Sådan fungerer CVT'er

  • Cameron Merritt
  • 0
  • 5039
  • 1149

-

Transmission Billedgalleri
Foto høflighed Nissan Global
Nissan HR15DE-motor med Xtronic CVT. Se flere transmissionbilleder.

Nogle siger, at du ikke kan lære en gammel hund nye tricks. Men den kontinuerlige variable transmission (CVT), som Leonardo da Vinci konceptualiserede for mere end 500 år siden og nu erstatter planetariske automatiske transmissioner i nogle biler, er en gammel hund, der helt sikkert har lært et par nye tricks. Lige siden den første toroidale CVT-patent blev indgivet i 1886, er teknologien blevet forbedret og forbedret. I dag designer flere bilproducenter, herunder General Motors, Audi, Honda og Nissan, deres drivspor omkring CVT'er.

I denne artikel undersøger vi, hvordan en CVT fungerer i en typisk baghjuldrevet bil, og besvarer flere spørgsmål på vejen:

  • Hvordan kan en CVT sammenlignes med en konventionel, planetarisk automatisk transmission?
  • Hvilke dele har den, og hvordan fungerer disse dele?
  • Hvilke fordele tilbyder CVT'er i forhold til konventionelle automatiske transmissioner? Hvad med ulemper?
  • Hvordan er køreoplevelsen i en bil med en CVT?
  • Hvilken type mærker og modeller indeholder CVT'er?
  • Er der andre applikationer til CVT'er bortset fra biler?

Først skal vi se på, hvordan en CVT sammenlignes med en traditionel automatisk transmission.

-
Ikke flere gear
En tidslinje for CVT-innovation
  • 1490 - da Vinci tegner en trinløs kontinuerlig variabel transmission
  • 1886 - første toroidale CVT-patent indgivet
  • 1935 - Adiel Dodge modtager amerikansk patent på toroidal CVT
  • 1939 - fuldautomatisk transmission baseret på planetarisk gearsystem introduceret
  • 1958 - Daf (fra Nederlandene) fremstiller en CVT i en bil
  • 1989 - Subaru Justy GL er den første amerikanske solgte produktionsbil, der tilbyder en CVT
  • 2002 - Saturn Vue med en CVT-debut; første Saturn til at tilbyde CVT-teknologi
  • 2004 - Ford begynder at tilbyde en CVT

-Hvis du har læst om strukturen og funktionen til automatiske transmissioner i Sådan fungerer automatiske transmissioner, ved du, at transmissionens opgave er at ændre hastighedsforholdet mellem motoren og hjulene på en bil. Med andre ord, uden transmission, ville biler kun have et gear - det gear, der giver bilen mulighed for at køre med den ønskede tophastighed. Forestil dig et øjeblik at køre en bil, der kun havde første gear eller en bil, der kun havde tredje gear. Den tidligere bil ville accelerere godt fra et fuldstændigt stop og ville være i stand til at bestige en stejl bakke, men dens tophastighed ville være begrænset til kun et par miles i timen. Den sidstnævnte bil ville derimod flyve 80 km / h ned ad motorvejen, men den ville næsten ikke have nogen acceleration, når man starter, og ville ikke være i stand til at klatre op i bakkerne.

Så transmissionen bruger en række gear - fra lav til høj - for at gøre mere effektiv brug af motorens drejningsmoment, når kørselsforholdene ændres. Gearene kan indkobles manuelt eller automatisk.


Foto med tilladelse fra DaimlerChrysler
Mercedes-Benz CLK automatisk gearkasse.


I en traditionel automatgear er tandhjulene bogstaveligt talt tandhjul - sammenlåste, tandede hjul, der hjælper med at transmittere og ændre roterende bevægelse og drejningsmoment. En kombination af planetgear skaber alle de forskellige gearforhold, som transmissionen kan producere, typisk fire fremadgående gear og et bagudgående gear. Når denne type transmission cykler gennem tandhjulene, kan føreren mærke stød, når hvert gear er aktiveret.

CVT-grundlæggende
I modsætning til traditionelle automatiske transmissioner, har kontinuerlige variable transmissioner ikke en gearkasse med et bestemt antal gear, hvilket betyder, at de ikke har sammenlåste tandhjul. Den mest almindelige type CVT fungerer på et genialt remskive der tillader en uendelig variation mellem højeste og laveste gear uden diskrete trin eller skift.


Foto med tilladelse fra Ford Motor Company
Ford Freestyle Duratec-motor med CVT


Hvis du undrer dig over, hvorfor ordet "gear" stadig vises i forklaringen på en CVT, skal du huske, at et redskab stort set refererer til en forhold af motorakselhastighed til drivakselhastighed. Selvom CVT'er ændrer dette forhold uden at bruge et sæt planetariske gear, beskrives de stadig som at have lave og høje "gear" af hensyn til konventionen.

Dernæst skal vi se på de forskellige typer CVT'er: remskive-baseret, toroidformet og hydrostatisk.


Foto høflighed Nissan Global
Remskive-baseret CVT
Kig ind i en planetarisk automatgear, og du vil se en kompleks verden af ​​gear, bremser, koblinger og styringsenheder. Til sammenligning er en kontinuerlig variabel transmission en undersøgelse i enkelhed. De fleste CVT'er har kun tre grundlæggende komponenter:
  • Et kraftigt metal- eller gummibælte
  • En "drivende" remskive med variabelt input
  • En output "drevet" remskive
CVT'er har også forskellige mikroprocessorer og sensorer, men de tre komponenter beskrevet ovenfor er nøgleelementerne, der gør det muligt for teknologien at fungere.


Remskiverne med variabel diameter er hjertet i en CVT. Hver remskive er lavet af to 20-graders kegler, der vender mod hinanden. Et bælte kører i rillen mellem de to kegler. Kileremme foretrækkes, hvis bæltet er fremstillet af gummi. Kileremme får deres navn fra det faktum, at bælterne har et V-formet tværsnit, hvilket øger båndets friktionsgreb.

Når remskivens to kegler er langt fra hinanden (når diameteren øges), kører bæltet lavere i rillen, og radius for båndsløjfen, der går rundt om remskiven, bliver mindre. Når keglerne er tæt på hinanden (når diameteren mindskes), kører bæltet højere i rillen, og båndsløjfens radius, der går rundt om remskiven, bliver større. CVT'er kan bruge hydraulisk tryk, centrifugalkraft eller fjederspænding for at skabe den nødvendige kraft til at justere remskivehalvdelene.

Remskiver med variabel diameter skal altid være parvis. En af remskiverne, kendt som drivhjul (eller drivremskive), er tilsluttet motorens krumtapaksel. Den drivende remskive kaldes også indgangsskive fordi det er her energien fra motoren kommer ind i transmissionen. Den anden remskive kaldes drevet remskive fordi den første remskive drejer den. Som en udgangsskive, den drevne remskive overfører energi til drivakslen.


Afstanden mellem remskivens centrum, hvor remmen kommer i kontakt i rillen, kaldes stigningsradius. Når remskiverne er langt fra hinanden, kører bæltet lavere, og stigningsradiusen falder. Når remskiverne er tæt på hinanden, kører bæltet højere, og stigningsradiusen øges. Forholdet mellem stigningsradiusen på den drivende remskive og stigningsradiusen på den drevne remskive bestemmer gearet.

Når den ene remskive øger sin radius, reducerer den anden sin radius for at holde bæltet tæt. Når de to remskiver ændrer deres radier i forhold til hinanden, skaber de et uendeligt antal gearforhold - fra lav til høj og alt derimellem. For eksempel, når stigningsradiusen er lille på drivskiven og stor på den drevne remskive, falder drevet af omdrejningsskiven, hvilket resulterer i et lavere "gear". Når stigningsradiusen er stor på drivskiven og lille på den drevne remskive, øges rotationshastigheden for den drevne remskive, hvilket resulterer i et højere "gear". I teorien har en CVT således et uendeligt antal "gear", som det kan køre igennem når som helst, til enhver motor eller køretøjets hastighed.

CVT'ernes enkelhed og trinløse karakter gør dem til en ideel transmission til forskellige maskiner og enheder, ikke kun biler. CVT'er er blevet brugt i årevis i elværktøj og borepresser. De er også blevet brugt i en række køretøjer, herunder traktorer, snescootere og scootere. I alle disse applikationer har transmissionerne været afhængige af gummibælter med høj densitet, som kan glide og strække sig, og derved reducere deres effektivitet.

Introduktionen af ​​nye materialer gør CVT'er endnu mere pålidelige og effektive. Et af de vigtigste fremskridt har været design og udvikling af metalbælter til at forbinde skiverne. Disse fleksible bælter er sammensat af adskillige (typisk ni eller 12) tynde stålbånd, der holder sammen høje styrke, slipseformede metalstykker.


Metal bælte design

Metalbælter glider ikke og er meget holdbar, gør det muligt for CVT'er at håndtere mere motormoment. Det er de også roligere end gummibeltedrevne CVT'er.

En anden version af CVT - det toroidale CVT-system - erstatter bælter og remskiver med diske og kraftruller.


Foto høflighed Nissan Global
Nissan Extroid toroidal CVT

Selvom et sådant system forekommer drastisk anderledes, er alle komponenterne analoge med et bælte-og-remskivesystem og fører til de samme resultater - en kontinuerlig variabel transmission. Sådan fungerer det:

  • En disk sluttes til motoren. Dette svarer til drivskiven.
  • En anden disk forbindes til drivakslen. Dette svarer til den drevne remskive.
  • Ruller eller hjul, der er placeret mellem skiverne fungerer som bæltet og overfører strøm fra den ene skive til den anden.


Hjulene kan dreje langs to akser. De drejer rundt om den vandrette akse og vipper ind eller ud rundt om den lodrette akse, hvilket gør det muligt for hjulene at røre ved diskene i forskellige områder. Når hjulene er i kontakt med drivskiven nær midten, skal de kontakte den drevne skive nær kanten, hvilket resulterer i en reduktion i hastighed og en forøgelse af drejningsmomentet (dvs. lavt gear). Når hjulene berører drivskiven nær kanten, skal de kontakte den drevne skive nær midten, hvilket resulterer i en stigning i hastighed og et fald i drejningsmoment (dvs. overdrive gear). En simpel hældning af hjulene ændrer derefter trinvist gearforholdet og giver jævn, næsten øjeblikkelig ændring af forholdet.

Både remskive-og-kilerem-CVT og den toroidale CVT er eksempler på friktions-CVT'er, der fungerer ved at variere radius for kontaktpunktet mellem to roterende genstande. Der er en anden type CVT, kendt som en hydrostatisk CVT, der bruger pumpe med variabel forskydning for at variere væskestrømmen i hydrostatiske motorer. I denne type transmission betjener motorens rotationsbevægelse en hydrostatisk pumpe på køresiden. Pumpen omdanner rotationsbevægelse til væskestrøm. Derefter, med en hydrostatisk motor placeret på den drevne side, omdannes væskestrømmen tilbage til rotationsbevægelse.


Ofte kombineres en hydrostatisk transmission med en planetarisk gear og koblinger at skabe et hybridsystem kendt som en hydromekanisk transmission. Hydromekaniske transmissioner overfører strøm fra motoren til hjulene i tre forskellige tilstande. Ved lav hastighed overføres strømmen hydraulisk, og ved en høj hastighed transmitteres kraften mekanisk. Mellem disse ekstremer bruger transmissionen både hydrauliske og mekaniske midler til at overføre strøm. Hydromekaniske transmissioner er ideelle til tunge applikationer, hvorfor de er almindelige i landbrugstraktorer og terrænkøretøjer.

CVT-fordele

Kontinuerligt variable transmissioner bliver mere populære af god grund. De kan prale af flere fordele, der gør dem tiltalende både for chauffører og miljøforkæmpere. Tabellen herunder beskriver nogle af nøglefunktionerne og fordelene ved CVT'er.

Fordele ved CVT'er
Feature Fordel
Konstant, trinløs acceleration fra et komplet stop til krydsningshastighed Eliminerer "skiftchok" - sørger for en jævnere tur
Arbejder for at holde bilen i sit optimale effektområde uanset hvor hurtigt bilen kører Forbedret brændstofeffektivitet
Reagerer bedre på skiftende forhold, såsom ændringer i gashåndtaget og hastigheden Eliminerer gearjagt, når en bil bremser ned, især ved at gå op ad en bakke
Mindre strømtab i en CVT end en typisk automatisk transmission Bedre acceleration
Bedre kontrol af en benzinmotors hastighedsområde Bedre kontrol over emissioner
Kan inkorporere automatiserede versioner af mekaniske koblinger Udskift ineffektive fluidmomentomformere

I det næste afsnit skal vi se, hvordan det er at køre en CVT-baseret bil.

Biler med CVT'er har været almindelige i Europa i årevis. Men det tager et stykke tid, før teknologien får fodfæste i USA. Den første produktionsbil, der tilbyder en CVT i USA var Subaru Justy.


Foto høflighed Subaru Frankrig
Subaru Justy

Justy blev solgt mellem 1989 og 1993 og aldrig tiltrukket af amerikanske chauffører opmærksomhed. Så hvad er anderledes med nyere CVT-baserede biler - biler som Saturn Vue, Audi A4 og A6, Nissan Murano og Honda Insight? Den bedste måde at besvare dette spørgsmål er at tage en af ​​disse biler til et "prøvekørsel." Animationen nedenfor, der sammenligner accelerationen af ​​en bil med en CVT med en uden, giver dig en god fornemmelse af oplevelsen.


Når du træder på gaspedalen i en bil med en kontinuerlig variabel transmission, opdager du øjeblikkelig forskellen. Motoren trækker op mod de rpms, hvor den producerer mest kraft, og derefter forbliver den der. Men bilen reagerer ikke med det samme. Derefter, et øjeblik senere, kører transmissionen ind og accelererer bilen langsomt, støt og uden skift. I teorien skal en bil med en CVT nå 60 km / h (100 km / t) 25 procent hurtigere end den samme bil med den samme motor og en manuel gearkasse [ref]. Det skyldes, at CVT konverterer hvert punkt på motorens driftskurve til et tilsvarende punkt på sin egen driftskurve.

Hvis du ser på effektudgangskurven for bilen uden en CVT, kan du se, at dette er sandt. Bemærk, at turtælleren i denne situation viser motoren, der drejer op og ned med hver gearskift, der registreres som en spids i kraftudgangskurven (og som føreren føler som en støt).

CVT'er er lige så effektive på bakker. Der er ingen "gearjagt", fordi CVT cykler trinløst ned til et gearforhold, der er passende til kørselsforholdene. En konventionel automatgear skifter frem og tilbage og prøver at finde det rigtige gear, hvilket er langt mindre effektivt.

Med alle deres fordele har CVT'er nogle mangler. I USA forsøger de stadig at overvinde et billedproblem. Subaru Justy, for eksempel, var kendt som en tarmfri mikro-bil. Traditionelt var bånddrevne CVT'er begrænset i mængden af ​​drejningsmoment, de kunne håndtere, og var større og tungere end deres automatiske og manuelle modstykker. Teknologiske fremskridt har sat CVT'er inden for deres konkurrence - Nissan Muranos CVT kan håndtere sin 3,5-liters 245 hestekræfter V6-motor - men første indtryk er svære at overvinde.

For mere information om kontinuerligt variable transmissioner og relaterede emner, se linkene på næste side.

Relaterede artikler

  • Sådan fungerer automatiske transmissioner
  • Sådan fungerer gear
  • Sådan fungerer gearforhold
  • Sådan fungerer manuelle transmissioner
  • Hvordan drejningsmomentomformere fungerer

Flere gode links

  • InsightCentral.net: CVT transmission
  • Automotive Engineering International Online: Audi tager CVT fra det 15. århundrede til det 21. århundrede
  • Edmunds.com: CVT går ind i mainstream
  • MSN Autos: Engineering New Transmissions
  • Nissan USA: Xtronic CVT

Kilder

  • Birch, Stuart. 2000. Audi tager CVT fra det 15. århundrede til det 21. århundrede. Automotive Engineering International Online. januar.
  • Carney, Dan. 2002. Små SUV'er vender ud. Populær videnskab. 18. februar.
  • Cars.com ordliste. Kontinuerligt variabel transmission (CVT).
  • CVT: Kontinuerligt variabel transmission.
  • Encyclopedia Britannica 2005, s.v. "automatgear." CD-ROM, 2005.
  • Gizmology.net. Bemærkninger om kontinuerligt varierende transmissioner.
  • Job, Ann. Konstruktion af nye transmissioner. MSN Autos. Åbnede 20. marts 2005.
  • InsightCentral.net. CVT transmission.
  • Kluger, Michael A. 2000. Gearing to CVTs. Teknologi i dag. Sommerudgave.
  • Lienert, Dan. 2003. Cool. Hvor kan jeg få en? Populær videnskab. 16. januar.
  • Lienert, Dan. 2003. At sætte strøm til fortovet. Populær videnskab. 13. august.
  • Memmer, Scott. CVT kommer ind i mainstream. Edmunds.com. Åbnede 20. marts 2005.
  • Nissan USA. Xtronic CVT.



Endnu ingen kommentarer

De mest interessante artikler om hemmeligheder og opdagelser. Masser af nyttige oplysninger om alt
Artikler om videnskab, rum, teknologi, sundhed, miljø, kultur og historie. Forklare tusinder af emner, så du ved, hvordan alt fungerer