无级变速器的现状和发展动向

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2024年1月13日发(作者：)

无级变速器的现状和发展动向

引言

近年来，无级变速器已广泛用于各类机械中。无级变速传动的研究越来越广，其种类形式越来越多，新开发出的各种类型已实现系列化生产。但是以往传统的机械式无级变速器主要是依靠摩擦传动来实现无级变速的，由于摩擦传动固有的缺陷，很难实现大功率传动。鉴于此，寻求一种摩擦小和效率高的无级变速传动已成为无级变速传动的主要研究方向。

装有无级变速器的轿车具有优异的燃料经济性和行驱性能，特别适宜与2L以下的小排量轿车。目前，世界上各大汽车公司都在加紧研制开发无级变速器，有关CVT的专利急速增加，无级变速器的发展潜力极大，是汽车技术的重要发展领域之一。

1 齿轮式无级变速传动的概念提出

现有的无级变速器，无论是基于摩擦、流体静力学、还是棘轮原理，均属于比较传统的变速器，具有一定的局限性，限制了其发展。当前，仍有人对摩擦无级变速器和棘轮无级变速器进行研究，但是这些努力都要通过昂贵的高技术材料和精密制造才能实现。所以，概念性创新是目前解决问题的唯一方法，从而齿轮式无级变速器走入人们的视野。齿轮式无级变速器是一种全新的设计思想，是利用齿轮传动实现高效率、大功率的无级变速传动。我们可对原有的饿无级变速器进行创新设计，将其主传动部分的原有摩擦式改为齿轮啮合式，在减小摩擦损耗的同时大大提高传动的效率，克服了摩擦式效率低、易打滑、寿命短、易磨损等缺点。如果这想法能实现，将使无级变速器的各项性能更加完善，更大程度地满足无级变速器的需要；尤其是对无级变速器应用最多的汽车行业，将有显著革新效果；将为新型机械式无级变速器产品的进一步开发打下良好的基础。

在一般的车用变速器中，有手动和自动变速器，它们均是由齿数比不同的几组齿轮副构成。在车辆行驶过程中，按照车速与负荷变化使用变速档，这时发动机与车速关系是由齿轮副的齿轮比来决定的，但不一定能有效保证发动机功率输出和最优燃油经济性。因此，通常增加变速档，但同时也受到齿轮箱构造、质量、成本诸方面的限制。而无级变速器则能够使发动机与车速获得相应的连续变化，从而确保最大限度利用发动机特性，使车辆的动力性与发动机的燃油经济性获得最优匹配。这就是无级变速器的显著特点。

2 无级变速器的类型及其应用现状

车用无级变速器已公布于世的有多种，从工作机构来分，则有牵引传动式和

链传动式两大类型。前者是利用传动部件的接触进行动力传递；后者是利用传动带、传动链和可变槽宽的棘轮进行动力传递。

牵引驱动式无级变速器具有多种型式，而以TROYDAL型式的无级变速器最引人注目。牵引驱动式无级变速器已有很长的历史，早在本世纪30年代，美国通用汽车公司分别推出了称为托利克（Toric）、奥斯丁海狮（Austin-Hayes）的牵引驱动式无级变速器。80年代后期，利兰技术公司研制开发了普布利型圆环式无级变速器。这种无级变速器在与输出功率为60kw的发动机相匹配的驱动装置的试验车辆上，以平均行驶工况测算，可以提高燃油经济性15%～20%。

80年代中期，日本精工公司在“东京国际汽车展”中展出了半Troydal型式的无级变速器，这种类型的变速器具有优异的过渡响应性，可以连续进行正向运

转和反向运转，因此，可以取消起步离合器及前后档切换机构。但是，另一反面却要求具有相当大的动力传递接触压力，要求高精度的转动接触面和刚性，又要求使用专业机油，还有质量重等缺点，至今未投入批量生产。

传动带形式的无级变速器在轻型摩托车上有广泛应用，其基本原理是：v型传动带与槽宽可变的棘轮相连接，槽宽要变化，则相应改变驱动侧与从动侧的传动带的接触半径，以进行变速。传动带是一般采用v型橡胶带、金属链及金属带。

使用v型橡胶带的无级变速器实例有荷兰达夫（DAF）公司开发的Variomatic无级变速器。Variomatic无级变速器在驱动系中要求特殊布置，控制方法简单，但为了能使用橡胶传动带，尚须解决使用可靠性等问题。美国大依柯（Dayco）和凯特（Gate）二分公司为改进v型橡胶带，提高其负荷容量和装置的可靠性，作了多相研究。其中大依柯公司的v型带是有橡胶与合成纤维模压制成，可以提高拉伸强度，并在v型带周围开设齿形，以保持传动带纵向弯曲性能和横向刚度；同时，在齿形部分横向加入合成纤维，有助于提高刚度。凯特公司则在梯形金属外壳接合凯布拉纤维，以形成合成纤维与橡胶的压模构造。金属外壳承受棘轮的压紧力，凯布拉纤维则承受拉伸负荷，表面的橡胶则起到高摩擦系数的作用。这两家公司公布了样车试验数据，但尚未实用化。

在链传动无级变速器中，德国的AWR（Antried Werner Reimers）公司及美国鲍格瓦纳（Bory Warner）公司的产品应用最广，这是在一般汽车传动系中使用的金属链的基础上经过改进制成的。PIV公司的链传动无级变速器采用棘轮压紧连接链隔片的环销方式，依靠环销与棘轮的摩擦力进行动力传递。鲍格瓦纳公司的传动链，如图1所示，采用了由梯形负荷壳板支撑棘轮夹紧负荷的构造。由于传动链隔片间距受到限制，棘轮的最小接触半径大于胶带传动链的半径；此外，还存在环销磨损大、传动链伸长及噪声等技术上的问题。

荷兰的范道尔纳公司（Van Doorne）开发了如图2所示的金属传动带。传动带是由隔片和钢片单元构成，既能保持动力传递的作用，又能保持动力传递的平滑性，而且结构紧凑，能承受大的动力传递负荷。由于采用了隔片叠合构造，传动带棘轮的最小接触半径约为30mm，与链传动相比具有质量轻、高速运行和低噪声等优点。日本富士重工公司、欧洲福特及意大利菲亚特等汽车公司获得范道尔纳公司的许可，研制开发了实用化的无级变速器，相继投入市场。

富士重工与1987年2月推出装有范道尔纳专利的CVT的轿车，这种取名为斯巴罗ECVT的无级变速器装用在排量为997mL和544mL发动机两种微型轿车上。它是由起步磁粉离合器和同手动变速器类似的前后档切换用同步啮合器构成，外形紧凑。该无级变速器输入、输出棘轮的传动比可连续变化（2.503～0.497），低速与高速的传动比为5.036，与手动变速器一样，设有第1和第5传动比。其控制系统是由电子式离合器控制油压式无级变速器控制两种方式组合的复合式控制系统。由于采用了电磁离合器，在起步及停车时具有良好的离合器操纵感。在稳定车速运转时，可在接近最佳燃油消耗的区域中使用。

除了在发动机上的安装部位不同外，福特和菲亚特两车所用的无级变速器都相同，它们是由福特、菲亚特和范道尔纳公司共同开发的。棘轮的传动比为2.60～0.445，最大扭矩为132Nm，适用与排量1100mL～1600mL发动机。它是由起步离合器、前进档和后退档两组湿式多板离合器构成，该控制系统比ECVT稍复杂，由10个基本控制阀构成。

无级变速器还可另外分为三大类：以电控调速装置调速的电磁式无级变速器、以液压调速装置调速的液压式无级变速器和以机械调速装置调速的机械式无级变速器。

液压调速装置虽有调速范围大、传动效率较高等优点，但其制造精度要求高、价格较贵、滑动率较大、运转时容易发生泄漏。电控调速装置虽有结构简单、成本低、操作维护方便的特点，但其效率低、发热严重、不适合长期负荷运转。与上述两种相比，机械式无级变速器虽有调速范围大、调速方式多、能实现恒扭矩工作、传动效率高、适应性强、且结构简单、价格低廉、传动比稳定、工作可靠、维修方便等特点，但其应用范围也不宜独占无级变速市场。

机械式无级变速器按基本结构和工作原理分为摩擦式和非摩擦式。由于摩擦式机械无级变速器是利用主、从动件在摩擦处产生的摩擦力进行传动，并通过改变接触处的工作半径实现无级变速，因此，通常存在着传动效率低、易打滑、寿命短、易损坏等缺点。非摩擦式机械无级变速器则可避免这些问题，应成为开发的重点。

3 齿轮式无级变速传动的优胜

摩擦式无级变速传动种类繁多、各有千秋、但是摩擦传动有其难以克服的缺

陷，发展前途是有限的。若能利用齿轮传动原理实现的无级变速传动才是完美方案。齿轮式无级变速传动是利用齿轮传动原理实现效率高、大功率无级变速传动。这里有一种设计思想值得注意，那就是“不完整齿轮的接力传动方案”。由于这种齿轮是不完整的，不完整齿轮的传动半径可以连续变化，传动转速和扭矩也随之连续变化，这种无级变速传动可以达到恒功率、高效率、大功率。

齿轮式无级变速器的优胜预估为：a、传动功率大，200kw的传动功率是容易达到的。B、传动效率高与90%是容易达到的。c、结构简单，降低成本，相当于自动变速箱的1/5～1/10。d、对汽车而言，提高传动效率，可节油20%。因此，减少了油对环境的污染。

4 齿轮式无级变速传动实现的几种途径

目前，研究人员都在尝试设计齿轮啮合式无级变速传动。市场上出现的有P

系列齿轮式无级变速器、齿轮式汽车自动无级变速器、齿轮式传动无级变速器、万能的齿轮无级变速器、钢球齿轮无级变速器、活齿无级变速器等。下面重点介绍几种途径。

〔1〕 钢球齿轮无级变速器是由一个内接触钢球无级变速器和一个差动轮

系组成，此变速器有两条转速输入路线（一条由变速器输入，一条由动力经齿轮直接输入），仅差动轮系合成后输出，变速器功率大、能满足大变速比的要求，适用与机床、纺纱机、车间空调等要求连续变速的机器。

〔2〕活齿无级变速器的主动轮和从动轮都是两个一组的圆锥形金属盘组成（圆锥形金属盘上面有用与改变活齿啮合单元体半径的轨道槽）、8个一组的活齿单元，通过在轨道槽里的同步径向移动，改变主动轮和从动轮的传动半径比。每个活齿单元有两组活齿（每组活齿由28片金属片组成），当主动轮转动时，由于离心力的作用，金属片组成的活齿同步凸起，形成了“凸起状齿轮”。金属传动带由片状金属块通过金属环联接（金属带上有等距离凸齿），当金属传动带上的凸齿插入活齿单元时，就形成榫状啮合。

〔3〕齿轮式无级变速传动的实现方法有：a、采用行星齿轮传动。利用行星齿轮质量小、体积小、传动比大、效率高等特点，通过改变系杆的长度，解决好运动之间的关系，可以实现无级变速传动，变速比范围也可增大。b、采用柔性齿轮传动。利用重叠式齿轮构成可变点柔性齿轮，也可实现无级变速传动。

5 无级变速器的发展动向

现在，世界上许多汽车公司和变速器制造公司都在致力于无级变速器的改进

和实用化研究，无级变速器的研究动向是：

〔1〕硬件方面：集中研究传动带——棘轮型式的无级变速器，其中范道尔纳型式的金属传动带占主流地位，也是今后重要的发展方向；

〔2〕软件方面：采用电子控制以使变速工况多样化，由于改善过渡响应特性，进一步提高了车辆操纵性和行驶性；

〔3〕驱动系统综合控制：车用无级变速器不仅要改善本身的性能，而且应该考虑与发动机相匹配，从而实现动力装置的综合控制。通过发动机与无级变速器的综合控制，能够使车辆的动力性、燃油经济性和废气排放这些很难兼顾的、甚至是相互对立的性能达到优化处理，从而显著提高车辆综合性能，因此，驱动系统综合控制也是无级变速器的研究方向。

最初摩擦传动无级变速器的介质采用橡胶皮带。它的缺点是受力有限，容易打滑，因此只能用在一些摩托车和微型车上。现在由于制造工艺技术的改良，也应用于中型汽车了。金属带无级变速器的优点很多，如：变速没有冲击，不用交换啮合齿轮，在一定范围内克服了传送带打滑的问题。奥迪在1999年底正式推出Multitronic，除了以油冷式多片离合器代替扭力转换器以减少动力损耗以外，还有两方面的改进，包括采用金属片链和宽齿比的滑轮组。这条金属片链由1025块金属片和75对串针组成，最大可以承受300Nm的峰值扭力。除此以外，福特和通用也投入上亿美圆巨资研制了从1.3～2.0L汽车发动机所配用的无级变速器。

荷兰生产无级变速器的著名厂家VDT公司，目前按照发动机排量主要有以下类型：采用电磁离合器作为起动装置，机械—液压传动或电控—液压传动系统，以外啮合齿轮泵作为液压源，适用于发动机排量1.3L以下的小型轿车；采用湿式多片离合器作为起动装置，机械—液压传动，动力传送采用金属链条，适用于发动机排量1.8L以下的中型轿车；还有采用新型金属链条，液力变矩器与无级变速器结合，全电子控制，适用于3.0L以下较大排量的豪华轿车。

世界最大的变速器制造企业德国ZF公司也采用VDT技术，生产用于1.5～2.5L中排量轿车的无级变速器系列。CFT系列，适用于前轮驱动发动机横置的轿车；CTT系列，适用于前轮驱动发动机纵置的轿车；CRT系列，适用于后轮

驱动发动机纵置的轿车。根据荷兰VDT公司介绍，现在新的设计和技术已经解决了无级变速器过去存在的主要问题，因损坏而出现的故障发生率只要2.5‰，比例很低。

6 结束语

无级变速器是值得研究和探索的领域，优良的无级变速方式可以大大改善现有传动装置的性能、节约能源、保护生态环境。

本文认为齿轮式无级变速器这种全新的设计思想，是利用齿轮传动实现高效率、大功率的无级变速传动，由于它有多种优点，可能成为无级变速器研究和发展的主要方向。

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