汽车无级变速器技术和应用的发展综述

附录I

汽车无级变速器技术和应用的发展综述

摘要：简述了无级变速器的发展历程与研究现状．从技术角度介绍了金属带式无级变速器的基本

结构，比较了金属带与链条的结构和性能差异；给出机液控制系统和电液控制系统的原理及优缺点，以及新近开发出的滑移控制策略．总结了无级变速器的优势．从应用角度列举了核心厂商，调研了国内市场的主要无级变速器车型，给出国内外无级变速器汽车市场的发展预测；最后阐述了今后的发展趋势。

关键词：汽车；无级变速器；控制系统；滑移控制

21世纪能源日益趋紧，油价在高位上节节攀升，节能减排已经成为制约汽车发展壮

大的关键问题之一，由此，各种自动变速器不断冲击着传统的手动变速器，变速器行业的更新换代悄然而至。CVT，真正实现了无级变速，使汽车具有理想的性能。2004年，中国汽车工业协会和中国齿轮协会就国内自动变速箱的研发方向达成了共识：优先发展电控机械式自动变速器和无级变速器，适时发展双离合器自动变速，适当生产液力机械自动变速器。因此，CVT在中国市场将会扮演更为重要的角色。本文在充分了解CVT历史发展脉络的前提下，总结前人CVT综述论文的研究成果与发展现状。先是从技术角度出发，给出了CVT 的基本机构，以及带式CVT和链式CVT的对比情况；接着介绍了控制技术的发展进程，尤其是对两代控制系统的原理和特点以及滑移控制策略作了总体介绍；详细分析论述了CVT的优势。再从应用角度出发，调研国内市场CVT车型的应用情况，预测今后国内外CVT市场的发展情况；最后提出CVT的发展趋势，并对国内的CVT发展给出了建议。

1 无级变速器概述

1.1 无级变速器发展历程

早在1490年，达芬奇就草绘了无级变速器原型图。19世纪70年代，出现了机械式

无级变速器，但是由于当时受材质与工艺方面的条件限制，发展缓慢。直到20世纪70年代以后，机械式无级变速器获得迅速和广泛的发展，产品有摩擦式、链式、带式及脉动式4大类，约30多种结构形式。20世纪80年代以后，主要发展趋向是美、日等国进行高速、高效、大转矩机械无级变速器的研制开发。进入2l世纪后，CVT发展更为迅猛。 1.2 国内外研究现状

国内外综述文章很多。在国外，文献[1]对CVT与AT和DCT进行全方位对比，预测了今后CVT的发展。在国内，文献[2—4]阐述了CVT发展历程与研究现状，分析了其发展趋势；通过一系列试验结果，详述了CVT与其他类型变速器之间的优缺点。

不同类型CVT中，带式CVT开发最早，应用最广。1955年，荷兰VDT公司的橡胶带

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式CVT样车试验，由于该传动机构体积过大，传动比太小，橡胶带寿命短，最终未能普及。1956年，德国PIV公司开始研究链式CVT。20世纪80年代，橡胶带式CVT被推力带式CVT代替，投入市场使用。1989年，德国Luk公司开始研发300 N。m级的轿车CVT，并选择PIV链条。1999年，Luk公司CVT链条的第一代产品在奥迪Multitronic上诞生；2004年，应用于美国市场福特CFT30。2007年5月，生产120万条Luk链条。

CVT控制系统，包括离合器控制、速比控制及夹紧力控制。国外对此展开了深入而广泛的研究；国内起步较晚，但是也有不少研究成果。在国外，文献[7]结合鲁棒模型匹配方法，建立了CVT伺服速比系统，增强其抗干扰性能。文献[8]设计了模糊增益调度系统，应用于CVT液压伺服系统的PI(比例积分)控制器中，并设计了一个非线性补偿系统。文献[9]提出了瞬态情况下燃油最优化控制问题的解决方案；基于此，提出了一个简化控制策略。在国内，文献[10]设计了带有前馈抗回绕的PI控制器，用于CVT夹紧力控制，进行了仿真和装车试验。文献[11]验证一T PID(比例积分微分)控制方法可以实现CVT速比的合理变化控制。文献[12—13]建立了汽车传动系统模型，设计了模糊控制器和PID控制器，通过仿真对2种方法进行对比；开发的CVT汽车自适应模糊控制系统具有良好的鲁棒性。采取各种控制理论的目的在于使CVT系统各方面性能最优化。从装车效果来看，将这些控制理论应用于CVT控制系统中，获得了良好的效果。

2 无级变速器基本结构

目前实际应用的CVT主要有：带式CVT、链式CVT及锥盘滚轮式CVT等。以金属带式

CVT为例，分析CVT的基本结构。金属带式CVT主要是由行星齿轮机构、起步装置、V形带轮与金属带、减速机构构成。

行星齿轮机构与倒挡离合器配合，实现CVT的倒挡行驶。起步装置主要有3种：多片湿式离合器，电磁离合器，液力变矩器。其中，多片湿式离合器结构尺寸小，响应快，能量损失小，目前应用较为广泛；电磁离合器重量及尺寸大，热负荷能力低，仅用于微型车辆上；液力变矩器，起步扭矩大，坡道起步性能好，驾驶容易方便，微动性能好，能阻隔发动机弓}起的部分振动和冲击，但是价格昂贵。V型带轮由主动带轮和从动带轮组成，每个带轮均由可动和不动锥盘组成。由于CVT可提供的速比变化范围一般为0.5～2.5，范围过窄，不能完全满足整车传动比变化范围的要求，因此设有减速机构，拓宽其速比范围。由行星齿轮机构传递的扭矩直接传递到主动带轮，金属带将动力从主动带轮传递到从动带轮上，再由从动带轮将动力经过减速机构传出。通过主、从动带轮可动锥盘的轴向运动，改变了金属带的传动半径，从而实现速比变化。

链式CVT与带式CVT结构原理基本相同，仅仅是用链条来代替带。带式CVT依靠金属片之间推力传递扭矩，而链式CVT依靠拉力传递扭矩。在众多结构形式CVT中，带式CVT产销量遥遥领先，发展最为迅速。链式CVT由于其进入市场较晚，因此，应用范围远不如带式CVT广泛。2006年，带式CVT产量与链式CVT产量比值是9：1，同年，带

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式CVT年产量超过240万套。其中，Bosch金属带来源于荷兰VDT公司专利，Luk链条来源于德国PIV公司专利。客观来说，带式CVT结构上由于金属带层层叠加，造成各层金属带半径会有微弱差别，从而引起金属带之间的蠕动现象；而链式CVT在其自身结构上，就解决了这一问题。此外，传统带式CVT夹紧力控制策略方面，部分工况下夹紧力明显过剩。

3 无级变速器控制系统

CVT控制系统，实现CVT系统传动比的自动无级变化。它主要由油泵系统、各种电

磁阀和控制阀、皮托管、油温传感器等组成。

CVT控制系统已经经历了两代控制系统。早期CVT产品多采用第一代控制系统—— 机液控制系统，近期开发的产品一般采用第二代控制系统— 电液控制系统。而目前国际先进的CVT生产厂商正在开发一种应用于电液控制系统的新型控制策略—滑移控制策略，用来提高CVT的自身效率，并已经成功制造出样机。

机液控制系统，采用机械装置对作动器进行控制，譬如利用节气门控制凸轮控制速比控制阀等。其缺点如下：系统响应速度慢且不精确；不能对主从动缸的压力进行独立控制；皮托管不能准确监测发动机转速变化；金属带停留的位置不确定，影响下次起动的平稳性；不能适用其他车型。因此，这种CVT效率低，难以体现出其节油的优越性，已经逐渐被淘汰，市场上极为少见。

电液控制系统，采用步进电机、夹紧力电磁阀与离合器电磁阀对其液压系统进行控制，能够更加迅速准确地控制各液压元件l1 。这种方式能够提高作动系统的响应速度与精确度，能够比较准确地让发动机工作在预定的工作区域，基本解决了机液控制系统中的固有缺陷，如主、从动缸的压力可以独立控制，因而可以使传动装置按驾驶员的操作意图达到最佳匹配等。但是由于其采用夹紧力控制系统，CVT自身效率低，抵消了发动机上节省的燃油，还是没有很好体现出CVT的燃油经济性。目前市场上基本都是电液控制系统型CVT。

最近，一些主要CVT生产厂商正在开发CVT滑移控制策略。研究证明压力钢带能够在一个较长时间内承受较大滑移量，且没有较明显的磨损。因此，该策略以钢带及带轮之间的滑移量作为控制参数，而滑移量是通过将几何比与变速机构的速度比进行比较而确定的。几何比通过测得的变速机构的几何特性推算。此滑移量通过一个单输入一单输出控制器控制，该控制器可以根据滑动误差调节从动柱塞的压力。新型控制策略可以降低5％～5.5％的油耗。

在此基础上，改进变速机构内部，采用更专用的液压回路等，可以将油耗减低到10％以上。滑移控制策略有效降低了液压系统的压力，提高了CVT自身的效率，采用滑移控制策略的新型电液控制系统开发出后，将大大提高CVT的市场竞争能力，势必会引发CVT控制系统发展的又一次革命。

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4 CVT优势

CVT，是人们长期梦寐以求的变速机构，它的应用具有十分重要的意义，已成为当今

汽车界最热门的课题之一。CVT的发展势必对我国汽车工业的发展乃至整个国民经济的迅速腾飞有着举足轻重的意义 。 4.1 提高汽车性能

(1)安全性。CVT汽车驾驶员只要控制油门踏板和制动踏板，这不仅改善了驾驶员工

作条件，减轻驾驶员劳动强度，而且简化操作，使汽车易于驾驶，大大提高了汽车安全性。

(2)舒适性。CVT汽车起步和速比变化过程中不致于产生纵向冲击或抖动，消除了换挡过程中的顿挫感，即不存在MT和AMT汽车的换挡品质问题，提高了驾驶的平顺性，改善了驾驶员和乘员的双重舒适性。

(3)行驶性能。在传统的MT汽车中，汽车的驶性能与驾驶员的驾驶技术有密切关系。CVT汽车可以消除人为换挡，可使汽车行驶过程中经常处于良好的性能状态，提高汽车的行驶性能。

(4)成本问题。CVT体积小，易于安装；结构简单，部件少；生产成本比6速AT与DCT低。

4.2 与汽车其他先进技术的完美结合

CVT与混合动力技术结合，让发动机工作在最佳工况，达到低能耗、低污染和高度自动化。研究表明，采用CVT传动系统的混合动力汽车的油耗有减少30％的潜能，排放有降低50％的潜能。

CVT与行星齿轮机构连接，形成无限变速器。相对于CVT而言，IVT进一步扩展了速比的范围，在无需离合器的情况下实现倒挡运。 4.3 普及轿车使用

随着社会的不断发展，驾驶经验不丰富的人也将成为驾车的主流。CVT汽车不需要

换挡，操作简单轻便，非常适合这部分群体驾驶。这有利于轿车作为代步的工具，在中国乃至全球得到进一步普及。 4.4 节约能源

不同变速箱在降低油耗方面的潜能是不同的，6速AT在现有基础上可以有3％ 左右

的油耗下降，DCT在现有基础上可以有2％～4％的油耗下降，而

CVT油耗下降的潜能最大，可以有5％～8％。CVT控制发动机在排放污染较小的工况下工作，排放废气中有害物含量低，减轻环境污染。

在近30年来，随着国际油价居高不下以及原油资源的耗竭，石油危机对油价的助推作用无时无刻不在影响着汽车消费者们的购车倾向，越来越多的汽车消费者将会选择经济型轿车。预计在2035年，世界石油资源将达到开采最高峰，届时开采量将逐年递

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减；此外，各国对环境保护的条例越来越严格，小排量、燃油经济性好的车辆将是未来家用的主流车型，而这类车型非常适合装配CVT，让发动机的效率达到最优。CVT汽车减少了汽车的有害尾气排放，对人类健康的维护，城市环境的保护，以及人与自然的可持续性发展，有着极为深远的意义。 4.5 提升中国汽车行业的国际竞争力

建立CVT自主开发平台及其产业链，可以提高我国变速器科研水平以及国际竞争力。

同时，汽车工业是我国的支柱产业，要快速发展我国的国民经济，就必须重视汽车工业正常而有序的发展。成功地开发出CVT，建立CVT产业链，可以使整个国家汽车变速器行业得到一个质的飞跃，促进汽车电子行业及汽车相关零部件行业的发展，提高汽车工业的整体技术含量，将有助于国内汽车工业迎头赶上，进而超越国外发达国家的汽车工业。此外，汽车行业的迅猛发展，势必会给社会带来更多的就业机会，减轻政府提供就业岗位的压力；还可以给国家带来更多的出口额，创造更为可观的税收收益，从而带动整个国家国民经济的飞速发展。

5 CVT厂商及应用

CVT的核心厂商有Bosch，Luk和ZF 3家。德国Bosch-VDT公司是CVT钢带独特技术

的原创公司和全球CVT钢带制造的独家垄断性公司。德国Luk公司是Audi公司A4，A6，A8轿车Multitronic CVT核心部件的主要供应商，其生产的钢链式CVT关键部件还向美国Ford汽车公司供货。德国ZF公司的CVT产品有3个系列：VT1，CFT23，CFT30。其中VT1系列、CFT23系列是带式传动的，CFT30系列是链式传动的。

国际上，知名汽车公司纷纷大力发展装备CVT的汽车。欧洲的VW，Mercedes。Benz，BMW，Fiat汽车公司，美国的Ford，Chrysler汽车公司以及亚洲的Toyota，Honda，Nissan，Subaru，Hyundai等主要汽车公司都拥有装备CVT的汽车。目前，全球市场有超过700万辆带式CVT汽车，超过60多款车型采用CVT。

国内已有不少车型装载了CVT。表1给出了国内市场CVT车型及主要技术参数。这些车型在传动方式和起步装置上存在差异。国内市场以ZF公司的VT1F型变速器为主，采用带式传动方式，起步装置多为多片湿式离合器，应用车型主要是排量在2.0 L或2.0 L以下的汽车。从理论数据来看，国内几款CVT汽车在燃油经济性上有着不俗表现。可以预见，在未来的一段时间内，CVT在国内市场乃至全球市场的装车率会有更大的提高。 近年来，随着汽车电子技术、新材料及加工技术的不断进步，CVT正朝着以下几个方面发展：

(1)结构方面。改进其液压系统，CVT结构更加小巧和紧凑，降低成本，提高汽车的总体性能，使其性价比进一步提高。

(2)性能方面。通过CVT的总体控制，进一步降低其油耗，减少有害气体排放，提高其动力性及舒适性。

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(3)控制系统。通过不断改进，向滑移控制策略发展，实现更优良的性能；在控制方法方面，将先进的控制方法(例如PID控制、模糊控制、网络控制、自适应控制等理论)应用于CVT离合器控制、速比控制和夹紧力控制中，进一步优化控制策略，实现更为精确的控制。

(4)应用领域。将CVT应用于混合动力汽车上；将CVT拓展为IVT；前轮驱动CVT逐步向后轮驱动CVT发展；CVT最大可传递扭矩在不断提高，因此CVT在大排量汽车上应用会更为广泛。

自CVT被列为国家科技攻关课题以来，已过去了12年，但还是没能实现产业化的目标。随着国内需求的不断增多，CVT国产化势在必行，意义重大。国内洛阳三明及湖南容大两2家民企在CVT上花费了大量的人力、物力，计划于近期小批量投产CVT。国内从事CVT研究的单位，不论目标是量产CVT的企业，还是从事相关理论研究的科研院所，都应该紧跟国际CVT的发展步伐，在引进吸收先进技术的同时，不断地开展创新工作，这样才能真正将CVT国产化、产业化。

参考文献：

[1]罗伯特博世GmbH.Continuously无级变速器：基准，地位和潜力[R]。斯图加特：博世公司，2007。

[2] 吴光强．贺林，范大鹏，等．车用无级变速器性能研究EJ]．传动技术，2007．21(2)：16．

[3]王红岩，秦大同，周云山，等．汽车无级变速器传动系统综合控制的研究，机械工程学报，2000，36(2)：38．

[4]赫尔穆特牛顿米B.500无级变速器组件功率分流[R]Bfihl：LuK的有限公司，2002。

[5]保罗.乔斯，模糊控制不断无级变速器[电子束],2008。O1]．http：

hn ．1ib．ucdavis．edu／dept／pse／resources／cvtO4／papers／ZF％20Description20VT1F20040323．pdf.

[6]菲夫纳河Guzzella翁代尔CH.Fue1.optimal控制无级变速器动力系统研究

[J]。控制工程实践，2003（11）：329。

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(3)控制系统。通过不断改进，向滑移控制策略发展，实现更优良的性能；在控制方法方面，将先进的控制方法(例如PID控制、模糊控制、网络控制、自适应控制等理论)应用于CVT离合器控制、速比控制和夹紧力控制中，进一步优化控制策略，实现更为精确的控制。

(4)应用领域。将CVT应用于混合动力汽车上；将CVT拓展为IVT；前轮驱动CVT逐步向后轮驱动CVT发展；CVT最大可传递扭矩在不断提高，因此CVT在大排量汽车上应用会更为广泛。

自CVT被列为国家科技攻关课题以来，已过去了12年，但还是没能实现产业化的目标。随着国内需求的不断增多，CVT国产化势在必行，意义重大。国内洛阳三明及湖南容大两2家民企在CVT上花费了大量的人力、物力，计划于近期小批量投产CVT。国内从事CVT研究的单位，不论目标是量产CVT的企业，还是从事相关理论研究的科研院所，都应该紧跟国际CVT的发展步伐，在引进吸收先进技术的同时，不断地开展创新工作，这样才能真正将CVT国产化、产业化。

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[6]菲夫纳河Guzzella翁代尔CH.Fue1.optimal控制无级变速器动力系统研究

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