無極變速器在轎車中的應用與發展動向

摘要：研究了無級變速器的發展歷程，并分析了幾種典型無極變速器的結構。從專業的角度闡述了它目前所存在的優點與缺點以及目前國內市場上的應用現狀。通過分析與預測說明無極變速器在未來中國市場上將起著重要的作用。無級變速器必將是未來中國變速器市場上的“主力軍”。

關鍵詞：無極變速器；應用現狀；發展動向；關鍵技術；

中圖分類號：U463.212 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2011）05-0007-05

Research and Development Trends of CVT in the Car

YE Guang-jian，CHEN Qi，CHEN Fang-qing，SHI Wei-yi

（School of Mechanical and Vehicle Engineering， Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

Abstract: The development process of CVT is studied and the structure of several typical CVT is analyzed in this paper. From the professional perspective the existence of its current advantages and disadvantages and the current application status of the domestic market is stated. It is analyzed and predicted in this paper that CVT would play an important role of Chinese market in the future.CVT will be the“main force”of future marketChina’s.

Key words:CVT；application status；development；key technology

眾所周知，汽車最重要的三個組成部分為發動機、變速器以及底盤。變速器的功能為完善汽車的傳動系統，在人們追求速度感、舒適性、節能環保方面時變速器起著至關重要的作用。

隨著社會的進步，人們追求生活的水平在不斷提高，汽車消費者不再只是男性，女性對汽車的需求在消費者中所占的比例正逐漸攀升，女性與男性對汽車的要求卻有著許多不同之處，因而汽車的特點也正逐漸轉變為能滿足一定動力性的前提條件下，汽車的操作更加簡便、乘坐舒適性更好，同時環保性也將更好。然而傳統的手動變速器卻難以同時滿足以上要求，而搭載理想狀態下的無極變速器汽車將能同時實現這些特點。

1 CVT簡介

1.1 無極變速器的發展概述

無極變速器（Continuously Variable Transmission ，CVT）技術的發展已經有一百多年的歷史，德國奔馳公司是在汽車上搭載CVT的先驅者。在1958年荷蘭DAF公司所生產雙V型CVT，由于離合器的工作不穩定、液壓泵、傳動帶以及夾緊機構的能量損失較大，因而只能用于小排量（1 L左右）的汽車上，所以沒有能夠被汽車行業所普遍接受。隨著科技的不斷進步，直到20世紀70年代后，機械式無級變速器才獲得了迅速與廣泛發展，并且相繼出現了30多種不同結構的CVT，其中主要有摩擦式、鏈式、帶式等［7］。在1997年上半年，日本的日產公司首次開發并把CVT應用于2.0 L排量的汽車上，從而把CVT推崇為最具發展潛力的自動變速器。隨著21世紀的到來，新型材料的不斷出現，自動控制技術的革新與完善，以及日產公司的CVT車型投放市場的成功例子，世界上不同汽車制造商正加大對CVT技術的研發與CVT轎車的生產，現在NISSAN、TOYOTA、FORD、GM、AUDI、奇瑞、吉利 等著名汽車品牌中都有配備CVT變速器的轎車，新型CVT汽車正在不斷的沖擊原有的手動變速器汽車（manual transmission，MT）市場，并且自動變速器具有超越手動變速器的趨勢。

1.2 典型CVT的結構

目前在市場上應用較多的CVT類型主要有：帶式CVT、鏈式CVT以及錐盤滾輪式CVT。金屬帶式CVT主要由行星齒輪機構、帶輪、金屬帶、減速機、液壓系統以及離合器等裝置構成，基本結構如圖1所示。而鏈式CVT與帶式CVT結構原理基本相似，鏈式用鏈條來替代金屬帶（剛帶如圖2所示）依靠拉力來傳遞扭矩，而帶式CVT依靠的是推力來傳遞扭矩［6］。帶式與鏈式CVT最終均是由連續改變主、從動輪工作半徑來連續改變傳動比而實現無極調速。另一種無級變速器錐盤滾輪式CVT如圖3所示［1］。雖然這種裝置系統看起來與帶式CVT不同但兩者的結構基本原理幾近相同，滾輪式是使用錐盤片和動力滾子來代替帶與帶輪，其中一個錐盤連接到發動機上的輸出軸，這就相當于主動帶輪與發動機輸出軸相連，另一個錐盤連接到驅動軸上這就相當于帶傳動中的從動帶輪的輸出。錐盤滾輪式無極變速器為改變動力滾子與輸入、輸出錐盤之間所接觸的半徑點的不同而獲得不同工作半徑最終導致傳動比的改變，從而實現無極調速的過程。從原理分析來看錐盤式CVT與帶式CVT兩者既有不同之處又有相同點，兩者各有千秋，而相對于帶式來說錐盤式較不易控制，因而應用的較少。

1.3 帶式CVT的工作原理

金屬帶式無極自動變速器的傳動系統工作原理如圖4所示［1］。

圖4 帶式CVT傳動原理圖

汽車前進時倒擋離合器松開，前進離合器合上由行星齒輪機構傳遞的扭矩直接傳遞到主動帶輪，金屬帶將動力從主動帶輪傳遞到從動帶輪上，再由從動帶輪將動力經過減速機構傳出；倒擋時倒擋離合器合上前進離合器松開，經過雙行星齒輪機構傳遞到太陽輪上的力矩方向發生改變，從而使從變速器輸出轉矩的方向與前進時的轉矩方向相反，最終實現倒擋［1］。

當汽車開始起步時，主動輪的工作半徑較小，從動輪的工作半徑較大因而能夠獲得較大的傳動比，從而保證起步時能夠獲得較大的扭矩輸出較容易起步。當汽車行駛速度逐漸增加時，主動輪的工作半徑逐漸增加同時從動輪的工作半徑逐漸減小，CVT的傳動比下降汽車能夠以較高的速度行駛。其中主、從動輪的工作半徑與錐盤的夾緊力大小的控制，離合器的開、關控制等均可由電子—液壓機構來實現自動控制［1］。

2 CVT在轎車中的應用

2.1 目前的應用現狀分析

據資料統計顯示，1958年荷蘭的DAF公司研制的雙V型橡膠帶式CVT并裝備于其制造的Daffodil轎車上，并且其銷量超過了100萬輛［9］。隨著技術的不斷發展以及新型材料的出現，于1997年上半年，日本日產公司生產的軒逸轎車是全球首次搭載無極變速器2.0 L的轎車，日產公司生產的公爵是目前世界上匹配最大排量發動機的CVT轎車（3.5 L）。目前我國小排量汽車銷量急劇上升從而帶動變速器市場的發展。

日本是世界上自動變速器占有率最高的國家，之所以這樣主要是由于日本對于駕駛舒適性的要求和能源的節約重視。隨著人們對駕駛便捷性的追求日益增加，歐洲國家的手動變速器市場也正不斷的被自動變速器所占領。隨著全球變速器市場格局的不斷變化，呈現出了自動變速器將逐漸掌握世界變速器市場的發展動向。

近幾年在中國市場上出現的搭載無極變速器的轎車越來越多，同時與CVT變速器匹配的發動機排量也在逐步地增大，從最開始的1.0 L排量到2.0 L甚至更大排量的轎車，由于CVT發展還處于初級階段因而轎車的價格與同等級別轎車相比價格較高。目前國內市場上的CVT轎車擁有多種型號，例如：1.5排量的有騰翼c30、v3菱悅；1.6排量的有力帆620、旗云07款；1.8排量的有帝豪EC7、比亞迪G3；軒逸、樂馳、雷克薩斯、普銳斯，等等。表1給出了國內市場上CVT車型以及一些主要的技術參數。

帶式CVT是具有真正意義的無極變速器，它的各方面優點驅使了CVT在各種變速器中一直是人們長期以來所夢寐以求的變速器。世界上各大汽車生產商正逐漸重視對CVT的研發并有著使其產量化決心。日本Jacto公司在華的建廠，博世中國的逐漸壯大都能夠很好地說明在中國市場上CVT將扮演著越來越重要的角色。

圖5 中國CVT市場發展預測圖

圖5給出了中國近幾年CVT的年產量。從圖中可以清晰地看出中國CVT市場正快速的發展，根據預測圖可得在未來5年內中國的CVT產量將超過150萬臺。據調查顯示2008年無級變速器汽車的銷量為60 130輛，而到了2010年搭載無級變速器的轎車銷量為79 519輛，三年間銷量增幅就高達32.2%，而搭載自動變速器的汽車在2010年的銷量為1 810 959輛，CVT型自動變速型轎車在所有自動變速汽車中所占有的比例為4.39%。隨著社會的不斷進步，人們對汽車的追求在原有的基礎上更加突出的要求是轎車的舒適性與節能環保性，因此為滿足消費者的需求，相信不同的汽車生產商生產CVT車型及數量也將隨之而提高，未來CVT將逐漸取代AT市場。據上海的HIS.Global Insight的分析師段成武分析：在未來的五年內中國市場上搭載CVT車型的汽車的市場占有率將提高到7%，由此可見搭載CVT的汽車逐漸被中國消費者所接受。

2.2 現有CVT優缺點分析

（1） 優點

1）CVT沒有傳統變速箱的傳動齒輪，因而也就沒有了傳統變速箱的換擋級跳躍的過程，因此CVT轎車在換擋過程中的換擋頓挫感也就消失了［6］。CVT變速箱的動力輸出的線性使駕駛者在實際駕駛CVT車時將會感覺到非常平順的動力輸出，這一點同樣也能很好地滿足現今消費者對汽車乘坐舒適性的要求。

2）CVT在傳動系統理論上的擋位可以無限多，擋位的設定也更為自由，具體可由主、從動帶輪的大小而決定。汽車在行駛的過程中控制單元就能根據傳感器對不同的路況的反饋來調整變速器及時的做出適應路面的傳動比，從而使轎車時刻處于最佳動力輸出最佳耗油的狀態。根據對比試驗可知CVT轎車廢氣的排放量相比于搭載AT的轎車尾氣排放量減少了大約10%，在節油方面CVT比AT節油大約為15%［1］。

3）CVT系統的結構較簡單，CVT零部件數目（約200個）比AT（約500個）少了近300個，這就使CVT變速器的整體重量較小從而制造成本也較小，當然轎車的整車重量也相應的減小，在整車重量下降時汽車的耗油將會降低，加速度將會更大。

4）CVT使汽車具有較好的后備功率，汽車的后備功率往往決定著汽車的爬坡能力與汽車的加速能力，由于CVT的無極特性因而能夠使汽車獲得后備功率最大的傳動比。根據試驗可知CVT汽車的加速性能（0~100 km/h）比AT轎車的加速性能提高了7.5%~11.5%［1］。加速性能較好的汽車在行駛時想超車就能夠快速地超過其它車輛，同時在市區交通擁堵的情況下能夠更好的起步。

（2）缺點

1）CVT在傳動扭矩時主要是由鋼制皮帶來傳動的，對鋼帶的要求為韌性與剛性都要好，由于目前材料的限制因而鋼帶在滿足一定韌性條件下所能承受的最大拉力與扭矩均有限。一般而言當轎車的排量超過2.8 L或扭矩達280 Nm以上時就難以搭載CVT。

2）CVT要想獲得最佳的傳動比就要求有精確的電子控制系統與液壓控制系統。該系統對帶輪工作半徑變化的控制主要為液壓對錐盤夾緊力的控制。

3）雖然CVT的零部件較少、結構簡單，但是當CVT出現故障時一般都不是小問題，在維修時就會使對變速器的維修費用較高。

3 CVT 的關鍵技術

要想使CVT轎車在市場上擁有更高的占有率就需要逐步克服以上的缺點。通過以下一些基本方法可解決上述問題。

1）對CVT傳動的理論要牢牢掌握，對傳動比的可靠性分析要透徹，尤其是對金屬帶夾緊力的控制研究，因為只有在最佳的夾緊力情況下才能將發揮出CVT的最佳傳動效率，同時剛帶的使用壽命與夾緊力的大小密切相關［5］。

2）CVT中金屬帶的研發與制造是關鍵技術，目前國內市場上銷售的CVT鋼帶全部依靠進口，要想提升現有鋼帶結構與特點就需要投入更多的人力與物力去專門從事對材料與結構方面的研究，使研究出的新材料能滿足一定的剛性的同時又能夠擁有良好韌性，這樣才能使所生產的CVT能夠適應于大排量的汽車從而在市場上普及CVT轎車。

3）要獲得更精確的控制系統就要升級現有的ECU控制單元。突破已有的專利技術去研發更精確的控制方法。其中在控制系統中主要包括的學科為非線性動力學、粘性流體力學、計算機科學、摩擦學、控制工程等學科。國家應該鼓勵更多的科研人員從事這方面的研究［8］。

4 CVT的發展趨勢

近幾年來隨著科技的不斷進步、新材料的不斷進步以及加工技術的不斷提高，CVT正朝著以下幾個方面發展。

控制系統方面：通過改進現有的控制系統的控制精度從而使對離合器的控制、速比的控制與夾緊力的控制更加符合轎車在不同路況下的動力需求。動力的需求控制是一部優質CVT的先決條件。

結構方面：在現有CVT的結構基礎上使用新型材料使變速器更加輕巧，以及對結構的優化在可靠性不降低的情況下使其更加緊湊。對結構的優化改進使汽車在出現故障時鋼帶不會出現鎖死的現象從而能夠用拖動的辦法拖動汽車。

性能方面：通過對鋼帶與傳感器的改進使CVT能夠普遍應用于大排量的汽車，CVT的傳動效率也因摩擦損失的能量減少從而有所提高。同時CVT與其匹配的發動機相結合也將能獲得更好的節油性、舒適性與操控性（目前較好的組合方式CVT+CVVT）。

自從1997年CVT項目被列為國家科技攻關的課題以來，在這13年間CVT都沒能夠實現國產化與產量化，但隨著國內對CVT的重視，在2010年4月17日國內首款自主研發的CVT在奇瑞生產下線，這也填補了國內在自動變速器這方面的空白。同時通過國內對國外的技術引進，以及不斷的創新的科研工作相信實現CVT的產業化將在未來數年內實現。

5總結

本文重點介紹了CVT的發展概況、工作原理和典型結構，并介紹了其優點與缺點，同時分析了其關鍵技術和發展趨勢。本文的工作對了解和認識CVT具有重要引導意義。傳統的變速器市場正在不斷的受新型的性能更加優異的變速器所沖擊著，而中國汽車工業要想在世界汽車工業中有所作為就要擁有新型變速器的技術，加入到世界變速器生產商的競爭中去尋求發展，最終讓其在占據著世界的每一個角落，CVT正引領著這一風向標。因此中國必須加大對CVT的投資力度和研發力量。

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