刘全军培训学校地址:汽车-悄然声息的变换 解读CVT无级变速器

[汽车之家 技术讲堂] CVT（Continuously Variable Transmission），连续可变变速器，或称无级变速器。我们对其应该不陌生，目前很多车型都装备了CVT变速器，平顺的驾驶使其备受好评。但物有两面，毫无激情的驾驶感觉和品质的质疑，也让CVT备受指责。今天的文章里面，我们就来了解一下CVT的结构，并分析它的优缺点。
CVT并不是什么先进的设计。相传最早是由大画家达?芬奇发明的。这种变速机构在纺织机、机床等工业机械上普遍使用，有很多种形式的设计。而且锥轮和皮带组合的CVT形式，从几十年前直至现在，一直出现在轻型摩托车上，并成了现代车用CVT变速器的主流形式。

不过用在汽车上的CVT要求零件稳定耐用，可以承担更大扭矩，廉价的摩托车配件肯定不行。于是诸如博世、采埃孚等汽车零件供应商，以及各汽车厂商自身，都在努力研发用于汽车的CVT变速器。在确定锥轮和皮带是目前最好的CVT形式之后，亟待解决的便是橡胶皮带耐用性差，传动效率不高等问题，于是金属链带诞生了。（博世公司对CVT的研发非常深刻，很多CVT方案都是博世设计的，不过博世公司并不批量出售变速器整体，只卖技术以及核心部件：金属链带，世界上大部分CVT变速器的链带都是博世提供的。）
结构分析
虽然CVT的锥轮和链带的形式与MT、AMT、DCT的齿轮组，以及AT的行星齿轮组大相径庭，但变速的原理是一样的。MT、DCT每个挡位都有一对相应的齿轮作用，其中低挡位为小直径的主动轮带动大直径从动轮，随挡位提升，主动轮变大，从动轮变小（AT虽然没有这种直观的变化，但齿轮作用原理一样如此），而CVT以两对锥轮组代替MT、DCT上复杂的齿轮组，根据扭矩和输出功率的变化，锥轮组也在按照预定的模式在电脑及其液压油缸的控制下相对变化：负荷大，需要大减速比时，主动锥轮组向两边分开，形成较小的工作圆，从动轮向中间挤压，工作圆较大；而负荷变小时，则反之。并以其中的链带作为动力传递。这样的运动形式，和其他变速器的变速原理完全一样，殊途同归而已。而根据动力需求制造出任意齿比的“挡位”，在速比变化时，没有了换挡的冲击，这便是无级变速的原理和意义。
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一个常规CVT变速箱的结构稍显复杂，但实际零部件数量，以及工艺水平并不比AT更高端。现代车用钢带式CVT其结构是这样的：一个与AT结构一样的液力变矩器、用以调节运转方向的单排行星齿轮（AT上则是多个多排行星齿轮组）及其离合器、以及“灵魂部件”CVT锥轮组和金属链带。这种设计让CVT变速器在个体上可以更紧凑一些。

目前车用CVT的变速元件基本上都是锥轮和钢带的形式，但前端部件则因不同厂商的设计理念，有着不同形式。例如大多数CVT匹配的动力缓冲部件都以带锁止离合器的液力变矩器为主，但奥迪的multitronic CVT则使用多片离合器代替变矩器。原因有二：1、发动机扭矩足够大，无需变矩器增矩，而且CVT不太注重扭矩的作用；2、多片离合器在效率上要高于液力变矩器。日产的最新的xtronic也有非同寻常一面，其行星齿轮增加一组离合器之后，可以实现2前进挡+1后退挡的工作形式，这样的话可以提高速比范围，让锥轮和钢带在稍微小一些的范围内，更高效的工作，而这样看来整个变速箱就相当于AT和CVT的组合。
动态分析
在这种区别下，变速器对发动机的动力需求也有了些许变化。通常有挡位的变速器，对扭矩这一数据的需求较多，在加速过程中，因为挡位的变化，发动机转速也在波动，并一次次向高转速的高功率区域冲刺，而扭矩的作用，就是让发动机更有力地从低功率冲向高功率，扭矩越大（尤其是低速扭矩），这一过程越短，我们强调扭矩对加速的影响是针对有挡位的变速器而言，并且挡位越少，这一效应越明显。

而CVT在加速的过程中对扭矩的要求则不是那么明显，驾驶者完全可以通过控制油门踏板的位置，让发动机达到某一转速（或最大功率转速），此时扭矩和功率的输出基本恒定，变化的只是锥轮组的变速比，以及车速。由于不需要发动机转速的波动，我们就可以精确的控制发动机在经济工况、既定加速工况、最大输出功率工况下工作，发动机也就会理想状态下全心全意地工作。这种模式是有挡位发动机无论如何也无法做到的，就算档位再多，也只能逐渐接近这种工况。所以，CVT从理论上讲是传递动力的最好方式，前提是CVT能够消除其致命弱点：“打滑”。

『链条传递方式在锥轮呈小圆时，传递效率要好于钢带，但接触面积较小』
“打滑”是CVT无法回避的现象，这种现象又归罪于其结构设计。其他形式的变速器在动力传递上，是以离合器和齿轮连接，虽然离合器之间是以摩擦力结合，但结合之牢固，可以将其视为刚性连接，就算是液力变矩器会有相对转速差，但其间仍有离合器可以相连，况且就算是因转速差而引起的“滑动”，这种“滑动”也可以产生“增矩”的作用，而非失速。而CVT变速器中，变速机构——锥轮和链带的链接的接触面积比较小，又是时刻变化的，与刚性连接相差甚远。虽然可以通过锥轮压紧来提升张力，增加摩擦力，但这仍然无法治本。

『钢带传递效率更高，不易打滑，但不能过度弯曲，不太适应半径大幅度变化』
当然，这一现状可以通过一系列技术来改善，例如博世的新式链带以“推动”的方式替代了传统链带“拉动”的动力传递效果，日产的两级变速结构使锥轮和钢带能在较为稳定和高效的范围工作，匹配了CVT的新骐达1.6T在加速方面也超过了竞争对手，甚至开发了可以适配3.5L发动机的CVT。所以随着研发的进程，CVT天生的缺陷在逐渐改观。

效率分析
针对前文对CVT的特点分析得出，CVT的动力传递会因“打滑”而降低效率，单从此处而言，CVT在油耗方面不会有什么好作为。但从发动机角度来看，因为CVT连续变速的特点，使发动机一直处于一种“舒服”的状态工作，这样看来，CVT还算是一个很理想的机械。综合起来就是，CVT的传动效率较低，但可以让发动机在经济转速下连续工作，达到节油的目的，前提是你不要过分要求它的性能，也就是说，尽量避免激烈驾驶和高速行驶。


仍以骐达举例，我们在轮上功率的环节中测出，装备CVT的骐达在效率上要落后装备AT的英朗不少，但性能相差不大，而且油耗方面骐达以微弱优势胜出，事实也证明了上面的理论。相关文章：《专治各种不服Ⅳ骐达1.6T挑战英朗XT》
综合分析
在本世纪初期，CVT还是个稀罕物的时候，这玩意确实不便宜，但在目前阶段，很多技术问题都逐渐解决，产能相对扩大，成本也大幅降低，一些用于小排量车型的CVT变速器的造价甚至低于人民币5000元，这样的价格足以对抗技术落后但成熟的4AT，所以很多国产车型都将CVT装车，并将其作为卖点，毕竟舒适性和燃油经济性要高出4AT一截。
但目前CVT的发展似乎到了一个“坎”，从结构上看，AT似乎是仍然是最合理的自动变速方式，而8速甚至更多挡位的设计，让其平顺性和经济性都趋于CVT。当然CVT仍有一大批拥趸者，例如日产，丰田反而在最近几年开始努力推广。所以在目前看来并不能过多的评论CVT的趋势，或者在不久的将来，两者会有“联姻”的可能。（文/汽车之家 任飞）