作者：王瑾 劉飛濤丨EDC電驅(qū)未來

帶式與鏈?zhǔn)綗o級變速器是目前應(yīng)用最廣泛的兩種形式。鋼帶和傳動(dòng)鏈兩種傳動(dòng)媒介，因其結(jié)構(gòu)、邊界要求以及承載能力的不同，影響變速器的整體設(shè)計(jì)，需要在變速器開發(fā)的初期階段確定。本文論述了鋼帶和傳動(dòng)鏈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與傳動(dòng)特點(diǎn)，可應(yīng)用于無級變速器帶輪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型。

變速器是衡量汽車經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性及油耗的重要指標(biāo)之一，自主研發(fā)具備最佳性能的變速器是汽車行業(yè)的主要課題之一。目前常見的變速器有：手動(dòng)變速器（MT）、自動(dòng)變速器（AT）、雙離合變速器（DCT）和無級變速器（CVT）。其中，無級變速器與其他幾類有級變速器的明顯區(qū)別是可以連續(xù)改變傳動(dòng)比，在整個(gè)變速過程中實(shí)現(xiàn)連續(xù)、無間斷的無級變速，使車速變化平穩(wěn)，避免了有級變速的換檔頓挫與換檔響應(yīng)延遲問題。

無級變速器的特點(diǎn)

1.整車動(dòng)力性

無級變速器最為顯著的特點(diǎn)是速比可以連續(xù)無級地變化，換檔舒適平順，較裝配MT、DCT和AT的車型，乘坐舒適性大大提高，相對于有級變速器具有明顯的優(yōu)勢。如圖1所示為CVT和AT車速變化時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化波動(dòng)，由曲線波動(dòng)范圍可以看出CVT車速改變時(shí)對于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化波動(dòng)范圍較小，而AT隨著車速變化對于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化波動(dòng)影響較大。

2.燃油經(jīng)濟(jì)性

圖1 CVT和AT車速變化時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化

CVT能夠在較寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級變速，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系與發(fā)動(dòng)機(jī)特性的最佳匹配，使發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在燃油經(jīng)濟(jì)區(qū)域，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)燃油效率，從而提高整車的燃油經(jīng)濟(jì)性。

3.結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性

相對于有級變速器，CVT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單,也更有利于輕量化、小型化設(shè)計(jì)。CVT不需要多組齒輪組傳動(dòng)，既沒有MT的眾多齒輪副，也沒AT復(fù)雜的行星齒輪組，而是通過一組可變直徑的傳動(dòng)輪和傳動(dòng)帶來傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩輸出。CVT傳動(dòng)系統(tǒng)的零件數(shù)量相較于AT、MT和DCT更少，使變速器成本降低20%以上。

帶式無級變速器

1.鋼帶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

如圖2所示，帶式無級變速器的鋼帶是由400多片鋼片和兩組鋼環(huán)組成，每片鋼片厚度約為1.5～1.8 mm，每組鋼環(huán)由9片或12片厚度為0.18 mm的薄環(huán)帶無縫疊合組成。鋼環(huán)的作用是約束鋼片，提供預(yù)緊力，并正確引導(dǎo)鋼片運(yùn)動(dòng)。鋼帶是一套非常精密的組件，鋼環(huán)的材料冶煉難度大，國內(nèi)尚無該材料冶煉經(jīng)驗(yàn)，工藝精度要求極高。

帶式CVT的鋼帶承載能力取決于鋼環(huán)強(qiáng)度，可傳遞的轉(zhuǎn)矩有限，目前常用的轉(zhuǎn)矩范圍為150～280 N·m，超出280 N·m的應(yīng)用較少。

2.帶式CVT帶輪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 鋼帶

帶輪系統(tǒng)是無級變速器CVT的核心部分，由主、從動(dòng)帶輪軸總成和鋼帶組成，如圖3所示。鋼帶兩端繞在一組主、從動(dòng)帶輪上，通過油壓變化推動(dòng)主、從動(dòng)可動(dòng)帶輪軸向移動(dòng)。當(dāng)動(dòng)力傳到主動(dòng)帶輪上，在液壓控制系統(tǒng)作用下，主動(dòng)帶輪油缸內(nèi)的油壓推動(dòng)主動(dòng)帶輪沿主動(dòng)帶輪軸軸向移動(dòng)，產(chǎn)生軸向夾緊力；軸向夾緊力作用在鋼帶的鋼片V形側(cè)邊，與帶輪產(chǎn)生摩擦力向前帶動(dòng)鋼片，使后面的鋼片擠壓前面的鋼片，在二者之間產(chǎn)生擠推力；由于鋼帶的帶長一定，在鋼帶張力的作用下，鋼帶推動(dòng)從動(dòng)帶輪可動(dòng)錐盤，產(chǎn)生軸向移動(dòng)；當(dāng)主、從動(dòng)可動(dòng)帶輪沿著帶輪軸做軸向移動(dòng)時(shí)，鋼帶在主、從動(dòng)帶輪上的回轉(zhuǎn)半徑發(fā)生變化，速比隨之發(fā)生改變。

鏈?zhǔn)綗o級變速器

鋼帶式和鋼鏈?zhǔn)紺VT其主要區(qū)別是使用的傳遞媒介不同，傳遞轉(zhuǎn)矩的原理略有差異。鋼帶式CVT是通過鋼片側(cè)面與帶輪錐面間的摩擦力傳遞轉(zhuǎn)矩，整齊排列在鋼環(huán)上的鋼片推動(dòng)鋼帶傳動(dòng)；而鏈?zhǔn)紺VT則是通過鏈銷側(cè)面帶輪錐面間的摩擦力傳遞轉(zhuǎn)矩，通過鏈銷連接的鏈片之間的拉力拉動(dòng)傳動(dòng)鏈傳動(dòng)。

但無論是鋼帶還是鋼鏈?zhǔn)綗o級變速，控制變速系統(tǒng)傳動(dòng)比的原理是一致的，都是通過油壓推動(dòng)帶輪執(zhí)行缸，改變鋼帶或傳動(dòng)傳動(dòng)鏈的工作半徑，實(shí)現(xiàn)速比的連續(xù)變化。

1.傳動(dòng)鏈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

鏈?zhǔn)綗o級變速器是用金屬傳動(dòng)鏈作為傳遞媒介，傳動(dòng)鏈由鏈片和鏈銷組成，鏈片分為長鏈節(jié)鏈片和短鏈節(jié)鏈片，按照特定的排列組合順序疊加，利用一對鏈銷將組合的鏈片串聯(lián)在一起，共同構(gòu)成鏈?zhǔn)阶兯傧到y(tǒng)。

由于鏈片的節(jié)距與鋼片差距很大，極易產(chǎn)生多邊形效應(yīng)，產(chǎn)生共振及噪聲。采用不同節(jié)距的鏈片組合，能夠有效避免相同節(jié)距時(shí)發(fā)生共振的情形，減小多邊形效應(yīng)，降低傳動(dòng)噪聲，提高CVT的整體性能。為改善噪聲問題，鏈?zhǔn)紺VT通常需要加裝導(dǎo)鏈板，減小傳動(dòng)鏈振動(dòng)帶來的噪聲問題。

2.鏈?zhǔn)紺VT帶輪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

鏈?zhǔn)綗o級變速器的變速原理與鋼帶式CVT相同，是利用傳動(dòng)鏈在帶輪上直徑的變化來進(jìn)行無級變速。與帶式CVT帶輪系統(tǒng)不同的是傳動(dòng)鏈的鏈節(jié)之間是通過鏈銷柔性連接的，該特點(diǎn)使其可以獲得更小的工作半徑，更有助于整機(jī)的小型化和輕量化。但同時(shí)這種柔性連接使傳動(dòng)鏈傳遞的穩(wěn)定性下降，產(chǎn)生振動(dòng)及噪聲，需加裝導(dǎo)鏈板進(jìn)行導(dǎo)向固定。

鏈 式 CVT結(jié)構(gòu)緊湊，承載能力較鋼帶大，適用于大轉(zhuǎn)矩CVT。上汽通用汽車的CVT變速器是國內(nèi)首款采用傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)的無級變速器。

圖3 鋼帶——帶輪系統(tǒng)

帶式與鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)的差異

1.帶式與鏈?zhǔn)綗o級變速器的速比帶寬對比

最大速比（LOW）和最小速比（OD）是影響汽車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的重要參數(shù)。最小速比與汽車的最高車速有關(guān)，一定程度上，較小的速比有利于汽車百公里油耗的降低；而最大速比與車輛的加速性能、爬坡性能和最小穩(wěn)定車速有關(guān)。在一定程度上，增大最大速比有利于汽車動(dòng)力性的改善。

如圖4所示，鋼帶的運(yùn)轉(zhuǎn)半徑范圍是由鋼片尺寸決定的，鋼片肩部以下1 mm位置是鋼帶的節(jié)線位置，即鋼帶的運(yùn)轉(zhuǎn)半徑。傳動(dòng)鏈的運(yùn)轉(zhuǎn)半徑范圍是由鏈銷尺寸決定的，鏈銷的近似中心位置為傳動(dòng)鏈的節(jié)線位置，即傳動(dòng)鏈的運(yùn)轉(zhuǎn)半徑。傳動(dòng)鏈節(jié)線上部的尺寸較鋼帶小，從而可獲得更大運(yùn)轉(zhuǎn)半徑。此外，鋼帶受限于鋼環(huán)本身的彎曲應(yīng)力，其最小運(yùn)轉(zhuǎn)半徑受到一定限制，而傳動(dòng)鏈的柔性連接則不需要考慮最小半徑的限制，因此，傳動(dòng)鏈能獲得更寬的速比范圍。

以某款CVT180變速器為例，對帶式與鏈?zhǔn)降乃俦葞掃M(jìn)行比較。對于轉(zhuǎn)矩180 N·m左右的CVT變速器，通常選用節(jié)線寬度為24 mm的鋼帶與傳動(dòng)鏈，即兩種形式的帶輪傳動(dòng)系統(tǒng)，鋼帶和傳動(dòng)鏈設(shè)計(jì)選型所選用的軸向尺寸是一致的，但因鋼帶和傳動(dòng)鏈本身結(jié)構(gòu)不同，在帶輪中心距一致的情況下，兩者的最大和最小轉(zhuǎn)動(dòng)半徑會有差異，從而導(dǎo)致速比帶寬不同。

同轉(zhuǎn)矩、中心距條件下，帶式與鏈?zhǔn)綆л喯到y(tǒng)所能達(dá)到的速比帶寬見表所示，鏈?zhǔn)捷^帶式速比范圍增大約6.3%。

2.帶式與鏈?zhǔn)綗o級變速器的效率對比

帶式無級變速器，當(dāng)鋼帶運(yùn)轉(zhuǎn)半徑縮小時(shí)，鋼環(huán)內(nèi)側(cè)與外側(cè)的半徑差相對擴(kuò)大，鋼環(huán)之間發(fā)生相對滑動(dòng)，導(dǎo)致摩擦損耗增加；而在速比為1時(shí)，兩帶輪運(yùn)轉(zhuǎn)半徑一致，鋼環(huán)間相對靜止，滑動(dòng)摩擦較小，摩擦損失較小。因此，在小轉(zhuǎn)動(dòng)半徑的低速檔和高速檔，帶式CVT傳動(dòng)效率較低；隨著轉(zhuǎn)動(dòng)半徑的增大，在1速比位置時(shí)，傳動(dòng)效率達(dá)到最高。

鏈?zhǔn)綗o級變速器，傳動(dòng)鏈在小工作半徑運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其內(nèi)應(yīng)力相比鋼帶的彎曲應(yīng)力小，功率損失較小。鏈銷之間為圓弧接觸，能夠產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)趨勢，形成相對滾動(dòng)摩擦，減小傳動(dòng)鏈系統(tǒng)的內(nèi)磨擦損耗，可以提高傳動(dòng)鏈系統(tǒng)傳遞效率。

表 帶式與鏈?zhǔn)剿俦葞?/p>

圖 4 鋼帶與鏈條截面

圖5 效率測試條件

圖6 帶式與鏈?zhǔn)降腘VH對比

圖7 鏈?zhǔn)紺VT增加導(dǎo)軌降噪

以某款CVT180變速器為例，對帶式與鏈?zhǔn)降膫鲃?dòng)效率進(jìn)行比較。測試條件如圖5。

結(jié)果顯示，鏈?zhǔn)脚c帶式CVT的效率在速比1時(shí)近似，在車輛向高速檔變速時(shí)，鏈?zhǔn)紺VT效 率 較 帶 式CVT高2.27%～5.53%；在車輛向低速檔變速時(shí)，鏈?zhǔn)紺VT效率較帶式CVT高1.38%～4.27%，且隨著轉(zhuǎn)矩的增大，鏈?zhǔn)脚c帶式CVT效率的差值增大。

3.帶式與鏈?zhǔn)綗o級變速器的噪聲對比

帶式CVT因鋼帶的鋼片數(shù)目多，鋼片節(jié)距小，傳動(dòng)過程中的多邊形效應(yīng)較小，不易引起振動(dòng)和噪聲；而鏈?zhǔn)紺VT因鏈節(jié)之間的節(jié)距較大，多邊形效應(yīng)較大，更容易產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。因此，帶式CVT具備更佳的NVH性能，如圖6所示。鏈?zhǔn)紺VT通過加裝導(dǎo)軌、隔音罩等附件，能夠獲得一定的降噪效果，如圖7所示。

總結(jié)

帶式與鏈?zhǔn)綗o級變速器的特點(diǎn)如下：在轉(zhuǎn)矩能力方面，鋼帶的主要應(yīng)用范圍在150～280 N·m，目前市場大轉(zhuǎn)矩CVT（＞300 N·m）以鏈?zhǔn)骄佣啵瑐鲃?dòng)鏈較鋼帶具有明顯優(yōu)勢。

在速比帶寬上，傳動(dòng)鏈的高度尺寸較鋼帶小，且傳動(dòng)鏈的最小運(yùn)轉(zhuǎn)半徑可以比鋼帶更小，在帶輪系統(tǒng)中心距一致的情況下，可以實(shí)現(xiàn)更寬的速比范圍。

在效率方面，理論分析與測試顯示，傳動(dòng)鏈在高傳動(dòng)比和低傳動(dòng)比時(shí)，效率較鋼帶有明顯提升。鋼帶在起步和高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的傳動(dòng)效率較低，為提高效率，可增大鋼帶的最小工作半徑，使鋼帶運(yùn)行在高效率區(qū)間。

在噪聲方面，鋼帶的小節(jié)距鋼片結(jié)構(gòu)使帶式CVT的NVH特性更佳。

審核編輯：湯梓紅