淺談無級變速器的研究進(jìn)展

胡宇博

摘?要：文章首先介紹了無級變速器的組成以及工作原理，然后從皮帶式、金屬帶、金屬鏈以及新型結(jié)構(gòu)四種類別無級變速器介紹了當(dāng)前的研究進(jìn)展，重點介紹了國內(nèi)獨創(chuàng)的活齒無級變速器，最后指出當(dāng)前我國無級變速器在汽車變速器領(lǐng)域的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：無級變速;壓力鋼帶;HNCVT

一、無級變速器概述

變速器是車輛的重要部件，其性能對整車的動力性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性等有著重要影響。在早期的汽車發(fā)展進(jìn)程中，人們就意識到了在發(fā)動機(jī)與傳動系之間實現(xiàn)無級變速調(diào)節(jié)才能使汽車達(dá)到理想的行駛工況。無級變速的概念最早由達(dá)·芬奇提出，但直到1958年，荷蘭人Hub?Van?Doorne?才設(shè)計出了現(xiàn)代意義上的CVT無級變速箱。CVT（Continuously?Variable?Transmission）技術(shù)即無級變速技術(shù)，它采用傳動帶和工作直徑可變的主、從動輪相配合來傳遞動力，可以實現(xiàn)傳動比的連續(xù)改變，從而得到傳動系與發(fā)動機(jī)工況的最佳匹配。

無級變速器一般由四個部分組成：機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)、變速控制機(jī)構(gòu)、液壓控制和電子控制[1]。其中核心結(jié)構(gòu)由傳動帶、滑輪、移動錐盤等組成，傳統(tǒng)摩擦式傳動帶部分采用的是V形鋼帶。主、從動輪部分由兩個滑輪構(gòu)成，一個滑輪由兩個間距可變化的錐盤構(gòu)成，V型鋼帶置于這兩個錐盤的凹槽內(nèi)。CVT具體工作原理如下，由高擋位變到低擋位，主動錐盤加大對傳動帶的壓緊力，使其向外邊緣移動，增大旋轉(zhuǎn)半徑;相反，從動錐盤減小一定的壓緊力，使其旋轉(zhuǎn)半徑減小，從而實現(xiàn)了由小圓帶動大圓到大圓帶動小圓的變化，傳動比降低，這樣便從低擋位變到高擋位。壓緊力的逐漸變化帶動旋轉(zhuǎn)半徑的逐漸變化最終產(chǎn)生無級變速效果。

二、無級變速器研究進(jìn)展

機(jī)械無級變速器廣義上分為定軸式、行星式、牽引式、行星式以及變節(jié)距式[2]。由于前四種無級變速器發(fā)展較為低迷，所以上文所提出的無級變速器相關(guān)概念便是圍繞變節(jié)距式無級變速器，變節(jié)距式無級變速器是近年來發(fā)展最快的一種無級變速裝置。傳動帶的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)可以采用不同的傳動介質(zhì)，主要有皮帶、金屬帶、金屬鏈以及新型結(jié)構(gòu)等。

（1）皮帶式CVT。皮帶式CVT的主要優(yōu)點是價格低廉，因此被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械。但是該變速器中皮帶動磨損和發(fā)熱非常嚴(yán)重，大大降低了使用壽命，需要頻繁地更換皮帶以達(dá)到連續(xù)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(yīng)用于對速度控制要求不高的情況。日本學(xué)者廣瀨聡等[3]指出采用皮帶式CVT的前輪驅(qū)動車銷售正在日本國內(nèi)，以及北美、亞洲等市場逐漸擴(kuò)大份額。阮天林[4]指出在早期摩托車踏板車中，由于結(jié)構(gòu)限制，最常采用齒形皮帶無級變速器，這種V形皮帶又稱同步帶。重慶大學(xué)任大鵬等[5]研究了這種摩托車V形皮帶式無級變速器的力學(xué)分析模型，并給出了傳動效率的改進(jìn)方法。

（2）金屬帶式CVT。金屬型帶CVT是目前在汽車上應(yīng)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，效率比皮帶式CVT略高。這條金屬帶一般又稱壓力鋼帶，專利來自德國博世公司。在博世第一代壓力鋼帶問世前，金屬帶如何解決變軌帶來的擠壓力作用下的打滑現(xiàn)象是一大難點，但博世采用推力單元和多層金屬環(huán)的組合很好的解決了這樣的難題，博世鋼帶的局部構(gòu)造以及橫截面如圖1。目前，博世已經(jīng)研發(fā)和生產(chǎn)出24/6、24/9、24/12以及30/10四種型號鋼帶。當(dāng)然，國內(nèi)外學(xué)者對于金屬帶式CVT本身的相關(guān)研究發(fā)展也十分重視。在傳動效率上，BONSEN等[6]采用實驗方法對金屬帶式CVT的夾緊力進(jìn)行了研究，并從滑移率角度分析提出了夾緊力控制的策略。國內(nèi)東北大學(xué)程乃士教授以及吉林大學(xué)張伯英教授等對金屬帶式CVT的液壓控制原理以及液壓系統(tǒng)的模型進(jìn)行了研究。王紅巖等[7]對金屬帶式CVT的液壓控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，構(gòu)建整車動力傳動系統(tǒng)模型。基于相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者的成果，日本的加特可（Jatco）企業(yè)以及愛信派系等專門生產(chǎn)變速箱的企業(yè)都在將CVT技術(shù)不斷革新，同時變速器的更新?lián)Q代也隨之而來。日系的天籟，奇駿，歐藍(lán)德等車系采用了CVT7，CVT8等新型金屬帶式CVT變速箱。

圖1?鋼帶的局部構(gòu)造以及橫截面

（3）金屬鏈?zhǔn)紺VT。鏈?zhǔn)紺VT與帶式CVT結(jié)構(gòu)原理基本相同，區(qū)別在于傳統(tǒng)的帶型被嚙合鏈條取代。帶式CVT在進(jìn)行扭矩的傳遞時，需要依靠推力單元之間的推力。對于鋼鏈?zhǔn)紺VT來說，需要依靠拉力來對扭矩進(jìn)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(chǎn)生細(xì)小的差別，因此金屬帶之間的蠕動就會產(chǎn)生。但是，鏈?zhǔn)紺VT由于其自身結(jié)構(gòu)的特性，可以解決這個問題，自然也能夠傳遞更大的扭矩。最早金屬鏈?zhǔn)降漠a(chǎn)生，在于博世對CVT核心技術(shù)的封鎖，所以奧迪聯(lián)合舍弗勒公司就想到用鏈條式的鋼帶作為錐盤間的傳動裝置。德國GCI公司則設(shè)計出了一款銷軸不等長的CVT鏈條，即采用兩款不同的銷軸進(jìn)行摩擦動力傳遞，這種傳遞方式在只有滾動以及靜態(tài)接觸，不會產(chǎn)生相對滑動，銷軸根據(jù)鏈條的運動通過滾動改變接觸位置。Neumann等[8]對鏈?zhǔn)綗o級變速器中的鏈片和滾銷的幾何形狀進(jìn)行優(yōu)化，以降低運動過程中的噪聲，并建立了鏈?zhǔn)綗o級變速的動力學(xué)模型。馮增銘等[9]將與鏈板接觸的滾銷輪輪廓型線優(yōu)化成漸開線，并利用心形線改進(jìn)了銷軸對滾型線，開發(fā)了一款新型滾銷鏈?zhǔn)紺VT傳動系統(tǒng)。目前，豐田、雷克薩斯等品牌的混動車型也都有采用鏈?zhǔn)紺VT變速箱。

（4）活齒式CVT（HNCVT）。在新型CVT的研制方面，北京維艾迪公司所研發(fā)的HNCVT獨居特色，該變速箱的實驗機(jī)搭載在東風(fēng)猛士上，能夠承受猛士550Nm的高扭矩。與前文提到的幾類CVT相比，HNCVT無疑在承受扭矩輸入上占據(jù)明顯優(yōu)勢。活齒CVT變速箱在兩個錐輪間增加幾組活齒單元，如圖2。當(dāng)主、從動輪旋轉(zhuǎn)時，活齒單元上的齒片在離心力作用下甩出從而與帶有齒形鋼帶實現(xiàn)嚙合傳動。由于齒片是自由活動的，所以仍然可以實現(xiàn)無級變速。另一方面，HNCVT采用電機(jī)控制錐輪，而傳統(tǒng)CVT通過液壓系統(tǒng)操縱，所以在重量、成本以及零部件的數(shù)量上HNCVT也更具有優(yōu)勢。但HNCVT也有一定缺陷，活齒變速箱能夠承受高扭矩在于采用了嚙合傳動，而能夠承受多高的扭矩則取決于活齒片的厚度和寬度。這就意味著提高承受扭矩的同時變速箱的體積也會隨之增長。這對于乘用車市場在車輛空間利用上力求最大化乘坐空間，留給動力總成的越來越少的現(xiàn)象來說是一個需要取舍的難題。

圖2?HNCVT局部結(jié)構(gòu)

三、結(jié)語

我國在自主研發(fā)變速器領(lǐng)域起步較晚，但近年來仍取得不少的研究成果，相較于國外仍有一定差距，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步加大投入力度，加快研究進(jìn)展。無級變速器與在汽車自動變速器領(lǐng)域大熱的AT、DCT等中相對處在小眾化的地步。日本、德國等國外車企在CVT領(lǐng)域仍走在前列，但國內(nèi)維艾迪等汽車科技公司也能夠自主研發(fā)新型CVT技術(shù)，盡管HNCVT體積大等劣勢存在，但可以從活齒片本身的材料等方面考慮進(jìn)一步提高抗扭矩的能力。總體上，我國目前無級變速器的發(fā)展仍處在緩步提升階段，而無級變速技術(shù)本身相信在進(jìn)一步的研究發(fā)展中能夠投入應(yīng)用到各個領(lǐng)域中。

參考文獻(xiàn)：

[1]周有強(qiáng)，崔學(xué)良，董志峰.機(jī)械無級變速器發(fā)展概述[J].機(jī)械傳動，2005，29（1）：65-68.

[2]邢偉.機(jī)械式無級變速器技術(shù)綜述[J].科技尚品，2017，（5）：176.

[3]廣瀨聡，茂木靖裕，彭惠民，等.先進(jìn)的無級變速器技術(shù)[J].國外內(nèi)燃機(jī)，2016，48（3）：20-25.

[4]阮天林.淺談無級變速傳動機(jī)構(gòu)的檢修（1）[J].摩托車技術(shù)，2012，（3）：73-76.

[5]任大鵬，秦偉.摩托車V型皮帶式無級變速器的力學(xué)分析[J].機(jī)械傳動，2005，29（2）：21-24.

[6]Klaassen?T?W?G?L，Bonsen?B，Meerakker?K?G?O?V?D，et?al.The?Empact?CVT：modelling，simulation?and?experiments[J].International?Journal?of?Modelling?Identification?&?Control，2008，3（3）：286.

[7]王紅巖，秦大同，周云山，等.汽車無級變速傳動系統(tǒng)綜合控制的研究[J].機(jī)械工程學(xué)報，2000，036（002）：38-41.

[8]Neumann?L，Ulbrich?H，Pfeiffer，F(xiàn).Optimierung?der?dynamik?einer?CVT-kette;Optimisation?of?the?dynamics?of?a?CVT-Chain[J].VDI?Berichte，2005：269-285.

[9]馮增銘，浦前帥，程亞兵，李俊龍，羅彥茹，劉廣武，常奇志.一種無級變速用滾銷鏈[P].吉林：CN102635667A，2012-08-15.