机械式无级自动变速器（CVT）浅析

机械式无级自动变速器(CVT：ContinuouslyVariableTrans-mission)，顾名思义其速比可以以一系列连续的值变化，主要靠主、从动轮和金属带配合工作来实现。CVT可以在比较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，因此燃油经济性好，没有传统变速器换档时那种“停顿”的感觉，因此驾驶平顺性较佳;另CVT结构比传统手动变速器MT以及其他自动变速器(AT、AMT、DCT)简单，体积更小，重量更轻，对整备质量的减小也有很大的帮助;其缺点也是突出的，由于传动钢带存在摩擦打滑，因此CVT传递扭矩值有限，运动性能欠佳。另外，CVT变速器制造难度和技术要求高，生产成本也相对较高。目前，CVT 技术主要掌握在日本 JATCO，比利时的PUNCH 和德国 BOSCH 公司。




CVT金属带主要有舍弗勒的钢链式钢带和博世的钢片式钢带两种对应于图2和图3，图3中钢带是由非常多的三角形钢片组成。博世目前占有非常大的CVT变速箱钢带的市场份额。传动链条与推力钢带相比较，可以传递的扭矩容量大、链条在旋转半径缩小时没有金属带存在的摩擦问题，因此传动效率高;但是缺点也十分明显，噪声大、结构紧凑型不好。

1. CVT工作原理

CVT的结构包括主动轮组、从动轮组、金属带和液压泵等基本部件。主动轮组和从动轮组都由可动盘和固定盘组成，可动盘与固定盘都是锥面结构，与油缸靠近的一侧锥盘可以在轴上滑动，它们的锥面形成V型槽来与V型金属传动带啮合。通过可动盘作轴向移动来改变主动轮、从动轮锥面与传动带的啮合半径，从而改变传动比。可动盘的轴向移动是通过控制系统和液压系统调节液压泵油缸压力来实现的，由于可动盘的移动可以实现连续调节，主动轮和从动轮的工作半径便可以实现连续调节，从而实现了无级变速。

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，从而驱动轮获得较大的扭矩保证汽车克服阻力起步。随着车速的增加，主动轮的工作半径逐渐变大，CVT的传动比下降，使得汽车能够以更高的速度行驶。在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，主动油缸控制主动锥轮的轴向移动量。由于金属带的长度不变，金属带在主从动轮组中沿V型槽移动方向相反，实现无级变速。


2. CVT机械结构与液压系统


一种CVT机械结构如上图5所示，通过工作原理的介绍不难分析出其实现无级变速的过程。接下来重点介绍其液压系统。


图6是一种CVT液压控制系统原理图，从图中可以看出其主动轮组和从动轮组由同一组液压油泵、液压控制阀进行主动盘位移的控制，而起步离合器以及发动机变速器主离合器的控制则通过另一套液压控制阀来实现。图7是CVT速比控制阀工作原理图，从图中可以看出液压油流动路径以及主动轮组主动盘移动过程。


本田汽车公司装备于飞度轿车的CVT采用双压力回路电液控制系统。该无级变速器主要由行星排、主动带轮、从动带轮以及金属传动带等部件组成，其机械结构如图8。飞度金属传动带由两组环形带以及大量钢制构件组成，在传动过程中钢制构件因承受载荷被挤压在一起以产生推力传递动力。

由图可知，发动机动力经过飞轮、传动盘、输入轴传递到行星排太阳轮部分，另外行星架连接倒挡制动器，内齿圈连接主动带轮，前进挡离合器布置在太阳轮和内齿圈之间。

车辆前进，前进挡离合器结合，驱动主动带轮同向转动;车辆后退，倒挡制动器制动，行星架被固定不动，因此齿圈与太阳轮反向转动，驱动主动带轮反向转动。最后，动力经过从动带轮，主减速器、差速器和半轴输出驱动车轮前进。


图9是飞度CVT液压系统控制原理图，当自动变速器油泵被发动机驱动，油泵发出的液压油先通过高压调节阀(PH)，经主动带轮压力控制阀(DRC)进入主动带轮可动油缸，通过控制主动带轮压力控制阀(DRC)的占空比，由脉宽调制器来控制通过电磁阀的压力油流量;由控制主动缸液压油的流量改变主动缸的压力，实现调节速比;或者经过从动带轮压力控制阀进入从动带轮可动油缸，实现改变从动缸夹紧力的控制。


而图中离合器减压阀的作用，是将通过高压调节阀(PH)的液压油减压后进入前进离合器以及倒档离合器，或者经过起步离合器压力控制阀进入起步离合器实现起步、前进和倒档。

对于不同工况下各档位速比的调节过程如下：车载传感器接收当前车辆行驶状况，EPROM中的程序模仿人的大脑作出判断发出换档指令，当TCU接收到换挡指令后，各换挡控制阀控制相应油路开闭完成主动盘移动的命令，实现换挡。

3. CVT速比的计算


因为：

由图知：

则传动带长度可以通过如下公式计算：

又因为当角度较小时通常满足如下关系：

根据上面的四个公式便可得出

通过上式便可得到传动比：