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KRG锥环无级变速器


KRG 锥环无级变速器

2011 年 07 月 26 日 16:37

来源:Che168

类型:原创

编辑:范鑫

KRG 锥环式无级变速箱,对于大多数人而言可能是个陌生的名词。不过,这种变速箱可能会成为未来国内小排量车 型上的主流变速箱,低成本、高效率、简单的结构和在功能和平顺性上的多重优势值得我们关注,在其正式量产之前, 让我们一同来认识一下这台结构新颖的变速箱。

GIF 吉孚推出的创新锥环式无级变速箱(KRG)

◆无级变速的基础,滚锥+锥环代替钢带和棘轮 无级变速的基础,滚锥+ 无级变速的基础 --悠久历史和创新: 年的结构+ --悠久历史和创新:源于 1902 年的结构+创新控制机构 悠久历史和创新

KRG 变速箱展示模型 我们都知道,传统的 CVT 无级变速箱的核心变速机构是由可变槽宽的主、从动棘轮和钢带组成的,通过主、从动棘 轮 V 型槽槽宽的改变来改变钢带的在两个棘轮上转动的周长,进而实现速比的连续变化。

传统的 CVT 变速箱是通过 V 型槽宽度可变的主、从动棘轮和钢带来连续调节速比的 而 KRG 锥环式无级变速箱实现无级变速的主要执行机构则是输入滚锥、输出滚锥和他们之间传递动力的锥环,锥环 的平面在两个滚锥上得到的截面圆的周长决定了输入轴和输出轴的速比(当然还有锥环本身的尺寸引起的差异),所以 锥环在滚锥上的位置直接决定变速箱的速比,由于锥环可以在滚锥上的左右止点之间任意移动,所以能够提供在一定范 围内连续可变的速比。

上面的输入滚锥、下面的输出滚锥加上在两者间传递动力的锥环, 构成了锥环变速器的主要机构

变速箱中的滚锥和锥环实体

锥环所在平面对于两个滚锥的截面圆的周长差异决定了输入输出的速比 只要输入滚锥转动, 动力便会通过输入滚锥传递到锥环, 进而带动输出滚锥做反向转动。 据介绍, 这套机构早在 1902 年时已经面世,GIF 则将它成功的运用到了汽车变速箱上,并已具备了量产水平。这套机构同样适合在混合动力车型和 电动车作为变速机构。 KRG 变速箱整体的结构并不复杂,目前的 KRG 变速箱主要是针对横置发动机设计,动力从发动机出来之后直接连接 离合器(KRG 可以配置液力变矩器和干式离合器),输入轴与行星齿轮相连,然后便是输入滚锥-锥环-输出滚锥,然后 动力就输出至差速器--半轴。

在离合器方面,KRG 使用的干式离合器像 AMT 变速箱一样,采用电子控制,即为人们提供了一只电子左脚。所不同 的是,其离合器控制机构不像大多数 AMT 变速箱那样使用电-液控制系统(由电子泵、液压执行机构等组成的控制系统) 来控制离合器的接合与分离,而是采用电机控制离合器,在结构上更加简单,响应速度也更快。当然,其同样可以采用 液力变矩器,GRC-吉孚动力技术(中国)的工程师们可以根据厂商的需求进行开发和匹配。

KRG 变速箱:离合器--行星齿轮组--输入滚锥--传动锥环--输出滚锥 --减速齿轮--差速器--半轴 1-输入滚锥 2-输出滚锥 3-传动锥环 4-胀紧机构 5-锥环定位(速比调节执行)机构 5a-控制架

◆速比的变化调节 速比的变化调节 --速比的变化调节仅需一个低功率的伺服电机 --速比的变化调节仅需一个低功率的伺服电机 速比的变化调节仅需一个低功率 我们都知道,传统的 CVT 变速箱需要有一套液压泵机构来推动棘轮,改变其槽宽,进而使速比发生变化。液压控制 机构和执行机构的加入让 CVT 变速箱的结构变得复杂,也直接导致了较高的变速箱成本。在 KRG 变速箱上,GIF 吉孚的 工程师们利用锥环本身的机械特性,仅用了一个很简单的模块就实现了速比的转换。

KRG 变速箱变速机构的简化模型 我们从俯视图上比较容易理解 KRG 速比调节机构的原理,由于锥体的特殊形状,当传递动力的锥环平面与滚锥中心 线呈垂直状态时,锥环能够保持当前位置不变,即变速箱能够以恒定的速比输出动力;而当锥环平面的与中心线的角度 发生变化时,锥环便会随着锥体的转动在锥体上相应的向左或向右移动,这种移动完全是由于“圆锥”的形状特性所导 致的,属于完全自发性的运动,而不需要外力推动锥环在滚锥上左右移动。而且,锥环平面与滚锥中心线的夹角越小, 其左右移动的速度也就越快。所以,工程师们只需要设计一个可以调节锥环角度的机构,辅以对应的电子控制程序,就 能够轻松的实现速比的调节,并且还能控制速比变化的速度。

当传递动力的锥环平面与滚锥中心线呈垂直状态时,锥环能够保持当前位置不变

只需让锥环平面与滚锥中心线呈一定角度 锥环便会顺着滚锥的旋转相应的向左或向右移动 工程师们为锥环设计了一个控制架,控制架下端有一个带有滑轨的限位器(速比调节执行机构),用来控制传动锥 环的角度。这个控制架由伺服电机直接驱动,可以在箱体内做一定角度的转动。当变速箱需要固定速比输出时,这个控 制架只需要保持锥环与滚锥轴线保持平行状态即可,当变速箱需要改变速比时,伺服电机驱动控制架,相应改变锥环角 度,锥环便会随着滚锥的运动自行移动,到达需要的速比时,控制架将锥环转回垂直角度状态即可。这样的速比调节过 程仅仅需要克服锥环和控制架本身的惯量,仅需低功率的电机即可实现。伺服电机设计在变速箱壳体外部,便于维护。 KRG 节省了传统 CVT 复杂且成本较高的液力控制机构,在组装难度、制造成本、控制部件重量和养护便利性方面均超越 传统 CVT 变速箱,并且其响应速度也要比液力控制机构具有优势。

整体可旋转的控制架,限位器可沿着滑轨自由滑动

对锥环的角度控制就像我们转动自行车把一样,非常轻松,仅需要低功率的伺服电机

变速箱实体模型当中的控制架和锥环,还可以看到控制架的滑轨和限位器

这里面就是控制架的伺服电机 ◆传动效率保障:胀紧机构、变速箱润滑 传动效率保障:胀紧机构、变速箱润滑 传动效率保障 --机械式自胀紧机构, --机械式自胀紧机构,摩擦传动部分使用特殊润滑油 机械式自胀紧机构 锥环式的动力传输结构与 CVT 一样,都不是使用传统的齿轮或链条等连接方式传递动力,而是依靠接触摩擦来传递 动力,所以需要胀紧机构为接触部分提供压力,以避免接触摩擦部位打滑而造成的动力流失。 工程师们在输出滚锥的轴承上设计了一套自胀紧结构,当锥环带动输出滚锥转动时,与轮端相连的输出轴端的阻力 使胀紧机构发生扭转,这种扭转力使胀紧机构内的滚珠沿着斜槽运动,将胀紧机构推开,迫使输出滚锥向右侧移动,这 样一来其与输入滚锥的间隙变小,锥环所承受的压力增加,提升锥环和滚锥之间的摩擦力,保证动力传输效率。据了解, 目前的 KRG 样机变速箱的传动效率可以接近 90%左右,可承受的发动机扭矩为 180 牛米左右,并且主要是针对横置引擎 前驱车开发。工程师表示可以承受 400 牛米扭矩的 KRG 变速箱目前也在研发当中。

胀紧机构能够减小两个滚锥之间的间隙,增加二者间锥环的接触压力,保证动力传递效率

输出滚锥的被动旋转和来自轮端的阻力使胀紧机构发生扭转, 滚珠沿着斜槽运动,将胀紧块推开 为了进一步保证摩擦界面的动力传导效率,工程师专门为变速箱的锥环变速机构设计了独立的密封腔室(下图绿色 部分),滚锥和变速箱的其它轴承、齿轮使用的都是普通变速箱油,而在该腔室内则使用的是特殊开发的润滑油--“牵 引油”,在腔室中,将输出滚锥浸在牵引油中采用飞溅润滑方式进行摩擦部位的润滑。相比普通的 CVT 变速箱油,这种 “牵引油”增加了 50%的摩擦以确保动力传输效率。

红色部分使用普通变速箱油,绿色部分则使用特别配方的润滑油--“牵引油” 在提供润滑的同时保证接触摩擦部件有效的动力传递。另外,绿色部分为飞溅润滑 用户可能关心的问题:变速箱是否为免维护设计?变速箱油(尤其“牵引油”)是否价格高昂? 用户可能关心的问题: 变速箱是否为免维护设计? 变速箱油( 尤其“牵引油” 是否价格高昂? 据 GRC 吉孚动力(中国)的总经理吴力先生介绍,他们使用的牵引油只是在配方上与传统变速箱油有所差别,但是 成本上并不高,甚至比有些自动变速箱油还要便宜。并且他们的 KRG 变速箱本身为免维护设计,也就是说在设计寿命内 是不需要更换新变速箱油的。所以未来国内的用户不需要担心在后期使用成本方面的问题。 ◆挡位控制机构与传统 CVT 相似 挡位控制机构与传统 --行星齿轮切换前进/倒退/ --行星齿轮切换前进/倒退/空挡 行星齿轮切换前进 KRG 锥环式无级变速箱的挡位切换机构与传统的 CVT 变速箱一样,是依靠行星齿轮机构来完成。发动机的动力经离 合器传入变速箱的输入轴,输入轴连接行星齿轮结构的太阳轮,后端的输入滚锥则与行星齿轮结构的齿圈相连。

行星齿轮的太阳轮连接变速箱输入轴,而行星齿轮之后的输入滚锥与行星齿轮的齿圈相连 不过,它并没像当前的大多数 CVT 变速箱那样依靠多片式离合器来对行星齿轮的齿圈、行星架进行分别控制,而是 采用了一套拨叉控制的花键套来控制行星齿轮架和齿圈。在“D”挡下,拨叉移动花键套,将行星齿轮架和外齿圈锁死, 整个行星齿轮组成为一个整体,输入轴与输入滚锥同步旋转;在“R”挡下,花键套在拨叉的作用下仅锁止行星齿轮架, 在行星齿轮的作用下,太阳轮驱动齿圈反向旋转,输入滚锥与变速箱输入轴便反向旋转,实现倒档的功能;而在“N” 挡下,花键完全释放齿圈和行星架,太阳轮只能带动行星齿轮架空转,无法将动力传递到齿圈上。 ◆KRG 变速箱体验:整体感受与 CVT 相当 KRG 变速箱体验 体验: 笔者短暂的体验了从欧洲运来的 KRG 变速箱验证车,这是一辆第五代的福特嘉年华车型,GIF 的工程师们更换了车 辆的变速箱,变速箱的 TCU 被安置在副驾驶位置之下。但是驾驶者的操作端并没有变化,坐进车内,排挡杆依旧是熟悉 的手自一体变速箱样式,验证车辆的 KRG 变速箱提供了模拟 7 速的手动换挡功能,在中控台上还增加了显示变速箱工况 的液晶显示屏幕。据工程师介绍,KRG 变速箱的重量介于 AMT(在手动变速箱基础上增加电控机构和 TCU 的机械式自动变 速箱)和 AT(使用液力变矩器和行星齿轮组的传统自动变速箱)之间,在车辆的整备质量上较 AT 车型有优势。

此次体验的 KRG 变速箱的技术验证车辆是一款第五代的福特嘉年华车型

据工程师介绍,KRG 变速箱的重量在 AMT 和 AT 之间

变速箱控制端面板依旧是原车样式,变速箱的操作方式并没有特别之处

中控台安置了额外的显示屏,显示当前速比、工作模式、挡位、牵引油 和变速箱油温度等信息

副驾座位下方是 KRG 变速箱的 TCU-变速箱控制模块

启动车辆,松开制动踏板,装备了干式离合器的 KRG 变速箱自动将离合器切换至半联动状态,实现了起步和倒车时 的“蠕行”功能,这样的功能在国内的一些 AMT 车型上也已经实现,相比使用液力变矩器的 CVT 或 AT 车型,这种半联 动的感觉还是有些生涩,前面已经提到,KRG 变速箱可以根据厂商的要求匹配液力变矩器,但是这样一来在经济性方面 就会损失一些优势。 轻油门踏板起步, 你会看到车速不断提升, 而发动机转速始终维持在稳定的转速上--就像我们熟悉的 CVT 车型一样。 整个行车过程平顺而舒适,这是 AMT 变速箱甚至是一些齿比较疏的 AT 变速箱(这其中不乏 5 速或 6 速的 AT)所不能比 拟的。手动模式下加减挡的响应速度也与 CVT 变速箱相当,超越了一般的自动变速箱。深踩油门踏板急加速,发动机转 速的攀升要比 CVT 变速箱更加迅速,并且不会有自动变速箱降挡的顿挫感,快速提升速比拉升转速后,变速箱会使发动 机稳定在较高的转速上(试驾车辆在急加速时,发动机转速稳定在近 6000rpm 左右)。既能够快速调节速比满足动力输 出的需要,又避免突兀、不损失舒适性,这对于家轿用户甚至是商务车型用户都将会是不错的选择。 而在车辆静止状态下全油门起步时,变速箱会先控制速比,让发动机短暂的在较低转速上稍作停留,避免大速比下 发动机高转速输出的扭矩造成变速箱打滑,待车辆从静止进入行驶状态后,变速箱才会释放发动机的动力,拉升速比让 发动机的转速全面攀升。在整体的感觉上,除了由于电控干式离合器在起步和低速行驶时与使用液力变矩器的 CVT 体现 出的差异外,KRG 变速箱在行驶过程中的感受与 CVT 相当。 ◆小结:性能和成本优势兼得,可靠性仍待观察 小结:性能和成本优势兼得, 小结 吉孚动力技术(中国)在国内推出的 KRG 变速箱技术目前刚刚引进国内,他们的合作模式是为厂商开发产品并提供 技术,而生产则由厂商自己来做。目前国内还没有明确的合作厂商,也就是说短期内我们在国内的车型上还没有办法见 到搭载这一变速箱的车型。

KRG 变速箱的研发距今已有近 20 年的历程,如今推出的技术已经是非常成熟的第四代产品 从该变速箱的定位来看,它主要是为 1.6L 以下的小排量前驱车型设计的,经过 20 多年的发展,如今已经是第四代 产品,技术已经相对成熟。目前国内这个级别的产品使用的自动变速箱主要是四类 AT、AMT、CVT 和 DCT 双离合变速箱 (大众 1.4T 引擎匹配的 DSG 变速箱),从厂商角度而言,KRG 在装配难度、制造生产成本等方面优势明显,仅普通 CVT 变速箱一半的成本对于生产小型车的厂商而言可谓福音,但是 GRC 在开发、技术转让和专利使用方面需要的费用如何我 们还不得而知,而且产品的可靠性还需要时间的检验。但是单从生产上来看,KRG 对于厂商还是非常有诱惑力的。

而对于消费者而言,KRG 锥环式无级变速箱在经济性和平顺性方面的优势明显,而比 AMT 更低廉的成本意味着自动 挡车型将以更低的价格面世。目前大多数车辆手动和自动挡车型的差价均在万元左右,那么搭载 KRG 变速箱的车型有望 在价格上更加接近手动挡车型,据陪同试驾的工程师称,如果 KRG 变速箱实现量产,那么搭载该变速箱的车型有望比同 款的 CVT 车型价格低出 5 千元以上。

KRG 变速箱的成本仅相当于半台 CVT 变速箱 总的来说,这是一台优势非常明显的产品,目前的悬念就是其长期使用的可靠性以及 GRC 在技术转让和开发方面的 费用是否能够让国内的厂商接受,究竟哪个厂家会做第一个吃螃蟹的人?我们拭目以待。(文/范鑫)


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