电子技术让CVT的可靠性和扭矩传递能力更好(图)

牛人

变速器结构原理:当人们越来越重视汽车的燃油经济性和零部件的简单化设计时，许多汽车生产厂家又将他们的研究重点重新投入到了CVT（无级变速器）上，以期同时获得良好的燃油经济性和简单轻便的结构型式。
   近几年来，汽车新技术如雨后春笋般诞生着，每一项新技术都推动着来年汽车新结构的出现。不过，由于种种原因，这些新兴技术并没有得到充分的应用，CVT便是其中一个没有得到很好利用的技术发明。CVT在40年前首先应用于德国制造的极小型的DAF轿车，该变速器的优点得到过许多汽车技术人员的认可，但人们还只是在低速挡车中才将其看作为主流的变速器。
   但是，这种局面目前已经得到了很大的改观。福特公司在2004年夏推出的Five Hundred、Mercury Montego和Freestyle这三款新轿车中，都采用了CVT。而且，CVT还将应用于大批车辆上，这些车辆的发动机的输出扭矩高达346N·m。在其它汽车生产厂商已经开始生产CVT的同时，福特公司的这一举措无疑将是发展潜力巨大的CVT技术的一个重大突破。
   福特公司并不是唯一一家将CVT应用到大功率汽车上的生产厂家。在曰产公司生产的V形六缸发动机驱动的Murano轿车上，CVT是厂商提供给消费者的唯一变速器。本田公司则是继续生产Multitronic变速器，奥迪A4和Mini Cooper都可以选择安装CVT。另外，丰田公司的Prius和本田公司的Insight也都装配了CVT。
   当人们设想着将无级变速器与更大功率发动机相匹配并大规模地投入市场的时候，市场上就已经出现了一些其它的新型变速器，它们对推动传动技术的进步起着同样重要的作用。梅赛德斯公司正在生产一种新型的7速自动变速器，而奥迪公司生产的则是电子离合器、手动切换变速器。福特和通用公司正致力于开发一种能够互用的普通6速自动变速器，这种变速器将分别应用于这两个品牌的汽车上。变速器结构原理
在过去10多年中，微电子和信息技术突飞猛进的发展及其在传统工程领域的广泛应用，特别是它们在汽车产品中的深度应用，使许多人们长期以来所期望但一直没有实现的技术目标最终都变成了现实。车载电子控制部件、传感器技术和控制软件的应用，使得那些正在发展的技术得到长足的进步，从而为满足主流市场的需求做好了充分的技术储备。
   技术改进后的汽车变速器比传统的变速器在性能上有了很大的提高，其基本优势很长一段时间以来就得到了人们的认可。事实上，像汽车发动机这类内燃机，在其正常工作时，只有它的转速在一个相当狭窄的变化范围内时才会具有最好的效率。汽车上综合运用了各种各样的先进技术，也许你以为汽车之所以拥有如此优良的性能，完全是因为发动机能够满足从空转到满载时的所有要求，因此你也就从来不需要为你的发动机操心。单纯从机械角度来看，发动机确实能够提供足够的动力，但是从汽车燃油经济性、排放性能和可靠性等方面来看，发动机工作得就不那么尽如人意了。例如，要想同时达到最好的排放和燃油经济性，发动机工作时其转速的动态变化范围就不能超过1000 r/min。
   就结构复杂程度而言，新一代的CVT的零部件数量只有同类自动变速器的一半。对于机械产品，越简单的结构就意味着越低廉的成本和越优良的可靠性，因此从这个意义上来说，使用新一代的CVT是很有好处的。在CVT内，扭矩转换系统不是必要的，这一部分的取消对精简机构起到了主要作用。如果从大小尺寸上来衡量，一台CVT的大小和重量简直就跟一套标准的五速手动变速器差不多。很明显，变速器的重量减少一半将直接影响车辆的燃油经济性。

   在常规的变速器中一般有3或4个不同的齿轮传动比，这样就可以在发动机转速变化不大的情况下输出不同的转速给驱动轮，以保证满足不同车速的需要。然而这3到4个传动比是离散的，这就意味着发动机转速的变动范围必须要覆盖相当大的宽度，这样才能使不同齿轮对之间进行切换时车速能够连续平稳地变化。如果有更多的齿轮传动比可供我们使用，那么发动机的工作转速范围就可以缩小，我们就可以让发动机更长时间地工作在它效率最好的转速范围内，这是CVT设计的出发点。虽然汽车生产商们的要求总是在改变，但普遍的一点是：使用了那些技术改进后的变速器的车辆，其燃油经济性可以提高6%～10%——并且这不只限于CVT。还有更进一步的说法是：因为我们能够控制发动机的转速在一定范围内，如果这个转速范围正好可以使得汽缸内的温度比较低，那么这样一来我们就可以抑制氮氧化物的生成，从而降低氮氧化物的排放水平。
   6速和7速变速器的好处在于，它们可以传递像American V8轿车那样的大功率发动机所发出的巨大扭矩载荷。使用了新技术改进后的变速器，其齿轮传动比范围比老技术变速器要宽得多。一台典型的4速自动变速器的传动比跨度（即最大传动比与最小传动比的比值）在3.5:1～4.0:1之间，而福特公司的新型CVT的传动比跨度达到了6.0:1。这样一来，发动机转速不用发生太大的变化就可以适应更多的车速要求。变速器结构原理
传动比的跨度大又能带来什么好处呢？从新一代的梅赛德斯7速变速轿车这个例子上，我们可以很清楚地了解传动比跨度大所带来的好处。大多数轿车的超速挡传动比在15%～20%这个范围内，而这种型号的梅赛德斯轿车的变速器超速传动比达到了50%，也就是说，发动机每旋转1周，这种变速器将输出满满2周——这对于高速、轻载和平顺路面的行驶是很有好处的。欧洲汽油的价格超过了每加仑（1加仑＝4.55L）5美元，如此昂贵，你就很容易理解人们为什么那么关注燃油经济性了。也因为燃油经济性如此重要，所以拓宽传动比跨度让发动机工作在一个高效低油耗的转速范围也就显得意义重大了。
    当你把所有这些因素集中在一起——更好的燃油经济性、更低的排放、更少的零部件，即使不是在今天也总有一天会实现的更低廉的成本。既然CVT具有如此多的好处，那为什么它的实际应用也只不过是不久前才实现的事呢？对此我们可能会感到非常不解，其答案就是可靠性和传递扭矩的限制。最初的Van Dooren CVT使用的是和V型皮带有相同材质和结构的加固过的驱动皮带。最开始这些皮带的寿命只有2万英里（1英里＝1.61公里）左右，而车辆寿命的期望值为8～10万英里，显然这些皮带跟人们的理想差得太远了。即使大众Beetle发动机的寿命一度可以达到5万英里，仍不能满足人们的希望，不够好。
   更重要的是，CVT是没办法升级的。你不可能简单地制造出一种更大的皮带，并让它能够同时应用于一台6缸或8缸的发动机上。已经投入应用中的CVT都是安装在一些小型车上，这些小型车具有相应的小排量和小的扭矩传递。例如，通用公司把CVT用在1.5L到2.0L的发动机上，还有在Saturn'VUE和ION轿车上使用的2.2L的Ecotech发动机上。
   改进CVT的耐久性和扭矩传递能力的途径至少有两个。第一个途径是进一步提高变速器机械结构的集成性，这可以通过使用金属连接带和改进的润滑剂来达到。在如今的皮带系统内，皮带多工作在压缩状态，而不是张紧状态。这意味着事实上皮带是在推动驱动轮而不是在拉动它。
   这些新型皮带的发展要归功于计算机建模技术的广泛使用。一家叫做Abaqus的公司最近声称，本田公司是使用他们的软件来模拟皮带轮的硬度对皮带寿命的影响。以前，都是假定皮带轮是刚体，它们完全坚硬不会产生任何变形。但实际上当人们将真实的皮带轮材料特性编进程序时，则发现这些皮带轮上作用有一些弯曲应力，而这些应力在皮带上的反作用力可能会导致皮带错位。计算机仿真结果还表明，如果保证皮带轮足够坚硬从而防止皮带错位的话，那么皮带上的压力将减小7%。
   改善CVT的耐久性和扭矩传递能力的第二个途径叫做综合传动系统扭矩控制。无论什么样的变速器，当其负载有稳定状态载荷时，正是那些瞬间的超载或急变可能会给整个变速器造成危害。在通用公司的VTi电控CVT中，发动机和变速器之间的扭矩管理协调算法提供给变速器全面的输入扭矩保护。最近发表的一篇由通用公司的工程师撰写的SAE（美国汽车工程协会）论文中说到，这种软件可以保护皮带轮和皮带系统，使它们在循环的摇动和起伏变化中免受冲击载荷的破坏。扭矩管理协调算法在维持必要的皮带张紧力的前提下，通过综合控制输入速度和扭矩限制来发挥它对皮带系统的保护作用。工程师们巧妙地将输出扭矩管理策略，应用于牵引力失效或粗糙的路面输入所导致的汽车轮胎速度突然增加的时候，可以用来消除惯性扭矩对皮带的潜在危害。
   微电子技术的进一步应用，在于借助软件来控制CVT。在通用公司的应用方案中，模糊逻辑用来确定驾驶员的意图，在加速和稳定运转状态之间做出正确的判断。这就允许CVT在加速过程中，可以根据发动机不断增加的转速来提供一个相应的线性加速度，从而有效地工作。这样就可以避免早期的CVT中存在的一种称为低频寄生振荡（像摩托艇在水面上摆动）的现象。在这些设计方案中，发动机可以在皮带轮移进和移出的时候产生临时的加速或减速。整合节气门控制和传动比控制，可以提供更优越的巡航控制，并且不会导致过高的发动机转速，甚至在表面起伏很大的地形上也是如此。有一级制动逻辑能够提供速度控制并能加强巡航控制的操控性，这使得行驶的速度更加精确。
   在以上的两个例子中，我们无一例外的看到微电子技术在改进CVT中所起到的关键作用。可以说，正是这些微电子技术在变速器中的有效应用，才使得传统的车辆传动行业又呈现出新的活力和更广阔的发展空间。
   有些驾驶员发现，CVT有时还不能实现完全平顺的换挡动作，这不免让人产生一些不安的心理负担。对于像曰产、奥迪和宝马这些公司已经将“撞击工况”编入控制程序，因此驾驶员能够感觉到CVT正在正确地“切换”齿轮呢。
   从维修服务的角度来看，维修技师需要清楚地了解两件事：首先，给CVT加注的油液是各不相同的，也就是说，不同规格的CVT变速器都有自己的专用油液；另外，制造商推荐的CVT的维修保养时间间隔要比常规自动变速器的要短。你应该让你的客户知道，如果他希望能够享受到厂家为CVT提供的长久的保养年限，即担保的免费售后服务的话，他就必须严格按照推荐的时间间隔对CVT变速器进行保养。


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