Google+ 機動學論壇(TALKING MECHANISMS): 無段變速齒輪

2007年6月13日 星期三

無段變速齒輪

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B94611010 方柏璇
在網路上看到有關連續無段變速齒輪的資料,覺得很有意思。
我現在要就變速齒輪的最新發明做個介紹。



五溝傳動齒輪變速結構原理








齒輪變速箱已經過了幾百年的發展,但是到目前為止變速箱仍然還是有變速比範圍不夠大或效率不佳之缺點,本發明已突破歷史之難題實現以齒輪無限段高效率之變速.

CVG是一齒輪變速箱,運用於所有需要變速之情形,運作方式為利用一原動機作功率之輸入,經CVG變速以輸出最適當的轉速和扭力,CVG未來必能引領世界變速箱進入一全新領域.




齒在硝煙彌漫的汽車大戰中,汽車廠家紛紛推出自動變速車和無段變速車。由於有了內燃機,汽車才得以誕生。然而,內燃機的動力特性是低轉速時功率小、扭矩低、耗油大。而大功率、大扭矩、低油耗的最佳工作狀態要在中高轉速範圍內才能實現。內燃機的這種動力特性與汽車對動力特性的要求並不一致,甚至背離。為了使汽車順利起步和正常行駛,必須要減變速,於是變速箱(Transmission)出現了。

汽車行駛速度的變化是連續的,這就要求汽車的變速箱的速比也是連續的,於是無段變速箱(Continuously Variable Transmission簡稱"CVT")出現了。

汽車剛誕生,德國賓士公司就把V型橡膠帶CVT安裝在汽車上。然而V型橡膠帶無段變速箱功率小、效率低、壽命短。沒有被汽車行業普遍接受,取而代之的是齒輪變速箱。

齒輪變速箱以不同的齒輪搭配組成幾個固定的變速比。這無法滿足內燃機轉速與汽車行駛速度連續變化之間的匹配。只有不斷地換檔或改變內燃機的轉速。結果是使內燃機脫離了最佳工作區域,動力下降,油耗增加,污染增加。
儘管齒輪變速箱並不理想,但其以結構簡單、效率高、功率大三大顯著優點依然佔領著汽車變速箱的主流地位,這種狀態一直延續到現在。

在跨越了三個世紀的一百多年後的今天,汽車還沒有使用上滿意的無段變速箱。這是汽車業的無奈和缺憾。這說明汽車無段變速箱CVT的技術難度是非常之大的,否則就不會讓汽車等待100多年了。

但是,人們始終沒有放棄尋找實現理想汽車變速箱的努力,各大汽車廠商對無段變速箱CVT表現了極大的熱情,極度重視CVT在汽車領域的實用化進程。這是全世界範圍尚未解決的世界級難題,是汽車變速箱的研究的終極目標。

圍繞汽車變速箱五個研究方向,各國汽車變速箱專家展開了激烈的角逐。

1.摩擦傳動CVT
摩擦傳動原理很簡單,實現無段變速也比較方便。主要結構有:V型橡膠帶式、金屬帶式、多盤式、鋼球式、滾輪轉盤式等。特徵是靠摩擦力實現動力傳遞。

1886年,德國Daimlar-Benz公司生產的汽油機汽車上裝備了V型橡膠帶無段變速箱。這是汽車CVT的雛形。
100 年後,荷蘭的H.Van Doorne博士才研製成功了實用的汽車金屬帶式無段變速箱(簡稱"VDT-CVT") 並裝備於DAF公司製造的Daffodil轎車上。這個古老的CVT傳動方式得以再顯風光並非是傳動原理上的突破,而是隨著材料科學的進步和加工工藝的進步,解決了傳動材料的摩擦係數和抗壓強度及抗拉強度這對難以相容的矛盾。現在,金屬帶式無段變速箱(VDT-CVT)的傳動功率已能達到轎車的實用要求,裝備金屬帶式無段變速箱的轎車已達100多萬輛。據最新消息:大排量6缸內燃機( 2.8L)的奧迪A6轎車上裝備上的金屬帶式無段變速箱Multitronic CVT,能傳動142kw功率,280Nm扭矩。這是真正意義的無段變速箱。

這種CVT最典型的代表就是保時捷的CVTip(CVT+Tiptronic)和奧迪的Multitronic系統。Multitronic是奧迪為2.8L的A 6設計的。

據報導:中國某企業花幾千萬鉅資研製轎車金屬帶式無段變速箱並獲得國家發明專利。這個消息使人喜憂參半。喜的是這個企業有膽量,有魄力,看到了無段變速是汽車變速箱的必然趨勢,非常了不得。但憂的是這種技術已無多大發展空間,加之在金屬帶式無段變速箱領域,知識產權的保護幾乎是密不透風的。

另一種摩擦傳動CVT(名為Extroid CVT)是滾輪轉盤式。日產把它裝在概念車XVL上首次於東京車展展示,新款公爵(Cedric)車也裝用這種CVT。可與3L以上排量的大馬力內燃機 (XVL的引擎輸出為330Nm/194kw)搭配使用,可謂汽車無段變速箱發展史上又一重要進步。

滾輪轉盤式CVT是利用兩個對置的內凹錐形轉盤和一對滾輪組合而成。連續改變滾輪的角度,就可以連續改變傳動轉速比和傳動扭矩比。

應該說光靠內凹錐形轉盤和滾輪之間的金屬摩擦是極難實現330Nm大扭矩的動力傳遞。更不要說如此高強度的摩擦帶來的材料的磨損和摩擦發熱帶來的能量損失。大功率滾輪轉盤式CVT的成功在於研製出一種特殊的油,這種油充滿整個CVT變速箱。它具有特殊契形的分子外形,在承受極高的表面壓力下分子會排列成行,從而產生巨大的抗剪切能力。滾輪和轉盤就是利用兩者間所形成的油膜為介質實現高扭矩的動力傳遞。據說,滾輪轉盤式CVT比起鋼帶CVT和自動變速箱的傳動效率高10%以上。

從V形橡膠帶CVT到V型金屬帶CVT再到滾輪轉盤式CVT,摩擦傳動CVT的研究已持續了整整一個世紀,儘管摩擦傳動無段變速箱的發展已經達到很高的水平,也已經裝備上汽車達到了實用的水平。但齒輪變速箱依然佔據著半壁河山,這至少說明了兩個問題:

(1)無段變速是汽車變速箱始終追逐的目標
汽車變速箱從橡膠帶無段變速箱開始,到齒輪變速箱,再到金屬鏈無段變速箱、滾輪轉盤式CVT,百年大回轉說明只有無段變速箱才是汽車最理想的變速箱。

(2)摩擦傳動CVT實現大功率、高效率的無段變速傳動是極其困難的
為產生足夠的靜摩擦力,避免打滑燒毀,對傳動帶的要求要非常高。以傳輸330Nm的扭矩為例:若傳動半徑為0.1m,靜摩擦力要求3300N,金屬間的摩擦係數約為0.1,對金屬鏈的正壓力必須是33000N,或者說3300公斤力,如此巨大的壓力,橡膠三角帶顯然無法承受,金屬的屈服強度一般小於 100Kg/mm2,是難以承受如此巨大的壓力的。只有研究出屈服強度極高的金屬,才能製造出傳輸大功率的摩擦傳動無段變速箱。另外,在如此大的壓力下摩擦傳動必然要消耗較多的能量。金屬帶式無段變速箱(VDT-CVT)汽車的油耗高說明了這一點。

這是大功率摩擦傳動無段變速箱遲遲不能問世的主要原因。從20Kw發展到142Kw用了整整一個世紀的時間,要想再大幅度地提高摩擦傳動的傳動功率那是極其困難的。

2.液力傳動
主要結構有液粘調速、液力變扭、油馬達等。特徵是以液體為介質實現動力傳遞。這種的自動變速箱(AT),主要利用液力變扭器配合差動輪系齒輪箱實現換擋功能。傳動過程中,液力變扭器中液體分子在高壓,高速運動中有相當大的相對運動,造成明顯的發熱和功率損失。所以,傳動效率低(一般60%~70%左右),油耗高是液力自動變速箱不可克服的缺點。而且液力變扭器對加工精度要求極高,製造工藝複雜,增加了成本。液力自動變速箱比手動變速箱要貴 US1300~1900,可見自動變速箱的成本要多高。

但跳出這使人眼花繚亂的圈子,冷靜地分析一下,我們可以看出以下幾點:

(1)液力自動變速箱(AT)不是無段變速,是自動控制的有段變速,並沒有滿足汽車對變速箱的要求。在滿足了人們希望免除了手動變速箱繁雜的換檔和離合操作,使開車變得簡單、省力,瀟灑的同時,付出的代價是多付10% 的購車錢和多付20% 的油錢。

(2)無段變速箱是汽車變速箱的最終歸屬,液力自動變速箱只不過是一種過渡產品,轟轟烈烈已是夕陽西下的徵兆。

3.電磁傳動
主要結構有變頻調速、直流電機調速、調速電機等。這種方式的應用比較普遍。其優點是應用方便,其缺點是效率太低,系統過於複雜,成本也較高。

這種傳動變速方式在汽車上也有應用,如混合動力汽車。
這種混合動力汽車的動力系配有內燃機、發電機、蓄電池、電動機。優點是當汽車的動力儲備可以比較小。當汽車需要較大功率時,蓄電池可以帶動電動機與內燃機共同提供動力,比如起步時或上坡時。但由於目前蓄電池的容量有限,自重又大,使用壽命有限,單純的論百公里油耗指標,那很好。但綜合費用,包括電池的使用和維修,更換,未必經濟。

4.電控自動機械變速箱
電控自動機械變速箱(Automated Mechanical Transmission簡稱"AMT")和(AT)一樣,不是無段變速箱,是自動控制的有段變速箱。和液力自動變速箱(AT)不同的是: (AMT)是模仿人的動作,自動控制傳統的排檔變速箱。由於傳動結構依然是齒轉變速箱,所以傳動效率高、傳動功率大、結構簡單等優點被很好的保存下來。其設計上的難點在於自動控制的參量太多,最困難的是離合器"離和合"中間過程的控制(所謂的半離掛)。雖然世界上許多國家投入了對電控自動變速箱(AMT) 的研究與開發,但一直未見批量生產的報導,足見其進展的艱難。且就算完成了,也還是有段變速,不能滿足汽車的要求也還是過渡產品。

綜上所述:金屬帶式無段變速箱(VDT-CVT)和滾輪轉盤式無段變速箱(Extroid CVT) 是低效率的摩擦無段變速。進一步提高傳動效率和傳動功率都是極為困難的。電控自動機械變速箱(AMT)和液力自動變速箱(AT)不是無段變速,是既不滿足摩擦式無段變速的低效率又找不到其他適用於汽車的無段變速方案的無奈之舉。

5.齒傳動無段變速箱
齒傳動無段變速箱是一種全新的設計思想,目的是利用齒傳動效率高、功率大的優點實現無段變速傳動。傳統的傳動原理認為:齒數只能是正整數,無論齒數如何變化,傳動比永遠等於齒數比,傳動比是分數,不是任意數,不可能形成連續的曲線,所以齒輪不能實現無段變速。

當許多汽車廠商投鉅資研究前四種汽車變速箱時,當許多學者專家還在對自動變速箱和金屬帶式無段變速箱的性能進行探討時,一些敢於衝破傳統理論束縛的設計師們正嘗試著利用齒傳動實現無段變速。

儘管設計方案各有千秋,有一點是共同的,所有的齒傳動無段變速箱設計師都認識到:摩擦傳動有其固有的難以克服的缺陷,發展前途是極其有限的。只有利用齒傳動傳動實現的無段變速才是汽車變速箱的最終完美結局。

在眾多設計方案中,有一種設計思想值得注意,那就是"不完整齒輪接力傳動方案"。

由於齒輪是不完整的,那麼不完整的齒輪就可以實現傳動半徑的連續變化,從而實現傳動比和扭矩的連續變化(�功率)。齒傳動是利用的推壓力傳動,傳動功率損失極小。這種齒傳動無段變速箱可以達到高效率、大功率。所以它比摩擦無段變速箱(CVT),比液力自動變速箱(AT)和電控自動變速箱(AMT)有明顯的性能優越,結構也明顯簡單。

"不完整齒輪接力傳動方案"的具體實施是一種"連續無段變速齒輪箱"(Continue Variable Gears簡稱" CVG" )設計者溫隆德歷經20年的努力,進行了無數次樣機試驗。目前技術已成熟,其結構都相當簡單,整機不足30種零件。其中類少齒差結構型樣機已平穩運轉 300小時以上並基本定型,現在正在進行負載壽命試驗,極有希望實現實用化。

"連續無段變速齒輪箱"(CVG)成功地解決了齒輪傳動從有段向無段的飛躍,這是對傳統傳動理論的成功挑戰。這是一個臺灣人向汽車強國提出的強有力的挑戰。

從國內的實例來看,齒傳動無段變速箱研究基本上是設計師們的個人行為,還處於非常艱苦階段。因為:

(1) 其設計理論有悖於傳統傳動理論,很難得到認可和支持。

(2) 這個課題是汽車業公認世界難題,在急功近利的環境下,有關部門不敢立項,企業不敢涉足。

(3) 由於沒有先例可以參照,探索階段是很難的,也是很漫長的,探索者往往都花費數十年以上的時間,其中的酸甜苦辣只有探索者才能體會。

(4) 除了理論的障礙外,用什麼樣的結構實現無段變速這也是非常困難的。就以前面列舉的"連續無段變速齒輪箱"方案為例:理論上講不完整齒輪可以實現傳動半徑連續變化,但用什麼樣的結構來實現?這樣的結構合理性如何?可操作性如何?是否能滿足商品化的要求?每一步都充滿不確定性,都是非常艱難的。

這是一個世界級的難題,一個機械傳動上的哥德巴赫猜想。四大發明的偉大智慧禁錮在儒家"法先人之法"的定式思維中,它是如此習以為常,如此無處不在,如此凝固頑強,如此難以突破。

但這同時又是一個世界級的市場。百年來市場一直在召喚"高效率大功率無段變速器"。這顆世界矚目的皇冠之珠誰能摘取?這個巨大的市場誰能搶灘成功?

有關這方面的資料顯示,從事齒傳動無段變速設計的先驅者受種種條件的限制,其中的絕大多是還是紙上談兵。像"連續無段變速齒輪箱"(CVG)已經實踐了設計思想,已經用實踐了證實了利用齒傳動是可以實現無段變速的。確實是走在了全球無段變速箱研究開發的最前沿。

"連續無段變速齒輪箱"(CVG)的優勢表現為:

(1)傳動功率大,100Kw以上的傳動功率應是很容易達到的。

(2)傳動效率高,90%以上的傳動效率應是很容易達到的。

(3)結構簡單,大幅度的降低了生產成本。

(4)對汽車而言,提高傳動效率,節油20%。

(5)發動機在理想狀態下工作,燃料燃燒完全,排放乾淨,減少了對環境的污染。

Wolfgang Reitzle(前大眾總裁和現福特老闆)認為金屬鏈CVT是汽車傳送裝置的未來。同樣,奧迪認為,在未來5年內,將有50%的自動傳送裝置使用金屬鏈 CVT技術。他們表述的方法不同,但表述的意思是一樣的:即摩擦傳動無段變速是汽車變速箱的未來。在探討了以上五種變速方式後,我們要說:No!利用齒傳動實現的無段變速裝置才是汽車變速箱的未來!"連續無段變速齒輪箱"(CVG) 雖然目前還未達到裝備汽車的水平,但給彷徨了100多年的汽車無段變速箱帶來了新的希望。

???

1 則留言:

匿名 提到...

希望能更深入了解原理,不要只是貼貼圖!!否則很難一窺此機構巧妙之處,如果有辦法架構模型進行機構模擬更能事半功倍