李 青 林澤湖

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鋼帶無(wú)級(jí)變速器優(yōu)點(diǎn)及其局限性

李 青 林澤湖

東南（福建）汽車(chē)工業(yè)有限公司,研發(fā)中心

本文介紹了CVT的結(jié)構(gòu)和工作原理，結(jié)合實(shí)車(chē)試驗(yàn)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性，駕駛性，排放等數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了鋼帶CVT的優(yōu)點(diǎn)及局限性。

CVT；優(yōu)點(diǎn)；局限性

引言

許多人認(rèn)為齒輪變速箱是最早的變速箱，實(shí)際上并非如此，無(wú)級(jí)變速箱(Continuously Variable Transmission，以下簡(jiǎn)稱(chēng)CVT)才是最早的變速箱。汽車(chē)剛誕生時(shí)，德國(guó)奔馳公司就把V型橡膠帶無(wú)級(jí)變速箱安裝在汽車(chē)上。然而V型橡膠帶無(wú)級(jí)變速箱功率小、效率低、壽命短，而且由于當(dāng)時(shí)電子技術(shù)十分薄弱，無(wú)級(jí)變速箱沒(méi)有被汽車(chē)行業(yè)普遍接受，齒輪變速箱因?yàn)槠鋵?shí)用可靠取而代之。

但是隨著科技的發(fā)展，世界能源日益緊張，齒輪箱的這種以不同的齒輪搭配組成幾個(gè)固定的變速比的齒輪變速箱，無(wú)法滿足內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速與汽車(chē)行駛速度連續(xù)變化之間的最佳匹配。只有不斷地?fù)Q檔或改變內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速。結(jié)果是使內(nèi)燃機(jī)脫離了最佳工作區(qū)域，動(dòng)力下降，油耗增加，污染增加。特別是AT變速箱雖然其在排檔性，駕駛性較好，但在油耗上面卻較高，顯然無(wú)法滿足日益緊張的能源需求。

作為汽車(chē)這個(gè)能源消耗巨大的產(chǎn)業(yè)，如何在日益激烈競(jìng)爭(zhēng)中，脫穎而出，制造出節(jié)能、降低排放的汽車(chē)，已成為世界各汽車(chē)巨頭的主要發(fā)展方向。

1987年，H.Van Doorne博士研制成功實(shí)用的汽車(chē)金屬帶式無(wú)級(jí)變速箱(簡(jiǎn)稱(chēng)“VDT-CVT”)。鋼帶傳動(dòng)方式得以再顯風(fēng)光。隨著科技的突飛猛進(jìn)的發(fā)展，克服CVT過(guò)去以往功率小、效率低、壽命短的缺點(diǎn)，而CVT變速箱在節(jié)能，降排放領(lǐng)域的理論上突出表現(xiàn)。又重新成為各國(guó)汽車(chē)變速箱專(zhuān)家激烈的角逐的目標(biāo)[1]。

1 國(guó)內(nèi)車(chē)產(chǎn)搭載無(wú)級(jí)變速器市場(chǎng)

目前市場(chǎng)上主要是摩擦傳動(dòng)CVT，摩擦傳動(dòng)原理很簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速也比較方便。主要結(jié)構(gòu)有：V型橡膠帶式、金屬帶式、多盤(pán)式、鋼球式等。特征是靠摩擦力實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞。應(yīng)用最廣的是金屬帶式，在目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上，越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)自主品牌車(chē)廠已經(jīng)搭載鋼帶CVT,目前國(guó)內(nèi)車(chē)廠的CVT及相關(guān)價(jià)位見(jiàn)表（1）。

表1 國(guó)內(nèi)搭載鋼帶CVT車(chē)廠表

2 鋼帶式CVT主要結(jié)構(gòu)和工作原理

該系統(tǒng)主要包括主動(dòng)輪組、從動(dòng)輪組、金屬帶和液壓缸等基本部件如圖1。

圖1 無(wú)級(jí)變速器系統(tǒng)組成

汽車(chē)起步時(shí)，主動(dòng)輪的工作半徑較小，變速器可以獲得較大的傳動(dòng)比，從而驅(qū)動(dòng)橋能夠有足夠的扭矩來(lái)保證汽車(chē)有較高的加速度。隨著車(chē)速的增加，主動(dòng)輪的工作半徑逐漸減小，從動(dòng)輪的工作半徑相應(yīng)增大，CVT的傳動(dòng)比下降，使得汽車(chē)能夠以更高的速度行駛。其半徑的控制主要通過(guò)主動(dòng)錐輪和從動(dòng)錐輪壓力缸的壓力大小來(lái)控制的[3]。

3 鋼帶CVT的實(shí)車(chē)試驗(yàn)對(duì)比測(cè)試

作為整車(chē)廠最關(guān)心的是CVT是否匹配自身實(shí)車(chē)，因此，整車(chē)廠對(duì)CVT實(shí)車(chē)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、排放、駕駛性，成本等幾個(gè)方面的對(duì)比是必備的。以下為鋼帶CVT分別同MT（手動(dòng)變速箱，以下簡(jiǎn)稱(chēng)MT）、AT(有檔位的自動(dòng)變速箱，如4個(gè)擋位的AT，簡(jiǎn)稱(chēng)4AT)進(jìn)行比較結(jié)果，以確認(rèn)各自CVT優(yōu)缺點(diǎn)。

3.1 經(jīng)濟(jì)性

CVT可以在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，從而獲得傳動(dòng)系與發(fā)動(dòng)機(jī)工況的最佳匹配，提高整車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性。德國(guó)的大眾公司在自己的golf VR6轎車(chē)上分別安裝了4-AT和CVT進(jìn)行ECE市區(qū)循環(huán)和ECE郊區(qū)循環(huán)測(cè)試，證明CVT能夠有效節(jié)約燃油。表2的數(shù)據(jù)顯示AT車(chē)各工況下的百公里油耗比CVT高1以上[2]。

表2 AT與CVT油耗對(duì)比表

我們通過(guò)實(shí)車(chē)試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)CVT的油耗與MT油耗相比仍然高0.3 L左右。表3為CVT 與MT車(chē)油耗試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。

表3 MT 與CVT油耗對(duì)比表

3.2 CVT動(dòng)力性

汽車(chē)的后備功率決定了汽車(chē)的爬坡能力和加速能力。汽車(chē)的后備功率愈大，汽車(chē)的動(dòng)力性愈好。由于CVT的無(wú)級(jí)變速特性，能夠獲得后備功率最大的傳動(dòng)比，所以CVT的動(dòng)力性能明顯優(yōu)于自動(dòng)變速器(4AT)。表4為某款CVT與AT比較的動(dòng)力提高率。

表4 CVT動(dòng)力性提高表

另根據(jù)我們的CVT與MT的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5比較，CVT的動(dòng)力比MT車(chē)動(dòng)力表現(xiàn)略差。

表5 CVT與MT動(dòng)力對(duì)比表

3.3 CVT排放

CVT的速比工作范圍寬，能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)以最佳工況工作，從而改善了燃燒過(guò)程，降低了廢氣的排放量。ZF公司將自己生產(chǎn)的CVT裝車(chē)進(jìn)行測(cè)試，其廢氣排放量比安裝4-AT的汽車(chē)減少了大約10%[1]。在東南某車(chē)型測(cè)量中的CVT排放與MT相當(dāng)，如表6。

表6 CVT 與MT排放對(duì)比表

3.4 駕駛平順性

由于CVT的速比變化是連續(xù)不斷的，所以汽車(chē)的加速或減速過(guò)程非常平緩，而且駕駛非常簡(jiǎn)單、安全。從而使用戶獲得全方位的“行駛樂(lè)趣”。如圖3為MT 與CVT駕駛平順性對(duì)比圖，可看出MT車(chē)加速時(shí)在每個(gè)檔位換檔時(shí)，引擎轉(zhuǎn)速明顯下降，車(chē)輛行駛時(shí)有頓的感覺(jué)。而CVT加速時(shí)引擎保持加速順暢，如行云流水。

在實(shí)車(chē)10點(diǎn)評(píng)價(jià)中，CVT車(chē)的駕駛性為9分，AT車(chē)為8分，MT車(chē)為7分，CVT的駕駛性明顯比MT、AT更優(yōu)秀。

圖2 MT與CVT駕駛性對(duì)比圖

4 CVT成本

CVT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零部件數(shù)量比AT少約200個(gè)，一旦汽車(chē)制造商開(kāi)始大規(guī)模生產(chǎn)，CVT的成本將會(huì)比AT低很多。由于采用該系統(tǒng)可以節(jié)約燃油，隨著大規(guī)模生產(chǎn)以及系統(tǒng)、材料的革新，CVT零部件(如傳動(dòng)帶或傳動(dòng)鏈、主動(dòng)輪、從動(dòng)輪和液壓泵)的生產(chǎn)成本，將降低20%～30%[3]。

CVT變速器的技術(shù)含量和制造難度都要比MT變速器高，與AT變速器相仿，由于金屬帶式CVT的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所含的零件數(shù)量比AT變速器少40％左右，整車(chē)的質(zhì)量因而也有所減輕。一般AT變速箱的重量在80kg公斤左右，而鋼帶CVT一般在60kg左右。

從目前采購(gòu)CVT變速箱的成本上看，已經(jīng)與4AT相當(dāng)，隨著CVT產(chǎn)量的不斷上升，鋼帶CVT的成本將進(jìn)一步下降。

6 結(jié)語(yǔ)

介紹鋼帶無(wú)級(jí)變速（CVT)的基本機(jī)構(gòu)及原理。通過(guò)對(duì)無(wú)級(jí)變速箱的實(shí)車(chē)驗(yàn)證，鋼帶CVT在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、駕駛性及排放同AT相比都有杰出的表現(xiàn)，同時(shí)由于CVT成本遞降可期性，使得鋼帶CVT逐漸成為各大汽車(chē)廠商追逐匹配的變速箱。

在驗(yàn)證過(guò)程我們也發(fā)現(xiàn)目前CVT還無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正理想的無(wú)級(jí)變速，CVT的動(dòng)力性、油耗、排放、成本等雖然比AT強(qiáng)，但與MT相比僅只能是相當(dāng)或略差，這是由于摩擦CVT的局限決定的，鋼帶CVT為了產(chǎn)生足夠的靜摩擦力，在高壓力下摩擦傳動(dòng)必然要消耗較多的能量。它與真正的理想變速還有一定的差距。

因此，理想的無(wú)級(jí)變速仍然是設(shè)計(jì)師們的追逐目標(biāo)。一種真正的齒輪無(wú)級(jí)變速正在研發(fā)中，我們拭目以待！

[1] 王紅巖,金屬帶式無(wú)極變速傳動(dòng)系統(tǒng)分析,匹配與綜合控制的研究[D].長(zhǎng)春吉林大學(xué),1998.

[2] 張友坤,等.金屬帶式CVT電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的研究[J].汽車(chē)技術(shù),2004(10).

[3]汽車(chē)工程手冊(cè):設(shè)計(jì)篇, 4.7無(wú)級(jí)變速器[M].北京: 人民交通出版社, 2005.

Advantages and Limitation of Steel Belt Continuously Variable Transmission

(South East (FuJian) Motor Company R&D Center， Li qing)

The article introduce structure and principle of CVT，and prove advantages and limitation of CVT based the vehicle test data such as acceleration、fuel economy、drivability and emissions .

CVT ，advantage ，limitation