1、無級變速器的基本結構和變速原理沈林江，胥家政 摘要：無級變速技術是目前汽車傳動系統中的前沿技術，無級變速器（CVT）與手動變速器（MT）、自動變速器（AT）相比，綜合動力性能更佳，能與發動機形成理想的動力匹配，因此，無級變速汽車是當今發展的主要趨勢之一。無級變速器中最為重要的一項是電液控制技術，直接影響到汽車變速品質、經濟性以及動力性。速比控制、夾緊力控制和起步離合器的控制是無級變速控制系統的關鍵。 關鍵詞：無級變速；結構；原理；特點Basic structure and Variable speed principle of the CVTShen lin-jiang , Xu jia-zh

2、engAbstract: Continuously variable transmission technology is currently in the forefront of automotive technology,continuously variable transmission (CVT) with manual transmission(MT),automatic transmission(AT),an integrated vechicle is the development of the car one of the main trend. CVT is the mo

3、st important one is the electro-hydraulic control technology.Car speed directly affects the quality and economy, and dynamic.However ratio control, clamping force control and control is the key to starting clutch CVT control system.Key word: Infinitely variable speeds; structure; principle; characte

4、ristic引言汽車無級變速器能實現傳動比連續變化，在更大范圍內控制發動機的工作點，真正實現發動機變速器道路載荷的最佳匹配，所以一直以來是汽車制造商和用戶追求的理想變速器。無級變速器按作用方式的不同和傳動形式的差異，可分為機械式、電氣式、液壓式三大類。其中機械式無級變速器恒功率特性較好，有較高的傳動效率，應用比較廣泛，金屬帶式無級變速器就是典型的一種機械式摩擦無級變速器。由于金屬帶式無極變速器最為普遍，所以本文主要研究金屬帶式無級變速器的基本結構和變速原理。1 汽車無級變速器的類型和特點無級變速器可分為：液力變矩器，擺銷鏈式無級變速器CVT，金屬帶式無級變速器CVT，環盤滾輪式無級變速器IVT

5、這4大類。與有級變速器相比，它的優點明顯：（1）提高燃油經濟性和排放性能。無級變速器在相當寬的范圍內實現無級變速，可以獲得傳動系統與發動機工況的最佳匹配狀態，提高整車的燃油經濟性，降低排放。（2）提高動力性能。無級變速器能夠獲得較大的傳動比，其動力性能明顯優于機械變速器和自動變速器。（3）改善駕駛舒適性能。因速比連續變化，可使換擋平滑，實現了手動變速器的快速反應和自動變速器舒適的雙優點。采用金屬鏈條傳遞動力，解決了老式無級變速器“橡膠效應”和“離合器打滑”等問題。1.1 液力變矩器液力變矩器是較早用于汽車傳動的無級變速器，成功地用于高檔汽車的傳動中。由于傳動效率低，且變速比大于2時效率急劇下降

6、，經常僅在有級（23檔）變速器的兩檔中間實現無級變速，因此未能推廣開來，目前經常作為起步離合器在汽車傳動中使用。1.2 金屬帶式無級變速器金屬帶式無級變速器是荷蘭VDT公司的工程師 Van Doorne 發明的，用金屬帶代替了膠帶，大幅度提高了傳動的效率、可靠性、功率和壽命，經過3040年的研究，開發已經成熟，并在汽車傳動領域占有重要的地位。目前金屬帶式無級變速器的全球總產量已經達到250萬輛/年，三年內將達到400萬輛/年，發展速度很快。金屬帶式無級變速器主要是由起步離合器、行星齒輪機構、無級變速機構、控制系統和中間減速機構構成。金屬帶式無級變速器的核心元件是金屬帶組件，金屬帶組件由兩組91

7、2層的鋼環組合350400片左右的摩擦片組成。在傳動時，主、從動兩對錐盤夾持金屬帶，靠摩擦力傳遞運動和轉矩。主、從動邊的動錐盤的軸向移動，使金屬帶徑向工作半徑發生無級變化，從而實現傳動比的無級變化，即無級變速。9 1.3 擺銷鏈式無級變速器擺銷鏈式無級變速器是由德國LUK公司將擺銷鏈用于Audi汽車傳動的成功范例。與金屬帶式CVT不同的是，它將無級變速部分放到低速級，即最后一級。其原因是鏈傳動的多邊形效應在高速級時會產生更大的振動、噪聲和動態應力。所以在其最新的結構中，加裝了導鏈板以減少振動和噪聲。但是由于在低速級傳動中，要求傳遞的轉矩大，軸向的夾持壓力就大，液壓系統的油壓也大，而摩擦盤式離合

8、器所要求的油壓又不高，這樣，液壓系統的油壓就比較復雜。由此看來，如果能進一步降低或者消除多邊形效應，將會進一步提高此類傳動的水平，簡化整機設計，降低成本。用兩組摩擦盤式離合器和行星轉換裝置組成前進和倒檔離合器，同時又滿足起步離合器的功能要求，是很成功地設計。目前許多公司用液力變矩器作為起步離合器，簡化了液壓電控系統，但增加了液力變矩器。而這樣的兩組摩擦盤式離合器加行星轉換裝置，在實現前進和倒檔離合器的功能時又顯得累贅。其傳動簡圖如圖1所示圖1 Multitronic 的傳動簡圖1.4 環盤滾輪式無級變速器環盤滾輪式無級變速器是英國Torotrak公司發明的車用無級變速器，其原理如圖2所示。運動

9、和動力由輸入盤靠摩擦力傳給滾輪，滾輪將運動和動力靠摩擦力傳給輸出盤。當滾輪在垂直于紙面的軸向轉動時，滾輪和兩個環盤的接觸點連續變化，輸入盤和輸出盤接觸點（工作點）的回轉半徑連續變化，實現無級變速傳動。13圖2 環盤滾輪式無級變速器原理圖2 金屬帶式無級變速器的基本結構圖3 金屬帶式CVT的主要結構跟工作原理簡圖1-發動機飛輪；2-離合器及行星齒輪；3-主動輪油缸；4-主動輪可動部分；4a-主動輪固定部分；5-油缸；6-從動輪油缸；7-從動輪可動部分；7a-從動輪固定部分；8-中間減速器；9-主減速器和差速器；10-金屬帶CVT的主要結構如上圖所示，CVT的主要結構和工作原理如圖所示，該系統主要

10、包括主動輪組、從動輪組、金屬帶和液壓泵等基本部件。金屬帶由兩束金屬環和幾百個金屬片構成。主動輪組和從動輪組都由可動盤和固定盤組成，與油缸靠近的一側帶輪可以在軸上滑動，另一側則固定。可動盤與固定盤都是錐面結構，它們的錐面形成V型槽來與V型金屬傳動帶嚙合。發動機輸出軸輸出的動力首先傳遞到CVT的主動輪，然后通過V型傳動帶傳遞到從動輪，最后經減速器、差速器傳遞給車輪來驅動汽車。工作時通過主動輪與從動輪的可動盤作軸向移動來改變主動輪、從動輪錐面與V型傳動帶嚙合的工作半徑，從而改變傳動比。可動盤的軸向移動量是由駕駛者根據需要通過控制系統自動調節主動輪、從動輪液壓泵油缸壓力來實現的。由于主動輪和從動輪的工

11、作半徑可以實現連續調節，從而實現了無級自動變速。12金屬帶是一種非常精密的組件，金屬片和每一層鋼環的加工制造都有嚴格的精度和性能要求。鋼環組由一種高強度的馬氏體時效鋼制成，相鄰兩圈配合要求很高，否者將產生大的載荷不均，影響帶的壽命。因此，金屬帶組件的制造有很高的技術含量。其結構示意圖如圖4所示：圖4 金屬帶組件圖及局部放大圖1金屬片；2鋼環。3 金屬帶式無級變速的工作原理如圖5所示，汽車開始起步時，主動輪的工作半徑較小，變速器可以獲得較大的傳動比，從而保證驅動橋能夠有足夠的扭矩使汽車獲得較高的加速度。隨著車速的增加，主動輪的工作半徑逐漸減小，從動輪的工作半徑相應增大，CVT的傳動比下降，汽車能

12、夠以更高的速度行駛。6圖5 金屬帶式無級變速器傳動變速原理（a）傳動原理圖；（b）變速原理圖在金屬帶式無級變速器的液壓系統中，從動油缸的作用是控制金屬帶的張緊力，以保證來自發動機的動力高效、可靠的傳遞。主動油缸控制主動錐輪的位置沿軸向移動，在主動輪組金屬帶沿V型槽移動，由于金屬帶的長度不變，在從動輪組上金屬帶沿V型槽向相反的方向變化。金屬帶在主動輪組和從動輪組上的回轉半徑發生變化，實現速比的連續變化。前進時，前進擋離合器接合，倒檔離合器松開。動力從輸入軸傳到行星架，再傳到與其相連的右支架，經前進擋離合器傳至太陽輪，通過太陽輪帶動主動帶輪，再由V形金屬傳動帶將動力傳遞到從動工作帶輪，帶輪的可動部

13、分和固定部分形成的V形槽與V形金屬帶嚙合。在工作中，當主、從動工作帶輪的可動部分在油缸內液壓力作用下做軸向移動時，連續改變了金屬傳動帶的工作半徑，從而改變了傳動比。最后動力經中間減速器、主減速器與差速器傳遞到車輪。倒檔時，前進擋離合器松開，倒檔制動器接合。行星輪機構的內齒圈被固定，內行星輪與太陽輪嚙合，外行星輪與內齒圈嚙合，經這一雙行星輪機構，傳遞到太陽輪的力矩方向發生改變，后面的力矩傳遞路線與前進時相同。 金屬帶式無級變速器主要是通過改變兩個工作帶輪和金屬帶之間的接觸半徑來實現速比的連續變化。其變速過程如圖6所示 ：圖6 無極變速器的工作原理1輸入軸；2主動輪固定部分；3主動輪可動部分；4主

14、動輪液壓工作缸；5被動輪固定部分；6被動輪可動部分；7輸出軸；8被動輪液壓工作缸如上圖所示，兩個V形輪（主、被動輪）都分為兩部分：一部分（如2、5）為固定，另一部分（如3、6）可在軸上沿軸向移動，兩部分形成的V形槽與V形金屬帶相嚙合。工作時，假設主動輪工作半徑為Rp , 被動輪工作半徑為Rs，則傳動比為：i=Rp/Rs，其中，Rp為從動輪半徑，Rs為主動輪半徑。主、被動輪的可動部分3、6在液壓缸內液壓力作用下，軸向移動，從而主動輪工作半徑Rp和被動輪工作半徑Rs隨之改變，傳動比改變，達到了變速的目的。可動帶輪的軸向移動量可以通過液壓控制系統分別調整，其中，i=f（Fp，Fs） 其中：i傳動比

15、Fp主動輪液壓缸壓力 Fs被動輪液壓缸壓力Fs決定金屬傳動帶的張緊力，當i不變時，Fp保持不變。只要根據汽車行駛工況及發動機工況要求實時控制Fp和Fs，即可實現變速器與發動機相匹配的無級變速傳動。34 金屬帶式CVT控制技術的分類及發展單壓力回路控制，早期的CVT單壓力回路系統控制原理如圖7所示。該系統差不多全部保留了機-液控制系統的特點。雙壓力回路控制，如圖8。雙壓力回路電子液壓控制系統能夠很好地解決單壓力回路電子液壓控制系統存在的諸多缺點。8 圖7單壓力回路原理圖1、2-比例閥 3-速比控制閥 4-主動輪液壓缸圖8 雙壓力回路原理圖5 金屬帶式CVT傳動的控制技術金屬帶式CVT的控制主要分

16、為三種：速比控制、夾緊力控制、起步離合器控制。三者之間的控制過程是相互耦合的。在金屬帶式CVT的實時控制過程中，對速比控制時，需要考慮夾緊力控制的影響，而設計夾緊力控制時，則可以不考慮速比控制。由于起步離合器的控制相對獨立，故不考慮其對速比和夾緊力控制的影響。下圖9為CVT傳動控制系統示意圖。4圖9 CVT傳動控制系統示意圖2.1 速比控制CVT的速比控制是實現實際速比精確跟隨目標速比，即按照CVT傳動系統的匹配策略，控制速比根據汽車行駛工礦的改變而實時變化，使汽車在任何工礦下行駛時，均能維持發動機工作在動力性模式或經濟性模式下。汽車行駛時，駕駛員改變加速踏板位移大小會直接改變發動機的轉速大小

17、，同時使工作在動力性模式或經濟性模式下的目標速比也隨之發生變化。這時，目標速比與實際速比便產生了一定的偏差，根據這個偏差值以及其變化率，速比控制其便通過產生控制量來執行控制任務，使實際速比盡快的跟蹤到目標速比上。另外，在汽車行駛過程中突遇路面阻力，汽車加速度很快下降，目標速比須發生改變以保證發動機提供給汽車的牽引力與外界阻力相平衡，使發動機仍然維持工作在經濟性模式或動力性模式下，這時，實際速比與目標速比產生了一定的偏差，根據這個偏差值以及其變化率，速比控制器通過產生控制量來控制執行機構，使實際速比盡快的逼近目標速比。如圖10所示：圖10 速比控制系統框圖2.2 夾緊力控制夾緊力控制和速比控制是

18、相互耦合的，夾緊力的變化必然要引起速比的變化。而在實際控制中，控制價盡力并不考慮對其速比的影響。也就是說控制被動缸的壓力時（夾緊力與被動缸壓力有關），并不考慮它對主動缸的影響夾緊力控制是以CVT傳遞的轉矩和它當前的速比為依據的，由于金屬帶的長度為一定值，金屬帶式CVT所能傳遞的最大轉矩Tin與金屬帶目標夾緊力QDN和主動帶輪節圓半徑RDR之間的關系為：Tin=2uQDNRDR /cos a式中，RDR為主動帶輪節圓半徑（m），該值可由主動軸間距、傳動帶周長、即時傳動比計算出；u 為金屬塊與帶輪間的最大摩擦因數；a 為帶輪錐形角，一般為11度。設Te為發動機的輸出轉矩，一般，CVT所能傳遞的最大

19、轉矩Tin稍大于Te，以保證CVT能可靠地傳遞發動機轉矩。因此，用儲備系數k>I表示有:Tin - k*Te，于是金屬帶的目標夾緊力QDN為： QDN=kTe cos a /（2uRDR） 圖11 夾緊力控制系統框圖2.3 起步離合器控制無級變速傳動系統中的起步離合器采用的是濕式多片離合器，目的是使汽車能以足夠大的牽引力平順的起步，提高駕駛舒適性，必要時切斷動力傳動。通過手動操縱閥來選擇起步離合器或制動器。控制閥組控制離合器液壓缸或制動器液壓缸內的壓力。與常規液力機械自動變速傳動汽車起步控制策略不同，對于無級自動變速汽車，車輛起步時不僅液力變矩器發揮自動變扭調速的作用，金屬帶式無級變速傳

20、動裝置也將發揮作用。當車輛處于起步爬坡階段時，充分利用液力變矩器低速增扭、通過性好的優點來實現車輛的快速平穩起步，此時帶傳動速比維持在最低檔：當車輛處于低速行駛且液力變矩器速比大于聯合工作輸出最大功率所對應的速比時，通過改變帶傳動速比來調節液力變矩器速比，從而保證發動機與液力變矩器聯合工作輸出功率維持在最大值，使車輛獲得最大的啟動性能。不同油門開度下，維持發動機與液力變矩器聯合工作輸出功率最大時對應不同的液力變矩器速比。142.4 其它先進控制理論的應用為了追求更好的控制效果，得到更好的動力性、經濟性和排放指標，一些新興的、先進的控制理論被應用于汽車動力傳動系的控制中，其中的代表就是模糊控制。

21、其控制結構如下圖12所示：圖12 模糊控制結構示意圖 在汽車動力傳動系中應用模糊控制主要有3個原因：（1）模糊控制能夠很好地辨別汽車的運行工況和駕駛員的駕駛意圖。（2）模糊控制是基于語義和規則的控制理論，應用與汽車動力傳動系這樣的強非線性系統 具有很好的抗干擾效果。（3）模糊控制具有很好的連接作用，可以將不同的控制算法結合起來，從而達到最優的控制效果16 金屬帶式CVT電液控制技術金屬帶式CVT早期的控制系統多采用機液控制方式，但機液控制系統結構復雜，對傳動系統多種性能的匹配要求缺乏靈活性。隨著技術的進步和對汽車性能要求的不斷提高，當前無級變速傳動系統的控制均采用電液控制方式。電液控制方式可以

22、使動力傳動系統實現理想的工作狀態，達到動力性、經濟性和排放之間的最佳平衡。不同匹配策略的實現都是對無級變速器的主壓力和速比控制來實現的。同時，采用電液控制方式還可以提高無級變速傳動系統的效率，降低不必要的損失。2下圖13為金屬帶式CVT的電液控制系統原理圖。系統的油泵直接由發動機驅動，為整個系統提供液壓油。系統的主壓力由壓力控制閥（比例溢流閥）調節，它直接作用在從動輪油缸內。在速比一定的條件下，主壓力的大小決定了系統傳遞轉矩的能力。變速器的速比由速比控制閥（位置伺服閥）調節。調節主動輪油缸內的壓力，是通過金屬帶的約束與從動輪油缸內的壓力達到新的平衡狀態，從而改變主動輪的軸向位置來實現的。在控制

23、系統中，主、從動輪油缸壓力PP ,PS由壓力傳感器測量,主、從動輪的轉速nP， nS 由轉速傳感器測量，測量得到的信號通過A/D轉換和驅動放大，變成可以驅動比例閥的控制電流，控制主、從動輪油缸的壓力變化。A/D,D/A和控制器構成了數據采集和反饋控制的閉環控制回路，從而提高了系統的控制精度，發動機的轉速nC和油門開度a 的信號通過傳感器輸入給控制器，通過相應的控制策略來保證CVT無滑移地運轉。5 圖13 電液控制系統原理圖7 結論在最近的十幾年中，CVT技術已經上千邁進了一大步，使得CVT比有著超過100年歷史的機械變速器MT和有著超過50年歷史的自動變速器AT更有競爭力。CVT技術正處于壽命周期的開始，CVT的特性將進一步提高，而我們中國也緊跟世界步伐，發展我們自主創新的無級變速器。金屬帶式無級變速傳動器作為新興的車用變速器，具有明顯的技術優勢和開發潛力。金屬帶式CVT傳動技術正處在壽命周期的開始，所以更應充分發展無級變速綜合控制系統中的電