无级变速器的基本结构和变速原理

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）与手动变速器（MT）、自动变速器（AT）相比，综合动力性能更佳，能与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-zh

2、engAbstract: 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 mo

3、st 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; characte

4、ristic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，真正实现发动机变速器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，应用比较广泛，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，环盘滚轮式无级变速器IVT

5、这4大类。与有级变速器相比，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，可以获得传动系统与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。1.1 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，且变速比大于2时效率急剧下降

6、，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带组件，金属带组件由两组91

7、2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。9 1.3 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。与金属带式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，液压系统的油压也大，而摩擦盘式离合

8、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公司发明的车用无级变速器，其原理如图2所示。运动

9、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，CVT的主要结构和工作原理如图所示，该系统主要

10、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，与油缸靠近的一侧带轮可以在轴上滑动，另一侧则固定。可动盘与固定盘都是锥面结构，它们的锥面形成V型槽来与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。工作时通过主动轮与从动轮的可动盘作轴向移动来改变主动轮、从动轮锥面与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

11、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：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

12、够以更高的速度行驶。6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架，再传到与其相连的右支架，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

13、分和固定部分形成的V形槽与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、主减速器与差速器传递到车轮。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，内行星轮与太阳轮啮合，外行星轮与内齿圈啮合，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与前进时相同。 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

14、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形槽与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

15、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，即可实现变速器与发动机相匹配的无级变速传动。34 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

16、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控制的影响。下图9为CVT传动控制系统示意图。4图9 CVT传动控制系统示意图2.1 速比控制CVT的速比控制是实现实际速比精确跟随目标速比，即按照CVT传动系统的匹配策略，控制速比根据汽车行驶工矿的改变而实时变化，使汽车在任何工矿下行驶时，均能维持发动机工作在动力性模式或经济性模式下。汽车行驶时，驾驶员改变加速踏板位移大小会直接改变发动机的转速大小

17、，同时使工作在动力性模式或经济性模式下的目标速比也随之发生变化。这时，目标速比与实际速比便产生了一定的偏差，根据这个偏差值以及其变化率，速比控制其便通过产生控制量来执行控制任务，使实际速比尽快的跟踪到目标速比上。另外，在汽车行驶过程中突遇路面阻力，汽车加速度很快下降，目标速比须发生改变以保证发动机提供给汽车的牵引力与外界阻力相平衡，使发动机仍然维持工作在经济性模式或动力性模式下，这时，实际速比与目标速比产生了一定的偏差，根据这个偏差值以及其变化率，速比控制器通过产生控制量来控制执行机构，使实际速比尽快的逼近目标速比。如图10所示：图10 速比控制系统框图2.2 夹紧力控制夹紧力控制和速比控制是

18、相互耦合的，夹紧力的变化必然要引起速比的变化。而在实际控制中，控制价尽力并不考虑对其速比的影响。也就是说控制被动缸的压力时（夹紧力与被动缸压力有关），并不考虑它对主动缸的影响夹紧力控制是以CVT传递的转矩和它当前的速比为依据的，由于金属带的长度为一定值，金属带式CVT所能传递的最大转矩Tin与金属带目标夹紧力QDN和主动带轮节圆半径RDR之间的关系为：Tin=2uQDNRDR /cos a式中，RDR为主动带轮节圆半径（m），该值可由主动轴间距、传动带周长、即时传动比计算出；u 为金属块与带轮间的最大摩擦因数；a 为带轮锥形角，一般为11度。设Te为发动机的输出转矩，一般，CVT所能传递的最大

19、转矩Tin稍大于Te，以保证CVT能可靠地传递发动机转矩。因此，用储备系数k>I表示有:Tin - k*Te，于是金属带的目标夹紧力QDN为： QDN=kTe cos a /（2uRDR） 图11 夹紧力控制系统框图2.3 起步离合器控制无级变速传动系统中的起步离合器采用的是湿式多片离合器，目的是使汽车能以足够大的牵引力平顺的起步，提高驾驶舒适性，必要时切断动力传动。通过手动操纵阀来选择起步离合器或制动器。控制阀组控制离合器液压缸或制动器液压缸内的压力。与常规液力机械自动变速传动汽车起步控制策略不同，对于无级自动变速汽车，车辆起步时不仅液力变矩器发挥自动变扭调速的作用，金属带式无级变速传

20、动装置也将发挥作用。当车辆处于起步爬坡阶段时，充分利用液力变矩器低速增扭、通过性好的优点来实现车辆的快速平稳起步，此时带传动速比维持在最低档：当车辆处于低速行驶且液力变矩器速比大于联合工作输出最大功率所对应的速比时，通过改变带传动速比来调节液力变矩器速比，从而保证发动机与液力变矩器联合工作输出功率维持在最大值，使车辆获得最大的启动性能。不同油门开度下，维持发动机与液力变矩器联合工作输出功率最大时对应不同的液力变矩器速比。142.4 其它先进控制理论的应用为了追求更好的控制效果，得到更好的动力性、经济性和排放指标，一些新兴的、先进的控制理论被应用于汽车动力传动系的控制中，其中的代表就是模糊控制。

21、其控制结构如下图12所示：图12 模糊控制结构示意图 在汽车动力传动系中应用模糊控制主要有3个原因：（1）模糊控制能够很好地辨别汽车的运行工况和驾驶员的驾驶意图。（2）模糊控制是基于语义和规则的控制理论，应用与汽车动力传动系这样的强非线性系统 具有很好的抗干扰效果。（3）模糊控制具有很好的连接作用，可以将不同的控制算法结合起来，从而达到最优的控制效果16 金属带式CVT电液控制技术金属带式CVT早期的控制系统多采用机液控制方式，但机液控制系统结构复杂，对传动系统多种性能的匹配要求缺乏灵活性。随着技术的进步和对汽车性能要求的不断提高，当前无级变速传动系统的控制均采用电液控制方式。电液控制方式可以

22、使动力传动系统实现理想的工作状态，达到动力性、经济性和排放之间的最佳平衡。不同匹配策略的实现都是对无级变速器的主压力和速比控制来实现的。同时，采用电液控制方式还可以提高无级变速传动系统的效率，降低不必要的损失。2下图13为金属带式CVT的电液控制系统原理图。系统的油泵直接由发动机驱动，为整个系统提供液压油。系统的主压力由压力控制阀（比例溢流阀）调节，它直接作用在从动轮油缸内。在速比一定的条件下，主压力的大小决定了系统传递转矩的能力。变速器的速比由速比控制阀（位置伺服阀）调节。调节主动轮油缸内的压力，是通过金属带的约束与从动轮油缸内的压力达到新的平衡状态，从而改变主动轮的轴向位置来实现的。在控制

23、系统中，主、从动轮油缸压力PP ,PS由压力传感器测量,主、从动轮的转速nP， nS 由转速传感器测量，测量得到的信号通过A/D转换和驱动放大，变成可以驱动比例阀的控制电流，控制主、从动轮油缸的压力变化。A/D,D/A和控制器构成了数据采集和反馈控制的闭环控制回路，从而提高了系统的控制精度，发动机的转速nC和油门开度a 的信号通过传感器输入给控制器，通过相应的控制策略来保证CVT无滑移地运转。5 图13 电液控制系统原理图7 结论在最近的十几年中，CVT技术已经上千迈进了一大步，使得CVT比有着超过100年历史的机械变速器MT和有着超过50年历史的自动变速器AT更有竞争力。CVT技术正处于寿命周期的开始，CVT的特性将进一步提高，而我们中国也紧跟世界步伐，发展我们自主创新的无级变速器。金属带式无级变速传动器作为新兴的车用变速器，具有明显的技术优势和开发潜力。金属带式CVT传动技术正处在寿命周期的开始，所以更应充分发展无级变速综合控制系统中的电