齒輪也能實現(xiàn)無級變速你相信嗎？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無級變速箱（活齒CVT，后文簡稱）的新玩意兒，卻能實現(xiàn)這種看似不太靠譜的傳動方式，并已申請了美、德、英、法、日等十三個國家的發(fā)明專利。今天我們走進了坐落于亦莊的一家名為維艾迪的高新技術(shù)企業(yè)，帶您一起看看這個鮮為人知的“怪家伙”究竟是什么樣子。
“齒輪”能實現(xiàn)無級變速嗎？
對于傳統(tǒng)的CVT無級變速箱我們并不陌生，其主要通過兩個可變槽寬的主、從動棘輪和鋼帶或鏈條來實現(xiàn)無級變速。主、從動棘輪可通過滑動改變V型槽的寬度，使鋼帶或鏈條在主、從動棘輪上的回轉(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比，回轉(zhuǎn)半徑變了自然傳動比也就變了，且由于變化是連續(xù)的，不存在斷點，所以我們稱之為無級變速。而一般采用齒輪傳動的變速箱則不然，即便擋位再多也會在傳動比上存在斷點，所以無法達(dá)到無級變速的效果?？蔀楹芜@種稱之為活齒CVT的新玩意兒卻能通過齒輪實現(xiàn)無級變速呢？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最為核心的概念—“活齒”。我們都知道傳統(tǒng)的齒輪傳動是靠兩個堅硬齒輪的齒面嚙合來實現(xiàn)動力傳遞的，而這種活齒CVT的傳動方式則與我們平時齒輪傳動有兩點顯著不同。
首先它不是傳統(tǒng)意義上的兩個齒輪，而是由一條帶齒的傳動鏈條和一個被稱為“活齒單元”的部件組成。其次，它的齒是“一死一活”，“死齒”指的就是傳動鏈條上的齒，其特點就如同我們一般齒輪上的齒一樣，堅硬有輪廓；而“活齒”則指的是“活齒單元”上的一個個非常薄的可移動滑片，在同“死齒”接觸時這些滑片會由于壓力發(fā)生移動，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”，接下來的傳動原理就非常簡單了。活齒CVT的傳動機乍一看與傳統(tǒng)CVT十分相似，實現(xiàn)變速的部件也與我們平時所見的CVT相差不大，主要由主、從動棘輪、傳動鏈條及活齒單元四部分組成。主、從動棘輪通過鏈條連接，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，其上的活齒部分與傳動鏈條接觸。
在運轉(zhuǎn)過程中，棘輪上的活齒單元跟隨棘輪旋轉(zhuǎn)，傳動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，由此實現(xiàn)力的傳遞。當(dāng)活齒單元與鏈條脫離時，在離心力的作用下，滑片會被甩到壓縮前的位置，實現(xiàn)自動復(fù)位。行駛中需要速比發(fā)生改變時，活齒CVT也會同傳統(tǒng)CVT一樣通過棘輪運動改變V形槽的寬度，實現(xiàn)傳動比的連續(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？
明白了傳動過程，大家肯定會問，這種傳動方式看起來和傳統(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是靠主從動棘輪表面擠壓鋼帶或鏈條形成的摩擦力來實現(xiàn)動力傳遞的。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，鋼帶或鏈條會因摩擦力不足而發(fā)生打滑。
目前傳統(tǒng)CVT能實現(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原理，避免了摩擦力對傳遞扭矩造成的限制，理論上說只要傳動鏈條和嚙合齒不因受力過大而損壞，都是可以有效傳動的。據(jù)我們了解目前制造出來的樣機可以傳遞超過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對變速機構(gòu)造成損傷，工程人員也是煞費苦心。首要問題便是傳動鏈條在大扭矩下怎樣能不被拉斷，而圍繞這個問題還經(jīng)歷了一段反復(fù)修改的波折。
這種活齒CVT研發(fā)之初，其實并不是采用鏈條進行傳動，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”，利用它來進行動力的傳遞。在大扭矩實驗中，這種金屬帶的命運可謂極其不幸，由于金屬帶自身強度有限，經(jīng)受不了多長時間就會被干凈利落地扯斷，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方式。
但是鏈條傳動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出現(xiàn)斷裂導(dǎo)致整個鏈條無法使用。目前CVT所使用的鏈條在連接點部分是一般是通過一根非常細(xì)的銷子進行連接，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，一旦在運轉(zhuǎn)過程中恰巧只有一片薄片受力，那么可以肯定，這個薄片在劫難逃了。不過這方面的改進比起鏈條要順利且簡單的多，將最外一片薄片加厚即可。而這個薄片從理論上講，也是承受大扭矩的關(guān)鍵。
沒有液壓系統(tǒng)，傳動效率高
除了扭矩增大外，這種活齒CVT還有一大顯著特點，就是傳遞動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、潤滑攪動損失、機械傳動損失等方面，而控制液力損失在其中所占比重很大。比如傳統(tǒng)CVT傳動時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，不需要為了產(chǎn)生傳動所需的摩擦力而耗費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)，只需用電機控制棘輪運動，改變V型槽的寬度即可。這一變化可使傳動效率大幅提高，參與研發(fā)的工程人員透露目前活齒CVT的傳動效率可以達(dá)到96%，接近手動變速箱的效率水平。
但有些人讀到這里可能會質(zhì)疑，雖然這種活齒CVT不靠摩擦力傳動，但在運轉(zhuǎn)過程中鏈條會死死壓住活齒單元，進而使棘輪向外移動。而為了保持棘輪不亂跑，還是要費很大力氣壓住它。這種質(zhì)疑絕對靠譜，理論上確實如此，但工程人員告訴我，這種擔(dān)心是多余的，因為他們通過一個簡單的設(shè)計就解決了這一問題。
我們可將主、從動棘輪分為四部分，每個棘輪以傳動鏈條為界分為兩半。這四部分可按對角線劃分成兩組，主動棘輪上半和從動棘輪下半為一組，剩下的為另一組。其中一組是與主、從動軸連為一體的固定輪，而另外一組則是套在主、從動軸上的活動輪，V型槽寬度的改變就是靠活動輪的移動實現(xiàn)的。
傳動中，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動的，所以只有活動輪存在被擠跑的風(fēng)險。而工程人員用一塊金屬板將兩個活動輪連接到一起，變?yōu)橐粋€整體，這樣一來呈對角線分布的活動輪在受到方向相反的擠壓力時，會通過金屬板相互抵消。這就好比一個人站在兩個小車中間，你雙手左右一推，兩個小車會同時向左右移動，但如果用鏈子將兩個小車連在一起，再從中間同時推左右兩個小車，車就不會動了。同時，連接在一起還有另外一個好處，就是只需要一臺控制電機便能控制主、從動棘輪的V形槽變化，一端寬度變大時，另一端必然會隨之變小。
此外，這種活齒CVT還可以不使用液力變扭器，我們手動變速箱搭配的壓片式離合器即可保證傳動系統(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，這點對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，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定位，對成本的控制方面，比家用轎車要嚴(yán)格的多，成本過高的話，可能會曲高和寡，無人問津。
高轉(zhuǎn)速傳動仍是難點
雖然這種活齒CVT在扭矩、效率、成本上具有自身獨特優(yōu)勢，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。其中如何保證在高轉(zhuǎn)速下仍能有效工作就是一個有待進一步研究的課題。
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)動機轉(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)動機領(lǐng)域上仍待改進。究其原因，主要是由于這種變速箱的活齒在脫離鏈條時，是依靠離心力的作用自動復(fù)位，這種運動會在高轉(zhuǎn)速下，對扭矩傳遞造成影響，使其出現(xiàn)脈動，從而造成動力傳遞不平穩(wěn)的現(xiàn)象，不過研究人員已經(jīng)開展針對此項問題的細(xì)化設(shè)計。
實際測試，傳動較為平順
究竟是好是壞，還要親自體驗一下才知道。工程人員早就準(zhǔn)備好了一輛實驗樣車，這點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，主要因為這輛車搭載的是6.5L柴油機，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。
不過測試過程中，我并沒有開車，只是試乘體驗，這多少有點遺憾，不過這事兒確實事出有因。由于資金方面問題，暫時無法負(fù)擔(dān)電控系統(tǒng)高昂的開發(fā)費用，所以裝在這輛實驗車上的變速箱并沒有這方面配備，只能憑借手動操作對變速箱進行控制。對于從未接觸過的我來說，恐怕都不知道怎么能叫它走起來。
車輛剛起步的時候有些抖動，工程人員告訴我這主要是由于離合器也只能手動調(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)中并未感受到傳動比改變而產(chǎn)生的不適，變速箱監(jiān)測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，測試車只是通過簡單程序模擬了10個擋位，使我們對擋位變化有更加直觀的了解。
在這種手動控制的條件下，全程最高車速達(dá)到了50km/h，而目前這款實驗用的變速箱最高可以達(dá)到80km/h的行駛速度。整個測試共開行了大約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變速箱。大體上是通過改變杠桿中心點來實現(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)計細(xì)節(jié)。
總體來說，這種被稱為活齒CVT的無級變速箱，從理論上實現(xiàn)了齒輪無級變速的設(shè)想，其自身具有的大扭矩、高效率等特點也值得我們認(rèn)可，但其自身存在的一些技術(shù)難點仍使我們不好預(yù)測這種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。這些問題將會隨著時間的流逝、研究的深入而逐步被揭曉。究竟其能否獲得成功，會不會被消費者接受，我們也只能拭目以待。