簡單認識變速箱
有些汽車基礎知識的朋友都知道，燃油汽車要行駛，就需要將發動機產生的動力傳遞到車輪上，最後通過輪胎與地面摩擦，形成將車向前推動的力。而在這條動力傳輸鏈上必須有一個部件來改變傳動比，擴大驅動輪轉矩和轉速。這個部件就是「變速箱」。
那麼「變速箱」到底要解決什麼問題？
1. 在啓動時，將發動機的動力放大，拖動汽車移動並幫助汽車提速；
2. 在行駛時，調整動力的輸出頻段，使得發動機保持在相對高效的「轉速區段」輸出動力；
3. 在倒車時，實現動力方向的改變；
4. 在緊急制動或下長坡時，配合剎車起到減速作用等。
除了鐘錶，變速箱是將「齒輪機構」的發揮到極致的機械部件
「變速箱」可以算是發動機的一個「外掛」，所以，它自身就帶來幾個問題：
1. 佔用了發動機艙的空間；
2. 其本身的質量，加重了整車重量，提高了油耗；
3. 作為機械裝置（部分電動），帶來能量的損耗等。
「變速箱」這貨有多重，你搬過就知道了，圖為奔騰B50的手排一枚
1. 更小：更精密的設計；
2. 更輕：減少部件或使用更輕的材料；
3. 更高效：從結構到細節的調整。
説白了，他們的目標就是『要想馬兒跑，還想馬兒不吃草』！
為了這個目的，在多少「諸葛亮」和「臭皮匠」的共同努力下，「變數箱」一代又一代的演化至今，目前我們常見的「變速箱」形態被固化成主流的兩類：
1. 通過「齒輪」來傳動的「齒輪式」；
2. 通過「摩擦」來傳動的「鏈帶式」。
按傳動原理分類
通過上表我們不難發現長久以來「齒輪式」變速箱一直是「變速」主流方式（預計到2020年仍佔86%的市場份額）。其工作原理是利用齒輪之間的齧合切換，來調整輸入和輸出動力的齒輪比例。由於「齒輪式」變速箱不是本文的重點，大家看下錶初步瞭解即可：
「齒輪式」變速箱分類（簡述）
「齒輪式」變速箱備受工程師們青睞的原因在於，無論是直齒、斜齒、或是錐齒和行星齒輪，其優點顯而易見：
1. 可以承受更大的扭矩；
2. 齧合後帶來更高的傳動效率，傳動損失少；
3. 「齒輪」齧合後穩定性更強等。
齒輪的優勢已被瑞士的表匠們發揮得淋漓精緻
但是，「齒輪式」變速箱也並非『一招鮮吃遍天』的設計，其缺點也是很明顯的：
1. 「齒輪」齧合中存在機械敲擊，對「齒輪」有損耗；
2. 「檔位數」有限，無法照顧到每一時刻的發動機狀態；
3. 換擋時，會出現頓挫，無論間隔多短，必然存在等。
當我們在維修奔騰B50時發現部分齒輪已磨損
雖然工程師們為這些「先天性」的缺點費盡心機（比如AT和DCT變速箱，已經將頓挫感降到了最低），但結構性問題就是「不能解決」的大問題。於是，工程師們翻出了「陳年老賬」（無級變速箱最早可以追溯到達芬奇，後文會詳解），採用一根鏈帶來和兩個錐輪，依靠兩者之間的「摩擦」來實現速比變化和動力傳輸。這也就是我們今天的主角——CVT無級變速箱（Continuously Variable Transmission）
CVT變速箱基本結構（全覽）
CVT（continuously variable transmission），直接翻譯就是連續可變傳動，也就是我們常説的「無級變速箱」，顧名思義就是沒有明確具體的擋位，操作上類似自動變速器，但是速比的變化卻不同於自動變速器的「跳擋」過程，而是連續的，因此動力傳輸持續而順暢。
按「傳動」形式的CVT分類
「帶式CVT」基本工作原理（動圖簡版）
「帶式CVT」作為最常見的CVT結構，通常我稱其為『傳統CVT變速箱』，其核心部件是由「滑輪機構」和「傳動帶」組成。
「帶式CVT」基本工作原理（簡圖）
「滑輪機構」的「錐形盤」成V形結構，「錐形盤」可在液壓的推力作用下收緊或張開，擠壓「傳動帶」以此來調節V形槽的寬度。當「錐形盤」向內側移動收緊時，「傳動帶」在「錐形盤」的擠壓下向圓心以外的方向（離心方向）運動，相反會向圓心以內運動。這樣，「傳動帶」帶動的圓盤直徑增大，傳動比也就發生了變化。
「帶式CVT」的「滑輪控制」機構
汽車開始起步時，「主動滑輪」的工作半徑較小，變速器可以獲得較大的傳動比，從而保證驅動橋能夠有足夠的扭矩來保證汽車有較高的加速度。隨着車速的增加，「主動滑輪」的工作半徑逐漸增大，「從動滑輪」的工作半徑相應減小，CVT的傳動比下降，使得汽車能夠以更高的速度行駛。
雖然都是「傳動帶」，但是製造材質和工藝的不同，造成了其工作原理也略有不同。所以，我們又要分開來一個一個研究。
「V形橡膠皮帶」的基本結構
以最簡單的「皮帶」為例，其優點比起鋼質的「傳動帶」更加輕，但卻不能承受高扭矩，在目前汽車扭矩普遍超過200N·m的情況下，「皮帶」也只能退居低扭矩的摩托車產品。
「可變直徑皮帶輪」的基本工作原理
而「鋼鏈」和「鋼帶」兩類「帶式CVT」就非常有意思了，雖然兩者都是以鋼為材料，但是兩種「傳送帶」的傳動原理卻大相徑庭。
「鋼鏈」的基本結構
「鋼鏈」是由2個圓弧曲面的「銷子」組成銷子組， 並通過「鏈節」固定組成「鋼鏈」最基本的一個單位，2個「鏈節」之間的彎曲通過「銷子」兩配合曲面的滾動來完成 。
「銷子」側面和「輪錐面」摩擦傳遞動力
而「鋼鏈」的傳動是靠「銷子」側面和「輪錐面」摩擦傳遞動力，通過一側鏈條 的「拉力」來傳遞扭矩。「鋼鏈」的「銷子」和「鏈節」之間沒有相對滑動，2個鏈節之間的彎曲通過「銷子」兩配合曲面的滾動來完成，所以在鏈條壽命和傳動效率有一定的優勢。
目前通用採用的不等長的銷子組「鋼鏈」
然而「鋼鏈」結構也不是沒有瑕疵，由於「鏈節」決定了「鋼鏈」的使用壽命和能夠承受的最大扭矩，當「鏈節」變形或損壞時，變速箱就會發生打滑或損毀的可能。此外，在「鋼鏈」高速轉動時，摩擦傳遞動力會產生震動，併發出噪音。
「鋼帶」的基本結構（3D）
以適用QR019的「鋼帶」為例，該類「鋼帶」是由400片左右金屬「推片」和多組「鋼環」組成，每個「推片」的厚度為 1.4mm左右，單側「鋼環組」由厚度為0.2mm左右的12或9片「鋼環」組成。
「鋼帶」運動軌跡示意圖
「鋼帶」動力傳遞分為 2個階段：起初扭矩是通過「鋼環」內側和「推片」接觸面之間的摩擦力來傳遞的，動力通過一側「鋼帶」的拉力來傳遞扭矩。隨着扭矩的逐漸增加，「鋼環」內側和「推片」之間發生打滑，使得另外一側「推片」被擠壓，增加部分的扭矩開始通過鋼帶「推片」之間的推力來傳遞。在實際工作中，「鋼帶」的大部分扭矩傳遞都是通過「推片」之間相互擠壓來傳遞的，所以這種「鋼帶」也被叫做「推力帶」。
「鋼帶」運動時，「推片」間間隙分佈示意圖
從上圖中，我們發現「鋼帶」在運動時，在主從動帶輪兩側的「推片組」，其中一側受力，另一側不受力，這樣將使得「推片」之間的間隙存在於不受力的一側「鋼帶」，而在不受力的「推片」繼續運行進入帶輪並過渡到「鋼帶」的另一側時，「推片」之間的間隙將消失，這將導致推片和帶輪之間產生相對滑動。
「鋼帶」的基本結構（詳細）
此外，「鋼帶」的幾大結構缺點：
1.「鋼環」和「推片」鞍面及鋼環內部相對滑動產生的功率損耗；
2. 工作中「推片」之間產生間隙而導致「鋼片」和「帶輪」間產生的功率損耗；
3. 帶輪錐盤變形導致「鋼帶」在其中運行產生的功率損耗。
博世Single Loopset Pushbelt
不過通過對「推片組」結構的優化，「鋼帶」傳遞高扭矩的優點成為了其普及的原因，此後，我會來詳解博世的「推片結構優化」 。
「帶式CVT」簡單對比
通過對三類「帶式CVT」的簡單講解，相信大家已經有了一個初步概念，從傳輸扭矩大小的角度排序為「鋼鏈」>「鋼帶」>「皮帶」。
雖然「帶式CVT」具備結構簡單，無級變速的優點，可是看到這裏，你也可以看出其弱點就在於「傳動帶」。若「傳動帶」受損整台變速箱就徹底癱瘓了。那麼我們是否能有一種『即利用無級變速原理，又能不用「傳動帶」的方法呢？』 於是我們的「環形CVT」 閃亮登場。
「環形CVT」由「輸入盤」（橫截面為弧槽）、「動力滾子」（半球形）和「輸出盤」（形狀同輸入盤）等組成基本的核心機構。
「環形CVT」的基本結構（簡版）
動力「滾子」夾在「輸入盤」和「輸出盤」之間，在中心軸兩側呈對稱佈置，同步工作，它們通過潤滑油與「輸入輸出盤」的圓弧表面接觸。通過改變「滾子」的角度可以改變「滾子」與「輸入輸出盤」的接觸半徑，從而實現速比變化。
「環形CVT」的基本工作原理（動圖簡版）
但當我們追溯「環形CVT」的歷史時，我們會發現，其實「環形CVT」早在19世紀（1886年）便有人申請了專利，但直到現在，正真搭載「環形CVT」的車型卻少之又少，最為出名的就是日產Skyline 350 GT-8。這是為什麼呢？
Nissan Extroid CVT（日產環形CVT）
我認為遲遲未有得到推廣的原因有三：
1. 受限於傳輸扭矩的上限仍然不及「齒輪式」變速箱；
2. 對「滾子」控制邏輯和系統的研發難度遠遠超過了「帶式CVT」;
3. 製造和維護「滾子」系統的成本降不下來，無法滿足主機廠利益和市場需求。
據説是達芬奇繪製的CVT變速器的手稿
不過，我相信優秀的結構並不會被歲月而磨滅，就好像「帶式CVT結構」早在達芬奇時代就被勾勒出來，而在19世紀才被應用一樣，「環形CVT」或許會在多年之後，在其他領域發光發熱。
如果説「環形CVT」已經跳出了『傳統CVT』的架構，那最後我們來聊聊這『最不像CVT 的「E-CVT」』（這裏我們聊的是豐田的E-CVT，而非屬於「帶式CVT」的斯巴魯「ECVT」（電子式無段變速自排系統））。為什麼這樣説呢，我們從「E-CVT」的結構上就可以看出了。
豐田普鋭斯（2代）E-CVT拆解（部分）
「E-CVT」顧名思義，其官方全稱為「電子控制電磁離合式無級變速器」，所以「E-CVT」一般由2個調速「電機」，一組「行星齒輪」和「離合器」組成。當你看到「E-CVT」的拆解圖後，是否有一種感覺『怎麼看起來像帶了電機的差速器』。不錯，就是這樣一個看似結構簡單的變速器，卻達到了CVT的效果。
豐田普鋭斯（2代）E-CVT基本結構圖
要搞懂「E-CVT」的工作原理，我們還是要將其變速的邏輯關係先理清楚，「E-CVT」的一個關鍵部件就是「行星齒輪組」，當我們研究「行星齒輪組」機構時，最重要就是要搞清『動力從哪來，到哪裏去，整個流程是什麼樣』，所以，首先我們來看看「電機」、發動機、和「行星齒輪組」之間的聯繫。
E-CVT部件連接示意圖
E-CVT部件連接示意圖（簡化）
在這樣的連接方式下，各個部件開始發揮自己的作用：
1、發動機的動力可以通過「行星齒輪盤」分配給車輪和1號電機；
2、1號電機可以發電來提供給2號電機或給電池組充電；
3、2號電機可以直接驅動車輪或給電池組充電。
看到這裏，我們會想到一點：這些部件的運作需要被控制！而作為E-CVT的最複雜最關鍵的部件，用來控制動力傳輸的「PCU」（動力控制單元）自然進入了我們的實現。容我簡單地『百度』下：
本田PCU動力控制單元（Power Control Unit）
在瞭解「E-CVT」的基本構成和連接方式後，接下來就是見證『奇蹟』的時刻，我們一起來看看在不同工況下「E-CVT」是如何工作的：
豐田普鋭斯E-CVT基本工作原理（動圖）
發出啓動指令後，電池提供1號電機動力，啓動（正轉）並帶動發動機啓動。
發動機啓動後怠速運轉，汽油機帶動「行星齒輪盤」正向旋轉。由於車輪（連接着外齒圈）未轉動，「行星齒輪盤」（連接着發動機）的正向旋轉會通過「行星齒輪」帶動「太陽齒輪」（連接着1號電機）正向旋轉。「1號電機」不再接收電池組輸電，反而變成發電機，發出交流電，經PCU裏的逆變器和電壓變換器變成低壓直流電並給電池組充電。總之，怠速時，發動機的功率全部用來為電池組充電。
發出起步信號後，少量電力帶動「2號電機」，「2號電機」帶動車輪（連接着外齒圈）開始正向轉動，車子緩慢前進。當你稍微用力踩下油門踏板時，「2號電機」獲得更多的電力，車輛就會加速前進。
隨着「2號電機」的轉速增加，「1號電機」的轉速也會急速增加，而當「1號電機」即將達到上限時，此刻發動機啓動主動介入動力輸出。通常情況下，起步時踩油門的力度越大，汽油機介入的時間就越早。
當達到一定速度後，如果繼續緩慢加速，此時「2號電機」繼續為主要的動力來源，發動機繼續在低轉速區間運作，這與起步階段的動力供給情況類似，只是「2號電機」的工作功率會更大。
急加速時，即是「火力全開模式」，發動機轉速提升進入高效動力輸出模式，帶動「1號電機」加速提供「2號電機」動力，同時通過「行星齒輪」與「2號電機」共同將強勁動力同時輸送到「外齒圈」帶動車輪高速運轉。
在高速巡航時，「2號電機」反轉供電給「1號電機」，而在變速箱內，「太陽齒輪」反轉使得「行星齒輪」的動力大部分傳遞到「外齒圈」，從而推動車輛巡航。在這階段主要由發動機推動汽車。
減速時，發動機關閉，「1號電機」空轉。「2號電機」由車輪帶動變成發電機吸收車輪的減速能量，同時為電池組充電。
倒車的過程也比較簡單，正好與剛起步的情況相似，電池組為「2號電機」供電，「2號電機」帶動車輪，「外齒圈」在離合器的作用下反轉運作，完成倒車。
E-CVT齒輪組在不同工況下的狀態
最後，還要重申一下，E-CVT的工作原理，看似不是那麼的複雜，但其關鍵技術就是在PCU，面對不同路況和工況，PCU都需要正確地在瞬間做出判斷並給到每個部件相應的指令。就E-CVT的工作原理和設計而言，可以算是集萬千精華於一身，但我們也知道，一旦系統大部分以電子器件為主，事情就複雜起來了，而且發生了故障就很難靠更換部件來解決問題，只能靠換了。
CVT營銷名與車廠對應（部分）
本文篇幅雖然很長，卻是探究CVT變速箱的第一步，我耗費了大量時間搜索國外的資料，力求用最簡單的語句和最直觀的圖片讓大家初步認識CVT的基本原理，雖然文章還有許多瑕疵和漏洞，請大家見諒~~
（部分內容和圖片源自網絡，鳴謝原創者）
本文來源於汽車之家車家號作者，不代表汽車之家的觀點立場。