齒輪也能無級(jí)變速 活齒CVT的解析

　 齒輪也能實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速你相信嗎？CVT也承受1000N.m的扭矩你相信嗎？恐怕很多人認(rèn)為這種說法是天方夜譚。而一種被稱為活齒CVT無級(jí)變速箱（活齒CVT，后文簡(jiǎn)稱）的新玩意兒，卻能實(shí)現(xiàn)這種看似不太靠譜的傳動(dòng)方式，并已申請(qǐng)了美、德、英、法、日等十三個(gè)國(guó)家的發(fā)明專利。今天我們走進(jìn)了坐落于亦莊的一家名為維艾迪的高新技術(shù)企業(yè)，帶您一起看看這個(gè)鮮為人知的“怪家伙”究竟是什么樣子。

　　“齒輪”能實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速嗎？

　　對(duì)于傳統(tǒng)的CVT無級(jí)變速箱我們并不陌生，其主要通過兩個(gè)可變槽寬的主、從動(dòng)棘輪和鋼帶或鏈條來實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速。主、從動(dòng)棘輪可通過滑動(dòng)改變V型槽的寬度，使鋼帶或鏈條在主、從動(dòng)棘輪上的回轉(zhuǎn)半徑發(fā)生變化，而回轉(zhuǎn)半徑的比值就是我們所說的傳動(dòng)比，回轉(zhuǎn)半徑變了自然傳動(dòng)比也就變了，且由于變化是連續(xù)的，不存在斷點(diǎn)，所以我們稱之為無級(jí)變速。而一般采用齒輪傳動(dòng)的變速箱則不然，即便擋位再多也會(huì)在傳動(dòng)比上存在斷點(diǎn)，所以無法達(dá)到無級(jí)變速的效果。可為何這種稱之為活齒CVT的新玩意兒卻能通過齒輪實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速呢？我們繼續(xù)往下看。

　　在介紹其中奧秘之前，我們必須先要了解這種變速箱中的一個(gè)最為核心的概念—“活齒”。我們都知道傳統(tǒng)的齒輪傳動(dòng)是靠?jī)蓚€(gè)堅(jiān)硬齒輪的齒面嚙合來實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞的，而這種活齒CVT的傳動(dòng)方式則與我們平時(shí)齒輪傳動(dòng)有兩點(diǎn)顯著不同。

　　首先它不是傳統(tǒng)意義上的兩個(gè)齒輪，而是由一條帶齒的傳動(dòng)鏈條和一個(gè)被稱為“活齒單元”的部件組成。其次，它的齒是“一死一活”，“死齒”指的就是傳動(dòng)鏈條上的齒，其特點(diǎn)就如同我們一般齒輪上的齒一樣，堅(jiān)硬有輪廓；而“活齒”則指的是“活齒單元”上的一個(gè)個(gè)非常薄的可移動(dòng)滑片，在同“死齒”接觸時(shí)這些滑片會(huì)由于壓力發(fā)生移動(dòng)，形成與“死齒”輪廓一樣的齒槽，將“死齒”吞入其中。

　　了解了什么是“活齒”，接下來的傳動(dòng)原理就非常簡(jiǎn)單了?；铨XCVT的傳動(dòng)機(jī)乍一看與傳統(tǒng)CVT十分相似，實(shí)現(xiàn)變速的部件也與我們平時(shí)所見的CVT相差不大，主要由主、從動(dòng)棘輪、傳動(dòng)鏈條及活齒單元四部分組成。主、從動(dòng)棘輪通過鏈條連接，表面開有溝槽用于安放活齒單元，活齒單元可沿溝槽自由滑動(dòng)，其上的活齒部分與傳動(dòng)鏈條接觸。

　　在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，棘輪上的活齒單元跟隨棘輪旋轉(zhuǎn)，傳動(dòng)鏈條由于被活齒單元形成的齒槽死死咬住，也只能隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，由此實(shí)現(xiàn)力的傳遞。當(dāng)活齒單元與鏈條脫離時(shí)，在離心力的作用下，滑片會(huì)被甩到壓縮前的位置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)復(fù)位。行駛中需要速比發(fā)生改變時(shí)，活齒CVT也會(huì)同傳統(tǒng)CVT一樣通過棘輪運(yùn)動(dòng)改變V形槽的寬度，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比的連續(xù)變化。文章標(biāo)簽：變速箱技術(shù)●

　　扭矩真的可以達(dá)到1000N.m嗎？

　　明白了傳動(dòng)過程，大家肯定會(huì)問，這種傳動(dòng)方式看起來和傳統(tǒng)CVT差不太多，到底骨子里有什么不一樣呢？我們都知道傳統(tǒng)CVT是靠主從動(dòng)棘輪表面擠壓鋼帶或鏈條形成的摩擦力來實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞的。這種傳遞方式由于材料和自身原理限制，產(chǎn)生的摩擦力并不是無限大，這就導(dǎo)致了傳統(tǒng)CVT所能實(shí)現(xiàn)的扭矩傳遞范圍比較有限，如果扭矩過大，鋼帶或鏈條會(huì)因摩擦力不足而發(fā)生打滑。

　　目前傳統(tǒng)CVT能實(shí)現(xiàn)的最大扭矩傳遞也不超過450N.m.而這種活齒CVT則不然，由于其基于齒輪傳動(dòng)原理，避免了摩擦力對(duì)傳遞扭矩造成的限制，理論上說只要傳動(dòng)鏈條和嚙合齒不因受力過大而損壞，都是可以有效傳動(dòng)的。據(jù)我們了解目前制造出來的樣機(jī)可以傳遞超過1000N.m的扭矩，這是傳統(tǒng)CVT無法做到的。

　　為了保證如此巨大扭矩不會(huì)對(duì)變速機(jī)構(gòu)造成損傷，工程人員也是煞費(fèi)苦心。首要問題便是傳動(dòng)鏈條在大扭矩下怎樣能不被拉斷，而圍繞這個(gè)問題還經(jīng)歷了一段反復(fù)修改的波折。

　　這種活齒CVT研發(fā)之初，其實(shí)并不是采用鏈條進(jìn)行傳動(dòng)，而是類似于傳統(tǒng)CVT上的鋼帶，樣子上也非常相似。通過金屬帶將大小不一的鋼片穿在一起形成“齒帶”，利用它來進(jìn)行動(dòng)力的傳遞。在大扭矩實(shí)驗(yàn)中，這種金屬帶的命運(yùn)可謂極其不幸，由于金屬帶自身強(qiáng)度有限，經(jīng)受不了多長(zhǎng)時(shí)間就會(huì)被干凈利落地扯斷，而交織其上的金屬片也被弄的七零八落，這使得在起步階段，研發(fā)一度陷入困境。經(jīng)過反復(fù)嘗試，最終選擇了我們今天看到的鏈條傳動(dòng)方式。

　　但是鏈條傳動(dòng)方式也不是盡善盡美，騎過自行車的人都知道，鏈條最容易壞的就是每段之間的連接部分，這一部分非常脆弱，很可能由于某一段的連接點(diǎn)出現(xiàn)斷裂導(dǎo)致整個(gè)鏈條無法使用。目前CVT所使用的鏈條在連接點(diǎn)部分是一般是通過一根非常細(xì)的銷子進(jìn)行連接，這種連接方式成本比較高，且在大扭矩情況下，并不是十分可靠。因此在又經(jīng)歷了無數(shù)次失敗的洗禮后，工程人員最終通過將鏈條最外側(cè)鎖死整體連接固定的方式解決了這一問題。

　　鏈條的問題雖然解決了，但承受大扭矩的任務(wù)不僅僅是鏈條一方，我們之前提到的“活齒”滑片在這方面更加棘手。由于滑片很薄，一旦在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中恰巧只有一片薄片受力，那么可以肯定，這個(gè)薄片在劫難逃了。不過這方面的改進(jìn)比起鏈條要順利且簡(jiǎn)單的多，將最外一片薄片加厚即可。而這個(gè)薄片從理論上講，也是承受大扭矩的關(guān)鍵。

　　沒有液壓系統(tǒng)，傳動(dòng)效率高

　　除了扭矩增大外，這種活齒CVT還有一大顯著特點(diǎn)，就是傳遞動(dòng)力的效率要高出傳統(tǒng)CVT變速箱很多，而這方面的原因是由于這種CVT省去了傳統(tǒng)CVT使用的液壓控制系統(tǒng)。CVT的效率損失主要來自控制液力損失、潤(rùn)滑攪動(dòng)損失、機(jī)械傳動(dòng)損失等方面，而控制液力損失在其中所占比重很大。比如傳統(tǒng)CVT傳動(dòng)時(shí)為了防止鋼帶打滑而產(chǎn)生的壓緊力損失、內(nèi)部控制油路發(fā)生改變時(shí)產(chǎn)生的損失都屬于這一范疇，這類耗能嚴(yán)重制約了CVT效率的提升。

　　這種活齒CVT由于采用齒輪原理傳動(dòng)，不需要為了產(chǎn)生傳動(dòng)所需的摩擦力而耗費(fèi)很大力氣將棘輪壓緊，所以取消了傳統(tǒng)CVT中的液壓系統(tǒng)，只需用電機(jī)控制棘輪運(yùn)動(dòng)，改變V型槽的寬度即可。這一變化可使傳動(dòng)效率大幅提高，參與研發(fā)的工程人員透露目前活齒CVT的傳動(dòng)效率可以達(dá)到96%，接近手動(dòng)變速箱的效率水平。

　　但有些人讀到這里可能會(huì)質(zhì)疑，雖然這種活齒CVT不靠摩擦力傳動(dòng)，但在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中鏈條會(huì)死死壓住活齒單元，進(jìn)而使棘輪向外移動(dòng)。而為了保持棘輪不亂跑，還是要費(fèi)很大力氣壓住它。這種質(zhì)疑絕對(duì)靠譜，理論上確實(shí)如此，但工程人員告訴我，這種擔(dān)心是多余的，因?yàn)樗麄兺ㄟ^一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)就解決了這一問題。

　　我們可將主、從動(dòng)棘輪分為四部分，每個(gè)棘輪以傳動(dòng)鏈條為界分為兩半。這四部分可按對(duì)角線劃分成兩組，主動(dòng)棘輪上半和從動(dòng)棘輪下半為一組，剩下的為另一組。其中一組是與主、從動(dòng)軸連為一體的固定輪，而另外一組則是套在主、從動(dòng)軸上的活動(dòng)輪，V型槽寬度的改變就是靠活動(dòng)輪的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。

　　傳動(dòng)中，鏈條擠壓棘輪，與軸連為一體的固定輪肯定是怎么擠都不會(huì)動(dòng)的，所以只有活動(dòng)輪存在被擠跑的風(fēng)險(xiǎn)。而工程人員用一塊金屬板將兩個(gè)活動(dòng)輪連接到一起，變?yōu)橐粋€(gè)整體，這樣一來呈對(duì)角線分布的活動(dòng)輪在受到方向相反的擠壓力時(shí)，會(huì)通過金屬板相互抵消。這就好比一個(gè)人站在兩個(gè)小車中間，你雙手左右一推，兩個(gè)小車會(huì)同時(shí)向左右移動(dòng)，但如果用鏈子將兩個(gè)小車連在一起，再?gòu)闹虚g同時(shí)推左右兩個(gè)小車，車就不會(huì)動(dòng)了。同時(shí)，連接在一起還有另外一個(gè)好處，就是只需要一臺(tái)控制電機(jī)便能控制主、從動(dòng)棘輪的V形槽變化，一端寬度變大時(shí)，另一端必然會(huì)隨之變小。

　　此外，這種活齒CVT還可以不使用液力變扭器，我們手動(dòng)變速箱搭配的壓片式離合器即可保證傳動(dòng)系統(tǒng)需求，這樣一來液力變扭器所產(chǎn)生的液力損失部分也可以被消除。不過工程人員告訴我，在今后的設(shè)想中，他們還是可以根據(jù)不同車型的需要來決定是否采用液力變扭器，這點(diǎn)對(duì)于變速箱來說并不是件很困難的事。文章標(biāo)簽：變速箱技術(shù)●

　　成本會(huì)令人難以接受嗎？

　　沒有了液壓系統(tǒng)的活齒CVT比起傳統(tǒng)CVT零件少了很多。據(jù)工程人員介紹，這款CVT只有百余個(gè)零件，比傳統(tǒng)CVT要少將近一半，而且由于不再依靠摩擦傳動(dòng)，棘輪表面的加工精度也有所降低。這樣一來，成本上自然就會(huì)省去不少。據(jù)了解這種活齒CVT由于能傳遞的扭矩比較大，其定位以中、重型車輛為主。而這些車輛由于用途及市場(chǎng)定位，對(duì)成本的控制方面，比家用轎車要嚴(yán)格的多，成本過高的話，可能會(huì)曲高和寡，無人問津。

　　高轉(zhuǎn)速傳動(dòng)仍是難點(diǎn)

　　雖然這種活齒CVT在扭矩、效率、成本上具有自身獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但工程人員直言不諱地講，其在研發(fā)當(dāng)中仍存在一些尚未完全解決的難點(diǎn)。其中如何保證在高轉(zhuǎn)速下仍能有效工作就是一個(gè)有待進(jìn)一步研究的課題。

　　這種活齒CVT目前可以達(dá)到的最大轉(zhuǎn)速大約在5000rpm左右，而目前傳統(tǒng)家用轎車的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速普遍高于這一數(shù)值，這也使得目前這種活齒CVT在較高轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域上仍待改進(jìn)。究其原因，主要是由于這種變速箱的活齒在脫離鏈條時(shí)，是依靠離心力的作用自動(dòng)復(fù)位，這種運(yùn)動(dòng)會(huì)在高轉(zhuǎn)速下，對(duì)扭矩傳遞造成影響，使其出現(xiàn)脈動(dòng)，從而造成動(dòng)力傳遞不平穩(wěn)的現(xiàn)象，不過研究人員已經(jīng)開展針對(duì)此項(xiàng)問題的細(xì)化設(shè)計(jì)。

　　實(shí)際測(cè)試，傳動(dòng)較為平順

　　究竟是好是壞，還要親自體驗(yàn)一下才知道。工程人員早就準(zhǔn)備好了一輛實(shí)驗(yàn)樣車，這點(diǎn)倒是不出乎我的意料，畢竟這種從沒見過的東西到底靠不靠譜，沒人敢肯定，但是看到車以后還是令我感到驚訝，竟然是一輛東風(fēng)猛士，這可是軍車呀！經(jīng)過說明才知道，之所以選擇這輛車，主要因?yàn)檫@輛車搭載的是6.5L柴油機(jī)，扭矩可達(dá)到550N.m，這一數(shù)值是目前傳統(tǒng)CVT無法觸及的，比較具有代表性，既然如此那就上吧。

　　不過測(cè)試過程中，我并沒有開車，只是試乘體驗(yàn)，這多少有點(diǎn)遺憾，不過這事兒確實(shí)事出有因。由于資金方面問題，暫時(shí)無法負(fù)擔(dān)電控系統(tǒng)高昂的開發(fā)費(fèi)用，所以裝在這輛實(shí)驗(yàn)車上的變速箱并沒有這方面配備，只能憑借手動(dòng)操作對(duì)變速箱進(jìn)行控制。對(duì)于從未接觸過的我來說，恐怕都不知道怎么能叫它走起來。

　　車輛剛起步的時(shí)候有些抖動(dòng)，工程人員告訴我這主要是由于離合器也只能手動(dòng)調(diào)節(jié)，隨即給我指了下控制離合器的按鈕。果然開起來之后，車輛平順了很多，在提速過程當(dāng)中并未感受到傳動(dòng)比改變而產(chǎn)生的不適，變速箱監(jiān)測(cè)顯示屏幕上也清晰地標(biāo)示出了速比變化的全過程，由于沒有電控系統(tǒng)的輔助，測(cè)試車只是通過簡(jiǎn)單程序模擬了10個(gè)擋位，使我們對(duì)擋位變化有更加直觀的了解。

　　在這種手動(dòng)控制的條件下，全程最高車速達(dá)到了50km/h，而目前這款實(shí)驗(yàn)用的變速箱最高可以達(dá)到80km/h的行駛速度。整個(gè)測(cè)試共開行了大約2km距離，乘坐感覺上與傳統(tǒng)CVT變速箱區(qū)別并不大。

　　在溝通過程中，我們還了解到，目前工程人員還在研發(fā)一種采用杠桿原理的無級(jí)變速箱。大體上是通過改變杠桿中心點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)速比變化。不過由于這種變速箱結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且尚未成熟，所以沒有公布更多設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。

　　總體來說，這種被稱為活齒CVT的無級(jí)變速箱，從理論上實(shí)現(xiàn)了齒輪無級(jí)變速的設(shè)想，其自身具有的大扭矩、高效率等特點(diǎn)也值得我們認(rèn)可，但其自身存在的一些技術(shù)難點(diǎn)仍使我們不好預(yù)測(cè)這種CVT究竟能否走近尋常百姓身邊，且如何轉(zhuǎn)化為能工業(yè)化生產(chǎn)的產(chǎn)品，并保證產(chǎn)品一致性，更是發(fā)展道路上必須解決的問題。這些問題將會(huì)隨著時(shí)間的流逝、研究的深入而逐步被揭曉。究竟其能否獲得成功，會(huì)不會(huì)被消費(fèi)者接受，我們也只能拭目以待。