無級變速器·CVT是否能通過「兩條鋼帶」提升可承受最大輸入扭矩？

#老司機聊汽車知識#趣味問題：眾所周知無級變速器是通過錐形輪與鋼帶組合傳遞動力，以摩擦為基礎的傳動無法承受過大的扭矩，那麼能否通過增加鋼帶提高可承受輸入扭矩呢？解析這個問題首先要了解這種變速器的傳動原理，否則總也找不到準確答案。所謂“無級變速”概念指沒有固定的速比，也就是固定齒輪比的前進擋概念；在設定的傳動比範圍內，這種機器可以有無數個前進擋。原因在於換擋的結構是依靠兩組由液壓力控制的錐形輪夾住一條鋼帶或鋼鏈，通過液壓缸控制錐輪夾角的同步變化而改變鋼帶的夾角。也許這種描述不是很好理解，那麼咱們看一組動態模擬圖吧。圖1：傳統齒輪結構的變速箱1擋齒輪比，狀態是由發動機驅動小齒輪，帶動齒輪大齒輪運轉；小齒輪轉很多圈大齒輪才能轉一圈，而小齒輪沒轉一圈就等於輸出一次扭矩，那麼大齒輪轉一圈等於輸出了很多倍的扭矩，低速前進檔是在放大“爆發力”。

圖2：5擋齒輪比是發動機驅動大齒輪帶動小齒輪運轉，狀態為大齒輪轉一圈，則小齒輪與車輪可以轉很多圈；假設大齒輪的轉速就是發動機的轉速，此時則不需要很高的轉速即可實現高車速。數字越大的前進擋放大車速的能力就會越大，説白了就是發動機驅動的齒輪越來越大，而從動齒輪越來越小。

圖3：無極變速器由發動機驅動的是「動力錐輪」，推動鋼帶帶動從動錐輪運轉；起步時主動錐輪被“拉到最寬”，從動輪被“推到最窄”，速度比則是動力輪等於小齒輪，從動輪等於大齒輪。高速擋則相反，也就是説CVT這種變速箱的速比概念是沒有什麼區別的，只是傳動方式比較怪異而已；那麼如果要加入兩條鋼帶，嘗試提升可承受扭矩要如何操作呢？

假設兩種概念

1：單組錐輪兩組鋼帶。有些汽車愛好者認為用兩條鋼帶就能提升承受輸入扭矩，且不論這種想法是對還是錯，如果要用這種模式的話，兩條鋼帶在同一組錐輪中只能重疊佈局，也就是外部的鋼帶“包裹”內部的鋼帶。這種雙鋼帶設計帶來的問題是兩條鋼帶的傳動比不同，或者理解為內部鋼帶放大扭矩的倍率，與外部鋼帶的標準存在差異；以此方式似乎是提升了輸出的扭矩，但似乎不同的傳動比會通過放大主動輪的轉速，讓從動錐輪實現不同的轉速吧。就像是發動機同時驅動1/2擋的兩組齒輪，兩個從動齒輪的轉速會相同嗎？結果反而會是從動錐輪因為兩條鋼帶輸入的動力差值而出現打滑與磨損。

2：兩組錐輪加兩條鋼帶。如果採用兩組錐輪鋼帶串聯的方式，能不能增加可承受的最大扭矩呢？也就是用核心換擋結構“×2”的結構佈局。這種設想其實很容易理解，比如倒三輪摩托是發動機通過傳動系將動力傳遞到後單輪驅動，用兩組錐輪鋼帶就像是把三輪摩托變成四輪汽車；動力通過傳動軸（CVT動力輸入軸）傳遞到後橋，在通過差速器分動到兩車車輪，在兩輪的摩擦力相同的前提下，兩車車輪輸出的扭矩與輪上功率是相同的，這就等於分擔了動力。無級變速器用一根輸入軸帶動兩組摩擦相同的錐輪鋼帶，錐輪承受的扭矩也會“一分為二”，此時能否增加發動機的輸入扭矩呢？答案是肯定的。

兩組錐輪承受的輸入扭矩變小，但是材料承受的最大輸入扭矩不變；那麼將輸入扭矩提升一倍之後，每組錐輪仍舊會在可承受的極限邊緣，這樣的組合似乎能讓無級變速器的極限升高很多。不過可以確定沒有哪個廠家會這麼設計這種變速箱，原因首先是沒有必要性，其次是與產品定位並不匹配；無級變速器號稱“一次性變速器”，其特點或者標籤只能用四個字來概括——廉價機型，這種機器沒有任何升高極限的價值，為什麼這麼説呢？

提升承受扭矩的基礎

使用雙鋼帶錐輪可以提升扭矩，但最簡單的提升的方式其實是「增大接觸面的粗糙程度」。錐輪鋼帶是依靠滾動摩擦傳動，摩擦是在兩個物體都有一定形變能力的前提下，在發生有趨勢的相對運動時，接觸面會出現阻礙相對運動的力，也就是分子相互碰撞的摩擦力。想要提升摩擦力首先要提高壓力，其次就是增加表面的粗糙性；越光滑的表面摩擦力越低，而無級變速器的錐輪鋼帶又必須足夠平滑，否則磨損問題則無法控制。這就像拋光粗糙金屬會磨掉很多金屬屑，但拋光平整金屬就會很少，鋼帶錐輪即使設計為粗糙也持續不了多久；那麼想要提升摩擦力就只有提高壓力，而隨着壓力的增加摩擦中的磨損問題仍舊會比較嚴重，這個是死循環。

問題：無級變速器的磨損問題無法避免，嚴重磨損到從滾動摩擦，出現滑動摩擦而過量損耗扭矩後，這種機器就算報廢了。而作為變速器最核心的結構一旦報廢，基本代表了總成報廢。所以使用這種機器要做到更換總成的覺悟，那麼為什麼這種耐用性很差的機器還會小範圍普及呢？原因在於這種機器的製造成本很低，不需要複雜的齒輪結構，也不需要結構複雜的電磁閥；便宜的變速器裝備在汽車上則能讓車輛價格更低，荷蘭人範多明斯發明這種機器的初衷，正是為了讓自動擋汽車更便宜——買的便宜用的便宜才是「CVT·CAR」的定義，所以無級變速器沒有去升級匹配高性能發動機的價值或意義，齒輪結構的變速箱可不是擺設。

原因：無級變速器最多不過承受400N·m的最大扭矩，以日系汽車為首的廉價汽車最多不過100-250牛米而已；某些所謂的大排量六缸日產汽車使用的CVT，要知道這些發動機的最大扭矩也才300牛米左右而已，優秀的1.5T直噴增壓機都有這個標準了，所以落後的大排量的發動機只是看起來唬人實際很弱。那麼在這一標準上即使通過兩組鋼帶錐輪的方式進行放大，似乎標準不過是200-800N·m的水平而已；但是不論承受的扭矩有多大，這種滾動摩擦的結構都會存在磨損，雙結構等於兩組都在以相同的速度和程度磨損，動力體驗有提升但更換總成的代價基本也要“×2”，維護車輛的成本無法控制，誰還會選擇這種破機器呢？

參考：齒輪結構的變速箱是不用考慮這些問題的，因其換擋是依靠齒輪結合傳動，説白了就是齒輪“彆着勁”而不是拿鋼材摩擦傳動；那麼只要齒輪材料承受的扭矩足夠大，使用到整車報廢也不會因磨損而需要去更換齒輪組。很顯然這種結構是耐用性遠超無級變速器的，而且升高可承受最大輸入扭矩的方式簡單且成本更低，通過材料和傳動比設計來升級即可。所以需要最大扭矩動輒超過2000N·m的重型貨車或牽引車只會選擇這種變速箱，即使超負荷載重加速也沒有問題；然而無級變速器即使連成一串去放大扭矩，結果不還是的在相當短的週期內更換這一串的錐輪鋼帶嗎？所以這種機器真的沒有升級的價值，入門級車輛用一用就好，超過10萬級別的任何車輛都沒有使用這種機器的理由。

編輯：天和Auto-汽車科學島天和MCN授權發佈歡迎轉發留言討論