车用无级变速器性能研究

文章编号:100628244(2007)02200200 车用无级变速器性能研究 Research of Continuously Variable Transmission Automotive Performance 吴光强 贺 林 范大鹏 殷学仙 孙贤安 (同济大学) W u Guagnqiang He L in Fan Dapeng Yin X uexian S un Xianan ( Tongji University) 摘要本文作出了装配无级变速器(CVT)汽车动力特性图,同时通过一系列试验结果,对CVT汽车与配备 其它变速器汽车在动力性、 燃油经济性、 传动效率、 寿命、 排放、 可靠性、 传递扭矩、 成本、 操纵性和舒适性等 方面进行了详细的对比研究,详述了CVT与AT和MT之间的优缺点。 Abstract In this paper , through dynamic characteristic of continuously variable transmission (CVT) auto2 motive and results of serious experiment , the differences between CVT and AT or MT were obtained in dy2 namic performance , fuel economy , transmission efficiency , lifetime , emission , reliability , transfer torque , cost , handleability , riding comfort and so on. 关键词:无级变速器(CVT) 动力特性 燃油经济性 传动效率 Key words: continuously variable transmission (CVT) dynamic characteristic fuel economy trans2 mission efficiency 中图分类号:U463. 212 文献标识码:B 作者简介:吴光强:同济大学汽车学院,博士生导师。地址:上海市曹安路4800同济大学汽车学院仿真技术研究所,201804 1 前言 就我们所熟知的,市面上常见的汽车变速器,无 论是手动变速还是自动变速,其传动比都是有级的, 从低档到高档的有级变速过程中,无法使发动机总 是工作在高效率区域。当传动比在几个固定的值之 间变化时,汽车要稳定运行,就需要发动机时而加 速,时而减速,这种发动机在换档过程中的加速与减 速,使发动机工况处于不稳定的状态,使油耗和排污 增加,并带来动力传动系统的冲击。要使发动机始 终运转在最优的高效率区,处于稳定的工作状态,降 低燃油的消耗和废气污染,就必须采用无级变速器 (Continuously Variable Transmission ,简称CVT)。 无级变速器不是什么新鲜的创意,早在1490 年,达芬奇就草绘了一个无级变速器原型图1。但 是,具有工程实用意义的无级变速器出现在1886 年,德国Daimlar2Benz公司生产的汽油机汽车 上2。CVT汽车的最大优势是能够实现发动机转 速和转矩沿最经济油耗线或者其它目标曲线变化, 无级传动与其他传动相比,其传动效率远高于带有 液力传动的有级自动变速器(AT) ,这就进一步提高 了装备CVT传动系统的汽车的行驶经济性。此 外,在变速过程中,没有动力中断,也因而提高了行 驶的动力性能。CVT使发动机免除在一些不利工 况区运行,从而提高了发动机的工作稳定性和可靠 性。CVT操纵轻便,变速无冲击,提高了乘坐舒适 性。本文主要就金属带式CVT与AT和MT的性 能特点进行对比研究,得出CVT与MT和AT性 能的优缺点。 2 CVT汽车性能 2. 1 动力性 由于CVT能实现传动比的连续变化,整车的 动力性较其它类型变速器好。根据汽车的行驶方程 式121 ,可绘出MT和CVT的动力特性图, 61 第21卷第2期 2007年6月 传 动 技 术 DRIVE SYSTEM TECHNIQUE Vol. 21 No. 2 June 2007 D = Ft-FW G =+ dua gdt Ft= Ttpigi0T r FW= CDA 21.15 u2a = f + i 121 如图1 ,从图中可以看出,标示 、 、 和 的四条 细实线是4挡MT的动力特性图。而CVT的动力 因数为粗实线AB和CE之间包围的区域,其中CE 曲线表示发动机节气门最大开度时,该车动力因素 与车速之间的关系,AB曲线为发动机最低稳定转 速时,该车动力因素与车速的关系。从图1可以看 出,CVT汽车加速时,动力因数连续变化,不会因为 动力因数变化而调整发动机转速,从而提高了汽车 的加速性能。因此可以得出:CVT汽车加速时的理 想状态是发动机转速不变,从图2 ,MT和CVT理 想加速曲线可以看出,MT汽车加速过程中,发动机 的转速是在不断变化的,而CVT汽车可以让发动 机在同一转速下,加速到目标车速,从而避免了发动 机转速的变化,提高了汽车加速性能。根据富士重 工3 ,9和美国Chrysler Voyager4的测试结果,CVT 汽车加速性能 (0 100公里/小时)比AT汽车加速 图1 MT和CVT理想加速曲线 Fig. 1 Dynamic Characteristic of MT and CVT 图2 MT和CVT动力特性图 Fig. 2 Ideal Accelerating characteristics of MT and CVT 性能提高7. 511. 5 % ,有时优于MT ,具体数据表 1和表2。根据ZF公司在060 mph加速性能的 测试结果,装有CVT的汽车比装有4挡AT汽车快 一秒5。 表1 CVT汽车与AT汽车加速性能比较 Table 1 Accelerating Performance Compare of CVTand AT 试验项目 Accelerating Performance 4ATCVT 改善 Improvement 030 km/ h(s)2. 52. 50 0100 km/ h(s)13. 212. 27. 6 % 最大加速度(m/ s2) Maximum Acceleration 4. 84. 80 表2 CVT汽车与MT和AT汽车动力性能比较 Table 2 Dynamic Performance Compare of CVT,MTand AT Vehicle 试验项目 Dynamic Performance ECVT5MT3AT 0400 m20. 519. 322. 2 80 km/ h100 km/ h(s)7. 8 8. 4(4挡) (No. 4 Gear) 8. 8 2. 2 燃油经济性比较 由于CVT实现了传动系与发动机工况的最佳 匹配,所以燃油经济性相应得到提高。在交通堵塞 较严重的时候,汽车常处于怠速状态,CVT的燃油 经济性大大明显优于其它类型变速器。根据美国 Chrysler Voyager4的测试结果,ECVT汽车的经济 性比AT汽车至少提高约12 %17 % ,与MT汽车 相当或略优。根据ZF公司8的测试结果,CVT汽 车比4挡AT汽车减少燃油消耗至少10 %5,与五 挡MT汽车相当或略优10。本田在其Civic车上, 装AT的耗油2835 mpg (miles per gallon) ,而 CVT车为3438 mpg6。表3为CVT汽车和AT 汽车燃油经济性对比情况。 表3 CVT汽车与AT汽车燃油经济性比较 Table 3 Fuel Economy Compare of CVTand AT 百公里油耗 Fuel Consumption of 100 Km (L/ 100 Km) 4ATCVT 改善 Improvement ( %) 市区Urban15. 813. 117 郊区Suburban12. 711. 113 90 Km/ h等速 (Constant Soeed) 9. 99. 36 120 Km/ h等速 (Constant Soeed) 13. 013. 5- 4 71 吴光强等:车用无级变速器性能研究 MT面世上百年来,其不具有燃油经济性开发潜力 了。而根据Bosch VDT 2005年CTI年会报告 、ZF VDI2006年报告、 博格瓦纳2005年维 也纳工程年会报告和Bosch VDT Fisita2006 会议报告 ,对目前6AT、DCT和CVT燃油消 耗现状及展望12 ,见表 4 ( 以CVT燃油消耗现状 取值100)。 表4 自动变速器燃油消耗现状及展望 Table 4 Automatic Transmission Fuel Consumption Nowadays and Future CVT6ATDCT 现状Nowadays100 105 100 展望Futrue9395 102 98 2. 3 传动效率 变速装置的传动效率将影响汽车的经济性和动 力性。富士重工于1988年对装备CVT的Subaru Justy汽车进行效率测定,ECVT为90 % , 5档MT 为93 % ,3档自动变速器则为8285 %。根据近期 试验结果,CVT传动效率己在92 %96 %之间,比 传统机械变速器效率略低。CVT系统虽然具有最 佳传动特性,但是由于它的传动效率还未达到传统 机械传动效率的水平,致使CVT汽车的燃料经济 性和动力性未能显著地超过多档机械变速器7。表 5为AT和CVT效率表。 表5 AT和各类型CVT传动效率比较 Table 5 Drive2train Efficiency Compare of ATand CVT 5AT各挡位传动效率 Drive2train Efficiency 各类CVT传动效率 Kinds of CVT Drive2train Efficiency 1挡NO. 16085 %Rubber Belts9095 % 2挡NO. 26090 %Steel Belts9097 % 3挡NO. 38595 %Toroidal Traction7094 % 4挡NO. 49095 %Nutating Traction7596 % 5挡NO. 58594 %Variable Geometry8593 % 2. 4 排放 世界上各种越来越严格的排放标准,将是CVT 在将来一个非常具有竞争力的市场切入点。尽管 CVT自身效率不如MT高,但是CVT的整车效率 高,就是因为CVT让发动机最大限度的工作在经 济转速区域内,这样不仅能够提高燃油经济性,同时 也降低了发动机的废气排放量。ZF公司试验测定 汽车装备CVT系统后,其有害排放物比装备4档自 动变速器的汽车减少10 %左右9 ,10。 2. 5 寿命 在寿命方面,CVT与MT和AT相比,有一定 的差距。CVT的寿命主要取决于金属带传动工作 组件和控制系统,目前采用高强度优质材料、 精密制 造技术与无限寿命设计方法设计和制造的金属带工 作组件可达到与发动机同寿命。 2. 6 可靠性 因为无级变速器都是依靠摩擦传递扭矩,所以 在工作工程中,将不可避免的出现带与轮之间的滑 移,这种现象不仅损害CVT本身,而且也降低了其 可靠性。CVT的可靠性主要取决于金属带传动工 作组件和控制系统,据资料表明,在60万个CVT 中,出现故障的只有147个,故障率为0. 025 %。从 上面数据可以得出CVT传动系统质量高、 使用可 靠9 ,10。 2. 7 成本 产品的成本依赖于产品的技术含量、 材料、 制造 工艺及工艺装备等因素。由于CVT的关键零件需 采用优质钢材,加工过程较为复杂,部分CVT以液 力变矩器为起动部件,其成本价格接近液力机械自 动变速器;若采用其它类型的起动部件,其成本可低 于液力机械自动变速器。VDT公司通过不断改进 传动零件的结构及零部件加工工艺过程等措施,来 降低产品的成本,提高产品的竞争能力。根据市场 车价调查,市面上CVT和AT汽车市场均价相当, 部分车型价位更低,而CVT和AT通常是同一价 位。而CVT汽车比MT汽车市场均价高出一万多 元,表6为2006年国内市场部分CVT汽车和MT 汽车市场均价比较。综上所述,现在CVT的成本 与AT相当,部分略优,但是还是比MT高。 表6 CVT与MT汽车市场均价比较 Table 6 Market Price Compare of CVTand AT Vehicle 车型国内市场 Vehicle Model CVT万元 (RMB) MT万元 (RMB) 价差 Price Difference 奥迪A4 L1. 8T 基本型2005 Audi A4 1. 8L 29. 7827. 462. 32 奇瑞旗云之星 1. 6舒适型 Chery 1. 6L 8. 116. 981. 13 广本飞度1. 5 2006款 Honda 1. 5L 10. 269. 50. 76 广本飞度1. 3 2006款 Honda 1. 3L 9. 548. 191. 35 81 吴光强等:车用无级变速器性能研究 2. 8 传递扭矩 由于金属带式CVT传递扭矩依靠零件之间的摩 擦力,所以长期以来,困扰带式CVT的一个难题就其 传递扭矩较低,一般只能用在小排量的车型上。不过 利用扭矩传递分动技术,可以开发出传递扭矩达到 500 Nm的分动式无级变速器11。而最新近CVT产 品,其扭矩传递能力可达400 Nm ,且适用于所有前轮 驱动车辆13。但是AT和MT均采用传统的齿轮传 递动力,其在极限传递扭矩上优于CVT。 2. 9 操纵性 因为CVT采用电子智能控制无级变速传动, 所以其换档均由ECU完成,操作简单,能够最大限 度的减轻驾驶员的疲劳程度。而MT采用的手动 换档,其加速与减速过程时,驾驶员操作动作多且复 杂,易疲劳。AT由于与CVT一样采用电子智能控 制,所以操纵性能与CVT相当。 2. 10 舒适性 因为CVT采用的是无级传动,其换档时,速比 是一个连续变化过程,没有挡位冲击,在乘客不知不 觉中,车辆得到加速。而AT和MT均采用有级挡 位选择,在加速过程中,乘客能够感觉到换挡的冲 击,降低了乘坐舒适性,不过AT采用液力变矩器, 在一定程度上缓解了此问题。 综上所述,CVT汽车性能优于装有级变速器汽 车的性能,但是在其成本和传递扭矩等局部性能上 有待提高,见表7。 表7 CVT汽车与AT和MT汽车性能对比表 Table 7 Vehicle Performance Compare of CVT,ATand MT CVTATMT 动力性 Dynamic Performence 优 Good 一般 General 优 Good 燃油经济性 Fuel Economy 优 Good 较差 Poor 一般 General 传动效率 Drive2train Efficiency 较差 Poor 一般 General 优 Good 排放 Emission 优 Good 一般 General 较差 Poor 寿命 Life 一般 General 优 Good 优 Good 可靠性 Reliability 一般 General 优 Good 优 Good 成本 Cost 较高 Worse 较高 Worse 较低 Best 传递扭矩 Maximum Torque 一般 General 高 High 高 High 操纵性 Control Ability 优 Good 优 Good 较差 Poor 舒适性 Comfort 优 Good 一般 General 较差 Poor 3 结论 (1)在动力性方面,CVT与传统的MT相当, 略优于AT。 (2)在燃油经济性方面,CVT与传统的MT相 当,优于AT。 (3)在排放、 舒适性和操纵性方面,CVT优于 MT和AT。 (4)在寿命、 可靠性和最大传递扭矩方面,略逊 于MT和AT。 (5)在成本方面,与AT相当,且略优;逊于 MT。 (6)在传动效率方面,CVT整车效率较高,但 其自身传动效率低于AT和MT。 (7)总体上来说,CVT汽车性能优于有级变速 器汽车性能。 参 考 文 献 1 Brich S.“Audi takes CVT from 15thcentury to 21stcen2 tury”J . Automotive Engineer International , January 2000. 2 Ashley E. Is CVT The Car Transmission of The Future J . Mechanical Engineering , 1994 , 116(11) . 3 Sakai Y. The“ECVT“ Electro Continuously Variable TransmissionJ . SAE Paper 880481. 4 Hendriks E. Qualitative and Quantitative Influence of A Fully Electronically Controlled CVT on Fuel Economy and Vehicle PerformanceJ . SAE Paper 930068. 5 Boos M , Mozer H.“ECOTRONIC2The Continuously Variable ZF Transmission (CVT)”J SAE Paper No. 970685 , in SAE SP21241 , Transmission and Driveline Systems Symposium , pp. 61267 SAE , 1997. 6 Kevin R. Lang. Continuously Variable Transmissions2 An Overview of CVT Research Past , Present , and Fu2 tureR. 21W. 732 , May 3 , 2000. 7 Kluger M A , Fussner D R.“An Overview of Current CVT Mechanisms , Forces and Efficiencies”SAE Paper No. 970688 , in SAE SP21241 , Transmission and Drive2 line Systems SymposiumJ , pp. 81288 SAE , 1997. 8 Boots Meta1. The ZF CFT 20E Continously Variable Transmission for MidRange Automobiles R . FISI2 TA94 ,Paper 945028. 9 裘熙定,王红岩,等.轿车金属带式无级自动变速传动技 术发展现状与趋势J .汽车技术,1998. 10 冯 樱,罗永革,等. CVT2无级变速器的发展综述J . 湖北汽车工业学院学报,1999年12月,第133卷第4 期,15218. (下接第27页) 91 吴光强等:车用无级变速器性能研究 5 结论 采用线性二次型最优控制方法设计调速系统速 度环,通过选择最优的加权矩阵,能够使闭环系统获 得最优的控制性能。这种设计方法能保证提升机直 流调速系统实现快速启 参 考 文 献 1 陈伯时,电力拖动自动控制系统M ,北京机械工业出版 社,2001年. 2 何衍庆等,控制系统分析、 设计和应用 MATLAB语言 的应用M ,化学工业出版社,2003年. 3 胡廷献等,矿井提升机直流调速系统速度环的动态设计 过程J ,电气传动,2002年,第4期,39241. 4 吴弋,综合性最优控制及其在直流调速系统中的应用 J ,科技情报开发与经济,2003年,第13卷,第7期, 1102111. (上接第15页) ganwendung am Beispiel automatischer Getriebe“X2by wire”in the Commercial Vehicle A pplication using the A utomatic Transmission as an Example .VDI2Tagung Elektronik im KraftfahrzeugVDI Meeting on Electron2 ics in Vehicles; Baden2Baden , September27228,2001, VDI2BerichtVDI Report 1646. 5 Dr.2Ing. C. Rchardt, Dipl.2Ing. O.Ebner, Dipl.2 Ing.R.Keller, Dipl.2Ing.M.Rossmann, Dr.2Ing. T.J?ger,Dipl.2Ing.M.Gansohr,Dipl.2Ing.M. Erb, Dipl.2Ing. G.Thncher:AS Tronic lite , die neue AS2Getriebebaureihe der ZF fr das mittlere Nutzfahr2 zeugsegment A S Tronic lite ,The New A STransmis2 sion Series f rom ZF f or the Mid2Size Commercial Vehi2 cle Sector .VDI2Tagung Getriebe in FahrzeugenVDI Meeting on Transmissions in Vehicles2004; Friedrichs2 haf en, J une22223,2004,VDI2BerichtVDI Report 1827. 6 Kraf tf ahrtbundesamt J ahresbericht GermanFederal Of f ice of Motorized Travel A nnual Report 2005. 7 S pillner,A. ,Basiswissen Sof twaretest ,dpunkt2Ver2 lag ,2003ISB N3289864217823. 8 Torsten Klein , Mirko Conrad , Ines Fey , Matthias Gro2 chtmann :Modellbasierte Entwicklung eingebetteter Fahr2 zeugsoftware bei DaimlerChryslerProc.Modellierung Model2based Development ofEmbedded Vehicle Sof t2 ware at DaimlerChrysler Proc.Modeling2004, Mar2 burg ( D) ,23226March2004, Lecture Notes in Inf or2 matics (L N I) , Vol.P245, p.31241. 9 Conrad, M. :Modell2basierter Test eingebetteter Soft2 ware im Automobil2Auswahl und Beschreibung von Testszenarien Model2based Test of Embedded Sof tware in the A utomobile2Selection and Description ofTest Scenarios .PhD Thesis , Deutscher Unive