无级变速器的应用与发展

汽车无级变速器的应用与发展 XXX （南京农业大学 工学院 南京 210031） 摘要：无极变速器是由变速传动机构、调速机构以及加压装置或输出机构三部分组成的一种传动装置，简称CVT。它可以显著提高汽车的经济性，改善汽车的动力性，使汽车发动机始终运行在最佳目标运行区，以满足机器或生产系统在运转过程中各种不同工况的要求，这样就既可减少汽车的换挡冲击，也可减轻驾驶员的劳动强度。目前汽车无级变速器是汽车最理想的传动系统，具有很大发展空间，必将成为当前的研究热点。本文简述了无级变速器的发展历程与研究现状，总结了无级变速器的优势。阐述了今后的发展趋势和在我国的发展前景。关键字：汽车、无级变速器、研究现状、优势、发展趋势、前景 The application and development of CVT car XXX (Nanjing agricultural university institute of technology Nanjing 210031)Abstract: Continuously Variable Transmission is by a variable speed drive mechanism, control mechanism and pressurizing device or output mechanism of three parts of a transmission device, it can significantly improve vehicle efficiency, improve vehicle power performance, make the car engine always run run the best target area, to meet machine or production systems in the process of running various requirements of different working conditions, so it can not only reduce automobile shift shock, also can reduce the labor intensity of the driver. Now automotive Continuously Variable Transmission is the most ideal auto transmission system, has the very big development space, will become the current research hot spot. This paper describes the development of numerous level transmission process and research status. Conclusion Continuously Variable Transmission advantage. Expounds the future development trends and the development prospect in our country.Key words: car, Continuously Variable Transmission, research status, advantage, development trend and prospects0 前言 近年来，随着人们生活水平的提高和能源的日益趋紧，人们对汽车的舒适度和节能减排的要求也日益提高。目前在汽车上广泛使用的自动变速技术是将液力变矩器和行星齿轮系组合的自动变速器技术，但是液力变矩器和行星齿轮系的组合有着明显的缺点：传动比不连续,只能实现分段范围内的无级变速；液力传动的效率较低，影响了整车的动力性与燃料经济性。所以汽车行业早就开始研究其它新型变速技术，无级变速(CVT)技术就是其中最有前景的一种。由于CVT可以实现速比的连续改变，使得汽车在任何行驶工况下都可以按照驾驶员的操作意图实现发动机和电动机工作点和变速器的最佳匹配，降低了排放量，提高了整车的燃油经济性、动力性以及乘坐的舒适性【1】。目前汽车无极变速器是最理想的传动系统，具有很大的发展空间。1 CVT技术的发展概况在汽车早期发展的历史中, 人们就已认识到在发动机与传动系之间实现无级变速调节才能使汽车达到理想的行驶工况。长期以来, 人们一直进行着能传递大功率、维持高效率、高寿命的机械式无级变速器的研究工作。近年来, 由于材料、润滑油、微机控制及加工技术的进步，CVT技术有了很大发展。CVT技术的发展，已经有了一百多年的历史。德国奔驰公司是在汽车上采用CVT技术的鼻祖，早在1886年就将V型橡胶带式CVT安装在该公司生产的汽油机汽车上。1958年，荷兰的DAF公司H.Van Doorne博士研制成功了名为Variomatic的双V型橡胶带式CVT，并装备于DAF公司制造的Daffodil轿车上，其销量超过了100万辆。但是由于橡胶带式CVT存在一系列的缺陷：功率有限(转矩局限于135Nm以下)，离合器工作不稳定，液压泵、传动带和夹紧机构的能量损失较大，因而没有被汽车行业普遍接受。进入20世纪90年代，汽车界对CVT技术的研究开发日益重视，特别是在微型车中，CVT被认为是关键技术。全球科技的迅猛发展，使得新的电子技术与自动控制技术不断被采用到CVT中。1997年上半年，日本日产公司开发了使用在2.0L汽车上的CVT。在此基础上，日产公司在1998年开发了一种为中型轿车设计的包含一个手动换档模式的CVT。1999年，Luk公司CVT链条的第一代产品在奥迪Multitronic上诞生。进入2l世纪后，CVT发展更为迅猛。2004年，应用于美国市场福特CFT30。2007年5月，生产120万条Luk链条。新型CVT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CVT的电子控制技术，传动比的改变实行全档电子控制，汽车在下坡时可以一直根据车速控制发动机制动，而且在湿滑路面上能够平顺地增加速比来防止打滑【2-3】。2 CVT优势CVT，是人们长期梦寐以求的变速机构，它的应用具有十分重要的意义，已成为当今汽车界最热门的课题之一。CVT的发展势必对我国汽车工业的发展乃至整个国民经济的迅速腾飞有着举足轻重的意义 。2.1提高汽车性能2.1.1经济性 CVT可以在相当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,提高整车的燃油经济性。德国的大众公司在自己的GolfVR6轿车上分别安装了4-AT和CVT进行ECE市区循环和ECE郊区循环测试,证明CVT能够有效节约燃油。2.1.2 动力性汽车的后备功率决定了汽车的爬坡能力和加速能力。汽车的后备功率愈大,汽车的动力性愈好。由于CVT的无级变速特性,能够获得后备功率最大的传动比,所以CVT的动力性能明显优于机械变速器(MT)和自动变速器(AT)。2.1.3安全性CVT汽车驾驶员只要控制油门踏板和制动踏板，这不仅改善了驾驶员工作条件，减轻驾驶员劳动强度，而且简化操作，使汽车易于驾驶，大大提高了汽车安全性。2.1.4排放污染杂物无级变速的速比工作范围宽,能够使发动机以最佳工况工作,从而改善了燃烧过程,降低了废气的排放量。公司将自已生产的无级变速装车进行测试,其废气排放量比安装4-AT的汽车减少了大约10%。2.1.5舒适性在传统的MT汽车中，汽车的驶性能与驾驶员的驾驶技术有密切关系。然而CVT汽车起步和速比变化过程中不致于产生纵向冲击或抖动，消除了换挡过程中的顿挫感，即不存在MT和AMT汽车的换挡品质问题，提高了驾驶的平顺性，使汽车行驶过程中经常处于良好的性能状态，改善了驾驶员和乘员的双重舒适性，提高汽车的行驶性能。2.1.6可靠性和寿命CVT的可靠性和寿命主要取决于金属带传动工作组件和控制系统。据1993年资料表明, 在60万个CVT中, 出现故障的只有147个, 故障率为0.025%。可见, 该系统质量高、使用可靠。而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同寿命【4】。2.2 与汽车其他先进技术的完美结合CVT与混合动力技术结合，让发动机工作在最佳工况，达到低能耗、低污染和高度自动化。研究表明，采用CVT传动系统的混合动力汽车的油耗有减少30的潜能，排放有降低50的潜能【5-6】。CVT与行星齿轮机构连接，形成无限变速器。相对于CVT而言，IVT进一步扩展了速比的范围，在无需离合器的情况下实现倒挡运【7-8】。2.3 节约能源在近30年来，随着国际油价居高不下以及原油资源的耗竭，石油危机对油价的助推作用无时无刻不在影响着汽车消费者们的购车倾向，越来越多的汽车消费者将会选择经济型轿车。预计在2035年，世界石油资源将达到开采最高峰，届时开采量将逐年递减；此外，各国对环境保护的条例越来越严格，小排量、燃油经济性好的车辆将是未来家用的主流车型，而这类车型非常适合装配CVT，让发动机的效率达到最优。CVT汽车减少了汽车的有害尾气排放，对人类健康的维护，城市环境的保护，以及人与自然的可持续性发展，有着极为深远的意义。2.4 提升中国汽车行业的国际竞争力 建立CVT自主开发平台及其产业链，可以提高我国变速器科研水平以及国际竞争力。同时，汽车工业是我国的支柱产业，要快速发展我国的国民经济，就必须重视汽车工业正常而有序的发展。成功地开发出CVT，建立CVT产业链，可以使整个国家汽车变速器行业得到一个质的飞跃，促进汽车电子行业及汽车相关零部件行业的发展，提高汽车工业的整体技术含量，将有助于国内汽车工业迎头赶上，进而超越国外发达国家的汽车工业。此外，汽车行业的迅猛发展，势必会给社会带来更多的就业机会，减轻政府提供就业岗位的压力；还可以给国家带来更多的出口额，创造更为可观的税收收益，从而带动整个国家国民经济的飞速发展。3 汽车无级变速器的应用 在汽车无级变速器(CVT)应用方面，国内与国外车型存在的差距也正在逐渐缩小。如本田开发的Multimatics装备在飞度轿车上，其优点表现在变速柔顺、操纵稳定性好及节约能耗方面。此外，奥迪A6、A4、菲亚特派力奥、西耶耶、周末风、奇瑞旗云、风云、QQ、东方之子也有CVT可供选择。目前装备汽车的CVT大多数采用摩擦传动，其功率小、效率低，如V型橡胶带式、V型金属带式、多盘式、滚轮转盘式等，主要通过静摩擦力实现动力传递。从V型橡胶带无级变速器到现代的金属带式无级变速器在汽车上的实际应用，期间经历了一个世纪(18861987)。如今，金属带式无级变速器已经装备在欧美日等国家地区生产的中小排量汽车上。当前，世界各大汽车厂商为提高产品的竞争力都努力研发新一代的CVT(性能安全转矩容量更大)，这是由于伴随现代科学技术高度发展的背景支持和全球性的能源危机以及对环境保护压力所采取的措施。例如，美国福特和通用汽车公司为研制1.32.0L排量级的无级变速器也投入上亿美元的巨资。现在，全世界的CVT轿车年产量大约50万辆，其主要汽车品牌中，都有装备CVT的轿车在销售。汽车无级变速器无疑是当今汽车变速器发展的趋势。2006年上半年国内轿车产量为25963万辆，比上年同期增长403，在未来的1015年，中国汽车将会迎来全面发展的盛况。4 CVT的发展趋势由于采用CVT可以达到传动系与发动机工况的最好匹配，提高整车的燃油经济型和动力性，并可以提高操纵方便性和舒适性，有效地降低了排放污染，且综合性能优于AT、AMT系统。一些主要的汽车厂开始从液力机械自动变速器过渡到CVT系统，或者直接发展CVT系统，或两者兼有之。近几年来，随着高科技的发展及市场需要，CVT的机液式控制系统已逐步被电液式控制系统所取代，从而实现无级变速传动装置与发动机的灵活匹配，以满足多种控制模式的要求。对各种工况的控制策略也正在进行更加深入的研究，以使CVT的优越性更大限度的发挥出来。目前，CVT的电子控制又进一步向智能化方向发展，如对湿式离合器的结合采用模糊控制来改善汽车的起动性能等。同时无级变速器的结构也越来越小巧和紧凑，加上对前轮驱动的无级变速器进行结构上的修改，使其可用于后轮驱动的汽车上，进一步增强了CVT的应用范围。目前CVT正朝着以下几个方面发展：(1)结构方面。改进其液压系统，CVT结构更加小巧和紧凑，降低成本，提高汽车的总体性能，使其性价比进一步提高。(2)性能方面。通过CVT的总体控制，进一步降低其油耗，减少有害气体排放，提高其动力性及舒适性。(3)控制系统。通过不断改进，向滑移控制策略发展，实现更优良的性能；在控制方法方面，将先进的控制方法(例如PID控制、模糊控制、网络控制、自适应控制等理论)应用于CVT离合器控制、速比控制和夹紧力控制中，进一步优化控制策略，实现更为精确的控制。(4)应用领域。将CVT应用于混合动力汽车上；将CVT拓展为IVT；前轮驱动CVT逐步向后轮驱动CVT发展；CVT最大可传递扭矩在不断提高，因此CVT在大排量汽车上应用会更为广泛【9-10】。5 CVT在我国的发展前景我们国家有巨大的汽车销售市场，汽车工业是我国的民族工业之一。装备自行开发生产CVT变速器其成本提高不大，说明CVT的市场前景令人乐观。中国拥有世界上发展潜力最大的汽车市场，CVT技术在汽车发展史上具有变革意义。在我国生产这种变速器将是历史发展的必然趋势。金属带式无级变速器将是应用非常广泛的无级变速，所以攻克CVT的变速器传动机理和控制等关键技术对提高国产轿车的自主研发、缩短与发达国家的差距具有重要的现实意义。它将为我国汽车工业的繁荣发展以及促进其他相关工业的发展起到重要的作用，并能带来巨大的社会和经济效益。自CVT被列为国家科技攻关课题以来，已过去了12年，但还是没能实现产业化的目标。随着国内需求的不断增多，CVT国产化势在必行，意义重大。国内从事CVT研究的单位，不论目标是量产CVT的企业，还是从事相关理论研究的科研院所，都应该紧跟国际CVT的发展步伐，在引进吸收先进技术的同时，不断地开展创新工作，这样才能真正将CVT国产化、产业化。目前我国正在考虑发展轿车自动变速器的问题。自“九五”期间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，以跟踪世界技术的发展和开发适合我国国情的汽车【11】。参考文献：1 Dennis Simanaitis. 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