配备起动齿轮机构的宽速比无级变速器

瀬尾隆 谷中悟史 友松大輔 深尾光博 大槻武

无级变速器（CVT）正在逐渐成为改善发动机燃油经济性的1项重要技术，同时也可有效降低汽车的CO2排放。介绍了丰田汽车公司与日本爱信精机株式会社联合开发的新款CVT及相关技术。该款CVT采用传统的钢带结构，且增设了独特的起动齿轮机构，并围绕降低燃油耗、提高驾驶性能、实现轻量化等目标，引进了诸多新技术，从而使新款CVT具有换档平顺，速比范围宽广的特点。由此，发动机可在任何车速下均以最高效率运转，同时也使车辆的起步、加速及驾驶性能得到改善。

无级变速器;起动齿轮机构;驾驶性能;燃油经济性

0 前言

近年来，世界各国针对环保领域提出了进一步要求。在汽车工业领域，降低CO2排放已成为重要课题。丰田汽车公司提出到2050年，应使上市新车的CO2排放量减少90%，并已开始致力于该项课题的研究工作。丰田方面制定的规划是到2030年，使新车销售量的10%以上为纯电动汽车（EV）及燃料电池汽车（FCV）（图1）。根据目前现状，到2030年，仍将有90%的汽车以内燃机为动力装置，所以研究人员需要通过对发动机及变速器技术进行重点开发，以降低CO2排放。在该背景条件下，丰田汽车公司与日本爱信精机株式会社于2012年起联合开展了针对新型无级变速器（CVT）的开发工作。

1 开发理念

此次推出的新型CVT可与1.5 L及2.0 L发动机进行匹配使用。同时，为了实现推广普及，研究人员针对发动机排量为2.0 L以下的车型设定了如下开发目标：

（1）通过扩大变速比范围并实现高效化，改善燃油经济性;

（2）通过兼顾CVT换档平顺性及加速感，提高驾驶性能;

（3）通过使CVT部件实现小型化及轻量化，降低整车质量，并提高其匹配性能。

为满足各类车型的性能需求，研究人员针对1.5 L与2.0 L发动机开发了新型部件。研究人员在开发不同的部件时，应使变速器换档阀阀体实现通用化，并使CVT基本结构及控制系统实现统一化。由此不仅能提高开发效率，而且通过对机型系列的整合，成功减少了零部件种类。另一方面，研究人员为使转轴及齿轮等动力传动零件与自身扭矩需求相匹配，进行了最优化设计。

2 开发技术

为实现开发目标，研究人员不仅采用了与传统CVT相同的钢带进行动力传动，而且为其配备了全新的齿轮传动机构，可使车辆在起步及加速时具有较高的动力性能（如图2、图3和表1所示）。图4示出了在各种行驶模式下的新型CVT的传动状态示意图。齿轮机构与皮带的动力传动路线的切换，是利用C1、C2 这2款湿式离合器的接合与分离而实现的，研究人员为此引进了源于自动变速器（AT）的高速响应控制模式。在驾驶人员轻踩加速踏板时，可实现与传统CVT同样的平顺加速过程。在驾驶人员用力踩下加速踏板时，可使整车具有更迅捷的加速體验。

2.1 改善燃油耗的技术

新型CVT相比传统CVT，扭矩损失降低了34%（图5）。由此使系统效率提高了5%，整车燃油经济性提升了6%（在北美行驶工况及欧洲共同体行驶工况下）。本节重点介绍降低CVT能量损失的相关技术。

2.1.1 扩大变速器速比范围

与传统结构相似，在扩大变速器速比范围的同时，皮带传动效率将会有所降低。因此，研究人员应逐步扩大传统型CVT的速比范围，并兼顾驾驶性能与燃油经济性。为解决上述问题，研究人员为新款CVT的低速档侧增加了齿轮传动机构。在车辆刚起步时，由于变速器利用具有较高传动效率的齿轮机构进行驱动，为此具有强劲的动力性能，并能实现快速响应。由于驾驶人员会将皮带传动机构的速比向高速档侧转换，因此车辆可以在皮带传动效率较高的区域实现高速、高效的行驶过程，并具有宽广的速比范围（图6）。随着带轮的高刚度化，皮带在传递动力时出现的径向下沉量减小了，有效改善了皮带传动效率。

2.1.2 附加轴双排油口叶轮式油泵

机油泵采用了如图7所示的双排油口叶轮式油泵。按照行驶条件，研究人员将2个排油口分别设为高压排油口与低压排油口，以此降低了驱动油泵的能量。而且，由于采用了容积效率较高的叶轮式油泵，从而大幅提高了油泵工作效率。此外，由于研究人员在发动机的附加轴上配装了油泵，除了能使油泵实现高效运行之外，也为CVT本体的小型化及轻量化作出了贡献。

2.1.3 起动齿轮机构与同步齿轮机构

为拓宽速比范围并提高传动效率，研究人员为系统增设了起动齿轮机构（图8）。研究人员考虑到车辆在高速行驶时，由于前进及倒车的摩擦部件及行星齿轮的高速差动会导致能量损失，因此为用于起动的齿轮传动系统配备了同步机构。由此，除了皮带传动机构的变速效果外，在中等车速以上的工况区域，研究人员应借助于换档拨叉等机构，以避免传动效率降低。

2.2 提高驾驶性能的技术

为了兼顾驾驶性能与燃油经济性，研究人员根据加速踏板开度，将工况分为以下3个区域：车速控制区域、加速感受区域及动力性能区域，以此开发出最佳的控制方式。本节将介绍不同工况区域所要求的开发目标。

2.2.1 车速控制区域

该区域主要为车辆在市区道路及高速公路上恒速行驶时的工况区（图9）。研究人员力求兼顾车辆的燃油经济性与车速控制性能。由于在车辆起步时，驾驶人员通常会将CVT传动方式由齿轮传动调整为皮带传动，该过程能与传统CVT充分实现匹配，并可使发动机在高效区域运作。研究人员可通过调整离合器的变速控制方式、CVT变速控制方式、锁止式控制方式及发动机扭矩控制方式，使驾驶人员感觉不到明显的齿轮运作过程，充分兼顾了平顺的变速过程与优良的燃油经济性。此外，研究人员为提高车辆在恒速行驶区的行驶性能，将各车速下的驱动力控制特性设定为线性，以此提高了车速控制性能。当车辆处于制动工况时，研究人员通过设定，可使变速器由皮带传动向齿轮传动切换。此时，研究人员可根据减速度而精确地控制离合器液压系统，使离合器处于半分离状态，力求缓解由于传动方式切换而导致的车辆重心垂向位移现象。结果表明，通过上述方式，可使整车制动感受更为平顺。

2.2.2 加速感受区域

该区域是车辆在起动及超车加速时所使用的工况区（图10）。为了优化驾驶人员的驾驶体验，并使整车具有线性的加速感，研究人员充分运用了新型CVT的高效齿轮传动特性及新型发动机的出色扭矩特性。为加快C1、C2离合器的接合及转换速度，并使变速过程更为顺畅、平滑，研究人员应充分重视加速时的发动机转速与车辆重心位置的关系。研究人员应根据车辆加速度，以调整CVT变速控制方式及发动机扭矩控制方式，從而使发动机转速的上升率处于最佳状态。即使CVT处于变速过程中，也能使其实现线性的快速升档过程。同时，上述特性应符合市区道路高速行驶过程中的加减速及恒速行驶等工况。

2.2.3 动力性能区域

该区域是驾驶人员踩下加速踏板时所处于的工况区（图11）。为满足驾驶员的加速需求，应使其具有较高的响应性及强劲的加速性能。首先，在加速过程中，变速器会从皮带传动快速地向齿轮传动进行切换。研究人员根据CVT的速比，设定了分离侧C2离合器的液压参数，按照任何1个速比进行调整，均会使分离侧C2离合器的油压斜率有所降低。此外，在变速过程结束前，研究人员可通过改善离合器分离侧的液压效果，以缓解变速结束时产生的冲击，力求兼顾响应性与平顺性。当车辆在以中等负荷工况行驶时，变速器皮带传动机构内会出现速比大幅变化的降档过程。由于采用了窄角皮带并实现了带轮的小型化及轻量化，加速响应性得以显著提高。由于可动带轮的轴向行程有所减小，为此提高了传动带变速的幅度。此外，由于能降低变速过程中的惯性力矩，一方面抑制了加速滞后现象，一方面也能提高变速速度。

除了提高车辆在上述自动变速模式下的驾驶性能之外，为了进一步提升整车性能，研究人员将手动换档模式设定为10档，提升了换档操作过程的平顺性。相比传统变速器，该款CVT进一步提升了变速器的换档速度，也进一步改善了驾驶人员的驾驶乐趣，其可通过调整传动带变速控制与发动机扭矩控制而实现。此外，研究人员对测量仪表进行了技术改良，使其在控制过程中并未出现明显滞后的现象，同时使驾驶人员具有良好的驾驶感受。在硬件、软件两方面的技术开发过程中，研究人员通过实施兼容性开发，从而打造出具有较高商业价值的新款车型。

2.3 小型轻量化技术

研究人员根据新型CVT的技术特点，为其增加了齿轮传动机构等全新的技术部件，并通过技术调整使其适用于1.5 L、2.0 L等不同机型，下文将重点介绍CVT小型轻量化技术。

2.3.1 采用窄角传动带轮与带轮的小型化

由于研究人员将传动带的倾斜角度由原来的11 °缩小到9 °，压缩了可动带轮的轴向行程量（图12）。因此，不仅缩短了CVT部件的全长，并成功地实现了轻量化，同时使变速速度提高了20%，为提高驾驶性能作出了重要贡献。此外，在起步及加速等对发动机扭矩要求较高的工况区域，由于变速器通过起动齿轮机构传递扭矩，以此能减轻系统向传动带及带轮施加的负荷。研究结果表明，2.0 L发动机所采用的CVT，能使皮带传动部件的宽度从30 mm减少到24 mm（图13）。

2.3.2 CVT壳体的薄壁化与换挡阀阀体保护罩的树脂化

研究人员通过有限元法（FEM）分析得出了CVT的形状，从而对加强筋布置进行了最优化处理，与2.0 L发动机相匹配的CVT壳体的最薄部位由3.2 mm减至2.2 mm;与1.5 L发动机相匹配的CVT壳体的最薄部位由3.0 mm减至1.8 mm，成功地实现了CVT部件的轻量化。此外，研究人员将以往布置于CVT下方的换档阀阀门调整到CVT的前方。由此，可将现有的钢制防护罩改为树脂材质，而且由于部件的低配置化，也有利于实现车辆的低重心化。

3 目前的应用情况与发展前景

该款新型CVT已配装在于2018年7月正式上市销售的Coralla舱背式乘用车上，并已投放至北美市场。近期，该款CVT已陆续配装在IZOA/C-HR车型及RAV4车型上，有效兼顾了强劲的动力性能与优越的燃油经济性，以此赢得了用户的好评。今后，该款CVT将会被推广至全球市场，以此改善环保性能，并实现动力系统的小型化与轻量化，同时进一步降低整车燃油耗。

[1]D.Niii：Development of New Continuously Variable Transmission for 2.0-Liter Class Vehicles. SAE Technical Paper 2018-01-1062.

[2]友松大辅ぼか：新2.0L用