淺談無級變速器的研究進展

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、金屬鏈以及新型結構四種類別無級變速器介紹了當前的研究進展，重點介紹了國內獨創的活齒無級變速器，最后指出當前我國無級變速器在汽車變速器領域的發展前景。

關鍵詞：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、經濟性和舒適性等有著重要影響。在早期的汽車發展進程中，人們就意識到了在發動機與傳動系之間實現無級變速調節才能使汽車達到理想的行駛工況。無級變速的概念最早由達·芬奇提出，但直到1958年，荷蘭人Hub?Van?Doorne?才設計出了現代意義上的CVT無級變速箱。CVT（Continuously?Variable?Transmission）技術即無級變速技術，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，可以實現傳動比的連續改變，從而得到傳動系與發動機工況的最佳匹配。

無級變速器一般由四個部分組成：機械傳動機構、變速控制機構、液壓控制和電子控制[1]。其中核心結構由傳動帶、滑輪、移動錐盤等組成，傳統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成，一個滑輪由兩個間距可變化的錐盤構成，V型鋼帶置于這兩個錐盤的凹槽內。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，增大旋轉半徑;相反，從動錐盤減小一定的壓緊力，使其旋轉半徑減小，從而實現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半徑的逐漸變化最終產生無級變速效果。

二、無級變速器研究進展

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

（1）皮帶式CVT。皮帶式CVT的主要優點是價格低廉，因此被廣泛應用于農業機械。但是該變速器中皮帶動磨損和發熱非常嚴重，大大降低了使用壽命，需要頻繁地更換皮帶以達到連續工作的目的。另外皮帶在工作過程中的打滑也降低了傳動的精確度，因此只能應用于對速度控制要求不高的情況。日本學者廣瀨聡等[3]指出采用皮帶式CVT的前輪驅動車銷售正在日本國內，以及北美、亞洲等市場逐漸擴大份額。阮天林[4]指出在早期摩托車踏板車中，由于結構限制，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分析模型，并給出了傳動效率的改進方法。

（2）金屬帶式CVT。金屬型帶CVT是目前在汽車上應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象是一大難點，但博世采用推力單元和多層金屬環的組合很好的解決了這樣的難題，博世鋼帶的局部構造以及橫截面如圖1。目前，博世已經研發和生產出24/6、24/9、24/12以及30/10四種型號鋼帶。當然，國內外學者對于金屬帶式CVT本身的相關研究發展也十分重視。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。國內東北大學程乃士教授以及吉林大學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的模型進行了研究。王紅巖等[7]對金屬帶式CVT的液壓控制系統的結構進行了分析，構建整車動力傳動系統模型。基于相關領域學者的成果，日本的加特可（Jatco）企業以及愛信派系等專門生產變速箱的企業都在將CVT技術不斷革新，同時變速器的更新換代也隨之而來。日系的天籟，奇駿，歐藍德等車系采用了CVT7，CVT8等新型金屬帶式CVT變速箱。

圖1?鋼帶的局部構造以及橫截面

（3）金屬鏈式CVT。鏈式CVT與帶式CVT結構原理基本相同，區別在于傳統的帶型被嚙合鏈條取代。帶式CVT在進行扭矩的傳遞時，需要依靠推力單元之間的推力。對于鋼鏈式CVT來說，需要依靠拉力來對扭矩進行傳遞。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生細小的差別，因此金屬帶之間的蠕動就會產生。但是，鏈式CVT由于其自身結構的特性，可以解決這個問題，自然也能夠傳遞更大的扭矩。最早金屬鏈式的產生，在于博世對CVT核心技術的封鎖，所以奧迪聯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行摩擦動力傳遞，這種傳遞方式在只有滾動以及靜態接觸，不會產生相對滑動，銷軸根據鏈條的運動通過滾動改變接觸位置。Neumann等[8]對鏈式無級變速器中的鏈片和滾銷的幾何形狀進行優化，以降低運動過程中的噪聲，并建立了鏈式無級變速的動力學模型。馮增銘等[9]將與鏈板接觸的滾銷輪輪廓型線優化成漸開線，并利用心形線改進了銷軸對滾型線，開發了一款新型滾銷鏈式CVT傳動系統。目前，豐田、雷克薩斯等品牌的混動車型也都有采用鏈式CVT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的HNCVT獨居特色，該變速箱的實驗機搭載在東風猛士上，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明顯優勢。活齒CVT變速箱在兩個錐輪間增加幾組活齒單元，如圖2。當主、從動輪旋轉時，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嚙合傳動。由于齒片是自由活動的，所以仍然可以實現無級變速。另一方面，HNCVT采用電機控制錐輪，而傳統CVT通過液壓系統操縱，所以在重量、成本以及零部件的數量上HNCVT也更具有優勢。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象來說是一個需要取舍的難題。

圖2?HNCVT局部結構

三、結語

我國在自主研發變速器領域起步較晚，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，應當進一步加大投入力度，加快研究進展。無級變速器與在汽車自動變速器領域大熱的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領域仍走在前列，但國內維艾迪等汽車科技公司也能夠自主研發新型CVT技術，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一步提高抗扭矩的能力。總體上，我國目前無級變速器的發展仍處在緩步提升階段，而無級變速技術本身相信在進一步的研究發展中能夠投入應用到各個領域中。

參考文獻：

[1]周有強，崔學良，董志峰.機械無級變速器發展概述[J].機械傳動，2005，29（1）：65-68.

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

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

[4]阮天林.淺談無級變速傳動機構的檢修（1）[J].摩托車技術，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分析[J].機械傳動，2005，29（2）：21-24.

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

[8]Neumann?L，Ulbrich?H，Pfeiffer，F.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.