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1、无级变速器的基本结构和变速原理沈林江，胥家政摘要：无级变速技术是目前汽车传动系统中的前沿技术，无级变速器（CVT）和手动变速器（MT）、自 动变速器（AT）相比，综合动力性能更佳，能和发动机形成理想的动力匹配，因此，无级变速汽车是当今 发展的主要趋势之一。无级变速器中最为重要的一项是电液控制技术，直接影响到汽车变速品质、经济性 以及动力性。速比控制、夹紧力控制和起步离合器的控制是无级变速控制系统的关键。关键词：无级变速；结构；原理；特点Basic structure and Variable speed principle of the CVTShen lin-jiang , Xu jia-z
2、hengAbstract: Continuously variable transmission technology is currently in the forefront of automotive technology,continuously variable transmission （CVT） with manual transmission（MT）,automatic transmission（AT）,an integrated vechicle is the development of the car one of the main trend. CVT is the m
3、ost important one is the electro-hydraulic control technology.Car speed directly affects the quality and economy, and dynamic.However ratio control, clamping force control and control is the key to starting clutch CVT control system.Key word: Infinitely variable speeds; structure; principle; charact
4、eristic引言汽车无级变速器能实现传动比连续变化，在更大范围内控制发动机的工作点，真正实现 发动机一变速器一道路载荷的最佳匹配，所以一直以来是汽车制造商和用户追求的理想变速 器。无级变速器按作用方式的不同和传动形式的差异，可分为机械式、电气式、液压式三大 类。其中机械式无级变速器恒功率特性较好，有较高的传动效率，使用比较广泛，金属带式 无级变速器就是典型的一种机械式摩擦无级变速器。由于金属带式无极变速器最为普遍，所 以本文主要研究金属带式无级变速器的基本结构和变速原理。1汽车无级变速器的类型和特点无级变速器可分为:液力变矩器,摆销链式无级变速器CVT，金属带式无级变速器CVT， 环盘滚轮式
5、无级变速器IVT这4大类。和有级变速器相比，它的优点明显：（1）提高燃油 经济性和排放性能。无级变速器在相当宽的范围内实现无级变速，可以获得传动系统和发动 机工况的最佳匹配状态，提高整车的燃油经济性，降低排放。（2）提高动力性能。无级变速器能够获得较大的传动比，其动力性能明显优于机械变速器和自动变速器。(3)改善驾驶舒 适性能。因速比连续变化，可使换挡平滑，实现了手动变速器的快速反应和自动变速器舒适 的双优点。采用金属链条传递动力，解决了老式无级变速器“橡胶效应”和“离合器打滑” 等问题。11液力变矩器液力变矩器是较早用于汽车传动的无级变速器，成功地用于高档汽车的传动中。由于传 动效率低，且变
6、速比大于2时效率急剧下降，经常仅在有级(23档)变速器的两档中间实 现无级变速，因此未能推广开来，目前经常作为起步离合器在汽车传动中使用。1.2金属带式无级变速器金属带式无级变速器是荷兰VDT公司的工程师Van Doorne发明的，用金属带代替了 胶带，大幅度提高了传动的效率、可靠性、功率和寿命，经过3040年的研究，开发已经成 熟，并在汽车传动领域占有重要的地位。目前金属带式无级变速器的全球总产量已经达到 250万辆/年，三年内将达到400万辆/年，发展速度很快。金属带式无级变速器主要是由起步离合器、行星齿轮机构、无级变速机构、控制系统和 中间减速机构构成。金属带式无级变速器的核心元件是金属
7、带组件，金属带组件由两组912 层的钢环组合350400片左右的摩擦片组成。在传动时，主、从动两对锥盘夹持金属带，靠 摩擦力传递运动和转矩。主、从动边的动锥盘的轴向移动，使金属带径向工作半径发生无级 变化，从而实现传动比的无级变化，即无级变速。91.3摆销链式无级变速器摆销链式无级变速器是由德国LUK公司将摆销链用于Audi汽车传动的成功范例。和金属带式CVT不同的是，它将无级变速部分放到低速级，即最后一级。其原因是链传动的 多边形效应在高速级时会产生更大的振动、噪声和动态应力。所以在其最新的结构中，加装 了导链板以减少振动和噪声。但是由于在低速级传动中，要求传递的转矩大，轴向的夹持压 力就大
8、，液压系统的油压也大，而摩擦盘式离合器所要求的油压又不高，这样，液压系统的 油压就比较复杂。由此看来，如果能进一步降低或者消除多边形效应，将会进一步提高此类 传动的水平，简化整机设计，降低成本。用两组摩擦盘式离合器和行星转换装置组成前进和倒档离合器，同时又满足起步离合器 的功能要求，是很成功地设计。目前许多公司用液力变矩器作为起步离合器，简化了液压电 控系统，但增加了液力变矩器。而这样的两组摩擦盘式离合器加行星转换装置，在实现前进 和倒档离合器的功能时又显得累赘。其传动简图如图1所示图1 Multitronic的传动简图1.4环盘滚轮式无级变速器环盘滚轮式无级变速器是英国Torotrak公司发
9、明的车用无级变速器，其原理如图2所示。运动和动力由输入盘靠摩擦力传给滚轮，滚轮将运动和动力靠摩擦力传给输出盘。当滚轮在 垂直于纸面的轴向转动时，滚轮和两个环盘的接触点连续变化，输入盘和输出盘接触点（工作点）的回转半径连续变化，实现无级变速传动。13图2环盘滚轮式无级变速器原理图2金属带式无级变速器的基本结构图3金属带式CVT的主要结构跟工作原理简图1-发动机飞轮；2-离合器及行星齿轮；3-主动轮油缸；4-主动轮可动部分；4a-主动轮固定部 分；5-油缸；6-从动轮油缸；7-从动轮可动部分；7a-从动轮固定部分；8-中间减速器；9-主 减速器和差速器；10-金属带CVT的主要结构如上图所示，CV
10、T的主要结构和工作原理如图所示，该系统主要包括主 动轮组、从动轮组、金属带和液压泵等基本部件。金属带由两束金属环和几百个金属片构成。 主动轮组和从动轮组都由可动盘和固定盘组成，和油缸靠近的一侧带轮可以在轴上滑动，另 一侧则固定。可动盘和固定盘都是锥面结构，它们的锥面形成V型槽来和V型金属传动带啮 合。发动机输出轴输出的动力首先传递到CVT的主动轮，然后通过V型传动带传递到从动轮， 最后经减速器、差速器传递给车轮来驱动汽车。工作时通过主动轮和从动轮的可动盘作轴向 移动来改变主动轮、从动轮锥面和V型传动带啮合的工作半径，从而改变传动比。可动盘的 轴向移动量是由驾驶者根据需要通过控制系统自动调节主动
11、轮、从动轮液压泵油缸压力来实 现的。由于主动轮和从动轮的工作半径可以实现连续调节，从而实现了无级自动变速。12金属带是一种非常精密的组件,金属片和每一层钢环的加工制造都有严格的精度和性能 要求。钢环组由一种高强度的马氏体时效钢制成，相邻两圈配合要求很高，否者将产生大的 载荷不均，影响带的寿命。因此，金属带组件的制造有很高的技术含量。其结构示意图如图 4所示：1图4金属带组件图及局部放大图1 金属片；2钢环。3金属带式无级变速的工作原理如图5所示，汽车开始起步时，主动轮的工作半径较小，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使汽车获得较高的加速度。随着车速的增加，主动轮的工
12、作半径逐渐减小，从动轮的工作半径相应增大，CVT的传动比下降，汽车能够以更高的速度 行驶。可动锥盘K动轮主动轮固定锥盘312轴向力轴间力 可动推盘(b)图5金属带式无级变速器传动变速原理(a)传动原理图；(b)变速原理图在金属带式无级变速器的液压系统中，从动油缸的作用是控制金属带的张紧力，以保证 来自发动机的动力高效、可靠的传递。主动油缸控制主动锥轮的位置沿轴向移动，在主动轮 组金属带沿V型槽移动，由于金属带的长度不变，在从动轮组上金属带沿V型槽向相反的 方向变化。金属带在主动轮组和从动轮组上的回转半径发生变化，实现速比的连续变化。前进时，前进挡离合器接合，倒档离合器松开。动力从输入轴传到行星
13、架，再传到和其 相连的右支架，经前进挡离合器传至太阳轮，通过太阳轮带动主动带轮，再由V形金属传 动带将动力传递到从动工作带轮，带轮的可动部分和固定部分形成的V形槽和V形金属带 啮合。在工作中，当主、从动工作带轮的可动部分在油缸内液压力作用下做轴向移动时，连 续改变了金属传动带的工作半径，从而改变了传动比。最后动力经中间减速器、主减速器和 差速器传递到车轮。倒档时，前进挡离合器松开，倒档制动器接合。行星轮机构的内齿圈被固定，内行星轮 和太阳轮啮合，外行星轮和内齿圈啮合，经这一双行星轮机构，传递到太阳轮的力矩方向发 生改变，后面的力矩传递路线和前进时相同。金属带式无级变速器主要是通过改变两个工作带
14、轮和金属带之间的接触半径来实现速 比的连续变化。其变速过程如图6所示：图6无极变速器的工作原理1输入轴；2主动轮固定部分；3主动轮可动部分；4主动轮液压工作缸；5被 动轮固定部分；6被动轮可动部分；7输出轴；8被动轮液压工作缸如上图所示，两个V形轮（主、被动轮）都分为两部分：一部分（如2、5）为固定， 另一部分（如3、6）可在轴上沿轴向移动，两部分形成的V形槽和V形金属带相啮合。工 作时，假设主动轮工作半径为Rp ,被动轮工作半径为Rs,则传动比为：i=Rp/Rs，其中， Rp为从动轮半径，Rs为主动轮半径。主、被动轮的可动部分3、6在液压缸内液压力作用下，轴向移动，从而主动轮工作半径Rp和被
15、动轮工作半径Rs随之改变，传动比改变，达到了变速的目的。可动带轮的轴向移动量可以通过液压控制系统分别调整，其中，i=f (Fp, Fs)其中：i传动比Fp主动轮液压缸压力Fs被动轮液压缸压力Fs决定金属传动带的张紧力，当i不变时，Fp保持不变。只要根据汽车行驶工况及发 动机工况要求实时控制Fp和Fs,即可实现变速器和发动机相匹配的无级变速传动。 4金属带式CVT控制技术的分类及发展单压力回路控制，早期的CVT单压力回路系统控制原理如图7所示。该系统差不多全 部保留了机-液控制系统的特点。双压力回路控制，如图8。双压力回路电子液压控制系统能够很好地解决单压力回路电 子液压控制系统存在的诸多缺点。8图7单压力回路原理图1、2-比例阀3-速比控制阀4-主动轮液压缸遇M36舎过詁也主越張压事富动机戚埔瀝乐址L.I IZT捱#倉密菇歧制圍城H ,if禺痔書建调叵闽扰輩力桂附闽址比征制训乔方向推制间图8双压力回路原理图5金属带式CVT传动的控制技术金属带式CVT的控制主要分为三种：速比控制、夹紧力控制、起步离合器控制。三者 之间的控制过程是相互耦合的。在金属带式CVT的实时控制过程中，对速比控制时，需要 考虑夹紧力控制的影响，而设计夹紧力控制时，则可以不考虑速比控制。由于起步离合器的 控制相对独立，故不考虑其对速比和夹紧力
