无级变速器CVT传动研究
作者：王瑾 刘飞涛丨EDC电驱未来
带式与链式无级变速器是目前应用最广泛的两种形式。钢带和传动链两种传动媒介，因其结构、边界要求以及承载能力的不同，影响变速器的整体设计，需要在变速器开发的初期阶段确定。本文论述了钢带和传动链的结构特点与传动特点，可应用于无级变速器带轮系统的设计选型。
变速器是衡量汽车经济性、动力性及油耗的重要指标之一，自主研发具备最佳性能的变速器是汽车行业的主要课题之一。目前常见的变速器有：手动变速器（MT）、自动变速器（AT）、双离合变速器（DCT）和无级变速器（CVT）。其中，无级变速器与其他几类有级变速器的明显区别是可以连续改变传动比，在整个变速过程中实现连续、无间断的无级变速，使车速变化平稳，避免了有级变速的换档顿挫与换档响应延迟问题。
1.整车动力性
无级变速器最为显著的特点是速比可以连续无级地变化，换档舒适平顺，较装配MT、DCT和AT的车型，乘坐舒适性大大提高，相对于有级变速器具有明显的优势。如图1所示为CVT和AT车速变化时发动机转速的变化波动，由曲线波动范围可以看出CVT车速改变时对于发动机转速变化波动范围较小，而AT随着车速变化对于发动机转速变化波动影响较大。
2.燃油经济性
图1 CVT和AT车速变化时发动机转速的变化
CVT能够在较宽的范围内实现无级变速，实现传动系与发动机特性的最佳匹配，使发动机始终工作在燃油经济区域，提高了发动机燃油效率，从而提高整车的燃油经济性。
3.结构经济性
相对于有级变速器，CVT系统结构相对简单,也更有利于轻量化、小型化设计。CVT不需要多组齿轮组传动，既没有MT的众多齿轮副，也没AT复杂的行星齿轮组，而是通过一组可变直径的传动轮和传动带来传递发动机转矩，实现转矩输出。CVT传动系统的零件数量相较于AT、MT和DCT更少，使变速器成本降低20%以上。
1.钢带的结构特点
如图2所示，带式无级变速器的钢带是由400多片钢片和两组钢环组成，每片钢片厚度约为1.5～1.8 mm，每组钢环由9片或12片厚度为0.18 mm的薄环带无缝叠合组成。钢环的作用是约束钢片，提供预紧力，并正确引导钢片运动。钢带是一套非常精密的组件，钢环的材料冶炼难度大，国内尚无该材料冶炼经验，工艺精度要求极高。
带式CVT的钢带承载能力取决于钢环强度，可传递的转矩有限，目前常用的转矩范围为150～280 N·m，超出280 N·m的应用较少。
2.带式CVT带轮系统结构
图2 钢带
带轮系统是无级变速器CVT的核心部分，由主、从动带轮轴总成和钢带组成，如图3所示。钢带两端绕在一组主、从动带轮上，通过油压变化推动主、从动可动带轮轴向移动。当动力传到主动带轮上，在液压控制系统作用下，主动带轮油缸内的油压推动主动带轮沿主动带轮轴轴向移动，产生轴向夹紧力；轴向夹紧力作用在钢带的钢片V形侧边，与带轮产生摩擦力向前带动钢片，使后面的钢片挤压前面的钢片，在二者之间产生挤推力；由于钢带的带长一定，在钢带张力的作用下，钢带推动从动带轮可动锥盘，产生轴向移动；当主、从动可动带轮沿着带轮轴做轴向移动时，钢带在主、从动带轮上的回转半径发生变化，速比随之发生改变。
钢带式和钢链式CVT其主要区别是使用的传递媒介不同，传递转矩的原理略有差异。钢带式CVT是通过钢片侧面与带轮锥面间的摩擦力传递转矩，整齐排列在钢环上的钢片推动钢带传动；而链式CVT则是通过链销侧面带轮锥面间的摩擦力传递转矩，通过链销连接的链片之间的拉力拉动传动链传动。
但无论是钢带还是钢链式无级变速，控制变速系统传动比的原理是一致的，都是通过油压推动带轮执行缸，改变钢带或传动传动链的工作半径，实现速比的连续变化。
1.传动链的结构特点
链式无级变速器是用金属传动链作为传递媒介，传动链由链片和链销组成，链片分为长链节链片和短链节链片，按照特定的排列组合顺序叠加，利用一对链销将组合的链片串联在一起，共同构成链式变速系统。
由于链片的节距与钢片差距很大，极易产生多边形效应，产生共振及噪声。采用不同节距的链片组合，能够有效避免相同节距时发生共振的情形，减小多边形效应，降低传动噪声，提高CVT的整体性能。为改善噪声问题，链式CVT通常需要加装导链板，减小传动链振动带来的噪声问题。
2.链式CVT带轮系统结构
链式无级变速器的变速原理与钢带式CVT相同，是利用传动链在带轮上直径的变化来进行无级变速。与带式CVT带轮系统不同的是传动链的链节之间是通过链销柔性连接的，该特点使其可以获得更小的工作半径，更有助于整机的小型化和轻量化。但同时这种柔性连接使传动链传递的稳定性下降，产生振动及噪声，需加装导链板进行导向固定。
链 式 CVT结构紧凑，承载能力较钢带大，适用于大转矩CVT。上汽通用汽车的CVT变速器是国内首款采用传动链结构的无级变速器。
图3 钢带——带轮系统
1.带式与链式无级变速器的速比带宽对比
最大速比（LOW）和最小速比（OD）是影响汽车动力性和燃油经济性的重要参数。最小速比与汽车的最高车速有关，一定程度上，较小的速比有利于汽车百公里油耗的降低；而最大速比与车辆的加速性能、爬坡性能和最小稳定车速有关。在一定程度上，增大最大速比有利于汽车动力性的改善。
如图4所示，钢带的运转半径范围是由钢片尺寸决定的，钢片肩部以下1 mm位置是钢带的节线位置，即钢带的运转半径。传动链的运转半径范围是由链销尺寸决定的，链销的近似中心位置为传动链的节线位置，即传动链的运转半径。传动链节线上部的尺寸较钢带小，从而可获得更大运转半径。此外，钢带受限于钢环本身的弯曲应力，其最小运转半径受到一定限制，而传动链的柔性连接则不需要考虑最小半径的限制，因此，传动链能获得更宽的速比范围。
以某款CVT180变速器为例，对带式与链式的速比带宽进行比较。对于转矩180 N·m左右的CVT变速器，通常选用节线宽度为24 mm的钢带与传动链，即两种形式的带轮传动系统，钢带和传动链设计选型所选用的轴向尺寸是一致的，但因钢带和传动链本身结构不同，在带轮中心距一致的情况下，两者的最大和最小转动半径会有差异，从而导致速比带宽不同。
同转矩、中心距条件下，带式与链式带轮系统所能达到的速比带宽见表所示，链式较带式速比范围增大约6.3%。
2.带式与链式无级变速器的效率对比
带式无级变速器，当钢带运转半径缩小时，钢环内侧与外侧的半径差相对扩大，钢环之间发生相对滑动，导致摩擦损耗增加；而在速比为1时，两带轮运转半径一致，钢环间相对静止，滑动摩擦较小，摩擦损失较小。因此，在小转动半径的低速档和高速档，带式CVT传动效率较低；随着转动半径的增大，在1速比位置时，传动效率达到最高。
链式无级变速器，传动链在小工作半径运转时，其内应力相比钢带的弯曲应力小，功率损失较小。链销之间为圆弧接触，能够产生相对转动的运动趋势，形成相对滚动摩擦，减小传动链系统的内磨擦损耗，可以提高传动链系统传递效率。
表 带式与链式速比带宽
图 4 钢带与链条截面
图5 效率测试条件
图6 带式与链式的NVH对比
图7 链式CVT增加导轨降噪
以某款CVT180变速器为例，对带式与链式的传动效率进行比较。测试条件如图5。
结果显示，链式与带式CVT的效率在速比1时近似，在车辆向高速档变速时，链式CVT效 率 较 带 式CVT高2.27%～5.53%；在车辆向低速档变速时，链式CVT效率较带式CVT高1.38%～4.27%，且随着转矩的增大，链式与带式CVT效率的差值增大。
3.带式与链式无级变速器的噪声对比
带式CVT因钢带的钢片数目多，钢片节距小，传动过程中的多边形效应较小，不易引起振动和噪声；而链式CVT因链节之间的节距较大，多边形效应较大，更容易产生振动和噪声。因此，带式CVT具备更佳的NVH性能，如图6所示。链式CVT通过加装导轨、隔音罩等附件，能够获得一定的降噪效果，如图7所示。
带式与链式无级变速器的特点如下：在转矩能力方面，钢带的主要应用范围在150～280 N·m，目前市场大转矩CVT（＞300 N·m）以链式居多，传动链较钢带具有明显优势。
在速比带宽上，传动链的高度尺寸较钢带小，且传动链的最小运转半径可以比钢带更小，在带轮系统中心距一致的情况下，可以实现更宽的速比范围。
在效率方面，理论分析与测试显示，传动链在高传动比和低传动比时，效率较钢带有明显提升。钢带在起步和高速运转时的传动效率较低，为提高效率，可增大钢带的最小工作半径，使钢带运行在高效率区间。
在噪声方面，钢带的小节距钢片结构使带式CVT的NVH特性更佳。
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