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CVT(无级变速器)的组成及工作原理和特点

CVT的全称是Continuously Variable Transmission,即无级变速器。CVT能够实现连续无级变化的传动比,可以发挥发动机的最佳性能,是一种理想的传动形式。

CVT(无级变速器)的组成及工作原理和特点CVT(无级变速器)的组成及工作原理和特点

CVT无级变速器的类型
无级变速器按结构和传动方式可分为电力式、液力式和机械式三种。其中,电力式和液力式无级变速器因为成本高、效率低、结构复杂等原因没有得到广泛的应用;而机械式与前两种相比,具有结构简单紧凑、成本低、操纵方便等优点而成为目前主流的选择。所以,我们下面所提到的CVT都是指金属带传动的机械式无级变速器。

CVT(无级变速器)的组成
CVT主要包括主动轮组、从动轮组、金属带和液压泵等基本部件。
金属带式CVT的基本结构。它一般由起步离合器、行星齿轮机构、无级变速机构、控制系统和中间减速机构组成。

(无级变速器)剖面图

CVT(无级变速器)的组成及工作原理和特点

1. 扭转减震器/飞轮 2. 油泵 3.后退离合器 4.行星机构 5.前进离合器 6.钢带 7.主动锥轮 8.从动锥轮 9.中间轴 10.差速器

(1) 起步离合器:

起步离合器的主要作用是使汽车以足够大的牵引力平顺地起步,提高驾驶舒适性,必要时切断动力传输。目前用于汽车起步的装置主要有三种:湿式离合器、电磁离合器和液力变矩器。

(2) 行星齿轮机构:CVT的行星齿轮机构用以实现前进档和倒档之间的切换操作,采用双行星齿轮机构,行星架上固定有内、外行星齿轮,其中,外行星齿轮和齿圈啮合,内行星齿轮和太阳轮啮合。前进档时,太阳轮主动旋转,行星架随太阳轮同速旋转,即整体同步旋转;倒档时,太阳轮主动旋转而齿圈不动,此时行星架与太阳轮反向旋转。

(3) 无级变速机构:

无级变速机构由金属传动带、主动轮组、从动轮组组成。其中,主动轮组和从动轮组都由可动锥盘和固定锥盘组成。

CVT(无级变速器)的组成及工作原理和特点

(4) 控制系统:

控制系统是用来实现CVT传动比无级自动变化的,多采用机—液控制系统或电—液控制系统。机—液控制系统主要由油泵、液压调节阀(用以调节传动比和传动带与轮之间压紧力)、传感器(油门和发动机转速)、主从动轮的液压缸及管道组成;而电—液控制系统则是在机—液控制系统的基础上加装了一些电子控制单元、电磁阀和传感器组成的,提高了对CVT控制的效率和精确度。

(5) 中间减速机构:

由于CVT可以提供的传动比变化范围为2.6-0.445左右,不能完全满足整车传动比变化范围的要求,因而设有中间减速机构。经过中间减速机构可以将CVT的传动比变化范围调整到0.8-5.0左右。

CVT的工作原理
金属带式CVT的工作原理。

金属带式CVT主要是通过改变主、从动轮和金属带的接触半径(即工作半径)来实现传动比的连续变化的。前面已经讲过,主、从动轮组都由可动锥盘和固定锥盘组成,可动锥盘可以在主、从动轴上沿轴向移动。可动锥盘与固定锥盘之间形成的V型槽与V型金属带相啮合。主动轮组的油缸控制主动轮组的可动锥盘沿轴向移动时,主动轮组一侧的金属带随之沿V型槽移动,由于金属带的长度固定,因此从动轮组一侧的金属带则沿V型槽向相反的方向移动,从动轮组的油缸此时则控制从动轮组的可动锥盘沿轴向移动,以保持金属带的张紧力,保证来自发动机的动力得到高效可靠的传递。金属带沿V型槽方向移动时,其在主动轮组和从动轮组上的回转半径发生变化,从而实现传动比的连续变化。

CVT(无级变速器)的组成及工作原理和特点

CVT变速示意图

无级变速器基本原理
VT2-VT3由很多组件组成,根据相应功能可将这些组件分为三组。
第1组-机械传动装置
此部件的功能是提供机械传动和扭矩传递。
第2组-控制系统
与控制系统相关的组件。根据载荷条件和驱动要求,控制系统保证变速器传递动力并在适当时刻改变传动比。
第3组-外部连接装置

与变速器外部相连的一些组件。在这些组件中,有些位于变速箱内或与变速箱相连,还有一些组件是整个系统的组成部分,但它们分布在车辆的其它部位。

第1组-机械扭矩传递
行星机构
行星机构使得变速器能够提供前进、后退两个方向的驱动力矩。发动机提供的扭矩通常通过行星架上的输入轴传递给变速器。接合前进方向的多片离合器可使行星架直接连接到太阳轮上,此时通过啮合,行星架和太阳轮成为一个旋转整体,发动机转矩直接传递到主动轮上。行星齿轮并不传递任何扭矩,因此行星机构不存在机械损失,并且主动轮的旋转方向将与发动机的旋转方向一致。这就是前进模式。

倒车模式中,接合倒车多片离合器可以使行星机构中的齿圈保持静止,行星架驱动三对行星齿轮组使得太阳轮反向旋转,此时齿轮组传动比为1:1.1,将会出现微小的减速增扭以补偿行星机构的摩擦损失。

CVT(无级变速器)的组成及工作原理和特点
1. 行星轮 2. 输入轴 3. 太阳轮 4. 齿圈
行星机构

多盘离合器

共有两组多片湿式离合器:一组用于前进,一组用于后退。每组离合器有三个摩擦盘共有6个摩擦面。液压系统控制离合器使车辆任何节气门开度时都能平稳向前运动,驱动齿轮啮合时,控制离合器的接合量还可使车辆停车。冷却油直接冷却离合器盘防止摩擦表面过热。

CVT(无级变速器)的组成及工作原理和特点

1. 前进离合器组2. 后退离合器组

图:行星机构中的离合器

锥轮和钢带
CVT的主要设计特征是一对“V”形锥轮由一条钢传动带连接。主动轮和从动轮中心距为155mm。每个锥轮都分为两半:一半固定,一半沿轴向滑动,两者的倾斜度都为11°。24mm宽”Van Doorne”推式传动带用于在轮间传递扭矩(如果要使用更大的扭矩值,可以使用30mm的传动带)。用喷嘴通过喷油射流的方式润滑并冷却传动带。为了缩小换档时传动带的角度误差,将两个移动的半轮置于两者的对角线位置,再把每个移动的半轮连接到液压缸/活塞上。液压由控制系统控制。球形花键防止移动半轮相对它们的固定半轮转动。
因为太阳轮由花键联接在主动锥轮上,所以行星齿轮组传送的扭矩可直接作用于主锥动轮。钢传动带将动力从主动锥轮传送到从动锥轮,然后动力又从从动锥轮传送到中间齿轮轴。
从动轮的扭矩和速率由传动带的位置决定。设计两个转轮的尺寸,使其可以提供 2.416:1-0.443:1的传动比,最大传动比是最小传动比的5.45倍。超速传动比时油耗最低。

传动钢带包括450片钢片和24根钢带固定到一起,每边12根钢带。

CVT(无级变速器)的组成及工作原理和特点

1. 钢带2. 钢片

图:传动带

中间轴

中间轴(小齿轮轴)使从动锥轮和差速器间的两个啮合在一起的螺旋状齿轮组减速,这样可以保证传动轴按照正确方向旋转。从动锥轮和驱动轴之间的减速很大程度改进了车辆性能。中间轴由位于离合器壳内和独立轴承座内的两个圆锥轴承固定。

CVT(无级变速器)的组成及工作原理和特点

1. 主动锥轮轴传动齿轮2. 差速器冠状齿轮3. 传动小齿轮
4. 变速中间齿轮5. 从动锥轮轴齿轮
图: 齿圈和中间齿轮

差速器

与手动变速器一样,冠状轮上扭矩通过差速器传送到车轮,冠状轮由8个螺栓固定到差速器壳内,传动轴由传统的球笼式万向节和密封垫固定到差速器内。圆锥轴承用来固定差速器。

CVT(无级变速器)的组成及工作原理和特点

1. 差速器轴承2. 差速器壳体3. 差速器十字轴4. 差速器行星轮5. 差速器冠状齿轮
图:差速器总成

传动比变化
传统行星机构自动变速器的传动比级数有限,通常为四、五或六级,但无级变速器却不同,正如其名所示,无级变速器的传动比是连续变化的。低速档(低传动比)使静止的车辆更容易起步,主动锥轮的直径相对较小,但从动锥轮的直径相对较大。传动带用于传送动力和扭矩,如果通过增加主动锥轮的直径、缩小从动锥轮的直径的方式来选择高速比,就能产生加速度。通过控制变化程度确保最适当的传动比。
无级变速器有主动锥轮和从动锥轮两个转轮,每个锥轮都由两半组成,一半固定,一半通过液压控制可以移动。传动带在转轮上的位置可以确定传动比。如果移动半轮靠近相应的固定半轮,那么传动带将向其外周移动。两半锥轮分离时,该轮周就会变小,主动锥轮和从动锥轮的移动半轮处在各自的对角线位置,此时主动锥轮上的传动带半径缩小,而从动锥轮上的传动带半径增加。

车辆起步需要低传动比,为此,主动锥轮分开使传动带贴于其上,并使得传动带绕闭合的从动锥轮外周运动。车速提高时需要高传动比,为此,主动锥轮的移动半轮逐渐向相应固定半轮靠近,锥轮的轮周增大,同时,从动锥轮被迫分离,半径减小,于是产生较高的传动比。当主动锥轮完全闭合、从动锥轮完全分开时产生超速档的传动比。主动锥轮和从动锥轮约以1:2.5的传动比转动。

CVT(无级变速器)的组成及工作原理和特点

图: 低档时转轮位置
1 发动机输入
2 输出到车轮
3 最小直径传动轮(低速)
4 最大直径从动轮(低速)
CVT(无级变速器)的组成及工作原理和特点
图:高档时带轮位置(超速)
1 发动机输入
2 输出到车轮
3 最小直径传动轮(超速)
4 最大直径从动轮(超速)

选档杆处于空档或驻车档
该状态下,倒车离合器(2)和前进离合器(4)分离,不能使车轮运动。
– 变速器输入轴(1)与发动机的转速相同。
– 后退离合器(2)分离。
– 前进离合器(4)分离。
– 行星轮(3)绕太阳轮空转。
– 太阳轮不动,主动轮(5)、从动轮(7)以及车辆也都保持不动。

CVT(无级变速器)的组成及工作原理和特点

图:变速器扭矩传动机构

1. 输入轴2. 后退离合器3. 行星齿轮4. 前进离合器5. 主动轮6. 传动钢带7. 从动锥轮

选档杆处于倒车档
该状态下,后退离合器(2)接合,齿圈(9)锁定在变速器壳内。行星轮(3)使得太阳轮(10)、主动轮(5)和从动轮(7)的转动方向与变速器输入轴(1)相反。
现在倒车档已选定。
– 变速器输入轴(1)与发动机转速相同。
– 倒车离合器(2)接合。
– 前进离合器(4)分离。
– 齿圈(9)通过后退离合器(2)与变速器箱体连接

– 变速器输入轴(1)直接传动的行星齿轮(3)使其环绕齿圈旋转,从而驱使太阳轮(10)、带轮(5)和从动锥轮(7)反向转动。

CVT(无级变速器)的组成及工作原理和特点
图: 变速器扭矩传动机构
1. 输入轴2. 后退离合器3. 行星轮4. 前进离合器5. 主动锥轮6. 驱动钢带7. 从动锥轮8. 从动锥轮9. 齿圈10. 太阳轮

第2组-控制系统
控制系统功能如下:
1. 使钢传动带张力的夹紧力与发动机的扭矩相适应,防止带打滑。2. 驾驶时控制前进离合器和后退离合器。3. 为行车提供最佳传动比。4. 为变速箱提供必需的润滑油和冷却油。
1.3.2
油泵
变速器内的油泵为外啮合齿轮泵,发动机驱动油泵轴,油泵轴通过空心的主动锥轮轴到达油泵内部。泵轴用花键联接到行星齿轮架上,该泵轴一直以发动机转速运转,泵油量约为10 cm³/转。系统压力取决于输入扭矩,可达40-50bar.

CVT(无级变速器)的组成及工作原理和特点

图:油泵全图
1. 油泵驱动轴2. 油泵总成

油压既用于变速器液压控制,也起到润滑作用。

CVT(无级变速器)的组成及工作原理和特点

图:油泵进口
1. 油泵进口2. 油泵油封

变速器控制装置
变速器控制装置使得传动带和转轮间的张紧力最小却不打滑,同时也根据驾驶策略给定的目标值提供传动比大小(根据变速器的输入(主动)和输出(从动)转速计算)。在使用寿命内,控制装置的性能衰退会保持在一定范围内,而不会明显影响车辆舒适性和传动带张紧力。
张紧力控制装置
张紧力控制装置能够得到传动带不打滑时所需要的最小张紧力,这样对变速器传动效率影响最小,从而油耗最低。
除正常驾驶外,张紧力控制装置也考虑到了变速器扭矩最大输入、输出时的特殊情况,从而最大程度保护变速器。控制装置考虑到防抱制动系统(ABS)制动、轮胎抱死(无ABS时)以及其它驱动力控制系统(如ESP、防滑控制装置等)。此外,该装置还考虑了特殊路面和情况,如通过坑洼路面、路肩、高低附着系数转变、轮胎滑移(如在低附着系数路面上)。
软件能比较变速器扭矩的传动性能和变速器的预计输入扭矩。当张紧力控制装置发现张紧力不足时,ECU收到减小扭矩的指令,从而将发动机扭矩调整合适范围内。该功能也能保护变速器。
如果汽车上没有电子驱动线路系统,ECU通过CAN总线传输扭矩信号,如果没有CAN总线,变速器控制系统(TCU)软件自身则产生默认的扭矩信号。
速比控制装置
变速器通过控制输入、输出压力来平衡主动锥轮和从动锥轮上的压力,从而控制传动比。根据主动锥轮和从动锥轮转速传感器信号可以计算出传动比,并可改变输出压力得到需要的传动比。最小压力可通过张紧力方法确定。变速器的物理模型有助于迅速将压力液位调整到变量工作点。控制软件也考虑到了来自变速器其它组件的干扰,因此开发该软件也是为了尽量降低延时误差和目标速比误差等(为了提高燃油经济性)。
为了确保满足变速器机械和耐久性极限状态的要求,我们制定了一些极限状态下的驾驶策略。除车速限制外,还通过软件使传动比变化率(设定点)在允许的范围内。此外软件也避免了发动机速率因车辆速度和档位杆状况(POS)变化超出一定极限。为了实现这一限制条件,软件将要求减小发动机扭矩或使行驶汽车换入高档。
变速器控制单元
控制变速器的软件集成于TCU(变速器控制单元)内。TCU安装在驾驶室内。

第3组-外接装置
油冷器接口
变速器壳前面有两个冷油器的管接头。一个冷油器进口安装在发动机散热器的旁边,使润滑油的温度保持在120°C以下。
变速箱中的油从右边的口流出,这个口应该与油冷器的下面的接口相连 。

油冷器的油从变速箱左边的口进入变速箱,所以变速箱左边的接口应该与油冷器的上面接口相连。

CVT(无级变速器)的组成及工作原理和特点

图 : 油冷却器管接头

选档杆
VT2-VT3变速器的换档位可能包括停车档(P)、倒车档(R)、空档(N)、前进档(D)和运动模式(S)。
客户可自己定制选档杆的配置。为了安全起见,建议应用换档锁定装置作为起动保护。
无级变速箱也可以实现手动模式,这就需要在TCU上要增加新的针脚来接收信号,同时需要标定发动机的最大转速在一定的范围之内。

主连接器

CVT(无级变速器)的组成及工作原理和特点

图:变速箱上的线束

主连接器位于变速器壳上,包括16个针脚。线束通过圆形连接器连接。
扭转减震器
多数传统自动变速器都使用液力变矩器连接发动机和输入轴,但本变速器则使用了扭转减震器,但扭转减震器并非变速器的组成部分。邦奇强烈推荐使用又称为双质量飞轮的扭转减震器。

CVT的特点
由上述CVT的组成及工作原理,不难得出它具有以下特点:
① CVT可以在相当宽的范围内实现无级变速,从而获得传动系与发动机工况的最佳匹配,提高整车的燃油经济性。
② 汽车的后备功率决定了汽车的爬坡能力和加速能力。汽车的后备功率愈大,汽车的动力性愈好。由于CVT的无级变速特性,能够获得后备功率最大的传动比,所以CVT的动力性能明显优于其它变速器。
③ CVT的速比工作范围宽,能够使发动机以最佳工况工作,从而改善了燃烧过程,降低了废气的排放量。
④ 由于CVT的速比变化是连续不断的,所以汽车的加速或减速过程非常平缓,而且驾驶非常简单、安全。
⑤ CVT属于摩擦传动,所能传递的最大功率收摩擦力矩的限制,由于是摩擦传动,其效率也不高,这些也是带式CVT的技术难点。

由于受所能传递的最大功率的限制,目前CVT多用在排量较小的车型上。

CVT变速器和传统自动变速器的区别
CVT变速器和传统自动变速器的最大区别是它省去了复杂而又笨重的齿轮组合变速传动,而只用了两组锥轮进行变速传动。通过改变驱动轮与从动轮传动带的接触半径进行变速,由于CVT可以实现传动比的连续改变,从而得到传动系与发动机工况的最佳匹配,提高整车的燃油经济性和动力性,改善驾驶员的操纵方便性和乘坐舒适性,
所以它是理想的汽车传动装置。使用该种自动变速器有如下优势:
– 在恒定车速情况下发动机转速较低;
– 改进排放控制/降低燃料消耗;
– NVH(噪音、振动、刺耳声)小;
– 加速平稳;
– 在山区道路上驾驶灵活;
下图中给出了手动或常规自动变速器和无级变速器的传动比变化对比图。常规自动变速器(传动装置)的传动比为一系列固定数值。
当变速器换入高档时,第一张图所示的传动比将根据节气门开度大小沿着粗实线或虚线变化。而使用无级变速器,可以得到如第二张图所示传动比变化图,两个变速器的换档点都与驾驶员施加的节气门开度有关。
当节气门开度变大时,发动机转速升高,变速器换入高档;如使用传统变速器发动机转速将明显下降,而使用无级变速器发动机转速却不会下降。无级变速器可在发动机转速不变的情况下通过移动锥轮换入高档。此外,我们还可以选用其它换档策略,这将有助于无级变速器新用户更快的接受它。

CVT(无级变速器)的组成及工作原理和特点CVT(无级变速器)的组成及工作原理和特点

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