CVT(无级变速器)工作原理

作者: 
William Harris
来源: 
博文网

有人说,年老守旧的人无法接受新事物。但无级变速器(CVT)的概念却是莱昂纳多·达·芬奇(Leonardo da Vinci)早在500多年前就已经提出了,现在,无级变速器在一些汽车中将取代行星齿轮自动变速器,从这个意义上讲,年老守旧的人却已经走在了前面。事实上,自1886年申请第一台环形CVT专利后,这项技术就已经得到了细化及改进。当今,多家汽车制造商(包括通用汽车、奥迪、本田和日产)正在围绕CVT设计动力传动系统。

带有Xtronic CVT的日产HR15DE发动机
日产汽车公司供图
带有Xtronic CVT的日产HR15DE发动机

在此文章中,我们将探究CVT在典型后轮驱动汽车中的作用,并在此过程中解答很多问题:

  • CVT与传统行星自动变速器相比如何?
  • 它有哪些配件以及这些配件的作用?
  • 与传统自动变速器相比,CVT有哪些优点? 有哪些缺点?
  • 驾驶一辆装有CVT的汽车,感觉如何?
  • 哪些构造和车型采用了CVT?
  • 除了在汽车中,CVT还有其他方面的应用吗?

现在开始了解一些变速器的基本知识。

如果您在自动变速器工作原理一文中读过有关自动变速器结构和功能的内容,就会知道变速器的作用是改变汽车发动机和车轮之间的速比。换句话说,没有变速器的汽车只有一个档位,这个档位使汽车以期望的最高速度行驶。想象一下,您驾驶着一辆只有一档或三档的汽车,只有一档的汽车从完全停止状态正常加速,并且可以攀爬陡峭的坡地,但它的最高速度将限制在每小时几公里。 另一种情况下,只有三档的汽车将以130公里/小时的速度在公路上飞驰,但在起动后,几乎没有加速度,而且不能爬坡。

因此,随着驾驶条件的更改,变速器的使用可以在从低到高的档位范围内更有效地利用发动机扭矩,并可以手动或自动控制这些档位。

梅赛德斯-奔驰CLK自动变速器
戴姆勒-克莱斯勒公司供图
梅赛德斯-奔驰CLK自动变速器

在传统自动变速器中,档位实际上是齿轮,即帮助发送和修改旋转运动和扭矩的联锁齿轮。行星齿轮的组合将产生变速器能够产生的所有不同的传动比,该组合通常包含四个前进档和一个倒档。当此类变速器循环通过其齿轮,驾驶员在每个档位啮合时会感觉到颠簸。

CVT基本知识
无级变速器与传统的自动变速器不同,它不带一组齿轮组成的齿轮箱,这意味着它没有联锁齿轮。最常见类型的CVT可以在设计精巧的皮带轮系统上操作,该皮带轮系统可以在最高档位和最低档位间提供无限的可变性,而没有不连续的步骤或换档。

带有CVT的福特自由行Duratec发动机
福特汽车公司供图
带有CVT的福特自由行Duratec发动机

如果您想知道为什么在CVT的解释中还是会出现“档”这个字,请记住,一般来说,档是指发动机轴转速与传动轴转速的比率。虽然CVT不使用一组行星齿轮来改变这个比率,但习惯上还是说成挂低“档”和挂高“档”。

无档位: CVT革新年表
  • 1490年——达芬奇绘制了无级变速器的草图
  • 1886年——申请第一台环形CVT专利
  • 1935年——亚迪耶·道奇收到了环形CVT的美国专利证书
  • 1939年——引入了基于行星齿轮系统的全自动变速器
  • 1958年——达夫(荷兰人)生产出用于汽车的CVT
  • 1989年——斯巴鲁·贾斯蒂GL是第一辆在美国生产销售的CVT汽车
  • 2002年——带有CVT的Saturn Vue首次亮相,是第一辆使用CVT技术的Saturn
  • 2004年——福特开始使用CVT

基于皮带轮的CVT

基于皮带轮的CVT
日产汽车公司供图
基于皮带轮的CVT

观察行星自动变速器,您会看到一个由齿轮、制动器、离合器和控制部件组成的复杂装置。比较而言,无级变速器真是简单至极。多数CVT只有三个基本部件:

  • 高功率金属或橡胶皮带
  • 可变输入“驱动”皮带轮
  • 输出“从动”皮带轮

CVT还有各种微处理器和传感器,但上述三种部件是实现此项技术的关键元件。

可变直径皮带轮是CVT的核心。

可变直径皮带轮是CVT的核心。每个皮带轮都由两个相对的20度圆锥组成。皮带位于两个圆锥之间的凹槽中。如果皮带是橡胶的,则最好使用V型皮带。V型皮带是由于皮带的横截面为V型而得名,它可增加皮带的摩擦粘着力。

当皮带轮的两个圆锥离的很远(即直径增大时),皮带位于凹槽中的较低位置,而围绕皮带轮转动的皮带半径将变小。当皮带轮的两个圆锥离的很近(即直径减小时),皮带位于凹槽中的较高位置,而围绕皮带轮转动的皮带半径将变大。CVT可以使用液压压力、离心力或弹簧张力来产生调整皮带轮半轴所需的力。

可变直径皮带轮必须始终成对出现。其中一个皮带轮,称为驱动皮带轮,它连接到发动机的曲轴上。驱动皮带轮也称为输入皮带轮,因为正是通过该皮带轮将发动机的能量传输给变速器。另一个皮带轮称为从动皮带轮,这是因为要通过第一个皮带轮来转动它。从动皮带轮作为输出皮带轮,可以将能量传输给驱动轴。

可变直径皮带轮必须始终成对出现。
皮带轮中心与皮带在凹槽中的接触位置之间的距离即为节圆半径。当皮带轮远离时,皮带位于较低处,且节圆半径减小。当皮带轮靠近时,皮带位于较高处,且节圆半径增加。驱动皮带轮的节圆半径与从动皮带轮的节圆半径之比决定了档位的高低。

当一个皮带轮的半径增加时,另一个皮带轮的半径将减小以保持皮带紧绷。随着两个皮带轮改变它们相互的半径,将产生了无数个传动比——从低到高的所有值。例如,当驱动皮带轮的节圆半径较小,而从动皮带轮的半径较大时,从动皮带轮的旋转速度将减小,从而产生较低的“档”。当驱动皮带轮的节圆半径较大,而从动皮带轮的半径较小时,从动皮带轮的旋转速度将增加,从而产生较高的“档”。因此在理论上,CVT在任何时候、任何发动机上或处于任何车速时都具有可以运行的无数个“档”。

CVT的简单性和连续性使其成为适用于各种机器和设备(不仅是汽车)的理想变速器。CVT在动力工具和压钻机中的应用已有多年历史。它们还用在各种车辆中,包括拖拉机、雪地车和小型摩托车。在所有这些应用中,变速器均采用高密度橡胶皮带,它会滑动和伸展,因此会降低它们的效率。

新材料的引进使CVT变得更可靠和高效。连接皮带轮的金属带的设计和开发是一项最重要的改进。这些柔韧的皮带由多种(通常为9或12种)薄带钢组成,这些薄带钢又由高强度、领结形的金属束集而成。

金属带设计
金属带设计

金属带不会滑动而且高度耐用,使CVT可以承受更大的发动机扭矩。此外,它们也比橡胶皮带驱动的CVT噪音更低。

本文包括:

猜你喜欢