電子技術讓CVT的可靠性和扭矩傳遞能力更好(圖)

   近幾年來，汽車新技術如雨后春筍般誕生著，每一項新技術都推動著來年汽車新結構的出現。不過，由于種種原因，這些新興技術并沒有得到充分的應用，CVT便是其中一個沒有得到很好利用的技術發(fā)明。CVT在40年前首先應用于德國制造的極小型的DAF轎車，該變速器的優(yōu)點得到過許多汽車技術人員的認可，但人們還只是在低速擋車中才將其看作為主流的變速器。
   但是，這種局面目前已經得到了很大的改觀。福特公司在2004年夏推出的Five Hundred、Mercury Montego和Freestyle這三款新轎車中，都采用了CVT。而且，CVT還將應用于大批車輛上，這些車輛的發(fā)動機的輸出扭矩高達346N·m。在其它汽車生產廠商已經開始生產CVT的同時，福特公司的這一舉措無疑將是發(fā)展?jié)摿�巨大的CVT技術的一個重大突破。
   福特公司并不是唯一一家將CVT應用到大功率汽車上的生產廠家。在日產公司生產的V形六缸發(fā)動機驅動的Murano轎車上，CVT是廠商提供給消費者的唯一變速器。本田公司則是繼續(xù)生產Multitronic變速器，奧迪A4和Mini Cooper都可以選擇安裝CVT。另外，豐田公司的Prius和本田公司的Insight也都裝配了CVT。
   當人們設想著將無級變速器與更大功率發(fā)動機相匹配并大規(guī)模地投入市場的時候，市場上就已經出現了一些其它的新型變速器，它們對推動傳動技術的進步起著同樣重要的作用。梅賽德斯公司正在生產一種新型的7速自動變速器，而奧迪公司生產的則是電子離合器、手動切換變速器。福特和通用公司正致力于開發(fā)一種能夠互用的普通6速自動變速器，這種變速器將分別應用于這兩個品牌的汽車上。
 在過去10多年中，微電子和信息技術突飛猛進的發(fā)展及其在傳統(tǒng)工程領域的廣泛應用，特別是它們在汽車產品中的深度應用，使許多人們長期以來所期望但一直沒有實現的技術目標最終都變成了現實。車載電子控制部件、傳感器技術和控制軟件的應用，使得那些正在發(fā)展的技術得到長足的進步，從而為滿足主流市場的需求做好了充分的技術儲備。
   技術改進后的汽車變速器比傳統(tǒng)的變速器在性能上有了很大的提高，其基本優(yōu)勢很長一段時間以來就得到了人們的認可。事實上，像汽車發(fā)動機這類內燃機，在其正常工作時，只有它的轉速在一個相當狹窄的變化范圍內時才會具有最好的效率。汽車上綜合運用了各種各樣的先進技術，也許你以為汽車之所以擁有如此優(yōu)良的性能，完全是因為發(fā)動機能夠滿足從空轉到滿載時的所有要求，因此你也就從來不需要為你的發(fā)動機操心。單純從機械角度來看，發(fā)動機確實能夠提供足夠的動力，但是從汽車燃油經濟性、排放性能和可靠性等方面來看，發(fā)動機工作得就不那么盡如人意了。例如，要想同時達到最好的排放和燃油經濟性，發(fā)動機工作時其轉速的動態(tài)變化范圍就不能超過1000 r/min。
   就結構復雜程度而言，新一代的CVT的零部件數量只有同類自動變速器的一半。對于機械產品，越簡單的結構就意味著越低廉的成本和越優(yōu)良的可靠性，因此從這個意義上來說，使用新一代的CVT是很有好處的。在CVT內，扭矩轉換系統(tǒng)不是必要的，這一部分的取消對精簡機構起到了主要作用。如果從大小尺寸上來衡量，一臺CVT的大小和重量簡直就跟一套標準的五速手動變速器差不多。很明顯，變速器的重量減少一半將直接影響車輛的燃油經濟性。

   在常規(guī)的變速器中一般有3或4個不同的齒輪傳動比，這樣就可以在發(fā)動機轉速變化不大的情況下輸出不同的轉速給驅動輪，以保證滿足不同車速的需要。然而這3到4個傳動比是離散的，這就意味著發(fā)動機轉速的變動范圍必須要覆蓋相當大的寬度，這樣才能使不同齒輪對之間進行切換時車速能夠連續(xù)平穩(wěn)地變化。如果有更多的齒輪傳動比可供我們使用，那么發(fā)動機的工作轉速范圍就可以縮小，我們就可以讓發(fā)動機更長時間地工作在它效率最好的轉速范圍內，這是CVT設計的出發(fā)點。雖然汽車生產商們的要求總是在改變，但普遍的一點是：使用了那些技術改進后的變速器的車輛，其燃油經濟性可以提高6%～10%——并且這不只限于CVT。還有更進一步的說法是：因為我們能夠控制發(fā)動機的轉速在一定范圍內，如果這個轉速范圍正好可以使得汽缸內的溫度比較低，那么這樣一來我們就可以抑制氮氧化物的生成，從而降低氮氧化物的排放水平。
   6速和7速變速器的好處在于，它們可以傳遞像American V8轎車那樣的大功率發(fā)動機所發(fā)出的巨大扭矩載荷。使用了新技術改進后的變速器，其齒輪傳動比范圍比老技術變速器要寬得多。一臺典型的4速自動變速器的傳動比跨度（即最大傳動比與最小傳動比的比值）在3.5:1～4.0:1之間，而福特公司的新型CVT的傳動比跨度達到了6.0:1。這樣一來，發(fā)動機轉速不用發(fā)生太大的變化就可以適應更多的車速要求。
 傳動比的跨度大又能帶來什么好處呢？從新一代的梅賽德斯7速變速轎車這個例子上，我們可以很清楚地了解傳動比跨度大所帶來的好處。大多數轎車的超速擋傳動比在15%～20%這個范圍內，而這種型號的梅賽德斯轎車的變速器超速傳動比達到了50%，也就是說，發(fā)動機每旋轉1周，這種變速器將輸出滿滿2周——這對于高速、輕載和平順路面的行駛是很有好處的。歐洲汽油的價格超過了每加侖（1加侖＝4.55L）5美元，如此昂貴，你就很容易理解人們?yōu)槭裁茨敲搓P注燃油經濟性了。也因為燃油經濟性如此重要，所以拓寬傳動比跨度讓發(fā)動機工作在一個高效低油耗的轉速范圍也就顯得意義重大了。
    當你把所有這些因素集中在一起——更好的燃油經濟性、更低的排放、更少的零部件，即使不是在今天也總有一天會實現的更低廉的成本。既然CVT具有如此多的好處，那為什么它的實際應用也只不過是不久前才實現的事呢？對此我們可能會感到非常不解，其答案就是可靠性和傳遞扭矩的限制。最初的Van Dooren CVT使用的是和V型皮帶有相同材質和結構的加固過的驅動皮帶。最開始這些皮帶的壽命只有2萬英里（1英里＝1.61公里）左右，而車輛壽命的期望值為8～10萬英里，顯然這些皮帶跟人們的理想差得太遠了。即使大眾Beetle發(fā)動機的壽命一度可以達到5萬英里，仍不能滿足人們的希望，不夠好。
   更重要的是，CVT是沒辦法升級的。你不可能簡單地制造出一種更大的皮帶，并讓它能夠同時應用于一臺6缸或8缸的發(fā)動機上。已經投入應用中的CVT都是安裝在一些小型車上，這些小型車具有相應的小排量和小的扭矩傳遞。例如，通用公司把CVT用在1.5L到2.0L的發(fā)動機上，還有在Saturn'VUE和ION轎車上使用的2.2L的Ecotech發(fā)動機上。
   改進CVT的耐久性和扭矩傳遞能力的途徑至少有兩個。第一個途徑是進一步提高變速器機械結構的集成性，這可以通過使用金屬連接帶和改進的潤滑劑來達到。在如今的皮帶系統(tǒng)內，皮帶多工作在壓縮狀態(tài)，而不是張緊狀態(tài)。這意味著事實上皮帶是在推動驅動輪而不是在拉動它。
   這些新型皮帶的發(fā)展要歸功于計算機建模技術的廣泛使用。一家叫做Abaqus的公司最近聲稱，本田公司是使用他們的軟件來模擬皮帶輪的硬度對皮帶壽命的影響。以前，都是假定皮帶輪是剛體，它們完全堅硬不會產生任何變形。但實際上當人們將真實的皮帶輪材料特性編進程序時，則發(fā)現這些皮帶輪上作用有一些彎曲應力，而這些應力在皮帶上的反作用力可能會導致皮帶錯位。計算機仿真結果還表明，如果保證皮帶輪足夠堅硬從而防止皮帶錯位的話，那么皮帶上的壓力將減小7%。
   改善CVT的耐久性和扭矩傳遞能力的第二個途徑叫做綜合傳動系統(tǒng)扭矩控制。無論什么樣的變速器，當其負載有穩(wěn)定狀態(tài)載荷時，正是那些瞬間的超載或急變可能會給整個變速器造成危害。在通用公司的VTi電控CVT中，發(fā)動機和變速器之間的扭矩管理協調算法提供給變速器全面的輸入扭矩保護。最近發(fā)表的一篇由通用公司的工程師撰寫的SAE（美國汽車工程協會）論文中說到，這種軟件可以保護皮帶輪和皮帶系統(tǒng)，使它們在循環(huán)的搖動和起伏變化中免受沖擊載荷的破壞。扭矩管理協調算法在維持必要的皮帶張緊力的前提下，通過綜合控制輸入速度和扭矩限制來發(fā)揮它對皮帶系統(tǒng)的保護作用。工程師們巧妙地將輸出扭矩管理策略，應用于牽引力失效或粗糙的路面輸入所導致的汽車輪胎速度突然增加的時候，可以用來消除慣性扭矩對皮帶的潛在危害。
   微電子技術的進一步應用，在于借助軟件來控制CVT。在通用公司的應用方案中，模糊邏輯用來確定駕駛員的意圖，在加速和穩(wěn)定運轉狀態(tài)之間做出正確的判斷。這就允許CVT在加速過程中，可以根據發(fā)動機不斷增加的轉速來提供一個相應的線性加速度，從而有效地工作。這樣就可以避免早期的CVT中存在的一種稱為低頻寄生振蕩（像摩托艇在水面上擺動）的現象。在這些設計方案中，發(fā)動機可以在皮帶輪移進和移出的時候產生臨時的加速或減速。整合節(jié)氣門控制和傳動比控制，可以提供更優(yōu)越的巡航控制，并且不會導致過高的發(fā)動機轉速，甚至在表面起伏很大的地形上也是如此。有一級制動邏輯能夠提供速度控制并能加強巡航控制的操控性，這使得行駛的速度更加精確。
   在以上的兩個例子中，我們無一例外的看到微電子技術在改進CVT中所起到的關鍵作用�？梢哉f，正是這些微電子技術在變速器中的有效應用，才使得傳統(tǒng)的車輛傳動行業(yè)又呈現出新的活力和更廣闊的發(fā)展空間。
   有些駕駛員發(fā)現，CVT有時還不能實現完全平順的換擋動作，這不免讓人產生一些不安的心理負擔。對于像日產、奧迪和寶馬這些公司已經將“撞擊工況”編入控制程序，因此駕駛員能夠感覺到CVT正在正確地“切換”齒輪呢。
   從維修服務的角度來看，維修技師需要清楚地了解兩件事：首先，給CVT加注的油液是各不相同的，也就是說，不同規(guī)格的CVT變速器都有自己的專用油液；另外，制造商推薦的CVT的維修保養(yǎng)時間間隔要比常規(guī)自動變速器的要短。你應該讓你的客戶知道，如果他希望能夠享受到廠家為CVT提供的長久的保養(yǎng)年限，即擔保的免費售后服務的話，他就必須嚴格按照推薦的時間間隔對CVT變速器進行保養(yǎng)。