CVT
无级变速器,主要用于汽车等机械设备
CVT(Continuously Variable Transmission),又称连续可变传动、无级变速器、无级变速箱等,是一种可实现变速比连续变化的变速器。而除了具有传动比连续的特点之外,CVT变速器还具有传递动力平稳、结构简单紧凑、成本较低、燃油经济性较好等特点,并以此成为了当今较为主流的自动变速器之一。
15世纪(1490年),列奥纳多·达·芬奇(Leonardo da Vinci)绘制了具有无限种传动比变速器的相关结构草图;1879年,米尔顿·里夫斯发明了一种无级变速装置用于锯铣,随后,戴姆勒与奔驰于1886年就注册了第一个车用摩擦带式无级变速器专利。美国则于1935年注册了环形无级变速器。而CVT的量产与规模应用则是从1958年开始的,当时,荷兰DAF公司的Hub van Doorne博士研制成功了名为Variomatic的双V形橡胶带式CVT,并装备于DAF公司制造的Daffodil轿车上。然后,CVT又经历了融合液力变矩器、传动带用金属带代替橡胶带、转矩容量增大等变革,并最终成长为了最主流的变速器之一。
CVT主要可根据动力传递方式的不同,被分为机械式、流体式、电动式等类别;而不管是哪类CVT,其一般都由无级变速机构、行星齿轮机构、起步机构和控制系统等组成,且均是通过带轮和传动带来实现变速比的连续变化(或者变速)。CVT主要被应用于汽车、农业和工业设备等领域,未来将朝着高效率、轻量化、智能化、混合动力化等方向发展,。
发展简史
起源
在1490年,列奥纳多·达·芬奇(Leonardo da Vinci)就有与改变转动比类似的想法:如果从概念上看,理想的变速器可以使发动机的转速与转矩处于最佳工作状态,在换挡时不会有转矩中断,能提供最佳的转动比。依照这个概念列奥纳多·达·芬奇就画出了草图。
1879 年,米尔顿·里夫斯(Milton Reeves)发明了用于锯木厂的 CVT(当时称为变速器)。1896 年, 里夫斯开始将这种变速器安装到他的汽车上,有几家制造商也使用了里夫斯所发明的CVT。德国的戴姆勒与奔驰于1886年就注册了第一个车用摩擦带式无级变速器专利,并将V型橡胶带式CVT安装在其公司的汽车上。1906 年卡特车上搭载了通过金属盘摩擦力实现无级变速的 CVT。20世纪 30 年代,通用汽车研制出了环式 CVT ,Austin Sixteen车上则搭载了牵引式 CVT。
量产
1958年,DAF公司的H.Van Doorne博士研发了双V型橡胶带式CVT,名为Variomatic,并首次装备于DAF公司制造的Daffodil轿车上,销售量超过100万辆。但由于存在诸多缺陷,如功率有限、离合器工作不稳定、能量损失较大等,未被普遍接受。20世纪60年代末期HVanDoorne博士研制出传逆功率容量大、效率高、结构紧漆的实用型金属带式CVT。它具有零件少、体积小、重量轻、传动效率高、油耗较低的优点,缺点是传动带很容易损坏,不能承受较大的载荷。富士、菲亚特汽车公司、福特都先后引进CVT技术,加以改善,装用在自已的汽车上。
改进与变革
1987年,日本斯巴鲁速波)公司将金属带式无级变速器ECVT用于JUSTY轿车。为克服CVT采用橡胶带传动带来的性能缺陷,研究人员对提高传动带性能和CVT传递功率极限进行了研究,将液力变矩器集成到CVT系统中,主、从动轮的夹紧力实现了电子化控制,并在CVT中采用节能泵,以及代替传统橡胶带的金属带。同时Fiat和福特汽车公司也将VDToCVT装备在排量为1.1L到1.6L的汽车上。
20 世纪 70 年代在美国Formula 500 开轮赛车自初就开始使用 CVT。1994 年,由于担心研发成本不断上升以及驾驶员对车辆的参与程度维持在特定水平,CVT(以及其他一些电子系统和驾驶辅助设备)被禁止出现在一级方程式赛车中。在当时,许多小型车辆(例如雪地摩托车、高尔夫球车和小型摩托车)都使用 CVT(通常是滑轮乐队类型)。这些车辆中的 CVT 通常使用具有非拉伸固定周长的橡胶带,橡胶带由各种高度耐用且柔韧的材料制成,因为其机械简单性和易用性超过了其相对低效率。一些小型摩托车也配有离心离合器,可在怠速或手动倒车时提供帮助。
20世纪90年代,汽车界对CVT技术的研究开发日益重视,特别是在微型车中,CVT被认为是关键技术。全球科技的迅猛发展,使得新的电子技术与自动控制技术不断被采用到CVT中。1997年,日产(企业)公司开发了使用在2.0L汽车上的CVT。新型CVT采用高强度宽钢带和一个高液压控制系统。通过采用这些先进的技术来获得较大的转矩传递能力,传动比的改变实行了电子控制,汽车在下坡时可以一直根据车速控制发动机制动,而且在湿滑路面上能够平顺地增加速比来防止打滑。
1999年,美国福特(福特汽车公司)公司和德国采埃孚股份公司(ZF)公司合作,为福特汽车公司的轿车和轻型载货车生产CVT。德国采埃孚股份公司设计的CVT是一种变矩器式变速器,使用为安装横向发动机前轮驱动汽车生产的钢带。与四元件自动变速器相比,CVT系统能够将加速性能提高10%,燃油经济性能提高10%~15%。全世界各大汽车厂商为了提高产品的竞争力,大力进行CVT的研发工作。随着电子技术的广泛应用,电子控制的V型金属带型无级变速器在德国日本得到重视。德国、日本等国已经开发了电子控制的无级变速器,并在总结早期CVT技术经验的基础上,进一步研发出了性能更优越、转矩容量更大的新型CVT。截至2012年TOYOTA、GM、福特汽车公司日产汽车公司、AUDI等品牌中,都有装备CVT变速器的轿车车型。装备CVT的汽车市场,由最初的日本,欧洲,已经渗透到北美市场。
工作原理
CVT变速器可以实现连续无级变化的传动比,其工作原理是通过改变传动钢带或链条在主从动锥轮中的位置实现传动比的连续变化,从而实现无级变速。其中,当钢带或链条在主动锥轮上接触半径大,而在从动锥轮上的接触半径小时,钢带或链条会处于高速状态,驱动轮转速较快,车辆速度相对较快,反之,车辆处于低速状态。而且,由于主动锥轮都是锥形,钢带和链条在锥形面上的接触半径可以实现线性的变化,所以,也能得到线性变化的传动比,实现车辆的无级变速。
基本结构
CVT变速器一般是由无级变速机构、行星齿轮机构、起步机构和控制器等组成。其中,无级变速机构是CVT的核心机构, 主要负责动力传递和转速比的无级变化;行星齿轮机构用于前进挡和倒挡的切换,以及补偿主变速器的变速比;起步机构用于控制动力传递和起步平稳;控制器用于控制起步机构、发动机转速等。
无级变速机构
无级变速机构是CVT中实现传动比连续变化的重要机构。机械无级变速机构通常由金属传动件、主动轮组、从动轮组等部分组成。机械无级变速机构的原理是改变某一构件的位置或尺寸,无级地改变主动传动盘和被动传动盘的有效直径,达到自动无级变速的目的。依据金属传动件的不同,一般分为金属带式和链式。
金属传动件
金属传动件主要有金属链条和金属推力钢带。金属推力钢带由数百个金属推片和两组金属环构成。钢带的宽度和长度有多种规格。钢带需要由高强度特制钢材制造。动力传递分为两个阶段:初始阶段,扭矩通过钢环内侧与推片接触面的摩擦力传递,随后通过一侧钢带的拉力传递扭矩。随着扭矩的增加,钢环内侧与推片间发生打滑,另一侧推片受挤压,部分扭矩通过推片间的推力传递。在实际应用中,大部分扭矩传递依赖于推片间的挤压,因此也叫推力带。CVT金属链条不同于传统的链条,需要由高强度和刚性的钢材制造,它是靠销子侧面和带轮锥面摩擦来传递动力的,其中一组销子是有两个圆弧曲面的销子组合到一起,这样传动链在进入或出带轮运转时,销子和链节之间没有相对滑动,两个链节之间的弯曲是通过销子两配合曲面的滚动来完成的,提高了链的寿命的同时增加了传动效率。CVT 传动链的各链节距不同,使得工作中每个销子和锥盘接触的频率不同从而有效降低振动噪音。
带轮
主、从轮组由活动和固定锥盘两部分组成,与加压装置靠近的一侧带轮可以轴向移动,另一侧则固定。可动盘与固定盘都是锥面结构,它们的锥面形成 V 型槽来与 V 型金属传动件啮合,动力靠带轮侧面和金属带两侧面摩擦力来传递。工作时需确保传动带和带轮锥面始终有足够的正压力,保证动力可靠的传递,通过调节主从动锥盘的压力比值来改变主从动带轮活动锥盘的轴向位置,从而改变传动比。可动盘的轴向移动是由通过变速器的电子控制系统按照驾驶者的意图来调节主动轮、从动轮加压机构压力来实现的。由于主动轮和从动轮的工作半径可以实现连续调节,从而实现了无级变速。带轮通常由铸钢或钢板焊接,对尺寸参数和表面粗糙度等都有相关的要求。
行星齿轮机构
CVT的行星齿轮机构的功能是倒挡时改变变速器输出轴的旋转方向。通常由太阳轮、行星齿轮架、行星齿轮、齿圈组成,太阳轮与输入轴和前进挡离合器钢片相连接,两排行星轮轴安装在行星架上(行星齿轮1与太阳轮咬合,行星齿轮2与齿圈咬合,行星齿轮互相咬合),行星齿轮架和前进挡摩摄片相连接,齿圈和倒挡制动器摩擦片相连接。变速器处于前进挡状态时,前进档离合器结合(即离合器钢片与摩擦片接触),由于前进档离合器钢片与太阳轮连接,摩擦片与行星架相连接,此时,太阳轮(变速器输人轴)与行星架(输出部分)连接,行星齿轮机构被锁死成为一体,并与发动机运转方向相同。变速器处于倒挡状态时,倒档制动器结合(即倒档制动器摩擦片与倒档制动器钢片接触),由于倒档制动器摩擦片与齿圈相连接,倒档制动器钢片与变速器壳体相连连,此时,齿圈被固定,太阳轮(输人轴)转动,带动行星轮运转,由于齿圈固定没有运动,导致行星齿轮自转的同时绕着太阳轮公转,从而带动行星架绕着太阳轮运转,由于有两排行星轮,太阳轮和行星架的旋转方向相反,实现动力的反向输出。
起步机构
为了实现平稳的起步,CVT 应用的起步机构主要有湿式离合器、可闭锁式液力变矩器等。湿式起步离合器在起步过程中由发热量大,难以避免冲击顿挫等问题,只在少数几款 CVT 产品有应用,其他的 CVT 基本都使用液力变矩器作为起步机构。液力变矩器一般包括:涡轮、导轮、泵轮、锁死活塞,并将自动变速器的液压油作为工作介质。发动机曲轴直接带动涡轮旋转,由涡轮搅动液力变扭器内的液压油,使液压油产生旋流。再由导轮调节将液压油流向泵轮,泵轮则接收液压油的流动能量,从而驱动变速器旋转。锁死活塞则根据负荷大小自动地锁死液力变扭器,使曲轴直接驱动变速器的输人轴,从而加大传递的扭矩。液压油作为动力传递的介质使变矩器对负载冲击具有很好的缓冲吸收作用,并且具有减速增扭作用,可以很好的吸收起步过程中的冲击载荷,而且还能增加扭矩输出。但是由于液流传动动力效率较低,在常用工况下会将变矩器泵轮和涡轮锁止到一体,使得动力高
效传递。
控制系统
控制系统是用来实现CVT系统传动比无级自动变化的。在CVT系统中,采用机-液控制系统或电-液控制系统。 它主要由油泵(齿轮泵或叶片泵)、液压调节阀(速比和带与轮间压紧力的调节)、传感器(油门和发动机转速)和主、从工作轮的液压缸及管道组成,实现传动无级变速的调节。 速比控制、夹紧力控制和起步离合器的控制是无级变速控制系统的关键。控制系统从传感器获取数据并通过ECU计算后,通过控制油泵和液压调节阀,改变各液压缸的压力,从而控制主、从工作轮和离合器的状态,完成CVT的工作目的。
油泵
油泵作为液压控制系统的核心动力源,负责向自动变速器的关键组件提供必要的油压,以实现润滑和控制功能。它输出的主油压,亦称线路油压,经过调节后产生多个分支油压。油泵通常位于液力变矩器之后,由变矩器壳体驱动,转速与发动机同步。CVT中常见的油泵类型包括内啮合齿轮油泵、叶片泵和摆线转子泵,其中内啮合齿轮油泵应用最为广泛。内啮合齿轮油泵由主动齿轮(内齿轮)、从动齿轮(外齿轮)、月牙形隔板、泵壳和泵盖等部件构成。月牙形隔板将齿轮间的空隙分隔为吸油腔和压油腔,各自设有进油口和出油口。在发动机运行时,主动齿轮由变矩器壳体驱动旋转,带动从动齿轮同步旋转。在吸油腔中,由于齿轮的啮合退出,形成局部真空,吸入液压油;而在压油腔中,齿轮的啮合使空腔容积减小,油压升高,液压油从出油口排出。
主要分类
CVT变速箱主要可根据动力传递方式的不同分为机械式、流体式、电动式,这之中,应用最广泛的是机械式CVT。而机械式CVT主要可根据传动元件的不同进行分类,且主要有橡胶带式CVT、链式CVT、金属带式CVT三大类。
橡胶带式CVT
橡胶带式CVT结构主要由主动轮、从动轮和橡胶V型传动皮带等部件组成。橡胶带式CVT具有速比连续变化、结构简单、成本低廉、安装和维修方便、操控简单、驾驶平顺舒适等特点,目前广泛使用在全地形越野车(ATV)、园林运输车辆和运动休闲车等特种车辆的传动系统中。由于橡胶带式CVT通过摩擦传动,其传递效率在80%左右。橡胶带式CVT结构还需要解决整车传动效率低、大负载工况下橡胶皮带打滑、皮带工作寿命短等问题,并对橡胶带式 CVT进行结构简化。
链式CVT
链式CVT结构主要由滚销链与主、从动锥盘等部件组成。滚销链由链片和滚销构成的链节单元串联而成,每个链节由多个片型相同的链片及两个滚销组成,滚销的长度略大于链节中链片的厚度。在工作过程中,随着链节啮入锥盘,滚销与锥盘间的接触摩擦令链节中存在张力,张力在相邻链节间传递,即传动转矩是通过拉力的形式在滚销链中传递,因而滚销链也被称作拉力链。滚销链式CVT的扭矩承载能力较高,链条内部的摩擦损耗较小,传动效率较高。链式CVT是目前使用最广泛的无级变速器之一。CVT也可以应用在混合动力汽车上,很多厂商也推出了适配于混合动力汽车的 CVT。链式 CVT 在传动过程中受振动冲击、打滑、部件的磨损和变形等现象的影响,链式CVT的运动状态还受多边形效应的影响。为解决这些问题,无级变速器的发展方向有机械结构创新、动态特性解析、磨损机制探索和控制策略匹配等方面。
金属带式CVT
钢带式CVT的基本结构主要由钢带与主、从动锥盘等部件组成。钢带是由两组相同的金属环和众多的金属推片组成。在传动过程中金属推片啮入主动锥盘时,系统通过控制锥盘斜面作用于金属推片侧面的夹紧力和锥盘与推片间的相对运动趋势,引起金属推片和金属环间的轻微打滑,使得推力在金属推片之间依次向前传递,从而将扭矩由主动轴传递至从动轴。因此,根据其传动机理的特点,钢带式CVT又被称为推力带式CVT。钢带式CVT的磨损量较小小,传动比控制比较稳定;钢带式CVT在纵向上质量分布较均匀,纵向尺寸较小,因此在传动时钢带式CVT的多边形效应较小,NVH性能更好。钢带式CVT是目前使用最广泛的无级变速器之一。CVT也可以应用在混合动力汽车上,很多厂商也推出了适配于混合动力汽车的 CVT。钢带式CVT在传动过程中受振动冲击、打滑、部件的磨损和变形等现象的影响,钢带式 CVT 在速比变化时还存在轴线偏移的问题。由于其传动原理及材料技术的限制,使得CVT 传递的扭矩容量受到了限制(截至2004年投放市场的金属推力带式 CVT 最大传递扭矩 350Nm)。为解决这些问题,无级变速器的发展方向有机械结构创新、动态特性解析、磨损机制探索和控制策略匹配等方面。
性能指标
关键技术
影响CVT生产和发展的关键包括CVT电控技术,CVT材料技术、CVT零件加工技术以及润滑油等。
CVT电控技术
CVT控制技术分为TC控制、D/R离合器控制、钢带控制、液压控制以及诊断控制五个方面。CVT控制系统通过传感器获取CVT的运行状态,并通过控制液力变矩器锁止离合器(TCC,Torque Converter Clutch),D/R离合器,主动轮,从动轮,液压系统等调节CVT的运行状态。CVT控制系统配合发动机万有特性曲线,可以达到最佳燃油经济性的目标。CVT控制系统同时也可以实现硬件特性偏差的自适应控制,快速响应驾驶员的动力需求,保护CVT硬件延长CVT零件寿命等目标。
CVT材料技术
CVT传递扭矩的大小受材料强度限制。CVT材料的质量也直接影响变速器的耐用性。CVT的材料必须具有高强度、高硬度和高耐疲劳性能,同时还要具有良好的耐腐蚀性能和稳定的机械性能。相比其他部件的用钢强度,无级变速机构用钢的要求是最高的,制造难度和成本也是最高的。目前市占率最高的CVT使用的材料都是性能优异的高强度钢,其中以专利技术T702高强度钢为主,其抗拉强度达到2000MPa 以上。随着材料技术的提升CVT变速器的耐用性和传递扭矩会得到进一步的提升。
CVT零件加工技术
CVT的无级变速机构需要进行精密加工,特别是表面处理非常重要,以提高传动效率和减少磨损。例如可以进行激光处理,通过对零件进行激光边缘熔化来圆整切割边缘,消除微小划痕和边缘的磨损,使零件的精度和质量可以得到明显提升。锥轮也需要进行表面处理。例如先将锥轮进行镜面加工,后期再在光滑的锥形表面增加一些纹路。经过这样处理的锥轮,不但硬度增加,而且由于纹路内留存的润滑油具有表面张力,能有效增加锥轮和钢带或链条之间的静摩擦力,避免打滑,提高汽车 CVT 变速器的耐用性。
润滑油
无级变速器油中所含的添加剂通过摩擦在零件和工作轮之间的接触面上形成边界润滑膜。这种边界润滑膜的结构和力学性能极大地影响了零件和工作轮之间的摩擦和磨损特性。为了防止元件和皮带轮相互滑动并减少磨损,需要适当的摩擦系数值来提高功率效率。无级变速器油应具有良好的耐磨性能、抗氧化性能及抗化学降解性能,能在高温和高负荷下保持稳定性,有效防止高温中油膜过度变薄、低温下油膜增厚而对变速器造成损害。不合适的无级变速器油将会直接造成零件和锥轮之间的异常磨损和损坏。
主要特点
优点
整车动力性:无级变速器由于没有了一般自动变速器变速器的传动齿轮,也就没有了自动挡变速箱的换挡过程,由此带来的换档顿挫感也随之消失,相比MT、DCT和AT等有级变速器车型,乘坐舒适性大大提高。
燃油经济性:CVT能够在较宽的范围内实现无级变速,实现传动系发动机特性的最佳匹配,在车速改变时发动机转速变化波动范围较小,使发动机始终工作在燃油经济区域,提高了发动机燃油效率,从而提高整车的燃油经济性。相较于AT等有级变速器的燃油经济性会更好。
结构经济性:相对于有级变速器,CVT系统结构相对简单, 也更有利于轻量化、小型化设计。CVT不需要多组齿轮组传动,既没有MT的众多齿轮副,也没AT复杂的行星齿轮组,而是通过一组可变直径的传动轮和传动带来传递发动机转矩,实现转矩输出。CVT传动系统的零件数量相较于AT、MT和DCT更少,使变速器成本降低20%以上。与同等扭矩能力的AT自动变速器相比,CVT的传动系统理论上挡位可以无限多,挡位设定更为自由,传统传动系统中的齿轮比、速比以及性能、耗油、废气排放的平衡,都更容易达到。
降低驾驶难度
自动变速器是为配备大排量发动机的舒适家用车设计的,其主要目标是使驾驶人在起动和换档过程中不必费力操作离合器踏板,不像手动变速器需要确定合适的换档时机及协调操作,使上坡起步发动机熄火的概率大大减小,使驾驶变得更容易。如果在比较复杂的路况行驶时,需要频繁的变换速度,自动变速器受加速脚踏板的控制随意改变速度,降低了驾驶难度。
缺点
CVT自动变速器由于结构限制,由于钢带或链条通过与带轮摩擦传递扭矩,其最大承载扭矩受钢带或链条规格以及带轮夹紧力等条件的限制,因此在匹配大扭矩发动机时,其可靠性会明显下降。此外,为确保带轮有足够的夹紧力,CVT自动变速器需要一个大流量的油泵持续工作,导致其综合效率相对较低。机械无级变速传动靠摩擦传递动力,传动件压力大,易于磨损和发热,寿命较低,承受过载及冲压的能力差,无级变速器无法处理高扭矩,无法进行激烈驾驶。因有滑动,不宜满足严格的传动比要求。金属带在运转过程中发生扭曲会使噪声变大,传动不平稳,无级变速器的寿命下降,在起步和低速行驶时会有滞涩不滑的感觉,在紧急停车后再起步时,偶尔会发生低速无法起步的情况。
应用领域
汽车
无级变速器的变速过程平稳连续、操纵方便,可以实现恒功率传动,可以使发动机始终在经济转速区域运行,大大改善燃油经济性,无级变速器的动力性和经济性分别比液力自动变速器提高约10%和15%。装备无级变速器的车加速时无须切断动力、乘坐舒适、超车加速性好,而且无级变速器的成本低于液力自动变速器。目前,无级变速器的应用主要集中在中小排量的轿车上。对无级变速器进行精确的微机控制,可以使带轮的油液流量和油压与发动机工况匹配,减少无级变速器的油泵功率损失,优化发动机运行工况,显著降低燃油消耗。CVT也可以应用在混合动力汽车上,很多厂商也推出了适配于混合动力汽车的 CVT。
农业设备
CVT 还用于农业设备,这些机器中的发动机通常以恒定功率输出运行(以提供液压动力或为机械提供动力),机械效率的损失可以通过提高运行效率来抵消。1995 年芬特(Fendt)的Fendt Vario 926是第一台配备 CVT 变速箱的重型拖拉机。CVT拖拉机的核心技术特点是车速的无级连续可调,这一特点有助于拖拉机的田间机具配套应用,与液压翻转犁、高性能播种机、动力驱动耙、大型打捆机、深松联合整地机等大型作业农机具形成较好的匹配,产品应用场景广泛,产品适应性好,为粮食产量提升提供智能农机基础。2016年Vario系列拖拉机已经生产了超250万台,至2018年其在欧洲拖拉机市场的份额最大,在德国的市场份额高达24.2%。
工业设备
一些工业设备包含一个简单的皮带传动 CVT 系统来控制传输的速度,例如烤炉的传动装置是由电动机通过皮带传动减速器,然后把动力输送到驱动滚筒,通常需采用调速电动机或无级变速器。无级变速器由于可以调整转速,多单元同步运行,启动平稳,节约能源等特点,在纺织、发电、水泵、化纤、造纸等领域应用广泛。纺织业的清花、并粗、浆纱、精纺细纱机等设备都广泛的采用了无级变速器。
发展趋势
效率提升
CVT传动效率提升,有助于整车油耗的降低,需要CVT控制技术本身与发动机控制系统(EMS)协同控制。对于CVT而言,与整车油耗关系有着很强的相关性。通过CVT控制系统的实时计算实时调节并采用合理策略,可以有效提升CVT效率。将CVT控制、环境监控和发动机控制结合,发展出一种动力总成协同控制方法,通过换挡控制,速比控制可以有效的降低油耗,降低CVT磨损并满足动力需求。
混合动力
将发动机和电机结合起来,形成混合动力汽车(HEV),这是当前动力源的一种技术路线。不少公司和机构在研究搭载CVT的混合动力车型:这样可以最大限度地利用现有技术积累和产线资源不用做太大的技术更改和投资,就可以达到节能环保的效果。HEV对CVT控制,提出了更高的要求。以钢带控制为例,由于电机扭矩响应快速,那么需要更快的速度将夹紧力提升至安全程度,这对夹紧力和电磁阀控制要求都更高。
轻量化
通过合理地设计变速器箱体厚度和部件轴向以及径向的尺寸和结构,可以达到减轻质量的目的选择满定要求的轻质量、高度的合金材料,如将镁合金材料应用于变速器壳体可减轻重量、降低汽车的能耗量,有效实现传动系统的轻量化。改变汽车部件的设计,合理布置搭配部件,不但可以提高系统结构的紧凑性、减小结构体积,还能够减轻结构质量,使得变速器在增加转矩传递能的同时,提高了系统的质量比。相比十传统汽车,电动汽车对十轻量化的要求加拍切,电动汽车企业都将汽车轻量化作为研究的重点之一,实现轻量化降低整车能耗,提高动力性能也能解决电动汽车续航里程短的问题。
智能化
未来运算速度和运算量已不再是问题。因此可以尝试将更多的先进控制理论,如模糊控制、神经网络控制等,融入进CVT控制中,使自动变速器能具有人类般的智慧。全智能模式发展,自主地根据驾驶员意愿和驾驶环境进行智能换挡会是重要的研究方向。换挡智能化的发展会使自动变速器具有更高品质的性能,例如自适应、自学习和容错处理等。以驾驶员意图识别为例,根据驾驶员输入信号(油门开度、制动踏板、方向盘转角、换挡手柄等),结合经验,建立模糊规则库,构建模糊控制器,这样可以建立输入信号与意图识别的关联关系,进而节约很多人为标定和验证时间。采用神经网络控制,进行自学习,不断调整模糊推理知识库,以期获取更为合理的关联关系。还可以提取CVT车辆运行的特征数据,通过大数据挖掘,可以对CVT零部件的寿命进行预测,以便对其进行更有效的控制。
面临的挑战
承载能力限制
CVT由于结构限制,于钢带或链条通过与带轮摩擦传递扭矩,其最大承载扭矩受钢带或链条规格以及带轮夹紧力等条件的限制,因此在匹配大扭矩发动机时,其可靠性会明显下降。机械无级变速传动件压力大,易于磨损和发热,寿命较低,承受过载及冲压的能力差,无级变速器无法处理高扭矩,无法进行激烈驾驶。
耐用性限制
CVT材料的强度、硬度和耐疲劳性能直接决定变速器的使用寿命。CVT在工作过程中会产生大量的热量,因此需要进行润滑和冷却,以保证其正常工作和延长使用寿命。因此散热性能和润滑油的防磨性能、抗氧化性能、高温稳定性能、清洁性能、防腐蚀性能也是机件磨损的重要影响因素。CVT 变速器内部的钢带和链条在传动过程中会产生振动和冲击,给变速器带来的影响除了产生噪声以外,还会造成钢带、链条及锥轮的疲劳损坏,从而缩短其使用寿命。
市场
应用情况
截至2020年前CVT的市场占比为2%。
部分制造商
奇瑞(Chery)
奇瑞汽车股份有限公司(以下简称“奇瑞汽车”)创业始于1997年。其自研的CVT产品填补了中国国内在该领域的空白,并装载在瑞麒G3奇瑞A3等车型上。
爱信(Aisin)
爱信公司成立于1940年,产品包括汽车零部件、能源和生活方式相关产品的制造和销售。大众所用的CVT部分来自于日本爱信,马自达菲亚特汽车公司和雪铁龙也有部分车型使用爱信的CVT变速器。它具有较强的稳定性和平顺性,但是能够承载的转矩较低,常用于中小排量的汽车上。
加特可(JATCO)
加特可集团是一家专注于自动变速器研发、生产、销售和技术服务的公司,是全球知名自动变速箱供应商之一。其CVT变速箱具有高效、平顺、省油等优点,被广泛应用于各种车型中。该公司自研出“双腔环形CVT”“汽车用半环形无级变速器(CVT)”。该公司的产品CVT7 和 CVT8 两个系列搭载在日产汽车公司和东风的部分车型上。CVT8 是使用最广泛的无级变速器之一。
LuK
LuK专注于汽车行业。该公司由舍弗勒兄弟于 1965 年在德国布尔共同创立。LuK工程师与奥迪TT合作开发了无级变速器(CVT)。多链节链和变速器是这项新技术的核心部件。它们允许高达 400 Nm 的力传递达到新的维度。1999 年,该技术在奥迪 A6 上以“Multitronic”的名义首次亮相。LuK的产品适用于高性能汽油和柴油发动机。
邦奇(Punch)
邦奇成立于1972年,自1991年开始生产CVT产品,是全球知名的CVT制造商。2019年,中国本土品牌的CVT装机量中,超过50%由邦奇供应。截至2020年5月已经交付了300万台CVT。其产品能适应极端温度(-40°C至+45°C)、高海拔(超过4.700m)、高湿度(79%)和陡峭的山坡(30%)。
芬特(Fendt)
芬特是一家德国农业机械制造商,于1930年在德国创立。芬特生产260马力的Vario 926是世界上第一台配备cvt的量产拖拉机。其生产的VarioDrive CVT无级变速器从时速 65 英尺到 33 英里/小时可实现无缝转换。2016年Vario系列拖拉机已经生产了超250万台,至2018年其在欧洲拖拉机市场的份额最大,在德国的市场份额高达24.2%。
标准规范
常见故障
参考资料
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行星锥盘无级变速器.行业标准信息服务平台.2024-01-11
无级变速器(CVT)性能要求及试验方法.行业标准信息服务平台.2024-01-11
机械无级变速器分类及型号编制方法 .行业标准信息服务平台.2024-01-11
环锥行星无级变速器.行业标准信息服务平台.2024-01-11
机械无级变速器 试验方法 .行业标准信息服务平台.2024-01-11
多盘式无级变速器.行业标准信息服务平台.2024-01-11
锥盘环盘式无级变速器 .行业标准信息服务平台.2024-01-11
齿链式无级变速器.行业标准信息服务平台.2024-01-11
变速器总成(取代MIL-PRF-62461D).中国标准服务网.2024-01-11
自动变速器 - 原理图.中国标准服务网.2024-01-11
具有灵活通信功能的通用CVT.中国标准服务网.2024-01-11
道路车辆 -- 变速器筛分位置.中国标准服务网.2024-01-11
目录
概述
发展简史
起源
量产
改进与变革
工作原理
基本结构
无级变速机构
金属传动件
带轮
行星齿轮机构
起步机构
控制系统
油泵
主要分类
橡胶带式CVT
链式CVT
金属带式CVT
性能指标
关键技术
CVT电控技术
CVT材料技术
CVT零件加工技术
润滑油
主要特点
优点
缺点
应用领域
汽车
农业设备
工业设备
发展趋势
效率提升
混合动力
轻量化
智能化
面临的挑战
承载能力限制
耐用性限制
市场
应用情况
部分制造商
奇瑞(Chery)
爱信(Aisin)
加特可(JATCO)
LuK
邦奇(Punch)
芬特(Fendt)
标准规范
常见故障
参考资料