胡宇博

摘?要：文章首先介紹了無(wú)級(jí)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(jié)構(gòu)四種類(lèi)別無(wú)級(jí)變速器介紹了當(dāng)前的研究進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了國(guó)內(nèi)獨(dú)創(chuàng)的活齒無(wú)級(jí)變速器，最后指出當(dāng)前我國(guó)無(wú)級(jí)變速器在汽車(chē)變速器領(lǐng)域的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：無(wú)級(jí)變速;壓力鋼帶;HNCVT

一、無(wú)級(jí)變速器概述

變速器是車(chē)輛的重要部件，其性能對(duì)整車(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性等有著重要影響。在早期的汽車(chē)發(fā)展進(jìn)程中，人們就意識(shí)到了在發(fā)動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)系之間實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速調(diào)節(jié)才能使汽車(chē)達(dá)到理想的行駛工況。無(wú)級(jí)變速的概念最早由達(dá)·芬奇提出，但直到1958年，荷蘭人Hub?Van?Doorne?才設(shè)計(jì)出了現(xiàn)代意義上的CVT無(wú)級(jí)變速箱。CVT（Continuously?Variable?Transmission）技術(shù)即無(wú)級(jí)變速技術(shù)，它采用傳動(dòng)帶和工作直徑可變的主、從動(dòng)輪相配合來(lái)傳遞動(dòng)力，可以實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比的連續(xù)改變，從而得到傳動(dòng)系與發(fā)動(dòng)機(jī)工況的最佳匹配。

無(wú)級(jí)變速器一般由四個(gè)部分組成：機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、變速控制機(jī)構(gòu)、液壓控制和電子控制[1]。其中核心結(jié)構(gòu)由傳動(dòng)帶、滑輪、移動(dòng)錐盤(pán)等組成，傳統(tǒng)摩擦式傳動(dòng)帶部分采用的是V形鋼帶。主、從動(dòng)輪部分由兩個(gè)滑輪構(gòu)成，一個(gè)滑輪由兩個(gè)間距可變化的錐盤(pán)構(gòu)成，V型鋼帶置于這兩個(gè)錐盤(pán)的凹槽內(nèi)。CVT具體工作原理如下，由高擋位變到低擋位，主動(dòng)錐盤(pán)加大對(duì)傳動(dòng)帶的壓緊力，使其向外邊緣移動(dòng)，增大旋轉(zhuǎn)半徑;相反，從動(dòng)錐盤(pán)減小一定的壓緊力，使其旋轉(zhuǎn)半徑減小，從而實(shí)現(xiàn)了由小圓帶動(dòng)大圓到大圓帶動(dòng)小圓的變化，傳動(dòng)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(dòng)旋轉(zhuǎn)半徑的逐漸變化最終產(chǎn)生無(wú)級(jí)變速效果。

二、無(wú)級(jí)變速器研究進(jìn)展

機(jī)械無(wú)級(jí)變速器廣義上分為定軸式、行星式、牽引式、行星式以及變節(jié)距式[2]。由于前四種無(wú)級(jí)變速器發(fā)展較為低迷，所以上文所提出的無(wú)級(jí)變速器相關(guān)概念便是圍繞變節(jié)距式無(wú)級(jí)變速器，變節(jié)距式無(wú)級(jí)變速器是近年來(lái)發(fā)展最快的一種無(wú)級(jí)變速裝置。傳動(dòng)帶的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)可以采用不同的傳動(dòng)介質(zhì)，主要有皮帶、金屬帶、金屬鏈以及新型結(jié)構(gòu)等。

（1）皮帶式CVT。皮帶式CVT的主要優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉，因此被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械。但是該變速器中皮帶動(dòng)磨損和發(fā)熱非常嚴(yán)重，大大降低了使用壽命，需要頻繁地更換皮帶以達(dá)到連續(xù)工作的目的。另外皮帶在工作過(guò)程中的打滑也降低了傳動(dòng)的精確度，因此只能應(yīng)用于對(duì)速度控制要求不高的情況。日本學(xué)者廣瀨聡等[3]指出采用皮帶式CVT的前輪驅(qū)動(dòng)車(chē)銷(xiāo)售正在日本國(guó)內(nèi)，以及北美、亞洲等市場(chǎng)逐漸擴(kuò)大份額。阮天林[4]指出在早期摩托車(chē)踏板車(chē)中，由于結(jié)構(gòu)限制，最常采用齒形皮帶無(wú)級(jí)變速器，這種V形皮帶又稱同步帶。重慶大學(xué)任大鵬等[5]研究了這種摩托車(chē)V形皮帶式無(wú)級(jí)變速器的力學(xué)分析模型，并給出了傳動(dòng)效率的改進(jìn)方法。

（2）金屬帶式CVT。金屬型帶CVT是目前在汽車(chē)上應(yīng)用最多的一種無(wú)級(jí)變速器，與皮帶CVT相比，它有更大的傳動(dòng)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(lái)自德國(guó)博世公司。在博世第一代壓力鋼帶問(wèn)世前，金屬帶如何解決變軌帶來(lái)的擠壓力作用下的打滑現(xiàn)象是一大難點(diǎn)，但博世采用推力單元和多層金屬環(huán)的組合很好的解決了這樣的難題，博世鋼帶的局部構(gòu)造以及橫截面如圖1。目前，博世已經(jīng)研發(fā)和生產(chǎn)出24/6、24/9、24/12以及30/10四種型號(hào)鋼帶。當(dāng)然，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于金屬帶式CVT本身的相關(guān)研究發(fā)展也十分重視。在傳動(dòng)效率上，BONSEN等[6]采用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)金屬帶式CVT的夾緊力進(jìn)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(guó)內(nèi)東北大學(xué)程乃士教授以及吉林大學(xué)張伯英教授等對(duì)金屬帶式CVT的液壓控制原理以及液壓系統(tǒng)的模型進(jìn)行了研究。王紅巖等[7]對(duì)金屬帶式CVT的液壓控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，構(gòu)建整車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)模型。基于相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者的成果，日本的加特可（Jatco）企業(yè)以及愛(ài)信派系等專門(mén)生產(chǎn)變速箱的企業(yè)都在將CVT技術(shù)不斷革新，同時(shí)變速器的更新?lián)Q代也隨之而來(lái)。日系的天籟，奇駿，歐藍(lán)德等車(chē)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(gòu)造以及橫截面

（3）金屬鏈?zhǔn)紺VT。鏈?zhǔn)紺VT與帶式CVT結(jié)構(gòu)原理基本相同，區(qū)別在于傳統(tǒng)的帶型被嚙合鏈條取代。帶式CVT在進(jìn)行扭矩的傳遞時(shí)，需要依靠推力單元之間的推力。對(duì)于鋼鏈?zhǔn)紺VT來(lái)說(shuō)，需要依靠拉力來(lái)對(duì)扭矩進(jìn)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(huì)產(chǎn)生細(xì)小的差別，因此金屬帶之間的蠕動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生。但是，鏈?zhǔn)紺VT由于其自身結(jié)構(gòu)的特性，可以解決這個(gè)問(wèn)題，自然也能夠傳遞更大的扭矩。最早金屬鏈?zhǔn)降漠a(chǎn)生，在于博世對(duì)CVT核心技術(shù)的封鎖，所以?shī)W迪聯(lián)合舍弗勒公司就想到用鏈條式的鋼帶作為錐盤(pán)間的傳動(dòng)裝置。德國(guó)GCI公司則設(shè)計(jì)出了一款銷(xiāo)軸不等長(zhǎng)的CVT鏈條，即采用兩款不同的銷(xiāo)軸進(jìn)行摩擦動(dòng)力傳遞，這種傳遞方式在只有滾動(dòng)以及靜態(tài)接觸，不會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，銷(xiāo)軸根據(jù)鏈條的運(yùn)動(dòng)通過(guò)滾動(dòng)改變接觸位置。Neumann等[8]對(duì)鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速器中的鏈片和滾銷(xiāo)的幾何形狀進(jìn)行優(yōu)化，以降低運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的噪聲，并建立了鏈?zhǔn)綗o(wú)級(jí)變速的動(dòng)力學(xué)模型。馮增銘等[9]將與鏈板接觸的滾銷(xiāo)輪輪廓型線優(yōu)化成漸開(kāi)線，并利用心形線改進(jìn)了銷(xiāo)軸對(duì)滾型線，開(kāi)發(fā)了一款新型滾銷(xiāo)鏈?zhǔn)紺VT傳動(dòng)系統(tǒng)。目前，豐田、雷克薩斯等品牌的混動(dòng)車(chē)型也都有采用鏈?zhǔn)紺VT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(fā)的HNCVT獨(dú)居特色，該變速箱的實(shí)驗(yàn)機(jī)搭載在東風(fēng)猛士上，能夠承受猛士550Nm的高扭矩。與前文提到的幾類(lèi)CVT相比，HNCVT無(wú)疑在承受扭矩輸入上占據(jù)明顯優(yōu)勢(shì)。活齒CVT變速箱在兩個(gè)錐輪間增加幾組活齒單元，如圖2。當(dāng)主、從動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(shí)現(xiàn)嚙合傳動(dòng)。由于齒片是自由活動(dòng)的，所以仍然可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。另一方面，HNCVT采用電機(jī)控制錐輪，而傳統(tǒng)CVT通過(guò)液壓系統(tǒng)操縱，所以在重量、成本以及零部件的數(shù)量上HNCVT也更具有優(yōu)勢(shì)。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(dòng)，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(shí)變速箱的體積也會(huì)隨之增長(zhǎng)。這對(duì)于乘用車(chē)市場(chǎng)在車(chē)輛空間利用上力求最大化乘坐空間，留給動(dòng)力總成的越來(lái)越少的現(xiàn)象來(lái)說(shuō)是一個(gè)需要取舍的難題。

圖2?HNCVT局部結(jié)構(gòu)

三、結(jié)語(yǔ)

我國(guó)在自主研發(fā)變速器領(lǐng)域起步較晚，但近年來(lái)仍取得不少的研究成果，相較于國(guó)外仍有一定差距，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步加大投入力度，加快研究進(jìn)展。無(wú)級(jí)變速器與在汽車(chē)自動(dòng)變速器領(lǐng)域大熱的AT、DCT等中相對(duì)處在小眾化的地步。日本、德國(guó)等國(guó)外車(chē)企在CVT領(lǐng)域仍走在前列，但國(guó)內(nèi)維艾迪等汽車(chē)科技公司也能夠自主研發(fā)新型CVT技術(shù)，盡管HNCVT體積大等劣勢(shì)存在，但可以從活齒片本身的材料等方面考慮進(jìn)一步提高抗扭矩的能力?？傮w上，我國(guó)目前無(wú)級(jí)變速器的發(fā)展仍處在緩步提升階段，而無(wú)級(jí)變速技術(shù)本身相信在進(jìn)一步的研究發(fā)展中能夠投入應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域中。

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