為了在科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)仃U述兩款變速箱工作原理的同時(shí)保證文章的可讀性，我將從專業(yè)和非專業(yè)兩個(gè)角度去詳細(xì)講述E-CVT和CVT兩款變速箱的異同。專業(yè)版講解在前，需要讀者具備一定的機(jī)械常識(shí)。非專業(yè)版講解在后，只求通俗易懂，但可能會(huì)丟失一定嚴(yán)謹(jǐn)性。
最近有不少踢車幫粉絲留言問(wèn)，E-CVT和CVT到底是不是同一種變速箱？我想這確實(shí)值得在《講堂》欄目中為大家?guī)?lái)詳細(xì)的科普。因?yàn)椤癈VT”這個(gè)字眼確實(shí)太具備迷惑性了，以至于讓大家都以為E-CVT和CVT是同一種結(jié)構(gòu)的變速箱。所以在文章的開(kāi)頭，我很負(fù)責(zé)任地告訴大家，不要以為名字里都具備“CVT”，就認(rèn)為兩者有什么血脈相連的關(guān)系。
其實(shí)，E-CVT并不是一種官方的名稱，它源自于豐田Hybrid Synergy Drive(HSD)油電混合動(dòng)力系統(tǒng)，也就是基于Toyota Hybrid System(THS)改進(jìn)而來(lái)的行星齒輪組式動(dòng)力分流結(jié)構(gòu)(Power Spliting Device)。因?yàn)樵隈{駛體驗(yàn)上與傳統(tǒng)的CVT變速箱相似，同時(shí)為了能夠在生產(chǎn)監(jiān)管目錄上進(jìn)行明確的分類[1]，豐田才為HSD動(dòng)力分流結(jié)構(gòu)起了個(gè)別名，叫做“E-CVT”。
如果認(rèn)真去扣ECVT（沒(méi)有橫杠）的字眼，卻發(fā)現(xiàn)這是一款由日本富士重工（Fuji）和荷蘭VDT公司（Van Doorne’s Transmission,發(fā)明CVT變速箱的鼻祖）聯(lián)手研發(fā)的電控機(jī)械式無(wú)級(jí)變速器[2]，全稱為Electronically Controlled Continuously Variable Transmission。注意，這臺(tái)ECVT本質(zhì)上就是一臺(tái)普通的機(jī)械式無(wú)級(jí)變速器，只不過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪與CVT輸入軸之間用一個(gè)電控磁粉式離合器相連。該變速箱顯然不屬于我們今天討論的話題范圍之內(nèi)，因此僅供知識(shí)拓展。
另外，福特在2004年就曾獨(dú)立研究出來(lái)與豐田HSD類似的動(dòng)力分流結(jié)構(gòu)，不過(guò)受限于專利保護(hù)，福特用部分尾氣排放方面的科學(xué)專利作為交換條件，從豐田那里獲得了21項(xiàng)HSD專利授權(quán)[3]。所以強(qiáng)調(diào)一下，只要是行星齒輪結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分流裝置，我們才可稱其為E-CVT，而且準(zhǔn)確的說(shuō)，E-CVT只是一個(gè)混合動(dòng)力分流裝置，并非我們傳統(tǒng)認(rèn)知上的變速箱。
傳動(dòng)比是指?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)中兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件角速度的比值，常見(jiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件包括齒輪和齒輪、鏈條和齒輪、渦輪蝸桿等等。在齒輪嚙合傳動(dòng)中，傳動(dòng)比由主被動(dòng)齒輪的齒數(shù)決定，或者由主被動(dòng)嚙合齒輪的節(jié)圓半徑?jīng)Q定。所以說(shuō)，一旦兩個(gè)嚙合齒輪確定，那么由這對(duì)齒輪構(gòu)成的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中的傳動(dòng)比就會(huì)保持不變。
傳動(dòng)比不僅決定著兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件角速度的比值，如果兩個(gè)構(gòu)件之間存在力矩傳遞，那么力矩的關(guān)系也由傳動(dòng)比決定。以一對(duì)齒輪副傳動(dòng)為例，當(dāng)主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速和扭矩一定時(shí)，傳動(dòng)比越大，說(shuō)明從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速越小，減速效果越明顯，此時(shí)從動(dòng)齒輪獲得的扭矩越高，扭矩放大效果越明顯。如果傳動(dòng)比越小，則相反。
MT/AT/AMT/DCT這幾類變速箱內(nèi)部都有好幾對(duì)傳動(dòng)比固定的齒輪副以構(gòu)成多級(jí)擋位，目前市面上常見(jiàn)的非串聯(lián)單體變速箱的擋位數(shù)量介于4~10之間不等。為什么需要不同的擋位？因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速區(qū)間大體上是固定的，為了保證汽車在不同車速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)均能保持在經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，所以需要變速箱來(lái)提供不同的傳動(dòng)比。
換擋過(guò)程會(huì)使變速箱輸入軸和輸出軸之間的傳動(dòng)比發(fā)生階躍式變化，所以產(chǎn)生沖擊是必然的，唯一的方式是通過(guò)控制離合器接合的快慢速度來(lái)進(jìn)行削弱。所以CVT無(wú)級(jí)變速器巧妙就巧妙在，它內(nèi)部沒(méi)有齒輪副傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，也就不存在固定傳動(dòng)比，但是可以通過(guò)金屬帶和工作輪之間的配合實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比的連續(xù)平滑變化。
先說(shuō)兩者的相同之處，因?yàn)橛靡欢卧捫稳菥妥銐蛄恕Ｊ紫?，兩者都可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和車輪轉(zhuǎn)速之間的總傳動(dòng)比始終處于連續(xù)平滑的變化之中，并且無(wú)論車速怎樣變化，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速基本都會(huì)穩(wěn)定在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間。其次，兩者反饋給駕駛員的駕駛感受相似，“越踩越有”就是對(duì)該駕駛感受的最佳形容。既然沒(méi)有換擋過(guò)程，那也就不存在換擋沖擊，即所謂的頓挫感。
先從傳動(dòng)結(jié)構(gòu)上說(shuō)起。傳統(tǒng)的CVT變速箱由金屬帶、工作輪、液壓泵、起步離合器和控制系統(tǒng)等組成。變速系統(tǒng)中的主、從動(dòng)工作輪分別由固定部分和可動(dòng)部分組成，固定部分和可動(dòng)部分間形成V型槽，剖面同樣呈V型的金屬傳動(dòng)帶在槽內(nèi)與工作輪嚙合。當(dāng)主、從動(dòng)工作輪的可動(dòng)部分作軸向移動(dòng)時(shí)，V型槽便會(huì)擠壓傳動(dòng)帶向外徑向擴(kuò)張，即可改變傳動(dòng)帶與工作輪的嚙合半徑，從而改變了傳動(dòng)比。
E-CVT其實(shí)就是一個(gè)行星齒輪結(jié)構(gòu)加兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。其中，太陽(yáng)輪與1號(hào)電機(jī)相連，行星架與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪相連，齒圈同時(shí)與2號(hào)電機(jī)和E-CVT輸出軸相連。利用行星齒輪結(jié)構(gòu)中各部件的轉(zhuǎn)速關(guān)系實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪端輸入軸和齒圈輸出軸之間傳動(dòng)比的連續(xù)變化。
然后分析工作原理。CVT可以視為皮帶傳動(dòng)，如果不考慮傳動(dòng)帶的打滑現(xiàn)象，那么可以認(rèn)為CVT變速箱的瞬時(shí)傳動(dòng)比就是從動(dòng)工作輪與主動(dòng)工作輪工作半徑之比，即傳動(dòng)系統(tǒng)有且僅有一個(gè)自由度。所以，每一時(shí)刻的減速效果和扭矩放大效果都是由傳動(dòng)比確定的。
但是E-CVT卻無(wú)法用“傳動(dòng)比”去描述輸入軸和輸出軸之間的關(guān)系。因?yàn)樵谛行驱X輪結(jié)構(gòu)中，存在兩對(duì)可以相對(duì)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)且互不影響的齒輪副，即該傳動(dòng)系統(tǒng)具有兩個(gè)自由度，有點(diǎn)類似差速器的工作原理。所以，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和E-CVT輸出轉(zhuǎn)速之間的比值并不等于二者扭矩的比值：因?yàn)榍罢呤请S時(shí)可以變化的，而后者幾乎是一個(gè)定值。
上圖所示的公式是行星齒輪結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件運(yùn)行角速度的關(guān)系，可以看出，如果想要將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持在一定范圍之內(nèi)，只需要根據(jù)齒圈的旋轉(zhuǎn)速度調(diào)節(jié)與太陽(yáng)輪相連的1號(hào)電機(jī)的轉(zhuǎn)速即可。但是各部件之間的轉(zhuǎn)矩之比卻是固定的，想要得到大扭矩輸出，電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)則必須按照固定比例同時(shí)放大。
最后是應(yīng)用場(chǎng)景不同，CVT的輸入輸出只能是同一種動(dòng)力源。而E-CVT是混合動(dòng)力車輛專屬的結(jié)構(gòu)，利用行星齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中兩自由度的特性，巧妙地將電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力整合在一起對(duì)外輸出。對(duì)了，E-CVT并不屬常規(guī)混合動(dòng)力系統(tǒng)P0/P1/P2/P3/P4分類中的任意一種構(gòu)型，因?yàn)樗谋举|(zhì)就是一個(gè)動(dòng)力分流結(jié)構(gòu)，油電兩種動(dòng)力在其內(nèi)部即可實(shí)現(xiàn)耦合。
E-CVT的內(nèi)部結(jié)構(gòu)其實(shí)要比CVT、AT等傳統(tǒng)變速箱簡(jiǎn)單的多，那么，豐田的核心技術(shù)到底在哪里？答案是在軟件層面的控制邏輯上。常見(jiàn)的運(yùn)行工況包括怠速、起步、小負(fù)荷加速、大負(fù)荷加速、勻速巡航以及減速，每種運(yùn)行工況下又可細(xì)分出多種更具體的工況。那么，如何控制兩個(gè)電機(jī)在每時(shí)每刻都能輸出精準(zhǔn)的轉(zhuǎn)速和扭矩，這是需要通過(guò)大量軟件仿真、臺(tái)架試驗(yàn)、整車實(shí)驗(yàn)才能標(biāo)定出來(lái)的。而且，面對(duì)如此復(fù)雜的控制系統(tǒng)，怎樣保證其運(yùn)行時(shí)的魯棒性和穩(wěn)定性，同樣需要技術(shù)成熟并且可靠的高精度算法。
危險(xiǎn)動(dòng)作！不建議大家去嘗試，但這是我能想到比較合理而又通俗易懂的比喻。騎著自行車下降同樣的高度（傳動(dòng)比由高到底），MT/AT/AMT/DCT就像是一層層臺(tái)階，而E-CVT和CVT則像是一個(gè)坡道。前者內(nèi)部存在著齒輪結(jié)構(gòu)使傳動(dòng)比像臺(tái)階一樣斷層分布，而不是連續(xù)變化的，所以會(huì)在換擋過(guò)程中產(chǎn)生頓挫感。后者內(nèi)部并非采用傳統(tǒng)變速箱的齒輪傳動(dòng)形式，但是傳動(dòng)比可以連續(xù)平滑的變化，因此不存在換擋過(guò)程。
不過(guò)，CVT和E-CVT的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和用途卻截然不同，前者是靠金屬帶搭配可變直徑的工作輪實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，只可傳遞同一種動(dòng)力源；后者是靠行星齒輪組天生的傳動(dòng)特性實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，能夠匯合兩種動(dòng)力源（油+電）并對(duì)外輸出。就像同樣的坡道，一個(gè)是瀝青路面，另一個(gè)是大理石路面，一個(gè)每次只允許單車同行，另一個(gè)則允許多車通過(guò)。雖然道路鋪設(shè)的材料、準(zhǔn)許通行條件不同，但路面反饋給自行車騎手的主觀感受是相似的。
1、HSD才是學(xué)名，E-CVT只是豐田為了方便歸類而起的“外號(hào)”。
2、E-CVT和CVT除了駕駛感受相似，都能實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)變速之外，其它諸如機(jī)械結(jié)構(gòu)、工作原理、適配車型等等均不相同。
3、CVT只能傳遞同一種動(dòng)力（純電或純油），而E-CVT可以匯流兩種不同的動(dòng)力（油+電）。
4、E-CVT并不能歸入傳統(tǒng)變速箱行列，準(zhǔn)確地說(shuō)它只是混合動(dòng)力分流結(jié)構(gòu)，并且扭矩放大比和減速比之間沒(méi)有固定關(guān)系（兩自由度系統(tǒng)），不能用傳動(dòng)比來(lái)描述運(yùn)動(dòng)關(guān)系。
參考文獻(xiàn)：
[1]https://en.wikipedia.org/wiki/Hybrid_Synergy_Drive
[2]http://what-when-how.com/automobile/electronically-controlled-continuously-variable-transmission-ecvt-automobile/
[3]Bruce Nussbaum (2005-11-01). "Is Ford Innovative? Part Two". Bloomberg Businessweek. Retrieved 2011-03-09.
本文作者為踢車幫Torres
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