CVT和DSG两种变速器的全面对比

在电动汽车短期内还无法普及的情况下,为了实现节能和环保,许多公司将节能减排的法宝压在了变速箱上。大众汽车将变速箱的研发重点放在了DSG双离合器变速箱上。与此类似,日产汽车也将赌注下在了CVT无级变速箱上。

11月8日,东风日产宣布全新一代智能XTRONIC CVT变速箱将在该公司国产,目前东风日产采用CVT无级变速箱的车型占整个车系的50%,包括奇骏、骐达、天籁、逍客等车型都推出了CVT版本。


CVT变速箱和DSG双离合变速箱的技术特点应该说各有所长,本期三博演议邀请到清华大学、北京理工大学和北京航空航天大学三位汽车专业的博士,为大家进行详细的解读,到底哪种变速箱更给力?


直到二十世纪八十年代初,全球轿车变速器市场一直是二分天下,一分归具有绝对优势的手动变速器MT,另一分归自动变速器AT。自动变速器的出现是汽车传动系的一次飞跃。它使驾驶员免去了繁杂的换挡操作,充分享受到汽车带来的便捷。因此,AT上市后以气吞山河之势占领了北美90%以上的市场份额并不是神话。AT的成功极大激励了汽车厂商对于自动变速器的研究。事实上,自动变速器领域从来不是只有AT一枝独秀,机械设计师们也不缺乏想象力,各种不同工作原理的自动变速器方案很早就已经被提出了,无级式的CVT,无限变速器IVT,双离合器变速器DCT……但由于技术上和工艺上的不成熟,也只是设计出了样机或是在少数赛车上使用过。




在过去的几年里,随着油价的上涨(有人曾做过这样的比喻,全球的石油储量相当于一座富士山,现在石油的储量只有雪山顶了,能源告急)和环境的破坏(温室效应、臭氧空洞……减少温室气体和有毒气体的排量迫在眉睫),自动变速器的发展面临严重的考验。主要表现为两个方面,一是降低燃油消耗,二是提高功率密度。传统的AT在燃油经济性上表现的不很让人满意,比手动变速器的油耗大约高出5%-20%(液力变矩器的传动效率相对较低)。因此,随着各方面技术的成熟,可以比手动变速器更省油的CVT和DCT开始越来越受到汽车厂商的青睐。




燃油经济性


DCT和CVT在燃油经济性方面的表现参见下面的图表(基于德国汽车市场的公开数据各种变速器油耗比较,来源于SCHAEFFLER GROUP)。由图可知:AT的燃油经济性只有在发动机功率较大时有比较好的表现,并且随着挡数的增加,经济性会变好。而CVT 和DCT的燃油经济性总体表现都非常好。




那么,是什么原因使得它们可以获得良好的经济性,它们还存在什么问题,笔者就这两方面与大家做一些简单的交流。




DCT的节能优势:




1、实现无动力中断换挡,减少由动力中断引起的能量损失。


DCT的换挡原理基于两个离合器的转换,在换挡前就可以进行档位选择,换挡时只要分别完成两个离合器的分离和闭合就可以了(实现控制很困难,是双离合器变速器的核心技术)。整个换挡过程没有出现动力中断,从而提升了燃油经济性。


2、执行机构的能量损耗小。


对于自动变速器而言,执行机构的能耗是其燃油损失的主要部分。这里需要明确一个概念:DCT根据采用的离合器的不同可以分为湿式的和干式的。二者最大的不同是离合器间是否存在油液。由下图可知,干式离合器的经济性不仅优于湿式,与MT相比也毫不逊色,主要原因在于干式执行机构的能耗非常低。干式双离合器采用的是电动执行机构,而湿式的则采用电液执行机构,这一项区别使干式双离合器变速器燃油消耗率比湿式的大约降低5%。




CVT的节能优势:




1、 可以使发动机频繁工作在较低油耗的工况下,从而获得良好的经济性。


由最小燃油消耗特性曲线可以得到某一工况下的最佳传动比,CVT可以根据不同的工况,为汽车提供最佳传动比,从而提高整车的燃油经济性。


2、 实现无动力中断换挡,减少由动力中断引起的能量损失。


CVT的换挡原理钢带或链条在两个锥形盘上移动来改变传动比,不会出现动力中断(钢带或链条不打滑)。


DCT和CVT的能量损失




对于湿式离合器变速器的能量损失源自离合器间的冷却液和电液执行机构。干式离合器则主要源自电动执行机构。CVT的能量损失来源于变速机构和电液执行机构。


DCT和CVT的未来


笔者认为对于湿式DCT而言,提高执行机构的工作效率来获得更好的经济性;对于干式DCT,则需要进一步提高极限载荷。CVT需要在电液执行单元和变速机构上做进一步的优化,尽可能降低这部分的能耗。此外,在降低成本,减小变速器的重量,增大速比范围,增强可靠性等方面做出进一步努力。当然最希望自动变速器这一技术壁垒可以早日被我们攻克。


我们知道,变速箱是汽车上的关键部件之一。一般地,变速箱分为手动变速箱、自动变速箱(含手自一体)、序列变速箱;其中自动变速箱又可分为液力自动变速器AT(Automatic Transmission)、电控机械式自动变速器AMT(Automated Manual Transmission)、机械无级自动变速器CVT(Continuously Variable Transmission)、双离合器自动变速器DCT(Dual Clutch Transmission)。市面上见的最多的汽车自动变速器应该是AT,一般非专业人员口口相传的自动变速器也指的是AT。


自动变速器由于操作简便,解放了驾驶员的换挡注意力,便于驾驶员发动汽车和观察路况,更好的操纵汽车,深受广大汽车驾驶员,尤其是刚拿到驾照的人的喜爱。但一直以来,自动变速器一直给人以“费油”的不良印象,这与AT在整个汽车自动变速箱所占份额较大有很大关联。而今后汽车自动变速箱市场,将逐渐过渡给综合性能较优的自动变速器。就燃油经济性而言,上述四款自动变速器中,AT最为费油,即燃油经济性最差;而AMT在换挡品质上相比较CVT和DCT而言,由于物理结构的根本差异,顿挫感明显,换挡舒适性自然不及后两者。


因此,现就其中CVT和DCT各自的特点,做一对比。对比之前,不妨先了解下CVT和DCT各自的物理结构和工作原理。


CVT


无级变速器(CVT)的最大特点就是速比变化在一段数值范围内是连续变化的,而不是有级式的速比离散化。


CVT结构比传统机械变速器简单,采用传动带和可变槽宽的棘轮进行动力传递,即当棘轮变化槽宽时,相应改变驱动轮与从动轮上传动带的接触半径进行变速,传动带一般用橡胶带、金属带和金属链等。CVT是真正无级化了,它的优点是重量轻,体积小,零件少,与AT比较具有较高的运行效率,油耗较低。但CVT的缺点也很明显的,就是传动带很容易损坏,不能承受较大的载荷,只能限用于在1升排量左右的低功率和低扭矩汽车,因此在自动变速器市场份额中约占4%以下。


据有关资料,最早应用CVT技术的是德国奔驰公司。1886年,该公司将V型橡胶带式CVT安装在了汽车上。1958年,荷兰的DAF公司H.Van Doorne博士研制成功了名为Variomatic的双V型橡胶带式CVT,并装备于DAF公司制造的Daffodil轿车上,其销量超过了100万辆。不过,受限于橡胶皮带的物理特性,CVT技术一直徘徊不前。不过,随着材料技术的进步,近年来经过各大汽车公司的大力研究,情况有所改善。 从全球范围来看,比较大的变速箱生产厂商有3家,它们分别是ZF(采埃孚)、Aisin AW(爱信)和Jatco,他们也都有生产CVT变速箱。


1、经济性

CVT可以在相当宽的范围内实现无级变速,从而获得传动系与发动机工况的最佳匹配,提高整车的燃油经济性。德国的大众公司在自己的Golf VR6轿车上分别安装了4-AT和CVT进行ECE市区循环和ECE郊区循环测试,证明CVT能够有效节约燃油。


2、动力性


汽车的后备功率决定了汽车的爬坡能力和加速能力。汽车的后备功率愈大,汽车的动力性愈好。由于CVT的无级变速特性,能够获得后备功率最大的传动比,所以CVT的动力性能明显优于机械变速器(MT)和自动变速器(AT)。


3、排放

CVT的速比工作范围宽,能够使发动机以最佳工况工作,从而改善了燃烧过程,降低了废气的排放量。ZF公司将自己生产的CVT装车进行测试,其废气排放量比安装4-AT的汽车减少了大约10%。


4、成本

CVT系统结构简单,零部件数目比AT(约500个)少约300个,一旦汽车制造商开始大规模生产,CVT的成本将会比AT小。由于采用该系统可以节约燃油,随着大规模生产以及系统、材料的革新,CVT零部件(如传动带或传动链、主动轮、从动轮和液压泵)的生产成本,将降低20%-30%。


勿庸置疑,CVT变速器的技术含量和制造难度都要比MT变速器高,与AT变速器相仿,由于金属带式CVT的结构简单,所含的零件数量比AT变速器少40%左右,整车的质量因而也有所减轻。


5、驾驶平顺性


由于CVT的速比变化是连续不断的,所以汽车的加速或减速过程非常平缓,而且驾驶非常简单、安全。从而使用户获得全方位的“行驶乐趣”。


6、CVT在国内的发展情况


我国有巨大的汽车市场,汽车工业是我国的民族工业之一。然而我国汽车业所需的自动变速器(AT)全部依赖进口,这使得国产汽车配备AT后,成本增加很大,而装备自行开发生产CVT变速器,其成本提高不大,说明CVT的市场前景令人乐观。


目前我国正在考虑发展轿车自动变速器的问题。自“九·五”期间轿车金属带式无级自动变速器的开发和研制已经被列入国家的重大科技攻关计划,以跟踪世界技术的发展和开发适合我国国情的汽车。


在最近的十几年中,CVT技术已经上前迈进了一大步,使得CVT比有着超过100年历史的机械变速器MT和有着超过50年历史的自动变速器AT更有竞争力。


DCT


DCT(Dual Clutch Transmission,双离合器变速器),亦称DSG(Direct Shift Gearbox,直接换挡变速器),最早可追溯到1940的德国,当时一位名叫Rudolph Franke的Darmstadt大学教授申请了DCT发明专利;随后保时捷也发明了专用于赛车的双离合变速器(PDK)。1976年,DCT开始装备在大众公司的高尔夫GTI轿车上销售,1985年,奥迪又将DCT技术应用在赛车上,此后DCT又经过长时间的发展和完善,直到20世纪90年代末期,大众公

司和博格华纳才合作生产出第一款适于大批量生产和应用于主流车型的DCT产品。


2002年,DCT应用在德国大众高尔夫R32和奥迪TTV6上。2003年,其相继推广到高尔夫等其他车型上。2004年,DCT在德国大众途安车型上首次与TDI柴油发动机匹配。到2006年,搭载DCT的大众车型累计达到70万辆。2007年,法拉利、雷诺等公司纷纷推出了各自的赛车,一个共同的特点是全都搭载了类似DCT的变速器。同时,Recardo公司开发出了DCT样机,并装配在Bugatti-Veyron跑车上。LuK公司与Ford、Getrag公司合作,共同开发带有干式离合器的DCT,称为平行轴式变速器(PSG)。

如图5,离合器1、2分别负责变速器的奇数挡位和偶数挡位;挂上奇数档时,离合器1结合,输入轴1 工作,离合器2分离,输入轴2不工作,挂上偶数挡时,则相反。即在DCT工作过程中总是有两个档位是结合的,一个正在工作,另一个则为下一步做好准备;手动模式下可以进行跳跃降档:如果起始档位和最终档位属于同一个离合器控制的,则会通过另一离合器控制的档位转换一下,如果起始档位和最终档位不属于同一个离合器控制的,则可以直接跳跃降至所定档位。


AMT的结构较自动变速箱效率更高,而DSG除了拥有手动变速箱的灵活及自动变速箱的舒适外,它更能提供无间断的动力输出。DSG则可以想象为将两台手动变速箱的功能合二为一,并建立在单一的系统内。DSG内含两台自动控制的离合器,由电子控制及液压推动,能同时控制两组离合器的运作。当变速箱运作时,一组齿轮啮合,而接近换挡之时,下一挡段的齿轮已被预选,但离合器仍处于分离状态;当换挡时一具离合器将使用中的齿轮分离,同时另一具离合器齿合已被预选的齿轮,在整个换挡期间能确保最少有一组齿轮在输出动力,令动力没有出现间断的状况。两具离合器各自负责一条传动轴的啮合动作,引擎动力便会由其中一条传动轴作出无间断的传送,考虑到零件使用寿命,设计人员选择了油槽膜片式离合器,离合器动作由液压系统来控制。

由于使用2套离合器并且在换挡之前下一档位已被预选齿合,因此DSG的换挡速度非常的快,只需不到0.2秒的时间,下一档已经进去了,比最好技术的专业车手的手动变速还快,因此使用同一辆车使用DSG比使用MT的加速成绩来得要快。


在实际驾驶中,DSG给人的感觉是在整个换挡过程几乎感觉不到顿挫或推拉,仅仅从转速表上可以反映出挡位在变动。并且油门踩到底时,DSG变速箱不进行换挡操作,一直到6000转才进行换挡,提供更高的驾驶安全性和乐趣。此外,DSG还有多种驾驶模式,比如运动模式,在电子程序的帮助下该模式的加挡明显迟缓而减挡则有了很大的改进,换挡时间也调得更短。有些车型,驾驶员还可以通过拨动换挡杆或利用方向盘上拨片随时切换自动模式或者手动模式,提供富有动感激情的驾驶方式。方向盘两边的换挡拨片能使驾驶员在不触动换挡杆的情况下随意进行加挡或减挡的操作,技术来源于F1赛车。在复杂的驾驶环境下,例如高速弯道时,手动换挡往往显得非常有必要,在DSG的帮助下,驾驶员在换挡的过程中还能体验到油门自动增加的特殊乐趣。


随着德国大众进口车型Golf GTI五代进入中国市场,其装备的DSG双离合器变速箱也为越来越多的消费者所了解。目前,国内汽车市场上,大众集团旗下装配DCT的车系众多,包括高6、迈腾、速腾、斯柯达等。


CVT VS DCT


前面叙述了相关的预备知识,现就大家关心的自动变速器CVT和DCT的综合性能做一简单比较。



1、燃油经济性

在能源如此紧张的今天,如果你开一辆特费油的车出门,你都不好意思打招呼。自动变速箱里CVT和DCT是两款相对节油的波箱。CVT全段工作在发动机的最大负荷工况下,相比较4-AT,可省油10%左右;DCT是基于手动变速箱的结构发展起来的,但效率却高于传统的MT。据有关资料,DCT的燃油经济性较好,比4-AT提高18%,比CVT提高8%,比6-MT提高2%。显然,DCT的经济性更好一些。


CVT★★★★☆


DCT★★★★★


2、驾驶体验


一般消费者买车主要就是三个目的:上班代步、周末出行、自驾游。一辆好的汽车,除了操纵简便外,就是要给驾驶者一定的驾驶体验,如果跟开电动自行车一个感觉,估计没有多少人会愿意花上这么大笔钱去买汽车了。


CVT就是无级变速器,驾驶者只需控制加速踏板和制动踏板,相对单调些;而DCT既可全程电脑控制,也可切换至手动模式,更有众多的路况模式可供选择,如:运动模式、雪地模式等,相对而言,驾驶乐趣更多一些。


CVT★★★★☆


DCT★★★★★


3、动力平顺性


相信开过手动挡汽车和AMT车型的朋友一定非常了解顿挫感这个概念。用俗话讲,就是在操纵变速箱切换挡位的瞬间,汽车会一顿一顿的,这是由于发动机动力输出与动力传动系统之间转速和扭矩的不匹配造成的顿挫现象。相信没有人愿意让这种现象一直持续下去。CVT和DCT的出现,就很好的解决了这个问题。


由于CVT动力切换无级变化和DCT的双离合器动力无缝联接,在将发动机澎湃动力传递给驱动轮的过程中,不存在动力中断过程,动力传递平稳。实际体验中,CVT有加速滞后现象,但并不明显;而DCT几乎没有任何迟滞。综合而言,DCT的起步性能和换档品质略胜一筹。


CVT★★★★☆


DCT★★★★★


4、生产成本


这是个汽车市场无法回避的话题,成本为王这个理念到今天就尤为显的重要了。有些产品,技术含量较高,功能应用很符合市场,市场需求很大,但苦于成本的限制,离大批量普及很长的一段路要走,譬如IT业熟知的SSD。目前是硬盘中的贵族,没有多少个人消费者消费得起。


DCT的大部分零件的生产工艺都与传统的挂接式变速器相近,产品继承性好,产业化实施起来条件比较优越。尽管CVT的组成部件相对简单,但由于加工工艺等等其它一些因素的影响,导致CVT比DCT更贵。目前,普遍认可的市场价格:MT<AMT<DCT<AT<CVT。


CVT★★★★☆


DCT★★★★★


5、综合


目前看来,在各项技术性能指标上,DCT都出尽了风头,除了较好的燃油经济性,丰富的驾驶体验外,紧凑的设计,相对较轻的质量,能传递较大的扭矩以及有竞争力的市场价格导致国内外汽车对DSG的需求订单源源不断。2010年5月,大众在大连独资设立的DSG工厂正式投入运营。但由于市场的成熟度不够,2009年以来,大众就因为DCT变速箱动力中断和变速箱油温的问题,在全球范围内召回。


DCT的关键技术主要集中于双离合器的生产和控制上。DCT的换档品质取决于双离合器的性能和控制策略,技术含量较高,核心控制策略和部件都掌握在外国人手中。国内自主开发的CVT尚刚刚起步,对于DCT的研究才刚刚起步,谈不上真正的掌握DSG(DCT)的核心技术。而CVT如果在技术上不能很好的解决传递扭矩较小,金属带易磨损的问题,相信没有多少人愿意老去4s店排队。自然,后期的维护成本DCT和CVT互打平手。


如果你是一个不断追求技术进步、享受高科技带来的丰富体验和驾乘乐趣的,DCT绝对不会让你失望。当然,如果你更愿意只操纵方向盘,只是纯粹的用来上班代步,那么,CVT应该会让你得心应手。而且,新一代的CVT已经市场化了,它能适应更大的扭矩,随着各国政府和各大汽车厂商对CVT的重视,相信CVT的成本会得到有效的降低,这才是CVT寿命周期的开始,届时CVT特性会进一步提高。有一点值得注意的是,装配有CVT的汽车市场,由最初的日本,欧洲,已经渗透到北美市场。CVT将是自动变速箱的发展方向之一。


国内目前有几款CVT产品,分别是东风日产、奥迪、飞度、西耶那(帕力奥),奇瑞旗云,海马欢动等。而几乎大众全系,包括宝来、途观、CC、迈腾、高6、斯柯达、奥迪等在内的车型都装配了DSG。上汽荣威也与博格华纳合作推出了DSG车型。



尽管如此,理性消费者面对汽车的时候,不会因汽车的某一方面突出而选择之,消费者会是一个复杂的、综合考量分析的过程,既有横向对比,也会做纵向比较。相信,随着科技的进步,尤其是材料和电控技术的进步,未来更为新颖、更受消费者喜爱的变速箱会不断涌现出来。

猜你感兴趣

更多 >>

评论

评 论

更多精彩内容