汽车无级变速器（CVT）发展及趋势

闫忠良

摘 要：随着人们对汽车油耗及驾驶舒适性的要求日渐提升，无级变速器（CVT）被越来越多的应用于乘用车。文章简述了无级变速技术的发展应用及无级变速器的基本结构和变速原理，并结合表性的乘用车用金属带式CVT介绍了CVT新技术的发展，最后对阐述未来无级变速技术的发展趋势。

关键词：汽车;CVT;发展

中图分类号：U463.2 文献标识码：A

0 概述

自第一辆三轮汽车问世到如今汽车工业的蓬勃发展，内燃机都是主要的汽车动力源。但内燃机的转矩和转速变速范围有限，并且难以实现动力中断及反向输出等要求。为了弥补发动机的不足，使其能够配合车辆的复杂工况进行有效的动力输出，并兼顾驾驶性、燃油经济性等要求，变速器随之而生。汽车的发展史也即是变速器的发展史[1]。常用的汽车变速器，按其操纵方式可分为手动变速器（MT）和自动变速器（包括AMT、AT、DCT、CVT等）。无论是MT，还是自AMT、AT以及DCT，其变速比都是有级的。无法提供更多速比选择使发动机更大范围地工作在高效区间;增加挡位数又会使结构更加复杂，增加成本。

无级变速器CVT（Continuously Variable Transmission），可以实现一定范围内速比的实时、连续变化，使汽车行驶工况与发动机工作特性实现最优匹配，提升整车的动力性、燃油经济性和排放水平等，是一种理想的变速传动装置[2]。目前乘用车上已经使用，有带传动和牵引传动两种型式的无级变速器[3]。

1 结构和工作原理

1.1 金属带CVT的基本结构

现在乘用汽车以金属带式CVT为主。相较于AT，CVT没有过多复杂的行星齿轮机构，结构相对简单。以Jatco CVT8为例，其机械部分如图1所示。主要由液力变矩器、换挡机构、无级变速机构、减速机构和集成的差速器组成。其控制系统主要由电子控单元和液压控制单元等组成，通过调节各执行机构的油压实现前后进换挡和无级变速传动等。

早期的带式CVT使用的是V形橡胶带，两端的锥形带轮组夹紧V形橡胶带进行传动，但是橡胶带所能传递的扭矩较小、能量损失较大且存在耐久性等问题[4]。20世纪70年代中后期，荷兰VDT公司研制出利用金属带进行传动的新型无级变速器，开启了金属带式CVT应用于汽车的新篇章。经各国多个厂家在同类轿车上对比夜里机械式变速器（AT），CVT在燃油经济性、动力性、排放和传动效率应急使用成本等方面由于AT[5]。凭借良好的燃油经济性和优越的舒适性等优势，金属带式CVT也逐渐被越来越多应用于乘用汽车。

如图2所示，金属带式CVT的核心部件包括：主动轮组、从动轮组以及被带轮夹持的金属带。带轮为锥面，两侧的带轮锥面一般为22°夹角。主动带轮和从动带轮在径向位置上固定，在轴向位置上一侧固定。其目的是保证在变速过程中金属带仅在径向位上相对运动，而不在轴向位置上发生相对位移，有效地传递动力并实现灵活变速。金属带有数百枚金属块和两组柔性金属环组成。金属块侧面与带轮锥面接触，在两侧带轮的挤压作用下依靠摩擦力实现动力传递。

1.2 无级变速的基本原理

如前所述，金属块可以产生相对于带轮的径向位移。调节带轮组的油缸压力，可以改变带轮组锥面之间的相对宽度进而改变金属块与锥面的接触位置，即改变传动半径。同时调节主从带轮油缸压力即可以实现主从带动轮传动半径也即速比的连续变化。变速原理如图3所示。

车辆在行驶过程中，根据工况需要实时调节带轮油缸压力即可实时改变速比。由于变速是连续的，不存在动力中断，故而可以提高行驶时的动力性和燃油经济性。相对于有级式变速器，连续变速也可以避免因速比跳变带来的冲击进而提高舒适性。同时，CVT的连续变速能力还使其具有固定速比模拟手动及AT的优势。

2 CVT技术的研究与创新

2.1 Jatco CVT7

Jatco CVT7是世界上首台采用副变速技术的无级变速器。即在带轮组变速的基础上创造性的增加一组两级变速的行星齿轮机构，将无级变速同有级变速相结合。其结构如图4所示。副变速机构不仅可以实现前进后退等换挡功能，还可以扩大速比范围。副变速1速速比为1.821，2速速比为1，CVT的总速比为7.3，扭矩容量为180 Nm。如图5所示，车辆行驶过程中根据油门开度和车速决定目标转速以及副变速的挡位。速比范围的扩大为发动机工作在高效区间提供了更多可能;同时能够减小带轮尺寸并缩小轮间距，进一步降低自重并优化结构降低动力损失，提升动力性、燃油经济性等。Jatco CVT7的拓展型Jatco CVT7W/R的最大速比可达8.7。

2.2 丰田Direct Shift-CVT

丰田汽车全球首创齿轮直驱式CVT（Direct Shift-CVT）。该变速箱速比7.5，扭矩容量215 Nm，相较于其现有CVT燃油经济性可提升6%。不同于Jatco CVT7的无级变速机

构和齿轮变速机构的串联，其创新之处在于实现了两者的并联。该CVT有两条动力传递路线：齿轮传动和带轮传动，二者相互协调工作。起步加速和低速时，通过齿轮传动可以提高车辆的动力响应并获得较高的传动效率;中高车速时，通过带轮传动获得良好的行驶平顺性和

稳定性。齿轮传动的加入降低了带轮的负荷并一定程度上提升了传动效率。

2.3 混合动力CVT

随着汽车工业的发展、能源形势的变化以及环保等法律法规的要求。混合动力、电动化已经成为必经之路。作为CVT而言，电机的介入使CVT在给予车辆行驶平顺新的同时获得更快的油门响应，并提高能源利用效率和整车自动化水平。例如，JATCO在其原有的Jatco CVT8的基础上推出Jatco CVT8 HYBRID。电动机代替原有的液力变矩器，并采用两组离合器实现动力的分配与传递。

3 CVT的发展趋势

金属带式CVT自被发明和应用于汽车以来，对其的结构创新与探索也在不断进行。如最大可传动900 Nm的双金属带CVT的研究探索，可满足城市客车及卡车的扭矩需求。作为一种可连续变速的理想变速装置，CVT也存在着不足：通过摩擦传递动力，传递效率还有待提高且仍受限于发动力扭矩;变速动力响应存在一定滞后;价格较高等。但其所具有的优势在今后仍具有较大市场和研究价值。未来的CVT技术研究和发展呈现以下趋势：

（1）材料革新，提高传动效率和增加CVT使用寿命。（2）结构形式创新，增大变速范围及扭矩容量。（3）精确化电子控制，提升CVT响应速度。（4）小型化和轻量化，适配轻小型汽车。（5）进一步推进混合动力及电动化。

随着汽车工业的发展，CVT技术也将不断地革新。CVT变速器也将更多地适用于乘用汽车，为更多人所了解和接收。

参考文献：

[1]杨亚联.汽车无级变速器的类型及基本原理[J].汽车技术，1997（3）：57-59.

[2]Gerhard Wagner.轿车中不同传动系组合的变速箱装置的应用[J].传动技术，2002（2）：11-27.

[3]Liebrand NJ.Future Developments in Push Belts for CVT Application[D].SAE paper925063，1992.

[4]孙龙林.汽车无级变速（CVT）技术的发展概况与未来趋势[J].世界汽车，2001（2）：4-6.

[5]李春青.國内外汽车无级变速（CVT）技术的发展概况[J].广西工学院院报，2004（4）：19-23.