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简单认识变速箱

有些汽车基础知识的朋友都知道，燃油汽车要行驶，就需要将发动机产生的动力传递到车轮上，最后通过轮胎与地面摩擦，形成将车向前推动的力。而在这条动力传输链上必须有一个部件来改变传动比，扩大驱动轮转矩和转速。这个部件就是「变速箱」。

变速箱的作用和尴尬

那么「变速箱」到底要解决什么问题？

1.在启动时，将发动机的动力放大，拖动汽车移动并帮助汽车提速；

2.在行驶时，调整动力的输出频段，使得发动机保持在相对高效的「转速区段」输出动力；

3.在倒车时，实现动力方向的改变；

4.在紧急制动或下长坡时，配合刹车起到减速作用等。

除了钟表，变速箱是将「齿轮机构」的发挥到极致的机械部件

「变速箱」可以算是发动机的一个「外挂」，所以，它自身就带来几个问题：

1.占用了发动机舱的空间；

2.其本身的质量，加重了整车重量，提高了油耗；

3.作为机械装置（部分电动），带来能量的损耗等。

「变速箱」这货有多重，你搬过就知道了，图为奔腾B50的手排一枚

故此，变速箱成了大部分汽车（燃油和混动）必要而「累赘」的一个部件。百年来，无数工程师为此挠破头皮，就是为了让这个「累赘」能：

1.更小：更精密的设计；

2.更轻：减少部件或使用更轻的材料；

3.更高效：从结构到细节的调整。

说白了，他们的目标就是『要想马儿跑，还想马儿不吃草』！

两类主流变速箱的形态

为了这个目的，在多少「诸葛亮」和「臭皮匠」的共同努力下，「变数箱」一代又一代地演化至今，目前我们常见的「变速箱」形态被固化成主流的两类：

1.通过「齿轮」来传动的「齿轮式」；

2.通过「摩擦」来传动的「链带式」。

按传动原理分类

通过上表我们不难发现长久以来「齿轮式」变速箱一直是「变速」主流方式（预计到年仍占86%的市场份额）。其工作原理是利用齿轮之间的啮合切换，来调整输入和输出动力的齿轮比例。由于「齿轮式」变速箱不是本文的重点，我不展开将其中细节，大家看下表初步了解：

「齿轮式」变速箱分类（简述）

「齿轮式」变速箱备受工程师们青睐的原因在于，无论是直齿、斜齿、或是锥齿和行星齿轮，其优点显而易见：

1.可以承受更大的扭矩；

2.啮合后带来更高的传动效率，传动损失少；

3.「齿轮」啮合后稳定性更强等。

「齿轮式」变速箱的窘境

齿轮的优势已被瑞士的表匠们发挥得淋漓精致

但是，「齿轮式」变速箱也并非『一招鲜吃遍天』的设计，其缺点也是很明显的：

1.「齿轮」啮合中存在机械敲击，对「齿轮」有损耗；

2.「档位数」有限，无法照顾到每一时刻的发动机状态；

3.换挡时，会出现顿挫，无论间隔多短，必然存在等。

当我们在维修奔腾B50时发现部分齿轮已磨损

虽然工程师们为这些「先天性」的缺点费尽心机（比如AT和DCT变速箱，已经将顿挫感降到了最低），但结构问题性就是「不能解决」的大问题。于是，工程师们翻出了「陈年老账」（无级变速箱最早可以追溯到达芬奇，后文会详解），采用一根链带来和两个锥轮，依靠两者之间的「摩擦」来实现速比变化和动力传输。这也就是我们今天的主角——CVT无级变速箱（ContinuouslyVariableTransmission）

初步认识CVT和其分类

CVT变速箱基本结构（全览）

CVT（continuouslyvariabletransmission），直接翻译就是连续可变传动，也就是我们常说的「无级变速箱」，顾名思义就是没有明确具体的挡位，操作上类似自动变速器，但是速比的变化却不同于自动变速器的「跳挡」过程，而是连续的，因此动力传输持续而顺畅。

按「传动」形式的CVT分类

CVT变速箱的分类方式有很多，而我比较认同的是：『根据「传动」形式的分类』，如上图所示。由于「传动」的形式不同，像「环形CVT」和「E-CVT」两类CVT变速箱，与「带式CVT」在结构上存在着极大的差异。所以，我将逐个讲述每一种类型的原理。

「带式CVT」：最常见的「传统CVT」

「带式CVT」基本工作原理（动图简版）

「带式CVT」作为最常见的CVT结构，通常我称其为『传统CVT变速箱』，其核心部件是由「滑轮机构」和「传动带」组成。

「带式CVT」基本工作原理（简图）

「滑轮机构」的「锥形盘」成V形结构，「锥形盘」可在液压的推力作用下收紧或张开，挤压「传动带」以此来调节V形槽的宽度。当「锥形盘」向内侧移动收紧时，「传动带」在「锥形盘」的挤压下向圆心以外的方向（离心方向）运动，相反会向圆心以内运动。这样，「传动带」带动的圆盘直径增大，传动比也就发生了变化。

「带式CVT」的「滑轮控制」机构

汽车开始起步时，「主动滑轮」的工作半径较小，变速器可以获得较大的传动比，从而保证驱动桥能够有足够的扭矩来保证汽车有较高的加速度。随着车速的增加，「主动滑轮」的工作半径逐渐增大，「从动滑轮」的工作半径相应减小，CVT的传动比下降，使得汽车能够以更高的速度行驶。

虽然都是「传动带」，制造材质和工艺的不同，造成了其工作原理也略有不同。所以，我们又要分开来一个一个研究。

「皮带」：低扭矩，很好用

「V形橡胶皮带」的基本结构

以最简单的「皮带」为例，其优点比起钢质的「传动带」更加轻，但却不能承受高扭矩，在目前汽车扭矩普遍超过N·m的情况下，「皮带」也只能退居低扭矩的摩托车产品。

「可变直径皮带轮」的基本工作原理（动图）

「钢链」：不错的选择

而「钢链」和「钢带」两类「带式CVT」就非常有意思了，虽然两者都是以钢为材料，但是两种「传送带」的传动原理却大相径庭。

「钢链」的基本结构

「钢链」是由2个圆弧曲面的「销子」组成销子组，并通过「链节」固定组成「钢链」最基本的一个单位，2个「链节」之间的弯曲通过「销子」两配合曲面的滚动来完成。

「销子」侧面和「轮锥面」摩擦传递动力

而「钢链」的传动是靠「销子」侧面和「轮锥面」摩擦传递动力，通过一侧链条的「拉力」来传递扭矩。「钢链」的「销子」和「链节」之间没有相对滑动，2个链节之间的弯曲通过「销子」两配合曲面的滚动来完成，所以在链条寿命和传动效率有一定的优势。

通用采用的不等长的销子组「钢链」

然而「钢链」结构也不是没有瑕疵，由于「链节」决定了「钢链」的使用寿命和能够承受的最大扭矩，当「链节」变形或损坏时，变速箱就会发生打滑或损毁的可能。此外，在「钢链」高速转动时，摩擦传递动力会产生震动，并发出噪音。

「钢带」：高扭矩，高内耗

「钢带」的基本结构（3D）

以适用QR的「钢带」为例，该类「钢带」是由片左右金属「推片」和多组「钢环」组成，每个「推片」的厚度为1.4mm左右，单侧「钢环组」由厚度为0.2mm左右的12或9片「钢环」组成。

「钢带」运动轨迹示意图

「钢带」动力传递分为2个阶段：起初扭矩是通过「钢环」内侧和「推片」接触面之间的摩擦力来传递的，动力通过一侧「钢带」的拉力来传递扭矩。随着扭矩的逐渐增加，「钢环」内侧和「推片」之间发生打滑，使得另外一侧「推片」被挤压，增加部分的扭矩开始通过钢带「推片」之间的推力来传递。在实际工作中，「钢带」的大部分扭矩传递都是通过「推片」之间相互挤压来传递的，所以这种「钢带」也被叫做「推力带」。

「钢带」运动时，「推片」间间隙分布示意图

从上图中，我们发现「钢带」在运动时，在主从动带轮两侧的「推片组」，其中一侧受力，另一侧不受力，这样将使得「推片」之间的间隙存在于不受力的一侧「钢带」，而在不受力的「推片」继续运行进入带轮并过渡到「钢带」的另一侧时，「推片」之间的间隙将消失，这将导致推片和带轮之间产生相对滑动。

「钢带」的基本结构（详细）

此外，「钢带」的几大结构缺点：

1.「钢环」和「推片」鞍面及钢环内部相对滑动产生的功率损耗；

2.工作中「推片」之间产生间隙而导致「钢片」和「带轮」间产生的功率损耗；

3.带轮锥盘变形导致「钢带」在其中运行产生的功率损耗。

博世SingleLoopsetPushbelt

不过通过对「推片组」结构的优化，「钢带」传递高扭矩的优点成为了其普及的原因，此后，我会来详解博世的几代「钢带」升级，到时候大家就能搞懂博世是如何进行「推片结构优化」。

「带式CVT」的简单对比

「带式CVT」简单对比

通过对三类「带式CVT」的简单讲解，相信大家已经有了一个初步概念，从传输扭矩大小的角度排序为「钢链」「钢带」「皮带」。但这不代表「钢带」结构一无是处，实际上「钢带」结构的CVT变速箱更为普及，我会在此后以品牌为主线的CVT变速箱讲解中来详细分析，敬请期待。

虽然「带式CVT」具备结构简单，无级变速的优点，可是看到这里，你也可以看出其弱点就在于「传动带」。若「传动带」受损整台变速箱就彻底瘫痪了。那么我们是否能有一种『即利用无级变速原理，又能不用「传动带」的方法呢？』于是我们的「环形CVT」闪亮登场。

「环形CVT」：机构复杂，很少见到

「环形CVT」由「输入盘」（横截面为弧槽）、「动力滚子」（半球形）和「输出盘」（形状同输入盘）等组成基本的核心机构。

「环形CVT」的基本结构（简版）

动力「滚子」夹在「输入盘」和「输出盘」之间，在中心轴两侧呈对称布置，同步工作，它们通过润滑油与「输入输出盘」的圆弧表面接触。通过改变「滚子」的角度可以改变「滚子」与「输入输出盘」的接触半径，从而实现速比变化。

「环形CVT」的基本工作原理（动图简版）

但当我们追溯「环形CVT」的历史时，我们会发现，其实「环形CVT」早在19世纪（年）便有人申请了专利，但直到现在，正真搭载「环形CVT」的车型却少之又少，最为出名的就是日产SkylineGT-8。这是为什么呢？

NissanExtroidCVT（日产环形CVT）

我认为迟迟未有得到推广的原因有三：

1.受限于传输扭矩的上限仍然不及「齿轮式」变速箱；

2.对「滚子」控制逻辑和系统的研发难度远远超过了「带式CVT」;

3.制造和维护「滚子」系统的成本降不下来，无法满足主机厂利益和市场需求。

据说是达芬奇绘制的CVT变速器的手稿

不过，我相信优秀的结构并不会被岁月而磨灭，就好像「带式CVT结构」早在达芬奇时代就被勾勒出来，而在19世纪才被应用一样，「环形CVT」或许会在多年之后，在其他领域发光发热。

「E-CVT」：最不像CVT的CVT

如果说「环形CVT」已经跳出了『传统CVT』的架构，那最后我们来聊聊这『最不像CVT的「E-CVT」』（这里我们聊的是丰田的E-CVT，而非属于「带式CVT」的斯巴鲁「ECVT」（电子式无段变速自排系统））。为什么这样说呢，我们从「E-CVT」的结构上就可以看出了。

「E-CVT」的构成

丰田普锐斯（2代）E-CVT拆解（部分）

「E-CVT」顾名思义，其官方全称为「电子控制电磁离合式无级变速器」，所以「E-CVT」一般由2个调速「电机」，一组「行星齿轮」和「离合器」组成。当你看到「E-CVT」的拆解图后，是否有一种感觉『怎么看起来像带了电机的差速器』。不错，就是这样一个看似结构简单的变速器，却达到了CVT的效果。

「E-CVT」的连接

丰田普锐斯（2代）E-CVT基本结构图

要搞懂「E-CVT」的工作原理，我们还是要将其变速的逻辑关系先理清楚，「E-CVT」的一个关键部件就是「行星齿轮组」，当我们研究「行星齿轮组」机构时，最重要就是要搞清『动力从哪来，到哪里去，整个流程是什么样』，所以，首先我们来看看「电机」、发动机、和「行星齿轮组」之间的联系。

E-CVT部件连接示意图

E-CVT部件连接示意图（简化）

在这样的连接方式下，各个部件开始发挥自己的作用：

发动机的动力可以通过「行星齿轮盘」分配给车轮和1号电机；1号电机可以发电来提供给2号电机或给电池组充电；2号电机可以直接驱动车轮或给电池组充电。看到这里，我们会想到一点：这些部件的运作需要被控制！而作为E-CVT的最复杂最关键的部件，用来控制动力传输的「PCU」（动力控制单元）自然进入了我们的实现。容我简单地『百度』下：

本田PCU动力控制单元（PowerControlUnit）

PCU动力控制单元（PowerControlUnit）作为混动汽车必不可少的一个部件，里面包含了「电压变换器」和「逆变器」，可以调节电池组输出的电压。比如向电机供电必须使用高电压（V左右），而电池组的电压由于尺寸的限制最多达到V左右，故变压器必不可少。而逆变器的作用则是使直流变交流或者反之，因为高压交流电机具有体积小、效率高、功率大的优点，而电池组发出的是直流电，故在电机和电池组之间必然需要一个逆变器。（源自网络）

「E-CVT」的工作原理

在了解「E-CVT」的基本构成和连接方式后，接下来就是见证『奇迹』的时刻，我们一起来看看在不同工况下「E-CVT」是如何工作的：

丰田普锐斯E-CVT基本工作原理（动图）

发出启动指令后，电池提供1号电机动力，启动（正转）并带动发动机启动。

发动机启动后怠速运转，汽油机带动「行星齿轮盘」正向旋转。由于车轮（连接着外齿圈）未转动，「行星齿轮盘」（连接着发动机）的正向旋转会通过「行星齿轮」带动「太阳齿轮」（连接着1号电机）正向旋转。「1号电机」不再接收电池组输电，反而变成发电机，发出交流电，经PCU里的逆变器和电压变换器变成低压直流电并给电池组充电。总之，怠速时，发动机的功率全部用来为电池组充电。

发出起步信号后，少量电力带动「2号电机」，「2号电机」带动车轮（连接着外齿圈）开始正向转动，车子缓慢前进。当你稍微用力踩下油门踏板时，「2号电机」获得更多的电力，车辆就会加速前进。

随着「2号电机」的转速增加，「1号电机」的转速也会急速增加，而当「1号电机」即将达到上限时，此刻发动机启动主动介入动力输出。通常情况下，起步时踩油门的力度越大，汽油机介入的时间就越早。

当达到一定速度后，如果继续缓慢加速，此时「2号电机」继续为主要的动力来源，发动机继续在低转速区间运作，这与起步阶段的动力供给情况类似，只是「2号电机」的工作功率会更大。

急加速时，即是「火力全开模式」，发动机转速提升进入高效动力输出模式，带动「1号电机」加速提供「2号电机」动力，同时通过「行星齿轮」与「2号电机」共同将强劲动力同时输送到「外齿圈」带动车轮高速运转。

在高速巡航时，「2号电机」反转供电给「1号电机」，而在变速箱内，「太阳齿轮」反转使得「行星齿轮」的动力大部分传递到「外齿圈」，从而推动车辆巡航。在这阶段主要由发动机推动汽车。

减速时，发动机关闭，「1号电机」空转。「2号电机」由车轮带动变成发电机吸收车轮的减速能量，同时为电池组充电。

倒车的过程也比较简单，正好与刚起步的情况相似，电池组为「2号电机」供电，「2号电机」带动车轮，「外齿圈」在离合器的作用下反转运作，完成倒车。

E-CVT齿轮组在不同工况下的状态

最后，还要重申一下，E-CVT的工作原理，看似不是那么的复杂，但其关键技术就是在PCU，面对不同路况和工况，PCU都需要正确地在瞬间做出判断并给到每个部件相应的指令。就E-CVT的工作原理和设计而言，可以算是集万千精华于一身，但我们也知道，一旦系统大部分以电子器件为主，事情就复杂起来了，而且发生了故障就很难靠更换部件来解决问题，只能靠换了。

暂别

CVT营销名与车厂对应（部分）

本文篇幅虽然很长，却是探究CVT变速箱的第一步，我耗费了大量时间搜索国外的资料，力求用最简单的语句和最直观的图片让大家初步认识CVT的基本原理，虽然文章还有许多瑕疵和漏洞，请大家见谅。如果有机会，我将带大家深入了解CVT的每条「科技树」的特点，如果你对此很有兴趣，希望能持续

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