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50张图表,6000字,看懂CVT变速箱

原标题:50张图表,6000字,看懂CVT变速箱

有些汽车基础知识的朋友都知道,燃油汽车要行驶,就需要将发动机产生的动力传递到车轮上,最后通过轮胎与地面摩擦,形成将车向前推动的力。而在这条动力传输链上必须有一个部件来改变传动比,扩大驱动轮转矩和转速。这个部件就是「变速箱」。

变速箱的作用和尴尬

那么「变速箱」到底要解决什么问题?

1. 在启动时,将发动机的动力放大,拖动汽车移动并帮助汽车提速;

2. 在行驶时,调整动力的输出频段,使得发动机保持在相对高效的「转速区段」输出动力;

3. 在倒车时,实现动力方向的改变;

4. 在紧急制动或下长坡时,配合刹车起到减速作用等。

除了钟表,变速箱是将「齿轮机构」的发挥到极致的机械部件

「变速箱」可以算是发动机的一个「外挂」,所以,它自身就带来几个问题:

1. 占用了发动机舱的空间;

2. 其本身的质量,加重了整车重量,提高了油耗;

3. 作为机械装置(部分电动),带来能量的损耗等。

「变速箱」这货有多重,你搬过就知道了,图为奔腾B50的手排一枚

故此,变速箱成了大部分汽车(燃油和混动)必要而「累赘」的一个部件。百年来,无数工程师为此挠破头皮,就是为了让这个「累赘」能:

1. 更小:更精密的设计;

2. 更轻:减少部件或使用更轻的材料;

3. 更高效:从结构到细节的调整。

两类主流变速箱的形态

为了这个目的,在多少「诸葛亮」和「臭皮匠」的共同努力下,「变数箱」一代又一代的演化至今,目前我们常见的「变速箱」形态被固化成主流的两类:

1. 通过「齿轮」来传动的「齿轮式」;

2. 通过「摩擦」来传动的「链带式」。

按传动原理分

通过上表我们不难发现长久以来「齿轮式」变速箱一直是「变速」主流方式(预计到2020年仍占86%的市场份额)。其工作原理是利用齿轮之间的啮合切换,来调整输入和输出动力的齿轮比例。 由于「齿轮式」变速箱不是本文的重点,大家看下表初步了解即可:

「齿轮式」变速箱分类(简述)

「齿轮式」变速箱备受工程师们青睐的原因在于,无论是直齿、斜齿、或是锥齿和行星齿轮,其优点显而易见:

1. 可以承受更大的扭矩;

2. 啮合后带来更高的传动效率,传动损失少;

3. 「齿轮」啮合后稳定性更强等。

但是,「齿轮式」变速箱也并非『一招鲜吃遍天』的设计,其缺点也很明显:

1. 「齿轮」啮合中存在机械敲击,对「齿轮」有损耗;

2. 「档位数」有限,无法照顾到每一时刻的发动机状态;

3. 换挡时,会出现顿挫,无论间隔多短,必然存在等。

当我们在维修奔腾B50时发现部分齿轮已磨损

虽然工程师们为这些「先天性」的缺点费尽心机(比如AT和DCT变速箱,已经将顿挫感降到了最低),但结构性问题就是「不能解决」的大问题。于是,工程师们翻出了「陈年老账」:

采用一根链带来和两个锥轮,依靠两者之间的「摩擦」来实现速比变化和动力传输。这也就是我们今天的主角——CVT无级变速箱(Continuously Variable Transmission)

初步认识CVT及其分类

CVT变速箱基本结构(全览)

CVT(continuously variable transmission),直接翻译就是连续可变传动,也就是我们常说的「无级变速箱」,顾名思义就是没有明确具体的挡位,操作上类似自动变速器,但是速比的变化却不同于自动变速器的「跳挡」过程,而是连续的,因此动力传输持续而顺畅。

按「传动」形式的CVT分类

CVT变速箱的分类方式有很多,而我比较认同的是:『根据「传动」形式的分类』,如上图所示。由于「传动」的形式不同,像「环形CVT」和「E-CVT」两类CVT变速箱,与「带式CVT」在结构上存在着极大的差异。所以,我们只能逐个来讲述其中的原理。

「带式CVT」:最常见的「传统CVT」

「带式CVT」基本工作原理(动图简版)

「带式CVT」作为最常见的CVT结构,通常我称其为『传统CVT变速箱』,其核心部件是由「滑轮机构」和「传动带」组成。

「带式CVT」基本工作原理(简图)

「滑轮机构」的「锥形盘」成V形结构,「锥形盘」可在液压的推力作用下收紧或张开,挤压「传动带」以此来调节V形槽的宽度。当「锥形盘」向内侧移动收紧时,「传动带」在「锥形盘」的挤压下向圆心以外的方向(离心方向)运动,相反会向圆心以内运动。这样,「传动带」带动的圆盘直径增大,传动比也就发生了变化。

「带式CVT」的「滑轮控制」机构

汽车开始起步时,「主动滑轮」的工作半径较小,变速器可以获得较大的传动比,从而保证驱动桥能够有足够的扭矩来保证汽车有较高的加速度。随着车速的增加,「主动滑轮」的工作半径逐渐增大,「从动滑轮」的工作半径相应减小,CVT的传动比下降,使得汽车能够以更高的速度行驶。

虽然都是「传动带」,但是制造材质和工艺的不同,造成了其工作原理也略有不同。所以,我们又要分开来一个一个研究。

「皮带」:低扭矩,很好用

「V形橡胶皮带」的基本结构

以最简单的「皮带」为例,其优点比起钢质的「传动带」更加轻,但却不能承受高扭矩,在目前汽车扭矩普遍超过200N·m的情况下,「皮带」也只能退居低扭矩的摩托车产品。

「可变直径皮带轮」的基本工作原理

「钢链」:不错的选择

而「钢链」和「钢带」两类「带式CVT」就非常有意思了,虽然两者都是以钢为材料,但是两种「传送带」的传动原理却大相径庭。

「钢链」的基本结构

「钢链」是由2个圆弧曲面的「销子」组成销子组, 并通过「链节」固定组成「钢链」最基本的一个单位,2个「链节」之间的弯曲通过「销子」两配合曲面的滚动来完成 。

「销子」侧面和「轮锥面」摩擦传递动力

而「钢链」的传动是靠「销子」侧面和「轮锥面」摩擦传递动力,通过一侧链条 的「拉力」来传递扭矩。「钢链」的「销子」和「链节」之间没有相对滑动,2个链节之间的弯曲通过「销子」两配合曲面的滚动来完成,所以在链条寿命和传动效率有一定的优势。

目前通用采用的不等长的销子组「钢链」

然而「钢链」结构也不是没有瑕疵,由于「链节」决定了「钢链」的使用寿命和能够承受的最大扭矩,当「链节」变形或损坏时,变速箱就会发生打滑或损毁的可能。此外,在「钢链」高速转动时,摩擦传递动力会产生震动,并发出噪音。

「钢带」:高扭矩,高内耗

「钢带」的基本结构(3D)

以适用QR019的「钢带」为例,该「钢带」是由400片左右金属「推片」和多组「钢环」组成,每个「推片」的厚度为 1.4mm左右,单侧「钢环组」由厚度为0.2mm左右的12或9片「钢环」组成。

「钢带」运动轨迹示意图

「钢带」动力传递分为 2个阶段:起初扭矩是通过「钢环」内侧和「推片」接触面之间的摩擦力来传递的,动力通过一侧「钢带」的拉力来传递扭矩。随着扭矩的逐渐增加,「钢环」内侧和「推片」之间发生打滑,使得另外一侧「推片」被挤压,增加部分的扭矩开始通过钢带「推片」之间的推力来传递。在实际工作中,「钢带」的大部分扭矩传递都是通过「推片」之间相互挤压来传递的,所以这种「钢带」也被叫做「推力带」。

「钢带」运动时,「推片」间间隙分布示意图

从上图中,我们发现「钢带」在运动时,在主从动带轮两侧的「推片组」,其中一侧受力,另一侧不受力,这样将使得「推片」之间的间隙存在于不受力的一侧「钢带」,而在不受力的「推片」继续运行进入带轮并过渡到「钢带」的另一侧时,「推片」之间的间隙将消失,这将导致「推片」和「带轮」之间产生相对滑动。

「钢带」的基本结构(详细)

此外,「钢带」的几大结构缺点:

1.「钢环」和「推片」鞍面及钢环内部相对滑动产生的功率损耗;

2. 工作中「推片」之间产生间隙而导致「钢片」和「带轮」间产生的功率损耗;

3. 带轮锥盘变形导致「钢带」在其中运行产生的功率损耗。

博世Single Loopset Pushbelt

不过通过对「推片组」结构的优化,「钢带」传递高扭矩的优点成为了其普及的原因,此后,我会来详解博世的「推片结构优化」 。

「带式CVT」的简单对比

「带式CVT」简单对比

通过对三类「带式CVT」的简单讲解,相信大家已经有了一个初步概念,从传输扭矩大小的角度排序为「钢链」>「钢带」>「皮带」。

虽然「带式CVT」具备结构简单,无级变速的优点,可是看到这里,你也可以看出其弱点就在于「传动带」。若「传动带」受损整台变速箱就彻底瘫痪了。那么我们是否能有一种『即利用无级变速原理,又能不用「传动带」的方法呢?』 于是我们的「环形CVT」 闪亮登场。

「环形CVT」:机构复杂,很少见到

「环形CVT」由「输入盘」(横截面为弧槽)、「动力滚子」(半球形)和「输出盘」(形状同输入盘)等组成基本的核心机构。

「环形CVT」的基本结构(简版)

动力「滚子」夹在「输入盘」和「输出盘」之间,在中心轴两侧呈对称布置,同步工作,它们通过润滑油与「输入输出盘」的圆弧表面接触。通过改变「滚子」的角度可以改变「滚子」与「输入输出盘」的接触半径,从而实现速比变化。

「环形CVT」的基本工作原理(动图简版)

但当我们追溯「环形CVT」的历史时,我们会发现,其实「环形CVT」早在19世纪(1886年)便有人申请了专利,但直到现在,真正搭载「环形CVT」的车型却少之又少,最为出名的就是日产Skyline 350 GT-8。这是为什么呢?

Nissan Extroid CVT(日产环形CVT)

我认为迟迟未有得到推广的原因有三:

1. 受限于传输扭矩的上限仍然不及「齿轮式」变速箱;

2. 对「滚子」控制逻辑和系统的研发难度远远超过了「带式CVT」;

3. 制造和维护「滚子」系统的成本降不下来,无法满足主机厂利益和市场需求。

据说是达芬奇绘制的CVT变速器的手稿

不过,我相信优秀的结构并不会被岁月而磨灭,就好像「带式CVT结构」早在达芬奇时代就被勾勒出来,而在19世纪才被应用一样,「环形CVT」或许会在多年之后,在其他领域发光发热。

「E-CVT」:最不像CVT的CVT

如果说「环形CVT」已经跳出了『传统CVT』的架构,那最后我们来聊聊这『最不像CVT 的「E-CVT」』(这里我们聊的是丰田的E-CVT,而非属于「带式CVT」的斯巴鲁「ECVT」(电子式无段变速自排系统))。为什么这样说呢,我们从「E-CVT」的结构上就可以看出了。

「E-CVT」的构成

丰田普锐斯(2代)E-CVT拆解(部分)

「E-CVT」顾名思义,其官方全称为「电子控制电磁离合式无级变速器」,所以「E-CVT」一般由2个调速「电机」,一组「行星齿轮」和「离合器」组成。当你看到「E-CVT」的拆解图后,是否有一种感觉『怎么看起来像带了电机的差速器』。不错,就是这样一个看似结构简单的变速器,却达到了CVT的效果。

「E-CVT」的连接

丰田普锐斯(2代)E-CVT基本结构图

要搞懂「E-CVT」的工作原理,我们还是要将其变速的逻辑关系先理清楚,「E-CVT」的一个关键部件就是「行星齿轮组」,当我们研究「行星齿轮组」机构时,最重要就是要搞清『动力从哪来,到哪里去,整个流程是什么样』,所以,首先我们来看看「电机」、发动机、和「行星齿轮组」之间的联系。

E-CVT部件连接示意图

E-CVT部件连接示意图(简化)

在这样的连接方式下,各个部件开始发挥自己的作用:

发动机的动力可以通过「行星齿轮盘」分配给车轮和1号电机;

1号电机可以发电来提供给2号电机或给电池组充电;

2号电机可以直接驱动车轮或给电池组充电。

看到这里,我们会想到一点:这些部件的运作需要被控制!而作为E-CVT的最复杂最关键的部件,用来控制动力传输的「PCU」(动力控制单元)自然进入了我们的实现。容我简单地『百度』下:

本田PCU动力控制单元(Power Control Unit)

PCU 动力控制单元(Power Control Unit)作为混动汽车必不可少的一个部件,里面包含了「电压变换器」和「逆变器」,可以调节电池组输出的电压。比如向电机供电必须使用高电压(600V左右),而电池组的电压由于尺寸的限制最多达到200V左右,故变压器必不可少。而逆变器的作用则是使直流变交流或者反之,因为高压交流电机具有体积小、效率高、功率大的优点,而电池组发出的是直流电,故在电机和电池组之间必然需要一个逆变器。(源自网络)

「E-CVT」的工作原理

在了解「E-CVT」的基本构成和连接方式后,接下来就是见证『奇迹』的时刻,我们一起来看看在不同工况下「E-CVT」是如何工作的:

丰田普锐斯E-CVT基本工作原理(动图)

发出启动指令后,电池提供1号电机动力,启动(正转)并带动发动机启动。

发动机启动后怠速运转,汽油机带动「行星齿轮盘」正向旋转。由于车轮(连接着外齿圈)未转动,「行星齿轮盘」(连接着发动机)的正向旋转会通过「行星齿轮」带动「太阳齿轮」(连接着1号电机)正向旋转。「1号电机」不再接收电池组输电,反而变成发电机,发出交流电,经PCU里的逆变器和电压变换器变成低压直流电并给电池组充电。 总之,怠速时,发动机的功率全部用来为电池组充电。

发出起步信号后,少量电力带动「2号电机」,「2号电机」带动车轮(连接着外齿圈)开始正向转动,车子缓慢前进。当你稍微用力踩下油门踏板时,「2号电机」获得更多的电力,车辆就会加速前进。

随着「2号电机」的转速增加,「1号电机」的转速也会急速增加,而当「1号电机」即将达到上限时,此刻发动机启动主动介入动力输出。通常情况下,起步时踩油门的力度越大,汽油机介入的时间就越早。

当达到一定速度后,如果继续缓慢加速,此时「2号电机」继续为主要的动力来源,发动机继续在低转速区间运作,这与起步阶段的动力供给情况类似,只是「2号电机」的工作功率会更大。

急加速时,即是「火力全开模式」,发动机转速提升进入高效动力输出模式,带动「1号电机」加速提供「2号电机」动力,同时通过「行星齿轮」与「2号电机」共同将强劲动力同时输送到「外齿圈」带动车轮高速运转。

在高速巡航时,「2号电机」反转供电给「1号电机」,而在变速箱内,「太阳齿轮」反转使得「行星齿轮」的动力大部分传递到「外齿圈」,从而推动车辆巡航。在这阶段主要由发动机推动汽车。

减速时,发动机关闭,「1号电机」空转。「2号电机」由车轮带动变成发电机吸收车轮的减速能量,同时为电池组充电。

倒车的过程也比较简单,正好与刚起步的情况相似,电池组为「2号电机」供电,「2号电机」带动车轮,「外齿圈」在离合器的作用下反转运作,完成倒车。

E-CVT齿轮组在不同工况下的状态

最后,还要重申一下,E-CVT的工作原理,看似不是那么的复杂,但其关键技术就是在PCU,面对不同路况和工况,PCU都需要正确地在瞬间做出判断并给到每个部件相应的指令。就E-CVT的工作原理和设计而言,可以算是集万千精华于一身,但我们也知道,一旦系统大部分以电子器件为主,事情就复杂起来了,而且发生了故障就很难靠更换部件来解决问题,只能靠换了。

暂别

CVT营销名与车厂对应(部分)

本文篇幅虽然很长,却是探究CVT变速箱的第一步,我耗费了大量时间搜索国外的资料,力求用最简单的语句和最直观的图片让大家初步认识CVT的基本原理,虽然文章还有许多瑕疵和漏洞,请大家见谅~~(部分内容和图片源自网络,鸣谢原创者)

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你的车是什么变速箱?你知道不?说说用车感受吧,5月20日教授会抽一条优质留言送车享背包一个。返回搜狐,查看更多

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