滚轮—平盘无级变速器的工作原理（简洁易懂）

工作原理：

主动轴和从动轴齿轮相连 ，它们的线速度相等 。

当主动轮角速度不变时
，从动轮移动后，主动轮半径减小或增大 ，导致从动轮线速度减小或增大
。

CVT(CONSTANT VARIABLE TRANSMISSION)技术即无级变速技术
，它采用传动带和工作直径可变的主、从动轮相配合来传递动力，可以实现传动比的连续改变 ，从而得到传动系与发动机工况的最佳匹配。常见的无级变速器有液力机械式无级变速器和金属带式无级变速器（VDT-CVT）
，目前国内市场上采用CVT的车型已经越来越多 。

作者：读车百变

1 、导言

众所周知传统车辆动力总成有2大核心部件：发动机和变速箱
。从历史发展来看，发动机作为动力输出源 ，代表技术的高度，长期占据舞台C位
，无论是厂家对发动机的研发投入，还是消费者对发动机的关注都非常高。相比而言 ，变速箱一直处于配角地位 。但近年变速箱特别是自动变速箱的份量越来越重
，渐有和发动机组成舞台双C之势
。

为什么会有这个变化？我们把发动机/变速箱放到整车环境里，发动机是动力源 ，变速箱把动力传输到轮端的同时
，根据需求实现换挡。发动机是整车最关键零件，动力和油耗主要由它决定 ，是工程开发的重点
，经过多年发展，目前主流发动机的热效率为36-40% ，如果要提升发动机效率（下一个5年目标44%）
，技术难度和投入都非常高，这和我们熟知的80-20法则类似 。为了进一步提升效率 ，变速箱是一个主要技术方向。另外一个重要因素是，目前客户越来越注重驾驶感受
，如动力响应，换挡平顺性 ，这些主要由变速箱决定
。对于普通消费者
，主观感受决定产品口碑的第一要素。因此，为提高效率 ，提升客户驾驶感受
，厂家对变速箱的开发持续加大 。

2
、AT/CVT/DCT的区别

传统变速箱分为手动变速箱和自动变速箱，其中自动变速箱又分为传统Step?AT（后面简称AT） ，CVT
，DCT和AMT
。基于市场的主流需求和后续技术发展，接下来只对自动变速箱里的AT ，CVT和DCT进行分析。

AT/CVT/DCT这3款自动变速箱的变速机构区别非常大
，如下图1，AT以行星齿轮机构作为变速机构 ，CVT是钢带/钢链无级变速机构，而DCT是基于手动变速箱的平行轴齿轮结构 。

这3种变速机构各有特点
，同一类型变速箱，不同厂家的产品也相差较大
。图2基于主流产品对这3类变速箱的特点进行对比 ，供参考。

从技术发展角度
，AT主要是增多挡位，提升舒适性和效率 。从4AT,?6AT发展到8AT,9AT和?10AT
。CVT主要是加快动力响应性 ，提升扭矩能力和自身效率。采用无级+有级换挡兼顾驾驶舒适性和动力性
，钢链式CVT增加了扭矩和效率 。而DCT是提高苛刻工况下的耐久能力，提升舒适性 ，如增加干式DCT在频繁换挡下的耐久能力
，改进换挡顿挫
。总体上大家都是发挥长处，补齐短板。

目前AT的市场保有量最高 。基于后续应用预测 ，CVT的应用有一定增加
，主要原因有：1.?CVT有最好的匹配性，能使动力总成的总体效率较大提升?2.消费者越来越注重驾驶感受 ，CVT能很好满足客户需求?3.?钢链式CVT拓宽了CVT的扭矩范围，使CVT覆盖了A/B级车这个最大的销量区间

3、CVT变速箱结构和换挡原理

接下来本文重点讲解CVT变速箱。图3说明了CVT变速箱的各主要结构
，以及对应的功能，所有这些功能都是将发动机的动力 ，通过恰当管理
，再输出到轮端
。

图4是以通用钢链式CVT为例的主要结构图，其中最独特的结构是无级变速系统 ，这是CVT和AT/DCT相比最大的特点
，也是钢链式和钢带式CVT之间最大的区别。

下面视频介绍了钢链式CVT的变速过程和链条结构 。这是一款由LuK提供的不等长随机静音链条，由1440子零件组成 ，在圆周方向由90组传动销通过长/短两个节距自由串联
，在宽度方向30层4种链片随机排列，同时链销采用纯滚动设计 ，实现效率/扭矩能力/噪音/耐久的最佳平衡
。

CVT变速箱内的各个复杂结构
，是怎么有机配合实现自动换挡的呢？我将结合图5里的动力流和控制流来讲解。

一．动力流：

如图5橙色的动力流显示，发动机动力通过液力变扭器 ，传递到前进挡/倒挡离合器总成，然后到锥轮无级变速系统
，再通过主减/差速器总成，最终输出到轮端 。

二．控制流：

1）以前进挡（D挡）为例 ，驾驶者拨动换挡杆到D挡
，把变速箱液压阀体总成内的手阀，拉到D挡位置 ，机械地接通D挡油路
，这是一个机械信号；同时挡位位置传感器发出一个电控信号给变速箱控制器（TCM），告诉整车换到了D挡
。

2）TCM根据内部传感器信息（油压/油温/转速/挡位共7个信息） ，和通过CAN总线交互从发动机/整车控制器得到的外部信息（如油门开度
，车速，发动机/整车是否报故障码等信息） ，基于内置在TCM里的工作逻辑（控制软件）和标定参数(shift?map)
，确定对应的换挡操作，从而向变速箱的6个电磁阀发出电控指令。

3）收到电流信号的电磁阀 ，根据电磁阀的液压/电流特性(PI?curve)，将电流转换为控制油压
，控制油压输出到液压阀体总成推动各阀芯，打开/关闭/增大/减小各油路 。

4）机械油泵输出的高压油 ，通过不同油路输出到各执行零件
。如输出油压到液力变扭器离合器（TCC）
，控制动力输入模式是液力输入还是机械直连输入；输出油压到前进挡离合器腔体，使离合器片组结合 ，实现前进功能。以及输出到无级变速系统里的主动和从动油腔
，推动活塞移动，改变钢链的工作半径 ，改变链条速比
，实现挡位变化 。此外，在启停工况下 ，发动机控制器直接输出指令给变速箱电子辅助油泵
，在启停工况下由电子油泵提供一定油压，起停后实现快速起步
。

通过动力流/控制流复杂多维的交互作用 ，确保在各复杂工况下，CVT能够传递动力和自动换挡
，完美实现驾驶者的意图。

4 、钢带式和钢链式CVT的对比

讲完CVT的结构和换挡原理，我们来看CVT的类型 。市场上量产的CVT变速箱分为钢带式和钢链式。在主流合资品牌车型里 ，分别以JATCO/丰田CVT变速箱
，和奥迪/通用CVT变速箱为代表
。这2个不同的流派，实现无级变速的核心零部件分别是博世的推力钢带和LuK的拉力钢链。

但无论是钢带还是钢链无级变速 ，变速原理并无区别
，都是通过油压推动锥轮的活塞缸，改变钢带或钢链的工作半径 ，实现速比连续变化 。从整个传动架构上
，也没有本质区别
。图6为一款典型的钢带式CVT（Jataco?CVT7）和一款典型钢链式CVT(通用CVT250)的架构对比。可以看出CVT7的输出端有一个副变速机构，分为高/低挡位；而通用CVT250的传动传动结构非常精简 。为什么会这个差异 ，我们通过钢带和钢链的区别来讲解
。

从结构角度
，钢带和钢链完全不一样，如图6和图7。钢带是由金属片和金属环相互叠加而成 ，通过金属片的依次推动，实现动力传递 。

如图8所示
，钢链是由链片，传动销和限位销组成
。动力通过由链片串联的的传动链销的拉力作用 ，实现动力传递。

从结构角度
，钢带和钢链各有特点 。从技术指标的角度，钢链的优势相对较明显
。

1）效率：钢链传动效率更高 ，在高速/起步阶段高1.5%-3.5%。这是由于钢链在小工作半径时
，内应力相比钢带弯曲应力小，功率损失较小 。传动销彼此配合的侧面 ，以及传动销和锥轮接触的端面
，都是圆弧结构，分别实现纯滚动传动和点接触摩擦 ，这都提升了传动效率。

2）扭矩：钢链传递扭矩更大
。主流钢带式CVT的扭矩180NM
，钢链式CVT的扭矩250NM以上。

3）速比范围：钢链速比范围更大 。速比范围=最大速比/最小速比，代表一款钢带或钢链的综合能力
。最大速比越大 ，起步加速性越好；最小速比越小，燃油经济性越好。通常最大速比是最小速的倒数
，意味着改变钢带或钢链的速比范围，最大速比/最小速比是对称地变化 。通用CVT钢链的速比范围达到同级最大的7.01 ，就钢链本身而言
，能同时实现最好的起步加速性和最优的燃油经济性
。

4）扭矩密度：钢链的扭矩密度高，在同等扭矩情况下 ，重量和空间更小。

5）噪音：钢带的噪音表现更好 。由于钢带的钢片与钢片之间的距离更小
，也就是节距小，传动过程中的多边形效应小 ，因此更静音
。目前越来越多的技术在不断提升钢链的NVH表现
，已接近钢带的NVH水平。消费者在驾驶时，完全无法分辨这到底是钢带式还是钢链式CVT 。

6）夹紧油压：同样扭矩和整车应用情况下 ，在起步加速工况
，钢链的油压需求比钢链高
。这是由于钢带的片组和锥面是面配合，而钢链的传动销端面是一个弧面 ，理论上是一个点配合。根据大速比起步时的夹紧力策略，为防止打滑
，钢链需要相对较大的夹紧力 。

回到图6里?CVT7和通用CVT250的传动架构对比，?CVT7增加了一个副变速机构实现高低挡位的原因是：钢带在起步/高速的传动效率较低 ，为提高效率
，增大了钢带工作时小端的曲率半径，使钢带运行在高效率区间 ，为此牺牲掉的速比范围
，通过增加一个副变速机构找回来，在起步时副变速机构采用高挡位提高主减速比 ，增加动力性；在高速时采用低挡位
，降低主减速比，提升经济性。这是一个很好的思路 ，唯一的问题是结构和控制系统变复杂了
，增加的离合器会带来部分效率损失，成本增加
。而通用钢链式CVT ，由于在起步/高速阶段效率优势明显，速比范围大
，因此可以采用最精简的传动架构，进一步提升变速箱的传动效率。

从应用角度 ，钢带式CVT体量更大 。目前市场上CVT钢链式和钢带式的比例约为1：4
。这是由于钢带/钢链不同的发展轨迹决定的
，博世钢带的扭矩小，而LuK钢链扭矩大。日系选用博世的钢带 ，应用CVT在主流A级车上
，销量远比奥迪大（搭载钢链式CVT） 。同时无论是钢带还是钢链，都是最核心产品 ，需要在变速箱开发的最早期阶段来确定方案
，一经确定一般不再更改
。随着钢链的扭矩范围下探到250NM甚至180NM这一主流区间，钢链式CVT的应用在逐年增加 ，代表产品有通用CVT250,?JATCO?CVT8高功版
，以及现代钢链CVT。到2025年，预计CVT钢链式：钢带式将上升为1：2 。

5
、CVT的效率

如前文提到 ，发动机效率提升已到了一定瓶颈，越来越多厂家关注变速箱的效率提升
。我们常说CVT车油耗低效率高
，但图2里又显示CVT和AT/DCT相比，效率较低。这似乎彼此矛盾 ，在这里我们重点澄清一下 。我们常说的CVT效率高
，是发动机匹配CVT后，发动机+变速箱这个动力总成的效率高
。而CVT变速箱本身 ，由于钢带/钢链传动的结构特点
，效率比DCT/AT低。

我们先探讨CVT自身效率较低的原因 。组成CVT效率损失有几个部分：1.液力变扭器损失（起步机构）?2.钢带或钢链传动效率（变速机构）3.油泵效率4.主减齿轮效率5.离合器损失6.搅油/空转等其他损失。图10是AT/CVT/DCT的传动效率对比
。和AT/DCT相比，?CVT在变速机构和油泵效率上有差距。具体表现为：1.钢带/钢链的效率区间94-98% ，且只短时间工作在最高效率下
，而DCT平行轴式齿轮的效率最高，AT行星齿轮的效率次之 。2.CVT变速箱钢带/钢链传动 ，需要高油压夹紧
，并时刻保证足够的后备油压，防止某些瞬态苛刻工况下的钢带/钢链打滑 ，这就导致CVT的油泵损失比AT/DCT要大
。另外，作为DCT起步机构的离合器
，比AT/CVT的液力变扭器损失小。

既然CVT的效率不占优势，那么CVT车低油耗高效率是怎么实现的呢？这是因为CVT无级变速的特性 ，对应任何一个工况
，都能在CVT速比范围内，调配到最佳速比点 ，使发动机工作或更靠近此工况下的最佳效率区间 。而AT/DCT都只有几个固定速比
，发动机受到固定速比限制，不能调配到最佳工作区间
。图11是匹配AT/CVT/DCT的发动机的工作区间对比图 ，其中绿线是发动机最优功率线
，理论上发动机沿着该线工作，效率最高。可以看出 ，匹配CVT能让发动机长时间工作在最佳效率区间
，且该转速区间1000-3000rpm是客户最常使用的区间（占比>90%） 。

图12是通用CVT的实际控制工况点，这和图11中的CVT工作区间完全匹配
。红色线为实际最优油耗转速 ，这和理论最优功率线稍有区别，这是因为在靠近怠速区域（700-1000rpm）
，实际需求的发动机扭矩较低，本身就不贴合理论最优功率线 ，同时考虑到舒适性
，低扭工况发动机提升了转速，对这条理论线做了适当的工程修正。

讲到这里大家可能会有一个疑问 ，对发动机+CVT和发动机+DCT这2个配置
，前者CVT效率低而发动机效率高，后者DCT效率高而发动机效率低 ，那么这2个动力总成
，到底哪个燃油经济性更有优势？要回答该问题，得先看整车的效率损失分布 。据《汽车理论》一书关于影响汽车燃油经济性的因素 ，在城市工况下
，发动机的能量损耗（包括热损耗/怠速/附件损耗）约为81%，传动系损耗为5.6%；而郊区工况下发动机约为74% ，传动系为5.4%
。可以估算出在城市工况，发动机效率提升1%
，变速箱效率要提升4%才得到相同的节油效果。在郊区工况，发动机1%对应变速箱3% 。显然 ，发动机对油耗提升起绝对主导作用。回到之前的问题
，假定CVT能提升发动机效率3%（各发动机特性不一样），且DCT比CVT的平均效率高约10% ，那么DCT配置有优势；如果发动机效率提升大于3%
，或DCT效率比CVT平均效率低约10%，则CVT配置有优势
。基于产品不同 ，这2种情况在不同车上都存在。

通过上述分析
，CVT在提升发动机效率的同时，进一步提升自身效率是当前的主要趋势 。图13简要列举了通用CVT提升效率的技术方案
。其中针对链条无级变速 ，上文从钢带VS钢链的角度已做详细讲解。高效减振TC
，智能油泵和变速箱油自动加热，其他日系主流CVT上也有配置 ，区别是实现该功能的具体结构各有不同，本文不作详细介绍 。

这里特别讲一个精细技术--自动油位控制
。变速箱内约有8.4L油
，主腔里的主减齿轮部分浸在油内，工作时会导致搅油损失。如图14所示 ，自动油位控制阀安装在副腔内
，在低温时打开，主腔高油位 。此时油粘度高 ，齿轮/轴承工作阻力和钢链摩擦损失都较高
，远大于搅油损失
。搅油损失的益处更多，其热量能帮助油温尽快上升。当油温上升到工作温度时 ，就要尽量降低搅油损失 。此时自动油位控制阀关闭
，副腔油位升高，多存储了一部分油 ，从而降低主腔油位高度
，降低搅油损失
。

通过一系列的效率提升技术，通用CVT的台架实测最高效率达92% ，主要工况下效率约为82-85%。

6、CVT变速箱的控制

CVT变速箱的控制（包括软件和标定）是实现舒适性，动力性和耐久性的核心 。我们都知道CVT舒适性好
，换挡平顺无顿挫。这是钢带或钢链能连续改变工作半径来实现的
。通过油压控制，CVT能切到速比范围内的任意速比。这是CVT和AT/DCT传动结构相比的最大特点和优点 ，CVT无级变速箱的名字正是由此而来 。

但是无级变速并不总是优点
，在需要动力的大油门工况下，如果还是无级变速 ，会导致加速相应慢
，动力性不好
。怎样解决这个问题呢？通过改进CVT的控制策略，在大油门下通过油压控制 ，迅速将速比切到某些特定的速比点上
，从而模拟有级换挡，提高动力性。并且CVT能自动调节这些特定的有级速比点 ，在不同工况下
，都实现最佳的动力性，满足客户的驾驶需求 。所以这个模拟有级换挡 ，不像AT/DCT是固定的速比，而是弹性有级速比
。

CVT无级变速的特点
，需要油压夹紧钢带/钢链来传递。硬件的关键是这个无级变速系统，而控制的关键是怎样确保动力平稳传递和速比变换 ，防止在任何工况下钢带/钢链打滑 。对CVT而言
，全油门加速，轮胎打滑 ，急刹车
，坑洼路面，超低温等工况 ，从打滑控制的角度都是苛刻工况
。通用CVT专门针对17个苛刻工况
，建立苛刻工况的控制程序。根据图5示意图，变速箱内部有7个传感器时刻监控变速箱的状态 ，同时还和整车通讯
，收集到整车工况 。一旦识别整车进入了苛刻工况，就会立即激发苛刻工况控制程序 ，通过增大夹紧油压，加快油压响应
，控制离合器有序打滑等措施，来控制钢链避免打滑 ，实现动力平稳传递
。图16显示在低附着路面上
，突然全油门加速，此时油压迅速响应 ，在监测到车轮打滑的同时
，油压瞬间提升，夹紧钢链 ，从而防止了钢链打滑（图示Pulley打滑量为0）。接下来从低附着路面进入高附着路面后
，车辆受到冲击，车速很快降低 ，此时油压同样瞬间提升
，稳定控制钢链，实现动力平稳传递 。

7 、CVT的使用/保养/维修

CVT相比AT/DCT车型 ，是否有需要关注的工况或注意事项呢？在超低温工况下如零下20度，需要充分热车
，否则不建议做激烈驾驶（大油门，急加速急减速） ，因为此时油的粘度高
，不能快速响应激烈工况下的大油压需求，易造成钢带/钢链磨损。另外避免频繁全油门起步和急刹车 ，尽管在这些工况下的油压控制能确保动力的稳定传递和速比切换
，但此时系统夹紧力大，降低了CVT效率 ，增加了油耗
。在坡道停车时
，确保要挂P挡，防止溜车；避免空挡滑行；不能前轮着地拖车 ，这些工况都可能对CVT造成损伤。

在做车辆保养时
，一个常见场景技师倒出小杯变速箱油，看到油黑了 ，向车主建议换油，不然会损害变速箱 。这时候车主往往会很纠结到底要不要换油
。CVT变速箱油是高压低粘度合成油
，售后保养手册上通常要求在一定里程换油。以通用CVT为例，售后手册上80000公里要求换一次油 。从工程开发角度 ，在模拟苛刻工况整车寿命24W公里的变速箱台架或整车耐久试验里
，整个试验过程中不换变速箱油，意味着变速箱油自身的物理化学稳定性已充分得到验证
。实际上试验过程中 ，由于摩擦片微粒
，齿轮磨合以及正常磨损，变速箱油就会从新油的浅绿色或红褐色 ，变成黑色
，但功能依然OK能继续跑到试验结束，所以变速箱油变黑不作为换油的依据。

在客户日常温和的使用工况下 ，如果没有其他异常
，终身不需要更换变速箱油 。如果常感受到冲击/抖动，动力相应慢 ，噪音增大，曾深度涉水等情况
，建议检查变速箱油，如目视能看到大杂质 ，有泡沫
，或者有严重焦味，建议换油或者开箱检查零件
。很多客户换油的目的是做一个预防性保护 ，特别对经常大油门
，或频繁加减速的客户，内部零件磨损量加大 ，换油确实能降低电磁阀卡滞/零件磨损的风险
，建议按照手册8-10W公里后更换变速箱油。

针对故障问题，一般变速箱故障分为有报码和没有报码两类 。由于变速箱处于整车前舱左前方 ，其布置决定要开箱检查往往很困难
，要先拆整车一大堆零件，才能把变速箱拆下来 ，就算只换一个小零件，其工时费用也非常高
。因此对于车辆仪表盘上出现报码的情况
，先找4S店读码，对于不影响驾驶/感受的报码 ，4S店往往会做清码处理。客户继续用车看后续是否报码复现 。对于影响驾驶的码
，如加速无力，顿挫等 ，4S店往往能通过码的含义
，针对性地知道是什么问题，从而给出维修策略 ，比如刷新软件
，更换某些零件甚至整机更换。由于变速箱控制模块（TCM）往往是外置式，在更换变速箱后 ，需要对TCM刷电磁阀特性曲线（PI?curve）并进行自学习
。就算2台车是完全同型号
，同生产时间，我们也不能简单互换TCM ，因为在互换后需要重刷PI?curve。如果同型号不同生产时间，可能要刷新标定甚至软件版本 。所以涉及到变速箱维修特别是控制系统维修
，是一个非常专业的事情，建议去4S店做维修
。

8
、总?结

最后 ，我们来回顾一下本文内容。我们分析了变速箱为何越来越重要；横向对比了各主流自动变速箱的结构和优缺点
，从整车油耗和客户感受角度指出CVT会进一步拓宽应用 。以通用CVT为例，讲解了CVT结构 ，基于动力流/控制流阐述了CVT的变速原理；然后从结构/性能/应用3个维度详细对比了CVT钢带和钢链各自的优势；接着深度分析了CVT自身效率和以及如何和发动机匹配实现动力总成的高效率；进而探讨了CVT兼顾舒适性和动力性的控制策略；最后普及了CVT车型在驾驶/保养/维修上的注意事项和相关知识
。通过这篇系统性的文章
，希望帮助大家更好的了解CVT，更深的了解车 ，更多的通过汽车探索世界。

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，不代表汽车之家的观点立场 。