鋼帶無級變速器優(yōu)點(diǎn)及其局限性

李 青 林澤湖

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鋼帶無級變速器優(yōu)點(diǎn)及其局限性

李 青 林澤湖

東南（福建）汽車工業(yè)有限公司,研發(fā)中心

本文介紹了CVT的結(jié)構(gòu)和工作原理，結(jié)合實(shí)車試驗(yàn)的動力性、經(jīng)濟(jì)性，駕駛性，排放等數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了鋼帶CVT的優(yōu)點(diǎn)及局限性。

CVT；優(yōu)點(diǎn)；局限性

引言

許多人認(rèn)為齒輪變速箱是最早的變速箱，實(shí)際上并非如此，無級變速箱(Continuously Variable Transmission，以下簡稱CVT)才是最早的變速箱。汽車剛誕生時，德國奔馳公司就把V型橡膠帶無級變速箱安裝在汽車上。然而V型橡膠帶無級變速箱功率小、效率低、壽命短，而且由于當(dāng)時電子技術(shù)十分薄弱，無級變速箱沒有被汽車行業(yè)普遍接受，齒輪變速箱因?yàn)槠鋵?shí)用可靠取而代之。

但是隨著科技的發(fā)展，世界能源日益緊張，齒輪箱的這種以不同的齒輪搭配組成幾個固定的變速比的齒輪變速箱，無法滿足內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速與汽車行駛速度連續(xù)變化之間的最佳匹配。只有不斷地?fù)Q檔或改變內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速。結(jié)果是使內(nèi)燃機(jī)脫離了最佳工作區(qū)域，動力下降，油耗增加，污染增加。特別是AT變速箱雖然其在排檔性，駕駛性較好，但在油耗上面卻較高，顯然無法滿足日益緊張的能源需求。

作為汽車這個能源消耗巨大的產(chǎn)業(yè)，如何在日益激烈競爭中，脫穎而出，制造出節(jié)能、降低排放的汽車，已成為世界各汽車巨頭的主要發(fā)展方向。

1987年，H.Van Doorne博士研制成功實(shí)用的汽車金屬帶式無級變速箱(簡稱“VDT-CVT”)。鋼帶傳動方式得以再顯風(fēng)光。隨著科技的突飛猛進(jìn)的發(fā)展，克服CVT過去以往功率小、效率低、壽命短的缺點(diǎn)，而CVT變速箱在節(jié)能，降排放領(lǐng)域的理論上突出表現(xiàn)。又重新成為各國汽車變速箱專家激烈的角逐的目標(biāo)[1]。

1 國內(nèi)車產(chǎn)搭載無級變速器市場

目前市場上主要是摩擦傳動CVT，摩擦傳動原理很簡單，實(shí)現(xiàn)無級變速也比較方便。主要結(jié)構(gòu)有：V型橡膠帶式、金屬帶式、多盤式、鋼球式等。特征是靠摩擦力實(shí)現(xiàn)動力傳遞。應(yīng)用最廣的是金屬帶式，在目前國內(nèi)市場上，越來越多的國內(nèi)自主品牌車廠已經(jīng)搭載鋼帶CVT,目前國內(nèi)車廠的CVT及相關(guān)價位見表（1）。

表1 國內(nèi)搭載鋼帶CVT車廠表

2 鋼帶式CVT主要結(jié)構(gòu)和工作原理

該系統(tǒng)主要包括主動輪組、從動輪組、金屬帶和液壓缸等基本部件如圖1。

圖1 無級變速器系統(tǒng)組成

汽車起步時，主動輪的工作半徑較小，變速器可以獲得較大的傳動比，從而驅(qū)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減小，從動輪的工作半徑相應(yīng)增大，CVT的傳動比下降，使得汽車能夠以更高的速度行駛。其半徑的控制主要通過主動錐輪和從動錐輪壓力缸的壓力大小來控制的[3]。

3 鋼帶CVT的實(shí)車試驗(yàn)對比測試

作為整車廠最關(guān)心的是CVT是否匹配自身實(shí)車，因此，整車廠對CVT實(shí)車的經(jīng)濟(jì)性、動力性、排放、駕駛性，成本等幾個方面的對比是必備的。以下為鋼帶CVT分別同MT（手動變速箱，以下簡稱MT）、AT(有檔位的自動變速箱，如4個擋位的AT，簡稱4AT)進(jìn)行比較結(jié)果，以確認(rèn)各自CVT優(yōu)缺點(diǎn)。

3.1 經(jīng)濟(jì)性

CVT可以在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級變速，從而獲得傳動系與發(fā)動機(jī)工況的最佳匹配，提高整車的燃油經(jīng)濟(jì)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(jìn)行ECE市區(qū)循環(huán)和ECE郊區(qū)循環(huán)測試，證明CVT能夠有效節(jié)約燃油。表2的數(shù)據(jù)顯示AT車各工況下的百公里油耗比CVT高1以上[2]。

表2 AT與CVT油耗對比表

我們通過實(shí)車試驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)CVT的油耗與MT油耗相比仍然高0.3 L左右。表3為CVT 與MT車油耗試驗(yàn)測試結(jié)果。

表3 MT 與CVT油耗對比表

3.2 CVT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(yōu)于自動變速器(4AT)。表4為某款CVT與AT比較的動力提高率。

表4 CVT動力性提高表

另根據(jù)我們的CVT與MT的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5比較，CVT的動力比MT車動力表現(xiàn)略差。

表5 CVT與MT動力對比表

3.3 CVT排放

CVT的速比工作范圍寬，能夠使發(fā)動機(jī)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公司將自己生產(chǎn)的CVT裝車進(jìn)行測試，其廢氣排放量比安裝4-AT的汽車減少了大約10%[1]。在東南某車型測量中的CVT排放與MT相當(dāng)，如表6。

表6 CVT 與MT排放對比表

3.4 駕駛平順性

由于CVT的速比變化是連續(xù)不斷的，所以汽車的加速或減速過程非常平緩，而且駕駛非常簡單、安全。從而使用戶獲得全方位的“行駛樂趣”。如圖3為MT 與CVT駕駛平順性對比圖，可看出MT車加速時在每個檔位換檔時，引擎轉(zhuǎn)速明顯下降，車輛行駛時有頓的感覺。而CVT加速時引擎保持加速順暢，如行云流水。

在實(shí)車10點(diǎn)評價中，CVT車的駕駛性為9分，AT車為8分，MT車為7分，CVT的駕駛性明顯比MT、AT更優(yōu)秀。

圖2 MT與CVT駕駛性對比圖

4 CVT成本

CVT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，零部件數(shù)量比AT少約200個，一旦汽車制造商開始大規(guī)模生產(chǎn)，CVT的成本將會比AT低很多。由于采用該系統(tǒng)可以節(jié)約燃油，隨著大規(guī)模生產(chǎn)以及系統(tǒng)、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(chǎn)成本，將降低20%～30%[3]。

CVT變速器的技術(shù)含量和制造難度都要比MT變速器高，與AT變速器相仿，由于金屬帶式CVT的結(jié)構(gòu)簡單，所含的零件數(shù)量比AT變速器少40％左右，整車的質(zhì)量因而也有所減輕。一般AT變速箱的重量在80kg公斤左右，而鋼帶CVT一般在60kg左右。

從目前采購CVT變速箱的成本上看，已經(jīng)與4AT相當(dāng)，隨著CVT產(chǎn)量的不斷上升，鋼帶CVT的成本將進(jìn)一步下降。

6 結(jié)語

介紹鋼帶無級變速（CVT)的基本機(jī)構(gòu)及原理。通過對無級變速箱的實(shí)車驗(yàn)證，鋼帶CVT在動力性、經(jīng)濟(jì)性、駕駛性及排放同AT相比都有杰出的表現(xiàn)，同時由于CVT成本遞降可期性，使得鋼帶CVT逐漸成為各大汽車廠商追逐匹配的變速箱。

在驗(yàn)證過程我們也發(fā)現(xiàn)目前CVT還無法實(shí)現(xiàn)真正理想的無級變速，CVT的動力性、油耗、排放、成本等雖然比AT強(qiáng)，但與MT相比僅只能是相當(dāng)或略差，這是由于摩擦CVT的局限決定的，鋼帶CVT為了產(chǎn)生足夠的靜摩擦力，在高壓力下摩擦傳動必然要消耗較多的能量。它與真正的理想變速還有一定的差距。

因此，理想的無級變速仍然是設(shè)計(jì)師們的追逐目標(biāo)。一種真正的齒輪無級變速正在研發(fā)中，我們拭目以待！

[1] 王紅巖,金屬帶式無極變速傳動系統(tǒng)分析,匹配與綜合控制的研究[D].長春吉林大學(xué),1998.

[2] 張友坤,等.金屬帶式CVT電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的研究[J].汽車技術(shù),2004(10).

[3]汽車工程手冊:設(shè)計(jì)篇, 4.7無級變速器[M].北京: 人民交通出版社, 2005.

Advantages and Limitation of Steel Belt Continuously Variable Transmission

(South East (FuJian) Motor Company R&D Center， Li qing)

The article introduce structure and principle of CVT，and prove advantages and limitation of CVT based the vehicle test data such as acceleration、fuel economy、drivability and emissions .

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