先进的无级变速器技术

【日】　廣瀬聡　茂木靖裕



设计开发

先进的无级变速器技术

【日】廣瀬聡茂木靖裕

无级变速器(CVT)正在成为改善发动机燃油经济性的重要技术之一，也在为减少汽车的CO2排放作出贡献。介绍近年来应用于皮带式CVT的各种先进技术。通过降低摩擦、带轮的小型轻量化、降低润滑油摩擦阻力，以及降低滚动轴承摩擦扭矩等技术措施来改善燃油经济性，相比传统的CVT，可降低约30%的摩擦损失，同时也提高了CVT自身的传动效率。此外，采用皮带式CVT与副变速器相结合的独特结构，可以扩大变速比范围，改善车辆的起步与加速性能。

无级变速器燃油经济性降低摩擦副变速器

0　前言

所谓“无级变速器(CVT)”，就是利用皮带、链条等齿轮以外的传动机构连续改变变速比的变速装置，具有换档平顺，以及发动机在任何车速下都可在最佳效率的工况下运转的优点。CVT的主要种类大致可以划分为以下4种： (1) 皮带及带轮传动型；(2) 牵引力传动型；(3) 液压泵及电动机驱动型；(4) 发电机及电动马达驱动型。近年来，前轮驱动车所采用的皮带及带轮传动型CVT(以下称“皮带式CVT”)的销售正在日本国内，以及北美、亚洲等市场逐渐扩大份额。

如图1所示，在2005年，皮带式CVT在全球双离合变速器(DCT)中所占的份额不到10%，但到2017年，这一比例预计将扩大到15%左右[1]。

图1　变速器的全球市场份额[1]

另一方面，皮带式CVT的缺点是，在车辆行驶时，从传动原理上来讲，皮带会产生微小的滑动，而为了张紧皮带就必须采用液压装置，从提高CVT自身传动效率的观点来看，这是有待解决的重要课题。近年来，对于降低发动机燃油耗的需求日益迫切，所以，对于CVT技术而言，提高燃油经济性也已成为主要的开发目标，为了提高传动效率和发动机效率，研究人员正在尝试采用各种技术对策。表1归纳了相关摩擦学技术对策。本文着眼于皮带式CVT的燃油经济性改善技术，介绍具体的相关内容。

表1　改善燃油经济性的皮带式CVT相关技术

1　提高皮带式CVT的传动效率

1.1减少液压损失

在皮带式CVT中，是利用机油泵产生的液压，用带轮张紧皮带来传递驱动扭矩，而用于产生液压所做的功将成为扭矩传递损失。为了降低损失，必须提高皮带与带轮之间的摩擦因数。本节将介绍提高摩擦因数的相关技术。

1.1.1基于带轮的表面粗糙度提高摩擦因数

众所周知，皮带与带轮之间的摩擦因数会受带轮表面形状的影响，通过改变其表面粗糙度，有效提高摩擦因数[2]。

图2示出了试验所使用的带轮试样表面形状。此外，图3和图4示出了带轮试样的表面粗糙度与提高摩擦因数的关系，图中所使用的试样详细情况如下： (1) 条纹A为圆周方向的痕迹，其表面凹凸的间隔较小；(2) 条纹B也是圆周方向的痕迹，其表面凹凸的间隔中等；(3) 随机条纹为随机加工的痕迹，其表面凹凸的间隔较大。

图2　带轮试样的表面形状[2]

图3　　　　带轮试样初期表面粗糙度Ra值　　　与提高摩擦因数的关系[2]

如图3所示，带轮表面的算术平均粗糙度Ra值越小，摩擦因数就越高。在这种情况下，表面精加工方法及条纹类型的不同都会使摩擦因数产生差异。此外，如图4所示，构成表面粗糙度曲线的凹凸平均间隔(Sm值)越小，摩擦因数就越高。

图4　　　　带轮试样初期表面粗糙度Sm值　　　与提高摩擦因数的关系[2]

基于上述机理，如图5所示，可认为Ra值及Sm值越小，带轮与皮带部件滑动表面的实际接触率就越大。

图5　提高摩擦因数的机理[2]

1.1.2利用润滑油提高摩擦因数

CVT润滑油的特性也会对摩擦因数产生较大的影响。

一般认为，在皮带和带轮之间的摩擦面上，会同时存在弹性流体润滑油膜与边界润滑油膜。在此，介绍利用不同种类的添加剂来提高边界润滑油膜摩擦因数的技术[3]。

采用分别添加几种典型添加剂的润滑油(图6)，分析摩擦因数与单位磨损量的关系。由结果可知，如在碱性添加剂中配合使用磷系添加剂，则摩擦因数更高，耐磨损性也更好(图7)。通过优化选择添加剂，可兼顾提高摩擦因数与防止磨损的性能要求。

图6　典型的润滑油添加剂案例[3]

图7　添加剂的摩擦学特性[3]

此外，如图8所示，摩擦因数与边界润滑油膜的硬度也具有相关性，并且，润滑膜的硬度也可以通过添加剂的种类来进行调整。

图8　边界润滑膜的硬度与摩擦因数的关系[3]

1.2降低摩擦损失

导致产生CVT内部摩擦损失的主要原因有润滑油的摩擦，以及滑动部位和旋转部位的摩擦等。下文介绍降低润滑油摩擦阻力，以及降低带轮支承轴承滑动阻力和推送皮带内部滑动阻力的相关技术。

1.2.1降低润滑油的摩擦阻力

在CVT的扭矩损失中，润滑油摩擦阻力造成的摩擦损失占较大份额。作为降低润滑油摩擦阻力的措施，可以降低润滑油黏度，以及减少流动量等。

降低CVT润滑油黏度能够减少因摩擦阻力导致的摩擦损失，但如果单纯地降低润滑油黏度，则液压回路及密封部位的润滑油泄漏量会增加，油膜厚度也会减少，从而导致CVT性能出现问题，无法确保其耐久性，这些都是有待解决的课题。

为了解决上述问题，研究人员采用高性能的基油，以及最佳的黏度指数改进剂[4]，在力求降低润滑油黏度的同时，抑制润滑油老化后出现的黏度降低现象(图9)，确保油膜厚度(图10)，维持润滑油性能(图11)。

图9　低黏度润滑油经老化后的黏度[4]

图10　低黏度润滑油的油膜厚度[4]

图11　低黏度润滑油的金属疲劳寿命[4]

为了利用物理学原理减少润滑油的流动量，可以采用限制向CVT内旋转体供给润滑油的方法。例如，为了减少向CVT末端传动齿轮的润滑油流动，如图12所示，可以采用挡油板。另外，由图13中的结果可确认，降低润滑油的流动量对减少部件摩擦具有积极作用[5]。

图12　挡油板的形状[5]

图13　润滑油位与摩擦阻力的关系[5]

近年来，在带副变速器的小型CVT中，可以采用小直径的带轮(图14)，并且，一级带轮与二级带轮均可以布置在高于润滑油液面的变速器上部。由此，可以避免一级带轮与润滑油液面的接触，从而降低因润滑油流动造成的摩擦损失[6]。

图14　小型CVT的布局[6]

1.2.2降低滚动轴承的摩擦扭矩

CVT的带轮支承轴承必须能支承张力极大的带轮，所以，与有级式自动变速器相比，轴承尺寸较大，传递扭矩损失也会随之增大。

如图15所示，在油润滑条件下的球轴承内部摩擦扭矩中，保持架油兜部位的油膜剪切阻力所占比例最大。油膜剪切阻力的大小受接触面积的影响，因此，如图16所示，研究人员在保持架油兜内径面(滚动体导向面)上设置凹凸形状。由此，如图17所示，滚动体与保持架油兜之间的接触面积减少，从而降低了传递扭矩损失[7]。

图17　保持架形状对扭矩损失的影响[7]

1.2.3降低皮带内部摩擦

推送皮带由多个部件及环圈构成，在结构上，皮带传动装置旋转时会因部件与环圈之间的滑动而造成摩擦损失。为了降低这种摩擦损失，研究人员正在致力于改善皮带的传动效率。

图18示出了通过改进环圈以提高传动效率的实例。在这一改进实例中，通过缩小环圈的宽度，在环圈与部件之间滑动增多的低变速比及高变速比区域，有效地提高了传动效率[8]。

图18　皮带形状改善效率的效果[8]

2　降低发动机的转速

降低车辆行驶时的发动机转速，可以降低燃油耗，而CVT技术的进步也为此作出了贡献。下文分别介绍在车辆起步与行驶时有利于降低发动机转速的CVT技术。

2.1扩大锁止范围

CVT的起步机构主要是采用液力变矩器，即利用流体进行扭矩传递的起步装置。液力变矩器具有利用流体增大发动机扭矩的功能，但其缺点是由于存在流体滑动，会造成发动机转速的损失。为了避免产生这种损失，可以采用液力变矩器锁止离合器，如图19所示，锁止离合器接合时，车速越低，行驶中的发动机转速也越低。虽然在低车速情况下接合离合器时，会因为发动机转速与CVT带轮转速的较大偏差而导致离合器接合时的扭矩波动，但这可以通过采用起步滑动锁止技术来加以解决，即在起步后离合器滑动的时接合离合器。

图19　利用锁止离合器降低发动机转速[8]

在采用锁止离合器机构的情况下，离合器滑动的频率、因放热量增加引起的摩擦材料烧伤，以及耐久性方面还存在一些有待解决的课题。为解决这些问题，如图20所示，可以通过提高滑动面的平面度，改善离合器的局部接触，以减少滑动时的升温现象[8]。

图20　改善液力变矩器平面度的实例[8]

2.2拓宽变速比范围

CVT可以根据车速无级改变变速比，从而使车辆在更高效率的发动机转速区域行驶，为了在高速行驶时通过降低发动机转速来进一步改善燃油经济性，还可以扩大变速比的范围。要在不增加带轮直径及轴间距的前提下扩大变速比范围，如图21所示，可以缩小带轮内环侧的皮带卷绕半径，具体方法有缩小带轮轴的直径，以及优化皮带部件及环圈等[8]。

图21　扩大变速比范围[8]

另外，扩大变速比范围的方法还有采用副变速器。如图22所示，利用行星齿轮将2档副变速器与CVT相结合，可以在缩小带轮直径的同时扩大变速比的范围[7]。

图22　副变速器概要[7]

3　结语

图23中归纳了对今后的CVT产品的要求，包括改善燃油经济性在内，为提高CVT的性能，润滑及摩擦学技术变得越来越重要[9]。相关的研究领域范围极广，除本文所介绍的技术外，在提高传动效率方面，可降低湿式离合器的打滑阻力。在提高可靠性方面，可以提高齿轮的抗点蚀性能，以及延长轴承及衬套的使用寿命等。在轻量化方面，则应注重防止树脂零件滑动部位的磨损等。

图23　今后的CVT技术

此外，减少润滑油的使用量，或是不使用润滑油的干式运转也是今后CVT的发展方向。在摩擦学方面的课题就包括防止干燥环境下滑动零件的磨损，以及提高润滑脂的性能等[10]。同时，这些技术的应用领域也并不仅限于CVT，其他现有变速器及今后有望获得普及的电动动力传动装置也可应用上述技术，进一步提高性能。

[1] HIS Automotive調査[R].

[2] 伊藤，ほか.ベルトCVTの金属間摩擦係数に及ぼす表面粗さの影響[C].トライボロジー学会会議予稿集，鳥取，2004-11： 19.

[3] 市橋俊彦.高摩擦CVT油の開発[J].トライボロジー，2009，7.

[4] 小鳥，ほか.低粘度無段変速機油の開発[C].自動車技術会関東支部学術研究講演会，2014.

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[6] 篠原，ほか.燃費と走りの良さを目指した副変速機付きCVT[C].自動車技術会シンポジウム，動力伝達系の最新技術，2010，20104655，05-10.

[7] 中山充浩.トランスミッション用低トルク深溝玉軸受の開発[J].トライボロジー，2013，10.

[8] Endo M. Development of start-off slip control and torque converter for the Jatco CVT8 series[C]. International CTI Symposium China， 2013.

[9] 塩見，ほか.環境に配慮した次世代2.0-3.5LクラスFF車用新型CVTの紹介[C].自動車技術会学術講演会前刷集，2012，26-12.

[10] 茂木靖裕.自動車用自動変速機油の技術動向[C].潤滑油製造業地方研修会，横浜，2013.

2015-06-23)