歷史悠久的錐環(huán)結(jié)構(gòu)應(yīng)用

對(duì)于大多數(shù)人來說，KRG錐環(huán)無級(jí)變速器可能是一個(gè)奇怪的術(shù)語。但這種變速箱未來可能會(huì)成為我國小排量汽車的主流變速箱。低成本、高效率、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能多樣、流暢等優(yōu)點(diǎn)值得我們關(guān)注。在正式量產(chǎn)之前，我們先來了解一下這款結(jié)構(gòu)新穎的變速箱。

GIF創(chuàng)新的錐形環(huán)無級(jí)變速器

◆無級(jí)變速的基礎(chǔ)，滾錐+錐環(huán)代替鋼帶和棘輪——?dú)v史悠久，不斷創(chuàng)新:結(jié)構(gòu)源自1902年+創(chuàng)新控制機(jī)構(gòu)。

KRG變速箱展示模型

眾所周知，傳統(tǒng)CVT無級(jí)變速器的核心傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由主動(dòng)棘輪和變槽寬從動(dòng)棘輪以及鋼帶組成。通過改變主動(dòng)棘輪和從動(dòng)棘輪的V型槽寬，可以改變鋼帶在兩個(gè)棘輪上轉(zhuǎn)動(dòng)的周長，進(jìn)而可以連續(xù)改變速比。

傳統(tǒng)的無級(jí)變速器通過可變V型槽寬的主、從動(dòng)棘輪和鋼帶連續(xù)調(diào)節(jié)速比。

KRG錐環(huán)無級(jí)變速器的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)是輸入錐、輸出錐和在它們之間傳遞動(dòng)力的錐環(huán)。錐環(huán)在兩個(gè)錐上的平面所得到的截面圓的周長決定了輸入軸和輸出軸的速比，所以錐環(huán)在錐上的位置直接決定了變速箱的速比。因?yàn)殄F環(huán)可以在錐上的左右停止點(diǎn)之間自由移動(dòng)，所以它可以在一定范圍內(nèi)提供無級(jí)變速比。

上輸入滾錐、下輸出滾錐和在它們之間傳遞動(dòng)力的錐環(huán)構(gòu)成了錐環(huán)傳動(dòng)的主要機(jī)構(gòu)。錐環(huán)和錐環(huán)所在平面的周長相對(duì)于兩個(gè)錐的橫截面圓的差決定了輸入-輸出速度比。

只要輸入錐旋轉(zhuǎn)，動(dòng)力就會(huì)通過輸入錐傳遞到錐環(huán)，然后驅(qū)動(dòng)輸出錐反向旋轉(zhuǎn)。據(jù)報(bào)道，這套機(jī)構(gòu)早在1902年就被引進(jìn)，GIF成功將其應(yīng)用到汽車變速箱上，目前已經(jīng)達(dá)到量產(chǎn)水平。這種機(jī)構(gòu)也適用于混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車作為變速機(jī)構(gòu)。

KRG變速箱的整體結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜。目前，KRG變速箱主要是為橫向發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的。動(dòng)力從發(fā)動(dòng)機(jī)出來后，直接連接到離合器上。輸入軸連接到行星齒輪，然后輸入錐-錐環(huán)-輸出錐，然后動(dòng)力輸出到差速器-半軸。

離合器方面，KRG使用的干式離合器和AMT變速箱一樣，采用電子控制，為人們提供了一個(gè)電子左腳。不同的是，與大多數(shù)AMT變速箱不同，它的離合器控制機(jī)構(gòu)并不采用電液控制系統(tǒng)來控制離合器的接合和分離，而是采用電動(dòng)機(jī)來控制離合器，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度更快。當(dāng)然也可以使用液力變矩器，GRC-吉福動(dòng)力科技的工程師可以根據(jù)廠家的需求進(jìn)行開發(fā)匹配。

KRG變速箱:離合器-行星齒輪組-輸入錐-傳動(dòng)錐環(huán)-輸出錐-減速齒輪-差速器-半軸1-輸入錐2-輸出錐3-傳動(dòng)錐環(huán)4-膨脹機(jī)構(gòu)5-錐環(huán)定位機(jī)構(gòu)5a-控制架

速比的變化調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

◆變速比調(diào)節(jié)——變速比調(diào)節(jié)只需要一臺(tái)低功率伺服電機(jī)。

眾所周知，傳統(tǒng)的CVT變速箱需要一套液壓泵機(jī)構(gòu)來推動(dòng)棘輪，改變其槽寬，進(jìn)而改變速比。液壓控制機(jī)構(gòu)和執(zhí)行器的加入，使得CVT變速箱的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，這也直接導(dǎo)致變速箱成本較高。在KRG變速箱上，GIF吉福德工程師利用錐環(huán)本身的機(jī)械特性，只用一個(gè)簡(jiǎn)單的模塊就實(shí)現(xiàn)了速比轉(zhuǎn)換。

KRG變速箱傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化模型

從平面圖中我們可以很容易地理解KRG速比調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的原理。由于錐體的特殊形狀，當(dāng)傳遞動(dòng)力的錐環(huán)平面垂直于滾動(dòng)錐體的中心線時(shí)，錐環(huán)可以保持其當(dāng)前位置不變，即變速箱可以以恒定的速比輸出動(dòng)力。當(dāng)錐環(huán)平面與中心線之間的角度發(fā)生變化時(shí)，錐環(huán)會(huì)隨著錐體的旋轉(zhuǎn)而相應(yīng)地在錐體上向左或向右移動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)完全是由“錐體”的形狀特征引起的，屬于完全自發(fā)的運(yùn)動(dòng)，無需外力推動(dòng)錐環(huán)在滾動(dòng)錐體上左右移動(dòng)。而且，錐環(huán)平面與滾錐中心線的夾角越小，左右移動(dòng)越快。因此，工程師只需要設(shè)計(jì)一個(gè)可以調(diào)節(jié)錐環(huán)角度的機(jī)構(gòu)，并配合相應(yīng)的電控程序，就可以輕松調(diào)節(jié)速比，控制速比變化的速度。

當(dāng)傳遞動(dòng)力的錐環(huán)平面垂直于滾錐中心線時(shí)，錐環(huán)可以保持當(dāng)前位置不變。只需使錐環(huán)的平面與滾錐的中心線成一個(gè)角度，錐環(huán)就會(huì)隨著滾錐的轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)地向左或向右移動(dòng)。

工程師為錐形環(huán)設(shè)計(jì)了一個(gè)控制框架?？刂瓶蚣艿南露擞幸粋€(gè)帶滑軌的限制器，用于控制變速箱錐環(huán)的角度。該控制架由伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，可在箱體內(nèi)旋轉(zhuǎn)一定角度。當(dāng)變速箱需要以固定速比輸出時(shí)，控制架只需保持錐環(huán)與滾錐軸線平行即可。當(dāng)變速箱需要改變速比時(shí)，伺服電機(jī)帶動(dòng)控制架相應(yīng)改變錐環(huán)的角度，錐環(huán)會(huì)隨著滾錐的運(yùn)動(dòng)而自動(dòng)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)達(dá)到要求的速比時(shí)，控制架可以將錐環(huán)轉(zhuǎn)回垂直角度狀態(tài)。這個(gè)速比調(diào)節(jié)過程只需要克服錐環(huán)和控制架本身的慣性，只需要一個(gè)小功率的電機(jī)。伺服電機(jī)設(shè)計(jì)在齒輪箱外殼外部，便于維護(hù)。KRG省去了傳統(tǒng)CVT復(fù)雜昂貴的液壓控制機(jī)構(gòu)，在裝配難度、制造成本、控制件重量、維修方便性等方面都超越了傳統(tǒng)CVT變速箱，其響應(yīng)速度也優(yōu)于液壓控制機(jī)構(gòu)。

整個(gè)可旋轉(zhuǎn)的控制架，限制器可以沿著滑軌自由滑動(dòng)來控制錐環(huán)的角度，就像我們轉(zhuǎn)動(dòng)自行車把手一樣，非常輕松。只需要小功率伺服電機(jī)變速箱實(shí)體模型中的控制架和錐環(huán)，還可以看到控制架的滑軌和限位器，就是控制架的伺服電機(jī)。

傳動(dòng)效率保障

◆傳動(dòng)效率保證:膨脹機(jī)構(gòu)和變速箱潤滑——機(jī)械自膨脹機(jī)構(gòu)，摩擦傳動(dòng)部分采用專用潤滑油。

錐環(huán)動(dòng)力傳動(dòng)結(jié)構(gòu)與CVT一樣，不使用傳統(tǒng)的齒輪或鏈條傳遞動(dòng)力，而是依靠接觸摩擦傳遞動(dòng)力。因此，需要通過漲緊機(jī)構(gòu)為接觸部提供壓力，避免接觸摩擦部打滑造成的動(dòng)力損失。

工程師在輸出圓錐滾子軸承上設(shè)計(jì)了一套自膨脹結(jié)構(gòu)。當(dāng)錐環(huán)帶動(dòng)輸出滾錐轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與輪端連接的輸出軸端的阻力使伸縮機(jī)構(gòu)扭轉(zhuǎn)。這種扭轉(zhuǎn)力使膨脹機(jī)構(gòu)中的滾珠沿滑槽移動(dòng)，將膨脹機(jī)構(gòu)推開，并迫使輸出滾錐向右移動(dòng)。結(jié)果，錐環(huán)和輸入滾錐之間的間隙變小，錐環(huán)承受的壓力增加，錐環(huán)和滾錐之間的摩擦增強(qiáng)，從而保證了動(dòng)力傳遞效率。據(jù)了解，目前KRG原型變速箱的傳動(dòng)效率可以接近90%左右，可承受的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩約為180牛米，主要是為橫向發(fā)動(dòng)機(jī)的前驅(qū)動(dòng)開發(fā)的。工程師表示，目前正在開發(fā)能夠承受400牛米扭矩的KRG變速箱。

膨脹機(jī)構(gòu)可以減小兩個(gè)滾錐之間的間隙，增加它們之間錐環(huán)的接觸壓力，保證動(dòng)力傳遞效率。輸出滾錐的被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)和輪端的阻力使膨脹機(jī)構(gòu)扭轉(zhuǎn)，滾珠沿滑槽運(yùn)動(dòng)，將膨脹塊推開。

為了進(jìn)一步保證摩擦界面的動(dòng)力傳遞效率，工程師專門為變速箱的錐環(huán)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一個(gè)獨(dú)立的密封室。齒輪箱的滾錐等軸承和齒輪都使用普通的齒輪箱油，而專門開發(fā)的潤滑油——“牽引油”就用在這個(gè)腔室內(nèi)。在腔室中，輸出滾錐浸入牽引油中，通過飛濺潤滑來潤滑摩擦部件。與普通CVT變速箱油相比，這種“牽引油”增加了50%的摩擦力，保證了動(dòng)力傳遞效率。

紅色部分使用普通傳動(dòng)油，綠色部分使用特殊配方潤滑油——“牽引油”提供潤滑，保證接觸摩擦部件的有效動(dòng)力傳遞。此外，綠色部分是飛濺潤滑。

用戶可能關(guān)心的問題:變速箱是為免維護(hù)設(shè)計(jì)的嗎？變速箱油貴嗎？

據(jù)GRC岐阜動(dòng)力總經(jīng)理李悟先生介紹，他們使用的牽引油只是配方上與傳統(tǒng)變速箱油不同，但成本并不高，甚至比一些自動(dòng)變速箱油還便宜。此外，他們的KRG變速箱本身是免維護(hù)設(shè)計(jì)，這意味著在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)不需要更換新的變速箱油。所以未來國內(nèi)用戶不需要擔(dān)心后期的使用成本。

◆擋位控制機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)CVT相似——行星齒輪切換前進(jìn)/后退空擋位。

KRG錐環(huán)無級(jí)變速器的換擋機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)的無級(jí)變速器一樣，依賴于行星齒輪機(jī)構(gòu)。發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力通過離合器傳遞給變速箱的輸入軸，輸入軸與行星齒輪結(jié)構(gòu)的太陽輪連接，后端的輸入錐與行星齒輪結(jié)構(gòu)的齒圈連接。

行星齒輪的太陽輪與變速箱的輸入軸連接，而行星齒輪后面的輸入錐與行星齒輪的齒圈連接。

但與目前大多數(shù)CVT變速箱不同的是，它并不依靠多片離合器來分別控制行星齒輪的齒圈和行星架，而是采用一套由撥叉控制的花鍵套來控制行星齒輪的齒圈和行星架。在“D”擋下，撥叉移動(dòng)花鍵套鎖緊行星齒輪架和外齒圈，使整個(gè)行星齒輪形成一個(gè)整體，輸入軸和輸入滾錐同步轉(zhuǎn)動(dòng)；在“R”擋下，花鍵套只在撥叉的作用下鎖住行星齒輪架，在行星齒輪的作用下，太陽輪帶動(dòng)齒圈反向轉(zhuǎn)動(dòng)，輸入滾錐與變速箱輸入軸反向轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)倒檔的功能；在“N”擋中，花鍵完全釋放齒圈和行星架，太陽輪只能帶動(dòng)行星架空轉(zhuǎn)動(dòng)，不能將動(dòng)力傳遞給齒圈。

KRG變速箱體驗(yàn)&小結(jié)

◆KRG變速箱體驗(yàn):整體感覺相當(dāng)于CVT。

筆者簡(jiǎn)單體驗(yàn)了一下從歐洲運(yùn)來的KRG變速箱驗(yàn)證車，這是第五代福特嘉年華（查成交價(jià)|參配|優(yōu)惠政策）車型。GIF工程師更換了車輛的變速箱，變速箱的TCU放在副駕駛位置下。然而，司機(jī)的操作端并沒有改變。進(jìn)入車內(nèi)，變速桿依然是大家熟悉的自動(dòng)手動(dòng)變速箱樣式。經(jīng)驗(yàn)證，該車KRG變速箱提供模擬7速手動(dòng)換擋功能，中控臺(tái)上增加了顯示變速箱工作情況的液晶屏。據(jù)工程師介紹，KRG變速箱的重量介于AMT和AT之間，在車輛維修質(zhì)量上優(yōu)于AT。

這次體驗(yàn)的KRG變速箱技術(shù)驗(yàn)證車是第五代福特嘉年華車型。據(jù)工程師介紹，KRG變速箱的重量依然是AMT和AT之間的原廠車型，變速箱的運(yùn)行方式也沒有什么特別之處。中控臺(tái)上有一塊額外的顯示屏，顯示當(dāng)前的速比、工作模式、檔位、牽引油和變速箱油溫。乘客座椅下方是KRG變速箱的TCU變速箱控制模塊。

啟動(dòng)車輛，松開制動(dòng)踏板，配備干式離合器的KRG變速箱自動(dòng)將離合器切換到半聯(lián)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了起步和倒車時(shí)的“爬行”功能。該功能在國內(nèi)部分AMT車型上也已實(shí)現(xiàn)。與使用液力變矩器的CVT或AT車型相比，這種半聯(lián)動(dòng)的感覺還是有些生澀。如前所述，KRG變速箱可以根據(jù)制造商的要求匹配液力變矩器，但在經(jīng)濟(jì)性上會(huì)失去一些優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)你以輕油門踏板起步時(shí)，你會(huì)看到車速在不斷提高，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速始終保持在一個(gè)穩(wěn)定的速度——就像熟悉的CVT車型一樣。整個(gè)駕駛過程平穩(wěn)舒適，是AMT變速箱乃至一些齒疏的AT變速箱無法比擬的。手動(dòng)模式下，加減速響應(yīng)速度也與CVT變速箱相當(dāng)，超越普通自動(dòng)變速箱。當(dāng)你深踩油門踏板，快速加速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)比CVT變速箱爬升得更快，不會(huì)有自動(dòng)變速箱降檔的頓挫感。速比快速增加后，變速箱會(huì)將發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定在較高的轉(zhuǎn)速。既能快速調(diào)節(jié)速比滿足動(dòng)力輸出的需求，又能避免突兀且不失舒適性，將是家庭用車用戶乃至商務(wù)用車用戶的不錯(cuò)選擇。

當(dāng)車輛在靜止?fàn)顟B(tài)下全油門起步時(shí)，變速箱會(huì)先控制速比，使發(fā)動(dòng)機(jī)短暫停留在較低轉(zhuǎn)速，避免大速比時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)高速輸出的扭矩導(dǎo)致變速箱打滑。車輛從靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)入行駛狀態(tài)后，變速箱會(huì)釋放發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，拉起速比使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速全面爬升。總的來說，除了電控干式離合器和采用液力變矩器的CVT在起步和低速時(shí)的區(qū)別外，KRG變速箱在行駛中的感受與CVT相當(dāng)。

◆總結(jié):獲得了性能和成本兩方面的優(yōu)勢(shì)，可靠性還有待觀察。

吉福動(dòng)力科技在中國引進(jìn)的KRG變速箱技術(shù)剛剛引進(jìn)中國。他們的合作模式是為制造商開發(fā)產(chǎn)品和提供技術(shù)，而制造商自己進(jìn)行生產(chǎn)。目前國內(nèi)還沒有明確的合作廠商，也就是說短期內(nèi)我們?cè)趪a(chǎn)車型上看不到搭載這款變速箱的車型。

KRG變速箱的研發(fā)已經(jīng)進(jìn)行了近20年，今天介紹的技術(shù)是非常成熟的第四代產(chǎn)品。

從變速箱的定位來看，主要是為1.6L以下的小排量前輪車設(shè)計(jì)，經(jīng)過20多年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)是技術(shù)相對(duì)成熟的第四代產(chǎn)品。目前國內(nèi)該級(jí)別產(chǎn)品使用的自動(dòng)變速箱主要有AT、AMT、CVT、DCT雙離合變速箱四種類型。從廠商的角度來看，KRG在裝配難度和制造成本上優(yōu)勢(shì)明顯，普通CVT變速箱成本只有一半，對(duì)于小型車廠商來說是個(gè)好消息。然而，我們?nèi)匀徊恢繥RC在開發(fā)、技術(shù)轉(zhuǎn)讓和專利使用方面需要多少，產(chǎn)品的可靠性還需要時(shí)間。但單從產(chǎn)量來看，KRG對(duì)廠商還是很有吸引力的。

對(duì)于消費(fèi)者來說，KRG錐環(huán)CVT在經(jīng)濟(jì)性和平順性方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)，比AMT更低的成本意味著自動(dòng)變速箱車型將以更低的價(jià)格面世。目前大部分車輛的手動(dòng)和自動(dòng)變速箱車型價(jià)格相差在1萬元左右，因此配備KRG變速箱的車型在價(jià)格上有望更接近手動(dòng)變速箱車型。據(jù)陪同試駕的工程師介紹，如果KRG變速箱是量產(chǎn)的話，配備這款變速箱的車型預(yù)計(jì)會(huì)比同車型的CVT車型低5000元以上。

KRG變速箱的成本僅相當(dāng)于CVT變速箱的一半。

總的來說，這款產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)明顯。目前懸而未決的是其長期使用的可靠性和GRC技術(shù)轉(zhuǎn)讓開發(fā)的成本能否被國內(nèi)廠商接受，哪個(gè)廠商會(huì)第一個(gè)吃螃蟹？我們將拭目以待。