從March到F1 CVT變速箱與時俱進

資料來源：Goo 車訊網 2012/09/21

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文許鴻德

連速克達機車都有的CVT傳動科技絕對不是什麼新玩意兒！由Van Doorne公司所研發的CVT變速箱至今有35年的歷史，卻很難改變「扭力上限過低」的刻板印象。這個技術瓶頸卻在最近有了突破性的進展，加以VW集團的DSG變速箱近來在部分市場出現品質危機，Toyota與Honda車廠近來都宣佈加大CVT變速箱的使用比例，隨著越來越多高級車廠與大型房車採用這個優點甚多的傳動技術，2015年之前CVT佔全球變速箱16%的比例絕非痴人說夢。

尋找成本更低、效率更好的自動變速技術一直是汽車製造商的目標！你可能沒聽過來自荷蘭的Hub及Wim van Doorne兄弟、也不知道他們在汽車工業歷史上舉足輕重的發明（即便你可能每天都在使用它）：CVT（Continuously Variable Transmission）無段變速系統。但是你絕對要有體認，在Van Doorne公司慶祝第一具CVT變速箱使用於民用車超過40週年的今天、這個過去被質疑為只能用在廉價小型車的變速箱科技早已改頭換面，準備再次成為汽車工業的要角。

CVT變速箱內沒有任何一組齒輪：藉由兩個可改變半徑的滑輪與由許多特殊鋼片組成的金屬鍊帶之間的相互動作來傳遞動力。
CVT傳動技術原理與優缺點
CVT並不是什麼高科技！今日多數的速克達（Scooter）都採用這類變速箱設計，傳統手排與自排變速箱都擁有4到7組比例不同的齒輪以符合各種狀況（高/低速）時的扭力需要，但CVT變速箱內卻沒有任何一組齒輪：它是靠著兩個可改變半徑的滑輪（透過調整左右兩半部份的距離改變半徑大小）加上傳遞動力的皮帶（後期為了使用於大馬力輸出的引擎而改用鋼鍊）、並利用這兩個半徑可以改變的滑輪來模擬出傳統變速箱內的不同齒輪比例。
在介紹完CVT變速箱的原理之後，它的優點也就明顯易見：不需多組繁複齒輪意味著CVT變速箱不但重量輕、體積小，製造成本也大幅降低（CVT變速箱的零件數目是傳統自排變速箱的45%）！「無段變速」的特色使得齒輪比在任何引擎轉速時皆達到「最佳化」狀態，車輛加速時可透過連續更改滑輪比例而將引擎轉速固定在最大扭力值、進而締造出無可比擬的加速成績！對於車內空間寸土寸金、引擎出力也不大的小型車來說，CVT變速箱可說是最適合的選擇。

1997年Nissan推出了第二代Hyper CVT系統，2002年Nissan再度領先全球車壇推出第三代X-CVT（全名為X-TRONIC CVT）變速箱。
CVT變速箱重新獲得重視
如前所述、CVT變速原理的發明人是荷蘭的Hub與Wim van Doorne兄弟（當時稱為Variomatic變速箱），這項傳動技術在1940年代誕生時首先被應用在軍事用途，隨著技術不斷改良、van Doorne兄弟聯手創立的DAF公司也在之後50年不斷推廣CVT變速箱的好處，第一部搭載CVT系統的民用車在1960年代首次出現。隨著技術不斷改良、80年代CVT在迷你車款上大放異彩：包括Ford Fiesta、Fiat Uno 60、Subaru Justy、Nissan Micra與Fiat Punto都採用CVT變速箱。雖然CVT變速箱的市佔率在80年代第一次達到高峰，但眼尖的讀者可能已發現當時搭配此類變速箱的多為馬力小於100匹、扭力也不大的車型。過去飽受CVT車主批評的主要是「皮帶效應」，這是指使用傳統CVT變速箱的車主經常感覺到「車速與引擎轉速不一致」的現象（引擎轉速已大幅提昇、但車速卻沒有上昇），此現象容易讓車主產生「加速性能不佳」的錯覺。

過去受限於皮帶材質的摩擦力、耐久性與張力上限，Van Doorne公司的CVT變速箱總無法突破250Nm（約25.51kgm）的扭力上限。這個問題在該公司於1990年代下半與Williams F1車隊共同開發出以鋼鍊取代皮帶的動力傳達方式後已獲得突破：目前Van Doorne公司的CVT變速箱可承受高達250Nm的扭力、另一家德國公司LuK的產品更可承受高達350Nm的扭力上限！雖然CVT系統目前在全球自動變速箱市場的佔有率還不到10%，兩家CVT系統的主要供應商：荷蘭商Van Doorne公司與德商LuK在過去CVT系統的缺點逐一克服後，都不約而同的表示對未來成長潛力抱以樂觀態度，而日本也是CVT系統大紅大紫的關鍵市場，日本一向是小型車與迷你車的大本營、也是日本車廠是CVT系統的忠實支持者。近年來隨著油價的不斷高漲，各大車廠被迫面對著不斷提高燃油效率的要求，CVT變速箱再次成為了目光焦點。

第三代X-CVT變速箱內的高剛性加大V型鋼帶設計是專為Nissan VQ35這類高扭力、高馬力引擎所研發。
新一代Nissan Altima車型由於採用了X-TRONIC CVT變速箱而提高了燃料效率，這讓主要對手Toyota與Honda車廠感到不少壓力。預定在今年秋天問世的新一代Honda Accord四缸引擎版本據傳將推出搭載CVT變速箱的選項，而Toyota車廠也計畫明年問世的Corolla改款車型上搭載CVT變速箱。另一方面Subaru車廠搭載新一代CVT變速箱的Legacy和Impreza車型在北美市場的銷售業績一直不錯，Impreza車型的燃料經濟提高了36%，其中貢獻最大的就是CVT傳動科技。根據汽車市場研究公司IHS Automotive的調查，2005年時搭載CVT變速箱的車型僅佔北美市場總銷量的1%，但受惠於兩年前Nissan品牌車型大量換用新一代X-TRONIC CVT變速箱，目前搭載CVT變速箱的車型佔北美市場總銷量已經突破7%，IHS Automotive公司更預測2015年CVT變速箱在北美市場的市佔率有望突破16%，這意味著銷量將成長一倍以上。

目前也有其他業者正在研發採用飛輪科技的CVT混和動力系統。
新科技提昇新一代CVT變速箱性能
Nissan北美科技中心研發副總裁Carla Bailo不諱言他們非常在意消費者對新一代CVT變速箱的反應：「我們一度擔心消費者會在意沒有換擋的感覺或者無級變速時的噪音？但是調查結果顯示大多數客戶並不是那麼關注，很少人會到我們的經銷商去問CVT變速箱是什麼，大家更關心的是燃油效率、而CVT技術能夠滿足在公路和城市駕駛時的需求。與導航系統、座椅材質和空調等以乘客為本的功能相比，引擎蓋底下的科技和變速箱設計通常不是一般消費者所關心的。」
Nissan集團可說是應用CVT變速箱科技最成功的代表！早在1991年Nissan就將CVT科技應用於量產車型，例如多數讀者熟悉的Nissan March自從1992年就開始搭載名為「N-CVT」的第一代CVT變速箱，讓許多駕駛人首次體驗到CVT系統平順好開的優點。1997年Nissan推出了第二代Hyper CVT系統，將原本的電磁離合器改用扭力轉換器以徹底解決N-CVT 的問題，同時擁有了更佳的耐用度並能承受更大的扭力。這也是全球第一個搭載於2.0升等級引擎前驅中型房車（首次使用於日規Premira車型）用的CVT系統。

過去CVT變速箱只能用於March之類的小型車，但是新一代CVT變速箱已經可用於大型車款。
2002年Nissan再度領先全球車壇推出第三代X-CVT（全名為X-TRONIC CVT）變速箱，並一舉打破了過去CVT系統受限於材質因素而只能用於小排氣量車型的既有印象。高剛性加大V型鋼帶設計是專為Nissan VQ35這類高扭力、高馬力引擎所研發，而且較同型4AT自排車款省油10%以上。現在甚至連排氣量達3.5升的豪華四輪驅動SUV車型Murano、Infiniti JX與Nissan Maxima都搭載了新一代的大扭矩智慧X-TRONIC CVT變速系統。

CVT變速箱車型同樣可以傳遞動感
過去許多人抱怨CVT變速箱缺乏動感，這其實大錯特錯，要不是FIA宣佈禁用，CVT變速箱將是F1車隊的最愛！眾所皆知，許多目前民用車上的先進技術都源自於F1賽車。早期如單殼車身（Monocoque）結構與通風碟式煞車（Disc Brake）、近期較聞名的也有ESP動態穩定系統及Honda車廠驕傲的VTEC可變汽門正時系統，鮮少人知道其實CVT無段變速系統也差點在F1賽道上出現，可惜最後因為FIA的阻撓而胎死腹中。
F1工程師眼中的理想世界，就是讓引擎能夠在最長的時間以最佳效率（可能是最大扭力或最大馬力狀態）運作，但這個目標在傳統的變速箱設計上因為受限於齒輪組的數目限制而困難重重、唯一有可能實現這個夢想的變速箱設計原理就是CVT變速系統。對F1車隊來說、CVT有著無可抗拒的吸引力：它意味著可以移去沈重的傳統變速箱，更重要的一點是只要透過電腦控制，F1賽車在加速時可透過連續更改滑輪比例而將引擎轉速固定在最大扭力值、進而締造出無可比擬的加速成績！1991年DAF公司找上了Williams車隊科技總監Patrick Head，討論過後兩方決定共同開發在F1賽車上的CVT系統。

連排氣量達3.5升的豪華四輪驅動SUV車型Murano、Infiniti JX與Nissan Maxima都搭載了新一代的大扭矩智慧X-TRONIC CVT變速系統。
當時CVT系統最大的技術瓶頸在於無法使用於大馬力及高扭力輸出的引擎上，但DAF公司花了半年的時間研發出可用於800 kW（相當於1072匹馬力）引擎的CVT系統，雖然此系統只有4小時的壽命、但也足夠在F1比賽中使用。Williams車隊將搭載CVT系統的賽車命名為FW15C、並由當時的測試車手David Coulthard（日後的蘇格蘭F1明星車手）進行測試。David Coulthard在測試後對這部賽車大為激賞：FW15C不但在加速過程中毫無間斷，他還可以使用過去在Kart賽車上的「左腳煞車」技巧（事實上Kart小型賽車就是使用CVT系統），Williams車隊還開發出一個可讓車手在駕駛時調整最佳引擎轉速的開關（當領先對手一段距離時，可選擇減輕引擎負荷）！可惜正當CVT正準備轟動F1賽壇時，FIA卻在1993年賽季宣佈禁用所有車手輔助駕駛裝置：而CVT與ABS、ESP、主動懸吊系統都列於名單內。FW15C賽車只得移到DAF公司的博物館內供後人憑弔。

為了增加操控樂趣，包括Nissan、Audi以及Mitsubishi車廠使用的新一代變速箱都搭載了「手自排模式（Drive Sport mode）」，這是透過限制CVT變速齒比而衍生的功能，讓CVT變速箱在平穩上昇曲線加速時在特定齒比「暫停」進而「模擬」出傳統變速箱換檔的效果（如果有需要，甚至可以模擬出100檔）。Nissan車廠承認這種「模擬換擋」的感覺會犧牲一部份潛在的燃料效率，但這樣的損失微乎其微。相信在材料科技的不斷進步之下，CVT變速箱完美兼顧「性能」與「節能」並不是痴人說夢。