汽车变速箱的发展方向

齿传动无级变速一汽车变速箱的发展方向

来源：未知作者：admin发布时间：2010-03-05——兼论汽车变速箱的现状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(ContinuouslyVariableTransmission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。在跨越了三个世纪的一百多年后的今天，汽车还没有使用上满意的无级变速箱。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。这是全世界范围尚未解决的世界级难题，是汽车变速箱的研究的终极目标。围绕汽车变速箱五个研究方向，各国汽车变速箱专家展开了激烈的角逐。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.VanDoorne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MultitronicCVT，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A6设计的。附图一：VDT-CVT结构示意附图二：附图一：VDT-CVT结构示意附图二：VDT-CVT钢带据河南日报报道：我国某企业花几千万巨资研制轿车金属带式无级变速箱并获得国家发明专利。这个消息使人喜忧参半。喜的是这个企业有胆量，有魄力，看到了无级变速是汽车变速箱的必然趋势，敢叫板被日本和德国垄断的世界汽车业公认的十大划时代技术之一的金属带无级变速箱，非常了不得。但，忧的是这种技术已无多大发展空间，加之在金属带式无级变速箱领域，知识产权的保护几乎是密不透风的（惠普打印机的专利有600多个）。我们能做的只能是理解、模仿，最多是在某些小局部的改进，（这当然也是发明）。但在整体上，我们无法超越他人的知识产权，他人也不会允许我们在这个领地自由飞翔。这个曾于1996年被国家列为〃九五〃科技攻关重要课题的失败，是必然的。小心，小心，再小心，当我们弹冠相庆时，可能会有人敲门索要专利费°（VCD录放机就是实例）另一种摩擦传动CVT（名为ExtroidCVT）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，可谓汽车无级变速箱发展史上又一重要进步。附图三：滚轮转盘式CVT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。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。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3300N，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。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（AutomaticTransmission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、长安福特、上海别克、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10000-15000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。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。电控自动机械变速箱电控自动机械变速箱（AutomatedMechanicalTransmission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（ExtroidCVT）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。电控自动机械变速箱（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。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。尽管设计方案各有千秋，有一点是共同的，所有的齿传动无级变速箱设计师都认识到：摩擦传动有其固有的难以克服的缺陷，发展前途是极其有限的。只有利用齿传动传动实现的无级变速才是汽车变速箱的最终完美结局。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"（VariedDiameterGeartypeContinuouslyVariableTransmission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。（后附有结构简图）

附图四："变径齿轮无级变速箱”的几种实验机器附图五：输入转速恒定时变径齿轮无级变速箱不同的输出转速〃变径齿轮无级变速箱”（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。这是一个中国人向汽车强国提出的强有力的挑战。从国内的实例来看，齿传动无级变速箱研究基本上是设计师们的个人行为，还处于非常艰苦阶段。因为：（1）其设计理论有悖于传统传动理论，很难得到认可和支持；（2）这个课题是汽车业公认世界难题，在急功近利的环境下，有关部门不敢立项，企业不敢涉足；（3）由于没有先例可以参照，探索阶段是很难的，也是很漫长的，探索者往往都花费十年以上的时间，其中的酸甜苦辣只有探索者才能体会；（4）除了理论的障碍外，用什么样的结构实现无级变速这也是非常困难的。就以前面列举I的'变径齿轮无级变速箱〃方案为例：理论上讲不完整齿轮可以实现传动半径连续变化，但用什么样的结构来实现？这样的结构合理性如何？可操作性如何？是否能满足商品化的要求？等等，等等每一步都充满不确定性，都是非常艰难的。这是一个世界级的难题，一个机械传动上的哥德巴赫猜想。四大发明的伟大智慧禁锢在儒家法先人之法〃的定式思维中，它是如此习以为常，如此无处不在，如此凝固顽强，如此难以突破。但这同时又是一个世界级的市场。百年来市场一直在召唤"高效率大功率无级变速器〃。这颗世界瞩目的皇冠之珠谁能摘取？这个巨大的市场谁能抢滩成功？有关这方面的资料显示，从事齿传动无级变速设计的先驱者受种种条件的限制，其中的绝大多是还是纸上谈兵。像"变径齿轮无级变速箱"（VDG-CVT）已经实践了设计思想，已经用实践了证实了利用齿传动是可以实现无级变速的。确实是走在了全球无级变速箱研究开发的最前沿。〃变径齿轮无级变速箱”（VDG-CVT）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