2.4 前進(jìn)倒擋機(jī)構(gòu)

CVT的前進(jìn)倒擋機(jī)構(gòu)是通過行星齒輪機(jī)構(gòu)配合兩套離合器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)前進(jìn)離合器結(jié)合時(shí)，行星輪系一體運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)前進(jìn);當(dāng)?shù)箵蹼x合器結(jié)合時(shí)，行星輪系工作，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的反向輸出。通常CVT的該系統(tǒng)會(huì)布置在變速器輸入軸上，且只實(shí)現(xiàn)前進(jìn)和倒擋功能。

CVT7將前進(jìn)倒擋機(jī)構(gòu)移到了輸出端從動(dòng)帶輪軸上，使得前進(jìn)倒擋機(jī)構(gòu)中的濕式摩擦片旋轉(zhuǎn)損失減小(因?yàn)镃VT布置中輸入主動(dòng)帶輪比從動(dòng)帶輪距離液面更近，液面很容易觸碰布置在輸入帶輪上的前進(jìn)倒擋機(jī)構(gòu)的行星輪系，增加攪油功率損失)。CVT7的結(jié)構(gòu)及油位示意圖如圖9所示。輸入輸出帶輪的高度相同，使得離合器系統(tǒng)和帶輪系統(tǒng)離液面距離增加，減小了旋轉(zhuǎn)件的攪油功率損失，提高了整個(gè)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率，而且將前進(jìn)倒擋機(jī)構(gòu)和副變速器集成后，沒有增加多余的零部件，使得在速比范圍和效率提升的同時(shí)不增加成本。

圖9 CVT7結(jié)構(gòu)及油位示意圖

2.5 控制系統(tǒng)

CVT7的控制系統(tǒng)采用了電液控制系統(tǒng)，由液壓系統(tǒng)和電子軟件控制系統(tǒng)組成。液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖10所示，主要由油泵、主油路液壓調(diào)節(jié)閥、主從動(dòng)帶輪油壓調(diào)節(jié)閥、液力變矩器閉鎖離合器油壓調(diào)節(jié)閥、倒擋離合器油壓調(diào)節(jié)閥和一二擋離合器油壓控制閥組成。

電子軟件控制系統(tǒng)主要是由電子硬件及控制軟件組成。軟件控制策略是根據(jù)油門開度、油門變化率、車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等的變化來對(duì)液壓系統(tǒng)各液壓調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)變速、前進(jìn)、倒擋、變矩器閉鎖分離控制。CVT7的軟件控制策略模塊包括速比控制模塊、從動(dòng)帶輪鋼帶夾緊控制模塊、變矩器閉鎖控制模塊和組合式行星輪系控制模塊。其中由于采用了帶輪和行星輪系組合的變速方式，導(dǎo)致帶輪變速和行星輪變速需要協(xié)調(diào)控制。CVT7帶輪和行星輪系速比控制原理如圖11所示，整個(gè)速比控制過程包括預(yù)備階段、慣量控制階段、扭矩控制階段和最終離合器閉鎖階段［4］。

預(yù)備階段主要是完成副變速器與當(dāng)前離合器的分離。為防止發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速瞬間突變，此時(shí)進(jìn)行帶輪速比反向微調(diào)。

慣量控制階段主要是指離合器滑摩和帶輪速比的聯(lián)合變化階段。該階段確保傳動(dòng)系的慣量變化按目標(biāo)設(shè)定平緩過渡，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不產(chǎn)生突變。

在扭矩控制階段主要考慮離合器油壓響應(yīng)存在滯后的固有特性，且壓力響應(yīng)存在線性增加的過程，需要根據(jù)離合器油壓的響應(yīng)特性來控制發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的響應(yīng)，防止離合器在該過程中產(chǎn)生滑摩震顫和沖擊，同時(shí)也控制扭矩為線性響應(yīng)，以免扭矩的階躍突變產(chǎn)生沖擊，影響駕乘性能。

由于采用了上述控制策略，CVT7的副變速器在一二擋切換的過程中沒有丟失CVT變速器平順的變速特性，并且CVT的傳動(dòng)效率和速比范圍得到大幅提升。

圖10 CVT7液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖11 CVT7速比控制原理

3 CVT技術(shù)的發(fā)展前景

隨著科技及市場(chǎng)需求的發(fā)展，CVT正采用新的控制策略來滿足更高的變速響應(yīng)性的要求，以滿足整車動(dòng)力響應(yīng)性的需求。以往CVT變速控制往往采用主動(dòng)油缸流量速比反饋控制，這導(dǎo)致CVT速比變化存在一定滯后。新的控制技術(shù)則采用主動(dòng)油缸壓力前饋控制，通過對(duì)帶輪變速機(jī)構(gòu)物理動(dòng)態(tài)模型的優(yōu)化使得速比的響應(yīng)速度和控制精度都得到了大幅的提升，最終使整車的動(dòng)力響應(yīng)性得到大幅提高。同時(shí)針對(duì)不同駕駛習(xí)慣的駕駛性自學(xué)習(xí)策略和不同工況的自學(xué)習(xí)策略進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用，使得CVT的優(yōu)越性更大限度地得以發(fā)揮。

CVT使用帶閉鎖功能的液力變矩器，并匹配更優(yōu)越的電子控制技術(shù)，使得CVT在具備出色的起步舒適性和加速性的同時(shí)保證高的傳動(dòng)效率，從而進(jìn)一步提升CVT的駕駛舒適性及燃油經(jīng)濟(jì)性，大大改善汽車的起動(dòng)加速性能及爬坡性能等。

帶輪變速機(jī)構(gòu)的效率得以不斷的優(yōu)化提升，主要是通過開發(fā)高摩擦因數(shù)油品及對(duì)傳動(dòng)帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來提高整體傳動(dòng)效率;同時(shí)采用高效液壓油泵降低液壓閥的泄漏，以及開發(fā)傳動(dòng)帶打滑控制策略都可進(jìn)一步降低CVT的功率損耗，提高效率。

CVT混合動(dòng)力集成化的應(yīng)用得到不斷的開發(fā)。由于CVT在尺寸上的優(yōu)勢(shì)，使得其很容易集成作為前驅(qū)混動(dòng)車型的傳動(dòng)系統(tǒng);同時(shí)由于無級(jí)變速的特性，在整車能量回收過程中，同樣可以使電機(jī)工作在最佳的充電區(qū)域。目前，本田、日產(chǎn)等公司都將CVT作為其混和動(dòng)力汽車技術(shù)開發(fā)的平臺(tái)，并在市場(chǎng)上取得巨大的成功。今后CVT在混合動(dòng)力上的應(yīng)用將有很大的發(fā)展空間。

隨著電子、材料、加工技術(shù)、油品及液壓系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，CVT正朝著以下幾方面發(fā)展:①向大排量的汽車上發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用;②具有更加優(yōu)越的控制及快捷的反應(yīng);③具有更高的傳動(dòng)效率;④ 具有更寬的變速比范圍;⑤ 小型化及輕量化;⑥ 價(jià)格更低廉;⑦ 向混合動(dòng)力的高度集成應(yīng)用發(fā)展。

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