CVT无级变速箱深度剖析

作者：读车百变

1、导言

众所周知传统车辆动力总成有2大核心部件：发动机和变速箱。从历史发展来看，发动机作为动力输出源，代表技术的高度，长期占据舞台C位，无论是厂家对发动机的研发投入，还是消费者对发动机的关注都非常高。相比而言，变速箱一直处于配角地位。但近年变速箱特别是自动变速箱的份量越来越重，渐有和发动机组成舞台双C之势。

为什么会有这个变化？我们把发动机/变速箱放到整车环境里，发动机是动力源，变速箱把动力传输到轮端的同时，根据需求实现换挡。发动机是整车最关键零件，动力和油耗主要由它决定，是工程开发的重点，经过多年发展，目前主流发动机的热效率为36-40%，如果要提升发动机效率（下一个5年目标44%），技术难度和投入都非常高，这和我们熟知的80-20法则类似。为了进一步提升效率，变速箱是一个主要技术方向。另外一个重要因素是，目前客户越来越注重驾驶感受，如动力响应，换挡平顺性，这些主要由变速箱决定。对于普通消费者，主观感受决定产品口碑的第一要素。因此，为提高效率，提升客户驾驶感受，厂家对变速箱的开发持续加大。

2、AT/CVT/DCT的区别

传统变速箱分为手动变速箱和自动变速箱，其中自动变速箱又分为传统Step AT（后面简称AT），CVT，DCT和AMT。基于市场的主流需求和后续技术发展，接下来只对自动变速箱里的AT，CVT和DCT进行分析。

AT/CVT/DCT这3款自动变速箱的变速机构区别非常大，如下图1，AT以行星齿轮机构作为变速机构，CVT是钢带/钢链无级变速机构，而DCT是基于手动变速箱的平行轴齿轮结构。

这3种变速机构各有特点，同一类型变速箱，不同厂家的产品也相差较大。图2基于主流产品对这3类变速箱的特点进行对比，供参考。

从技术发展角度，AT主要是增多挡位，提升舒适性和效率。从4AT, 6AT发展到8AT,9AT和 10AT。CVT主要是加快动力响应性，提升扭矩能力和自身效率。采用无级+有级换挡兼顾驾驶舒适性和动力性，钢链式CVT增加了扭矩和效率。而DCT是提高苛刻工况下的耐久能力，提升舒适性，如增加干式DCT在频繁换挡下的耐久能力，改进换挡顿挫。总体上大家都是发挥长处，补齐短板。

目前AT的市场保有量最高。基于后续应用预测，CVT的应用有一定增加，主要原因有：1. CVT有最好的匹配性，能使动力总成的总体效率较大提升 2.消费者越来越注重驾驶感受，CVT能很好满足客户需求 3. 钢链式CVT拓宽了CVT的扭矩范围，使CVT覆盖了A/B级车这个最大的销量区间

3、CVT变速箱结构和换挡原理

接下来本文重点讲解CVT变速箱。图3说明了CVT变速箱的各主要结构，以及对应的功能，所有这些功能都是将发动机的动力，通过恰当管理，再输出到轮端。

图4是以通用钢链式CVT为例的主要结构图，其中最独特的结构是无级变速系统，这是CVT和AT/DCT相比最大的特点，也是钢链式和钢带式CVT之间最大的区别。

下面视频介绍了钢链式CVT的变速过程和链条结构。这是一款由LuK提供的不等长随机静音链条，由1440子零件组成，在圆周方向由90组传动销通过长/短两个节距自由串联，在宽度方向30层4种链片随机排列，同时链销采用纯滚动设计，实现效率/扭矩能力/噪音/耐久的最佳平衡。

CVT变速箱内的各个复杂结构，是怎么有机配合实现自动换挡的呢？我将结合图5里的动力流和控制流来讲解。

一．动力流：

如图5橙色的动力流显示，发动机动力通过液力变扭器，传递到前进挡/倒挡离合器总成，然后到锥轮无级变速系统，再通过主减/差速器总成，最终输出到轮端。

二．控制流：

1）以前进挡（D挡）为例，驾驶者拨动换挡杆到D挡，把变速箱液压阀体总成内的手阀，拉到D挡位置，机械地接通D挡油路，这是一个机械信号；同时挡位位置传感器发出一个电控信号给变速箱控制器（TCM），告诉整车换到了D挡。

2）TCM根据内部传感器信息（油压/油温/转速/挡位共7个信息），和通过CAN总线交互从发动机/整车控制器得到的外部信息（如油门开度，车速，发动机/整车是否报故障码等信息），基于内置在TCM里的工作逻辑（控制软件）和标定参数(shift map)，确定对应的换挡操作，从而向变速箱的6个电磁阀发出电控指令。

3）收到电流信号的电磁阀，根据电磁阀的液压/电流特性(PI curve)，将电流转换为控制油压，控制油压输出到液压阀体总成推动各阀芯，打开/关闭/增大/减小各油路。

4）机械油泵输出的高压油，通过不同油路输出到各执行零件。如输出油压到液力变扭器离合器（TCC），控制动力输入模式是液力输入还是机械直连输入；输出油压到前进挡离合器腔体，使离合器片组结合，实现前进功能。以及输出到无级变速系统里的主动和从动油腔，推动活塞移动，改变钢链的工作半径，改变链条速比，实现挡位变化。此外，在启停工况下，发动机控制器直接输出指令给变速箱电子辅助油泵，在启停工况下由电子油泵提供一定油压，起停后实现快速起步。

通过动力流/控制流复杂多维的交互作用，确保在各复杂工况下，CVT能够传递动力和自动换挡，完美实现驾驶者的意图。

4、钢带式和钢链式CVT的对比

讲完CVT的结构和换挡原理，我们来看CVT的类型。市场上量产的CVT变速箱分为钢带式和钢链式。在主流合资品牌车型里，分别以JATCO/丰田CVT变速箱，和奥迪/通用CVT变速箱为代表。这2个不同的流派，实现无级变速的核心零部件分别是博世的推力钢带和LuK的拉力钢链。

但无论是钢带还是钢链无级变速，变速原理并无区别，都是通过油压推动锥轮的活塞缸，改变钢带或钢链的工作半径，实现速比连续变化。从整个传动架构上，也没有本质区别。图6为一款典型的钢带式CVT（Jataco CVT7）和一款典型钢链式CVT(通用CVT250)的架构对比。可以看出CVT7的输出端有一个副变速机构，分为高/低挡位；而通用CVT250的传动传动结构非常精简。为什么会这个差异，我们通过钢带和钢链的区别来讲解。

从结构角度，钢带和钢链完全不一样，如图6和图7。钢带是由金属片和金属环相互叠加而成，通过金属片的依次推动，实现动力传递。

如图8所示，钢链是由链片，传动销和限位销组成。动力通过由链片串联的的传动链销的拉力作用，实现动力传递。

从结构角度，钢带和钢链各有特点。从技术指标的角度，钢链的优势相对较明显。

1）效率：钢链传动效率更高，在高速/起步阶段高1.5%-3.5%。这是由于钢链在小工作半径时，内应力相比钢带弯曲应力小，功率损失较小。传动销彼此配合的侧面，以及传动销和锥轮接触的端面，都是圆弧结构，分别实现纯滚动传动和点接触摩擦，这都提升了传动效率。

2）扭矩：钢链传递扭矩更大。主流钢带式CVT的扭矩180NM，钢链式CVT的扭矩250NM以上。

3）速比范围：钢链速比范围更大。速比范围=最大速比/最小速比，代表一款钢带或钢链的综合能力。最大速比越大，起步加速性越好；最小速比越小，燃油经济性越好。通常最大速比是最小速的倒数，意味着改变钢带或钢链的速比范围，最大速比/最小速比是对称地变化。通用CVT钢链的速比范围达到同级最大的7.01，就钢链本身而言，能同时实现最好的起步加速性和最优的燃油经济性。

4）扭矩密度：钢链的扭矩密度高，在同等扭矩情况下，重量和空间更小。

5）噪音：钢带的噪音表现更好。由于钢带的钢片与钢片之间的距离更小，也就是节距小，传动过程中的多边形效应小，因此更静音。目前越来越多的技术在不断提升钢链的NVH表现，已接近钢带的NVH水平。消费者在驾驶时，完全无法分辨这到底是钢带式还是钢链式CVT。

6）夹紧油压：同样扭矩和整车应用情况下，在起步加速工况，钢链的油压需求比钢链高。这是由于钢带的片组和锥面是面配合，而钢链的传动销端面是一个弧面，理论上是一个点配合。根据大速比起步时的夹紧力策略，为防止打滑，钢链需要相对较大的夹紧力。

回到图6里 CVT7和通用CVT250的传动架构对比， CVT7增加了一个副变速机构实现高低挡位的原因是：钢带在起步/高速的传动效率较低，为提高效率，增大了钢带工作时小端的曲率半径，使钢带运行在高效率区间，为此牺牲掉的速比范围，通过增加一个副变速机构找回来，在起步时副变速机构采用高挡位提高主减速比，增加动力性；在高速时采用低挡位，降低主减速比，提升经济性。这是一个很好的思路，唯一的问题是结构和控制系统变复杂了，增加的离合器会带来部分效率损失，成本增加。而通用钢链式CVT，由于在起步/高速阶段效率优势明显，速比范围大，因此可以采用最精简的传动架构，进一步提升变速箱的传动效率。

从应用角度，钢带式CVT体量更大。目前市场上CVT钢链式和钢带式的比例约为1：4。这是由于钢带/钢链不同的发展轨迹决定的，博世钢带的扭矩小，而LuK钢链扭矩大。日系选用博世的钢带，应用CVT在主流A级车上，销量远比奥迪大（搭载钢链式CVT）。同时无论是钢带还是钢链，都是最核心产品，需要在变速箱开发的最早期阶段来确定方案，一经确定一般不再更改。随着钢链的扭矩范围下探到250NM甚至180NM这一主流区间，钢链式CVT的应用在逐年增加，代表产品有通用CVT250, JATCO CVT8高功版，以及现代钢链CVT。到2025年，预计CVT钢链式：钢带式将上升为1：2。

5、CVT的效率

如前文提到，发动机效率提升已到了一定瓶颈，越来越多厂家关注变速箱的效率提升。我们常说CVT车油耗低效率高，但图2里又显示CVT和AT/DCT相比，效率较低。这似乎彼此矛盾，在这里我们重点澄清一下。我们常说的CVT效率高，是发动机匹配CVT后，发动机+变速箱这个动力总成的效率高。而CVT变速箱本身，由于钢带/钢链传动的结构特点，效率比DCT/AT低。

我们先探讨CVT自身效率较低的原因。组成CVT效率损失有几个部分：1.液力变扭器损失（起步机构） 2.钢带或钢链传动效率（变速机构）3.油泵效率4.主减齿轮效率5.离合器损失6.搅油/空转等其他损失。图10是AT/CVT/DCT的传动效率对比。和AT/DCT相比， CVT在变速机构和油泵效率上有差距。具体表现为：1.钢带/钢链的效率区间94-98%，且只短时间工作在最高效率下，而DCT平行轴式齿轮的效率最高，AT行星齿轮的效率次之。2.CVT变速箱钢带/钢链传动，需要高油压夹紧，并时刻保证足够的后备油压，防止某些瞬态苛刻工况下的钢带/钢链打滑，这就导致CVT的油泵损失比AT/DCT要大。另外，作为DCT起步机构的离合器，比AT/CVT的液力变扭器损失小。

既然CVT的效率不占优势，那么CVT车低油耗高效率是怎么实现的呢？这是因为CVT无级变速的特性，对应任何一个工况，都能在CVT速比范围内，调配到最佳速比点，使发动机工作或更靠近此工况下的最佳效率区间。而AT/DCT都只有几个固定速比，发动机受到固定速比限制，不能调配到最佳工作区间。图11是匹配AT/CVT/DCT的发动机的工作区间对比图，其中绿线是发动机最优功率线，理论上发动机沿着该线工作，效率最高。可以看出，匹配CVT能让发动机长时间工作在最佳效率区间，且该转速区间1000-3000rpm是客户最常使用的区间（占比>90%）。

图12是通用CVT的实际控制工况点，这和图11中的CVT工作区间完全匹配。红色线为实际最优油耗转速，这和理论最优功率线稍有区别，这是因为在靠近怠速区域（700-1000rpm），实际需求的发动机扭矩较低，本身就不贴合理论最优功率线，同时考虑到舒适性，低扭工况发动机提升了转速，对这条理论线做了适当的工程修正。

讲到这里大家可能会有一个疑问，对发动机+CVT和发动机+DCT这2个配置，前者CVT效率低而发动机效率高，后者DCT效率高而发动机效率低，那么这2个动力总成，到底哪个燃油经济性更有优势？要回答该问题，得先看整车的效率损失分布。据《汽车理论》一书关于影响汽车燃油经济性的因素，在城市工况下，发动机的能量损耗（包括热损耗/怠速/附件损耗）约为81%，传动系损耗为5.6%；而郊区工况下发动机约为74%，传动系为5.4%。可以估算出在城市工况，发动机效率提升1%，变速箱效率要提升4%才得到相同的节油效果。在郊区工况，发动机1%对应变速箱3%。显然，发动机对油耗提升起绝对主导作用。回到之前的问题，假定CVT能提升发动机效率3%（各发动机特性不一样），且DCT比CVT的平均效率高约10%，那么DCT配置有优势；如果发动机效率提升大于3%，或DCT效率比CVT平均效率低约10%，则CVT配置有优势。基于产品不同，这2种情况在不同车上都存在。

通过上述分析，CVT在提升发动机效率的同时，进一步提升自身效率是当前的主要趋势。图13简要列举了通用CVT提升效率的技术方案。其中针对链条无级变速，上文从钢带VS钢链的角度已做详细讲解。高效减振TC，智能油泵和变速箱油自动加热，其他日系主流CVT上也有配置，区别是实现该功能的具体结构各有不同，本文不作详细介绍。

这里特别讲一个精细技术--自动油位控制。变速箱内约有8.4L油，主腔里的主减齿轮部分浸在油内，工作时会导致搅油损失。如图14所示，自动油位控制阀安装在副腔内，在低温时打开，主腔高油位。此时油粘度高，齿轮/轴承工作阻力和钢链摩擦损失都较高，远大于搅油损失。搅油损失的益处更多，其热量能帮助油温尽快上升。当油温上升到工作温度时，就要尽量降低搅油损失。此时自动油位控制阀关闭，副腔油位升高，多存储了一部分油，从而降低主腔油位高度，降低搅油损失。

通过一系列的效率提升技术，通用CVT的台架实测最高效率达92%，主要工况下效率约为82-85%。

6、CVT变速箱的控制

CVT变速箱的控制（包括软件和标定）是实现舒适性，动力性和耐久性的核心。我们都知道CVT舒适性好，换挡平顺无顿挫。这是钢带或钢链能连续改变工作半径来实现的。通过油压控制，CVT能切到速比范围内的任意速比。这是CVT和AT/DCT传动结构相比的最大特点和优点，CVT无级变速箱的名字正是由此而来。

但是无级变速并不总是优点，在需要动力的大油门工况下，如果还是无级变速，会导致加速相应慢，动力性不好。怎样解决这个问题呢？通过改进CVT的控制策略，在大油门下通过油压控制，迅速将速比切到某些特定的速比点上，从而模拟有级换挡，提高动力性。并且CVT能自动调节这些特定的有级速比点，在不同工况下，都实现最佳的动力性，满足客户的驾驶需求。所以这个模拟有级换挡，不像AT/DCT是固定的速比，而是弹性有级速比。

CVT无级变速的特点，需要油压夹紧钢带/钢链来传递。硬件的关键是这个无级变速系统，而控制的关键是怎样确保动力平稳传递和速比变换，防止在任何工况下钢带/钢链打滑。对CVT而言，全油门加速，轮胎打滑，急刹车，坑洼路面，超低温等工况，从打滑控制的角度都是苛刻工况。通用CVT专门针对17个苛刻工况，建立苛刻工况的控制程序。根据图5示意图，变速箱内部有7个传感器时刻监控变速箱的状态，同时还和整车通讯，收集到整车工况。一旦识别整车进入了苛刻工况，就会立即激发苛刻工况控制程序，通过增大夹紧油压，加快油压响应，控制离合器有序打滑等措施，来控制钢链避免打滑，实现动力平稳传递。图16显示在低附着路面上，突然全油门加速，此时油压迅速响应，在监测到车轮打滑的同时，油压瞬间提升，夹紧钢链，从而防止了钢链打滑（图示Pulley打滑量为0）。接下来从低附着路面进入高附着路面后，车辆受到冲击，车速很快降低，此时油压同样瞬间提升，稳定控制钢链，实现动力平稳传递。

7、CVT的使用/保养/维修

CVT相比AT/DCT车型，是否有需要关注的工况或注意事项呢？在超低温工况下如零下20度，需要充分热车，否则不建议做激烈驾驶（大油门，急加速急减速），因为此时油的粘度高，不能快速响应激烈工况下的大油压需求，易造成钢带/钢链磨损。另外避免频繁全油门起步和急刹车，尽管在这些工况下的油压控制能确保动力的稳定传递和速比切换，但此时系统夹紧力大，降低了CVT效率，增加了油耗。在坡道停车时，确保要挂P挡，防止溜车；避免空挡滑行；不能前轮着地拖车，这些工况都可能对CVT造成损伤。

在做车辆保养时，一个常见场景技师倒出小杯变速箱油，看到油黑了，向车主建议换油，不然会损害变速箱。这时候车主往往会很纠结到底要不要换油。CVT变速箱油是高压低粘度合成油，售后保养手册上通常要求在一定里程换油。以通用CVT为例，售后手册上80000公里要求换一次油。从工程开发角度，在模拟苛刻工况整车寿命24W公里的变速箱台架或整车耐久试验里，整个试验过程中不换变速箱油，意味着变速箱油自身的物理化学稳定性已充分得到验证。实际上试验过程中，由于摩擦片微粒，齿轮磨合以及正常磨损，变速箱油就会从新油的浅绿色或红褐色，变成黑色，但功能依然OK能继续跑到试验结束，所以变速箱油变黑不作为换油的依据。

在客户日常温和的使用工况下，如果没有其他异常，终身不需要更换变速箱油。如果常感受到冲击/抖动，动力相应慢，噪音增大，曾深度涉水等情况，建议检查变速箱油，如目视能看到大杂质，有泡沫，或者有严重焦味，建议换油或者开箱检查零件。很多客户换油的目的是做一个预防性保护，特别对经常大油门，或频繁加减速的客户，内部零件磨损量加大，换油确实能降低电磁阀卡滞/零件磨损的风险，建议按照手册8-10W公里后更换变速箱油。

针对故障问题，一般变速箱故障分为有报码和没有报码两类。由于变速箱处于整车前舱左前方，其布置决定要开箱检查往往很困难，要先拆整车一大堆零件，才能把变速箱拆下来，就算只换一个小零件，其工时费用也非常高。因此对于车辆仪表盘上出现报码的情况，先找4S店读码，对于不影响驾驶/感受的报码，4S店往往会做清码处理。客户继续用车看后续是否报码复现。对于影响驾驶的码，如加速无力，顿挫等，4S店往往能通过码的含义，针对性地知道是什么问题，从而给出维修策略，比如刷新软件，更换某些零件甚至整机更换。由于变速箱控制模块（TCM）往往是外置式，在更换变速箱后，需要对TCM刷电磁阀特性曲线（PI curve）并进行自学习。就算2台车是完全同型号，同生产时间，我们也不能简单互换TCM，因为在互换后需要重刷PI curve。如果同型号不同生产时间，可能要刷新标定甚至软件版本。所以涉及到变速箱维修特别是控制系统维修，是一个非常专业的事情，建议去4S店做维修。

8、总 结

最后，我们来回顾一下本文内容。我们分析了变速箱为何越来越重要；横向对比了各主流自动变速箱的结构和优缺点，从整车油耗和客户感受角度指出CVT会进一步拓宽应用。以通用CVT为例，讲解了CVT结构，基于动力流/控制流阐述了CVT的变速原理；然后从结构/性能/应用3个维度详细对比了CVT钢带和钢链各自的优势；接着深度分析了CVT自身效率和以及如何和发动机匹配实现动力总成的高效率；进而探讨了CVT兼顾舒适性和动力性的控制策略；最后普及了CVT车型在驾驶/保养/维修上的注意事项和相关知识。通过这篇系统性的文章，希望帮助大家更好的了解CVT，更深的了解车，更多的通过汽车探索世界。

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