带式无级变速器专利技术综述

摘 要：带式无级变速器是汽车理想的传动方式，在整车经济性、动力性、排放性等性能之间能达到最佳平衡状态，使传动系与发动机工况得到最佳匹配，是各国研究者和汽车公司研究的重点。本文通过对带式无级变速器进行专利统计分析，阐述了其技术发展特点及发展趋势。

关键词：A无级变速器；带式；技术发展；专利分析

1 带式无级变速器的技术概述和技术分解

1.1 带式无级变速器的技术概述

变速器作为车辆的动力传输装置，对车辆的动力性、经济性及舒适性都有重要的影响，随着技术的发展汽车上逐渐采用了无级变速器，无级传动变速器技术省去了复杂而又笨重的齿轮组合变速传动装置，采用工作直径可变的主、从动轮相互配合传递动力，设计构思十分巧妙。从而使得无级变速器可以实现传动比的连续改变，进而可以得到传动系与发动机工况最佳匹配，提高整车的燃油经济性和动力性，改善驾驶员的操纵方便性和乘员的乘坐舒适性，是较为理想的汽车传动装置。而带式无级变速器是无级变速器最早的技术，也是最为成熟的技术，对无级变速器的发展起到重要的作用。

1.2 带式无级变速器的技术分解

构成带式无级变速器的主要部件有起步离合器、行星齿轮机构，无级变速机构、控制系统和中间减速机构构成。具体这几个组成部分的功能如下。

（1）启动离合器

用作汽车起步的装置有湿式离合器、电磁离合器和液力变矩器三种。目的是使汽车以足够大的牵引力平顺地起步，提高驾驶舒适性，必要时切断动力传递。

（2）行星齿轮机构

CVT的行星齿轮机构采用双行星齿轮机构，行星架上固定有内、外行星齿轮和右支架，其中右支架是通过螺栓固定在行星架上，外行星齿轮和齿圈啮合，内行星齿轮和太阳轮啮合。

（3）无级变速机构

无级变速机构由金属传动带和主、从动工作轮组成。金属传动带由两百多个金属片和两组金属环组成，每个片的厚度为1.4mm，在两侧工作轮挤压力作用下传动动力。每组金属环有数片厚度为0.18mm的带环叠合而成，金属环的功用是提供预紧力，在动力传递过程中，支撑和引导金属片的运动，有时承担部分转矩的传递。主、从动工作轮由可动和不动锥盘两部分组成。

（4）控制系统

控制系统是用来实现CVT系统传动比无级自动变化的。在CVT系统中，采用机-液控制系统或电-液控制系统。它主要由油泵（齿轮泵和滚子叶片泵）、液压调节阀（速比和带与轮间压紧力的调节）、传感器（油门和发动机转速）和主、从工作轮的液压缸及管道组成，实现传动无级变速的调节。速比控制、夹紧力控制和起步离合器的控制是无级变速控制系统的关键。

（5）中间减速机构

由于无级变速机构可提供的速比变化范围有限，不能完全满足整车传动比变化范围的要求，因此设置有中间减速机构。

2 带式无级变速器的专利申请及技术热点分析

2.1 全球专利申请状况

如图2-1所示，是全球近20年来带式无级变速器专利申请量，其可以分成三个阶段。第一阶段是带式无级变速器攻关阶段（2002年以前），带式无极变速器处于技术攻关、探索阶段，在前期世界范围内的技术积累的基础上，突破主要的技术。第二阶段是稳步发展阶段（2002-2008年），专利申请保持着稳步的增长，从2002年的40件增长到2008年的130件左右，在这一阶段，世界范围内对带式无级变速器的开发研究呈现了不同态势，欧美国家的汽车企业减小了对带式无级变速器的投入，而日本则势头强劲，在这一领域形成主导地位，对这一领域的技术贡献也是最大。第三阶段是高速发展期（2009-2013年），在2008年全球金融危机的影响下，2009-2010年的全球申请量有所减少，而随后在新材料以及控制技术的革新上，申请量又被推高，主要的贡献是日本企业在控制方面的技术创新。

如图2-2所示，是带式无级变速器在欧洲（包括德国、英国、法国、瑞典等）、日本、韩国、美国以及中国的总体分布情况。从图中可以看出，带式无级变速器88%的申请集中在日本、欧洲、中国、韩国和美国。这种分布反映出上述国家和地区是专利申请的主要目标国或地区，同时也说明全球带式无级变速器技术申请人对这些国家和地区的重视程度比较高。同时日本、美国及欧洲也是带式无级变速器研究的主要力量，从图中也可以反映日本、美国及欧洲地区是三大技术分布区域。

且日本、美国、德国、韩国及中国是主要的技术原创国。特别是日本，申请量超过1000件，远远领先其他技术原创国，这一现象的原因是由于美国、欧洲的汽车企业逐步放弃了对带式无级变速器的投入，而日本企业大举进入，将这一领域全方位的覆盖，尤其是丰田、本田等汽车公司，对带式无级变速器技术研究投入力度比较大，技术水平处于世界领先地位。

进一步从带式无级变速器在全球的重要申请人分布情况来看，前五名均是日本的公司，分别是丰田、加特、本田、日产和雅马哈，都是日本重要的汽车企业，日本在带式无级变速器领域绝对的领先地位。排在前面的重要申请人还有博世公司、韩国的现代及VAN DOORNES博士，博世公司是在金属带领域处于领先地位，是主要的供应商，而韩国也同日本企业一起对带式无级变速器有大量投入，而VAN DOORNES博士是这一领域的先驱，理论研究很先进。

2.2 国内专利申请状况

图2-3所示，是我国带式无级变速器近20年来专利申请量。从图中可以看出，我国在2002年之前申请量很少，这是由于我国本身汽车产业没有发展，没有研发，而国外的技术也没有进入到中国，中国才加入世界贸易组织，中国的这块市场还没有引起国外企业的重视。而从2003年之后，整体上呈现一个快速增长的态势，而这其中跟我国本身对汽车行业的投入有关，另一方面是以日本为主体的外国汽车企业将其技术铺展到中国，从而专利申请量逐年提升。

如图2-4所示，是在华申请的技术原创国分布情况，从图中可以看出，中国国内原创技术的申请只占申请总量的29%，这说明中国在带式无级变速器技术的研究中还是处于相对不先进的水平，这与中国汽车行业的整体发展是相适应的。且可以看出在中国的带式无级变速器专利的布局一大半是日本企业在推进，占领了主要市场，这与前面提到的欧美公司放弃带式无级变速器这一领域的投入有关，而日本企业则是大举推进研发，且涉及结构、、冷却及控制各个技术分支，在华申请量也是快速增长，一个反应日本技术的先进，研发实力很强；另一方面反应日本企业对华市场的重视。

如图2-5所示，是在华重要的外国申请人情况，从图中可以看出，在我国的申请中，所列举的前十名重要国外申请人中，有八位是日本的企业，而仅有排在第十的博世和第8的通用不是日本企业，占据的企业数量以及申请量来看，日本的企业的技术研发实力非常强，同时在我国的专利布局非常重视，几乎占据了中国的专利市场。

而在我国国内的带式无级变速器专利申请中，主要申请人还是企业，占申请总量的50%，其次是高校及研究所，占申请的30%，而个人申请占20%。这表明在中国带式无级变速器技术的研究主要还是企业和高校。而其中也发现存在的问题是产学脱钩比较严重，而这是我国的一个普遍的现状。

2.3 专利技术热点分析

带式无级变速器技术经过多年的发展，通过对在华主要国外申请人在中国专利布局的分析，可知其专利主要涉及的技术分支，根据分析得到的数据，也可以给我国企业一定的参考。图2-6所示，是进入中国的申请量前四名的本田、丰田、加特和压，雅马哈公司的带式无级变速器技术专利申请方向。通过分析可以发现，四家企业对控制方向的申请最多，其次是对和冷却领域，而具体涉及到结构的申请较少，这也反应了带式无级变速器经过一百多年的发展，在结构上的研究已经相当成熟，可以改进的内容较少，而随着电子、新材料的发展，在控制方面则可以做更多的研究，这也显示中国企业在进行研究时，重点要关注的是控制技术的研发，在这一领域能有更多的突破。

3 带式无级变速器技术的发展方向

随着汽车电子技术、新材料及加工技术的不断进步，带式无级变速器正朝着以下几个方面发展：

（1）结构方面

改进带式无级变速器的液压系统，使其结构更加小巧和紧凑，提高汽车的总体性能，使其性价比进一步提高。

（2）性能方面

通过对带式无级变速器的总体控制，进一步降低其耗油，减少有害气体的排放，提高其动力性及舒适性。

（3）控制系统

通过不断改进，向滑移控制策略发展，实现更优良的性能；在控制方法方面，将先进的控制方法（例如PID控制、模糊控制、神经网络控制、自适应控制等理论）应用于带式无级变速器控制、速比控制和夹紧力控制中，进一步优化控制策略，实现更为精准的控制。

（4）应用领域

将带式无级变速器应用于混合动力汽车上，将带式无级变速器拓展为IVT，前轮驱动带式无级变速器逐步向后轮驱动发展；带式无级变速器最大可传递扭矩在不断提高，因此带式无级变速器在大排量汽车上的应用会更加广泛。

对于我国，自CVT被列为国家科技攻关课题以来，已过去十几年，已初步实现产业化的目标。随着国内需求的不断增多，CVT国产化的进一步推进势在必行，意义重大。国内洛阳三明及湖南容大2家民企在CVT上花费了大量的人力物力，已投产了CVT。国内从事CVT研究的单位，不论目标是量产CVT的企业，还是从事相关理论研究的科研院所，都应该紧跟国际CVT的反战步伐，在引进吸收先进技术的同时，不断的开展创新工作，这样才能真正有自己原创性的产品。

4 小结

通过以专利分析统计的方式分析了国内外带式无级变速器技术的发展，可以看出各汽车大国对于带式无级变速器的发展较为重视，对于相关技术的专利布局有很强的意识。同时通过对比也可以看出我国在该方面的技术还有很大差距，需要加强研究，重视专利申请。同时，我们应该把握带式无级变速器的技术发展方向，不断开展创新工作，取得自己原创技术和产品。

参考文献

[1] 杨丽娟. 金属带式CVT结构原理及控制技术研究. 内蒙古科技与经济. 2014.10.

[2] 潘国扬等. 新型无级变速器（CVT）技术解析. 重庆理工大学学报（自然科学）. 2015.2.

[3] 吴光强等. 汽车无级变速器技术和应用的发展综述. 同济大学学报（自然科学版）. 2009.12.

作者简介：柯冰，男，1987-，国家知识产权局专利局专利审查协作湖北中心审查员，主要从事机械传动领域的发明专利实质审查工作。