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到底谁才是最好的自动变速箱?CVT还是AT?
 
发布日期:2019-09-18  浏览次数:106 放大字体  缩小字体
核心提示:结构不同带来不同特点「AT变速箱」作为目前燃油车自动变速箱的主流,备受推崇,坊间更有『ATDCTCVT』的潜规则排名,既然地位那么
结构不同带来不同特点


「AT变速箱」作为目前燃油车自动变速箱的主流,备受推崇,坊间更有『AT>DCT>CVT』的潜规则排名,既然地位那么高,必有其原因。所以,我们先要从最基本的结构和工作原理去认识它的特点。

「AT变速箱」为什么那么『香』?

「AT变速箱」基础知识


常规「AT变速箱」的主要部件

本文中提及的「AT变速箱」主要指的是「液力自动变速箱」。主要由「液力变扭器」、「行星齿轮组」、「离合器」和「液压控制系统」组成,通过液力传递和齿轮组合的方式来达到变速变矩。


常规「液力变矩器」的结构


常规「液力变矩器」的工作原理

「液力变矩器」一般是由「泵轮」、「导轮」、「涡轮」及「锁止离合器」组成。动力传递路径:「壳体」→「泵轮」→「涡轮」→「变速器」。其原理就像一把插电的风扇能够带动一把不插电的风扇的叶片转动一样。



「行星齿轮」结构

「AT变速箱」的核心部件就是「行星齿轮组」,其包括「行星架」、「齿圈」和「太阳轮」(又称「中心轮」),由于这三者的周长不同,所以通过联动旋转,就会产生不同的转速,也就是『变速』。



「行星齿轮组」变速器原理


「行星齿轮组」内部工作逻辑表

看到这里,你或许会有一个问题,变速的基础是将「行星齿轮组」的某一个部件固定住,那么如何解决固定部件的切换呢?很简单,用「离合器」就可以了。


「AT变速箱」中「离合器」工作原理

「离合器」的「摩擦片」是在变速器油中工作,且用油压推动「活塞」进行工作。「压力油」进入「离合器壳体」,对离合器「活塞」施加作用力。「活塞」迫使「钢片」和「摩擦片」挤压在一起,完成换挡。


「液压控制系统」基本原理

有了「离合器」,就有执行换挡的机构,最后,我们还要有一个大脑来控制执行机构,这就是「换挡控制系统」(即「液压控制系统」),该系统主要由「变速器控制电脑」(或叫「变速器控制单元」即TCU)、「电磁阀」和「阀体」构成。


2015款雪佛兰赛欧3自动挡的TCU

「液压控制系统」中的TCU通过电信号控制「电磁阀」的动作,从而改变「变速箱油」在「阀体」油道的走向。当作用在「多片式离合片」上的油压达到制动压力时,「多片式离合片」接合从而促使相应的「行星齿轮组」输出动力。


「AT变速箱」主要部件及作用

「AT变速箱」的瓶颈


1. 增加「挡位」是一大瓶颈


传统「AT变速箱」(平行轴式)

在此前撰写的文章中,我们得到一个相对普世结论:「挡位」越多会带来的好处多于坏处,所以「AT变速箱」也朝着这个目标发展。不过与其他「齿轮式」变速箱一样,如果要增加「挡位」,就需要增加「齿轮组」……


颇有「平行轴式」设计思路的「既视感」

举个例子,早期丰田采用「平行轴式」设计(如上图),一个4速「AT变速箱」(如丰田A340)需要两组「(辛普森式)行星齿轮组」,如果要提升到6速,那就必须增加至少一组「行星齿轮组」。如果想增加到两位数以上的「挡位」,按照「平行轴式」设计方案……

2. 都说「AT变速箱」油耗高?

以我自己开的沃尔沃S60L(2016款T3)为例,采用为前置前驱车重新设计的爱信变速箱(型号AWF6F25,最大扭矩容量为280Nm)。从我的驾驶感受而言,无论是升挡的平顺性,但就一个1.5T的车,百公里油耗超9L。相信这与「AT变速箱」有着不小的关系。


爱信公司(丰田为大股东)为前置前驱车型结构优化后的「AT变速箱」

由于「AT变速箱」在动力接入时使用的是「液力变矩器」,即是 『软』传动,这带来一个缺陷:动力不是直接输出,「泵轮」转速要大于「涡轮」才可以实现你想要的动力,这带来的结果就是内耗大(耗油)。虽然通过「锁止离合器」或「制动带」优化的方式,可以将『软』传动转变为『硬』连接,将能量损失降到最低。但是,「AT变速箱」在油耗控制上还是落后于「手动变速箱」,也落后于我们将要详聊的「CVT变速箱」。

「传统CVT」难道真的那么不堪?

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

「传统CVT」基础知识


「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。


「钢链」的基本结构

「传统CVT」的核心部件就是「传动带」,而使用最为广泛的就是「钢链」和「钢带」两类。「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 。


「钢带」的基本结构(3D)

「钢带」(适用QR019)是由400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。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」。由于「钢带」相比「钢链」在工作时产生的噪音和震动更小,是目前应用最广的CVT传动带。更多CVT基础知识,请看这篇长文。

「传统CVT」的特点和突破口


1. 无级传动真省油



相比「AT变速箱」摆脱了齿轮的束缚,「传统CVT」真正实现了变速「无级」,其重大意义在于,通过「滑轮机构」和「传动带」将发动机的转速始终保持在最大功率点附近(注意不是最大扭矩),所以「传统CVT」燃油经济性毋庸置疑;

2. 结构简单,体积小


丰田TNGA架构下的WCVT变速箱

相比「齿轮式变速箱」需要多组齿轮变速不同,一组简单的「滑轮机构」和「传动带」解决了大部分变速问题,在体积上的优势让「齿轮式变速箱」望尘莫及,无需过多赘述。

3. 「钢带」是『水桶变速箱』的关键之一


对于「CVT变速箱」中「钢带」的质疑一直是吃瓜群众们的热议点,而质疑的焦点无非是两个:

1)「钢带」的最大承受力差

2)「钢带」打滑带来的能量损失

目前民用「CVT变速箱」的「钢带」承载扭力上限一般被设置在450N·m,同时也带来了30万公里左右的寿命(AT通常在40万公里),所以关于『「钢带」的最大承受力差』的问题,就目前『车开不到20万公里便换』的现状,基本就是不存在。

但是关于『「钢带」打滑带来的能量损失』的问题,我不得不承认「AT变速箱」在传动效率上的确存在着优势(AT最高效率96%左右,CVT在90%左右),但「CVT变速箱」厂商也在为控制「钢带」滑动等方面不断优化(在下面介绍丰田WCVT部分会详解),所以,在这个问题上,比的就是『哪家变速箱厂的技术更牛X』。

4. 驾驶乐趣的争议

「CVT变速箱」在带来平顺加速的同时,也带来一个被人争议最多的问题:驾驶乐趣怎么办?!『地板油』都踩了,『推背感』去哪里了?!

其实,我本来不想谈及这个问题,因为这是每个人的抉择问题,就像我在科普轮胎和机油时反复强调的一句话『世界上没有最好的,只有最适合的』。

首先,搭配「CVT变速箱」的民用家轿一般排量都不大,多是主打『燃油经济性』的车型,就算配合一台「AT变速箱」又能有多大的提升呢。那么既然你要的是『小钢炮』,那还看什么『燃油经济性』车型呢。

其次,目前大部分「CVT变速箱」都自带了模拟挡位,比如2019款凯美瑞的「CVT变速箱」带来模拟10速的挡位,也就是将无级变速过程中,固定10个传动比,让偶尔想『野』一把的朋友,过过小瘾。

5. 启动时的迟滞

相比「齿轮式变速箱」齿轮啮合直传动力的结构,「CVT变速箱」是以「传动带」的摩擦传输动力方式的确『软』了很多,更是很难实现『二挡7200转,干他』的『骚气』操作……给到人一种『迟滞』感,这算是一个先天的结构劣势。

如何解决?就让我们来看看丰田2019款凯美瑞上搭载的WCVT(又称「Direct Shift-CVT 变速箱」)给我们带来的惊喜。

WCVT带来的思考与惊喜

作为丰田TNGA架构下全新动力总成的一部分,WCVT的主要特点在于:


搭载WCVT变速箱的2019款凯美瑞

1. 【提升】相比传统3代「CVT变速箱」提升6%的燃油经济性;

2. 【提升】「锥盘」倾角变窄较前代提升20%换挡速度;

3. 【新增】加入启动齿轮,扩大传动比(15%),并带来启动时的快速反应。


WCVT带来的燃油经济性(源自丰田官网)

除了以上提到的3个重点,WCVT还带来缩小「滑轮机构」和提升响应速度的优化


WCVT的「启动齿轮」结构(源自丰田官网)

WCVT加入「启动齿轮」技术,可以理解为一种『技术混搭』,其实质是集「齿轮式变速箱」与「CVT变速箱」结构优势于一体。依靠「齿轮机构」起步,旨在解决「传统 CVT」起步反应慢、不能吊转速起步和惧怕打滑等缺点,在起步时让传动『硬』起来


WCVT的「传动比」较前代大到7.5:1(源自丰田官网)

不过增加了齿轮机构,相对地也增加了体积,好在「CVT变速箱」本来结构就简单,而且WCVT也缩小「滑轮机构」。丰田WCVT的这种取长补短的『技术混搭』的设计理念,其实已经成为了目前汽车技术的一种趋势,比如「AT变速箱」在「液力变矩器」和「双离合」技术的融合。而WCVT将这种理念引入了「CVT变速箱」设计,不乏是一个小惊喜。


WCVT减小了「锥盘」倾角(源自丰田官网)

通过减小「锥盘」倾角,调整「钢带」的角度,丰田官方宣称『这台新WCVT的综合效率以及响应速度也能够达到DCT的水平』。单一从这个结构调整上,我可能无法给出信服的肯定,推荐感兴趣的朋友可以去试驾一下2019款凯美瑞。


博世Single Loopset Pushbelt

不过这一优化的妙处在于『小变化,大效果』,此前我也提到过,比如博世试图通过改变「钢带」的形状(如上图)来减少传动的损耗,只是对整个产业链而言成本较高。所以在『成本最低,效用最大』的考虑下,调整结构优化绝对是最正确的选择。



WCVT与「AT变速箱」的对比(部分)

WCVT的定位也比较有趣,在与6AT和8AT的对比中,我们可以发现,其「传动比」高于6AT,略低于8AT,从性能上兼顾了低速启动动力和高速省油。而在成本上高于6AT,低于8AT。就这两方面,我们隐约感到WCVT目标明确——干掉6AT。


WCVT与「传统CVT」的对比(部分)

相信使用「传统CVT」的主机厂在看到了丰田WCVT的优势后,应该不会坐以待毙,这也让我对「CVT变速箱」的未来充满期待。​

结论


传统CVT与传统AT对比(概述)

平心而言,CVT与AT各自有着自己的结构优势。但在全球注重节能环保的今天,『小排量、低油耗』的燃油车逐步占领全球主流市场,所以拥有高效率、省油等优点的「CVT变速箱」前途宽广。我们必须承认「传统CVT」在不停的优化,已经不是当年的那个『弱鸡』,特别是WCVT作为新一代量产的『技术混搭CVT』,不仅对丰田的TNGA架构意义重大,更是对CVT技术的一种新的思考。

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