金屬帶式無級變速器結構組成及其優越性分析

陳玉萍

（黑龍江省龍建路橋第四工程有限公司）

無級變速器汽車適應節能和環保的要求,目前可應用于汽車的無級變速器（CVT）有環盤滾輪式、擺銷鏈式和金屬帶式,與前兩種相比,金屬帶式無級變速器結構簡單,承載能力強,傳動效率高,已在全世界70多種車型中使用。無級變速器通過傳動比的連續變化,使車輛外界行駛條件與發動機負載實現最佳匹配,使此時的發動機在高效區運轉,燃燒完全、排放污染減少、噪音降低,從而充分發揮了發動機的潛力,使發動機具有理想的動力性能表現,并提高了整車的燃油經濟性。系統分析金屬帶式無級變速器的優勢,對于完善變速器設計理念,優化自動變速器配比汽車的比例,具有重要意義。

1 金屬帶式無級變速器結構組成

典型的金屬帶式CVT變速器傳動系統一般由液力變矩器、液壓控制閥體、離合器制動器組、主動錐輪組件、鋼帶、從動錐輪組件和差速器總成等主要部分構成。結構如圖1所示。

圖1 典型CVT傳動結構原理圖

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。可動盤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。可動盤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,金屬帶式CVT的傳動比下降,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成。每組帶輪由可動帶輪和不可動帶輪組成。當進行降速調速時,應使從動輪的兩半錐盤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,而所傳遞的轉矩基本不變。反之,升速調速時,應使從動輪的兩半錐盤互相分開以減小工作直徑,這將使有效圓周力增大而保持轉矩。金屬帶在兩帶輪構成的V型槽內沿徑向滑動,從而實現速比在設計范圍內從最小到最大變化。

2 金屬帶式CVT無級變速器的優越性分析

為了考察金屬帶式CVT在汽車實際應用中的效果,各國車廠都做過對比試驗,以城市為單元,試驗方法就是在同一款車上分別使用MT、AT和金屬帶式CVT,在同等條件下進行性能比較。試驗的結果有力地證明了金屬帶式CVT的優勢和技術特點。

2.1 動力性的優越性

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,汽車的動力性愈好。就傳統的MT和AT變速器來說,擋數越多,發動機發揮最大功率附近的高功率的機會也就越大,汽車的加速和爬坡能力即動力性也就越強。但是當擋位數超過5個（前進擋）時,就會使變速器的結構和操縱機構大為復雜。由于金屬帶式CVT的無級變速特性,能夠獲得后備功率最大的傳動比,所以金屬帶式CVT的動力性能明顯優于MT和AT；并且相比較起來,金屬帶式CVT的結構更為簡單緊湊。幾種不同車型以汽車加速性能作為評價指標,在同樣條件下的試驗結果為：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％,在速度較高時還略優于MT汽車。

2.2 經濟性的優越性

CVT可以在一定范圍內可以擁有無數個傳動比,能自由控制發動機的工作點,協調汽車外界行駛條件與發動機負載,從而獲得傳動系與發動機工況的最佳匹配,使汽車按最佳燃料經濟工作線工作成為可能,提高整車的燃油經濟性。

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

2.3 傳動效率的優越性

變速裝置本身的傳動效率將影響汽車的經濟性和動力性。與機械變速器相比,金屬帶式CVT傳動裝置除機械傳動外,額外的液壓控制系統要消耗相應的能量,金屬傳動帶的摩擦損失也要消耗部分能量,所以無論金屬帶式CVT傳動裝置如何完善,它本身的傳動效率一定低于機械變速器效率,最多只能接近機械變速器效率。近年采用滾子葉片泵和全電子控制技術,其傳動效率已接近到機械變速器效率。目前,金屬帶式CVT傳動技術已日臻成熟,采用最優設計的金屬帶式CVT汽車的綜合性能明顯優于5擋AT汽車,兩者的比較結果如蜘蛛圖2。合理確定帶輪軸向力是提高汽車金屬帶式無級變速器傳動效率的有效途徑,其最佳方案是根據實際傳遞的轉矩施加軸向力,保證金屬帶傳動始終工作在轉矩比r=0.8～0.9范圍,這是其傳動能力最強、傳動效率最高的工況。

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越性

由于金屬帶式CVT在起步和加減速過程中不會像MT和AT變速器那樣產生縱向沖擊或抖動,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在變速過程中無須中斷動力傳輸,再結合一些電子控制裝置,可以大幅減輕駕駛員的勞動強度,提高了汽車的操縱性,同時也提高了行車安全性。

2.5 排放方面的優越性

由于金屬帶式CVT能夠根據需要控制發動機的工作點,使發動機能最大限度地被控制在最佳工作點附近,使得氣缸燃燒室內混合氣體燃燒充分,大大降低了尾氣中有害氣體和粉塵的排放。根據德國著名的金屬帶式CVT生產商ZF公司對自己的金屬帶式CVT變速器與AT變速器進行同比試驗得出的數據,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 成本上的優越性

產品的成本取決于產品的技術含量、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,結構要簡單得多；但是由于金屬帶式CVT變速器許多關鍵部件的材料須使用優質鋼材,加工過程比較復雜,加之金屬帶式CVT變速器的生產規模的限制,金屬帶式CVT變速器的價格與AT變速器的價格相差不是很大。但是隨著大規模生產以及系統、材料的革新,金屬帶式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％。

3 結論

金屬帶式CVT具有很多優越性,在當前技術條件下,裝備金屬帶式CVT的汽車可以達到比手動機械變速器具有更好的動力性；比液力機械自動變速器具有更經濟的價格,更優的性能；比有級變速器具有更低的排放；同時具有最佳的駕駛舒適性。采用金屬帶式CVT可以得到傳動系與發動機工況的最好匹配,提高整車的燃油經濟性和動力性,并可以提高操縱方便性和舒適性,有效地降低了排放污染,且綜合性能優于AMT系統。

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