学习任务1 奥迪CVT
【学习目标】
1. 知识目标
（1） 了解CVT的特点。
（2） 了解奥迪CVT的结构与原理。
2. 技能目标
为进一步掌握奥迪CVT的检修打下基础。
【相关知识】
一、 概述
1. 原理介绍
无级自动变速器（CVT）是传动比可以在一定范围内连续变化的变速器。它采用传动带和工作直径可变的主、从动轮相配合来传递动力，可以实现传动比的连续改变，从而得到传动系与发动机工况的最佳匹配，能最大限度地利用发动机的特性，提高汽车的动力性和燃油经济性，目前在汽车上的应用越来越多。目前常见的无级变速器是金属传动带式无级变速器（VDTCVT）。
如图7-1-1所示为金属带式无级变速器的变速原理图。变速部分由主动带轮（也称初级轮）、金属传动带和从动带轮所组成。每个带轮都是由两个带有斜面的半个带轮组成一体，其中一个半轮是固定的，另一个半轮可以通过液压控制系统控制其轴向移动，两个带轮之间的中心矩是固定的，由于两个带轮的直径可以连续无级变化，所以形成的传动比也是连续无级变化的。
图7-1-1金属带式无级变速器的变速原理
图1—主动带轮；2—金属传动带；3—从动带轮
2. 在国内的应用
目前国内常见的采用了无级变速器的有奥迪A6、日产车系、本田飞度等。
1) 奥迪A6multitronic CVT
奥迪A6multitronic CVT是在原有无级变速器的基础上安装了一种称为多片式链带的传动组件，这种组件大大拓展了无级变速器的使用范围，能够传递和控制峰值高达280 N·m的动力输出，其传动比超过了以前各种自动变速器的极限值。Multitronic CVT还采用了全新的电子控制系统，以克服原有无级变速器的不足。例如，在上下坡时，系统能自动探测坡度，并通过调整速比增加动力输出或加大发动机的制动转矩来协助车辆行驶。
2) 日产Xtronic CVT
日产Xtronic CVT广泛应用于日产各级别轿车上，如天籁、轩逸、骐达、阳光、玛驰、逍客等，具有很成熟的技术。其主要技术特点包括：采用辅助齿轮箱换挡，扩大了传动比范围；采用推式钢带传动，比传统的拉式传动可以传递更大的转矩。
3) 本田飞度CVT
本田飞度CVT无级变速器是专门为小型车设计的，属于新一代钢带无级自动变速器，可允许两个带轮之间进行高扭矩传递，运转平稳、传动效率高，是小型车里较好的。飞度的CVT变速器还带有S挡(运动模式)，既追求流畅感、低油耗，又不乏驾驶乐趣。
3. 优点
CVT技术真正应用在汽车上不过十几年的时间，但它比传统的手动和自动变速器的优势却是显而易见的。
(1) 结构简单，体积小，大批量生产后的成本肯定低于当前液力自动变速器的成本。
(2) 工作速比范围宽，容易与发动机形成理想的匹配，从而改善燃烧过程，降低油耗和排放。
(3) 具有较高的传动效率，功率损失少，经济性高。
二、 无级变速器的结构和工作原理
本部分内容以奥迪A6multitronic CVT为例进行介绍，该无级变速器的内部编号为01J。
1. 奥迪01J CVT的基本组成
奥迪01J CVT主要由飞轮减振装置、前进挡离合器、倒挡制动器、行星齿轮机构、速比变换器、液压控制系统和ECU组成，如图7-1-2所示。
图7-1-2奥迪01J CVT的基本组成
1—飞轮减振装置；2—倒挡制动器；3—辅助减速齿轮；4—速比变换器；5—电子控制系统；6—液压控制系统；7—前进挡离合器；8—行星齿轮机构
发动机输出转矩通过飞轮减振装置或双质量飞轮传递给变速器，前进挡离合器和倒挡制动器都是湿式摩擦元件，两者均为启动装置。倒挡的旋转方向是通过行星齿轮机构改变的。发动机的转矩通过辅助减速齿轮传到速比变换器，并由此传到主减速器、差速器。液压控制系统和电子控制系统集成一体，位于变速器内部。
2. 前进挡离合器、倒挡制动器及行星齿轮机构
1) 前进挡离合器和倒挡制动器
奥迪01J CVT的启动装置是前进挡离合器和倒挡制动器，并与行星齿轮机构一起实现前进挡和倒挡。它们只做启动装置，并不改变传动比，这与在自动变速器中的离合器和制动器的功用是不同的。
奥迪01J CVT的前进挡离合器和倒挡制动器均是采用湿式多片式结构，这与前述的自动变速器中的离合器和制动器的结构是相同的，这里不过多叙述。
2) 行星齿轮机构
行星齿轮机构的结构如图7-1-3所示，由齿圈、两个行星轮、行星架、太阳轮组成。当太阳轮顺时针主动时，驱动行星轮1逆时针转动，再驱动行星轮2顺时针转动，最后驱动齿圈也顺时针转动。
图7-1-3行星齿轮机构的结构
1—行星架；2—行星轮1；3—行星轮2；4—齿圈；5—太阳轮
作为输入元件的太阳轮与输入轴和前进挡离合器钢片相连接，作为输出元件的行星架与辅助减速齿轮的主动齿轮和前进挡离合器的摩擦片相连接，齿圈和倒挡制动器摩擦片相连接，倒挡制动器钢片和变速器壳体相连接。行星齿轮机构的简图如图7-1-4所示。
图7-1-4行星齿轮机构的简图1—倒挡制动器；2—前进挡离合器；3—齿圈；4—行星轮；5—行星架；6—太阳轮；7—链轮装置1；8—钢带；9—链轮装置2；10—差速器
（1） P或N位的动力传动路线。
选挡杆处于P或N位时，前进挡离合器和倒挡制动器都不工作。发动机的转矩通过输入轴相连接的太阳轮传到行星齿轮机构并驱动行星轮1，行星轮1再驱动行星轮2，行星轮2与齿圈相啮合。车辆尚未行驶时，作为辅助减速齿轮输入部分的行星架(行星齿轮机构的输出部分)的阻力很大，处于静止状态，齿圈以发动机转速一半的速度怠速运转，旋转方向与发动机相同。
（2） 前进挡的动力传动路线。
选挡杆处于D位时，前进挡离合器工作。由于前进挡离合器钢片与太阳轮连接，摩擦片与行星架相连接，此时，太阳轮(变速器输入轴)与行星架(输出部分)连接，行星齿轮机构被锁死成为一体，并与发动机运转方向相同，传动比为1∶1。
（3） 倒挡的动力传动路线。
选挡杆处于R位时，倒挡制动器工作。由于倒挡制动器摩擦片与齿圈相连接，钢片与变速器壳体相连接此时，齿圈被固定，太阳轮(输入轴)主动，转矩传递到行星架，由于是双行星齿轮(其中一个为惰轮)，所以行星架就会以与发动机旋转方向相反的方向运转，车辆向后行驶。
由行星架输出的动力辅助减速齿轮传递到速比变换器，如图7-1-5所示。
图7-1-5辅助减速齿轮
1—行星齿轮机构；2—辅助减速齿轮；3—链轮装置1
3. 速比变换器
速比变换器是CVT最重要的装置之一，其功用是实现无级变速传动。
如图7-1-6所示，速比变换器由两组滑动锥面链轮和专用链条组成，主动链轮由发动机通过辅助减速齿轮驱动，发动机转矩由传动链传递到从动链轮装置，并由此传给主减速器。每组链轮装置中的其中一个链轮可沿轴向移动，来调整传动链的跨度尺寸，从而连续地改变传动比。两组链轮装置必须同步进行，这样才能保证传动链始终处于张紧状态，并且具有足够的传动链和链轮之间的接触压力。
(a) 低速（传动比大）(b) 高速（传动比小）
图7-1-6速比变换器的工作原理
1—主动链轮装置；2—从动链轮装置；3—动力输出；4—动力输入；5—传动链条
速比变换器的结构如图7-1-7所示。该速比变换器的工作模式是基于双活塞的工作原理。其特点是利用少量的压力油就可以很快地进行换挡，这可以保证在相对低压时，锥面链轮与传动链之间有足够的接触压力。在主动链轮装置和从动链轮装置上各有一个保证传动链轮和传动链之间正常接触压力的压力缸和用于调整变速比的分离缸。为了有效地传递发动机转矩，锥面链轮和传动链之间需要很高的接触压力，接触压力通过调节压力缸内的油压产生。压力缸表面积很大，能够在低压时提供所需的接触压力。液压系统泄压时，主动链轮膜片弹簧和从动链轮的螺旋弹簧产生一个额定的传动链条基础张紧力(接触压力)。在卸压状态下，速比变换器启动传动比由从动链轮的螺旋弹簧弹力调整。
图7-1-7速比变换器的结构1—转矩传感器；2，8—压力缸；3—膜片弹簧；4—锥面链轮1；5—链轮装置1；6，11—分离缸；7—螺旋弹簧；9—锥面链轮2；10—链轮装置2
1) 换挡控制
（1） 电子控制部分。
奥迪01J CVT的ECU有一动态控制程序(DRP)，用于计算额定的变速器输入转速。为了在每个驾驶状态下获得最佳传动比，驾驶员输入信息和车辆实际工作状态要被计算在内。根据边界条件动态控制程序(DRP)计算出变速器额定输入转速。变速器输入转速传感器G182监测主动链轮1处的实际转速。ECU会根据实际值与设定值进行比较，并计算出压力调节电磁阀n216的控制电流，这样n216就会产生液压换挡阀的控制压力，该压力与控制电流几乎是成正比的。ECU通过检查来自变速器输入转速传感器G182和变速器输出转速传感器G195及发动机转速信号来实现对换挡的监控。
（2） 液力换挡控制(增速与降速)。
液压控制单元中的输导控制阀(VSTV)向换挡压力调节电磁阀N216提供一个约0.5mPa的常压。N216根据ECU计算的控制电流产生控制压力，该压力的大小会影响减压阀UV的位置。
根据控制压力，减压阀UV将调节出来的压力传递到主动链轮和从动链轮的分离缸。当调节压力在0.18~0.2mPa之间时，减压阀UV处于关闭状态。当控制压力低于0.18mPa时，调节压力通过减压阀UV传递到主动链轮的分离缸，同时从动链轮的分离缸与油底壳接通，速比变换器朝增速的方向进行变速，如图7-1-8所示。
图7-1-8速比变换器增速的控制
1—主动链轮；2—油底壳；3—从动链轮；4—施压阀；5—减压阀；6—油底壳；7—输导控制阀
当调节压力高于0.22mPa时，调节压力通过减压阀传递到从动链轮的分离缸，同时主动链轮的分离缸与油底壳相通，速比变换器朝减速的方向变速，如图7-1-9所示。
2) 接触压力控制
压力缸中合适的油压最终产生锥面链轮与链条之间的接触压力，若接触压力过高会降低传动效率；相反，若接触压力过低，传动链会打滑，这将损坏传动链和链轮。转矩传感器的目的就是根据要求建立起尽可能精确、安全的接触压力。
图7-1-9速比变换器减速的控制
1—主动链轮；2—油底壳；3—从动链轮；4—施压阀；5—减压阀；6—油底壳；7—输导控制阀
转矩传感器集成于主动链轮内，静态和动态高精确度地监控传递到压力缸的实际转矩，并建立压力缸的正确油压。转矩传感器主要部件为两个滑轨架，每个支架有七个滑轨，滑轨中装有七个滚子，如图7-1-10所示。
滑轨架1装在主动链轮的输出齿轮中(辅助减速输出齿轮)，滑轨架2通过内花键与主动链轮连接，并可以轴向移动且由转矩传感器活塞支撑。转矩传感器活塞调整接触压力，并形成转矩传感器腔1和2两个压力腔。转矩传感器产生的轴向力作为控制力，与发动机转矩成正比，压力缸中建立起来的压力与控制力成正比。转矩传感器支架彼此间可径向旋转，将转矩转化为轴向力(因滚子和滑轨的几何关系)，此轴向力施加于滑轨架2，并移动转矩传感器控制凸缘关闭或打开转矩传感器腔输出端，如图7-1-11所示。
图7-1-10转矩传感器的组成
1—滑轨架1；2，3—滑轨架2
图7-1-11转矩传感器的工作原理
1—滑轮架1；2—滑轮架2；3—转矩传感器腔2；4—转矩传感器腔1；5—转矩传感器活塞
（1） 输入转矩低时。
转矩传感器腔1直接与压力缸相通。发动机转矩产生的轴向力与压力缸内的压力达到平衡。在稳定运行的情况下，出油孔只部分关闭，打开排油孔(转矩传感器)后压力下降，出油孔进油压力降低，直至恢复压力平衡，如图7-1-12所示。
（2） 输入转矩高时。
转矩达到峰值时，控制凸缘完全关闭出油孔。若转矩传感器进一步移动，将会起到油泵作用，此时被排出的油使压力缸内的压力迅速上升，这样就会毫无延迟地调整接触压力。锥面链轮产生的接触压力不仅取决于输入扭矩，还取决于传动链跨度半径，此二者确定了速比变换器的实际传动比，如图7-1-13所示。
图7-1-12低转矩时的控制
1—传矩传感器腔1；2—压力缸；3—排油孔
图7-1-13高转矩时的控制
1—压力缸；2—排油孔
4. 液压控制系统
与自动变速器的液压控制系统一样，CVT的液压控制系统担负着系统油压的控制、油路的转换控制、用油元件的供油以及冷却控制等。
1) 供油装置
奥迪01J CVT的供油装置采用的是带月牙形密封的内啮合齿轮泵，直接装在液压控制单元上，形成一个整体，减少了压力损失。
2) 液压控制单元
液压控制单元由手动换挡阀、九个液压阀和三个电磁控制阀组成。液压控制单元与ECU直接插接在一起，液压控制单元应完成下述功能：
① 前进挡离合器/倒挡制动器；
② 调节离合器压力；
③ 冷却离合器；
④ 为接触压力控制提供压力油；
⑤ 传动控制；
⑥ 为飞溅润滑油罩盖供油。
液压控制系统的油路图如图7-1-14所示。为防止系统工作压力过高，限压阀将油泵产生的最高压力限制在0.82mPa，并通过输导控制阀向三个压力调节电磁阀提供一个恒定的0.5mPa的输导控制压力。压力阀防止启动时油泵吸入空气，当油泵输出功率高时，压力阀打开，允许ATF从回油管流到油泵吸入侧，提高油泵效率。施压阀控制系统压力，在各种工况下都始终能够提供足够的油压。电磁阀N88、N215和N216在设计上称为压力控制阀，它们将控制电流转变为相应的液压控制压力。
图7-1-14液压控制系统的油路图
5. 电子控制系统
奥迪01J CVT的电子控制系统由ECU、输入装置（传感器、开关）和输出装置（电磁阀）三部分组成。其特点是ECU集成在速比变换器内，控制单元直接用螺栓紧固在液压控制单元上。三个压力调节阀与控制单元间直接通过坚固的插头连接(S形接头)，没有连接线。控制单元用一个25针脚的小型插头与汽车相连。电子控制系统更具特点的是集成在控制单元内的传感器技术：电器部件的底座为一个坚硬的铝板，壳体材料为塑料，并用铆钉紧固到底座上。壳体容纳全部的传感器，因此不再需要线束和插头。这种结构大大提高了工作效率和可靠性。另外将发动机转速传感器和多功能开关设计成霍尔传感器，霍尔传感器没有机械磨损，信号不受电磁干扰，这使其可靠性进一步提高。传感器为控制单元的集成部件，若某个传感器损坏，必须更换ECU。如图7-1-15所示为电子控制系统的组成。
图7-1-15电子控制系统的组成
1—控制单元J217；2—输出转速传感器G195、G196；3—电磁阀插接器N215；
4—多功能开关N215；5—电磁阀插接器N216；6—输入转速传感器G182；
7—电磁阀插接器N88；8—接触压力传感器G194；9—离合器压力传感器G193