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CVT无级变速箱深度剖析 (CVT优缺点)

文章出处:责任编辑:作者:人气:-发表时间:2020-06-15 22:16:00【
 AT/CVT/DCT的区别
传统变速箱分为手动变速箱和自动变速箱,其中自动变速箱又分为传统Step AT(后面简称AT),CVT,DCT和AMT。基于市场的主流需求和后续技术发展,接下来只对自动变速箱里的AT,CVT和DCT进行分析。
AT/CVT/DCT这3款自动变速箱的变速机构区别非常大,如下图1,AT以行星齿轮机构作为变速机构,CVT是钢带/钢链无级变速机构,而DCT是基于手动变速箱的平行轴齿轮结构。
图1: AT/CVT/DCT剖面图对比
这3种变速机构各有特点,同一类型变速箱,不同厂家的产品也相差较大。图2基于主流产品对这3类变速箱的特点进行对比,供参考。
图2:AT/CVT/DCT的优劣对比
从技术发展角度,AT主要是增多挡位,提升舒适性和效率。从4AT, 6AT发展到8AT,9AT和 10AT。CVT主要是加快动力响应性,提升扭矩能力和自身效率。采用无级+有级换挡兼顾驾驶舒适性和动力性,钢链式CVT增加了扭矩和效率。而DCT是提高苛刻工况下的耐久能力,提升舒适性,如增加干式DCT在频繁换挡下的耐久能力,改进换挡顿挫。总体上大家都是发挥长处,补齐短板。
目前AT的市场保有量最高。基于后续应用预测,CVT的应用有一定增加,主要原因有:1. CVT有最好的匹配性,能使动力总成的总体效率较大提升 2.消费者越来越注重驾驶感受,CVT能很好满足客户需求 3. 钢链式CVT拓宽了CVT的扭矩范围,使CVT覆盖了A/B级车这个最大的销量区间
3. CVT变速箱结构和换挡原理
接下来本文重点讲解CVT变速箱。图3说明了CVT变速箱的各主要结构,以及对应的功能,所有这些功能都是将发动机的动力,通过恰当管理,再输出到轮端。
图3:CVT变速箱结构和功能
图4是以通用钢链式CVT为例的主要结构图,其中最独特的结构是无级变速系统,这是CVT和AT/DCT相比最大的特点,也是钢链式和钢带式CVT之间最大的区别。
图4:通用CVT结构示意图
下面视频介绍了钢链式CVT的变速过程和链条结构。这是一款由LuK提供的不等长随机静音链条,由1440子零件组成,在圆周方向由90组传动销通过长/短两个节距自由串联,在宽度方向30层4种链片随机排列,同时链销采用纯滚动设计,实现效率/扭矩能力/噪音/耐久的最佳平衡。
图5:通用CVT变速箱的动力/控制总流程图
一.动力流:
如图5橙色的动力流显示,发动机动力通过液力变扭器,传递到前进挡/倒挡离合器总成,然后到锥轮无级变速系统,再通过主减/差速器总成,最终输出到轮端。
二.控制流:
 以前进挡(D挡)为例,驾驶者拨动换挡杆到D挡,把变速箱液压阀体总成内的手阀,拉到D挡位置,机械地接通D挡油路,这是一个机械信号;同时挡位位置传感器发出一个电控信号给变速箱控制器(TCM),告诉整车换到了D挡。
TCM根据内部传感器信息(油压/油温/转速/挡位共7个信息),和通过CAN总线交互从发动机/整车控制器得到的外部信息(如油门开度,车速,发动机/整车是否报故障码等信息),基于内置在TCM里的工作逻辑(控制软件)和标定参数(shift map),确定对应的换挡操作,从而向变速箱的6个电磁阀发出电控指令。
收到电流信号的电磁阀,根据电磁阀的液压/电流特性(PI curve),将电流转换为控制油压,控制油压输出到液压阀体总成推动各阀芯,打开/关闭/增大/减小各油路。
机械油泵输出的高压油,通过不同油路输出到各执行零件。如输出油压到液力变扭器离合器(TCC),控制动力输入模式是液力输入还是机械直连输入;输出油压到前进挡离合器腔体,使离合器片组结合,实现前进功能。以及输出到无级变速系统里的主动和从动油腔,推动活塞移动,改变钢链的工作半径,改变链条速比,实现挡位变化。此外,在启停工况下,发动机控制器直接输出指令给变速箱电子辅助油泵,在启停工况下由电子油泵提供一定油压,起停后实现快速起步。
通过动力流/控制流复杂多维的交互作用,确保在各复杂工况下,CVT能够传递动力和自动换挡,完美实现驾驶者的意图。
4.钢带式和钢链式CVT的对比
讲完CVT的结构和换挡原理,我们来看CVT的类型。市场上量产的CVT变速箱分为钢带式和钢链式。在主流合资品牌车型里,分别以JATCO/丰田CVT变速箱,和奥迪/通用CVT变速箱为代表。这2个不同的流派,实现无级变速的核心零部件分别是博世的推力钢带和LuK的拉力钢链。
但无论是钢带还是钢链无级变速,变速原理并无区别,都是通过油压推动锥轮的活塞缸,改变钢带或钢链的工作半径,实现速比连续变化。从整个传动架构上,也没有本质区别。图6为一款典型的钢带式CVT(Jataco CVT7)和一款典型钢链式CVT(通用CVT250)的架构对比。可以看出CVT7的输出端有一个副变速机构,分为高/低挡位;而通用CVT250的传动传动结构非常精简。为什么会这个差异,我们通过钢带和钢链的区别来讲解。
图6:钢带式/钢链式CVT的传动架构对比
从结构角度,钢带和钢链完全不一样,如图6和图7。钢带是由金属片和金属环相互叠加而成,通过金属片的依次推动,实现动力传递。
图7:钢带无级变速系统及钢带结构
如图8所示,钢链是由链片,传动销和限位销组成。动力通过由链片串联的的传动链销的拉力作用,实现动力传递。
图8:钢链无级变速系统及钢链结构
从结构角度,钢带和钢链各有特点。从技术指标的角度,钢链的优势相对较明显。
效率:钢链传动效率更高,在高速/起步阶段高1.5%-3.5%。这是由于钢链在小工作半径时,内应力相比钢带弯曲应力小,功率损失较小。传动销彼此配合的侧面,以及传动销和锥轮接触的端面,都是圆弧结构,分别实现纯滚动传动和点接触摩擦,这都提升了传动效率。
扭矩:钢链传递扭矩更大。主流钢带式CVT的扭矩180NM,钢链式CVT的扭矩250NM以上。
速比范围:钢链速比范围更大。速比范围=最大速比/最小速比,代表一款钢带或钢链的综合能力。最大速比越大,起步加速性越好;最小速比越小,燃油经济性越好。通常最大速比是最小速的倒数,意味着改变钢带或钢链的速比范围,最大速比/最小速比是对称地变化。通用CVT钢链的速比范围达到同级最大的7.01,就钢链本身而言,能同时实现最好的起步加速性和最优的燃油经济性。
扭矩密度:钢链的扭矩密度高,在同等扭矩情况下,重量和空间更小。
噪音:钢带的噪音表现更好。由于钢带的钢片与钢片之间的距离更小,也就是节距小,传动过程中的多边形效应小,因此更静音。目前越来越多的技术在不断提升钢链的NVH表现,已接近钢带的NVH水平。消费者在驾驶时,完全无法分辨这到底是钢带式还是钢链式CVT。
夹紧油压:同样扭矩和整车应用情况下,在起步加速工况,钢链的油压需求比钢链高。这是由于钢带的片组和锥面是面配合,而钢链的传动销端面是一个弧面,理论上是一个点配合。根据大速比起步时的夹紧力策略,为防止打滑,钢链需要相对较大的夹紧力。
图9:钢带和钢链的技术对比
回到图6里 CVT7和通用CVT250的传动架构对比, CVT7增加了一个副变速机构实现高低挡位的原因是:钢带在起步/高速的传动效率较低,为提高效率,增大了钢带工作时小端的曲率半径,使钢带运行在高效率区间,为此牺牲掉的速比范围,通过增加一个副变速机构找回来,在起步时副变速机构采用高挡位提高主减速比,增加动力性;在高速时采用低挡位,降低主减速比,提升经济性。这是一个很好的思路,唯一的问题是结构和控制系统变复杂了,增加的离合器会带来部分效率损失,成本增加。而通用钢链式CVT,由于在起步/高速阶段效率优势明显,速比范围大,因此可以采用最精简的传动架构,进一步提升变速箱的传动效率。
从应用角度,钢带式CVT体量更大。目前市场上CVT钢链式和钢带式的比例约为1:4。这是由于钢带/钢链不同的发展轨迹决定的,博世钢带的扭矩小,而LuK钢链扭矩大。日系选用博世的钢带,应用CVT在主流A级车上,销量远比奥迪大(搭载钢链式CVT)。同时无论是钢带还是钢链,都是最核心产品,需要在变速箱开发的最早期阶段来确定方案,一经确定一般不再更改。随着钢链的扭矩范围下探到250NM甚至180NM这一主流区间,钢链式CVT的应用在逐年增加,代表产品有通用CVT250, JATCO CVT8高功版,以及现代钢链CVT。到2025年,预计CVT钢链式:钢带式将上升为1:2。
5. CVT的效率
如前文提到,发动机效率提升已到了一定瓶颈,越来越多厂家关注变速箱的效率提升。我们常说CVT车油耗低效率高,但图2里又显示CVT和AT/DCT相比,效率较低。这似乎彼此矛盾,在这里我们重点澄清一下。我们常说的CVT效率高,是发动机匹配CVT后,发动机+变速箱这个动力总成的效率高。而CVT变速箱本身,由于钢带/钢链传动的结构特点,效率比DCT/AT低。
我们先探讨CVT自身效率较低的原因。组成CVT效率损失有几个部分:1.液力变扭器损失(起步机构) 2.钢带或钢链传动效率(变速机构)3.油泵效率4.主减齿轮效率5.离合器损失6.搅油/空转等其他损失。图10是AT/CVT/DCT的传动效率对比。和AT/DCT相比, CVT在变速机构和油泵效率上有差距。具体表现为:1.钢带/钢链的效率区间94-98%,且只短时间工作在最高效率下,而DCT平行轴式齿轮的效率最高,AT行星齿轮的效率次之。2.CVT变速箱钢带/钢链传动,需要高油压夹紧,并时刻保证足够的后备油压,防止某些瞬态苛刻工况下的钢带/钢链打滑,这就导致CVT的油泵损失比AT/DCT要大。另外,作为DCT起步机构的离合器,比AT/CVT的液力变扭器损失小。
图10:AT/CVT/DCT传动损失对比
既然CVT的效率不占优势,那么CVT车低油耗高效率是怎么实现的呢?这是因为CVT无级变速的特性,对应任何一个工况,都能在CVT速比范围内,调配到最佳速比点,使发动机工作或更靠近此工况下的最佳效率区间。而AT/DCT都只有几个固定速比,发动机受到固定速比限制,不能调配到最佳工作区间。图11是匹配AT/CVT/DCT的发动机的工作区间对比图,其中绿线是发动机最优功率线,理论上发动机沿着该线工作,效率最高。可以看出,匹配CVT能让发动机长时间工作在最佳效率区间,且该转速区间1000-3000rpm是客户最常使用的区间(占比>90%)。
 
讲到这里大家可能会有一个疑问,对发动机+CVT和发动机+DCT这2个配置,前者CVT效率低而发动机效率高,后者DCT效率高而发动机效率低,那么这2个动力总成,到底哪个燃油经济性更有优势?要回答该问题,得先看整车的效率损失分布。据《汽车理论》一书关于影响汽车燃油经济性的因素,在城市工况下,发动机的能量损耗(包括热损耗/怠速/附件损耗)约为81%,传动系损耗为5.6%;而郊区工况下发动机约为74%,传动系为5.4%。可以估算出在城市工况,发动机效率提升1%,变速箱效率要提升4%才得到相同的节油效果。在郊区工况,发动机1%对应变速箱3%。显然,发动机对油耗提升起绝对主导作用。回到之前的问题,假定CVT能提升发动机效率3%(各发动机特性不一样),且DCT比CVT的平均效率高约10%,那么DCT配置有优势;如果发动机效率提升大于3%,或DCT效率比CVT平均效率低约10%,则CVT配置有优势。基于产品不同,这2种情况在不同车上都存在。
通过上述分析,CVT在提升发动机效率的同时,进一步提升自身效率是当前的主要趋势。图13简要列举了通用CVT提升效率的技术方案。其中针对链条无级变速,上文从钢带VS钢链的角度已做详细讲解。高效减振TC,智能油泵和变速箱油自动加热,其他日系主流CVT上也有配置,区别是实现该功能的具体结构各有不同,本文不作详细介绍。
 
这里特别讲一个精细技术--自动油位控制。变速箱内约有8.4L油,主腔里的主减齿轮部分浸在油内,工作时会导致搅油损失。如图14所示,自动油位控制阀安装在副腔内,在低温时打开,主腔高油位。此时油粘度高,齿轮/轴承工作阻力和钢链摩擦损失都较高,远大于搅油损失。搅油损失的益处更多,其热量能帮助油温尽快上升。当油温上升到工作温度时,就要尽量降低搅油损失。此时自动油位控制阀关闭,副腔油位升高,多存储了一部分油,从而降低主腔油位高度,降低搅油损失。
 
CVT变速箱的控制
CVT变速箱的控制(包括软件和标定)是实现舒适性,动力性和耐久性的核心。我们都知道CVT舒适性好,换挡平顺无顿挫。这是钢带或钢链能连续改变工作半径来实现的。通过油压控制,CVT能切到速比范围内的任意速比。这是CVT和AT/DCT传动结构相比的最大特点和优点,CVT无级变速箱的名字正是由此而来。
但是无级变速并不总是优点,在需要动力的大油门工况下,如果还是无级变速,会导致加速相应慢,动力性不好。怎样解决这个问题呢?通过改进CVT的控制策略,在大油门下通过油压控制,迅速将速比切到某些特定的速比点上,从而模拟有级换挡,提高动力性。并且CVT能自动调节这些特定的有级速比点,在不同工况下,都实现最佳的动力性,满足客户的驾驶需求。所以这个模拟有级换挡,不像AT/DCT是固定的速比,而是弹性有级速比。
图15:CVT的无级/有级速比控制
CVT无级变速的特点,需要油压夹紧钢带/钢链来传递。硬件的关键是这个无级变速系统,而控制的关键是怎样确保动力平稳传递和速比变换,防止在任何工况下钢带/钢链打滑。对CVT而言,全油门加速,轮胎打滑,急刹车,坑洼路面,超低温等工况,从打滑控制的角度都是苛刻工况。通用CVT专门针对17个苛刻工况,建立苛刻工况的控制程序。根据图5示意图,变速箱内部有7个传感器时刻监控变速箱的状态,同时还和整车通讯,收集到整车工况。一旦识别整车进入了苛刻工况,就会立即激发苛刻工况控制程序,通过增大夹紧油压,加快油压响应,控制离合器有序打滑等措施,来控制钢链避免打滑,实现动力平稳传递。图16显示在低附着路面上,突然全油门加速,此时油压迅速响应,在监测到车轮打滑的同时,油压瞬间提升,夹紧钢链,从而防止了钢链打滑(图示Pulley打滑量为0)。接下来从低附着路面进入高附着路面后,车辆受到冲击,车速很快降低,此时油压同样瞬间提升,稳定控制钢链,实现动力平稳传递。
图16:CVT苛刻工况下防止打滑的控制策略
7. CVT的使用/保养/维修
CVT相比AT/DCT车型,是否有需要关注的工况或注意事项呢?在超低温工况下如零下20度,需要充分热车,否则不建议做激烈驾驶(大油门,急加速急减速),因为此时油的粘度高,不能快速响应激烈工况下的大油压需求,易造成钢带/钢链磨损。另外避免频繁全油门起步和急刹车,尽管在这些工况下的油压控制能确保动力的稳定传递和速比切换,但此时系统夹紧力大,降低了CVT效率,增加了油耗。在坡道停车时,确保要挂P挡,防止溜车;避免空挡滑行;不能前轮着地拖车,这些工况都可能对CVT造成损伤。
在做车辆保养时,一个常见场景技师倒出小杯变速箱油,看到油黑了,向车主建议换油,不然会损害变速箱。这时候车主往往会很纠结到底要不要换油。CVT变速箱油是高压低粘度合成油,售后保养手册上通常要求在一定里程换油。以通用CVT为例,售后手册上80000公里要求换一次油。从工程开发角度,在模拟苛刻工况整车寿命24W公里的变速箱台架或整车耐久试验里,整个试验过程中不换变速箱油,意味着变速箱油自身的物理化学稳定性已充分得到验证。实际上试验过程中,由于摩擦片微粒,齿轮磨合以及正常磨损,变速箱油就会从新油的浅绿色或红褐色,变成黑色,但功能依然OK能继续跑到试验结束,所以变速箱油变黑不作为换油的依据。
在客户日常温和的使用工况下,如果没有其他异常,终身不需要更换变速箱油。如果常感受到冲击/抖动,动力相应慢,噪音增大,曾深度涉水等情况,建议检查变速箱油,如目视能看到大杂质,有泡沫,或者有严重焦味,建议换油或者开箱检查零件。很多客户换油的目的是做一个预防性保护,特别对经常大油门,或频繁加减速的客户,内部零件磨损量加大,换油确实能降低电磁阀卡滞/零件磨损的风险,建议按照手册8-10W公里后更换变速箱油。
针对故障问题,一般变速箱故障分为有报码和没有报码两类。由于变速箱处于整车前舱左前方,其布置决定要开箱检查往往很困难,要先拆整车一大堆零件,才能把变速箱拆下来,就算只换一个小零件,其工时费用也非常高。因此对于车辆仪表盘上出现报码的情况,先找4S店读码,对于不影响驾驶/感受的报码,4S店往往会做清码处理。客户继续用车看后续是否报码复现。对于影响驾驶的码,如加速无力,顿挫等,4S店往往能通过码的含义,针对性地知道是什么问题,从而给出维修策略,比如刷新软件,更换某些零件甚至整机更换。由于变速箱控制模块(TCM)往往是外置式,在更换变速箱后,需要对TCM刷电磁阀特性曲线(PI curve)并进行自学习。就算2台车是完全同型号,同生产时间,我们也不能简单互换TCM,因为在互换后需要重刷PI curve。如果同型号不同生产时间,可能要刷新标定甚至软件版本。所以涉及到变速箱维修特别是控制系统维修,是一个非常专业的事情,建议去4S店做维修。

 

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