1.工作原理
与有级自动变速器相比，无级自动变速器的优点是取消行驶速度和发动机转速之间的各个档级的刚性连接。由此产生两种效果：一是传动比可与牵引力双曲线精确匹配（图5.4-36），达到增加牵引力和行驶功率的效果；二是可以调节部分负荷范围（这是汽车行驶用得最多的范围）的传动比，使发动机在最低油耗区工作（图5.4-37），从而节省燃料消耗。分级变速器传动比是通过中间轴（副轴）上的齿轮级或行星齿轮组实现的。无级变速器传动比或力的传递则可由不同的原理实现。有关机械、动液、静液和电动变速器以及功率分流变速器的详细说明见参考文献[30]。
图5.4-36 传动比与牵引力双曲线匹配
图5.4-37 在发动机特性场的最佳燃料消耗区工作
在汽车上的电驱动至今还只是在有限范围使用时，静液无级驱动已在工程车辆、拖拉机、农用机械、商用汽车和专门使用场合的公共汽车上使用。动液无级驱动（即转矩转换器）当前实际上是串接（前置）在有级自动变速器中，作为起步部件。机械无级变速器主要可分滚动式变速器和缠绕式变速器。滚动式变速器又发展为最广的Toriod变速器[38]。从鼓形的输入轮到鼓形的输出轮的力的传递通过可推动的摩擦滚轮。改变摩擦滚轮倾角，可以无级调节输入轮与输出轮间的传动比。利用摩擦接触传递力。这样，在零件摩擦区产生很高的赫兹（Hertz）压力并需要专用的摩擦传动液，以承受高的压力和传递圆周力。Toriod变速器早在20世纪30年代已使用[31]，但至今未用于有级自动变速器上。
目前，无级自动变速器（CVT—Continously Variable Transmisson）为机械缠绕式无级自动变速器。核心部件是变速器，它由两个锥盘副组成。通过缠绕元件传递力。移动锥盘副的轴向距离，也就改变了缠绕元件的工作半径，从而改变传动比。依靠摩擦，实现锥盘副和缠绕元件之间的力传递。锥盘的轴向压力由液压通过活塞产生。传动比的调节同样由液压控制。
2.结构
前驱动、发动机横置乘用车的无级自动变速器（CVT）结构简图见图5.4-38[32]，它的特性组件标注在图中。除在汽车行驶时锁止的液力变矩器作为起步部件外，也用干式或湿式工作的片式离合器。向前行驶转换到向后行驶是通过带湿式工作的片式离合器的行星齿轮组实现的。同样也可用带齿形离合器的中间轴换向齿轮级实现行驶转换。为供给油压，通常使用齿轮式油泵。用作缠绕件的有链条或链节剪切带。终端输出采用斜圆柱啮合齿轮。使用锥齿轮差速器作为车桥差速器。CVT液压控制单元和电控单元在控制结构上与已知的有级自动变速器的控制一致。压紧力要比有级自动变速器上的压紧力高出4倍。
3.组件
除已知的有级自动变速器的部件和组件（见5.4.4小节）外，还应特别注意CVT的特殊零部件：缠绕元件、变速机构和控制。
（1）缠绕元件 至今乘用车上成批应用的、经受考验的缠绕元件是VDT（Van Doorneᑪs Transmis-sie）的链节剪切带和LuK的扁环节链。链节剪切带（图5.4-39）由两个多层带组成。它由末端松开的环、厚约0.2mm的高强度钢片组合而成，并用由钢片冲压的夹紧件保持在一起。从初级轮到次级轮的力的传递不像链条那样通过拉力传递，而是通过夹紧件的剪切传递。
图5.4-38 无级自动变速器ZF-Ecotronic简图
1—液力变矩器 2—油泵 3—换档部件 4—换向齿轮组 5—锥盘组 6—等传动比 7—差速器
对不同的传递功率等级，可提供24mm和30mm宽，6、9、10和12层钢环的链节剪切带。传递小功率（发动机转矩＜65N·m）也可使用橡胶材料。1999年奥迪为前驱动、发动机纵置乘用车装备了LuK扁环节链的无级自动变速器，并进入市场[33]（图5.4-40）。靠桶形变速轮，通过在链的两半个销上的摩擦传递力。销通过扁环节相互连接，并通过拉力传递圆周力。
当前使用的这两种缠绕元件结构型式可传递功率约为180kW，最大的发动机转矩为330N·m。用链节剪切带的无级自动变速器传动比可达5.4，扁环节链的无级自动变速器传动比可达6.25。扁环节链的无级自动变速器具有更好的效率，但由于它的噪声比链节剪切带较难控制，为此要在汽车上附加隔离措施[34]。
图5.4-39 VDT链节剪切带
（2）变速机构 图5.4-41是ZF-Ecotronic无级自动变速器断面图。图中可以看到初级锥盘组（副）和次级锥盘组（副）的结构。锥盘组是由固定在轴上的锥盘和套在轴上并可轴向移动的锥盘组成。套在轴上的锥盘轴向导向为球导向，以用在锥盘与带间的接触处的最小摩擦传递来自压紧工作缸的压力。很小的摩擦也有利于锥盘快速调节，以保证变速机构的高的动态性能。锥盘为淬火钢、磨削的球表面。初级侧和次级侧的压紧工作缸为板材加工成型件。次级锥盘组受弹簧预紧力的作用。在工作缸内附加装有一个金属护板，以防止变速器油的飞溅。
图5.4-40 LuK扁环节链(www.xing528.com)
（3）控制 无级自动变速器不需要换档。控制的特别任务是变速机构压紧的压力控制和传动比闭环控制调节。带或链的压紧程度应与传递的转矩成正比。低的压紧力导致锥盘组滑转和带或链损坏。压紧力过大引起高的压力，从而导致高的油泵功率，并使变速器效率变坏。为此，要随传递转矩的变化尽可能精确控制压紧力。传动比的闭环控制通常通过干预初级锥盘压紧压力实现。无论是压紧压力还是传动比闭环控制都需要变速器电控中汽车和变速器方面的有关信息，并利用电磁压力调节阀转换为油压，然后控制液压系统中的相应的阀。带信息流的变速器控制系统说明和功能内涵表示在图5.4-42中。
4.操纵
在5.4.4小节“操纵”中对有级自动变速器有关外部换档、变速杆、位置识别开关、仪表组合和停车闭锁的表述同样适用于无级自动变速器。
5.工作性能
无级自动变速器的工作性能比有级自动变速器的工作性能有更大的自由度。它取消了行驶速度、挂档和发动机转速之间的强制耦合，有利于汽车的行驶性能。
（1）行驶策略 无级自动变速器工作性能受变速机构调节策略的影响，它提供了从“非常经济”到“非常运动”之间的各种可能的行驶策略。图5.4-43是在发动机特性图中的不同行驶策略的行驶程序控制特性场。通过预先设定的行驶程序可以选择工作特性线或通过自适应工作点控制可以根据当前的工作状况调节最合适的特性场点。
（2）燃料消耗 使用无级自动变速器的原因是能降低燃料消耗。无级自动变速器快速档因数（φ=5.4～6.0）比4、5档有级自动变速器快速档因数（φ=4.0～5.0）大。与6档有级自动变速器相比还有另一个优点，即汽车大部分行驶是处于发动机最佳燃料消耗特性场范围。在经济行驶策略时燃料消耗可达到5档手动换档变速器的燃料消耗水平，它比4档自动变速器的燃料消耗值要低10%。
图5.4-41 ZF-Ecotronic LFT23无级自动变速器断面图
（3）加速性能 配备CVT无级自动变速器汽车直接按牵引力双曲线加速时可以“填满”有级变速器牵引力曲线的缺口，而增加行驶功率，从而减小汽车从0～100km/h加速时间。加速度值比配备4档有级自动变速器的加速度值提高达8%。在加速时燃料消耗要比6档有级自动变速器燃料消耗约低4%[34]。
图5.4-42 CVT无级自动变速器控制框图
（4）舒适性 按定义，无级自动变速器不需要换档，因而没有换档的抖动。从换档舒适性角度，CVT是理想的变速器。按调节策略，一般需要发动机转速特性。电控变速器可以使汽车行驶性能进一步与有级自动变速器匹配。
（5）手动换档模式 无级自动变速器可配备手动换档模式。利用带旁示标记的变速杆3个位置（“+”为升档、“M”为中间位置，“-”为降档）可以换档。CVT可以模拟这些固定的档级，这样驾驶人可以按旁示标记换档，如按6档自动变速器工作行驶。
图5.4-43 CVT无级自动变速器行驶程序控制
6.无级自动变速器实例
ZF-Ecotronic CFT23无级自动变速器断面图见图5.4-41。像有级自动变速器那样，CVT配备液力变矩器，以便汽车起步和轻松、舒适调车、停车。它有一个径向柱塞泵，安装在液力变矩器和换向齿轮组之间。通过柱塞泵进油侧的节流调节进油的体积流量。最大流量为22L/min。这样可限制泵的消耗功率，在发动机转速超过2200r/min时变速器效率高。变速机构已作了介绍，它采用VDT链节剪切带传递功率。最终传动的双圆柱齿轮级由于使用不同的啮合方案，起步传动比在12.5～17.2范围。
图5.4-44为ZF-VT1无级自动变速器断面图。它采用湿式工作的片式离合器作为起步部件。行星齿轮换向的前进档离合器和倒档行驶制动器可以在相应的行驶方向用于起步。外齿轮油泵供油，它安装在变速器背面，并由内部通过初级锥盘组伸出的插接轴驱动。该变速器的特点是结构紧凑、重量轻，用于宝马新迷你等乘用车上[35]。
无级自动变速器除优先用在前驱动、发动机横置乘用车上外[32，34，35]，也用于前驱动、发动机纵置乘用车上。
在参考文献[33]中叙述了无级自动变速器实例。
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