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齿轮动无级变速--变速箱的发展方向 |
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| 纵 晨 光 | |
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由于有了内燃机，汽车才得以诞生。然而，内燃机的动力特性是低转速时功率小、扭矩低、耗油大。而大功率、大扭矩、低油耗的最佳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与汽车对动力特性的要求并不一致，甚至背离。为了使汽车顺利起步和正常行驶，必须要减变速，于是变速箱(Transmission)出现了。
汽车行驶速度的变化是连续的，这就要求汽车的变速箱的速比也是连续的，于是无级变速箱(Continuously Variable Transmission简称“CVT”) 出现了。 汽车刚诞生，德国奔驰公司就把V型橡胶带CVT安装在汽车上。然而V型橡胶带无级变速箱功率小、效率低、寿命短。没有被汽车行业普遍接受，取而代之的是齿轮变速箱。 齿轮变速箱以不同的齿轮搭配组成几个固定的变速比。这无法满足内燃机转速与汽车行驶速度连续变化之间的匹配。只有不断地换档或改变内燃机的转速。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。这是汽车业的无奈和缺憾。这说明汽车无级变速箱(CVT) 的技术难度是非常之大的,否则就不会让汽车等待100多年了。 但是,人们始终没有放弃寻找实现理想汽车变速箱的努力,各大汽车厂商对无级变速箱(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。围绕汽车变速箱五个研究方向，各国汽车变速箱专家展开了激烈的角逐。 1． 摩擦传动CVT 摩擦传动原理很简单，实现无级变速也比较方便。主要结构有：V型橡胶带式、金属带式、多盘式、钢球式、滚轮转盘式等。特征是靠摩擦力实现动力传递。 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,荷兰的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”) 并装备于DAF公司制造的Daffodil轿车上。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功率，280Nm扭矩。这是真正意义的无级变速箱。 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。 应该说光靠内凹锥形转盘和滚轮之间的金属摩擦是极难实现330Nm大扭矩的动力传递。更不要说如此高强度的摩擦带来的材料的磨损和摩擦发热带来的能量损失。大功率滚轮转盘式CVT的成功在于研制出一种特殊的油，这种油充满整个CVT变速箱。它具有特殊契形的分子外形，在承受极高的表面压力下分子会排列成行，从而产生巨大的抗剪切能力。滚轮和转盘就是利用两者间所形成的油膜为介质实现高扭矩的动力传递。据说，滚轮转盘式CVT比起钢带CVT和自动变速箱的传动效率高10%以上。 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箱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，这至少说明了两个问题： （1）无级变速是汽车变速箱始终追逐的目标。 汽车变速箱从橡胶带无级变速箱开始，到齿轮变速箱，再到金属链无级变速箱、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、高效率的无级变速传动是极其困难的。 为产生足够的静摩擦力，避免打滑烧毁，对传动带的要求要非常高。以传输330Nm的扭矩为例：若传动半径为0.1m，静摩擦力要求3300 N，金属间的摩擦系数约为0.1，对金属链的正压力必须是33000N，或者说3300公斤力，如此巨大的压力，橡胶三角带显然无法承受，金属的屈服强度一般小于100Kg/mm2，是难以承受如此巨大的压力的。只有研究出屈服强度极高的金属，才能制造出传输大功率的摩擦传动无级变速箱。另外，在如此大的压力下摩擦传动必然要消耗较多的能量。金属带式无级变速箱(VDT-CVT)汽车的油耗高说明了这一点。 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其困难的。 2． 液力传动 主要结构有液粘调速、液力变扭、油马达等。特征是以液体为介质实现动力传递。 液力自动变速箱(Automatic Transmission简称“AT”) 已有60多年的历史，美国自动变速车比例超半。国内发展势头也很猛，广州本田雅阁、上海福特、别克、捷达、富康等品牌也相继推出了自动变速车。 这种的自动变速箱（AT），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80%左右），油耗高是液力自动变速箱不可克服的缺点。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。液力自动变速箱比手动变速箱要贵4040马克（约2000美元或约16000元人民币）。可见自动变速箱的成本要多高。 尽管投巨资建（AT）生产线，尽管国外自动变速车比例超半，尽管国内自动变速车方兴未艾，但跳出这使人眼花缭乱的圈子，冷静地分析一下，我们是否可以看出以下几点： （1）液力自动变速箱（AT）不是无级变速，是自动控制的有级变速，并没有满足汽车对变速箱的要求。在满足了人们希望免除了手动变速箱繁杂的换档和离合操作，使开车变得简单、省力，潇洒的同时，付出的代价是多付10% 的购车钱和多付20% 的油钱。 （2）无级变速箱是汽车变速箱的最终归属，液力自动变速箱只不过是一种过渡产品，轰轰烈烈已是夕阳西下的征兆，真可谓 “夕阳无限好，只是近黄昏”。 3． 电磁传动 主要结构有变频调速、直流电机调速、调速电机等。这种方式的应用比较普遍。其优点是应用方便，其缺点是效率太低，系统过于复杂，成本也较高。 这种传动变速方式在汽车上也有应用，如混合动力汽车。目前，已有样车展示，但尚未规模商业运作。 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。优点是当汽车的动力储备可以比较小。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，单纯的论百公里油耗指标，那很好。但综合费用，包括电池的使用和维修，更换，未必经济。 4． 电控自动变速箱 电控自动变速箱(Automated Mechanical Transmission简称“AMT”)和（AT）一样，不是无级变速箱，是自动控制的有级变速箱。和液力自动变速箱（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自动变速箱(AMT)的研究与开发，但一直未见批量生产的报道，足见其进展的艰难。 据有关消息，国内有几家单位在做这方面的研究。但以笔者之拙见，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。 综上所述：金属带式无级变速箱(VDT-CVT)和滚轮转盘式无级变速箱(Extroid CVT) 是低效率的摩擦无级变速。进一步提高传动效率和传动功率都是极为困难的。电控自动变速箱（AMT）和液力自动变速箱(AT)不是无级变速，是既不满意摩擦式无级变速的低效率又找不到其它适用于汽车的无级变速方案的无奈之举。 5． 齿传动无级变速箱 齿传动无级变速箱是一种全新的设计思想，目的是利用齿传动效率高、功率大的优点实现无级变速传动。 传统的传动原理认为：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箱时，当许多学者专家还在对自动变速箱和金属带式无级变速箱的性能进行探讨时，一些敢于冲破传统理论束缚的设计师们正尝试着利用齿传动实现无级变速。 在众多设计方案中，有一种设计思想值得注意，那就是不完整齿轮接力传动方案。 由于齿轮是不完整的，那么，不完整的齿轮就可以实现传动半径的连续变化,从而实现传动比和扭矩的连续变化（恒功率）。齿传动是利用的推压力传动，传动功率损失极小。这种齿传动无级变速箱可以达到高效率、大功率。所以它比摩擦无级变速箱（CVT），比液力自动变速箱（AT）和电控自动变速箱(AMT)有明显的性能优越，结构也明显简单。 不完整齿轮接力传动方案的具体实施是一种“变径齿轮无级变速箱”(Varied Diameter Gear type Continuously Variable Transmission简称“VDG-CVT”)设计者历经10年的努力，进行了多次样机试验。比较成熟的有：类少齿差结构型、类定轴齿轮结构型2种基本结构，结构都相当简单，整机不足30种零件。其中类少齿差结构型样机已平稳运转300小时以上并基本定型，现在正在进行负载寿命试验，极有希望实现实用化。 |
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