金属带式无级变速器结构组成及其优越性分析

陈玉萍

（黑龙江省龙建路桥第四工程有限公司）

无级变速器汽车适应节能和环保的要求,目前可应用于汽车的无级变速器（CVT）有环盘滚轮式、摆销链式和金属带式,与前两种相比,金属带式无级变速器结构简单,承载能力强,传动效率高,已在全世界70多种车型中使用。无级变速器通过传动比的连续变化,使车辆外界行驶条件与发动机负载实现最佳匹配,使此时的发动机在高效区运转,燃烧完全、排放污染减少、噪音降低,从而充分发挥了发动机的潜力,使发动机具有理想的动力性能表现,并提高了整车的燃油经济性。系统分析金属带式无级变速器的优势,对于完善变速器设计理念,优化自动变速器配比汽车的比例,具有重要意义。

1 金属带式无级变速器结构组成

典型的金属带式CVT变速器传动系统一般由液力变矩器、液压控制阀体、离合器制动器组、主动锥轮组件、钢带、从动锥轮组件和差速器总成等主要部分构成。结构如图1所示。

图1 典型CVT传动结构原理图

金属带由两束金属环和几百个金属片构成。主动轮组和从动轮组都由可动盘和固定盘组成,与油缸靠近的一侧带轮可以在轴上滑动,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型金属传动带啮合。发动机输出轴输出的动力首先传递到CVT的主动轮,然后通过V型传动带传递到从动轮,最后经减速器、差速器传递给车轮来驱动汽车。工作时通过主动轮与从动轮的可动盘作轴向移动来改变主动轮、从动轮锥面与V型传动带啮合的工作半径,从而改变传动比。可动盘的轴向移动量是由驾驶者根据需要通过控制系统调节主动轮、从动轮液压泵油缸压力来实现的。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。

在金属带式无级变速器的液压系统中,从动油缸的作用是控制金属带的张紧力,以保证来自发动机的动力高效、可靠的传递。主动油缸控制主动锥轮的位置沿轴向移动,在主动轮组金属带沿V型槽移动,由于金属带的长度不变,在从动轮组上金属带沿V型槽向相反的方向变化。金属带在主动轮组和从动轮组上的回转半径发生变化,实现速比的连续变化。

汽车开始起步时,主动轮的工作半径较小,变速器可以获得较大的传动比,从而保证驱动桥能够有足够的扭矩来保证汽车有较高的加速度。随着车速的增加,主动轮的工作半径逐渐增大,从动轮的工作半径相应减小,金属带式CVT的传动比下降,使得汽车能够以更高的速度行驶。

金属带式CVT的核心部件由两组带轮和金属带构成。每组带轮由可动带轮和不可动带轮组成。当进行降速调速时,应使从动轮的两半锥盘互相靠拢以增大工作直径,V带能传递有效圆周力也将减小,而所传递的转矩基本不变。反之,升速调速时,应使从动轮的两半锥盘互相分开以减小工作直径,这将使有效圆周力增大而保持转矩。金属带在两带轮构成的V型槽内沿径向滑动,从而实现速比在设计范围内从最小到最大变化。

2 金属带式CVT无级变速器的优越性分析

为了考察金属带式CVT在汽车实际应用中的效果,各国车厂都做过对比试验,以城市为单元,试验方法就是在同一款车上分别使用MT、AT和金属带式CVT,在同等条件下进行性能比较。试验的结果有力地证明了金属带式CVT的优势和技术特点。

2.1 动力性的优越性

汽车的后备功率决定了汽车的爬坡能力和加速能力。汽车的后备功率愈大,汽车的动力性愈好。就传统的MT和AT变速器来说,挡数越多,发动机发挥最大功率附近的高功率的机会也就越大,汽车的加速和爬坡能力即动力性也就越强。但是当挡位数超过5个（前进挡）时,就会使变速器的结构和操纵机构大为复杂。由于金属带式CVT的无级变速特性,能够获得后备功率最大的传动比,所以金属带式CVT的动力性能明显优于MT和AT；并且相比较起来,金属带式CVT的结构更为简单紧凑。几种不同车型以汽车加速性能作为评价指标,在同样条件下的试验结果为：装用金属带式CVT的汽车加速性能（0～100 km/h）比装用AT变速器的汽车的加速性能提高7.5％～11.5％,在速度较高时还略优于MT汽车。

2.2 经济性的优越性

CVT可以在一定范围内可以拥有无数个传动比,能自由控制发动机的工作点,协调汽车外界行驶条件与发动机负载,从而获得传动系与发动机工况的最佳匹配,使汽车按最佳燃料经济工作线工作成为可能,提高整车的燃油经济性。

日本富土重工Subaru Justy、福特Fiesta、德国ZF公司装用金属带式CVT-CFT20E型轿车、美国Chrysler Voyager、德国大众汽车公司Golf VR 6及法国Renau lt Safrane几家汽车公司的汽车在装用金属带式CVT前后的经济性试验结果为：装用金属带式CVT汽车的经济性比自动变速（AT）汽车提高约8％～12％,与机械变速（MT）汽车相当。

2.3 传动效率的优越性

变速装置本身的传动效率将影响汽车的经济性和动力性。与机械变速器相比,金属带式CVT传动装置除机械传动外,额外的液压控制系统要消耗相应的能量,金属传动带的摩擦损失也要消耗部分能量,所以无论金属带式CVT传动装置如何完善,它本身的传动效率一定低于机械变速器效率,最多只能接近机械变速器效率。近年采用滚子叶片泵和全电子控制技术,其传动效率已接近到机械变速器效率。目前,金属带式CVT传动技术已日臻成熟,采用最优设计的金属带式CVT汽车的综合性能明显优于5挡AT汽车,两者的比较结果如蜘蛛图2。合理确定带轮轴向力是提高汽车金属带式无级变速器传动效率的有效途径,其最佳方案是根据实际传递的转矩施加轴向力,保证金属带传动始终工作在转矩比r=0.8～0.9范围,这是其传动能力最强、传动效率最高的工况。

图2 5挡AT与金属带式CVT综合性能比较蜘蛛图

2.4 平顺性、舒适性和操纵性的优越性

由于金属带式CVT在起步和加减速过程中不会像MT和AT变速器那样产生纵向冲击或抖动,因此,使用CVT的汽车行驶更加平顺,乘坐也更加舒适。

金属带式CVT在变速过程中无须中断动力传输,再结合一些电子控制装置,可以大幅减轻驾驶员的劳动强度,提高了汽车的操纵性,同时也提高了行车安全性。

2.5 排放方面的优越性

由于金属带式CVT能够根据需要控制发动机的工作点,使发动机能最大限度地被控制在最佳工作点附近,使得气缸燃烧室内混合气体燃烧充分,大大降低了尾气中有害气体和粉尘的排放。根据德国著名的金属带式CVT生产商ZF公司对自己的金属带式CVT变速器与AT变速器进行同比试验得出的数据,使用金属带式CVT的汽车比使用AT变速器的汽车尾气中有害气体的排放减少了大约10％。

2.6 成本上的优越性

产品的成本取决于产品的技术含量、使用的材料、制造工艺以及工艺装备等因素。金属带式CVT变速器与AT变速器相比,结构要简单得多；但是由于金属带式CVT变速器许多关键部件的材料须使用优质钢材,加工过程比较复杂,加之金属带式CVT变速器的生产规模的限制,金属带式CVT变速器的价格与AT变速器的价格相差不是很大。但是随着大规模生产以及系统、材料的革新,金属带式CVT零部件如传动带或传动链、主动轮、从动轮和液压泵的生产成本,将降低20％～30％。

3 结论

金属带式CVT具有很多优越性,在当前技术条件下,装备金属带式CVT的汽车可以达到比手动机械变速器具有更好的动力性；比液力机械自动变速器具有更经济的价格,更优的性能；比有级变速器具有更低的排放；同时具有最佳的驾驶舒适性。采用金属带式CVT可以得到传动系与发动机工况的最好匹配,提高整车的燃油经济性和动力性,并可以提高操纵方便性和舒适性,有效地降低了排放污染,且综合性能优于AMT系统。

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