無段變速器在車輛動力系統中的應用

摘要：無段變速器為一種可提供連續速比變化的傳動裝置，具有換檔無頓挫的優點。經過數十年來的發展，其可靠度、速比變化範圍、與扭力傳輸上限已獲得很大的改善，並在現今的汽機車市場中獲得廣泛應用。為了進一步擴大其變速範圍並提升其扭力容量，各國廠商與研究者紛紛提出各式各樣的設計，將不同的離合器與齒輪組與無段變速器相搭配，抑或結合複合動力系統以提升車輛整體的能源效率。本文首先介紹不同無段變速器的構造以及變速原理，接著說明無段變速器在傳動系統中的特殊應用方式，最後則介紹各種結合無段變速器的複合動力系統之架構。
Abstract：A Continuously variable transmission (CVT) is a transmission device that provides seamless speed ratio variation without shifting shock and power interruption during ratio shifting. Its reliability, ratio coverage, and maximum allowable torque have been greatly improved after decades of development, and are widely applied in today’s on-road and off-road vehicles. To increase the ratio coverage and to enhance the torque capacity, various designs and systems have been proposed to combine the CVT with different mechanisms such as clutches and gear sets. In some system, the CVT is embedded in the hybrid system with multiple power sources in order to enhance the energy efficiency. This article first introduces the structure and principle of different types of CVT, then the special applications of CVT in the transmission system are specified, and finally, the structure of hybrid system with CVT is introduced.

關鍵詞：無段變速器、動力系統、複合動力系統
Keywords：Continuously variable unit, Powertrain system, Hybrid system

前言
為了提升在不同車速與負荷下的能源效率以及減少駕駛的負擔，現今的車輛傳動系統大多採用自動變速的多檔位齒輪變速器、或者無段變速器。前者包含使用扭力變換器搭配行星齒輪組的自動變速器，以及使用摩擦盤式離合器搭配平行軸齒輪組的雙離合器變速器。由於在齒輪變速器中，除了需要齒輪組做動能傳輸外，也需要大量的離合器或制動器與相應的液氣壓或電磁閥體來進行檔位的變換。此外為了對應不同的原動機出力特性與車輛參數，每個檔位的齒輪比亦需要進行調校，使車輛的性能與能源效率能夠最佳化，因此齒輪變速器的成本較為高昂，重量與機構上的複雜度亦較高。
而無段變速器的構造較為簡單，加上速比為連續可變，只要功率與扭力傳輸容量以及速比變化範圍能夠符合原動機與車輛需求，之後僅需調整其參數設定，使變速特性滿足原動機與車輛需求即可。雖然其最大扭力傳輸上限仍然低於透過齒輪做剛性傳動的自動變速器與雙離合器變速器，但經過數十年來的研發與改進，其性能表現與可靠度已獲得很大的提升，能夠滿足一般汽機車消費者的需求。因此相較於齒輪變速器，無段變速器擁有較低的成本與較輕的重量，其在現今的汽機車市場上佔有一席之地，尤其是在中至低功率、中至低價位的車輛級距。
車用無段變速器的形式
現今應用於車輛上的無段變速器，依據其機械構造與傳動原理，大致區分為三種型式：V形皮帶式、滾子式、以及液靜壓式。在目前一般市售汽機車的應用上，以V形皮帶式無段變速器為主；在農用或工程機具等低速重負荷的特殊車輛上，則以液靜壓式無段變速器為主。
1.V形皮帶式無段變速器
由主動皮帶輪、從動皮帶輪、以及V形皮帶組成，藉由皮帶與皮帶輪間的摩擦力以及皮帶的張力傳動。皮帶輪兩盤面之間的軸向距離可藉由機械或液氣壓方式調整。V形皮帶則可依其組成材料大致分為橡膠皮帶、金屬皮帶、與複合式皮帶三種。其中橡膠皮帶由於可傳輸的功率較小，大多應用於機車或全地形車(All-terrain vehicle, ATV)。為了減少其彎曲變形造成的能量損耗，其內側常做成凹凸狀之齒形構造，搭載於引擎功率較高的大排氣量速克達或全地形車者則採用內外兩側皆有齒型構造之雙面齒皮帶。
金屬皮帶則可再細分為推力式與拉力式兩種，推力式皮帶一般利用橫斷面呈H形之金屬片來承受皮帶輪兩盤面間的夾持力，並透過金屬片之間的推力傳輸動能。同時再以兩條撓性環形鋼帶嵌入H形金屬片兩側的凹陷部分，將所有金屬片連接為一體。拉力式皮帶的構造則類似鏈條，由具有特殊斷面形狀的擺動銷(Rocker-pin)承受皮帶輪之夾持力，再透過鏈片間的張力傳輸動能。雖然構造較為複雜，但由於拉力式皮帶並無撓性變形造成的能量損耗，且擺動銷的設計可減少銷與鏈片之間的摩擦損失，故具有較高的傳動效率。
第三種複合式皮帶則結合橡膠皮帶與推力式皮帶的概念，利用H形夾片承受皮帶輪之夾持力，夾片再嵌合於兩條環形橡膠皮帶之上，透過橡膠皮帶的張力傳輸動能。由於其構造較一般橡膠皮帶複雜，應用較不廣泛，其中較為人知的有日本Bando生產的AVANCE複合式皮帶。
2.滾子式無段變速器
由輸入盤面、輸出盤面與介於兩者間的數個碟形或球形滾子組成，透過滾子與盤面之間的摩擦力傳輸動能，速比則藉由改變滾子的轉軸相對於輸出入盤面的角度來調整。為了能讓滾子在不同的旋轉角度下皆能與輸出入盤面保持接觸，兩盤面與滾子之間的接觸面須為環形(Toroid)。因加工製造上較為不易，滾子式無段變速器的應用較少，較為人知的有Nissan Xtroid-CVT系統與應用於自行車的NuVinci系統。
3.液靜壓式無段變速器
由可變排量之液壓泵與液壓馬達組成，藉由調整液壓油的流量，不須離合器即可使輸出端從靜止狀態下起步，直到達成與輸入端相同的轉速。由於不依靠摩擦力進行傳動，可承受較前兩種無段變速器更高的扭力負荷，此外泵與馬達間可透過管路相連，機構的空間配置較具彈性。然而由於流體傳動的能量損失較大，加上可變排量泵與液壓馬達的重量較重且構造十分精密，因此一般應用在低速、重負荷的農用或工程用特種車輛上。
無段變速器在系統中的特殊應用
為了能進一步提升無段變速器的扭力容量或變速範圍，將其與不同的離合器以及齒輪組等傳動元件搭配，以形成不同的傳動路徑，並產生更多的功能與驅動模式。
由於各個系統的機械構造有很大的差異，為了能夠簡潔的表示，本文參考陳羿名[1]與Kuo等人[2]所提出的圖像化方式來描述其拓樸構造，各種機構元件所對應的圖示如表1所示。

1.單向操作與雙向操作系統
在大部分使用無段變速器的動力系統中，若忽略引擎煞車或動能回收(Regenerative braking)等動能短暫自車輪逆向流動至原動機的狀況，則在正常行駛時，動能皆是以單一流動方向通過無段變速器，此種系統稱為單向操作系統(One-way manipulated system)。意即此無段變速器有固定的輸入與輸出端，若未再搭配其他的變速裝置，則系統的總速比變化範圍等同於該無段變速器。