汽车变速器的现状和发展方向-----兼论变径齿轮无级变速器

liu

在硝烟弥漫的汽车大战中,汽车厂家纷纷推出自动变速车和无级变速车。
由于有了内燃机，汽车才得以诞生。然而，内燃机的动力特性表现为低转速时功率小、扭矩低、耗油大。而大功率、高扭矩、低油耗的理想工作状态要在中高转速范围内才能实现。内燃机的这种动力特性曲线与汽车对动力特性的要求并不一致，甚至背离。汽车起步时的速度为零，为了尽快提速，需要有最大的动力和最大的扭矩。而为了提供最大的动力和最大的扭矩，内燃机必须在中高速的理想工作状态下工作。内燃机的特性和汽车的要求产生了矛盾。为了使汽车顺利起步，必须要减变速，于是变速器(Transmission)出现了。
汽车行驶的速度是不断变化的，这就要求汽车的变速器的变速比要尽量多，这就要求是无级变速(Continuously Variable Transmission简称“CVT”) 。
所以，汽车刚刚诞生，汽车设计师们就把V型橡胶带（三角胶带）无级变速箱装在汽车上。然而V型橡胶带无级变速箱受效率低、寿命短、功率小等问题的困扰，一直没有在汽车上得到实际的应用，取而代之的是齿轮变速箱。
传统齿轮变速箱以不同的齿轮搭配组成几个固定的变速比。用几个固定的变速比（档位）当然无法满足内燃机转速与各种汽车行驶速度变化之间的匹配。唯一的办法是不断的改变内燃机的转速以适应车速的变化。结果是使内燃机脱离了最佳工作区域，动力下降，油耗增加，污染增加。
尽管传统的齿轮变速箱并不理想，但其以结构简单、效率高、功率大三大显著优点依然占领着汽车变速箱的主流地位。这种状态一直延续到现在。
但是,人们始终没有放弃寻找实现理想汽车变速器的努力,各大汽车厂商对无级变速器(CVT)表现了极大的热情，极度重视CVT在汽车领域的实用化进程。这是世界范围尚未根本解决的难题，也是汽车变速器的研究的终极目标。
围绕汽车变速箱五个研究方向，各国汽车变速器专家展开了激烈的角逐。
1．    摩擦传动CVT
1886年，德国Daimlar—Benz公司生产的汽油机汽车上装备了V型橡胶带无级变速箱。这是汽车CVT的雏形。
100年后1987年,H.Van Doorne博士才研制成功了实用的汽车金属带式无级变速箱(简称“VDT-CVT”)。这个古老的CVT传动方式得以再显风光并非是传动原理上的突破，而是随着材料科学的进步和加工工艺的进步，解决了传动材料的摩擦系数和抗压强度及抗拉强度这对难以兼容的矛盾。现在，金属带式无级变速箱(VDT-CVT)的传动功率已能达到轿车的实用要求，装备金属带式无级变速箱的轿车已达100多万辆。据最新消息：大排量6缸内燃机（2.8L）的奥迪A6轿车上装备上的金属带式无级变速箱Multitronic CVT ，能传动142kw（193bhp）功率，280Nm扭矩。这是真正意义的无级变速器。
这种CVT最典型的代表就是保时捷的CVTip(CVT+Tiptronic)和奥迪的Multitronic系统。Multitronic是奥迪为2.8L的A 6设计的。
                  
附图一：VDT-CVT结构示意                        附图二：奥迪A6使用的钢带
另一种摩擦传动CVT(名为Extroid CVT)是滚轮转盘式。日产把它装在概念车XVL上首次于去年东京车展展示，新款公爵(Cedric)车也装用这种CVT。可与3L以上排量的大马力内燃机(XVL的引擎输出为330Nm/194kw)搭配使用，这是汽车变速箱发展史上又一重要进步。
  
附图三：滚轮转盘式CVT原理图
滚轮转盘式CVT是利用两个对置的内凹锥形转盘和一对滚轮组合而成，一个内凹锥形转盘连接内燃机而另一个内凹锥形转盘连接车轮。连续改变滚轮的角度，就可以连续改变传动转速比和传动扭矩比。
从V 形橡胶带CVT到V型金属带CVT再到滚轮转盘式CVT，摩擦传动CVT的研究已持续了整整一个世纪，尽管摩擦传动无级变速器的发展已经达到很高的水平，也已经装备上汽车达到了实用的水平。但齿轮变速箱依然占据着半壁河山，这至少说明了四个问题：
（1）无级变速是汽车变速箱始终追逐的目标。
从原始的橡胶带无级变速箱开始，到有级的齿轮变速箱过渡，再到现代的金属链无级变速箱、滚轮转盘式CVT，百年大回转说明只有无级变速箱才是汽车最理想的变速箱。
（2）摩擦传动CVT实现大功率的无级变速传动是极为困难的。
为产生足够的静摩擦力，避免打滑烧毁，对传动带的压力要非常大。只有研究出能够承受极高屈服强度的金属，才能制造出传输大功率的摩擦传动无级变速箱。这是大功率摩擦传动无级变速箱迟迟不能问世的主要原因。从20KW发展到142KW用了整整一个世纪的时间，要想再大幅度地提高摩擦传动的传动功率那是极为困难的。
（3）摩擦传动CVT传动效率低是必然的。
在如此大的压力下摩擦传动必然要消耗较多的功率，这是不可避免的。无法克服。摩擦传动无级变速箱汽车的油耗高说明了这一点。
2．    液力自动变速器
液力自动变速器(Automatic Transmission简称“AT”) 已有60多年的历史，美国自动变速车比例超半。
人们经常把液力自动变速器（AT）和无级变速器（CVT）两个概念混为一谈。实际上这两种变速器工作原理完全不同。
这种被称为AT的自动变速器，主要利用液力变扭器配合差动轮系齿轮箱实现换挡功能。传动过程中，液力变扭器中液体分子在高压，高速运动中有相当大的相对运动，造成明显的发热和功率损失。所以，传动效率低（一般小于80%），油耗高是液力自动变速器不可克服的缺点。而且液力变扭器对加工精度要求极高，制造工艺复杂，增加了成本。液力自动变速器比手动变速箱要贵4040马克（约2000美元或约16000元人民币）。
2.电磁传动。
这种混合动力汽车的动力系配有内燃机、发电机、蓄电池、电动机。优点是当汽车在交岔路口等待时或下坡时利用内燃机无效工作时向蓄电池充电。虽然发电，充电都要损失能量，但总比空转时不利用要好。当汽车需要较大功率时，蓄电池可以带动电动机与内燃机共同提供动力，比如起步时或上坡时。但由于目前蓄电池的容量有限，自重又大，使用寿命有限，目前只能装备在微型车辆上。
3．    电控机械式自动变速器。
电控机械式自动变速器(Automated Mechanical Transmission简称“AMT”)和液力自动变速器（AT）一样，不是无级变速器，是有级变速器的自动控制。和液力自动变速器（AT）不同的是：(AMT)是模仿人的动作，自动控制传统的排档变速箱。由于传动结构依然是齿转变速箱，所以传动效率高、传动功率大、结构简单等优点被很好的保存下来。其设计上的难点在于自动控制的参量太多，最困难的是离合器“离和合”中间过程的控制（所谓的半离挂）。虽然世界上许多国家投入了对电控机械式自动变速器(AMT)的研究与开发，这是事倍功半的事，就算搞成了，也还是有级变速，也不能满足汽车的要求。也还是过渡产品。
5．变径齿轮无级变速器。
变径齿轮无级变速器(Varied Diameter Gear type Continuously Variable Transmission简称 “VDG-CVT ”)是一种全新的设计思想，目的是利用齿轮传动原理实现效率高、大功率无级变速传动。
传统的传动原理认为：齿轮的齿数只能是正整数，无论齿数如何变化，传动比永远等于齿数比，传动比是分数，不是任意数。不可能形成连续的曲线。所以齿轮不能实现无级变速。
当许多汽车厂商投巨资研究前四种汽车变速器时，当许多学者还在对自动变速箱的许多性能进行探讨时，一些敢于冲破传统理论束缚的设计师们正尝试着利用齿轮传动原理实现无级变速。他们认为：只有利用齿轮传动原理实现的无级变速才是汽车变速箱的完美结局。
一种“变径齿轮无级变速装置” (Varied Diameter Gear type Continuously Variable Transmission简称 “VDG-CVT ” )已经试制成功，并已经进行了多次样机试验。“变径齿轮无级变速装置”结构相当简单。
   
附图四：变径齿轮无级变速装置原理性样机      附图五：变径齿轮无级变速装置结构性样机
最大速比:4                              最大速比:4
输入转速750转/分                        输入转速1500转/分
外径240mm                              外径220mm
                                                               
附图五：变径齿轮无级变速装置优化结构样机      附图六：变径齿轮无级变速装置优化结构样机
外径168mm  最大速比:2.2                      外径220mm  最大速比:2.2
输入转速1500转/分                            输入转速：1500转/分
功率：4.33 KW/1500rpm                        功率：2.2KW/1500rpm
最大扭矩：23.5Nm                                最大扭矩：12.5Nm  
   
附图六：输入转速恒定时 变径齿轮无级变速箱不同的输出转速         
“变径齿轮无级变速装置” “VDG-CVT ”成功地解决了齿轮传动从有级向无级的飞跃，这是对传统传动理论的成功挑战，走在了无级变速器研究开发的最前沿。
变径齿轮无级变速器的优势表现为：
（1）传动功率大，100KW以上的传动功率应是很容易达到的；
（2）传动效率高，90%以上的传动效率应是很容易达到的；
（3）结构简单，大幅度的降低了生产成本；
（4）对汽车而言，提高传动效率，节油20%；
（5）发动机在理想状态下工作，燃料燃烧完全，排放干净，极大的减少了对环境的污染。
变径齿轮无级变速器虽然还未达到工业生产的水平，但给彷徨了100年的汽车无级变速器带来了新的希望。一道天堑已经飞跃，一个禁区已经突破，一个机械传动上的哥德巴赫猜想已被破解。

wazh_x

很详细，谢谢楼主分享。正找这个呢！！:loveliness: