无级变速器的发展历史、研究现状和展望

无级变速器的发展历史、研究现状和展望ZHENGYI1(海南大学机电工程学院机械系，海口市，570228)摘要:说明了无级变速器的原理及组成，分析了其结构;介绍了国内外汽车用机械无级变速器的研究现状及发展趋势。关键词：无级变速器；发展历史；研究现状；展望中图分类号：XXXXXThedevelopmenthistoryofCVTAnditsResearchSituationandandProspectsPengfeiZheng1(HAINANUNIVERSITY,HAIKOU,570228)Abstract：IllustratesthetheoryandcompositionofCVTandanalyseitsstructure.Introducethe

developmenthistoryofCVTAnditsResearchSituationandandProspectsKeywords：CVT;;Developmenthistory;ResearchSituationand;Prospects0引言无级变速器是汽车理想的传动系统，自汽车诞生以来，它一直是人们追求的目标。无级变速传动(ContinuosuslyVariableTransmission,简称CVT)具有普通有级变速传动无法相比的优点，它可以控制汽车发动机始终运行在最佳目标运行区，显著提高汽车的经济性，改善汽车的动力性，既可减少汽车的换挡冲击，也可减轻驾驶员的劳动强度。基金项目：基金项目规范全称(编号)收稿日期：xxxx-xx-xx1无级变速器1.1无级变速器的组成CVT采用V形承推钢带,由安装在挠性马氏体时效钢圈上的多片楔形钢片构成。CVT的主要结构和工作原理如图1、2所示。动力从主动轮输入，经过V形钢带，由从动轮输出。带轮由可以相对滑动的两部分构成,钢带位于这两部分间的凹槽内。当带轮两部分靠紧时，凹槽较窄，金属带位于带轮外缘,此时带轮的工作直径最大。随着这两部分间的相对滑动,凹槽越来越宽，钢带逐渐靠近带轮中心，即工作直径最小的地方。汽车刚刚起动、车速较低时，主动轮工作直径较小,变速器可得到较大的传动比，使汽车获得足够动力克服行驶阻力。随着车速的升高，主动轮工作直径逐渐增大，从动轮工作直径越来越小，变速比也相应减小。由于带轮工作直径可连续变化，因此这种变速器的传动比是无级、连续变化的，传递动力更平稳,其动力性和燃油经济性远远高于行星齿轮式自动变速器。CVT采用液压控制方式控制带轮两部分之间的相对滑移,滑移量的大小(即传动比的数值)取决于节气门开度和变速器输出轴转速的综合作用。(ft)低速传动 (b)高速佑动S1CVTI作原理图2钢带结构1.2无级变速器的基本原理目前，广泛应用于轿车的自动变速器是将液力变矩器和行星齿轮系统组合使用，这种组合方式的传动比不连续,自动变速器只能在若干段范围内实现无级变速；其次，为增加变速器挡数，扩大传动比的变化范围，必须采用多个执行元件(离合器或制动器)控制行星齿轮系统的动力传递路线，造成自动变速器零件数量过多及结构复杂，发生故障的可能性增加，并给保养和维修带来不便。除此之外，由于液力传动效率较低,不能使自动变速器百分之百发挥效率,影响汽车的总体工作性能。为此，许多汽车制造厂开始研究新的自动变速技术,CVT就是其中最有发展前景的一种。CVT的突出特点是不使用液力变矩器,而采用传动带和工作直径可变的带轮与普通齿轮式变速器配合传递动力。由于它一般不采用行星齿轮系统，因此也称为非行星齿轮自动变速器。CVT变速动力系统输出的动力传到金属带式无级变速传动装置的主动锥轮，通过V形金属带将动力传输到从动锥轮，之后经减速器与差速器传递到车轮（见图1）。带传动装置是其核心部分，主要由主动锥轮、从动锥轮以及V形金属带组成。其主、从动轮均为组合结构，由活动锥轮和固定锥轮组成。主动锥轮的活动锥轮和固定锥轮形成的V形槽与V形金属带啮合，实现动力传递。在工作中，当主、从动锥轮的活动锥轮沿轴向移动时,可改变金属带在主、从动锥轮上的工作半径，从而改变无级变速器的传动比。活动锥轮的移动量是根据汽车变速的要求,通过调节作用在主、从动锥轮油缸内的液压压力来实现的。由于液压压力的调节是连续变化的,所以可实现无级变速传动。2无级变速器的发展历史2.1国外无级变速器的发展历史1958年.荷兰达夫（OAF）公司开发出的橡胶带式CVT后经多次改进，沃尔沃公司将该橡胶带式CVT装于1.4L发动机排的沃尔沃343汽车上，但存在普橡胶带的可靠性和寿命等问题鱼待解决。直到1987年日本富士重工公司、欧洲福特公司、菲亚特公司使用荷兰VDT（粕nDoornesTransmissie）公司金属带式CVT才突破了原来技术障碍而获得飞速发展。第一代无级变速器（CVT）。采用液压机械控制.CVT传递扭矩为,25Nm,金属钢带宽度为24mmo第二代无级变速器采用液力变矩器、电子控制,CVT传递扭矩提高到250Nm,金属钢带宽度可为3Omm。大多数CVT都采用液力变矩器.在起动时,其传递扭矩放大能力和传递平顺性可提供最佳的性能。为了改善其传动效率,当车速达到一定值后.锁止离合器使液力变矩器锁止.锁止离合器接合来降低损耗目前最新型的无级变速器将传递扭矩提高到350Nm。改进金属钢带，增加其功率密度、优化了起动策略、增加扭矩过载保护装皿、优化了液压系统、速比范围增加、提高变速机械和液压系统效率、降低钢带和带轮夹紧力，从而提高了整个CVT的效率，减少了体积和成本。下一代的无级变速器与现有CVT相比，采用了带弧面的带轮（原主动带轮和从动带轮两侧为锥面）可进一步减少CVT变速器的尺寸，减小金属钢带的扭曲t（Misalignment）;运用新的侧滑控制和自优化控制策略;液压系统和泵进一步优化;缩小中心距;采用多片式离合器代替液力变矩器，使CVT变速器体积和成本进一步降低。博世公周开发的P07OCVT博世公司CVT无级变速器业务部（VOT）隶属于汽油机系统。博世公司VOT部主要进行CVT研发一全新概念开发、整机系统的联合开发、给客户CVT技术和专利的授权、软件和匹配标定。博世主要生产金属钢带。从1985年起开始生产金属钢带;200,年金属钢带年产超过100万根;到2007年金属钢带累计产达到,1000万根（到2007年5月）.年产超过200万根;2008年启动第二个生产基地;到2011年市场上金属钢带累计数达2000万根,2015年总的年产达到500万根。2007年博世金属钢带年销量达到250万根，占全球金属钢带年销t5o%。博世公司金属钢带产地在荷兰蒂尔堡,2008年第二个生产基地放在越南胡志明市。博世公司2007年开发的PO70无级变速器，采用了侧滑和自优化控制策略，改良了钢带和主、从动带轮锥盘接触面-采用曲面带轮，提高了CVT输出扭矩到140Nm,缩小了中心距，减少了起动功率（最优化的油泵和液压系统）,采用多片离合器式代替液力变矩器，降低了系统成本，提高了耐久性和功率密度（更高的扭矩），进一步减小了变速器重和长度，进一步降低油耗。博世公周策七代金月钥带博世公司第七代金属钢带有24mm金属推片宽度，柔性环9层可传递功率可达110kw;30mm金属推片宽度和9层柔性环可传递功率180kw;30mm金属推片宽度和12层柔性环可传递功率达200kw。第七代金属钢带提高了动力性能（更高传递功率和扭矩）、降低成本（柔性层减少和钢带进一步缩小）、降低燃油消耗（更大速比范围和更好的钢带效率）、缩小中心距减少变速器尺寸、可完全与前几代钢带兼容、进一步提高了耐久性和可靠性。同样的柔性带的应力，第七代金属钢带耐久性提高不少。在同样耐久性情况下，第7代金属钢带应力提高不少。CVT第7代金属钢带，其传递功率在相同金属推片宽度情况下，传递相同扭矩而柔性环数可由12层减为9层。同样的传递扭矩（350Nm）、同样的金属推片宽度，采用第7代金属钢带其柔性环层数由第6代金属钢带12层减为第7代10层。2.2国内无级变速器的发展历史我国一贯重视无级变速器的开发,2004年中国汽车工业协会和中国齿轮协会就国内自动变速器的研发方向达成了共识:优先发展AMT和CVT,适时发展OCT,适当生产AT。2007年9月，国家发改委、财政部、商务部发布（鼓励进口技术和产品目录》中,自动变速器被列为鼓励发展的重点行业，享受进口贴息优惠政策，解决进口中企业融资难的问题。2007年12月.国家发改委在《产业结构调整指导目录（2007年文本）》征求意见稿中将无级变速器等几种自动变速器类列为汽车零部件关键技术开发制造。我国湖南江麓容大车辆传动有限公司年产2万台国产CVT总装生产线巳建成，正式投产,这是国内自主开发的CVT,巳攻克CVT主要技术难关，具备了产业化的条件。目前处于试生产阶段，年底将有批量产品下线,主要用于力帆、众泰等自主品牌经济型轿车。该公司定位于8万元人民币以下经济型轿车市场，生产适合中低端市场的高性价比产品。洛阳联合变速器有限责任公司成立于2007年5月。该公司拥有自主知识产权.开发生产乘用车用金属钢带式无级变速器。2002年1月我国第一台拥有自主知识产权的CVT样机试车成功,2003年9月和2004年3月，通过国家汽车质量监督检验中心（襄樊）20万km路试和台架试验。2加3年10月,该公司CVT通过河南省科技厅组织鉴定。该公司产业化进程获得国家发改委、省、市的高度重视和支持，国家资助300万元人民币，洛阳市准备资持3000万元人民币入股。该公司CVT项目分两个阶段,第一阶段年产5万台CVT工程巳于2007年7月19日开工建设,该工程总投资2.3亿元人民币，预计2008年年底投产;第二阶段年产30万台,总投资15亿元，预计2010年建成投产。该公司巳经形成013、018、023三个系列5个品种产品，主导产品018型CVT最大输入扭矩18ONm,适用于1.5L~2.OL轿车车型，采用博世金属钢带，巳完成哈飞赛豹、奇瑞风云、力帆520等多项自主品牌车型匹配工作,得到多家整车厂认可,2005年11月匹配完成哈飞赛豹，在海南汽车试验场进行717000km可靠性强化试验。2006年9月与哈飞签订了供货合同。该公司拥有国家发明专利6项,实用新型专利17项。在国内两家CVT准备投产的同时,日本捷特科（Jatco）于2加7年投资46亿日元（约合4.2亿元人民币）在广州建立CVT生产企业，年产,4万台CVT,预计2009年初投产，计划实现70%本土化率，主要向东风日产轩逸、新天籁、奇骏等车型提供CVT。比利时邦奇（Puneh）在南京建立CVT生产企业，计划年产10万台，预计2008年年底或2009年初投产,它的客户主要是国内应用CVT的汽车制造企业。目前国内安装金属钢带式CVT的汽车见下表。随着采用CVT的配套车型不断扩大，国内自主品牌采用CVT车型的不断增加,跨国汽车制造企业引入我国的采用CVT的车型不断增加，我国CVT的配套率占整个变速器的市场比例将会不断提高。3无级变速器的研究现状目前，金属带式无级变速器是国外汽车无级变速传动研究和推广的重点，世界主要汽车公司都在研究和开发金属带式无级变速系统。最早应用于汽车的无级变速传动是V形橡胶带式无级自动变速传动，它出现在1886年由德国Daimlar-Benz公司生产的汽油机汽车上。之后，荷兰DAF公司H.Vandoorne博士于1958年研制成功双V形橡胶带式无级自动变速器，并装备于DAF公司的小型轿车上。CVT取得里程碑式的成绩是在20世纪60年代中期,VDT公司的研究人员在荷兰研制出能传递功率容量大、效率高、结构紧凑的无级自动变速器CVT,使金属带式无级变速器取得突破性进展。1987年,VDT公司的金属带式无级变速器进入商品化阶段,这年福特汽车公司首次在市场上推出装有这种金属带的CVT。日本富士重工也于同年研制成功装备于Juste车上排量1~1.2L的电子控制CVT。之后,菲亚特、福特、日产等汽车公司都在其生产的一些1.2~1.6L排量轿车上装备这种变速器。90年代，在总结80年代产品和使用经验的基础上,VDT公司研制成功传动力矩大、性能更佳的第二代CVT变速器。到1995年，装有CVT的汽车产量达100多万辆。目前主要CVT生产厂商有FHISubaruJustyFord、Fiat.Nissan等。其中欧洲Ford公司CVT产量为15万台/年,FHICVT产量为20万台/年。特别指出的是，美国福特公司在1997年取得历史性的突破，生产出可以用于大扭矩、排量高达3.8L扭矩为365N#m）V6发动机的CVT，并成功安装于Winstarminivan气车上,从而结束了CVT只能应用于中型汽车上的历史，为将CVT大规模应用于汽车开辟了道路。而且，无级变速器已与当今先进的计算机技术结合起来，构成高性能的无级自动变速器，性能更加完善。世界上的主要汽车生产国都在积极开发CVT系统,已经出现了很好的实用化发展趋势。有专家预言,CVT将会占据50%的自动变速器市场份额。从理论上说,CVT可使发动机始终在经济工况区运行,从而大幅度节约燃油。但由于CVT是摩擦传动,效率低。因此,CVT并没有达到理论上所能达到的燃油经济性水平。这是CVT有待进一步提高之处。国内机械无级变速器于20世纪60年代前后起步，到80年代中期,随着国外先进设备的大量引进，工业生产现代化及自动流水线的迅速发展，对各种类型机械无级变速器的需求大幅度增加，专业厂开始建立并进行规模化生产，一些高等院校也开展了该领域的研究工作。经过十几年的发展，现在，国内机械无级变速器行业从研制、生产到情报信息各方面都已组成一个较完整的体系,发展为机械领域中一个新兴行业。目前,国内生产的机械无级变速器大都是仿制国外产品，主要系列产品类型有:、1） 摩擦式无级变速器，包括行星锥盘式（DIS-CO型）、行星环锥式（RX型）、锥盘环盘式（干式、湿式）和多盘式（Beier型）等。2） 齿链式无级变速器,包括滑片链式、滚柱链式、链式卷绕式。3） 带式无级变速器，包括普通V带式和宽V带式。4） 脉动式无级变速器,包括三相并列连杆式（GUSA型）与四相并开连杆式（Zero-Max型）。其中行星锥盘式无级变速器通用性较强，结构和工艺较简单，工作可靠,综合性能优良，尤其是能适应各种生产流水线需要,故应用最广，产量最大,其年产量占机械无级变速器总产量的50%以上。大部分无级变速器产品的输入功率为0.18~7.5kW,少数类型可以达到22~30kW。4展望近几年来随着科技的不断进步、新材料的不断进步以及加工技术的不断提高，CVT正朝着以下几个方面发展。控制系统方面：通过改进现有的控制系统的控制精度从而使对离合器的控制、速比的控制与夹紧力的控制更加符合轿车在不同路况下的动力需求。动力的需求控制是一部优质CVT的先决条件。结构方面：在现有CVT的结构基础上使用新型材料使变速器更加轻巧，以及对结构的优化在可靠性不降低的情况下使其更加紧凑。对结构的优化改进使汽车在出现故障时钢带不会出现锁死的现象从而能够用拖动的办法拖动汽车。性能方面：通过对钢带与传感器的改进使CVT能够普遍应用于大排量的汽车，CVT的传动效率也因摩擦损失的能量减少从而有所提高。同时CVT与其匹配的发动机相结合也将能获得更好的节油性、舒适性与操控性（目前较好的组合方式CVT+CVVT）。通过前一阶段的实践,并掌握了现有技术之后,近年来国内机械无级变速器的研制生产出现了新的发展趋向,主要是：1）对原有产品的创新改进。在原来行星锥盘式无级变速器的基础上，创新开发/恒功率行星摩擦式无级变速器0及/无物理心轴行星轮无级变速器0,后者的变速比由原来的5~6增大到20或更大，输出转矩也高了一倍以上,而且其他性能指标优良,目前已有系列产品。研制开发汽车用无级变速器。汽车用无级变速器属高新技术产品,目前国内巳开发出金属带式无级变速器，正准备进行产业化生产;其中靠进口的关键零件/金属钢带0也将自行生产。另外，新型的车用无级变速器及复合带也在探讨之中。创新研制新型(车用和通用)无级变速器。近年来不断提出创新型无级变速器，这些无级变速器的特点主要是•不用摩擦式变速传动而多半以连杆脉动式无级变速器传动为主或采取链式传动；°实现大功率、恒功率或者高速；》结构简单紧凑，并获得优良的性能。其中有些方案巳经过多年的研究试验,可能在不久的将来即有成果。上述情况说明，国内无级变速器的研制生产巳由过去的仿造阶段进入创新阶段,由小功率往大功率、一般技术向高新技术发展，今后有可能出现一些性能优良