先進(jìn)的無級變速器技術(shù)

【日】　廣瀬聡　茂木靖裕

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設(shè)計開發(fā)

先進(jìn)的無級變速器技術(shù)

【日】廣瀬聡茂木靖裕

無級變速器(CVT)正在成為改善發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的重要技術(shù)之一，也在為減少汽車的CO2排放作出貢獻(xiàn)。介紹近年來應(yīng)用于皮帶式CVT的各種先進(jìn)技術(shù)。通過降低摩擦、帶輪的小型輕量化、降低潤滑油摩擦阻力，以及降低滾動軸承摩擦扭矩等技術(shù)措施來改善燃油經(jīng)濟(jì)性，相比傳統(tǒng)的CVT，可降低約30%的摩擦損失，同時也提高了CVT自身的傳動效率。此外，采用皮帶式CVT與副變速器相結(jié)合的獨特結(jié)構(gòu)，可以擴(kuò)大變速比范圍，改善車輛的起步與加速性能。

無級變速器燃油經(jīng)濟(jì)性降低摩擦副變速器

0　前言

所謂“無級變速器(CVT)”，就是利用皮帶、鏈條等齒輪以外的傳動機(jī)構(gòu)連續(xù)改變變速比的變速裝置，具有換檔平順，以及發(fā)動機(jī)在任何車速下都可在最佳效率的工況下運轉(zhuǎn)的優(yōu)點。CVT的主要種類大致可以劃分為以下4種： (1) 皮帶及帶輪傳動型；(2) 牽引力傳動型；(3) 液壓泵及電動機(jī)驅(qū)動型；(4) 發(fā)電機(jī)及電動馬達(dá)驅(qū)動型。近年來，前輪驅(qū)動車所采用的皮帶及帶輪傳動型CVT(以下稱“皮帶式CVT”)的銷售正在日本國內(nèi)，以及北美、亞洲等市場逐漸擴(kuò)大份額。

如圖1所示，在2005年，皮帶式CVT在全球雙離合變速器(DCT)中所占的份額不到10%，但到2017年，這一比例預(yù)計將擴(kuò)大到15%左右[1]。

圖1　變速器的全球市場份額[1]

另一方面，皮帶式CVT的缺點是，在車輛行駛時，從傳動原理上來講，皮帶會產(chǎn)生微小的滑動，而為了張緊皮帶就必須采用液壓裝置，從提高CVT自身傳動效率的觀點來看，這是有待解決的重要課題。近年來，對于降低發(fā)動機(jī)燃油耗的需求日益迫切，所以，對于CVT技術(shù)而言，提高燃油經(jīng)濟(jì)性也已成為主要的開發(fā)目標(biāo)，為了提高傳動效率和發(fā)動機(jī)效率，研究人員正在嘗試采用各種技術(shù)對策。表1歸納了相關(guān)摩擦學(xué)技術(shù)對策。本文著眼于皮帶式CVT的燃油經(jīng)濟(jì)性改善技術(shù)，介紹具體的相關(guān)內(nèi)容。

表1　改善燃油經(jīng)濟(jì)性的皮帶式CVT相關(guān)技術(shù)

1　提高皮帶式CVT的傳動效率

1.1減少液壓損失

在皮帶式CVT中，是利用機(jī)油泵產(chǎn)生的液壓，用帶輪張緊皮帶來傳遞驅(qū)動扭矩，而用于產(chǎn)生液壓所做的功將成為扭矩傳遞損失。為了降低損失，必須提高皮帶與帶輪之間的摩擦因數(shù)。本節(jié)將介紹提高摩擦因數(shù)的相關(guān)技術(shù)。

1.1.1基于帶輪的表面粗糙度提高摩擦因數(shù)

眾所周知，皮帶與帶輪之間的摩擦因數(shù)會受帶輪表面形狀的影響，通過改變其表面粗糙度，有效提高摩擦因數(shù)[2]。

圖2示出了試驗所使用的帶輪試樣表面形狀。此外，圖3和圖4示出了帶輪試樣的表面粗糙度與提高摩擦因數(shù)的關(guān)系，圖中所使用的試樣詳細(xì)情況如下： (1) 條紋A為圓周方向的痕跡，其表面凹凸的間隔較小；(2) 條紋B也是圓周方向的痕跡，其表面凹凸的間隔中等；(3) 隨機(jī)條紋為隨機(jī)加工的痕跡，其表面凹凸的間隔較大。

圖2　帶輪試樣的表面形狀[2]

圖3　　　　帶輪試樣初期表面粗糙度Ra值　　　與提高摩擦因數(shù)的關(guān)系[2]

如圖3所示，帶輪表面的算術(shù)平均粗糙度Ra值越小，摩擦因數(shù)就越高。在這種情況下，表面精加工方法及條紋類型的不同都會使摩擦因數(shù)產(chǎn)生差異。此外，如圖4所示，構(gòu)成表面粗糙度曲線的凹凸平均間隔(Sm值)越小，摩擦因數(shù)就越高。

圖4　　　　帶輪試樣初期表面粗糙度Sm值　　　與提高摩擦因數(shù)的關(guān)系[2]

基于上述機(jī)理，如圖5所示，可認(rèn)為Ra值及Sm值越小，帶輪與皮帶部件滑動表面的實際接觸率就越大。

圖5　提高摩擦因數(shù)的機(jī)理[2]

1.1.2利用潤滑油提高摩擦因數(shù)

CVT潤滑油的特性也會對摩擦因數(shù)產(chǎn)生較大的影響。

一般認(rèn)為，在皮帶和帶輪之間的摩擦面上，會同時存在彈性流體潤滑油膜與邊界潤滑油膜。在此，介紹利用不同種類的添加劑來提高邊界潤滑油膜摩擦因數(shù)的技術(shù)[3]。

采用分別添加幾種典型添加劑的潤滑油(圖6)，分析摩擦因數(shù)與單位磨損量的關(guān)系。由結(jié)果可知，如在堿性添加劑中配合使用磷系添加劑，則摩擦因數(shù)更高，耐磨損性也更好(圖7)。通過優(yōu)化選擇添加劑，可兼顧提高摩擦因數(shù)與防止磨損的性能要求。

圖6　典型的潤滑油添加劑案例[3]

圖7　添加劑的摩擦學(xué)特性[3]

此外，如圖8所示，摩擦因數(shù)與邊界潤滑油膜的硬度也具有相關(guān)性，并且，潤滑膜的硬度也可以通過添加劑的種類來進(jìn)行調(diào)整。

圖8　邊界潤滑膜的硬度與摩擦因數(shù)的關(guān)系[3]

1.2降低摩擦損失

導(dǎo)致產(chǎn)生CVT內(nèi)部摩擦損失的主要原因有潤滑油的摩擦，以及滑動部位和旋轉(zhuǎn)部位的摩擦等。下文介紹降低潤滑油摩擦阻力，以及降低帶輪支承軸承滑動阻力和推送皮帶內(nèi)部滑動阻力的相關(guān)技術(shù)。

1.2.1降低潤滑油的摩擦阻力

在CVT的扭矩?fù)p失中，潤滑油摩擦阻力造成的摩擦損失占較大份額。作為降低潤滑油摩擦阻力的措施，可以降低潤滑油黏度，以及減少流動量等。

降低CVT潤滑油黏度能夠減少因摩擦阻力導(dǎo)致的摩擦損失，但如果單純地降低潤滑油黏度，則液壓回路及密封部位的潤滑油泄漏量會增加，油膜厚度也會減少，從而導(dǎo)致CVT性能出現(xiàn)問題，無法確保其耐久性，這些都是有待解決的課題。

為了解決上述問題，研究人員采用高性能的基油，以及最佳的黏度指數(shù)改進(jìn)劑[4]，在力求降低潤滑油黏度的同時，抑制潤滑油老化后出現(xiàn)的黏度降低現(xiàn)象(圖9)，確保油膜厚度(圖10)，維持潤滑油性能(圖11)。

圖9　低黏度潤滑油經(jīng)老化后的黏度[4]

圖10　低黏度潤滑油的油膜厚度[4]

圖11　低黏度潤滑油的金屬疲勞壽命[4]

為了利用物理學(xué)原理減少潤滑油的流動量，可以采用限制向CVT內(nèi)旋轉(zhuǎn)體供給潤滑油的方法。例如，為了減少向CVT末端傳動齒輪的潤滑油流動，如圖12所示，可以采用擋油板。另外，由圖13中的結(jié)果可確認(rèn)，降低潤滑油的流動量對減少部件摩擦具有積極作用[5]。

圖12　擋油板的形狀[5]

圖13　潤滑油位與摩擦阻力的關(guān)系[5]

近年來，在帶副變速器的小型CVT中，可以采用小直徑的帶輪(圖14)，并且，一級帶輪與二級帶輪均可以布置在高于潤滑油液面的變速器上部。由此，可以避免一級帶輪與潤滑油液面的接觸，從而降低因潤滑油流動造成的摩擦損失[6]。

圖14　小型CVT的布局[6]

1.2.2降低滾動軸承的摩擦扭矩

CVT的帶輪支承軸承必須能支承張力極大的帶輪，所以，與有級式自動變速器相比，軸承尺寸較大，傳遞扭矩?fù)p失也會隨之增大。

如圖15所示，在油潤滑條件下的球軸承內(nèi)部摩擦扭矩中，保持架油兜部位的油膜剪切阻力所占比例最大。油膜剪切阻力的大小受接觸面積的影響，因此，如圖16所示，研究人員在保持架油兜內(nèi)徑面(滾動體導(dǎo)向面)上設(shè)置凹凸形狀。由此，如圖17所示，滾動體與保持架油兜之間的接觸面積減少，從而降低了傳遞扭矩?fù)p失[7]。

圖17　保持架形狀對扭矩?fù)p失的影響[7]

1.2.3降低皮帶內(nèi)部摩擦

推送皮帶由多個部件及環(huán)圈構(gòu)成，在結(jié)構(gòu)上，皮帶傳動裝置旋轉(zhuǎn)時會因部件與環(huán)圈之間的滑動而造成摩擦損失。為了降低這種摩擦損失，研究人員正在致力于改善皮帶的傳動效率。

圖18示出了通過改進(jìn)環(huán)圈以提高傳動效率的實例。在這一改進(jìn)實例中，通過縮小環(huán)圈的寬度，在環(huán)圈與部件之間滑動增多的低變速比及高變速比區(qū)域，有效地提高了傳動效率[8]。

圖18　皮帶形狀改善效率的效果[8]

2　降低發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速

降低車輛行駛時的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，可以降低燃油耗，而CVT技術(shù)的進(jìn)步也為此作出了貢獻(xiàn)。下文分別介紹在車輛起步與行駛時有利于降低發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的CVT技術(shù)。

2.1擴(kuò)大鎖止范圍

CVT的起步機(jī)構(gòu)主要是采用液力變矩器，即利用流體進(jìn)行扭矩傳遞的起步裝置。液力變矩器具有利用流體增大發(fā)動機(jī)扭矩的功能，但其缺點是由于存在流體滑動，會造成發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的損失。為了避免產(chǎn)生這種損失，可以采用液力變矩器鎖止離合器，如圖19所示，鎖止離合器接合時，車速越低，行駛中的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速也越低。雖然在低車速情況下接合離合器時，會因為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與CVT帶輪轉(zhuǎn)速的較大偏差而導(dǎo)致離合器接合時的扭矩波動，但這可以通過采用起步滑動鎖止技術(shù)來加以解決，即在起步后離合器滑動的時接合離合器。

圖19　利用鎖止離合器降低發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速[8]

在采用鎖止離合器機(jī)構(gòu)的情況下，離合器滑動的頻率、因放熱量增加引起的摩擦材料燒傷，以及耐久性方面還存在一些有待解決的課題。為解決這些問題，如圖20所示，可以通過提高滑動面的平面度，改善離合器的局部接觸，以減少滑動時的升溫現(xiàn)象[8]。

圖20　改善液力變矩器平面度的實例[8]

2.2拓寬變速比范圍

CVT可以根據(jù)車速無級改變變速比，從而使車輛在更高效率的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速區(qū)域行駛，為了在高速行駛時通過降低發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速來進(jìn)一步改善燃油經(jīng)濟(jì)性，還可以擴(kuò)大變速比的范圍。要在不增加帶輪直徑及軸間距的前提下擴(kuò)大變速比范圍，如圖21所示，可以縮小帶輪內(nèi)環(huán)側(cè)的皮帶卷繞半徑，具體方法有縮小帶輪軸的直徑，以及優(yōu)化皮帶部件及環(huán)圈等[8]。

圖21　擴(kuò)大變速比范圍[8]

另外，擴(kuò)大變速比范圍的方法還有采用副變速器。如圖22所示，利用行星齒輪將2檔副變速器與CVT相結(jié)合，可以在縮小帶輪直徑的同時擴(kuò)大變速比的范圍[7]。

圖22　副變速器概要[7]

3　結(jié)語

圖23中歸納了對今后的CVT產(chǎn)品的要求，包括改善燃油經(jīng)濟(jì)性在內(nèi)，為提高CVT的性能，潤滑及摩擦學(xué)技術(shù)變得越來越重要[9]。相關(guān)的研究領(lǐng)域范圍極廣，除本文所介紹的技術(shù)外，在提高傳動效率方面，可降低濕式離合器的打滑阻力。在提高可靠性方面，可以提高齒輪的抗點蝕性能，以及延長軸承及襯套的使用壽命等。在輕量化方面，則應(yīng)注重防止樹脂零件滑動部位的磨損等。

圖23　今后的CVT技術(shù)

此外，減少潤滑油的使用量，或是不使用潤滑油的干式運轉(zhuǎn)也是今后CVT的發(fā)展方向。在摩擦學(xué)方面的課題就包括防止干燥環(huán)境下滑動零件的磨損，以及提高潤滑脂的性能等[10]。同時，這些技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也并不僅限于CVT，其他現(xiàn)有變速器及今后有望獲得普及的電動動力傳動裝置也可應(yīng)用上述技術(shù)，進(jìn)一步提高性能。

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2015-06-23)