電子技術(shù)讓CVT的可靠性和扭矩傳遞能力更好(圖)

   近幾年來(lái)，汽車新技術(shù)如雨后春筍般誕生著，每一項(xiàng)新技術(shù)都推動(dòng)著來(lái)年汽車新結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。不過(guò)，由于種種原因，這些新興技術(shù)并沒(méi)有得到充分的應(yīng)用，CVT便是其中一個(gè)沒(méi)有得到很好利用的技術(shù)發(fā)明。CVT在40年前首先應(yīng)用于德國(guó)制造的極小型的DAF轎車，該變速器的優(yōu)點(diǎn)得到過(guò)許多汽車技術(shù)人員的認(rèn)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(jīng)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(yīng)用于大批車輛上，這些車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出扭矩高達(dá)346N·m。在其它汽車生產(chǎn)廠商已經(jīng)開(kāi)始生產(chǎn)CVT的同時(shí)，福特公司的這一舉措無(wú)疑將是發(fā)展?jié)摿�巨大的CVT技術(shù)的一個(gè)重大突破。
   福特公司并不是唯一一家將CVT應(yīng)用到大功率汽車上的生產(chǎn)廠家。在日產(chǎn)公司生產(chǎn)的V形六缸發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的Murano轎車上，CVT是廠商提供給消費(fèi)者的唯一變速器。本田公司則是繼續(xù)生產(chǎn)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(dāng)人們?cè)O(shè)想著將無(wú)級(jí)變速器與更大功率發(fā)動(dòng)機(jī)相匹配并大規(guī)模地投入市場(chǎng)的時(shí)候，市場(chǎng)上就已經(jīng)出現(xiàn)了一些其它的新型變速器，它們對(duì)推動(dòng)傳動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步起著同樣重要的作用。梅賽德斯公司正在生產(chǎn)一種新型的7速自動(dòng)變速器，而奧迪公司生產(chǎn)的則是電子離合器、手動(dòng)切換變速器。福特和通用公司正致力于開(kāi)發(fā)一種能夠互用的普通6速自動(dòng)變速器，這種變速器將分別應(yīng)用于這兩個(gè)品牌的汽車上。
 在過(guò)去10多年中，微電子和信息技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展及其在傳統(tǒng)工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，特別是它們?cè)谄�車產(chǎn)品中的深度應(yīng)用，使許多人們長(zhǎng)期以來(lái)所期望但一直沒(méi)有實(shí)現(xiàn)的技術(shù)目標(biāo)最終都變成了現(xiàn)實(shí)。車載電子控制部件、傳感器技術(shù)和控制軟件的應(yīng)用，使得那些正在發(fā)展的技術(shù)得到長(zhǎng)足的進(jìn)步，從而為滿足主流市場(chǎng)的需求做好了充分的技術(shù)儲(chǔ)備。
   技術(shù)改進(jìn)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(shì)很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái)就得到了人們的認(rèn)可。事實(shí)上，像汽車發(fā)動(dòng)機(jī)這類內(nèi)燃機(jī)，在其正常工作時(shí)，只有它的轉(zhuǎn)速在一個(gè)相當(dāng)狹窄的變化范圍內(nèi)時(shí)才會(huì)具有最好的效率。汽車上綜合運(yùn)用了各種各樣的先進(jìn)技術(shù)，也許你以為汽車之所以擁有如此優(yōu)良的性能，完全是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)能夠滿足從空轉(zhuǎn)到滿載時(shí)的所有要求，因此你也就從來(lái)不需要為你的發(fā)動(dòng)機(jī)操心。單純從機(jī)械角度來(lái)看，發(fā)動(dòng)機(jī)確實(shí)能夠提供足夠的動(dòng)力，但是從汽車燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性能和可靠性等方面來(lái)看，發(fā)動(dòng)機(jī)工作得就不那么盡如人意了。例如，要想同時(shí)達(dá)到最好的排放和燃油經(jīng)濟(jì)性，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)其轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)變化范圍就不能超過(guò)1000 r/min。
   就結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度而言，新一代的CVT的零部件數(shù)量只有同類自動(dòng)變速器的一半。對(duì)于機(jī)械產(chǎn)品，越簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)就意味著越低廉的成本和越優(yōu)良的可靠性，因此從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，使用新一代的CVT是很有好處的。在CVT內(nèi)，扭矩轉(zhuǎn)換系統(tǒng)不是必要的，這一部分的取消對(duì)精簡(jiǎn)機(jī)構(gòu)起到了主要作用。如果從大小尺寸上來(lái)衡量，一臺(tái)CVT的大小和重量簡(jiǎn)直就跟一套標(biāo)準(zhǔn)的五速手動(dòng)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(jīng)濟(jì)性。

   在常規(guī)的變速器中一般有3或4個(gè)不同的齒輪傳動(dòng)比，這樣就可以在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化不大的情況下輸出不同的轉(zhuǎn)速給驅(qū)動(dòng)輪，以保證滿足不同車速的需要。然而這3到4個(gè)傳動(dòng)比是離散的，這就意味著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變動(dòng)范圍必須要覆蓋相當(dāng)大的寬度，這樣才能使不同齒輪對(duì)之間進(jìn)行切換時(shí)車速能夠連續(xù)平穩(wěn)地變化。如果有更多的齒輪傳動(dòng)比可供我們使用，那么發(fā)動(dòng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)速范圍就可以縮小，我們就可以讓發(fā)動(dòng)機(jī)更長(zhǎng)時(shí)間地工作在它效率最好的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，這是CVT設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。雖然汽車生產(chǎn)商們的要求總是在改變，但普遍的一點(diǎn)是：使用了那些技術(shù)改進(jìn)后的變速器的車輛，其燃油經(jīng)濟(jì)性可以提高6%～10%——并且這不只限于CVT。還有更進(jìn)一步的說(shuō)法是：因?yàn)槲覀兡軌蚩刂瓢l(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)，如果這個(gè)轉(zhuǎn)速范圍正好可以使得汽缸內(nèi)的溫度比較低，那么這樣一來(lái)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(dòng)機(jī)所發(fā)出的巨大扭矩載荷。使用了新技術(shù)改進(jìn)后的變速器，其齒輪傳動(dòng)比范圍比老技術(shù)變速器要寬得多。一臺(tái)典型的4速自動(dòng)變速器的傳動(dòng)比跨度（即最大傳動(dòng)比與最小傳動(dòng)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(dòng)比跨度達(dá)到了6.0:1。這樣一來(lái)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不用發(fā)生太大的變化就可以適應(yīng)更多的車速要求。
 傳動(dòng)比的跨度大又能帶來(lái)什么好處呢？從新一代的梅賽德斯7速變速轎車這個(gè)例子上，我們可以很清楚地了解傳動(dòng)比跨度大所帶來(lái)的好處。大多數(shù)轎車的超速擋傳動(dòng)比在15%～20%這個(gè)范圍內(nèi)，而這種型號(hào)的梅賽德斯轎車的變速器超速傳動(dòng)比達(dá)到了50%，也就是說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)每旋轉(zhuǎn)1周，這種變速器將輸出滿滿2周——這對(duì)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(jià)格超過(guò)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(guān)注燃油經(jīng)濟(jì)性了。也因?yàn)槿加徒?jīng)濟(jì)性如此重要，所以拓寬傳動(dòng)比跨度讓發(fā)動(dòng)機(jī)工作在一個(gè)高效低油耗的轉(zhuǎn)速范圍也就顯得意義重大了。
    當(dāng)你把所有這些因素集中在一起——更好的燃油經(jīng)濟(jì)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(huì)實(shí)現(xiàn)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(shí)際應(yīng)用也只不過(guò)是不久前才實(shí)現(xiàn)的事呢？對(duì)此我們可能會(huì)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(zhì)和結(jié)構(gòu)的加固過(guò)的驅(qū)動(dòng)皮帶。最開(kāi)始這些皮帶的壽命只有2萬(wàn)英里（1英里＝1.61公里）左右，而車輛壽命的期望值為8～10萬(wàn)英里，顯然這些皮帶跟人們的理想差得太遠(yuǎn)了。即使大眾Beetle發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命一度可以達(dá)到5萬(wàn)英里，仍不能滿足人們的希望，不夠好。
   更重要的是，CVT是沒(méi)辦法升級(jí)的。你不可能簡(jiǎn)單地制造出一種更大的皮帶，并讓它能夠同時(shí)應(yīng)用于一臺(tái)6缸或8缸的發(fā)動(dòng)機(jī)上。已經(jīng)投入應(yīng)用中的CVT都是安裝在一些小型車上，這些小型車具有相應(yīng)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(dòng)機(jī)上，還有在Saturn'VUE和ION轎車上使用的2.2L的Ecotech發(fā)動(dòng)機(jī)上。
   改進(jìn)CVT的耐久性和扭矩傳遞能力的途徑至少有兩個(gè)。第一個(gè)途徑是進(jìn)一步提高變速器機(jī)械結(jié)構(gòu)的集成性，這可以通過(guò)使用金屬連接帶和改進(jìn)的潤(rùn)滑劑來(lái)達(dá)到。在如今的皮帶系統(tǒng)內(nèi)，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(shí)上皮帶是在推動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪而不是在拉動(dòng)它。
   這些新型皮帶的發(fā)展要?dú)w功于計(jì)算機(jī)建模技術(shù)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(lái)模擬皮帶輪的硬度對(duì)皮帶壽命的影響。以前，都是假定皮帶輪是剛體，它們完全堅(jiān)硬不會(huì)產(chǎn)生任何變形。但實(shí)際上當(dāng)人們將真實(shí)的皮帶輪材料特性編進(jìn)程序時(shí)，則發(fā)現(xiàn)這些皮帶輪上作用有一些彎曲應(yīng)力，而這些應(yīng)力在皮帶上的反作用力可能會(huì)導(dǎo)致皮帶錯(cuò)位。計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果還表明，如果保證皮帶輪足夠堅(jiān)硬從而防止皮帶錯(cuò)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(gè)途徑叫做綜合傳動(dòng)系統(tǒng)扭矩控制。無(wú)論什么樣的變速器，當(dāng)其負(fù)載有穩(wěn)定狀態(tài)載荷時(shí)，正是那些瞬間的超載或急變可能會(huì)給整個(gè)變速器造成危害。在通用公司的VTi電控CVT中，發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器之間的扭矩管理協(xié)調(diào)算法提供給變速器全面的輸入扭矩保護(hù)。最近發(fā)表的一篇由通用公司的工程師撰寫的SAE（美國(guó)汽車工程協(xié)會(huì)）論文中說(shuō)到，這種軟件可以保護(hù)皮帶輪和皮帶系統(tǒng)，使它們?cè)谘�環(huán)的搖動(dòng)和起伏變化中免受沖擊載荷的破壞。扭矩管理協(xié)調(diào)算法在維持必要的皮帶張緊力的前提下，通過(guò)綜合控制輸入速度和扭矩限制來(lái)發(fā)揮它對(duì)皮帶系統(tǒng)的保護(hù)作用。工程師們巧妙地將輸出扭矩管理策略，應(yīng)用于牽引力失效或粗糙的路面輸入所導(dǎo)致的汽車輪胎速度突然增加的時(shí)候，可以用來(lái)消除慣性扭矩對(duì)皮帶的潛在危害。
   微電子技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用，在于借助軟件來(lái)控制CVT。在通用公司的應(yīng)用方案中，模糊邏輯用來(lái)確定駕駛員的意圖，在加速和穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)之間做出正確的判斷。這就允許CVT在加速過(guò)程中，可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)不斷增加的轉(zhuǎn)速來(lái)提供一個(gè)相應(yīng)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(dòng)）的現(xiàn)象。在這些設(shè)計(jì)方案中，發(fā)動(dòng)機(jī)可以在皮帶輪移進(jìn)和移出的時(shí)候產(chǎn)生臨時(shí)的加速或減速。整合節(jié)氣門控制和傳動(dòng)比控制，可以提供更優(yōu)越的巡航控制，并且不會(huì)導(dǎo)致過(guò)高的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，甚至在表面起伏很大的地形上也是如此。有一級(jí)制動(dòng)邏輯能夠提供速度控制并能加強(qiáng)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(gè)例子中，我們無(wú)一例外的看到微電子技術(shù)在改進(jìn)CVT中所起到的關(guān)鍵作用。可以說(shuō)，正是這些微電子技術(shù)在變速器中的有效應(yīng)用，才使得傳統(tǒng)的車輛傳動(dòng)行業(yè)又呈現(xiàn)出新的活力和更廣闊的發(fā)展空間。
   有些駕駛員發(fā)現(xiàn)，CVT有時(shí)還不能實(shí)現(xiàn)完全平順的換擋動(dòng)作，這不免讓人產(chǎn)生一些不安的心理負(fù)擔(dān)。對(duì)于像日產(chǎn)、奧迪和寶馬這些公司已經(jīng)將“撞擊工況”編入控制程序，因此駕駛員能夠感覺(jué)到CVT正在正確地“切換”齒輪呢。
   從維修服務(wù)的角度來(lái)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(shuō)，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(shí)間間隔要比常規(guī)自動(dòng)變速器的要短。你應(yīng)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(zhǎng)久的保養(yǎng)年限，即擔(dān)保的免費(fèi)售后服務(wù)的話，他就必須嚴(yán)格按照推薦的時(shí)間間隔對(duì)CVT變速器進(jìn)行保養(yǎng)。