瀬尾隆 谷中悟史 友松大輔 深尾光博 大槻武

無級變速器（CVT）正在逐漸成為改善發(fā)動機燃油經濟性的1項重要技術，同時也可有效降低汽車的CO2排放。介紹了豐田汽車公司與日本愛信精機株式會社聯(lián)合開發(fā)的新款CVT及相關技術。該款CVT采用傳統(tǒng)的鋼帶結構，且增設了獨特的起動齒輪機構，并圍繞降低燃油耗、提高駕駛性能、實現輕量化等目標，引進了諸多新技術，從而使新款CVT具有換檔平順，速比范圍寬廣的特點。由此，發(fā)動機可在任何車速下均以最高效率運轉，同時也使車輛的起步、加速及駕駛性能得到改善。

無級變速器;起動齒輪機構;駕駛性能;燃油經濟性

0 前言

近年來，世界各國針對環(huán)保領域提出了進一步要求。在汽車工業(yè)領域，降低CO2排放已成為重要課題。豐田汽車公司提出到2050年，應使上市新車的CO2排放量減少90%，并已開始致力于該項課題的研究工作。豐田方面制定的規(guī)劃是到2030年，使新車銷售量的10%以上為純電動汽車（EV）及燃料電池汽車（FCV）（圖1）。根據目前現狀，到2030年，仍將有90%的汽車以內燃機為動力裝置，所以研究人員需要通過對發(fā)動機及變速器技術進行重點開發(fā)，以降低CO2排放。在該背景條件下，豐田汽車公司與日本愛信精機株式會社于2012年起聯(lián)合開展了針對新型無級變速器（CVT）的開發(fā)工作。

1 開發(fā)理念

此次推出的新型CVT可與1.5 L及2.0 L發(fā)動機進行匹配使用。同時，為了實現推廣普及，研究人員針對發(fā)動機排量為2.0 L以下的車型設定了如下開發(fā)目標：

（1）通過擴大變速比范圍并實現高效化，改善燃油經濟性;

（2）通過兼顧CVT換檔平順性及加速感，提高駕駛性能;

（3）通過使CVT部件實現小型化及輕量化，降低整車質量，并提高其匹配性能。

為滿足各類車型的性能需求，研究人員針對1.5 L與2.0 L發(fā)動機開發(fā)了新型部件。研究人員在開發(fā)不同的部件時，應使變速器換檔閥閥體實現通用化，并使CVT基本結構及控制系統(tǒng)實現統(tǒng)一化。由此不僅能提高開發(fā)效率，而且通過對機型系列的整合，成功減少了零部件種類。另一方面，研究人員為使轉軸及齒輪等動力傳動零件與自身扭矩需求相匹配，進行了最優(yōu)化設計。

2 開發(fā)技術

為實現開發(fā)目標，研究人員不僅采用了與傳統(tǒng)CVT相同的鋼帶進行動力傳動，而且為其配備了全新的齒輪傳動機構，可使車輛在起步及加速時具有較高的動力性能（如圖2、圖3和表1所示）。圖4示出了在各種行駛模式下的新型CVT的傳動狀態(tài)示意圖。齒輪機構與皮帶的動力傳動路線的切換，是利用C1、C2 這2款濕式離合器的接合與分離而實現的，研究人員為此引進了源于自動變速器（AT）的高速響應控制模式。在駕駛人員輕踩加速踏板時，可實現與傳統(tǒng)CVT同樣的平順加速過程。在駕駛人員用力踩下加速踏板時，可使整車具有更迅捷的加速體驗。

2.1 改善燃油耗的技術

新型CVT相比傳統(tǒng)CVT，扭矩損失降低了34%（圖5）。由此使系統(tǒng)效率提高了5%，整車燃油經濟性提升了6%（在北美行駛工況及歐洲共同體行駛工況下）。本節(jié)重點介紹降低CVT能量損失的相關技術。

2.1.1 擴大變速器速比范圍

與傳統(tǒng)結構相似，在擴大變速器速比范圍的同時，皮帶傳動效率將會有所降低。因此，研究人員應逐步擴大傳統(tǒng)型CVT的速比范圍，并兼顧駕駛性能與燃油經濟性。為解決上述問題，研究人員為新款CVT的低速檔側增加了齒輪傳動機構。在車輛剛起步時，由于變速器利用具有較高傳動效率的齒輪機構進行驅動，為此具有強勁的動力性能，并能實現快速響應。由于駕駛人員會將皮帶傳動機構的速比向高速檔側轉換，因此車輛可以在皮帶傳動效率較高的區(qū)域實現高速、高效的行駛過程，并具有寬廣的速比范圍（圖6）。隨著帶輪的高剛度化，皮帶在傳遞動力時出現的徑向下沉量減小了，有效改善了皮帶傳動效率。

2.1.2 附加軸雙排油口葉輪式油泵

機油泵采用了如圖7所示的雙排油口葉輪式油泵。按照行駛條件，研究人員將2個排油口分別設為高壓排油口與低壓排油口，以此降低了驅動油泵的能量。而且，由于采用了容積效率較高的葉輪式油泵，從而大幅提高了油泵工作效率。此外，由于研究人員在發(fā)動機的附加軸上配裝了油泵，除了能使油泵實現高效運行之外，也為CVT本體的小型化及輕量化作出了貢獻。

2.1.3 起動齒輪機構與同步齒輪機構

為拓寬速比范圍并提高傳動效率，研究人員為系統(tǒng)增設了起動齒輪機構（圖8）。研究人員考慮到車輛在高速行駛時，由于前進及倒車的摩擦部件及行星齒輪的高速差動會導致能量損失，因此為用于起動的齒輪傳動系統(tǒng)配備了同步機構。由此，除了皮帶傳動機構的變速效果外，在中等車速以上的工況區(qū)域，研究人員應借助于換檔撥叉等機構，以避免傳動效率降低。

2.2 提高駕駛性能的技術

為了兼顧駕駛性能與燃油經濟性，研究人員根據加速踏板開度，將工況分為以下3個區(qū)域：車速控制區(qū)域、加速感受區(qū)域及動力性能區(qū)域，以此開發(fā)出最佳的控制方式。本節(jié)將介紹不同工況區(qū)域所要求的開發(fā)目標。

2.2.1 車速控制區(qū)域

該區(qū)域主要為車輛在市區(qū)道路及高速公路上恒速行駛時的工況區(qū)（圖9）。研究人員力求兼顧車輛的燃油經濟性與車速控制性能。由于在車輛起步時，駕駛人員通常會將CVT傳動方式由齒輪傳動調整為皮帶傳動，該過程能與傳統(tǒng)CVT充分實現匹配，并可使發(fā)動機在高效區(qū)域運作。研究人員可通過調整離合器的變速控制方式、CVT變速控制方式、鎖止式控制方式及發(fā)動機扭矩控制方式，使駕駛人員感覺不到明顯的齒輪運作過程，充分兼顧了平順的變速過程與優(yōu)良的燃油經濟性。此外，研究人員為提高車輛在恒速行駛區(qū)的行駛性能，將各車速下的驅動力控制特性設定為線性，以此提高了車速控制性能。當車輛處于制動工況時，研究人員通過設定，可使變速器由皮帶傳動向齒輪傳動切換。此時，研究人員可根據減速度而精確地控制離合器液壓系統(tǒng)，使離合器處于半分離狀態(tài)，力求緩解由于傳動方式切換而導致的車輛重心垂向位移現象。結果表明，通過上述方式，可使整車制動感受更為平順。

2.2.2 加速感受區(qū)域

該區(qū)域是車輛在起動及超車加速時所使用的工況區(qū)（圖10）。為了優(yōu)化駕駛人員的駕駛體驗，并使整車具有線性的加速感，研究人員充分運用了新型CVT的高效齒輪傳動特性及新型發(fā)動機的出色扭矩特性。為加快C1、C2離合器的接合及轉換速度，并使變速過程更為順暢、平滑，研究人員應充分重視加速時的發(fā)動機轉速與車輛重心位置的關系。研究人員應根據車輛加速度，以調整CVT變速控制方式及發(fā)動機扭矩控制方式，從而使發(fā)動機轉速的上升率處于最佳狀態(tài)。即使CVT處于變速過程中，也能使其實現線性的快速升檔過程。同時，上述特性應符合市區(qū)道路高速行駛過程中的加減速及恒速行駛等工況。

2.2.3 動力性能區(qū)域

該區(qū)域是駕駛人員踩下加速踏板時所處于的工況區(qū)（圖11）。為滿足駕駛員的加速需求，應使其具有較高的響應性及強勁的加速性能。首先，在加速過程中，變速器會從皮帶傳動快速地向齒輪傳動進行切換。研究人員根據CVT的速比，設定了分離側C2離合器的液壓參數，按照任何1個速比進行調整，均會使分離側C2離合器的油壓斜率有所降低。此外，在變速過程結束前，研究人員可通過改善離合器分離側的液壓效果，以緩解變速結束時產生的沖擊，力求兼顧響應性與平順性。當車輛在以中等負荷工況行駛時，變速器皮帶傳動機構內會出現速比大幅變化的降檔過程。由于采用了窄角皮帶并實現了帶輪的小型化及輕量化，加速響應性得以顯著提高。由于可動帶輪的軸向行程有所減小，為此提高了傳動帶變速的幅度。此外，由于能降低變速過程中的慣性力矩，一方面抑制了加速滯后現象，一方面也能提高變速速度。

除了提高車輛在上述自動變速模式下的駕駛性能之外，為了進一步提升整車性能，研究人員將手動換檔模式設定為10檔，提升了換檔操作過程的平順性。相比傳統(tǒng)變速器，該款CVT進一步提升了變速器的換檔速度，也進一步改善了駕駛人員的駕駛樂趣，其可通過調整傳動帶變速控制與發(fā)動機扭矩控制而實現。此外，研究人員對測量儀表進行了技術改良，使其在控制過程中并未出現明顯滯后的現象，同時使駕駛人員具有良好的駕駛感受。在硬件、軟件兩方面的技術開發(fā)過程中，研究人員通過實施兼容性開發(fā)，從而打造出具有較高商業(yè)價值的新款車型。

2.3 小型輕量化技術

研究人員根據新型CVT的技術特點，為其增加了齒輪傳動機構等全新的技術部件，并通過技術調整使其適用于1.5 L、2.0 L等不同機型，下文將重點介紹CVT小型輕量化技術。

2.3.1 采用窄角傳動帶輪與帶輪的小型化

由于研究人員將傳動帶的傾斜角度由原來的11 °縮小到9 °，壓縮了可動帶輪的軸向行程量（圖12）。因此，不僅縮短了CVT部件的全長，并成功地實現了輕量化，同時使變速速度提高了20%，為提高駕駛性能作出了重要貢獻。此外，在起步及加速等對發(fā)動機扭矩要求較高的工況區(qū)域，由于變速器通過起動齒輪機構傳遞扭矩，以此能減輕系統(tǒng)向傳動帶及帶輪施加的負荷。研究結果表明，2.0 L發(fā)動機所采用的CVT，能使皮帶傳動部件的寬度從30 mm減少到24 mm（圖13）。

2.3.2 CVT殼體的薄壁化與換擋閥閥體保護罩的樹脂化

研究人員通過有限元法（FEM）分析得出了CVT的形狀，從而對加強筋布置進行了最優(yōu)化處理，與2.0 L發(fā)動機相匹配的CVT殼體的最薄部位由3.2 mm減至2.2 mm;與1.5 L發(fā)動機相匹配的CVT殼體的最薄部位由3.0 mm減至1.8 mm，成功地實現了CVT部件的輕量化。此外，研究人員將以往布置于CVT下方的換檔閥閥門調整到CVT的前方。由此，可將現有的鋼制防護罩改為樹脂材質，而且由于部件的低配置化，也有利于實現車輛的低重心化。

3 目前的應用情況與發(fā)展前景

該款新型CVT已配裝在于2018年7月正式上市銷售的Coralla艙背式乘用車上，并已投放至北美市場。近期，該款CVT已陸續(xù)配裝在IZOA/C-HR車型及RAV4車型上，有效兼顧了強勁的動力性能與優(yōu)越的燃油經濟性，以此贏得了用戶的好評。今后，該款CVT將會被推廣至全球市場，以此改善環(huán)保性能，并實現動力系統(tǒng)的小型化與輕量化，同時進一步降低整車燃油耗。

[1]D.Niii：Development of New Continuously Variable Transmission for 2.0-Liter Class Vehicles. SAE Technical Paper 2018-01-1062.

[2]友松大輔ぼか：新2.0L用