機械式無級變速器技術綜述

邢偉

摘 要：19世紀70年代出現了機械式無級變速器，受制于當時技術條件，發展緩慢。直到20世紀70年代，機械式無級變速器獲得迅速和廣泛的發展，產品有摩擦式、鏈式、帶式及脈動式等。80年代以后，主要發展趨向是美日等國進行高速、高效、大轉矩機械無級變速器的研制開發。進入21世紀，CVT發展更為迅猛。車輛行駛性能的好壞，不僅取決于發動機，而且在很大程度上還依賴于變速器及變速器與發動機的匹配。隨著電子技術和自動控制技術的迅速發展，自動變速器技術越來越完善，形式也多樣化，在越來越多的車輛上得到應用，成為現代汽車工業發展的標志之一。CVT符合汽車變速器控制方式由手動轉為自動的發展趨向，實現自動平穩地進行無級變速，而且操縱簡便，消除了MT與AT在換檔調速時引起的跳動與沖擊，減輕了手動操作的要求和勞動強度，降低了噪聲，提高了行車的舒適性與安全性。

關鍵詞：機械；變速器

1 機械無級變速器的研究與發展

1.1 剛性定軸式

剛性定軸無級變速傳動屬于摩擦傳動，由剛性傳動元件組成。它具有結構簡單、形式多樣的特點，分為有中間滾輪和沒有中間滾輪兩大類。前者包括滾輪平盤式、錐盤環盤式、多盤式，后者包括滾錐平盤式、鋼球平盤式、杯輪環盤式、弧錐環盤式。

1.2 行星式

行星無級變速器是具有作行星作用的中間滾動體、依靠滾動副間的牽引力來傳遞力，通過改變太陽輪或行星輪的工作半徑來實現變速的無級變速器，其工作原理與一般的行星輪系很相似，但沒有輪齒，因而可以使其工作半徑在運行過程中進行調整。

1.3 牽引式

牽引傳動是傳動領域比較新的傳動機構，是從以前的摩擦傳動中衍生出來的一種新的傳動形式。牽引傳動和摩擦傳動的根本區別在于，牽引傳動是在油潤滑的接觸條件下，借助油在接觸區間的牽引性能傳遞運動和動力，因而極大地改善了接觸面間的摩擦條件，提高了它的承載能力，大大延長了它的工作壽命。牽引式無級變速器則是利用牽引傳動，并通過改變輸出、輸入的摩擦半徑來實現無級調速。

1.4 脈動式

脈動式無級變速器主要由傳動機構、輸出機構和調速機構等機構聯合構成的一種組合機構。其工作原理主要是采用連桿機構作為脈沖發生器，如采用曲柄搖桿機構，將輸入軸曲柄的勻速轉動轉變為搖桿的往復擺動，再通過單向超越離合器將搖桿的往復擺動轉換為單向脈動旋轉運動輸出；而無級調速的實現主要通過調速機構改變連桿機構中各桿件之間的尺寸比例關系，使搖桿的擺角和其平均擺動速度實現連續改變。

1.5 變節距式

變節距式無級變速器是近年來發展最快的一種無級變速裝置，并在汽車上得到了較為廣泛的應用。變節距式無級變速傳動是通過改變傳動副元件之間的工作半徑，從而達到無級變速的目的，其中的傳動帶可以采用不同的傳動介質，主要有皮帶、金屬V型帶、金屬鏈、復合帶式幾種。

（1）皮帶無級變速器

傳統的皮帶無級變速器的主要優點是價格低廉，因此被廣泛應用于農業機械。但是該變速器中皮帶動磨損和發熱非常嚴重，大大降低了使用壽命，需要頻繁地更換皮帶以達到連續工作的目的。另外皮帶在工作過程中的打滑也降低了傳動的精確度，因此只能應用于對速度控制要求不高的情況。

（2）金屬V型帶無級變速器

金屬V型帶無級變速器是目前在汽車上應用最多的一種無級變速器，與皮帶CVT相比，它有更大的傳動能力，效率較皮帶CVT略高。金屬帶無級自動變速器CVT由可軸向分合的楔形帶輪和鋼帶組件構成，變速原理類似于V形橡膠帶無級變速傳動。

（3）金屬鏈無級變速器

鏈式CVT與帶式CVT結構原理基本相同，區別在于用鏈條來取代帶。帶式CVT在進行扭矩的傳遞時，需要依靠金屬片之間的推力。但是，對于鏈式CVT來說，需要依靠拉力來對扭矩進行傳遞。帶式CVT是由金屬層層疊加到一塊的，因此每一層金屬半徑會產生細小的差別，因此金屬帶之間的蠕動就會產生。但是，鏈式CVT由于其自身結構的特性，可以解決這個問題。

（4）復合帶式無級變速器

復合帶式CVT與金屬帶式CVT的傳動原理相同，而其特點及主要不同之處為：首先，復合帶的結構是由二百多片以鋁合金為基體，周邊鑲有耐熱、耐磨、高強度塑料層的土字型塊以及鑲嵌在土字型塊兩側槽中的兩條芯部有增強鋼絲的帶齒形樹脂帶組成。其次，此時驅動和夾緊帶輪不是采用液力方式，而是通過電動和機械方式實現，這大大減少了動力消耗，改善了燃油經濟性。

2 結語

隨著電力電子技術的發展，進入21世紀，出現多種通過交流電動機進行調速的方式。其中作為先進的變速裝置，交流變頻器及其派生的控制器獲得迅速的發展和推廣應用，對機械無級變速器產生了一定的沖擊，其優點主要是調速性能好、范圍大、效率高、自控性好、功率范圍寬等。與上述電力調速方式相比較，機械無級變速器的特點主要是：具有恒功率機械特性，轉速穩定，工作可靠，傳動效率較高，結構簡單，維修方便，而且類型多，適用范圍廣。因此，在今后的發展中，依然有著廣闊的發展前景。

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（作者單位：國家知識產權局專利局專利審查協作天津中心）