世界首款齒輪式CVT，Ratio Zero變速箱

今天我有幸親手拿着一樣非常特別的東西 這是世界上第一個可實際運轉的 齒輪式無極變速器 簡稱CVT 在我解釋這臺堪稱機械式的傑作 到底如何運轉之前 請先允許我講講 爲什麼基於齒輪的無極變速器 會是一項重大突破 我們說過CVT是無極變速器 也就是說它在持續改變某個東西 它不斷變化的就是傳動比 我說擋位是要帶引號的 因爲傳統CVT其實根本沒有齒輪 但它隨時都能實現任何傳動比 從易用性 平順度和省油的角度看 這簡直就是最完美的終極變速箱 不過如果我要下賽道 跑蜿蜒的山路 或者想找點樂子 享受換擋和拉高轉速的快感 那我肯定不會選CVT 但如果是我每天要開的車 特別是跑高速 或者堵在路上走走停停 那我肯定選CVT 而且不管是汽車 自行車 還是小摩托都一樣 通勤車我肯定選CVT 因爲它根本不存在掛錯擋的問題 傳統的手動或自動變速箱 都有固定的幾個擋位和速比 3.6的傳動比也就是3.6比1 意思就是發動機沒轉3.6圈 車輪才轉一圈 同時車輪上的扭矩 會放大到原來的3.6倍 所以一擋會降低車速 但能增大扭矩 這就是爲什麼一擋 能讓車從井子起步 也能用來爬兜坡 而0.7的傳動比 意味着發動機沒轉0.7圈 車輪就轉一圈 同時扭矩也降爲原來的0.7倍 所以這個持比會降低扭矩 提高轉速 非常適合在高速公路上巡航 這時候車子已經有了很大的慣性 只需要維持高速就行了 而這兩個擋位之間的其他傳動比 則覆蓋了無數種其他情況 如你所見 我們只有兩個擋位 或者說兩種速度 因爲無極變速箱 根本就沒有齒輪 它用的是兩個錐形輪 以及一條繞在上面的皮帶或鏈條 我們讓皮帶在錐輪上滑動 錐面不同位置對應不同輪徑 就能模擬出無數種齒輪大小的組合 這意味着CVT在最低和最高傳動比之間 擁有近乎無限的擋位數量 所以如果自動擋或手動擋 是6速 5速 7速什麼的 那CVT就是百萬速變速箱 這對燃油效率 平順性 甚至加速表現都大有好處 因爲發動機在不同轉速下 它的效率和動力輸出 並不是均勻一致的 一臺典型的發動機 最高效的轉速大概在2500轉左右 而最大功率差不多要到6000轉 這些數值當然會有些出入 但普通現代發動機基本都差不多 現在我們設想一個場景 用手動變速箱從每小時60公里 加速到100公里 你看 我們用一個擋位覆蓋一半的速度區間 再用另一個擋位覆蓋另一半 這兩個擋位只能在各自的速度區間裏 短暫達到最高效率或最大功率 除了那兩個瞬間 我們的齒輪比都只是妥協的結果 而CVT在同樣情況下會怎麼做呢 它會持續改變傳動比 讓發動機要麼保持在峯值功率 要麼保持在最高效率轉速 具體取決於你踩油門的力度 這會讓開慣傳統手動或自動擋的人 有種不太熟悉的駕駛感 這是因爲一旦發動機達到目標轉速 它就會一直保持這個轉速 而車速則會不斷變化 是啊 剛開始開的時候感覺確實有點怪 但好處是實打實的 不僅沒有明顯的換擋頓挫和車身抖動 還能通過讓發動機始終保持在目標轉速 來省油或者提升加速表現 換句話說 CVT是在幫發動機省力 而不是讓發動機爲了換擋拼命拉轉速 長時間偏離最佳轉速區間 好的 真不錯 CVT確實很厲害 既然它這麼厲害 那爲什麼沒有裝到每一輛汽車 卡車 摩托車和自行車上呢 嗯 它們被普及是因爲 串通的霧基變速箱 確實有點拉垮 它們確實不行 因爲雖然能提高發動機的燃油效率 但變速箱本身的效率並不高 而原因就在於 傳統CVT的核心設計依賴的是摩擦力 如果你觀察CVT的內部結構 就會發現那條皮帶或鏈條 根本沒有任何可以抓附的地方 沒有齒 沒有槽 沒有能抓住的地方 什麼都沒有 完全沒形狀 這意味着皮帶張力 或者說皮帶與光滑錐輪表面之間的摩擦力 就成了傳遞扭矩的唯一途徑 也就是說 要傳遞足夠大的扭矩 就需要足夠大的摩擦力 衆所周知 摩擦會導致效率損失 發熱和磨損 所以汽車上常見的鋼帶或鏈條式CVT 效率大概在80%到88% 更簡單的踏板摩托車CVT 效率在70%到75%左右 而齒輪傳動的手動變速箱 幾乎在所有工況下 但效率問題其實只是CVT給我們帶來麻煩的一個開頭 因爲它的內部摩擦很大 這同時也意味着會產生很高的熱量 所以跟傳統的手動或自動變速箱比起來 CVT需要更強的冷卻纔行 CVT的扭矩也有限制 因爲它靠鋼帶或鏈條的張力來傳遞扭矩 扭矩太大的話 鏈條很快就會打滑 這會大大加快CVT的磨損 這就是爲什麼在大規模量產的高扭矩 高性能車型上 你很難找到CVT變速箱 但用齒輪傳動的變速箱 就完全沒有這些問題 齒輪或齒形相互涅合 我們不需要摩擦力 因爲是一個齒推着另一個齒在轉 我們利用機械槓桿來傳遞扭矩 這能大幅降低摩擦 提升效率 而且我們其實沒有扭矩限制 因爲機械結構是互鎖的 所以要想傳遞更大的扭矩 我們只需要把齒輪加寬 或者用更堅固的材料來製造 正因如此 研究人員科學家和發明家們 長久以來一直在嘗試 將CVT和齒輪變速箱的優勢結合起來 CVT的平順好用無級變速 再加上齒輪傳動那種高扭矩 低摩擦效率更高的優勢 全都融合在一起了 變速箱 遺憾的是 直到2016年才終於有了突破 一個叫愛迪生的人 提出了一個革命性的想法 他決定把旋轉拆分開來 聽着可能有點繞 但先別急 很快你就會覺得特別有道理 接下來我們先來講解這個變速箱 它是這種分體旋轉設計 最早的實際應用之一 等我們搞懂了這個 再來看這個就容易多了 這個是更先進性能更強 更新一些的原型機 但它的工作原理完全一樣 都是基於分裂旋轉 現在透過這個變速箱上 特意留的觀察窗往裏看 你可能會發現 有些齒輪在某個時刻 看起來是靜止不動的 其實用駕駛室來演示 會簡單的多 現在請想象一下 把這三個小齒輪 想象成接力賽中的選手 正在互相傳遞接力棒 當某個齒輪被標記上紅點 就意味着此時此刻 正是這個齒輪 在負責把扭矩 從變速箱的輸入端傳遞 並轉換到輸出端 你可以看到 在變速箱運行時 這項任務是如何從一個齒輪 傳遞到另一個齒輪的 就像接力賽中的接力棒一樣 要想真正弄明白 我們得觀察單個小齒輪 它的搖臂 以及搖臂連接的行星齒輪 這個臂杆通過一個單向離合器 連接行星齒輪 也就是說齒輪 可以獨立於臂杆旋轉 但這隻有在臂軸中心 或者說旋轉指針 與行星齒輪的軸線 完全重合時纔會發生 這個變速箱還有一個機構 可以偏移或移動搖臂的軸心 現在觀察一下 當我們讓臂的軸 偏離它後方那個大行星齒輪的軸時 會發生什麼 搖臂不再一直停在齒輪的中心位置 現在大行星的旋轉 會帶動搖臂運動 換句話說 我們剛剛創造了槓桿作用 如果我們把小行星齒輪 裝進一個齒圈裏 同時讓臂軸保持偏心 這個槓桿力就會作用到那個齒圈上 這樣一來 小行星齒輪 就會帶動環形齒輪轉動 當然 這隻有在擺臂的軸心偏移 所產生的槓桿作用 恰好處於有利於齒圈轉動的那個位置時 纔會發生 隨着臂繼續移動 軸偏移產生的槓桿作用 相對於齒圈消失了 小行星齒輪只是沿着齒圈空轉 但一個槓桿作用消失 另一個軸偏移槓桿又會出現 於是扭矩傳遞 就簡單地接力到下一個齒輪 如此循環往復 如你所見 我們正在分界旋轉運動 每個小行星齒輪 負責傳遞一部分旋轉過程中的扭矩 我們通過調節臂的軸心偏移量 來控制傳動系統的扭矩和轉速 要理解的是 我們的槓桿作用從這裏開始 就在這個大齒輪的齒上 這是讓齒輪轉動的接觸點 而槓桿的末端是這個滑動銷 也就是產生偏心的活動點 在最小偏移量 也就是低傳動比時 我們能獲得最大的槓桿效應 從而產生最大扭矩 但速度也會降到最低 因爲偏移量小時 銷子劃出的圓也非常小 記住 每個行星齒輪 只在這個小圓的一段弧線上起作用 這意味着 小行星齒輪只拖動齒圈移動很小的距離 因此轉速很低 現在來看 當我們加大軸心偏移量時會發生什麼 槓桿作用減弱了 但滑動銷劃出的圓變大了 所以扭矩減小了 但速度卻提高了 小行星齒輪的工作時間沒變 但由於滑動銷的圓周更大 它在相同時間內 能帶動輸出齒輪轉動更遠的距離 從而提高了轉速 現在來看一個有趣的現象 當所有搖臂的軸心偏移都爲零時 會發生什麼 這種情況下 三個臂都靜止不動 基本上就是空轉 有輸入轉速和扭矩 但輸出轉速和扭矩都是零 這就是零轉動筆這個名字的由來 與傳統無級變速器不同 這款變速箱還能實現零轉動筆 這意味着 根據應用和車型的不同 有可能徹底省去離合器 我說的不是離合器踏板 而是任何需要連接和斷開引擎與變速箱的系統 最後你可以看到早期原型 在自行車上的運作 而這一款是更新更先進 性能更強的原型機 專門用來解決早期設計中的一些缺陷 雖然這個新玩意看起來跟老款天差地別 但它運轉的基本原理 還是我們剛纔解釋過的分卷式設計 這點完全沒變 來觀察一下 好的 這是我們的輸入 這是我們的輸出結果 現在看我轉動輸入軸會發生什麼 可以看到 要讓輸出軸轉完一整圈 我差不多得把輸入軸轉上2.8圈纔行 這樣一來 串動臂就是2.8臂 而且這個變速器也是爲自行車設計的 大家可以看到這裏有個小搖桿控制器 我們把它裝在車把上 這個操縱桿控制着一個10瓦的小電機 用來改變齒輪比 當然不難想象 我們完全不用手動操作搖桿 轉動臂可以通過電子元件和傳感器 實現全自動調節 現在看我按下操縱桿會發生什麼 這個部件的作用 是把水平滑動轉化爲搖臂軸的偏移 如你所見 現在我們已經調整了搖臂的偏移量 輸入軸只需要轉動大約1.2圈 輸出軸就能完成一整圈 這樣我們就得到了1.2比1的傳動臂 當然這兩個極端之間可以有無數種傳動臂 而且這個變速箱現在處於一種受限的安全測試模式 實際上它的齒臂範圍 比我剛纔展示的兩個極端還要更大 好 來看看它是怎麼運作的 這是我們的搖臂 同樣也連接着自由輪 這些臂裝在齒輪軸上與輸出齒輪涅合 我們有四個這樣的臂 它們共同傳遞扭矩 最終在輸出齒輪上生成所需的扭矩和轉速 所以我們改變搖臂的偏移量 也就改變了每個搖臂施加在輸出軸上的槓桿作用 注意看 此刻臂偏移如何對輸出齒輪軸施加槓桿作用 繼續旋轉 槓桿作用就會消失 但現在另一隻手臂正好處在最佳的施力位置 當這個槓桿作用消失時 另一條臂就會接體 如此循環往復 正如你所見 輸出的旋轉被分割開來 扭矩傳遞的接力棒從一條臂交到另一條臂 就像我們之前解釋的初始設計一樣 不過這個原型上還有個非常有意思的地方 如果你仔細觀察 就會發現 這個齒輪還有這個齒輪 其實都不是完美的原型 其實它們是橢圓形的 你可能見過橢圓齒輪 橢圓形齒輪常用於大型工業打印機 或其他需要調節轉速的設備上 但這裏的作用正好相反 它們平衡了轉速 回到最初設計的CAD動畫 觀察軸線偏移相對於小行星齒輪產生的槓桿作用 就能看到槓桿位置或方向的變化 這就像發動機裏曲軸形成和活塞的位置關係 當然 我們的變速箱裏也是一樣的道理 可變槓桿意味着 驅動輸出齒圈的那個小行星齒輪 它的加速度會不斷變化 槓桿作用的最大差異 其實就出現在一個齒輪 把動力傳給另一個齒輪的那一刻 最終結果就是 變速箱輸出的轉速會有些微的波動 這種波動在某些應用中幾乎察覺不到 甚至完全感覺不出來 而且連接到這種變速箱上的並不是什麼終極發動機 但一般來說 人們還是更傾向於選擇那種能輸出恆定速度 不產生波動的等速或均速扭矩輸出 所以這兩個橢圓齒輪的作用就是 當偏心銷試圖加速輸出時 它們會把它慢下來 反過來也一樣 這樣就消除了速度波動 你可能好奇 我轉動傳動裝置時 聽到的聲音是什麼 這其實是一個單向幾輪機構 這些零件內部的結構 能阻止輸出軸對輸入軸產生反向作用 你看 當我轉動輸出軸的時候 輸入軸這邊完全沒有任何動作 因爲這款變速器本來就是爲自行車設計的 想象一下 我們正騎着自行車下坡的場景 我們當然要防止輸出軸轉速升高 反過來逼着我們的雙腿踩的更快 相反 我們想讓雙腿保持不動 讓踏板空轉 這正是單向幾輪機構的作用 現在 這家公司基於同樣的原理又搞出了新設計 這個版本沒那麼緊湊 但結實的多 所以它是給汽車 卡車這類高扭矩場景準備的