钢带无级变速器优点及其局限性

李 青 林泽湖



钢带无级变速器优点及其局限性

李 青 林泽湖

东南（福建）汽车工业有限公司,研发中心

本文介绍了CVT的结构和工作原理，结合实车试验的动力性、经济性，驾驶性，排放等数据，验证了钢带CVT的优点及局限性。

CVT；优点；局限性

引言

许多人认为齿轮变速箱是最早的变速箱，实际上并非如此，无级变速箱(Continuously Variable Transmission，以下简称CVT)才是最早的变速箱。汽车刚诞生时，德国奔驰公司就把V型橡胶带无级变速箱安装在汽车上。然而V型橡胶带无级变速箱功率小、效率低、寿命短，而且由于当时电子技术十分薄弱，无级变速箱没有被汽车行业普遍接受，齿轮变速箱因为其实用可靠取而代之。

但是随着科技的发展，世界能源日益紧张，齿轮箱的这种以不同的齿轮搭配组成几个固定的变速比的齿轮变速箱，无法满足内燃机转速与汽车行驶速度连续变化之间的最佳匹配。只有不断地换档或改变内燃机的转速。结果是使内燃机脱离了最佳工作区域，动力下降，油耗增加，污染增加。特别是AT变速箱虽然其在排档性，驾驶性较好，但在油耗上面却较高，显然无法满足日益紧张的能源需求。

作为汽车这个能源消耗巨大的产业，如何在日益激烈竞争中，脱颖而出，制造出节能、降低排放的汽车，已成为世界各汽车巨头的主要发展方向。

1987年，H.Van Doorne博士研制成功实用的汽车金属带式无级变速箱(简称“VDT-CVT”)。钢带传动方式得以再显风光。随着科技的突飞猛进的发展，克服CVT过去以往功率小、效率低、寿命短的缺点，而CVT变速箱在节能，降排放领域的理论上突出表现。又重新成为各国汽车变速箱专家激烈的角逐的目标[1]。

1 国内车产搭载无级变速器市场

目前市场上主要是摩擦传动CVT，摩擦传动原理很简单，实现无级变速也比较方便。主要结构有：V型橡胶带式、金属带式、多盘式、钢球式等。特征是靠摩擦力实现动力传递。应用最广的是金属带式，在目前国内市场上，越来越多的国内自主品牌车厂已经搭载钢带CVT,目前国内车厂的CVT及相关价位见表（1）。

表1 国内搭载钢带CVT车厂表

2 钢带式CVT主要结构和工作原理

该系统主要包括主动轮组、从动轮组、金属带和液压缸等基本部件如图1。

图1 无级变速器系统组成

汽车起步时，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减小，从动轮的工作半径相应增大，CVT的传动比下降，使得汽车能够以更高的速度行驶。其半径的控制主要通过主动锥轮和从动锥轮压力缸的压力大小来控制的[3]。

3 钢带CVT的实车试验对比测试

作为整车厂最关心的是CVT是否匹配自身实车，因此，整车厂对CVT实车的经济性、动力性、排放、驾驶性，成本等几个方面的对比是必备的。以下为钢带CVT分别同MT（手动变速箱，以下简称MT）、AT(有档位的自动变速箱，如4个挡位的AT，简称4AT)进行比较结果，以确认各自CVT优缺点。

3.1 经济性

CVT可以在相当宽的范围内实现无级变速，从而获得传动系与发动机工况的最佳匹配，提高整车的燃油经济性。德国的大众公司在自己的golf VR6轿车上分别安装了4-AT和CVT进行ECE市区循环和ECE郊区循环测试，证明CVT能够有效节约燃油。表2的数据显示AT车各工况下的百公里油耗比CVT高1以上[2]。

表2 AT与CVT油耗对比表

我们通过实车试验对比发现CVT的油耗与MT油耗相比仍然高0.3 L左右。表3为CVT 与MT车油耗试验测试结果。

表3 MT 与CVT油耗对比表

3.2 CVT动力性

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。由于CVT的无级变速特性，能够获得后备功率最大的传动比，所以CVT的动力性能明显优于自动变速器(4AT)。表4为某款CVT与AT比较的动力提高率。

表4 CVT动力性提高表

另根据我们的CVT与MT的试验数据如表5比较，CVT的动力比MT车动力表现略差。

表5 CVT与MT动力对比表

3.3 CVT排放

CVT的速比工作范围宽，能够使发动机以最佳工况工作，从而改善了燃烧过程，降低了废气的排放量。ZF公司将自己生产的CVT装车进行测试，其废气排放量比安装4-AT的汽车减少了大约10%[1]。在东南某车型测量中的CVT排放与MT相当，如表6。

表6 CVT 与MT排放对比表

3.4 驾驶平顺性

由于CVT的速比变化是连续不断的，所以汽车的加速或减速过程非常平缓，而且驾驶非常简单、安全。从而使用户获得全方位的“行驶乐趣”。如图3为MT 与CVT驾驶平顺性对比图，可看出MT车加速时在每个档位换档时，引擎转速明显下降，车辆行驶时有顿的感觉。而CVT加速时引擎保持加速顺畅，如行云流水。

在实车10点评价中，CVT车的驾驶性为9分，AT车为8分，MT车为7分，CVT的驾驶性明显比MT、AT更优秀。

图2 MT与CVT驾驶性对比图

4 CVT成本

CVT系统结构简单，零部件数量比AT少约200个，一旦汽车制造商开始大规模生产，CVT的成本将会比AT低很多。由于采用该系统可以节约燃油，随着大规模生产以及系统、材料的革新，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]。

CVT变速器的技术含量和制造难度都要比MT变速器高，与AT变速器相仿，由于金属带式CVT的结构简单，所含的零件数量比AT变速器少40％左右，整车的质量因而也有所减轻。一般AT变速箱的重量在80kg公斤左右，而钢带CVT一般在60kg左右。

从目前采购CVT变速箱的成本上看，已经与4AT相当，随着CVT产量的不断上升，钢带CVT的成本将进一步下降。

6 结语

介绍钢带无级变速（CVT)的基本机构及原理。通过对无级变速箱的实车验证，钢带CVT在动力性、经济性、驾驶性及排放同AT相比都有杰出的表现，同时由于CVT成本递降可期性，使得钢带CVT逐渐成为各大汽车厂商追逐匹配的变速箱。

在验证过程我们也发现目前CVT还无法实现真正理想的无级变速，CVT的动力性、油耗、排放、成本等虽然比AT强，但与MT相比仅只能是相当或略差，这是由于摩擦CVT的局限决定的，钢带CVT为了产生足够的静摩擦力，在高压力下摩擦传动必然要消耗较多的能量。它与真正的理想变速还有一定的差距。

因此，理想的无级变速仍然是设计师们的追逐目标。一种真正的齿轮无级变速正在研发中，我们拭目以待！

[1] 王红岩,金属带式无极变速传动系统分析,匹配与综合控制的研究[D].长春吉林大学,1998.

[2] 张友坤,等.金属带式CVT电控系统设计方法的研究[J].汽车技术,2004(10).

[3]汽车工程手册:设计篇, 4.7无级变速器[M].北京: 人民交通出版社, 2005.

Advantages and Limitation of Steel Belt Continuously Variable Transmission

(South East (FuJian) Motor Company R&D Center， Li qing)

The article introduce structure and principle of CVT，and prove advantages and limitation of CVT based the vehicle test data such as acceleration、fuel economy、drivability and emissions .

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