都知道CVT,那 E-CVT和它有血緣關係嗎?

為了在科學嚴謹地闡述兩款變速箱工作原理的同時保證文章的可讀性，我將從專業和非專業兩個角度去詳細講述E-CVT和CVT兩款變速箱的異同。專業版講解在前，需要讀者具備一定的機械常識。非專業版講解在後，只求通俗易懂，但可能會丟失一定嚴謹性。

最近有不少踢車幫粉絲留言問，E-CVT和CVT到底是不是同一種變速箱？我想這確實值得在《講堂》欄目中為大家帶來詳細的科普。因為「CVT」這個字眼確實太具備迷惑性了，以至於讓大家都以為E-CVT和CVT是同一種結構的變速箱。所以在文章的開頭，我很負責任地告訴大家，不要以為名字裡都具備「CVT」，就認為兩者有什麼血脈相連的關係。

其實，E-CVT並不是一種官方的名稱，它源自於豐田Hybrid Synergy Drive(HSD)油電混合動力系統，也就是基於Toyota Hybrid System(THS)改進而來的行星齒輪組式動力分流結構(Power Spliting Device)。因為在駕駛體驗上與傳統的CVT變速箱相似，同時為了能夠在生產監管目錄上進行明確的分類[1]，豐田才為HSD動力分流結構起了個別名，叫做「E-CVT」。

真ECVT，這是電控磁粉離合器+機械式無級變速器，並不是我們今天討論的E-CVT

如果認真去扣ECVT（沒有橫槓）的字眼，卻發現這是一款由日本富士重工（Fuji）和荷蘭VDT公司（Van Doorne’s Transmission,發明CVT變速箱的鼻祖）聯手研發的電控機械式無級變速器[2]，全稱為Electronically Controlled Continuously Variable Transmission。注意，這臺ECVT本質上就是一臺普通的機械式無級變速器，只不過發動機飛輪與CVT輸入軸之間用一個電控磁粉式離合器相連。該變速箱顯然不屬於我們今天討論的話題範圍之內，因此僅供知識拓展。

福特自主研發的代號為HF35的E-CVT

另外，福特在2004年就曾獨立研究出來與豐田HSD類似的動力分流結構，不過受限於專利保護，福特用部分尾氣排放方面的科學專利作為交換條件，從豐田那裡獲得了21項HSD專利授權[3]。所以強調一下，只要是行星齒輪結構的動力分流裝置，我們才可稱其為E-CVT，而且準確的說，E-CVT只是一個混合動力分流裝置，並非我們傳統認知上的變速箱。

首先，傳動比是什麼意思？

傳動比是指傳動機構中兩個轉動構件角速度的比值，常見的轉動構件包括齒輪和齒輪、鏈條和齒輪、渦輪蝸杆等等。在齒輪嚙合傳動中，傳動比由主被動齒輪的齒數決定，或者由主被動嚙合齒輪的節圓半徑決定。所以說，一旦兩個嚙合齒輪確定，那麼由這對齒輪構成的傳動結構中的傳動比就會保持不變。

主動A齒輪有25個齒，從動B齒輪有75個齒，因此傳動比為3

傳動比不僅決定著兩個轉動構件角速度的比值，如果兩個構件之間存在力矩傳遞，那麼力矩的關係也由傳動比決定。以一對齒輪副傳動為例，當主動齒輪轉速和扭矩一定時，傳動比越大，說明從動輪的轉速越小，減速效果越明顯，此時從動齒輪獲得的扭矩越高，扭矩放大效果越明顯。如果傳動比越小，則相反。

傳動比計算公式，1表示主動齒輪，2表示從動齒輪

MT/AT/AMT/DCT這幾類變速箱內部都有好幾對傳動比固定的齒輪副以構成多級擋位，目前市面上常見的非串聯單體變速箱的擋位數量介於4~10之間不等。為什麼需要不同的擋位？因為發動機的經濟轉速區間大體上是固定的，為了保證汽車在不同車速時發動機均能保持在經濟轉速區間內，所以需要變速箱來提供不同的傳動比。

換擋過程會使變速箱輸入軸和輸出軸之間的傳動比發生階躍式變化，所以產生衝擊是必然的，唯一的方式是通過控制離合器接合的快慢速度來進行削弱。所以CVT無級變速器巧妙就巧妙在，它內部沒有齒輪副傳動結構，也就不存在固定傳動比，但是可以通過金屬帶和工作輪之間的配合實現傳動比的連續平滑變化。

E-CVT和CVT的共性

先說兩者的相同之處，因為用一段話形容就足夠了。首先，兩者都可以保證發動機轉速和車輪轉速之間的總傳動比始終處於連續平滑的變化之中，並且無論車速怎樣變化，發動機轉速基本都會穩定在經濟運行區間。其次，兩者反饋給駕駛員的駕駛感受相似，「越踩越有」就是對該駕駛感受的最佳形容。既然沒有換擋過程，那也就不存在換擋衝擊，即所謂的頓挫感。

E-CVT和CVT的異性

先從傳動結構上說起。傳統的CVT變速箱由金屬帶、工作輪、液壓泵、起步離合器和控制系統等組成。變速系統中的主、從動工作輪分別由固定部分和可動部分組成，固定部分和可動部分間形成V型槽，剖面同樣呈V型的金屬傳動帶在槽內與工作輪嚙合。當主、從動工作輪的可動部分作軸向移動時，V型槽便會擠壓傳動帶向外徑向擴張，即可改變傳動帶與工作輪的嚙合半徑，從而改變了傳動比。

工作輪可動部分軸向移動以擠壓傳動帶徑向擴張

E-CVT其實就是一個行星齒輪結構加兩個驅動電機。其中，太陽輪與1號電機相連，行星架與發動機飛輪相連，齒圈同時與2號電機和E-CVT輸出軸相連。利用行星齒輪結構中各部件的轉速關係實現發動機飛輪端輸入軸和齒圈輸出軸之間傳動比的連續變化。

最右面方框裡的行星齒輪機構是2號驅動電機的減速裝置

然後分析工作原理。CVT可以視為皮帶傳動，如果不考慮傳動帶的打滑現象，那麼可以認為CVT變速箱的瞬時傳動比就是從動工作輪與主動工作輪工作半徑之比，即傳動系統有且僅有一個自由度。所以，每一時刻的減速效果和扭矩放大效果都是由傳動比確定的。

但是E-CVT卻無法用「傳動比」去描述輸入軸和輸出軸之間的關係。因為在行星齒輪結構中，存在兩對可以相對獨立運動且互不影響的齒輪副，即該傳動系統具有兩個自由度，有點類似差速器的工作原理。所以，發動機轉速和E-CVT輸出轉速之間的比值並不等於二者扭矩的比值：因為前者是隨時可以變化的，而後者幾乎是一個定值。

1代表太陽輪（1號電機），2代表齒圈（輸出），3代表行星架（發動機）

上圖所示的公式是行星齒輪結構中各構件運行角速度的關係，可以看出，如果想要將發動機轉速保持在一定範圍之內，只需要根據齒圈的旋轉速度調節與太陽輪相連的1號電機的轉速即可。但是各部件之間的轉矩之比卻是固定的，想要得到大扭矩輸出，電機和發動機則必須按照固定比例同時放大。

最後是應用場景不同，CVT的輸入輸出只能是同一種動力源。而E-CVT是混合動力車輛專屬的結構，利用行星齒輪傳動結構中兩自由度的特性，巧妙地將電動機和發動機的動力整合在一起對外輸出。對了，E-CVT並不屬常規混合動力系統P0/P1/P2/P3/P4分類中的任意一種構型，因為它的本質就是一個動力分流結構，油電兩種動力在其內部即可實現耦合。

E-CVT的內部結構其實要比CVT、AT等傳統變速箱簡單的多，那麼，豐田的核心技術到底在哪裡？答案是在軟體層面的控制邏輯上。常見的運行工況包括怠速、起步、小負荷加速、大負荷加速、勻速巡航以及減速，每種運行工況下又可細分出多種更具體的工況。那麼，如何控制兩個電機在每時每刻都能輸出精準的轉速和扭矩，這是需要通過大量軟體仿真、臺架試驗、整車實驗才能標定出來的。而且，面對如此複雜的控制系統，怎樣保證其運行時的魯棒性和穩定性，同樣需要技術成熟並且可靠的高精度算法。

非專業版解釋：騎過自行車下臺階嗎？

危險動作！不建議大家去嘗試，但這是我能想到比較合理而又通俗易懂的比喻。騎著自行車下降同樣的高度（傳動比由高到底），MT/AT/AMT/DCT就像是一層層臺階，而E-CVT和CVT則像是一個坡道。前者內部存在著齒輪結構使傳動比像臺階一樣斷層分布，而不是連續變化的，所以會在換擋過程中產生頓挫感。後者內部並非採用傳統變速箱的齒輪傳動形式，但是傳動比可以連續平滑的變化，因此不存在換擋過程。

E-CVT行星齒輪結構工作原理示意圖

不過，CVT和E-CVT的內部結構和用途卻截然不同，前者是靠金屬帶搭配可變直徑的工作輪實現無級變速，只可傳遞同一種動力源；後者是靠行星齒輪組天生的傳動特性實現無級變速，能夠匯合兩種動力源（油+電）並對外輸出。就像同樣的坡道，一個是瀝青路面，另一個是大理石路面，一個每次只允許單車同行，另一個則允許多車通過。雖然道路鋪設的材料、準許通行條件不同，但路面反饋給自行車騎手的主觀感受是相似的。

總結

1、HSD才是學名，E-CVT只是豐田為了方便歸類而起的「外號」。

2、E-CVT和CVT除了駕駛感受相似，都能實現發動機無級變速之外，其它諸如機械結構、工作原理、適配車型等等均不相同。

3、CVT只能傳遞同一種動力（純電或純油），而E-CVT可以匯流兩種不同的動力（油+電）。

4、E-CVT並不能歸入傳統變速箱行列，準確地說它只是混合動力分流結構，並且扭矩放大比和減速比之間沒有固定關係（兩自由度系統），不能用傳動比來描述運動關係。

參考文獻：

[1]https://en.wikipedia.org/wiki/Hybrid_Synergy_Drive

[2]http://what-when-how.com/automobile/electronically-controlled-continuously-variable-transmission-ecvt-automobile/

[3]Bruce Nussbaum (2005-11-01). "Is Ford Innovative? Part Two". Bloomberg Businessweek. Retrieved 2011-03-09.

本文作者為踢車幫Torres