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，綜合動力效能更佳，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 cvt
shen lin-jiang , xu jia-zheng
abstract: 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 most important one is the electro-hydraulic control speed directly affects the quality and economy, and ratio control, clamping force control and control is the key to starting clutch cvt control system.
key word: infinitely variable speeds; structure; principle; characteristic
引言汽車無級變速器能實現傳動比連續變化，在更大範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製造商和使用者追求的理想變速器。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恆功率特性較好，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。
由於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 汽車無級變速器的型別和特點
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效能。無級變速器在相當寬的範圍內實現無級變速，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）提高動力效能。
無級變速器能夠獲得較大的傳動比，其動力效能明顯優於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。
採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於汽車傳動的無級變速器，成功地用於高檔汽車的傳動中。由於傳動效率低，且變速比大於2時效率急劇下降，經常僅在有級（2~3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30~40年的研究，開發已經成熟，並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元件，金屬帶元件由兩組9~12層的鋼環組合350~400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公司將擺銷鏈用於audi汽車傳動的成功範例。與金屬帶式cvt不同的是，它將無級變速部分放到低速級，即最後一級。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、雜訊和動態應力。
所以在其最新的結構中，加裝了導鏈板以減少振動和雜訊。但是由於在低速級傳動中，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，而摩擦盤式離合器所要求的油壓又不高，這樣，液壓系統的油壓就比較複雜。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。當滾輪在垂直於紙面的軸向轉動時，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）的迴轉半徑連續變化，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，該系統主要包括主動輪組、從動輪組、金屬帶和液壓幫浦等基本部件。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，然後通過v型傳動帶傳遞到從動輪，最後經減速器、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、從動輪液壓幫浦油缸壓力來實現的。由於主動輪和從動輪的工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元件，金屬片和每一層鋼環的加工製造都有嚴格的精度和效能要求。鋼環組由一種高強度的馬氏體時效鋼製成，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，金屬帶元件的製造有很高的技術含量。
其結構示意圖如圖4所示：
圖4 金屬帶元件圖及區域性放大圖
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，由於金屬帶的長度不變，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迴轉半徑發生變化，實現速比的連續變化。
前進時，前進擋離合器接合，倒檔離合器鬆開。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。
最後動力經中間減速器、主減速器與差速器傳遞到車輪。
倒檔時，前進擋離合器鬆開，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，後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）
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