CVT（無級變速器）的組成及工作原理和特點

CVT的全稱是Continuously Variable Transmission，即無級變速器。CVT能夠實現連續無級變化的傳動比，可以發揮發動機的最佳性能，是一種理想的傳動形式。

CVT無級變速器的類型
無級變速器按結構和傳動方式可分為電力式、液力式和機械式三種。其中，電力式和液力式無級變速器因為成本高、效率低、結構復雜等原因沒有得到廣泛的應用；而機械式與前兩種相比，具有結構簡單緊湊、成本低、操縱方便等優點而成為目前主流的選擇。所以，我們下面所提到的CVT都是指金屬帶傳動的機械式無級變速器。

CVT（無級變速器）的組成
CVT主要包括主動輪組、從動輪組、金屬帶和液壓泵等基本部件。
金屬帶式CVT的基本結構。它一般由起步離合器、行星齒輪機構、無級變速機構、控制系統和中間減速機構組成。

（無級變速器）剖面圖

1. 扭轉減震器/飛輪 2. 油泵 3.後退離合器 4.行星機構 5.前進離合器 6.鋼帶 7.主動錐輪 8.從動錐輪 9.中間軸 10.差速器

（1） 起步離合器：

起步離合器的主要作用是使汽車以足夠大的牽引力平順地起步，提高駕駛舒適性，必要時切斷動力傳輸。目前用於汽車起步的裝置主要有三種：濕式離合器、電磁離合器和液力變矩器。

（2） 行星齒輪機構：CVT的行星齒輪機構用以實現前進檔和倒檔之間的切換操作，采用雙行星齒輪機構，行星架上固定有內、外行星齒輪，其中，外行星齒輪和齒圈嚙合，內行星齒輪和太陽輪嚙合。前進檔時，太陽輪主動旋轉，行星架隨太陽輪同速旋轉，即整體同步旋轉；倒檔時，太陽輪主動旋轉而齒圈不動，此時行星架與太陽輪反向旋轉。

（3） 無級變速機構：

無級變速機構由金屬傳動帶、主動輪組、從動輪組組成。其中，主動輪組和從動輪組都由可動錐盤和固定錐盤組成。

（4） 控制系統：

控制系統是用來實現CVT傳動比無級自動變化的，多采用機—液控制系統或電—液控制系統。機—液控制系統主要由油泵、液壓調節閥（用以調節傳動比和傳動帶與輪之間壓緊力）、傳感器（油門和發動機轉速）、主從動輪的液壓缸及管道組成；而電—液控制系統則是在機—液控制系統的基礎上加裝了一些電子控制單元、電磁閥和傳感器組成的，提高了對CVT控制的效率和精確度。

（5） 中間減速機構：

由於CVT可以提供的傳動比變化范圍為2.6-0.445左右，不能完全滿足整車傳動比變化范圍的要求，因而設有中間減速機構。經過中間減速機構可以將CVT的傳動比變化范圍調整到0.8-5.0左右。

CVT的工作原理
金屬帶式CVT的工作原理。

金屬帶式CVT主要是通過改變主、從動輪和金屬帶的接觸半徑（即工作半徑）來實現傳動比的連續變化的。前面已經講過，主、從動輪組都由可動錐盤和固定錐盤組成，可動錐盤可以在主、從動軸上沿軸向移動。可動錐盤與固定錐盤之間形成的V型槽與V型金屬帶相嚙合。主動輪組的油缸控制主動輪組的可動錐盤沿軸向移動時，主動輪組一側的金屬帶隨之沿V型槽移動，由於金屬帶的長度固定，因此從動輪組一側的金屬帶則沿V型槽向相反的方向移動，從動輪組的油缸此時則控制從動輪組的可動錐盤沿軸向移動，以保持金屬帶的張緊力，保證來自發動機的動力得到高效可靠的傳遞。金屬帶沿V型槽方向移動時，其在主動輪組和從動輪組上的回轉半徑發生變化，從而實現傳動比的連續變化。

CVT變速示意圖

無級變速器基本原理
VT2-VT3由很多組件組成，根據相應功能可將這些組件分為三組。
第1組－機械傳動裝置
此部件的功能是提供機械傳動和扭矩傳遞。
第2組－控制系統
與控制系統相關的組件。根據載荷條件和驅動要求，控制系統保證變速器傳遞動力並在適當時刻改變傳動比。
第3組－外部連接裝置

與變速器外部相連的一些組件。在這些組件中，有些位於變速箱內或與變速箱相連，還有一些組件是整個系統的組成部分，但它們分布在車輛的其它部位。

第1組－機械扭矩傳遞
行星機構
行星機構使得變速器能夠提供前進、後退兩個方向的驅動力矩。發動機提供的扭矩通常通過行星架上的輸入軸傳遞給變速器。接合前進方向的多片離合器可使行星架直接連接到太陽輪上，此時通過嚙合，行星架和太陽輪成為一個旋轉整體，發動機轉矩直接傳遞到主動輪上。行星齒輪並不傳遞任何扭矩，因此行星機構不存在機械損失，並且主動輪的旋轉方向將與發動機的旋轉方向一致。這就是前進模式。

倒車模式中，接合倒車多片離合器可以使行星機構中的齒圈保持靜止，行星架驅動三對行星齒輪組使得太陽輪反向旋轉，此時齒輪組傳動比為1:1.1，將會出現微小的減速增扭以補償行星機構的摩擦損失。

1. 行星輪 2. 輸入軸 3. 太陽輪 4. 齒圈 行星機構 多盤離合器

共有兩組多片濕式離合器：一組用於前進，一組用於後退。每組離合器有三個摩擦盤共有6個摩擦面。液壓系統控制離合器使車輛任何節氣門開度時都能平穩向前運動，驅動齒輪嚙合時，控制離合器的接合量還可使車輛停車。冷卻油直接冷卻離合器盤防止摩擦表面過熱。

1. 前進離合器組2. 後退離合器組

圖：行星機構中的離合器
錐輪和鋼帶
CVT的主要設計特征是一對“V”形錐輪由一條鋼傳動帶連接。主動輪和從動輪中心距為155mm。每個錐輪都分為兩半：一半固定，一半沿軸向滑動，兩者的傾斜度都為11°。24mm寬"Van Doorne"推式傳動帶用於在輪間傳遞扭矩（如果要使用更大的扭矩值，可以使用30mm的傳動帶）。用噴嘴通過噴油射流的方式潤滑並冷卻傳動帶。為了縮小換檔時傳動帶的角度誤差，將兩個移動的半輪置於兩者的對角線位置，再把每個移動的半輪連接到液壓缸/活塞上。液壓由控制系統控制。球形花鍵防止移動半輪相對它們的固定半輪轉動。
因為太陽輪由花鍵聯接在主動錐輪上，所以行星齒輪組傳送的扭矩可直接作用於主錐動輪。鋼傳動帶將動力從主動錐輪傳送到從動錐輪，然後動力又從從動錐輪傳送到中間齒輪軸。
從動輪的扭矩和速率由傳動帶的位置決定。設計兩個轉輪的尺寸，使其可以提供 2.416:1－0.443:1的傳動比，最大傳動比是最小傳動比的5.45倍。超速傳動比時油耗最低。

傳動鋼帶包括450片鋼片和24根鋼帶固定到一起，每邊12根鋼帶。

1. 鋼帶2. 鋼片

圖：傳動帶

中間軸

中間軸（小齒輪軸）使從動錐輪和差速器間的兩個嚙合在一起的螺旋狀齒輪組減速，這樣可以保證傳動軸按照正確方向旋轉。從動錐輪和驅動軸之間的減速很大程度改進了車輛性能。中間軸由位於離合器殼內和獨立軸承座內的兩個圓錐軸承固定。

1. 主動錐輪軸傳動齒輪2. 差速器冠狀齒輪3. 傳動小齒輪 4. 變速中間齒輪5. 從動錐輪軸齒輪
圖： 齒圈和中間齒輪
差速器

與手動變速器一樣，冠狀輪上扭矩通過差速器傳送到車輪，冠狀輪由8個螺栓固定到差速器殼內，傳動軸由傳統的球籠式萬向節和密封墊固定到差速器內。圓錐軸承用來固定差速器。

1. 差速器軸承2. 差速器殼體3. 差速器十字軸4. 差速器行星輪5. 差速器冠狀齒輪 圖：差速器總成
傳動比變化
傳統行星機構自動變速器的傳動比級數有限，通常為四、五或六級，但無級變速器卻不同，正如其名所示，無級變速器的傳動比是連續變化的。低速檔（低傳動比）使靜止的車輛更容易起步，主動錐輪的直徑相對較小，但從動錐輪的直徑相對較大。傳動帶用於傳送動力和扭矩，如果通過增加主動錐輪的直徑、縮小從動錐輪的直徑的方式來選擇高速比，就能產生加速度。通過控制變化程度確保最適當的傳動比。
無級變速器有主動錐輪和從動錐輪兩個轉輪，每個錐輪都由兩半組成，一半固定，一半通過液壓控制可以移動。傳動帶在轉輪上的位置可以確定傳動比。如果移動半輪靠近相應的固定半輪，那麼傳動帶將向其外周移動。兩半錐輪分離時，該輪周就會變小，主動錐輪和從動錐輪的移動半輪處在各自的對角線位置，此時主動錐輪上的傳動帶半徑縮小，而從動錐輪上的傳動帶半徑增加。

車輛起步需要低傳動比，為此，主動錐輪分開使傳動帶貼於其上，並使得傳動帶繞閉合的從動錐輪外周運動。車速提高時需要高傳動比，為此，主動錐輪的移動半輪逐漸向相應固定半輪靠近，錐輪的輪周增大，同時，從動錐輪被迫分離，半徑減小，於是產生較高的傳動比。當主動錐輪完全閉合、從動錐輪完全分開時產生超速檔的傳動比。主動錐輪和從動錐輪約以1:2.5的傳動比轉動。

圖： 低檔時轉輪位置 1 發動機輸入 2 輸出到車輪 3 最小直徑傳動輪（低速） 4 最大直徑從動輪（低速）

圖：高檔時帶輪位置（超速） 1 發動機輸入 2 輸出到車輪 3 最小直徑傳動輪（超速） 4 最大直徑從動輪（超速）

選檔桿處於空檔或駐車檔
該狀態下，倒車離合器（2）和前進離合器（4）分離，不能使車輪運動。
- 變速器輸入軸（1）與發動機的轉速相同。
- 後退離合器（2）分離。
- 前進離合器（4）分離。
- 行星輪（3）繞太陽輪空轉。
- 太陽輪不動，主動輪（5）、從動輪（7）以及車輛也都保持不動。

圖：變速器扭矩傳動機構

1. 輸入軸2. 後退離合器3. 行星齒輪4. 前進離合器5. 主動輪6. 傳動鋼帶7. 從動錐輪

選檔桿處於倒車檔
該狀態下，後退離合器（2）接合，齒圈（9）鎖定在變速器殼內。行星輪（3）使得太陽輪（10）、主動輪（5）和從動輪（7）的轉動方向與變速器輸入軸（1）相反。
現在倒車檔已選定。
- 變速器輸入軸（1）與發動機轉速相同。
- 倒車離合器（2）接合。
- 前進離合器（4）分離。
- 齒圈(9)通過後退離合器(2)與變速器箱體連接

- 變速器輸入軸（1）直接傳動的行星齒輪（3）使其環繞齒圈旋轉，從而驅使太陽輪（10）、帶輪（5）和從動錐輪（7）反向轉動。

圖： 變速器扭矩傳動機構 1. 輸入軸2. 後退離合器3. 行星輪4. 前進離合器5. 主動錐輪6. 驅動鋼帶7. 從動錐輪8. 從動錐輪9. 齒圈10. 太陽輪

第2組－控制系統
控制系統功能如下：
1. 使鋼傳動帶張力的夾緊力與發動機的扭矩相適應，防止帶打滑。2. 駕駛時控制前進離合器和後退離合器。3. 為行車提供最佳傳動比。4. 為變速箱提供必需的潤滑油和冷卻油。
1.3.2
油泵
變速器內的油泵為外嚙合齒輪泵，發動機驅動油泵軸,油泵軸通過空心的主動錐輪軸到達油泵內部。泵軸用花鍵聯接到行星齒輪架上，該泵軸一直以發動機轉速運轉，泵油量約為10 cm³/轉。系統壓力取決於輸入扭矩，可達40-50bar.

圖：油泵全圖 1. 油泵驅動軸2. 油泵總成 油壓既用於變速器液壓控制，也起到潤滑作用。

圖：油泵進口 1. 油泵進口2. 油泵油封
變速器控制裝置
變速器控制裝置使得傳動帶和轉輪間的張緊力最小卻不打滑，同時也根據駕駛策略給定的目標值提供傳動比大小（根據變速器的輸入（主動）和輸出（從動）轉速計算）。在使用壽命內，控制裝置的性能衰退會保持在一定范圍內，而不會明顯影響車輛舒適性和傳動帶張緊力。
張緊力控制裝置
張緊力控制裝置能夠得到傳動帶不打滑時所需要的最小張緊力，這樣對變速器傳動效率影響最小，從而油耗最低。
除正常駕駛外，張緊力控制裝置也考慮到了變速器扭矩最大輸入、輸出時的特殊情況，從而最大程度保護變速器。控制裝置考慮到防抱制動系統（ABS）制動、輪胎抱死（無ABS時）以及其它驅動力控制系統（如ESP、防滑控制裝置等）。此外，該裝置還考慮了特殊路面和情況，如通過坑窪路面、路肩、高低附著系數轉變、輪胎滑移（如在低附著系數路面上）。
軟件能比較變速器扭矩的傳動性能和變速器的預計輸入扭矩。當張緊力控制裝置發現張緊力不足時，ECU收到減小扭矩的指令，從而將發動機扭矩調整合適范圍內。該功能也能保護變速器。
如果汽車上沒有電子驅動線路系統，ECU通過CAN總線傳輸扭矩信號，如果沒有CAN總線，變速器控制系統（TCU）軟件自身則產生默認的扭矩信號。
速比控制裝置
變速器通過控制輸入、輸出壓力來平衡主動錐輪和從動錐輪上的壓力，從而控制傳動比。根據主動錐輪和從動錐輪轉速傳感器信號可以計算出傳動比，並可改變輸出壓力得到需要的傳動比。最小壓力可通過張緊力方法確定。變速器的物理模型有助於迅速將壓力液位調整到變量工作點。控制軟件也考慮到了來自變速器其它組件的干擾，因此開發該軟件也是為了盡量降低延時誤差和目標速比誤差等（為了提高燃油經濟性）。
為了確保滿足變速器機械和耐久性極限狀態的要求，我們制定了一些極限狀態下的駕駛策略。除車速限制外，還通過軟件使傳動比變化率（設定點）在允許的范圍內。此外軟件也避免了發動機速率因車輛速度和檔位桿狀況（POS）變化超出一定極限。為了實現這一限制條件，軟件將要求減小發動機扭矩或使行駛汽車換入高檔。
變速器控制單元
控制變速器的軟件集成於TCU(變速器控制單元)內。TCU安裝在駕駛室內。

第3組－外接裝置
油冷器接口
變速器殼前面有兩個冷油器的管接頭。一個冷油器進口安裝在發動機散熱器的旁邊，使潤滑油的溫度保持在120°C以下。
變速箱中的油從右邊的口流出，這個口應該與油冷器的下面的接口相連 。

油冷器的油從變速箱左邊的口進入變速箱，所以變速箱左邊的接口應該與油冷器的上面接口相連。

圖 : 油冷卻器管接頭 選檔桿
VT2-VT3變速器的換檔位可能包括停車檔（P）、倒車檔（R）、空檔（N）、前進檔（D）和運動模式（S）。
客戶可自己定制選檔桿的配置。為了安全起見，建議應用換檔鎖定裝置作為起動保護。
無級變速箱也可以實現手動模式，這就需要在TCU上要增加新的針腳來接收信號，同時需要標定發動機的最大轉速在一定的范圍之內。

主連接器

圖：變速箱上的線束 主連接器位於變速器殼上，包括16個針腳。線束通過圓形連接器連接。
扭轉減震器
多數傳統自動變速器都使用液力變矩器連接發動機和輸入軸，但本變速器則使用了扭轉減震器，但扭轉減震器並非變速器的組成部分。邦奇強烈推薦使用又稱為雙質量飛輪的扭轉減震器。

CVT的特點
由上述CVT的組成及工作原理，不難得出它具有以下特點：
① CVT可以在相當寬的范圍內實現無級變速，從而獲得傳動系與發動機工況的最佳匹配，提高整車的燃油經濟性。
② 汽車的後備功率決定了汽車的爬坡能力和加速能力。汽車的後備功率愈大，汽車的動力性愈好。由於CVT的無級變速特性，能夠獲得後備功率最大的傳動比，所以CVT的動力性能明顯優於其它變速器。
③ CVT的速比工作范圍寬，能夠使發動機以最佳工況工作，從而改善了燃燒過程，降低了廢氣的排放量。
④ 由於CVT的速比變化是連續不斷的，所以汽車的加速或減速過程非常平緩，而且駕駛非常簡單、安全。
⑤ CVT屬於摩擦傳動，所能傳遞的最大功率收摩擦力矩的限制，由於是摩擦傳動，其效率也不高，這些也是帶式CVT的技術難點。

由於受所能傳遞的最大功率的限制，目前CVT多用在排量較小的車型上。

CVT變速器和傳統自動變速器的區別
CVT變速器和傳統自動變速器的最大區別是它省去了復雜而又笨重的齒輪組合變速傳動，而只用了兩組錐輪進行變速傳動。通過改變驅動輪與從動輪傳動帶的接觸半徑進行變速，由於CVT可以實現傳動比的連續改變，從而得到傳動系與發動機工況的最佳匹配，提高整車的燃油經濟性和動力性，改善駕駛員的操縱方便性和乘坐舒適性,
所以它是理想的汽車傳動裝置。使用該種自動變速器有如下優勢：
- 在恆定車速情況下發動機轉速較低；
- 改進排放控制/降低燃料消耗；
- NVH(噪音、振動、刺耳聲)小；
- 加速平穩；
- 在山區道路上駕駛靈活;
下圖中給出了手動或常規自動變速器和無級變速器的傳動比變化對比圖。常規自動變速器(傳動裝置)的傳動比為一系列固定數值。
當變速器換入高檔時，第一張圖所示的傳動比將根據節氣門開度大小沿著粗實線或虛線變化。而使用無級變速器，可以得到如第二張圖所示傳動比變化圖，兩個變速器的換檔點都與駕駛員施加的節氣門開度有關。
當節氣門開度變大時，發動機轉速升高，變速器換入高檔；如使用傳統變速器發動機轉速將明顯下降，而使用無級變速器發動機轉速卻不會下降。無級變速器可在發動機轉速不變的情況下通過移動錐輪換入高檔。此外，我們還可以選用其它換檔策略，這將有助於無級變速器新用戶更快的接受它。