先進的無級變速器技術

2016-09-05 02:50:28廣瀬聡茂木靖裕

汽車與新動力 2016年3期

【日】　廣瀬聡　茂木靖裕

設計開發

先進的無級變速器技術

【日】廣瀬聡茂木靖裕

無級變速器(CVT)正在成為改善發動機燃油經濟性的重要技術之一，也在為減少汽車的CO2排放作出貢獻。介紹近年來應用于皮帶式CVT的各種先進技術。通過降低摩擦、帶輪的小型輕量化、降低潤滑油摩擦阻力，以及降低滾動軸承摩擦扭矩等技術措施來改善燃油經濟性，相比傳統的CVT，可降低約30%的摩擦損失，同時也提高了CVT自身的傳動效率。此外，采用皮帶式CVT與副變速器相結合的獨特結構，可以擴大變速比范圍，改善車輛的起步與加速性能。

無級變速器燃油經濟性降低摩擦副變速器

0　前言

所謂“無級變速器(CVT)”，就是利用皮帶、鏈條等齒輪以外的傳動機構連續改變變速比的變速裝置，具有換檔平順，以及發動機在任何車速下都可在最佳效率的工況下運轉的優點。CVT的主要種類大致可以劃分為以下4種： (1) 皮帶及帶輪傳動型；(2) 牽引力傳動型；(3) 液壓泵及電動機驅動型；(4) 發電機及電動馬達驅動型。近年來，前輪驅動車所采用的皮帶及帶輪傳動型CVT(以下稱“皮帶式CVT”)的銷售正在日本國內，以及北美、亞洲等市場逐漸擴大份額。

如圖1所示，在2005年，皮帶式CVT在全球雙離合變速器(DCT)中所占的份額不到10%，但到2017年，這一比例預計將擴大到15%左右[1]。

圖1　變速器的全球市場份額[1]

另一方面，皮帶式CVT的缺點是，在車輛行駛時，從傳動原理上來講，皮帶會產生微小的滑動，而為了張緊皮帶就必須采用液壓裝置，從提高CVT自身傳動效率的觀點來看，這是有待解決的重要課題。近年來，對于降低發動機燃油耗的需求日益迫切，所以，對于CVT技術而言，提高燃油經濟性也已成為主要的開發目標，為了提高傳動效率和發動機效率，研究人員正在嘗試采用各種技術對策。表1歸納了相關摩擦學技術對策。本文著眼于皮帶式CVT的燃油經濟性改善技術，介紹具體的相關內容。

表1　改善燃油經濟性的皮帶式CVT相關技術

1　提高皮帶式CVT的傳動效率

1.1減少液壓損失

在皮帶式CVT中，是利用機油泵產生的液壓，用帶輪張緊皮帶來傳遞驅動扭矩，而用于產生液壓所做的功將成為扭矩傳遞損失。為了降低損失，必須提高皮帶與帶輪之間的摩擦因數。本節將介紹提高摩擦因數的相關技術。

1.1.1基于帶輪的表面粗糙度提高摩擦因數

眾所周知，皮帶與帶輪之間的摩擦因數會受帶輪表面形狀的影響，通過改變其表面粗糙度，有效提高摩擦因數[2]。

圖2示出了試驗所使用的帶輪試樣表面形狀。此外，圖3和圖4示出了帶輪試樣的表面粗糙度與提高摩擦因數的關系，圖中所使用的試樣詳細情況如下： (1) 條紋A為圓周方向的痕跡，其表面凹凸的間隔較小；(2) 條紋B也是圓周方向的痕跡，其表面凹凸的間隔中等；(3) 隨機條紋為隨機加工的痕跡，其表面凹凸的間隔較大。

圖2　帶輪試樣的表面形狀[2]

圖3　　　　帶輪試樣初期表面粗糙度Ra值　　　與提高摩擦因數的關系[2]

如圖3所示，帶輪表面的算術平均粗糙度Ra值越小，摩擦因數就越高。在這種情況下，表面精加工方法及條紋類型的不同都會使摩擦因數產生差異。此外，如圖4所示，構成表面粗糙度曲線的凹凸平均間隔(Sm值)越小，摩擦因數就越高。

圖4　　　　帶輪試樣初期表面粗糙度Sm值　　　與提高摩擦因數的關系[2]

基于上述機理，如圖5所示，可認為Ra值及Sm值越小，帶輪與皮帶部件滑動表面的實際接觸率就越大。

圖5　提高摩擦因數的機理[2]

1.1.2利用潤滑油提高摩擦因數

CVT潤滑油的特性也會對摩擦因數產生較大的影響。

一般認為，在皮帶和帶輪之間的摩擦面上，會同時存在彈性流體潤滑油膜與邊界潤滑油膜。在此，介紹利用不同種類的添加劑來提高邊界潤滑油膜摩擦因數的技術[3]。

采用分別添加幾種典型添加劑的潤滑油(圖6)，分析摩擦因數與單位磨損量的關系。由結果可知，如在堿性添加劑中配合使用磷系添加劑，則摩擦因數更高，耐磨損性也更好(圖7)。通過優化選擇添加劑，可兼顧提高摩擦因數與防止磨損的性能要求。

圖6　典型的潤滑油添加劑案例[3]

圖7　添加劑的摩擦學特性[3]

此外，如圖8所示，摩擦因數與邊界潤滑油膜的硬度也具有相關性，并且，潤滑膜的硬度也可以通過添加劑的種類來進行調整。

圖8　邊界潤滑膜的硬度與摩擦因數的關系[3]

1.2降低摩擦損失

導致產生CVT內部摩擦損失的主要原因有潤滑油的摩擦，以及滑動部位和旋轉部位的摩擦等。下文介紹降低潤滑油摩擦阻力，以及降低帶輪支承軸承滑動阻力和推送皮帶內部滑動阻力的相關技術。

1.2.1降低潤滑油的摩擦阻力

在CVT的扭矩損失中，潤滑油摩擦阻力造成的摩擦損失占較大份額。作為降低潤滑油摩擦阻力的措施，可以降低潤滑油黏度，以及減少流動量等。

降低CVT潤滑油黏度能夠減少因摩擦阻力導致的摩擦損失，但如果單純地降低潤滑油黏度，則液壓回路及密封部位的潤滑油泄漏量會增加，油膜厚度也會減少，從而導致CVT性能出現問題，無法確保其耐久性，這些都是有待解決的課題。

為了解決上述問題，研究人員采用高性能的基油，以及最佳的黏度指數改進劑[4]，在力求降低潤滑油黏度的同時，抑制潤滑油老化后出現的黏度降低現象(圖9)，確保油膜厚度(圖10)，維持潤滑油性能(圖11)。

圖9　低黏度潤滑油經老化后的黏度[4]

圖10　低黏度潤滑油的油膜厚度[4]

圖11　低黏度潤滑油的金屬疲勞壽命[4]

為了利用物理學原理減少潤滑油的流動量，可以采用限制向CVT內旋轉體供給潤滑油的方法。例如，為了減少向CVT末端傳動齒輪的潤滑油流動，如圖12所示，可以采用擋油板。另外，由圖13中的結果可確認，降低潤滑油的流動量對減少部件摩擦具有積極作用[5]。

圖12　擋油板的形狀[5]

圖13　潤滑油位與摩擦阻力的關系[5]

近年來，在帶副變速器的小型CVT中，可以采用小直徑的帶輪(圖14)，并且，一級帶輪與二級帶輪均可以布置在高于潤滑油液面的變速器上部。由此，可以避免一級帶輪與潤滑油液面的接觸，從而降低因潤滑油流動造成的摩擦損失[6]。

圖14　小型CVT的布局[6]

1.2.2降低滾動軸承的摩擦扭矩

CVT的帶輪支承軸承必須能支承張力極大的帶輪，所以，與有級式自動變速器相比，軸承尺寸較大，傳遞扭矩損失也會隨之增大。

如圖15所示，在油潤滑條件下的球軸承內部摩擦扭矩中，保持架油兜部位的油膜剪切阻力所占比例最大。油膜剪切阻力的大小受接觸面積的影響，因此，如圖16所示，研究人員在保持架油兜內徑面(滾動體導向面)上設置凹凸形狀。由此，如圖17所示，滾動體與保持架油兜之間的接觸面積減少，從而降低了傳遞扭矩損失[7]。

圖17　保持架形狀對扭矩損失的影響[7]

1.2.3降低皮帶內部摩擦

推送皮帶由多個部件及環圈構成，在結構上，皮帶傳動裝置旋轉時會因部件與環圈之間的滑動而造成摩擦損失。為了降低這種摩擦損失，研究人員正在致力于改善皮帶的傳動效率。

圖18示出了通過改進環圈以提高傳動效率的實例。在這一改進實例中，通過縮小環圈的寬度，在環圈與部件之間滑動增多的低變速比及高變速比區域，有效地提高了傳動效率[8]。

圖18　皮帶形狀改善效率的效果[8]

2　降低發動機的轉速

降低車輛行駛時的發動機轉速，可以降低燃油耗，而CVT技術的進步也為此作出了貢獻。下文分別介紹在車輛起步與行駛時有利于降低發動機轉速的CVT技術。

2.1擴大鎖止范圍

CVT的起步機構主要是采用液力變矩器，即利用流體進行扭矩傳遞的起步裝置。液力變矩器具有利用流體增大發動機扭矩的功能，但其缺點是由于存在流體滑動，會造成發動機轉速的損失。為了避免產生這種損失，可以采用液力變矩器鎖止離合器，如圖19所示，鎖止離合器接合時，車速越低，行駛中的發動機轉速也越低。雖然在低車速情況下接合離合器時，會因為發動機轉速與CVT帶輪轉速的較大偏差而導致離合器接合時的扭矩波動，但這可以通過采用起步滑動鎖止技術來加以解決，即在起步后離合器滑動的時接合離合器。

圖19　利用鎖止離合器降低發動機轉速[8]

在采用鎖止離合器機構的情況下，離合器滑動的頻率、因放熱量增加引起的摩擦材料燒傷，以及耐久性方面還存在一些有待解決的課題。為解決這些問題，如圖20所示，可以通過提高滑動面的平面度，改善離合器的局部接觸，以減少滑動時的升溫現象[8]。

圖20　改善液力變矩器平面度的實例[8]

2.2拓寬變速比范圍

CVT可以根據車速無級改變變速比，從而使車輛在更高效率的發動機轉速區域行駛，為了在高速行駛時通過降低發動機轉速來進一步改善燃油經濟性，還可以擴大變速比的范圍。要在不增加帶輪直徑及軸間距的前提下擴大變速比范圍，如圖21所示，可以縮小帶輪內環側的皮帶卷繞半徑，具體方法有縮小帶輪軸的直徑，以及優化皮帶部件及環圈等[8]。

圖21　擴大變速比范圍[8]

另外，擴大變速比范圍的方法還有采用副變速器。如圖22所示，利用行星齒輪將2檔副變速器與CVT相結合，可以在縮小帶輪直徑的同時擴大變速比的范圍[7]。

圖22　副變速器概要[7]

3　結語

圖23中歸納了對今后的CVT產品的要求，包括改善燃油經濟性在內，為提高CVT的性能，潤滑及摩擦學技術變得越來越重要[9]。相關的研究領域范圍極廣，除本文所介紹的技術外，在提高傳動效率方面，可降低濕式離合器的打滑阻力。在提高可靠性方面，可以提高齒輪的抗點蝕性能，以及延長軸承及襯套的使用壽命等。在輕量化方面，則應注重防止樹脂零件滑動部位的磨損等。