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AT v.s CVT有段變速對決無段變速

車訊網 標誌 車訊網 2017/10/13
© 由 車訊網 提供

提到自動變速箱,以往指的是使用行星齒輪的檔位式,但最近的小型車有愈來愈多使用CVT的趨勢。有段式與無段式,各自的優缺點是?

原來二戰期間就有自排變速箱?

內燃機備有許多優點,但唯一的缺點就是能發出完整扭力的轉速區域有限,為了有效活用能發出扭力的轉速區域,就必須搭配變速箱。

世界首部汽油引擎車Daimler和Benz都備有類似減速機構的變速系統,將引擎轉速減低以傳到車輪。現代化的變速箱則開發於1898年,由法國的Luis Renault將變速箱、傳動軸、差速器整合為動力傳輸系統。

繼Renault開啟手排變速箱的時代後,1939年Chrysler採用以扭力轉換器替代離合器的自排變速箱。翌年,GM的Cadillac則使用扭力轉換器搭配行星齒輪的型式,這種方式就是現代檔位式AT的原型,之後又導入電子控制,隨著時間的演進不斷增加檔位,如今已有使用到9速。另一方面,CVT的歷史則比AT短,1958年由荷蘭的DAF首次使用,到了2000年開始廣泛普及。

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▲CVT藉由油壓來改變兩組以鋼帶連接的金屬滑輪的溝槽寬度,當變寬時,鋼帶連接較小的齒輪上,而當滑輪寬度變窄時,則連接在較大的齒輪上。

齒輪的嚙合v.s.鋼帶

自排變速箱沒有離合器踏板,但仍需要將引擎與變速箱脫離或接合的離合器功能,使用的就是扭力轉換器,倘若少了這項機構,任何型式的自排變速箱皆無法工作(除了少數存在的電磁離合器)。

扭力轉換器的特性是引擎轉速低時不傳遞動力,隨著轉速的提昇才傳遞動力。無論AT或CVT,皆位於扭力轉換器的後端,但從這裡到傳動軸之間的傳遞方式大異其趣。

AT以恆星齒輪為中心,外圍環繞著行星齒輪所組成,行星齒輪的外圈再跟環形齒輪嚙合,動力由輸入軸傳入,再傳出至輸出軸,以複雜的原理進行各個齒輪轉動結合或脫開的控制。CVT的傳遞路徑就很簡單,主滑輪將動力經由鋼帶傳遞至副滑輪,再由輸出軸傳出。

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日本兩項首創

AT-Toyota Masterline

CVT-Subaru Justy

30年代後期由美國車廠率先採用自排變速箱,到1950年代末的普及率已達80%,這時日本開始研發自排變速箱,在1959年搭載於Toyota Masterline,自排在起步或上坡使用的L檔為手動,只有一個檔位的D檔才是自動控制,之後Toyota研發了2速全自動式,自此AT的使用率開始提昇。

CVT雖然濫觴於1958年發表的荷蘭DAF600,但使用鋼帶的CVT則到1987年才導入Subaru Justy,荷蘭VanDoorne開發的CVT則是採用電磁離合器來控制動力的斷續。

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▲1959年,日本第一具自排變速箱Toyoguraido,只有2速,起步或爬坡時還要以手動打入L檔。四年後,全自動2速AT搭載於Toyota Crown。

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▲日本車首次搭載AT的Toyota商用車Masterline,從這款車開啟了日本自排車的歷史。

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▲荷蘭DAF於1958年率先全世界採用CVT。29年後, Subaru Justy搭載了全世界首具使用金屬傳動帶的CVT。

有段變速or無段變速

有段還是無段?這是兩種差異的關鍵字。AT根據檔位數目而有不同的控制,巧妙控制離合器和煞車,搭配齒輪組合進行有段變速。例如1檔,動力傳至前恆星齒輪,經過短齒條和長齒條的傳遞,行星齒輪架會發揮煞車的作用;2檔則在以上控制之外再添加固定反轉恆星齒輪功能,轉動速度就比1檔更快;4檔的動力輸入則由行星齒輪架進行,經由環形齒輪輸出,長齒條邊自轉邊增加反轉恆星齒輪的速度,就又比其他檔位轉得更快。到4檔為止皆以一組行星齒輪架來運作,6檔以上則搭配兩個以上的行星齒輪組合,中型車大多採用6速,也有採用9速。然而,為了檔位齒輪的搭配組合,多檔化在切換時,引擎轉速也會有明顯的變化,這點會傳遞給駕駛者。

相較之下,CVT的滑輪寬度變化無分段,也就是變速沒有檔位段數的概念,僅是變速比的幅度由小到大,再由大到小的變化而已。滑輪的寬度控制以油壓進行,可想而知,對向的滑輪一側有油壓活塞,油壓增加時,滑輪間的寬度就變小,效果與大直徑的齒輪相同,油壓減少時,滑輪間的寬度就變大,效果就與小直徑的齒輪相同。

使用鋼帶的CVT是以推力傳輸動力,引擎曲軸旋轉的動力傳遞至主滑輪,再透過鋼帶連續帶動副滑輪旋轉。由於鋼帶會彎曲,所以環帶的中間會插入格片。根據鋼帶長度不同,格片數目大約400個,將整條鋼帶舖的沒有縫隙。

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變速控制哪個最有效率?

AT與CVT的變速控制概念還滿有趣的。AT根據各檔位不同的變速曲線,以車速、油門深度、引擎轉速為基礎,依照曲線進行變速控制,倘若駕駛者能夠熟悉自排變速箱的變速曲線,就可以藉由調整油門深度來控制變速。CVT則是維持引擎轉速,控制電腦會依照車速和油門深度而將引擎轉速協調在目標值,計算各種輸入的數據,在各種行駛速域都保持理想的引擎轉速。

例如加速時維持在能產生強大扭力的轉速範圍,上坡時維持在既有充沛扭力又能兼顧良好油耗效率的轉速範圍,巡航時則控制在克服行駛阻力下最低限度的轉速範圍。因此油門深度和引擎轉速並不會成正比,無關駕駛者的意志,而是利用引擎最有效率的轉速範圍來行駛,一般行駛狀況的違和感很小,但在急加速時則會出現梯形曲線的變動,這是CVT特有的控制力。儘管CVT的優點是活用引擎最有效率的轉速範圍,但也有駕駛者並不喜歡這種特色。在手排使用比例較高的歐洲,CVT的比例當然就低,即便是自排,也採用自手排的雙離合器。

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進化中的CVT

採用副變速機以擴大變速比的幅度

長久以來,使用鋼帶的CVT皆由兩組滑輪和倒車切換齒輪所構成,2009年Jatco插入副變速機,開發新世代CVT,用於Suzuki和Nissan車系,有別於將倒車切換齒輪設置在主滑輪上端的既有布局,而是將兼任倒車齒輪的副變速機設置在副滑輪下端,這樣變速比的幅度更寬廣,起步時能以相當於更低的齒輪比獲得強力的加速,高速時則使用比以往更高的齒輪比,提昇油耗效率。另一個特點是滑輪直徑變小了,這樣就不會攪拌到油底殼裡的變速箱油,也能提昇效率,對油耗帶來正面的影響。

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