主页 > 简单生活 >从March到F1 CVT变速箱与时俱进 >

从March到F1 CVT变速箱与时俱进

2020-06-17 246views

文 许鸿德

连速克达机车都有的CVT传动科技绝对不是什幺新玩意儿!由Van Doorne公司所研发的CVT变速箱至今有35年的历史,却很难改变「扭力上限过低」的刻板印象。这个技术瓶颈却在最近有了突破性的进展,加以VW集团的DSG变速箱近来在部分市场出现品质危机,Toyota与Honda车厂近来都宣布加大CVT变速箱的使用比例,随着越来越多高级车厂与大型房车採用这个优点甚多的传动技术,2015年之前CVT佔全球变速箱16%的比例绝非痴人说梦。

寻找成本更低、效率更好的自动变速技术一直是汽车製造商的目标!你可能没听过来自荷兰的Hub及Wim van Doorne兄弟、也不知道他们在汽车工业历史上举足轻重的发明(即便你可能每天都在使用它):CVT(Continuously Variable Transmission)无段变速系统。但是你绝对要有体认,在Van Doorne公司庆祝第一具CVT变速箱使用于民用车超过40週年的今天、这个过去被质疑为只能用在廉价小型车的变速箱科技早已改头换面,準备再次成为汽车工业的要角。


从March到F1 CVT变速箱与时俱进CVT变速箱内没有任何一组齿轮:藉由两个可改变半径的滑轮与由许多特殊钢片组成的金属鍊带之间的相互动作来传递动力。
CVT传动技术原理与优缺点

CVT并不是什幺高科技!今日多数的速克达(Scooter)都採用这类变速箱设计,传统手排与自排变速箱都拥有4到7组比例不同的齿轮以符合各种状况(高/低速)时的扭力需要,但CVT变速箱内却没有任何一组齿轮:它是靠着两个可改变半径的滑轮(透过调整左右两半部份的距离改变半径大小)加上传递动力的皮带(后期为了使用于大马力输出的引擎而改用钢鍊)、并利用这两个半径可以改变的滑轮来模拟出传统变速箱内的不同齿轮比例。

在介绍完CVT变速箱的原理之后,它的优点也就明显易见:不需多组繁複齿轮意味着CVT变速箱不但重量轻、体积小,製造成本也大幅降低(CVT变速箱的零件数目是传统自排变速箱的45%)!「无段变速」的特色使得齿轮比在任何引擎转速时皆达到「最佳化」状态,车辆加速时可透过连续更改滑轮比例而将引擎转速固定在最大扭力值、进而缔造出无可比拟的加速成绩!对于车内空间寸土寸金、引擎出力也不大的小型车来说,CVT变速箱可说是最适合的选择。


从March到F1 CVT变速箱与时俱进1997年Nissan推出了第二代Hyper CVT系统,2002年Nissan再度领先全球车坛推出第三代X-CVT(全名为X-TRONIC CVT)变速箱。
CVT变速箱重新获得重视

如前所述、CVT变速原理的发明人是荷兰的Hub与Wim van Doorne兄弟(当时称为Variomatic变速箱),这项传动技术在1940年代诞生时首先被应用在军事用途,随着技术不断改良、van Doorne兄弟联手创立的DAF公司也在之后50年不断推广CVT变速箱的好处,第一部搭载CVT系统的民用车在1960年代首次出现。随着技术不断改良、80年代CVT在迷你车款上大放异彩:包括Ford Fiesta、Fiat Uno 60、Subaru Justy、Nissan Micra与Fiat Punto都採用CVT变速箱。虽然CVT变速箱的市佔率在80年代第一次达到高峰,但眼尖的读者可能已发现当时搭配此类变速箱的多为马力小于100匹、扭力也不大的车型。过去饱受CVT车主批评的主要是「皮带效应」,这是指使用传统CVT变速箱的车主经常感觉到「车速与引擎转速不一致」的现象(引擎转速已大幅提昇、但车速却没有上昇),此现象容易让车主产生「加速性能不佳」的错觉。

从March到F1 CVT变速箱与时俱进 
过去受限于皮带材质的摩擦力、耐久性与张力上限,Van Doorne公司的CVT变速箱总无法突破250Nm(约25.51kgm)的扭力上限。这个问题在该公司于1990年代下半与Williams F1车队共同开发出以钢鍊取代皮带的动力传达方式后已获得突破:目前Van Doorne公司的CVT变速箱可承受高达250Nm的扭力、另一家德国公司LuK的产品更可承受高达350Nm的扭力上限!虽然CVT系统目前在全球自动变速箱市场的佔有率还不到10%,两家CVT系统的主要供应商:荷兰商Van Doorne公司与德商LuK在过去CVT系统的缺点逐一克服后,都不约而同的表示对未来成长潜力抱以乐观态度,而日本也是CVT系统大红大紫的关键市场,日本一向是小型车与迷你车的大本营、也是日本车厂是CVT系统的忠实支持者。近年来随着油价的不断高涨,各大车厂被迫面对着不断提高燃油效率的要求,CVT变速箱再次成为了目光焦点。

从March到F1 CVT变速箱与时俱进第三代X-CVT变速箱内的高刚性加大V型钢带设计是专为Nissan VQ35这类高扭力、高马力引擎所研发。
新一代Nissan Altima车型由于採用了X-TRONIC CVT变速箱而提高了燃料效率,这让主要对手Toyota与Honda车厂感到不少压力。预定在今年秋天问世的新一代Honda Accord四缸引擎版本据传将推出搭载CVT变速箱的选项,而Toyota车厂也计画明年问世的Corolla改款车型上搭载CVT变速箱。另一方面Subaru车厂搭载新一代CVT变速箱的Legacy和Impreza车型在北美市场的销售业绩一直不错,Impreza车型的燃料经济提高了36%,其中贡献最大的就是CVT传动科技。根据汽车市场研究公司IHS Automotive的调查,2005年时搭载CVT变速箱的车型仅佔北美市场总销量的1%,但受惠于两年前Nissan品牌车型大量换用新一代X-TRONIC CVT变速箱,目前搭载CVT变速箱的车型佔北美市场总销量已经突破7%,IHS Automotive公司更预测2015年CVT变速箱在北美市场的市佔率有望突破16%,这意味着销量将成长一倍以上。


从March到F1 CVT变速箱与时俱进目前也有其他业者正在研发採用飞轮科技的CVT混和动力系统。
新科技提昇新一代CVT变速箱性能

Nissan北美科技中心研发副总裁Carla Bailo不讳言他们非常在意消费者对新一代CVT变速箱的反应:「我们一度担心消费者会在意没有换挡的感觉或者无级变速时的噪音?但是调查结果显示大多数客户并不是那幺关注,很少人会到我们的经销商去问CVT变速箱是什幺,大家更关心的是燃油效率、而CVT技术能够满足在公路和城市驾驶时的需求。与导航系统、座椅材质和空调等以乘客为本的功能相比,引擎盖底下的科技和变速箱设计通常不是一般消费者所关心的。」

Nissan集团可说是应用CVT变速箱科技最成功的代表!早在1991年Nissan就将CVT科技应用于量产车型,例如多数读者熟悉的Nissan March自从1992年就开始搭载名为「N-CVT」的第一代CVT变速箱,让许多驾驶人首次体验到CVT系统平顺好开的优点。1997年Nissan推出了第二代Hyper CVT系统,将原本的电磁离合器改用扭力转换器以彻底解决N-CVT 的问题,同时拥有了更佳的耐用度并能承受更大的扭力。这也是全球第一个搭载于2.0升等级引擎前驱中型房车(首次使用于日规Premira车型)用的CVT系统。

从March到F1 CVT变速箱与时俱进过去CVT变速箱只能用于March之类的小型车,但是新一代CVT变速箱已经可用于大型车款。
2002年Nissan再度领先全球车坛推出第三代X-CVT(全名为X-TRONIC CVT)变速箱,并一举打破了过去CVT系统受限于材质因素而只能用于小排气量车型的既有印象。高刚性加大V型钢带设计是专为Nissan VQ35这类高扭力、高马力引擎所研发,而且较同型4AT自排车款省油10%以上。现在甚至连排气量达3.5升的豪华四轮驱动SUV车型Murano、Infiniti JX与Nissan Maxima都搭载了新一代的大扭矩智慧X-TRONIC CVT变速系统。


从March到F1 CVT变速箱与时俱进 
CVT变速箱车型同样可以传递动感

过去许多人抱怨CVT变速箱缺乏动感,这其实大错特错,要不是FIA宣布禁用,CVT变速箱将是F1车队的最爱!众所皆知,许多目前民用车上的先进技术都源自于F1赛车。早期如单壳车身(Monocoque)结构与通风碟式煞车(Disc Brake)、近期较闻名的也有ESP动态稳定系统及Honda车厂骄傲的VTEC可变汽门正时系统,鲜少人知道其实CVT无段变速系统也差点在F1赛道上出现,可惜最后因为FIA的阻挠而胎死腹中。

F1工程师眼中的理想世界,就是让引擎能够在最长的时间以最佳效率(可能是最大扭力或最大马力状态)运作,但这个目标在传统的变速箱设计上因为受限于齿轮组的数目限制而困难重重、唯一有可能实现这个梦想的变速箱设计原理就是CVT变速系统。对F1车队来说、CVT有着无可抗拒的吸引力:它意味着可以移去沈重的传统变速箱,更重要的一点是只要透过电脑控制,F1赛车在加速时可透过连续更改滑轮比例而将引擎转速固定在最大扭力值、进而缔造出无可比拟的加速成绩!1991年DAF公司找上了Williams车队科技总监Patrick Head,讨论过后两方决定共同开发在F1赛车上的CVT系统。

从March到F1 CVT变速箱与时俱进连排气量达3.5升的豪华四轮驱动SUV车型Murano、Infiniti JX与Nissan Maxima都搭载了新一代的大扭矩智慧X-TRONIC CVT变速系统。
当时CVT系统最大的技术瓶颈在于无法使用于大马力及高扭力输出的引擎上,但DAF公司花了半年的时间研发出可用于800 kW(相当于1072匹马力)引擎的CVT系统,虽然此系统只有4小时的寿命、但也足够在F1比赛中使用。Williams车队将搭载CVT系统的赛车命名为FW15C、并由当时的测试车手David Coulthard(日后的苏格兰F1明星车手)进行测试。David Coulthard在测试后对这部赛车大为激赏:FW15C不但在加速过程中毫无间断,他还可以使用过去在Kart赛车上的「左脚煞车」技巧(事实上Kart小型赛车就是使用CVT系统),Williams车队还开发出一个可让车手在驾驶时调整最佳引擎转速的开关(当领先对手一段距离时,可选择减轻引擎负荷)!可惜正当CVT正準备轰动F1赛坛时,FIA却在1993年赛季宣布禁用所有车手辅助驾驶装置:而CVT与ABS、ESP、主动悬吊系统都列于名单内。FW15C赛车只得移到DAF公司的博物馆内供后人凭弔。

从March到F1 CVT变速箱与时俱进 
为了增加操控乐趣,包括Nissan、Audi以及Mitsubishi车厂使用的新一代变速箱都搭载了「手自排模式(Drive Sport mode)」,这是透过限制CVT变速齿比而衍生的功能,让CVT变速箱在平稳上昇曲线加速时在特定齿比「暂停」进而「模拟」出传统变速箱换档的效果(如果有需要,甚至可以模拟出100档)。Nissan车厂承认这种「模拟换挡」的感觉会牺牲一部份潜在的燃料效率,但这样的损失微乎其微。相信在材料科技的不断进步之下,CVT变速箱完美兼顾「性能」与「节能」并不是痴人说梦。


从March到F1 CVT变速箱与时俱进除了Nissan车厂之外,包括Audi及Honda车厂也都大量使用CVT变速箱系统。
从March到F1 CVT变速箱与时俱进 
从March到F1 CVT变速箱与时俱进过去许多人抱怨CVT变速箱缺乏动感,这其实大错特错,要不是FIA宣布禁用,CVT变速箱将是F1车队的最爱!
从March到F1 CVT变速箱与时俱进为了增加操控乐趣,包括Nissan、Audi以及Mitsubishi车厂使用的新一代变速箱都搭载了「手自排模式(Drive Sport mode)」。

相关文章