1、導言
眾所周知傳統車輛動力總成有2大核心部件：發動機和變速箱。從歷史發展來看，發動機作為動力輸出源，代表技術的高度，長期佔據舞臺C位，無論是廠家對發動機的研發投入，還是消費者對發動機的關注都非常高。相比而言，變速箱一直處於配角地位。但近年變速箱特別是自動變速箱的份量越來越重，漸有和發動機組成舞臺雙C之勢。
為什麼會有這個變化？我們把發動機/變速箱放到整車環境裡，發動機是動力源，變速箱把動力傳輸到輪端的同時，根據需求實現換擋。發動機是整車最關鍵零件，動力和油耗主要由它決定，是工程開發的重點，經過多年發展，目前主流發動機的熱效率為36-40%，如果要提升發動機效率（下一個5年目標44%），技術難度和投入都非常高，這和我們熟知的80-20法則類似。為了進一步提升效率，變速箱是一個主要技術方向。另外一個重要因素是，目前客戶越來越注重駕駛感受，如動力響應，換擋平順性，這些主要由變速箱決定。對於普通消費者，主觀感受決定產品口碑的第一要素。因此，為提高效率，提升客戶駕駛感受，廠家對變速箱的開發持續加大。
2、AT/CVT/DCT的區別
傳統變速箱分為手動變速箱和自動變速箱，其中自動變速箱又分為傳統Step AT（後面簡稱AT），CVT，DCT和AMT。基於市場的主流需求和後續技術發展，接下來只對自動變速箱裡的AT，CVT和DCT進行分析。
AT/CVT/DCT這3款自動變速箱的變速機構區別非常大，如下圖1，AT以行星齒輪機構作為變速機構，CVT是鋼帶/鋼鏈無級變速機構，而DCT是基於手動變速箱的平行軸齒輪結構。
圖1：AT/CVT/DCT剖面圖對比
這3種變速機構各有特點，同一類型變速箱，不同廠家的產品也相差較大。圖2基於主流產品對這3類變速箱的特點進行對比，供參考。
圖2：AT/CVT/DCT的優劣對比
從技術發展角度，AT主要是增多擋位，提升舒適性和效率。從4AT, 6AT發展到8AT,9AT和 10AT。CVT主要是加快動力響應性，提升扭矩能力和自身效率。採用無級+有級換擋兼顧駕駛舒適性和動力性，鋼鏈式CVT增加了扭矩和效率。而DCT是提高苛刻工況下的耐久能力，提升舒適性，如增加乾式DCT在頻繁換擋下的耐久能力，改進換擋頓挫。總體上大家都是發揮長處，補齊短板。
目前AT的市場保有量最高。基於後續應用預測，CVT的應用有一定增加，主要原因有：1. CVT有最好的匹配性，能使動力總成的總體效率較大提升 2.消費者越來越注重駕駛感受，CVT能很好滿足客戶需求 3. 鋼鏈式CVT拓寬了CVT的扭矩範圍，使CVT覆蓋了A/B級車這個最大的銷量區間
3、CVT變速箱結構和換擋原理
接下來本文重點講解CVT變速箱。圖3說明了CVT變速箱的各主要結構，以及對應的功能，所有這些功能都是將發動機的動力，通過恰當管理，再輸出到輪端。
圖3：CVT變速箱結構和功能
圖4是以通用鋼鏈式CVT為例的主要結構圖，其中最獨特的結構是無級變速系統，這是CVT和AT/DCT相比最大的特點，也是鋼鏈式和鋼帶式CVT之間最大的區別。
圖4：通用CVT結構示意圖
下面視頻介紹了鋼鏈式CVT的變速過程和鏈條結構。這是一款由LuK提供的不等長隨機靜音鏈條，由1440子零件組成，在圓周方向由90組傳動銷通過長/短兩個節距自由串聯，在寬度方向30層4種鏈片隨機排列，同時鏈銷採用純滾動設計，實現效率/扭矩能力/噪音/耐久的最佳平衡。
視頻1：鋼鏈式無級變速系統
CVT變速箱內的各個複雜結構，是怎麼有機配合實現自動換擋的呢？我將結合圖5裡的動力流和控制流來講解。
圖5：通用CVT變速箱的動力/控制總流程圖
一．動力流：
如圖5橙色的動力流顯示，發動機動力通過液力變扭器，傳遞到前進擋/倒擋離合器總成，然後到錐輪無級變速系統，再通過主減/差速器總成，最終輸出到輪端。
二．控制流：
1）以前進擋（D擋）為例，駕駛者撥動換擋桿到D擋，把變速箱液壓閥體總成內的手閥，拉到D擋位置，機械地接通D擋油路，這是一個機械信號；同時擋位位置傳感器發出一個電控信號給變速箱控制器（TCM），告訴整車換到了D擋。
2）TCM根據內部傳感器信息（油壓/油溫/轉速/擋位共7個信息），和通過CAN總線交互從發動機/整車控制器得到的外部信息（如油門開度，車速，發動機/整車是否報故障碼等信息），基於內置在TCM裡的工作邏輯（控制軟件）和標定參數(shift map)，確定對應的換擋操作，從而向變速箱的6個電磁閥發出電控指令。
3）收到電流信號的電磁閥，根據電磁閥的液壓/電流特性(PI curve)，將電流轉換為控制油壓，控制油壓輸出到液壓閥體總成推動各閥芯，打開/關閉/增大/減小各油路。
4）機械油泵輸出的高壓油，通過不同油路輸出到各執行零件。如輸出油壓到液力變扭器離合器（TCC），控制動力輸入模式是液力輸入還是機械直連輸入；輸出油壓到前進擋離合器腔體，使離合器片組結合，實現前進功能。以及輸出到無級變速系統裡的主動和從動油腔，推動活塞移動，改變鋼鏈的工作半徑，改變鏈條速比，實現擋位變化。此外，在啟停工況下，發動機控制器直接輸出指令給變速箱電子輔助油泵，在啟停工況下由電子油泵提供一定油壓，起停後實現快速起步。
通過動力流/控制流複雜多維的交互作用，確保在各複雜工況下，CVT能夠傳遞動力和自動換擋，完美實現駕駛者的意圖。
4、鋼帶式和鋼鏈式CVT的對比
講完CVT的結構和換擋原理，我們來看CVT的類型。市場上量產的CVT變速箱分為鋼帶式和鋼鏈式。在主流合資品牌車型裡，分別以JATCO/豐田CVT變速箱，和奧迪/通用CVT變速箱為代表。這2個不同的流派，實現無級變速的核心零部件分別是博世的推力鋼帶和LuK的拉力鋼鏈。
但無論是鋼帶還是鋼鏈無級變速，變速原理並無區別，都是通過油壓推動錐輪的活塞缸，改變鋼帶或鋼鏈的工作半徑，實現速比連續變化。從整個傳動架構上，也沒有本質區別。圖6為一款典型的鋼帶式CVT（Jataco CVT7）和一款典型鋼鏈式CVT(通用CVT250)的架構對比。可以看出CVT7的輸出端有一個副變速機構，分為高/低擋位；而通用CVT250的傳動傳動結構非常精簡。為什麼會這個差異，我們通過鋼帶和鋼鏈的區別來講解。
圖6：鋼帶式/鋼鏈式CVT的傳動架構對比
從結構角度，鋼帶和鋼鏈完全不一樣，如圖6和圖7。鋼帶是由金屬片和金屬環相互疊加而成，通過金屬片的依次推動，實現動力傳遞。
圖7：鋼帶無級變速系統及鋼帶結構
如圖8所示，鋼鏈是由鏈片，傳動銷和限位銷組成。動力通過由鏈片串聯的的傳動鏈銷的拉力作用，實現動力傳遞。
圖8：鋼鏈無級變速系統及鋼鏈結構
從結構角度，鋼帶和鋼鏈各有特點。從技術指標的角度，鋼鏈的優勢相對較明顯。
1）效率：鋼鏈傳動效率更高，在高速/起步階段高1.5%-3.5%。這是由於鋼鏈在小工作半徑時，內應力相比鋼帶彎曲應力小，功率損失較小。傳動銷彼此配合的側面，以及傳動銷和錐輪接觸的端面，都是圓弧結構，分別實現純滾動傳動和點接觸摩擦，這都提升了傳動效率。
2）扭矩：鋼鏈傳遞扭矩更大。主流鋼帶式CVT的扭矩180NM，鋼鏈式CVT的扭矩250NM以上。
3）速比範圍：鋼鏈速比範圍更大。速比範圍=最大速比/最小速比，代表一款鋼帶或鋼鏈的綜合能力。最大速比越大，起步加速性越好；最小速比越小，燃油經濟性越好。通常最大速比是最小速的倒數，意味著改變鋼帶或鋼鏈的速比範圍，最大速比/最小速比是對稱地變化。通用CVT鋼鏈的速比範圍達到同級最大的7.01，就鋼鏈本身而言，能同時實現最好的起步加速性和最優的燃油經濟性。
4）扭矩密度：鋼鏈的扭矩密度高，在同等扭矩情況下，重量和空間更小。
5）噪音：鋼帶的噪音表現更好。由於鋼帶的鋼片與鋼片之間的距離更小，也就是節距小，傳動過程中的多邊形效應小，因此更靜音。目前越來越多的技術在不斷提升鋼鏈的NVH表現，已接近鋼帶的NVH水平。消費者在駕駛時，完全無法分辨這到底是鋼帶式還是鋼鏈式CVT。
6）夾緊油壓：同樣扭矩和整車應用情況下，在起步加速工況，鋼鏈的油壓需求比鋼鏈高。這是由於鋼帶的片組和錐面是面配合，而鋼鏈的傳動銷端面是一個弧面，理論上是一個點配合。根據大速比起步時的夾緊力策略，為防止打滑，鋼鏈需要相對較大的夾緊力。
圖9：鋼帶和鋼鏈的技術對比
回到圖6裡 CVT7和通用CVT250的傳動架構對比， CVT7增加了一個副變速機構實現高低擋位的原因是：鋼帶在起步/高速的傳動效率較低，為提高效率，增大了鋼帶工作時小端的曲率半徑，使鋼帶運行在高效率區間，為此犧牲掉的速比範圍，通過增加一個副變速機構找回來，在起步時副變速機構採用高擋位提高主減速比，增加動力性；在高速時採用低擋位，降低主減速比，提升經濟性。這是一個很好的思路，唯一的問題是結構和控制系統變複雜了，增加的離合器會帶來部分效率損失，成本增加。而通用鋼鏈式CVT，由於在起步/高速階段效率優勢明顯，速比範圍大，因此可以採用最精簡的傳動架構，進一步提升變速箱的傳動效率。
從應用角度，鋼帶式CVT體量更大。目前市場上CVT鋼鏈式和鋼帶式的比例約為1：4。這是由於鋼帶/鋼鏈不同的發展軌跡決定的，博世鋼帶的扭矩小，而LuK鋼鏈扭矩大。日系選用博世的鋼帶，應用CVT在主流A級車上，銷量遠比奧迪大（搭載鋼鏈式CVT）。同時無論是鋼帶還是鋼鏈，都是最核心產品，需要在變速箱開發的最早期階段來確定方案，一經確定一般不再更改。隨著鋼鏈的扭矩範圍下探到250NM甚至180NM這一主流區間，鋼鏈式CVT的應用在逐年增加，代表產品有通用CVT250, JATCO CVT8高功版，以及現代鋼鏈CVT。到2025年，預計CVT鋼鏈式：鋼帶式將上升為1：2。
5、CVT的效率
如前文提到，發動機效率提升已到了一定瓶頸，越來越多廠家關注變速箱的效率提升。我們常說CVT車油耗低效率高，但圖2裡又顯示CVT和AT/DCT相比，效率較低。這似乎彼此矛盾，在這裡我們重點澄清一下。我們常說的CVT效率高，是發動機匹配CVT後，發動機+變速箱這個動力總成的效率高。而CVT變速箱本身，由於鋼帶/鋼鏈傳動的結構特點，效率比DCT/AT低。
我們先探討CVT自身效率較低的原因。組成CVT效率損失有幾個部分：1.液力變扭器損失（起步機構） 2.鋼帶或鋼鏈傳動效率（變速機構）3.油泵效率4.主減齒輪效率5.離合器損失6.攪油/空轉等其他損失。圖10是AT/CVT/DCT的傳動效率對比。和AT/DCT相比， CVT在變速機構和油泵效率上有差距。具體表現為：1.鋼帶/鋼鏈的效率區間94-98%，且只短時間工作在最高效率下，而DCT平行軸式齒輪的效率最高，AT行星齒輪的效率次之。2.CVT變速箱鋼帶/鋼鏈傳動，需要高油壓夾緊，並時刻保證足夠的後備油壓，防止某些瞬態苛刻工況下的鋼帶/鋼鏈打滑，這就導致CVT的油泵損失比AT/DCT要大。另外，作為DCT起步機構的離合器，比AT/CVT的液力變扭器損失小。
圖10：AT/CVT/DCT傳動損失對比
既然CVT的效率不佔優勢，那麼CVT車低油耗高效率是怎麼實現的呢？這是因為CVT無級變速的特性，對應任何一個工況，都能在CVT速比範圍內，調配到最佳速比點，使發動機工作或更靠近此工況下的最佳效率區間。而AT/DCT都只有幾個固定速比，發動機受到固定速比限制，不能調配到最佳工作區間。圖11是匹配AT/CVT/DCT的發動機的工作區間對比圖，其中綠線是發動機最優功率線，理論上發動機沿著該線工作，效率最高。可以看出，匹配CVT能讓發動機長時間工作在最佳效率區間，且該轉速區間1000-3000rpm是客戶最常使用的區間（佔比>90%）。
圖11：匹配AT/CVT/DCT的發動機工作區間對比
圖12是通用CVT的實際控制工況點，這和圖11中的CVT工作區間完全匹配。紅色線為實際最優油耗轉速，這和理論最優功率線稍有區別，這是因為在靠近怠速區域（700-1000rpm），實際需求的發動機扭矩較低，本身就不貼合理論最優功率線，同時考慮到舒適性，低扭工況發動機提升了轉速，對這條理論線做了適當的工程修正。
圖12：通用CVT實際工況控制點
講到這裡大家可能會有一個疑問，對發動機+CVT和發動機+DCT這2個配置，前者CVT效率低而發動機效率高，後者DCT效率高而發動機效率低，那麼這2個動力總成，到底哪個燃油經濟性更有優勢？要回答該問題，得先看整車的效率損失分佈。據《汽車理論》一書關於影響汽車燃油經濟性的因素，在城市工況下，發動機的能量損耗（包括熱損耗/怠速/附件損耗）約為81%，傳動系損耗為5.6%；而郊區工況下發動機約為74%，傳動係為5.4%。可以估算出在城市工況，發動機效率提升1%，變速箱效率要提升4%才得到相同的節油效果。在郊區工況，發動機1%對應變速箱3%。顯然，發動機對油耗提升起絕對主導作用。回到之前的問題，假定CVT能提升發動機效率3%（各發動機特性不一樣），且DCT比CVT的平均效率高約10%，那麼DCT配置有優勢；如果發動機效率提升大於3%，或DCT效率比CVT平均效率低約10%，則CVT配置有優勢。基於產品不同，這2種情況在不同車上都存在。
通過上述分析，CVT在提升發動機效率的同時，進一步提升自身效率是當前的主要趨勢。圖13簡要列舉了通用CVT提升效率的技術方案。其中針對鏈條無級變速，上文從鋼帶VS鋼鏈的角度已做詳細講解。高效減振TC，智能油泵和變速箱油自動加熱，其他日系主流CVT上也有配置，區別是實現該功能的具體結構各有不同，本文不作詳細介紹。
圖13：通用CVT提升效率的技術
這裡特別講一個精細技術--自動油位控制。變速箱內約有8.4L油，主腔裡的主減齒輪部分浸在油內，工作時會導致攪油損失。如圖14所示，自動油位控制閥安裝在副腔內，在低溫時打開，主腔高油位。此時油粘度高，齒輪/軸承工作阻力和鋼鏈摩擦損失都較高，遠大於攪油損失。攪油損失的益處更多，其熱量能幫助油溫儘快上升。當油溫上升到工作溫度時，就要儘量降低攪油損失。此時自動油位控制閥關閉，副腔油位升高，多存儲了一部分油，從而降低主腔油位高度，降低攪油損失。
圖14：自動油位控制
視頻2：自動油位控制
通過一系列的效率提升技術，通用CVT的臺架實測最高效率達92%，主要工況下效率約為82-85%。
6、CVT變速箱的控制
CVT變速箱的控制（包括軟件和標定）是實現舒適性，動力性和耐久性的核心。我們都知道CVT舒適性好，換擋平順無頓挫。這是鋼帶或鋼鏈能連續改變工作半徑來實現的。通過油壓控制，CVT能切到速比範圍內的任意速比。這是CVT和AT/DCT傳動結構相比的最大特點和優點，CVT無級變速箱的名字正是由此而來。
但是無級變速並不總是優點，在需要動力的大油門工況下，如果還是無級變速，會導致加速相應慢，動力性不好。怎樣解決這個問題呢？通過改進CVT的控制策略，在大油門下通過油壓控制，迅速將速比切到某些特定的速比點上，從而模擬有級換擋，提高動力性。並且CVT能自動調節這些特定的有級速比點，在不同工況下，都實現最佳的動力性，滿足客戶的駕駛需求。所以這個模擬有級換擋，不像AT/DCT是固定的速比，而是彈性有級速比。
圖15：CVT的無級/有級速比控制
CVT無級變速的特點，需要油壓夾緊鋼帶/鋼鏈來傳遞。硬件的關鍵是這個無級變速系統，而控制的關鍵是怎樣確保動力平穩傳遞和速比變換，防止在任何工況下鋼帶/鋼鏈打滑。對CVT而言，全油門加速，輪胎打滑，急剎車，坑窪路面，超低溫等工況，從打滑控制的角度都是苛刻工況。通用CVT專門針對17個苛刻工況，建立苛刻工況的控制程序。根據圖5示意圖，變速箱內部有7個傳感器時刻監控變速箱的狀態，同時還和整車通訊，收集到整車工況。一旦識別整車進入了苛刻工況，就會立即激發苛刻工況控制程序，通過增大夾緊油壓，加快油壓響應，控制離合器有序打滑等措施，來控制鋼鏈避免打滑，實現動力平穩傳遞。圖16顯示在低附著路面上，突然全油門加速，此時油壓迅速響應，在監測到車輪打滑的同時，油壓瞬間提升，夾緊鋼鏈，從而防止了鋼鏈打滑（圖示Pulley打滑量為0）。接下來從低附著路面進入高附著路面後，車輛受到衝擊，車速很快降低，此時油壓同樣瞬間提升，穩定控制鋼鏈，實現動力平穩傳遞。
圖16：CVT苛刻工況下防止打滑的控制策略
7、CVT的使用/保養/維修
CVT相比AT/DCT車型，是否有需要關注的工況或注意事項呢？在超低溫工況下如零下20度，需要充分熱車，否則不建議做激烈駕駛（大油門，急加速急減速），因為此時油的粘度高，不能快速響應激烈工況下的大油壓需求，易造成鋼帶/鋼鏈磨損。另外避免頻繁全油門起步和急剎車，儘管在這些工況下的油壓控制能確保動力的穩定傳遞和速比切換，但此時系統夾緊力大，降低了CVT效率，增加了油耗。在坡道停車時，確保要掛P擋，防止溜車；避免空擋滑行；不能前輪著地拖車，這些工況都可能對CVT造成損傷。
在做車輛保養時，一個常見場景技師倒出小杯變速箱油，看到油黑了，向車主建議換油，不然會損害變速箱。這時候車主往往會很糾結到底要不要換油。CVT變速箱油是高壓低粘度合成油，售後保養手冊上通常要求在一定里程換油。以通用CVT為例，售後手冊上80000公里要求換一次油。從工程開發角度，在模擬苛刻工況整車壽命24W公里的變速箱臺架或整車耐久試驗裡，整個試驗過程中不換變速箱油，意味著變速箱油自身的物理化學穩定性已充分得到驗證。實際上試驗過程中，由於摩擦片微粒，齒輪磨合以及正常磨損，變速箱油就會從新油的淺綠色或紅褐色，變成黑色，但功能依然OK能繼續跑到試驗結束，所以變速箱油變黑不作為換油的依據。
在客戶日常溫和的使用工況下，如果沒有其他異常，終身不需要更換變速箱油。如果常感受到衝擊/抖動，動力相應慢，噪音增大，曾深度涉水等情況，建議檢查變速箱油，如目視能看到大雜質，有泡沫，或者有嚴重焦味，建議換油或者開箱檢查零件。很多客戶換油的目的是做一個預防性保護，特別對經常大油門，或頻繁加減速的客戶，內部零件磨損量加大，換油確實能降低電磁閥卡滯/零件磨損的風險，建議按照手冊8-10W公里後更換變速箱油。
針對故障問題，一般變速箱故障分為有報碼和沒有報碼兩類。由於變速箱處於整車前艙左前方，其佈置決定要開箱檢查往往很困難，要先拆整車一大堆零件，才能把變速箱拆下來，就算只換一個小零件，其工時費用也非常高。因此對於車輛儀表盤上出現報碼的情況，先找4S店讀碼，對於不影響駕駛/感受的報碼，4S店往往會做清碼處理。客戶繼續用車看後續是否報碼復現。對於影響駕駛的碼，如加速無力，頓挫等，4S店往往能通過碼的含義，針對性地知道是什麼問題，從而給出維修策略，比如刷新軟件，更換某些零件甚至整機更換。由於變速箱控制模塊（TCM）往往是外置式，在更換變速箱後，需要對TCM刷電磁閥特性曲線（PI curve）並進行自學習。就算2臺車是完全同型號，同生產時間，我們也不能簡單互換TCM，因為在互換後需要重刷PI curve。如果同型號不同生產時間，可能要刷新標定甚至軟件版本。所以涉及到變速箱維修特別是控制系統維修，是一個非常專業的事情，建議去4S店做維修。
8、總 結
最後，我們來回顧一下本文內容。我們分析了變速箱為何越來越重要；橫向對比了各主流自動變速箱的結構和優缺點，從整車油耗和客戶感受角度指出CVT會進一步拓寬應用。以通用CVT為例，講解了CVT結構，基於動力流/控制流闡述了CVT的變速原理；然後從結構/性能/應用3個維度詳細對比了CVT鋼帶和鋼鏈各自的優勢；接著深度分析了CVT自身效率和以及如何和發動機匹配實現動力總成的高效率；進而探討了CVT兼顧舒適性和動力性的控制策略；最後普及了CVT車型在駕駛/保養/維修上的注意事項和相關知識。通過這篇系統性的文章，希望幫助大家更好的瞭解CVT，更深的瞭解車，更多的通過汽車探索世界。
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