AT v.s CVT有段变速对决无段变速

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  • 时间:2020-06-06

提到自动变速箱,以往指的是使用行星齿轮的档位式,但最近的小型车有愈来愈多使用CVT的趋势。有段式与无段式,各自的优缺点是?

原来二战期间就有自排变速箱?

内燃机备有许多优点,但唯一的缺点就是能发出完整扭力的转速区域有限,为了有效活用能发出扭力的转速区域,就必须搭配变速箱。

世界首部汽油引擎车Daimler和Benz都备有类似减速机构的变速系统,将引擎转速减低以传到车轮。现代化的变速箱则开发于1898年,由法国的Luis Renault将变速箱、传动轴、差速器整合为动力传输系统。

继Renault开启手排变速箱的时代后,1939年Chrysler採用以扭力转换器替代离合器的自排变速箱。翌年,GM的Cadillac则使用扭力转换器搭配行星齿轮的型式,这种方式就是现代档位式AT的原型,之后又导入电子控制,随着时间的演进不断增加档位,如今已有使用到9速。另一方面,CVT的历史则比AT短,1958年由荷兰的DAF首次使用,到了2000年开始广泛普及。

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▲CVT藉由油压来改变两组以钢带连接的金属滑轮的沟槽宽度,当变宽时,钢带连接较小的齿轮上,而当滑轮宽度变窄时,则连接在较大的齿轮上。

齿轮的啮合v.s.钢带

自排变速箱没有离合器踏板,但仍需要将引擎与变速箱脱离或接合的离合器功能,使用的就是扭力转换器,倘若少了这项机构,任何型式的自排变速箱皆无法工作(除了少数存在的电磁离合器)。

扭力转换器的特性是引擎转速低时不传递动力,随着转速的提昇才传递动力。无论AT或CVT,皆位于扭力转换器的后端,但从这里到传动轴之间的传递方式大异其趣。

AT以恆星齿轮为中心,外围环绕着行星齿轮所组成,行星齿轮的外圈再跟环形齿轮啮合,动力由输入轴传入,再传出至输出轴,以複杂的原理进行各个齿轮转动结合或脱开的控制。CVT的传递路径就很简单,主滑轮将动力经由钢带传递至副滑轮,再由输出轴传出。

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日本两项首创

AT-Toyota Masterline

CVT-Subaru Justy
 

30年代后期由美国车厂率先採用自排变速箱,到1950年代末的普及率已达80%,这时日本开始研发自排变速箱,在1959年搭载于Toyota Masterline,自排在起步或上坡使用的L档为手动,只有一个档位的D档才是自动控制,之后Toyota研发了2速全自动式,自此AT的使用率开始提昇。

CVT虽然滥觞于1958年发表的荷兰DAF600,但使用钢带的CVT则到1987年才导入Subaru Justy,荷兰VanDoorne开发的CVT则是採用电磁离合器来控制动力的断续。
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▲1959年,日本第一具自排变速箱Toyoguraido,只有2速,起步或爬坡时还要以手动打入L档。四年后,全自动2速AT搭载于Toyota Crown。

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▲日本车首次搭载AT的Toyota商用车Masterline,从这款车开启了日本自排车的历史。

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▲荷兰DAF于1958年率先全世界採用CVT。29年后, Subaru Justy搭载了全世界首具使用金属传动带的CVT。

有段变速or无段变速

有段还是无段?这是两种差异的关键字。AT根据档位数目而有不同的控制,巧妙控制离合器和煞车,搭配齿轮组合进行有段变速。例如1档,动力传至前恆星齿轮,经过短齿条和长齿条的传递,行星齿轮架会发挥煞车的作用;2档则在以上控制之外再添加固定反转恆星齿轮功能,转动速度就比1档更快;4档的动力输入则由行星齿轮架进行,经由环形齿轮输出,长齿条边自转边增加反转恆星齿轮的速度,就又比其他档位转得更快。到4档为止皆以一组行星齿轮架来运作,6档以上则搭配两个以上的行星齿轮组合,中型车大多採用6速,也有採用9速。然而,为了档位齿轮的搭配组合,多档化在切换时,引擎转速也会有明显的变化,这点会传递给驾驶者。

相较之下,CVT的滑轮宽度变化无分段,也就是变速没有档位段数的概念,仅是变速比的幅度由小到大,再由大到小的变化而已。滑轮的宽度控制以油压进行,可想而知,对向的滑轮一侧有油压活塞,油压增加时,滑轮间的宽度就变小,效果与大直径的齿轮相同,油压减少时,滑轮间的宽度就变大,效果就与小直径的齿轮相同。

使用钢带的CVT是以推力传输动力,引擎曲轴旋转的动力传递至主滑轮,再透过钢带连续带动副滑轮旋转。由于钢带会弯曲,所以环带的中间会插入格片。根据钢带长度不同,格片数目大约400个,将整条钢带舖的没有缝隙。

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变速控制哪个最有效率?

 AT与CVT的变速控制概念还满有趣的。AT根据各档位不同的变速曲线,以车速、油门深度、引擎转速为基础,依照曲线进行变速控制,倘若驾驶者能够熟悉自排变速箱的变速曲线,就可以藉由调整油门深度来控制变速。CVT则是维持引擎转速,控制电脑会依照车速和油门深度而将引擎转速协调在目标值,计算各种输入的数据,在各种行驶速域都保持理想的引擎转速。

例如加速时维持在能产生强大扭力的转速範围,上坡时维持在既有充沛扭力又能兼顾良好油耗效率的转速範围,巡航时则控制在克服行驶阻力下最低限度的转速範围。因此油门深度和引擎转速并不会成正比,无关驾驶者的意志,而是利用引擎最有效率的转速範围来行驶,一般行驶状况的违和感很小,但在急加速时则会出现梯形曲线的变动,这是CVT特有的控制力。儘管CVT的优点是活用引擎最有效率的转速範围,但也有驾驶者并不喜欢这种特色。在手排使用比例较高的欧洲,CVT的比例当然就低,即便是自排,也採用自手排的双离合器。

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进化中的CVT

採用副变速机以扩大变速比的幅度

长久以来,使用钢带的CVT皆由两组滑轮和倒车切换齿轮所构成,2009年Jatco插入副变速机,开发新世代CVT,用于Suzuki和Nissan车系,有别于将倒车切换齿轮设置在主滑轮上端的既有布局,而是将兼任倒车齿轮的副变速机设置在副滑轮下端,这样变速比的幅度更宽广,起步时能以相当于更低的齿轮比获得强力的加速,高速时则使用比以往更高的齿轮比,提昇油耗效率。另一个特点是滑轮直径变小了,这样就不会搅拌到油底壳里的变速箱油,也能提昇效率,对油耗带来正面的影响。

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