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1、 汽車無級變速器的應(yīng)用與發(fā)展 XXX （南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院 南京 210031） 摘要：無極變速器是由變速傳動機(jī)構(gòu)、調(diào)速機(jī)構(gòu)以及加壓裝置或輸出機(jī)構(gòu)三部分組成的一種傳動裝置，簡稱CVT。它可以顯著提高汽車的經(jīng)濟(jì)性，改善汽車的動力性，使汽車發(fā)動機(jī)始終運(yùn)行在最佳目標(biāo)運(yùn)行區(qū)，以滿足機(jī)器或生產(chǎn)系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中各種不同工況的要求，這樣就既可減少汽車的換擋沖擊，也可減輕駕駛員的勞動強(qiáng)度。目前汽車無級變速器是汽車最理想的傳動系統(tǒng)，具有很大發(fā)展空間，必將成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。本文簡述了無級變速器的發(fā)展歷程與研究現(xiàn)狀，總結(jié)了無級變速器的優(yōu)勢。闡述了今后的發(fā)展趨勢和在我國的發(fā)展前景。關(guān)鍵字：汽車、無級變速器、研究現(xiàn)
2、狀、優(yōu)勢、發(fā)展趨勢、前景 The application and development of CVT car XXX (Nanjing agricultural university institute of technology Nanjing 210031)Abstract: Continuously Variable Transmission is by a variable speed drive mechanism, control mechanism and pressurizing device or output mechanism of three parts of a t
3、ransmission device, it can significantly improve vehicle efficiency, improve vehicle power performance, make the car engine always run run the best target area, to meet machine or production systems in the process of running various requirements of different working conditions, so it can not only re
4、duce automobile shift shock, also can reduce the labor intensity of the driver. Now automotive Continuously Variable Transmission is the most ideal auto transmission system, has the very big development space, will become the current research hot spot. This paper describes the development of numerou
5、s level transmission process and research status. Conclusion Continuously Variable Transmission advantage. Expounds the future development trends and the development prospect in our country.Key words: car, Continuously Variable Transmission, research status, advantage, development trend and prospect
6、s0 前言 近年來，隨著人們生活水平的提高和能源的日益趨緊，人們對汽車的舒適度和節(jié)能減排的要求也日益提高。目前在汽車上廣泛使用的自動變速技術(shù)是將液力變矩器和行星齒輪系組合的自動變速器技術(shù)，但是液力變矩器和行星齒輪系的組合有著明顯的缺點(diǎn)：傳動比不連續(xù),只能實(shí)現(xiàn)分段范圍內(nèi)的無級變速；液力傳動的效率較低，影響了整車的動力性與燃料經(jīng)濟(jì)性。所以汽車行業(yè)早就開始研究其它新型變速技術(shù)，無級變速(CVT)技術(shù)就是其中最有前景的一種。由于CVT可以實(shí)現(xiàn)速比的連續(xù)改變，使得汽車在任何行駛工況下都可以按照駕駛員的操作意圖實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)和電動機(jī)工作點(diǎn)和變速器的最佳匹配，降低了排放量，提高了整車的燃油經(jīng)濟(jì)性、動力性以及乘坐
7、的舒適性【1】。目前汽車無極變速器是最理想的傳動系統(tǒng)，具有很大的發(fā)展空間。1 CVT技術(shù)的發(fā)展概況在汽車早期發(fā)展的歷史中, 人們就已認(rèn)識到在發(fā)動機(jī)與傳動系之間實(shí)現(xiàn)無級變速調(diào)節(jié)才能使汽車達(dá)到理想的行駛工況。長期以來, 人們一直進(jìn)行著能傳遞大功率、維持高效率、高壽命的機(jī)械式無級變速器的研究工作。近年來, 由于材料、潤滑油、微機(jī)控制及加工技術(shù)的進(jìn)步，CVT技術(shù)有了很大發(fā)展。CVT技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)有了一百多年的歷史。德國奔馳公司是在汽車上采用CVT技術(shù)的鼻祖，早在1886年就將V型橡膠帶式CVT安裝在該公司生產(chǎn)的汽油機(jī)汽車上。1958年，荷蘭的DAF公司H.Van Doorne博士研制成功了名為Var
8、iomatic的雙V型橡膠帶式CVT，并裝備于DAF公司制造的Daffodil轎車上，其銷量超過了100萬輛。但是由于橡膠帶式CVT存在一系列的缺陷：功率有限(轉(zhuǎn)矩局限于135Nm以下)，離合器工作不穩(wěn)定，液壓泵、傳動帶和夾緊機(jī)構(gòu)的能量損失較大，因而沒有被汽車行業(yè)普遍接受。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，汽車界對CVT技術(shù)的研究開發(fā)日益重視，特別是在微型車中，CVT被認(rèn)為是關(guān)鍵技術(shù)。全球科技的迅猛發(fā)展，使得新的電子技術(shù)與自動控制技術(shù)不斷被采用到CVT中。1997年上半年，日本日產(chǎn)公司開發(fā)了使用在2.0L汽車上的CVT。在此基礎(chǔ)上，日產(chǎn)公司在1998年開發(fā)了一種為中型轎車設(shè)計(jì)的包含一個(gè)手動換檔模式的CVT
9、。1999年，Luk公司CVT鏈條的第一代產(chǎn)品在奧迪Multitronic上誕生。進(jìn)入2l世紀(jì)后，CVT發(fā)展更為迅猛。2004年，應(yīng)用于美國市場福特CFT30。2007年5月，生產(chǎn)120萬條Luk鏈條。新型CVT采用一個(gè)最新研制的高強(qiáng)度寬鋼帶和一個(gè)高液壓控制系統(tǒng)。通過采用這些先進(jìn)的技術(shù)來獲得較大的轉(zhuǎn)矩能力，日產(chǎn)公司研究開發(fā)CVT的電子控制技術(shù)，傳動比的改變實(shí)行全檔電子控制，汽車在下坡時(shí)可以一直根據(jù)車速控制發(fā)動機(jī)制動，而且在濕滑路面上能夠平順地增加速比來防止打滑【2-3】。2 CVT優(yōu)勢CVT，是人們長期夢寐以求的變速機(jī)構(gòu)，它的應(yīng)用具有十分重要的意義，已成為當(dāng)今汽車界最熱門的課題之一。CVT的發(fā)
10、展勢必對我國汽車工業(yè)的發(fā)展乃至整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的迅速騰飛有著舉足輕重的意義 。2.1提高汽車性能2.1.1經(jīng)濟(jì)性 CVT可以在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級變速,從而獲得傳動系與發(fā)動機(jī)工況的最佳匹配,提高整車的燃油經(jīng)濟(jì)性。德國的大眾公司在自己的GolfVR6轎車上分別安裝了4-AT和CVT進(jìn)行ECE市區(qū)循環(huán)和ECE郊區(qū)循環(huán)測試,證明CVT能夠有效節(jié)約燃油。2.1.2 動力性汽車的后備功率決定了汽車的爬坡能力和加速能力。汽車的后備功率愈大,汽車的動力性愈好。由于CVT的無級變速特性,能夠獲得后備功率最大的傳動比,所以CVT的動力性能明顯優(yōu)于機(jī)械變速器(MT)和自動變速器(AT)。2.1.3安全性CVT汽車駕
11、駛員只要控制油門踏板和制動踏板，這不僅改善了駕駛員工作條件，減輕駕駛員勞動強(qiáng)度，而且簡化操作，使汽車易于駕駛，大大提高了汽車安全性。2.1.4排放污染雜物無級變速的速比工作范圍寬,能夠使發(fā)動機(jī)以最佳工況工作,從而改善了燃燒過程,降低了廢氣的排放量。公司將自已生產(chǎn)的無級變速裝車進(jìn)行測試,其廢氣排放量比安裝4-AT的汽車減少了大約10%。2.1.5舒適性在傳統(tǒng)的MT汽車中，汽車的駛性能與駕駛員的駕駛技術(shù)有密切關(guān)系。然而CVT汽車起步和速比變化過程中不致于產(chǎn)生縱向沖擊或抖動，消除了換擋過程中的頓挫感，即不存在MT和AMT汽車的換擋品質(zhì)問題，提高了駕駛的平順性，使汽車行駛過程中經(jīng)常處于良好的性能狀態(tài)，
12、改善了駕駛員和乘員的雙重舒適性，提高汽車的行駛性能。2.1.6可靠性和壽命CVT的可靠性和壽命主要取決于金屬帶傳動工作組件和控制系統(tǒng)。據(jù)1993年資料表明, 在60萬個(gè)CVT中, 出現(xiàn)故障的只有147個(gè), 故障率為0.025%?？梢? 該系統(tǒng)質(zhì)量高、使用可靠。而采用高強(qiáng)度優(yōu)質(zhì)材料、精密制造技術(shù)與無限壽命設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)和制造的金屬顫抖工作組件可達(dá)到與發(fā)動機(jī)同壽命【4】。2.2 與汽車其他先進(jìn)技術(shù)的完美結(jié)合CVT與混合動力技術(shù)結(jié)合，讓發(fā)動機(jī)工作在最佳工況，達(dá)到低能耗、低污染和高度自動化。研究表明，采用CVT傳動系統(tǒng)的混合動力汽車的油耗有減少30的潛能，排放有降低50的潛能【5-6】。CVT與行星齒輪
13、機(jī)構(gòu)連接，形成無限變速器。相對于CVT而言，IVT進(jìn)一步擴(kuò)展了速比的范圍，在無需離合器的情況下實(shí)現(xiàn)倒擋運(yùn)【7-8】。2.3 節(jié)約能源在近30年來，隨著國際油價(jià)居高不下以及原油資源的耗竭，石油危機(jī)對油價(jià)的助推作用無時(shí)無刻不在影響著汽車消費(fèi)者們的購車傾向，越來越多的汽車消費(fèi)者將會選擇經(jīng)濟(jì)型轎車。預(yù)計(jì)在2035年，世界石油資源將達(dá)到開采最高峰，屆時(shí)開采量將逐年遞減；此外，各國對環(huán)境保護(hù)的條例越來越嚴(yán)格，小排量、燃油經(jīng)濟(jì)性好的車輛將是未來家用的主流車型，而這類車型非常適合裝配CVT，讓發(fā)動機(jī)的效率達(dá)到最優(yōu)。CVT汽車減少了汽車的有害尾氣排放，對人類健康的維護(hù)，城市環(huán)境的保護(hù)，以及人與自然的可持續(xù)性發(fā)展
14、，有著極為深遠(yuǎn)的意義。2.4 提升中國汽車行業(yè)的國際競爭力 建立CVT自主開發(fā)平臺及其產(chǎn)業(yè)鏈，可以提高我國變速器科研水平以及國際競爭力。同時(shí)，汽車工業(yè)是我國的支柱產(chǎn)業(yè)，要快速發(fā)展我國的國民經(jīng)濟(jì)，就必須重視汽車工業(yè)正常而有序的發(fā)展。成功地開發(fā)出CVT，建立CVT產(chǎn)業(yè)鏈，可以使整個(gè)國家汽車變速器行業(yè)得到一個(gè)質(zhì)的飛躍，促進(jìn)汽車電子行業(yè)及汽車相關(guān)零部件行業(yè)的發(fā)展，提高汽車工業(yè)的整體技術(shù)含量，將有助于國內(nèi)汽車工業(yè)迎頭趕上，進(jìn)而超越國外發(fā)達(dá)國家的汽車工業(yè)。此外，汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，勢必會給社會帶來更多的就業(yè)機(jī)會，減輕政府提供就業(yè)崗位的壓力；還可以給國家?guī)砀嗟某隹陬~，創(chuàng)造更為可觀的稅收收益，從而帶動整個(gè)
15、國家國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展。3 汽車無級變速器的應(yīng)用 在汽車無級變速器(CVT)應(yīng)用方面，國內(nèi)與國外車型存在的差距也正在逐漸縮小。如本田開發(fā)的Multimatics裝備在飛度轎車上，其優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在變速柔順、操縱穩(wěn)定性好及節(jié)約能耗方面。此外，奧迪A6、A4、菲亞特派力奧、西耶耶、周末風(fēng)、奇瑞旗云、風(fēng)云、QQ、東方之子也有CVT可供選擇。目前裝備汽車的CVT大多數(shù)采用摩擦傳動，其功率小、效率低，如V型橡膠帶式、V型金屬帶式、多盤式、滾輪轉(zhuǎn)盤式等，主要通過靜摩擦力實(shí)現(xiàn)動力傳遞。從V型橡膠帶無級變速器到現(xiàn)代的金屬帶式無級變速器在汽車上的實(shí)際應(yīng)用，期間經(jīng)歷了一個(gè)世紀(jì)(18861987)。如今，金屬帶式無級變速
16、器已經(jīng)裝備在歐美日等國家地區(qū)生產(chǎn)的中小排量汽車上。當(dāng)前，世界各大汽車廠商為提高產(chǎn)品的競爭力都努力研發(fā)新一代的CVT(性能安全轉(zhuǎn)矩容量更大)，這是由于伴隨現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展的背景支持和全球性的能源危機(jī)以及對環(huán)境保護(hù)壓力所采取的措施。例如，美國福特和通用汽車公司為研制1.32.0L排量級的無級變速器也投入上億美元的巨資?，F(xiàn)在，全世界的CVT轎車年產(chǎn)量大約50萬輛，其主要汽車品牌中，都有裝備CVT的轎車在銷售。汽車無級變速器無疑是當(dāng)今汽車變速器發(fā)展的趨勢。2006年上半年國內(nèi)轎車產(chǎn)量為25963萬輛，比上年同期增長403，在未來的1015年，中國汽車將會迎來全面發(fā)展的盛況。4 CVT的發(fā)展趨勢由于
17、采用CVT可以達(dá)到傳動系與發(fā)動機(jī)工況的最好匹配，提高整車的燃油經(jīng)濟(jì)型和動力性，并可以提高操縱方便性和舒適性，有效地降低了排放污染，且綜合性能優(yōu)于AT、AMT系統(tǒng)。一些主要的汽車廠開始從液力機(jī)械自動變速器過渡到CVT系統(tǒng)，或者直接發(fā)展CVT系統(tǒng)，或兩者兼有之。近幾年來，隨著高科技的發(fā)展及市場需要，CVT的機(jī)液式控制系統(tǒng)已逐步被電液式控制系統(tǒng)所取代，從而實(shí)現(xiàn)無級變速傳動裝置與發(fā)動機(jī)的靈活匹配，以滿足多種控制模式的要求。對各種工況的控制策略也正在進(jìn)行更加深入的研究，以使CVT的優(yōu)越性更大限度的發(fā)揮出來。目前，CVT的電子控制又進(jìn)一步向智能化方向發(fā)展，如對濕式離合器的結(jié)合采用模糊控制來改善汽車的起動性
18、能等。同時(shí)無級變速器的結(jié)構(gòu)也越來越小巧和緊湊，加上對前輪驅(qū)動的無級變速器進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的修改，使其可用于后輪驅(qū)動的汽車上，進(jìn)一步增強(qiáng)了CVT的應(yīng)用范圍。目前CVT正朝著以下幾個(gè)方面發(fā)展：(1)結(jié)構(gòu)方面。改進(jìn)其液壓系統(tǒng)，CVT結(jié)構(gòu)更加小巧和緊湊，降低成本，提高汽車的總體性能，使其性價(jià)比進(jìn)一步提高。(2)性能方面。通過CVT的總體控制，進(jìn)一步降低其油耗，減少有害氣體排放，提高其動力性及舒適性。(3)控制系統(tǒng)。通過不斷改進(jìn)，向滑移控制策略發(fā)展，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)良的性能；在控制方法方面，將先進(jìn)的控制方法(例如PID控制、模糊控制、網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)控制等理論)應(yīng)用于CVT離合器控制、速比控制和夾緊力控制中，進(jìn)一步優(yōu)
19、化控制策略，實(shí)現(xiàn)更為精確的控制。(4)應(yīng)用領(lǐng)域。將CVT應(yīng)用于混合動力汽車上；將CVT拓展為IVT；前輪驅(qū)動CVT逐步向后輪驅(qū)動CVT發(fā)展；CVT最大可傳遞扭矩在不斷提高，因此CVT在大排量汽車上應(yīng)用會更為廣泛【9-10】。5 CVT在我國的發(fā)展前景我們國家有巨大的汽車銷售市場，汽車工業(yè)是我國的民族工業(yè)之一。裝備自行開發(fā)生產(chǎn)CVT變速器其成本提高不大，說明CVT的市場前景令人樂觀。中國擁有世界上發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮钠囀袌?，CVT技術(shù)在汽車發(fā)展史上具有變革意義。在我國生產(chǎn)這種變速器將是歷史發(fā)展的必然趨勢。金屬帶式無級變速器將是應(yīng)用非常廣泛的無級變速，所以攻克CVT的變速器傳動機(jī)理和控制等關(guān)鍵技術(shù)對提
20、高國產(chǎn)轎車的自主研發(fā)、縮短與發(fā)達(dá)國家的差距具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。它將為我國汽車工業(yè)的繁榮發(fā)展以及促進(jìn)其他相關(guān)工業(yè)的發(fā)展起到重要的作用，并能帶來巨大的社會和經(jīng)濟(jì)效益。自CVT被列為國家科技攻關(guān)課題以來，已過去了12年，但還是沒能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的目標(biāo)。隨著國內(nèi)需求的不斷增多，CVT國產(chǎn)化勢在必行，意義重大。國內(nèi)從事CVT研究的單位，不論目標(biāo)是量產(chǎn)CVT的企業(yè)，還是從事相關(guān)理論研究的科研院所，都應(yīng)該緊跟國際CVT的發(fā)展步伐，在引進(jìn)吸收先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，不斷地開展創(chuàng)新工作，這樣才能真正將CVT國產(chǎn)化、產(chǎn)業(yè)化。目前我國正在考慮發(fā)展轎車自動變速器的問題。自“九五”期間轎車金屬帶式無級自動變速器的開發(fā)和研制已經(jīng)被列
21、入國家的重大科技攻關(guān)計(jì)劃，以跟蹤世界技術(shù)的發(fā)展和開發(fā)適合我國國情的汽車【11】。參考文獻(xiàn)：1 Dennis Simanaitis. CVTs Are Coming of AGE J .Road and Track, 2004, 55 (5) : 122 - 124, 126 - 128.2 裘熙定，王紅巖，周云山轎車金屬帶式無極變速傳動的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢汽車技術(shù) 1998（4）：1-53 羅伯特博世GmbH.Continuously無級變速器：基準(zhǔn).地位和潛力R.斯圖加特：博世公司，20074 吳光強(qiáng)，賀林，范大鵬,等車用無級變速器性能研究EJ傳動技術(shù)，200721(2)：165 孫冬野, 秦大
22、同. 基于無級變速傳動的并聯(lián)式混合動力汽車動力學(xué)仿真研究J . 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2003, 39( 1 ): 79- 83.6 段欽華.行星齒輪變速器傳動方案的設(shè)計(jì)方法研究J.機(jī)械傳動,2007(1):50-537 王紅巖，秦大同，周云山,等汽車無級變速器傳動系統(tǒng)綜合控制的研究，機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2000，36(2)：388 程乃士,張德臻,劉溫,等.金屬帶式車用無級變速器J.中國機(jī)械工程,2000,11(12):14219Liebrand N J.Future Development in Push Belts for CVT Application .SAE paper 92506310 馮櫻、羅永革、何曉春. CVT-無級變速器的發(fā)展綜述-湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào) 1999.11 過學(xué)迅.轎車自動變速器的發(fā)展及應(yīng)用前景,世界汽車.1999.8
無級變速器的應(yīng)用與發(fā)展
