在TNGA平台上，丰田开发了一种新的无级变速箱，称为齿轮直驱式CVT（Direct Shift-CVT），与2.0NA发动机配套。该变速箱不仅有传统CVT钢带轮固定的金属带传动结构，还额外的有一套齿轮传动结构。这种变速箱设计开发的目的是提高燃油效率、提高加速特性，提高NVH。

在该CVT中，通过齿轮结构实现低传动比下的起动，并通过离合器进行功率切断。带传动用于高传动比范围，降低了带轮零件的负荷，从而设计出了全新紧凑高效的带轮结构。实现了从起动加速到高速行驶各个领域的高效率，提高了燃油经济性。为了颠覆传统CVT的惰性，提高运动感，丰田根据驾驶员的操作和驾驶场景，通过齿轮传动和钢带传动的协同来优化动力输出。此外，运用了一种新的控制技术提高了顺序换档模式下的换档响应。

本文详细介绍了新控制技术的应用，并给出了改善车辆性能的具体试验数据。下面开始正文。

丰田旗下变速箱序列是很多的，有4AT，6AT，8AT，CVT，S-CVT，还有混动用CVT等变速箱，为何还要开发这套W-CVT变速箱呢？丰田全球首创了这套齿轮直驱式CVT，主要为了实现以下三个目标：

•变速传动比更宽，提高动力性、燃油经济性和NVH性能。

•协调平滑和直接两种加速感觉，实现足够的驾驶乐趣。

•简化CVT部分结构，提高设计强度和发挥稳定性优势。

为了实现这些目标，除了传统的钢带传动结构外，还采用了齿轮传动结构。该齿轮用于起步加速和低速行驶，宛如AT和CVT的并联。

图1、图2显示了这款W-CVT的换挡结构，具体的规格如表1所示。

图1 CVT图

图2 W-CVT工作示意图

表1 CVT规格对比

该无级变速器使用变矩器进行起动，齿轮传动与刚带传动协调工作。为了消除带传动过程中的能量损失，在使用带传动工程中利用离合器断开齿轮相关零件。通过2个离合器和1个制动器的调整来实现前进或后退或齿轮传动或皮带传动。这是一个双小齿轮行星齿轮结构，在钢带传动的输入端固定有一个离合器和一个制动器，在输出端固定有一个离合器。详细如图2所示，浅绿色为齿轮传动的路径，粉红色为钢带传动的路径。具体不同工况下使用的离合和制动器如表2所示。

表2 不同工作方式下使用的离合和制动器

表3显示了开发项目，从燃油经济性改善，动力性能改善，驾驶性改善和小型化轻量化改善出发，开展了13项设计，下面具体介绍每一项具体的变化。

表3 主要开发项目

W-CVT（代号K120），相比上一代S-CVT（K114）燃油经济性提高了6%。主要依靠下面的改进措施：

•采用齿轮传动与钢带传动并联，传动比覆盖范围更广。

•通过齿轮传递扭矩，提高低速驱动的高效性。

•采用叶片式2端口油泵（图3）。

•液压控制单元前置，油泵运行扭矩下降25.6%。

•CVT油压优化。

•减小离合器电磁阀的电流。

图3 叶片式2端口油泵

图4 油泵扭矩对比图

为何CVT低扭差呢？其实主要原因在于CVT的传动比有局限性，如果要设计大的传动比，带轮的尺寸要加大，这样会导致变速箱效率的降低，日产采用的串联齿轮的方式，让齿轮传动当一个小型的减速器。而W-CVT采用齿轮与钢带并联的方式。对于起步或者快速加速的时候，选择传动比低于钢带的齿轮传动，从而充分利用TNGA2.0L发动机提供的转速和扭矩，实现加速运动感。如图5所示，W-CVT车型的起步响应性明显高于传统CVT，且前期加速性也明显较好。

图5 W-CVT和传统CVT起步加速对比图

除了动力性之外，该W-CVT也要兼顾城市驾驶、巡航、正常加速和减速时的驾驶性能。此外，运动模式下，换挡速度也要接近7速DCT，从而带来良好的主观感受，详细内容见下文第4章节。

尽管采用了一些新技术，且增加了齿轮传动结构，但是该W-CVT尺寸反而缩小了，重量也轻了。整体长度缩短23mm，约为10%，重量减轻了5kg，约为15%。主要采用了下图6和7的设计优化，分别是变矩器扁平化和采用低角度带轮。

图6 变矩器扁平化

图7钢带与带轮的缩小

对于该W-CVT来说，何时使用齿轮传动，何时使用钢带传动，是根据不同驾驶工况与驾驶员的操作方式自动切换的，所以如何将齿轮与钢带的切换做到无缝连接是一个难点。丰田的设计目标是在轻微加速时，齿轮与钢带的切换像传统CVT一样做到平滑的切换，尽可能做到驾驶员无法察觉的程度。在急加速时，档位会迅速直接的切换至钢带上，做到和DCT变速箱类似的感受，以提供节奏感和持续加速。当它在驾驶时遇到结合或释放的不确定时刻，它会测量车辆行为，然后控制以帮助平稳驾驶。

根据不同的油门深度，变速箱会执行以下三种策略：燃油经济性区间、加速感区间和极限性能区间（图8）。

图8 车速自动控制策略

当驾驶员浅踩油门时，变速箱控制单元判断是燃油经济性优先原则，换挡策略如图9，起步之后，当发动机转速到达高燃效区间后，变速箱让齿轮传动过渡到钢带传动，接合锁止离合器，使用同步控制策略，从而不产生冲击。当进入钢带传动后，随着车速增加，保持发动机转速不变，实时调整变速箱传动比，让发动机一直处于最佳工况下，当传动比到达最大传动比后，再沿着最大传动比提高发动机转速。
PS：这是CVT区别AT和DCT最大的区别点，加速的时候，可以让发动机转速不变而车速变，从而没有任何换挡冲击。

图9 以燃油经济性为重点的换挡策略

与传统变速箱不同，W-CVT变速箱也要突出加速感，因此在设计上通过有节奏的变速比变化和持续加速感，实现了直线加速感。当油门较深时，控制系统判断需要加速感时，换挡时机将会延迟，充分调动齿轮传动的高效率，随后离合器会快速切换至钢带，钢带进行线性有节奏的升档（图10）。其中，从齿轮到钢带和钢带之间的换挡，尽可能保持一致的冲击，让驾驶员感觉不出来换挡的区别，如图11。

图10加速感区间

图11 实际换挡感受对比

考虑的换挡的积极性，在极限性能下，控制系统根据车速或加速踏板角变化率判断驾驶员的加速需求。该W-CVT结构上，全油门过程中，钢带会根据踏板操作速度变化提供预期响应，然后将带传动切换为齿轮传动保持动力性能（图）。从而达到比传统AT车更快的加速响应，接近DCT双离合变速箱。效果如图13所示，像比如传统的CVT，该W-CVT的响应更快，加速感更好。

图12 性能区间

图13实际车辆的钢带变齿轮数据

为了提供和手动挡相似的换挡感觉，该W-CVT对手动换挡策略做了优化，相比AT变速箱，有更快的换挡速度。

与传统的AT相比，该W-CVT具有更快的响应速度，能够适应不同驾驶者的加速和减速需求。

当将档杆移到“M”位置时，可通过档杆的+（向上）/—（向下）操作来选择档位。此外，采用电子节气门控制可以提高换档响应。

高响应手动换挡控制是基于驾驶员换档操作的快速平稳换档控制，该控制系统集点火正时和电子节气门于一体，可以在不同的传动比和换挡速度下对发动机扭矩进行精细控制。它不仅能使换档平稳，而且能快速修正换档响应，缩短换档时间。此外，当运动模式开关打开时，换档响应变得更快，让车辆行为更具运动性。如图14、15所示，为手动模式下W-CVT和传统CVT的对比，无论降档还是升档，响应速度明显更快。

图14手动模式换挡速度对比

图15手动模式换挡速度对比

以往一提到丰田车，大家的印象就是平淡无奇，毫无运动感。从2019年开始，该W-CVT将大量普及到丰田中低级车型中，凭借这款变速箱，能够提升丰田车的运动感，让开着丰田车的驾驶者也能得到乐趣。