国内外汽车无级变速_CVT_技术的发展概况概要.doc

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1、文章编号100426410(20040420019205国内外汽车无级变速(CVT 技术的发展概况李春青,彭建中,吴彤峰(广西工学院汽车系,广西柳州545006摘要:详细介绍了国内外汽车无级变速传动(CV T 技术的发展与应用概况,对车用无级变速器(CV T 的结构及工作原理进行了详细地分析,并就其性能特点与其它类型汽车传动装置进行了比较分析,总结了无级变速传动(CV T 的优势与不足,并对无级变速传动(CV T 技术的发展趋势及应用前景进行了分析并做出预测。关键词:无级变速(CV T ;发展;汽车电子中图分类号:U 270132文献标识码:A收稿日期:2004207213资助项目:广西工学院

2、青年科学基金资助项目(编号:030212。作者简介:李春青(19722,女,广西临桂人,广西工学院汽车工程系教师。1前言随着人们对汽车舒适程度要求的提高,目前在汽车上广泛使用的液力自动变速器(A T 的安装率已达到80%,但是液力偶合自动变速器(A T 存在着不少的缺点:传动比不连续、液力传动效率不高、零部件多、结构复杂、成本高昂、与发动机的固有输出特性不能全程匹配等1。因此汽车科技人员一直在寻求一种可替代液力偶合A T 的变速装置,现在这种能连续变化传动比的新型技术已经出现,它就是无级变速(Con tinuou sly variab le tran s m issi on 技术。2无级变速传

3、动(CVT 的分类无级变速传动机构根据其动力传递方式分类如下所示。其中已经在汽车上应用的有传动带方式与牵引传动方式,流体式和电气式由于传动效率低,目前只是少量应用于一些特种汽车。在汽车上已经实用的无级变速器有传动带传动与牵引传动(tracti on drive 两种型式,都是应用摩擦力传递动力2。无级变速传动分类:无级变速传动机械式传动带式橡胶 金属带传动链条传动牵引传动式圆环型圆板型流体式电气式3无级变速传动(CVT 的工作原理传动带式无级变速器工作原理如图1,在低速时通过增大驱动滑轮的宽度,减小其工作半径;同时减小第15卷第4期广西工学院学报V o l 115N o 142004年12月J

4、OU RNAL O F GUAN GX I UN I V ER S IT Y O F T ECHNOLO GY D ec 12004 图1传动带式无级变速传动原理1输入轴;2主动轮固定部分;3主动轮可动部分;4主动轮液压工作缸;5被动轮固定部分;6被动轮可动部分;7输出轴;8被动轮液压工作缸;9传动带。从动滑轮的宽度,而增大工作半径,从而增大传动比。高速时,驱动轮的宽度减小,从动轮的宽度增加,从而减小传动比。该系统的驱动轮与从动轮的活动部分分别位于相反一侧,所以变速时传动带只需稍作平行移动,不会发生扭曲。目前,传动带的形式一般有V 型橡胶带、金属带、金属链等。这种类型的无级变速传动技术目前已经

5、发展得比较成熟3。圆盘式无级变速器如图2所示,它通过两个相互垂直放置的摩擦圆盘进行动力传递,其从动盘可以沿主动盘的径向移动,使得主动盘的工作半径根据需要改变,从而改变传动比。这种类型的无级变速传动装置是比较早期的一种无级变速传动装置,1905年首先由美国人提出来,并在1907年生产出样机,但由于摩擦本身带来的能量损耗大,温度高等原因,存在传递扭矩小和不耐用等缺点,最终这种形式的CV T 装置没有投入批量生产,不过它开拓了人们的思路。目前美国人正热衷于研究的无级变速传动装置-无限变速式机械无级变速器(infin itely variab le tran s m issi 2on 的传动原理与其十

6、分相似。无限变速式机械无级变速器(I V T 的传动原理如图3所示,它是通过改变动力转子的倾斜角度,使其与动力转子接触的传动盘的有效半径发生变化,从而改变传动比,实现变速4 。4无级变速传动(CVT 的特性对比无级变速传动(CV T 技术省去了复杂而又笨重的齿轮组合变速传动,采用工作直径可变的主、从动轮相配合传递动力,设计构思十分巧妙。使得CV T 可以实现传动比的连续改变,从而得到传动系与发动机工况的最佳匹配,提高整车的燃油经济性和动力性,改善驾驶员的操纵方便性和乘员的乘坐舒适性,它的综合性能比液力自动变速箱(A T 有明显优势,所以是目前较为理想的汽车传动装置。为了考察CV T 系统在汽车

7、中应用的实际效果,各国的汽车公司都对其进行了对比试验。即同类汽车分别装备CV T 、有级机械变速器(M T 、和液力机械自动变速器(A T ,在同等条件下进行性能比较。02广西工学院学报2004年12月411经济性由于CV T 能实现传动比的连续变化,可得到传动系与发动机工况的最佳匹配,整车的燃油经济性相应得到提高。德国ZF 公司测试结果:CV T 汽车的经济性比4档A T 汽车至少提高约10%,与5档M T 汽车相当或者略优5。412动力性CV T 能实现发动机的闭环控制,可取得发动机与汽车行驶工况的最佳匹配。它的无级变速特性,能够获得后备功率最大的传动比,而汽车的后备功率愈大,汽车的动力性

8、愈好,CV T 汽车的加速性能(0100kmh 比A T 汽车加速性能提高715%1115%,速度较高时,加速性优于M T 汽车6。413传动效率CV T 系统有很宽的传动比,介于21400到01395之间,相对于传统的变速箱,具有较高的灵活性,加速更加顺畅。一般来说,CV T 变速箱的动力传输快、流失少,所以起步快,加速连贯性非常好,相当顺滑,没有什么突兀感。传动效率稳定并高达94%96%6。414可靠性与寿命CV T 的可靠性与寿命主要取决于金属带传动工作组件和控制系统,据荷兰VD T 公司的技术人员称,现在新的设计和技术已经解决了CV T 过去存在的主要问题,80万套CV T 在世界各地

9、试用的结果,出现故障的只有200套,故障率为01025%。可见,该系统质量高、使用可靠。采用高强度优质材料、精密制造技术与无限寿命设计方法设计和制造的金属颤抖工作组件可达到与发动机相同的寿命7。415排放无级自动变速器实现发动机的闭环控制,具有较宽的速比变化范围,可使发动机经常处于经济转速区域内运转,从而降低了排气污染。德国ZF 公司将自己生产的CV T 装车测试,其废气排放物比装备4档自动变速器的汽车减少约10%5。416成本CV T ,零部件数目比A T 少很多,一旦汽车制造商开始大规模生产,CV T 的成本将会比A T 小。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,

10、CV T 零部件的生产成本,将降低20%30%。目前,荷兰VD T 公司正通过不断地改进传动零件的结构及零部件加工工艺过程等措施,来降低产品成本,提高产品的竞争能力8。5CVT 技术的发展概况CV T 技术的发展,可以追溯到十九世纪末,德国D ai m ler 2B enz 公司在1896年就将V 型橡胶带式无级变速技术用于该公司生产的汽车上,但材料较差、传递力矩小,没有什么实用价值。而后,荷兰DA F 公司的H .V an Doo rne 博士于1958年研制成功了双V 型橡胶带式无级变速器,并装备于DA F 公司制造的小型轿车上,但是由于橡胶带式CV T 在结构设计和选材等方面的问题,存在

11、着传动机械体积过大,传动扭矩过小,无法满足汽车行驶的需要,因而也没有被汽车行业普遍接受。直到本世纪六十年代末期,H .V an Doo rne 博士研制出能传递功率容量大,效率高,结构紧凑的实用型金属带式CV T ,这是CV T 技术上里程碑式的突破9。它具有零件少,体积小,重量轻,传动效率高,油耗较低的优点。但缺点也是明显的,就是传动带很容易损坏,不能承受较大的载荷,但在小功率汽车上还是很有市场的。富士、菲亚特、福特都先后引进CV T ,加以改善,用在自己的汽车上。1984年,最善于应用新技术的富士车厂研制了具有电脑装置的电控无级变速传动ECV T ,并在1987年2月装在Ju sty (J

12、 10汽车上推出市场,获得成功。从此金属带式无级变速器真正进入商品化阶段10。进入九十年代,VD T 公司在总结八十年代产品开发和使用经验的基础上,研制成功了传递转矩更大、性能更优良的第二代CV T 。1998年日产公司开发了一种为中型轿车设计的包含一个手动换档模式的CV T 11。新型CV T 采用一个最新研制的高强度宽钢带和一个高液压控制系统。通过采用这些先进的技术来获得较大的转矩能力,日产公司研究开发CV T 的电子控制技术,传动比的改变实行全档电子控制,汽车在12第4期李春青等:国内外汽车无级变速(CV T 技术的发展概况22广西工学院学报2004年12月下坡时可以一直根据车速控制发动

13、机制动,而且在湿滑路面上能够平顺地增加速比来防止打滑。日产公司还计划将它的CV T的应用范围从110L扩大到310L的轿车12。另外,日本三菱、富士重工也都在不断改进无级变速器,从而实现汽车从有级变速阶段向无级变速阶段的飞跃。我国在CV T方面的研究尚处于起步阶段,自“九五”期间开始,轿车金属带式无级自动变速器的开发和研制已经被列入国家的重大科技攻关计划,由吉林工业大学、东北大学、东风汽车公司合作,共同承担并完成了这个攻关项目,对CV T技术进行实用化研究,在CV T传动机理、CV T控制策略、CV T数字建模与仿真等方面,取得了一些突破性成果并成功试制出国内首台CV T产品,进行了台架实验和

14、道路实验,取得了一些宝贵的实验数据和开发经验,目前该课题组仍在进行CV T的开发研究工作。为了尽快缩短跟世界先进水平的距离,应该参照日本“本田公司”1995年的办法,即在组织技术人员对外考察的基础上,购买多种样机,通过博采众长,反复试验,最后推出较好的发动机13。当前,世界各大汽车厂商为了提高产品的竞争力,都大力进行CV T的研发工作。现在日产、菲亚特、富士、福特、本田、奥迪等著名汽车品牌中,都有配备CV T变速器的轿车销售,国内CV T的批量装车始于2003年,目前正以递增的态势发展(见下表。表国内CV T应用情况公司车型排量CV T型式上市时间一汽大众奥迪A6214218L电控传动链式20

15、0316南京菲亚特派里奥,西耶那113L电控传动带式200315广州本田飞度113L电控传动带式2003111奇瑞旗云116L电控传动带式200416奇瑞QQ018L电控传动带式预计20056CVT的发展趋势当今世界各大汽车公司对无级变速器的研制都十分活跃,由1996年全世界CV T轿车已达近120万辆,预计到2005年CV T的销售量将接近500万辆14。值得注意的是,装备有CV T的汽车市场,由最初的日本、欧洲,已经渗透到北美市场,因此无级变速汽车是当今汽车发展的主要趋势,前景十分看好。随着电子控制技术、材料及加工技术的进步,CV T未来的发展将呈现以下趋势:(1随着生产过程的自动化及生产

16、规模的扩大,产品的成本更低廉。(2与发动机控制一起集成控制单元,使控制更优越、反应更快捷。带有集成发动机管理单元的第一个CV T传动系原型已经进行了行驶循环测试15。(3部件的优化设计,电子化的精确控制和新材料的应用,使CV T向大排量汽车发展,以实现更广泛的应用。(4混合动力汽车将是未来汽车发展的重要方向之一。采用CV T传动系的混合动力汽车的油耗有可能减少30%,排放有可能降低50%,所以CV T是混合动力汽车的最理想传动装置16。7结束语在最近的十几年中,CV T技术已经向前迈进了一大步,由于采用CV T可以得到传动系与发动机工况的最好匹配,提高整车的燃油经济性和动力性,并可以提高操纵方

17、便性和舒适性,有效地降低了排放污染,使得CV T的综合性能比有着超过100年历史的机械变速器(M T和有着超过50年历史的自动变速器(A T更有竞争力。理论研究与试验对比表明,CV T比M T、A T综合性能更佳。不久的将来,可望无级自动变速器将得到广泛的应用和发展。参考文献:1王红岩1金属带式无级变速传动系统分析,匹配综合控制的研究D 1长春:吉林工业大学,199812L iebrand N J .Future D evelopm ents in Push Belts fo r CV T A pp licati on D .SA E paper 925063,1992.3裘熙定1轿车金属带式

18、无级自动变速器传动技术发展现状与趋势J 1汽车技术,1998,(4:12514杨亚联1汽车无级变速器的类型及基本原理J 1汽车技术,1997,(3:5725915黄宗益1自动变速器与手动变速器的分析比较J 1上海汽车,1999,(2:12316王彦卿1汽车动力传动系统最佳匹配的研究J 1国外汽车,1993,(3:1521717B .R .Hohn :T he po tential A nd A dvantage of Continuously V ariable T rans m issi ons fo r A utomo tive A pp licati ons D .SA E985063,

19、1998.8钱向阳1汽车自动变速器的类型及其分析比较J 1上海汽车,2002,(1:3323619To sh ih iro Saito .D evelopm ent of M etal Push ing V 2Belt Stress Si m ulati on fo r Continuously V ariable T rans m issi on D .SA E paper 200320120969.10过学迅1轿车自动变速器的发展及应用前景J 1世界汽车,1999,(8:10212111Koen van deM eerakker .P ropo sal fo r an E lectrom

20、echanical R ati o and C lamp ing Fo rce A ctuato r fo r aM etalV 2belt T ypeCV T D .SA E 200423422894.12付学增1CV T 变速器最佳传动特性及控制技术研究D 1长春:吉林大学,2001113李华英,秦大同1牵引式锥盘滚轮CV T 的研究现状及发展趋势J 1重庆大学学报,2003,(4:15219114杨妙梁1无级变速器(CV T 发展动向J 1汽车与配件,2003,(21:18221115M asayuk i O ch iai .O n the A dvanced Efficiency A

21、nalysis fo r H alf To ro idal CV T 2T he Efficiency A nalysis ConsideringD efo r m ati on of CV T Components D .SAE 200423422852.16ZF Getriebe Gm bH ,Gerhard W agner .轿车中不同传动系组合的变速箱装置的应用J 1传动技术,2002,16(2:112271General develop i ng situation of con ti nuously var i able tran s m issiontechnology for

22、autos at hom e and abroadL I Chun 2qing ,PEN G J ian 2zhong ,W U Tong 2feng(D ep t .of A u tom ob ile Engineering ,Guangx i U n iversity of T echno logy ,Guangx i L iuzhou 545006,Ch ina Abstract :T he p ap er in troduced in detail the general situati on of the developm en t and app licati on of con

23、tinuou sly variab le tran s m issi on (CV T techno logy fo r au to s at hom e and ab road ,analyzed the structu re of CV T and its w o rk ing p rinci p les in detail ,and com pared their charaiteristics w ith o ther type of au to tran s m issi on s and then summ ed up the advan tages and disadvan tages of CV T .F inally the p aper analyzes the app licati on p ro spect of CV T techno logy and m akes a p redicti on .Key words :con tinuou sly variab le tran s m issi on (CV T ;developm en t ;au tom ob ile electron ic(责任编辑赖君荣32第4期李春青等:国内外汽车无级变速(CV T 技术的发展概况