Slik fungerer CVT-er

  • Vlad Krasen
  • 0
  • 2801
  • 868

-

Overføring Bildegalleri
Foto med tillatelse fra Nissan Global
Nissan HR15DE-motor med Xtronic CVT. Se flere overføringsbilder.

Noen sier at du ikke kan lære en gammel hund nye triks. Men den kontinuerlige variable transmisjonen (CVT), som Leonardo da Vinci konseptualiserte for mer enn 500 år siden og nå erstatter planetariske automatiske overføringer i noen biler, er en gammel hund som definitivt har lært noen få nye triks. Helt siden den første toroidale CVT-patentet ble innlevert i 1886, har teknologien blitt foredlet og forbedret. I dag designer flere bilprodusenter, inkludert General Motors, Audi, Honda og Nissan, sine drivspor rundt CVT-er.

I denne artikkelen skal vi utforske hvordan en CVT fungerer i en typisk bakhjulsdrevet bil, og svarer på flere spørsmål underveis:

  • Hvordan sammenligner en CVT med en konvensjonell, planetarisk automatgir?
  • Hvilke deler har den og hvordan fungerer de delene?
  • Hvilke fordeler tilbyr CVT-er i forhold til konvensjonelle automatiske sendinger? Hva med ulemper?
  • Hvordan er kjøreopplevelsen i en bil med en CVT?
  • Hva slags merker og modeller inneholder CVT-er?
  • Er det andre applikasjoner for CVT-er enn biler?

Først skal vi se på hvordan en CVT sammenlignes med en tradisjonell automatgir.

-
No More Gears
En tidslinje for CVT-innovasjon
  • 1490 - da Vinci tegner en trinnløs kontinuerlig variabel overføring
  • 1886 - første toroidale CVT-patent innlevert
  • 1935 - Adiel Dodge mottar amerikansk patent for toroidal CVT
  • 1939 - helautomatisk girkasse basert på planetarisk girsystem introdusert
  • 1958 - Daf (fra Nederland) produserer en CVT i en bil
  • 1989 - Subaru Justy GL er den første amerikanske solgte produksjonsbilen som tilbyr en CVT
  • 2002 - Saturn Vue med en CVT-debut; første Saturn som tilbyr CVT-teknologi
  • 2004 - Ford begynner å tilby en CVT

-Hvis du har lest om strukturen og funksjonen til automatiske girkasser i Hvordan automatiske transmisjoner fungerer, vet du at transmisjonens jobb er å endre hastighetsforholdet mellom motoren og hjulene til en bil. Med andre ord, uten girkasse, ville biler bare ha ett gir - giret som gjør at bilen kan kjøre med ønsket toppfart. Se for deg et øyeblikk å kjøre en bil som bare hadde første gir eller en bil som bare hadde tredje gir. Den tidligere bilen ville akselerere godt fra et komplett stopp og kunne klatre opp en bratt bakke, men toppfarten ville være begrenset til bare noen mil i timen. Den sistnevnte bilen ville derimot fly 80 km / t nedover motorveien, men den ville nesten ikke ha noen akselerasjon når du startet og ville ikke kunne klatre opp i åser.

Så girkassen bruker en rekke gir - fra lav til høy - for å gjøre mer effektiv bruk av motorens dreiemoment når kjøreforholdene endres. Girene kan kobles inn manuelt eller automatisk.


Foto med tillatelse fra DaimlerChrysler
Mercedes-Benz CLK automatgir.


I en tradisjonell automatgir er tannhjulene bokstavelig talt gir - sammenlåsende, tannhjul som hjelper til med å overføre og endre roterende bevegelse og dreiemoment. En kombinasjon av planetgir gir alle de forskjellige girforholdene som girkassen kan produsere, typisk fire fremovergir og ett reversgir. Når denne typen transmisjon sykler gjennom tannhjulene, kan sjåføren føle støt når hvert gir er koblet til.

CVT Basics
I motsetning til tradisjonelle automatiske girkasser, har kontinuerlig variabel gir ikke en girkasse med et bestemt antall gir, noe som betyr at de ikke har sammenhengende tannhjul. Den vanligste typen CVT opererer på et genialt remskive som tillater en uendelig variasjon mellom høyeste og laveste gir uten separate trinn eller skift.


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


Hvis du lurer på hvorfor ordet "utstyr" fremdeles vises i forklaringen på en CVT, husk at et redskap stort sett refererer til en forhold av motorens akselturtall til drivakselhastigheten. Selv om CVT-er endrer dette forholdet uten å bruke et sett med planetariske gir, beskrives de fortsatt som å ha lave og høye "gir" av hensyn til stevnet.

Deretter skal vi se på de forskjellige typene CVT-er: trinsebasert, toroidalt og hydrostatisk.


Foto med tillatelse fra Nissan Global
Remskive-basert CVT
Titt inn i en planetarisk automatgir, og du vil se en kompleks verden av gir, bremser, clutcher og styringsenheter. Til sammenligning er en kontinuerlig variabel overføring en studie i enkelhet. De fleste CVT-er har bare tre grunnleggende komponenter:
  • Et kraftig metall- eller gummibelt
  • En "drivende" remskive med variabel inngang
  • En "drevet" remskive
CVT-er har også forskjellige mikroprosessorer og sensorer, men de tre komponentene beskrevet ovenfor er nøkkelelementene som gjør at teknologien kan fungere.


Remskivene med variabel diameter er hjertet i en CVT. Hver remskive er laget av to 20-graders kjegler som vender mot hverandre. Et belte rir i sporet mellom de to kjeglene. Kileremmer er foretrukket hvis beltet er laget av gummi. Kileremmer får navnet sitt fra at beltene har et V-formet tverrsnitt, noe som øker belteets friksjonsgrep.

Når remskivens to kjegler er langt fra hverandre (når diameteren øker), rir beltet lavere i sporet, og radiusen til beltesløyfen som går rundt remskiven blir mindre. Når kjeglene er tett sammen (når diameteren avtar), rir beltet høyere i sporet, og radiusen til beltesløyfen som går rundt remskiven blir større. CVT-er kan bruke hydraulisk trykk, sentrifugalkraft eller fjærspenning for å skape kraften som er nødvendig for å justere remskivehalvdelene.

Remskiver med variabel diameter må alltid komme i par. En av trinsene, kjent som drivskive (eller drivremskive), er koblet til motorens veivaksel. Drivskiven kalles også inngangsskive fordi det er der energien fra motoren kommer inn i girkassen. Den andre remskiven kalles drevet remskive fordi den første remskiven snur den. Som en utgangsskive, den drevne remskiven overfører energi til drivakslen.


Avstanden mellom midten av trinsene til der beltet tar kontakt i sporet er kjent som stigningsradius. Når remskivene er langt fra hverandre, rir beltet lavere og stigningsradiusen synker. Når remskivene er nær hverandre, rir beltet høyere og stigningsradiusen øker. Forholdet mellom stigningsradiusen på drivskiven og stigningsradiusen på den drevne remskiven bestemmer giret.

Når den ene trinsen øker sin radius, reduserer den andre sin radius for å holde beltet stramt. Når de to trinsene skifter radier i forhold til hverandre, skaper de et uendelig antall girforhold - fra lav til høy og alt derimellom. For eksempel, når stigningsradiusen er liten på drivskiven og stor på den drevne reimskiven, reduseres rotasjonshastigheten til den drevne remskiven, noe som resulterer i et lavere "gir". Når stigningsradiusen er stor på drivskiven og liten på den drevne trinse, øker rotasjonshastigheten til den drevne remskiven, noe som resulterer i et høyere "gir." Således, i teorien, har en CVT et uendelig antall "gir" som den kan løpe gjennom når som helst, til hvilken som helst motor eller kjøretøyhastighet.

CVT-ene er enkle og trinnløse, og gjør dem til en ideell transmisjon for en rekke maskiner og enheter, ikke bare biler. CVT-er har blitt brukt i mange år i elektroverktøy og borepresser. De har også blitt brukt i en rekke kjøretøyer, inkludert traktorer, snøscootere og motorscootere. I alle disse applikasjonene har transmisjonene vært avhengige av høye tetthetsgummiermer, som kan skli og strekke seg, og dermed redusere effektiviteten.

Innføring av nye materialer gjør CVT-er enda mer pålitelige og effektive. Et av de viktigste fremskrittene har vært design og utvikling av metallbelter for å koble remskivene. Disse fleksible beltene er sammensatt av flere (typisk ni eller 12) tynne stålbånd som holder sammen høyfast, bueformet metallbit..


Utforming av metallbelte

Metallbelter sklir ikke og er veldig varig, slik at CVT-er kan håndtere mer motorens dreiemoment. De er også roligere enn gummibeltedrevne CVT-er.

En annen versjon av CVT - det toroidale CVT-systemet - erstatter beltene og remskivene med plater og kraftruller.


Foto med tillatelse fra Nissan Global
Nissan Extroid toroidal CVT

Selv om et slikt system virker drastisk annerledes, er alle komponentene analoge med et belte-og-trinssystem og fører til de samme resultatene - en kontinuerlig variabel girkasse. Slik fungerer det:

  • En plate kobles til motoren. Dette tilsvarer drivskiven.
  • En annen plate kobles til drivakselen. Dette tilsvarer den drevne remskiven.
  • Ruller eller hjul som er plassert mellom platene fungerer som beltet og overfører kraften fra den ene platen til den andre.


Hjulene kan rotere langs to akser. De snurrer rundt den horisontale aksen og vipper inn eller ut rundt den vertikale aksen, noe som gjør at hjulene kan berøre platene på forskjellige områder. Når hjulene er i kontakt med drivskiven nær sentrum, må de kontakte den drevne skiven nær felgen, noe som resulterer i en reduksjon i hastighet og en økning i dreiemomentet (dvs. lavt gir). Når hjulene berører drivskiven nær felgen, må de kontakte den drevne skiven nær sentrum, noe som resulterer i en økning i hastighet og et redusert dreiemoment (dvs. overdrive-gir). En enkel vipping av hjulene endrer deretter girforholdet trinnvis, og sørger for jevne, nesten øyeblikkelig endringsforhold.

Både remskive-og-kilerem CVT og toroidal CVT er eksempler på friksjonelle CVT-er, som fungerer ved å variere radiusen til kontaktpunktet mellom to roterende objekter. Det er en annen type CVT, kjent som en hydrostatisk CVT, som bruker pumper med variabel forskyvning for å variere væskestrømmen til hydrostatiske motorer. I denne typen girkjøringer kjører motorens rotasjonsbevegelse en hydrostatisk pumpe på kjøresiden. Pumpen konverterer rotasjonsbevegelse til væskestrøm. Deretter, med en hydrostatisk motor plassert på den drevne siden, konverteres væskestrømmen tilbake til rotasjonsbevegelse.


Ofte er en hydrostatisk transmisjon kombinert med en planetarisk gir og clutcher å lage et hybridsystem kjent som a hydromekanisk overføring. Hydromekaniske transmisjoner overfører kraft fra motoren til hjulene i tre forskjellige moduser. Ved lav hastighet overføres kraften hydraulisk, og med høy hastighet overføres kraften mekanisk. Mellom disse ytterpunktene bruker transmisjonen både hydrauliske og mekaniske midler for å overføre kraft. Hydromekaniske transmisjoner er ideelle for kraftige bruksområder, og derfor er de vanlige i landbruks traktorer og terrengkjøretøyer.

CVT fordeler

Kontinuerlig varierende sendinger blir mer populære av god grunn. De kan skryte av flere fordeler som gjør at de appellerer både til sjåfører og miljøvernere. Tabellen nedenfor beskriver noen av hovedfunksjonene og fordelene med CVT-er.

Fordeler med CVT-er
Trekk Fordel
Konstant, trinnløs akselerasjon fra fullstendig stopp til cruisefart Eliminerer "skift sjokk" - sørger for en jevnere tur
Fungerer for å holde bilen i sitt optimale kraftspekter uansett hvor fort bilen kjører Forbedret drivstoffeffektivitet
Reagerer bedre på skiftende forhold, for eksempel endringer i gass og hastighet Eliminerer jakt på redskaper når en bil bremser opp, spesielt når du går opp en bakke
Mindre strømtap i en CVT enn en vanlig automatgir Bedre akselerasjon
Bedre kontroll over bensinmotorens hastighetsområde Bedre kontroll over utslipp
Kan innlemme automatiserte versjoner av mekaniske koblinger Bytt ineffektive fluidmomentomformere

I neste avsnitt skal vi se på hvordan det er å kjøre en CVT-basert bil.

Biler med CVT-er har vært vanlig i Europa i mange år. Men det har tatt en stund før teknologien får fotfeste i USA. Den første produksjonsbilen som tilbyr en CVT i USA var Subaru Justy.


Foto med tillatelse fra Subaru Frankrike
Subaru Justy

Solgt solgt mellom 1989 og 1993, vakte aldri oppmerksomheten til amerikanske sjåfører. Så hva er annerledes med nyere CVT-baserte biler - biler som Saturn Vue, Audi A4 og A6, Nissan Murano og Honda Insight? Den beste måten å svare på det spørsmålet er å ta en av disse bilene for en "prøvekjøring." Animasjonen nedenfor, som sammenligner akselerasjonen av en bil med en CVT til en uten, gir deg en god følelse av opplevelsen.


Når du tråkker på bensinpedalen til en bil med kontinuerlig variabel girkasse, merker du forskjellen umiddelbart. Motoren går opp mot rpms der den produserer mest kraft, og så blir den der. Men bilen reagerer ikke umiddelbart. Så, et øyeblikk senere, gir girkassen seg inn og akselererer bilen sakte, jevnt og uten skift. I teorien skal en bil med en CVT nå 100 km / t 25 km / t raskere enn den samme bilen med samme motor og manuell girkasse [ref]. Det er fordi CVT konverterer hvert punkt på motorens driftskurve til et tilsvarende punkt på sin egen driftskurve.

Hvis du ser på effektutgangskurven for bilen uten CVT, kan du se at dette stemmer. Legg merke til at turtelleren i denne situasjonen viser at motoren svinger opp og ned med hvert girskifte, som er registrert som en pigg i kraftutgangskurven (og som føreren føler som en støt).

CVT-er er like effektive på åsene. Det er ingen "girjakt", fordi CVT sykler trinnløst ned til et girforhold som er passende for kjøreforholdene. En konvensjonell automatgir gir seg frem og tilbake og prøver å finne riktig gir, noe som er langt mindre effektivt.

Med alle fordelene har CVT-er noen mangler. I USA prøver de fortsatt å få bukt med et imageproblem. Subaru Justy, for eksempel, var kjent som en tarmfri mikro-bil. Tradisjonelt var beltedrevne CVT-er begrenset i mengden dreiemoment de kunne håndtere, og var større og tyngre enn deres automatiske og manuelle motstykker. Teknologiske fremskritt har satt CVT-er i konkurranseområdet - Nissan Muranos CVT takler sin 3,5-liters, 245 hestekrefter V6-motor - men førsteinntrykk er vanskelig å overvinne.

For mer informasjon om kontinuerlig variable sendinger og relaterte emner, sjekk ut lenkene på neste side.

Relaterte artikler

  • Hvordan automatiske overføringer fungerer
  • Hvordan gir fungerer
  • Hvordan girforhold fungerer
  • Hvordan manuelle overføringer fungerer
  • Hvordan dreiemomentomformere fungerer

Flere gode lenker

  • InsightCentral.net: CVT Transmission
  • Automotive Engineering International Online: Audi tar CVT fra 1300-tallet til det 21. århundre
  • Edmunds.com: CVT går inn i mainstream
  • MSN Autos: Engineering New Transmissions
  • Nissan USA: Xtronic CVT

kilder

  • Bjørk, Stuart. 2000. Audi tar CVT fra 1300-tallet til det 21. århundre. Automotive Engineering International Online. januar.
  • Carney, Dan. 2002. Små SUV-er ansiktet av. Populærvitenskap. 18. februar.
  • Cars.com Ordliste. Kontinuerlig variabel overføring (CVT).
  • CVT: Kontinuerlig variabel overføring.
  • Encyclopedia Britannica 2005, s.v. "automatisk overføring." CD-ROM, 2005.
  • Gizmology.net. Merknader om kontinuerlig variabel overføring.
  • Job, Ann. Prosjektering av nye sendinger. MSN Autos. Åpnet 20. mars 2005.
  • InsightCentral.net. CVT-overføring.
  • Kluger, Michael A. 2000. Giret opp for CVT-er. Teknologi i dag. Sommerutgave.
  • Lienert, Dan. 2003. Kult. Hvor kan jeg få en? Populærvitenskap. 16. januar.
  • Lienert, Dan. 2003. Sette kraft til fortau. Populærvitenskap. 13. august.
  • Memmer, Scott. CVT kommer inn i mainstream. Edmunds.com. Åpnet 20. mars 2005.
  • Nissan USA. Xtronic CVT.



Ingen har kommentert denne artikkelen ennå.

De mest interessante artiklene om hemmeligheter og oppdagelser. Mye nyttig informasjon om alt
Artikler om vitenskap, rom, teknologi, helse, miljø, kultur og historie. Forklare tusenvis av emner slik at du vet hvordan alt fungerer