Вариаторы
Визуально различить по селектору КП тип трансмиссии не всегда возможно. Одна из подсказок — наличие на CVT режимов S и/или L вместо цифровых обозначений первых двух-трех передач в обычной АКПП. Однако если коробка имеет отдельный «ручной» режим, внешние различия сводятся к нулю.
Еще лет 15 назад казалось — вот он, идеальный трансмиссионный агрегат. При одинаковых с механическими и автоматическими коробками габаритах вариаторы обладают неоспоримыми преимуществами. Плюсы скрыты в самом названии — CVT: Continuously Variable Transmission. То есть — непрерывно варьируемое передаточное отношение, которое обеспечивает максимальную эффективность работы двигателя в любой момент времени. В плюсе лучшая динамика и топливная экономичность, чем у МКП, при том же комфорте передвижения, что и у АКП. Заманчивое сочетание, которое, по логике вещей, должно было поставить под вопрос само существование «механики» и «автомата». По крайней мере, на основной массе автомобилей. Но сейчас мы видим, что автомобильный мир по отношению к CVT раскололся. Есть фирмы, которые к вариаторам «прикипели», однако большинство производителей бесступенчатые коробки игнорируют. Что готовят подобные трансмиссии при эксплуатации? Какова их надежность, ресурс и перспективы развития?
Принцип работы клиноременного вариатора (говорить мы будем в основном о нем) прост. Недаром считается, что первые его прототипы были изобретены еще в XV веке самим Леонардо да Винчи. Ключевой узел — два шкива, состоящих из пары конусов, обращенных узкими сторонами друг к другу. Один из шкивов посажен на вал, связанный с двигателем, то есть ведущий. Второй — на ведомый вал, соединенный с колесами. Между шкивами натянут ремень, передающий крутящий момент от ДВС. Изменение передаточного отношения получается путем сдвижения или раздвижения конусов. При этом ремень либо «проваливается» ближе к оси шкивов, либо отдаляется от нее. К примеру, если ремень вращается на ведущем шкиве по малому радиусу, а на ведомом по большому, то подобное сочетание соответствует низшей передаче. Обратная ситуация — это уже высшая передача. А между ними — уйма вариантов передаточных чисел. Причем силовой диапазон, то есть отношение высшей и низшей передач, у вариаторов ограничен только диаметром шкивов. Теоретически можно получит значение в 12, в то время как у современных 9-ступенчатых АКП силовой диапазон не дотягивает и до десяти.
С точки зрения голой механики, изменение передаточных отношений в вариаторе, пожалуй, даже проще, чем в МКП, и тем более в «автомате». Но до 80-х годов прошлого века не было «прочностной» технологий обработки металлов, необходимой в пятне контакта. И масла, которое бы под давлением могло не уменьшать, а увеличивать коэффициент трения
Набранный из металлических сегментов ремень имеет в своей основе стальные ленты. Для первых, толкающих шкивы своими боковыми поверхностями, критична свежесть масла и тем более его отсутствие. Вторые повреждаются при ударных нагрузках и «устают» от работы по малому радиусу. Продолжительная езда в пробках и на максимальных скоростях снижает ресурс ремня
Сравнительная простота конструкции вкупе с таким преимуществом заинтересовала инженеров еще в конце XIX века — патент на вариатор был выдан в 1886 году. На рубеже столетий бесступенчатую передачу момента использовали в промышленности, на ткацких производствах. Правда, не обязательно, что это были именно клиноременные механизмы. Конструкций вариатора наберется с десяток. Ну а известный нам агрегат обрел популярность ближе к 50-м годам прошлого века — на мопедах и мотороллерах. Первое же использование клиноременной CVT на автомобилях относится к 1958 году. Тогда подобную трансмиссию получил седанчик DAF 600 с мотором в 590 «кубиков» и 22 л.с. Но ремень использовался еще резиновый. К стальному, набранному из пластин, пришли только во второй половине 80-х годов. Благодаря этому внимание на вариатор обратили Ford и Fiat. Чуть позже то же сделали японские компании. Точнее, те из них, которые выпускали кей-кары.
Два десятилетия назад произошел некий технологический прорыв. У Honda CVT соседствовала уже с полуторалитровым мотором и передавала момент в 133 Нм. Бесступенчатая трансмиссия на Nissan Primera была способна «обработать» еще больше — почти 200 Нм. А десять лет назад вариатор примерил 3,5-литровый ниссановский же VQ35DE, развивавший 333 Нм. Сейчас для агрегата с клиновым ремнем это рекорд. Впрочем, в конце 90-х годов к этой гонке вооружений подключилась Audi. Имея аналогичную конструкцию, немецкая CVT, названная Multitronic, несет в себе одно принципиальное отличие. Вместо наборного металлического ремня в ней используется стальная многорядная цепь. Контакт со шкивами у нее происходит не всей боковой поверхностью, как у ремня, а только осями звеньев. Тем не менее, передаваемый момент достигает 330 Нм. Что любопытно, у Subaru цепной вариатор Lineartronic, работающий в паре с турбомоторами, способен на большие подвиги — 400 Нм.
DAF 600 стал первым автомобилем, примерившим клиноременный вариатор. Его использование — заслуга владельца фирмы Хуба Ван Доорна. Чуть позже, ради продолжения работ над CVT, он продал DAF Volvo и создал компанию VDT.
Отличия от автомата
Мы привыкли, что механика может включать шесть передач, а обычный гидротрансформаторный автомат на сегодняшний день от шести до восьми. В этом заключается главный недостаток ступенчатых коробок – число передач ограничено. Все дело в том, что двигателю постоянно приходится преодолевать нагрузку – силу инерции. Даже во время движения по абсолютно ровной дороге агрегат подвержен внешнему сопротивлению, и только достигая оптимального соотношения количества оборотов и передаточного числа, он развивает скорость. С переходом на повышенную передачу водитель ощущает кратковременную потерю мощности и рывок автомобиля.
В вариаторе бесчисленное количество передач. Передаточные числа изменяются плавно, благодаря чему водитель машины с CVT не ощущает рывков в момент перехода на повышенную скорость. В некотором смысле автомобиль с вариаторной коробкой напоминает электромобиль: он плавно начинает движение, постепенно набирает скорость, а сама трансмиссия работает практически бесшумно. За счет того, что в вариаторе нет ступеней, передача усилия от двигателя к колесам происходит более точно. В момент перехода на высокую скорость нет разрыва потока мощности. Управлять таким автомобилем сплошное удовольствие. Особенно популярны машины с CVT среди начинающих водителей. Бесступенчатая трансмиссия не реагирует на манеру вождения, поэтому ситуации, когда глохнет мотор в начале движения, полностью исключены. Когда водитель жмет педаль «в полик», авто с вариатором молниеносно ускоряется, что также многим нравится.
Как работает вариатор
Автомобили, оборудованные вариаторной трансмиссией, внешне очень похожи на машины с коробкой автомат. Что такое вариатор на автомобиле? По аналогии с другими трансмиссиями, в конструкцию коробки передач CVT тоже входят две педали, селектор переключения режимов. Режимы вариатора имеют те же обозначения:
- Р – паркинг.
- R – реверс.
- N – нормаль.
- D – драйв.
На первый взгляд устройство трансмиссий совпадает. Однако, принцип работы вариатора CVT отличается от традиционной АКПП. Здесь полностью отсутствуют фиксированные передачи, нет нумерованных первой, второй и прочих скоростей. Коробка вариатор обладает огромным количеством передач, переход с одного режима на другой осуществляется совершенно незаметно и плавно. В процессе эксплуатации транспортного средства, оснащенного вариатором, водитель не ощущает рывков, толчков и пинаний. Независимо от того, трогается машина, разгоняется или тормозит, вариатор постепенно меняет передаточное отношение без резких движений, рывков.
Описание вариатора
Вариатор является бесступенчатой трансмиссией с внешним управлением от электронного модуля. Он позволяет автоматически плавно изменять передаточное число. Узел оптимально подбирает передачу, исходя из внешней нагрузки и оборотов с которыми работает двигатель. Благодаря этому удается максимально эффективно использовать мощность силовой установки.
На автомобилях применяются два основных вида бесступенчатой трансмиссии: клиноременная и тороидальная. Первая получила большее распространение и ее часто комплектуются как легковые автомобили, так и кроссоверы.
Клиноременной вариатор был изобретен задолго до начала его использования на автомобилях. Автором первой бесступенчатой трансмиссии является Леонардо да Винчи. Он сконструировал вариатор в 1490 году.
Оценить преимущества использования бесступенчатой трансмиссии на автомобиле водители смогли лишь в 1950-х годах. Однако CVT таких транспортных средств не были надежными и долговечными. Недостатки вариаторов тех лет заставили автомобильные компании отложить выпуск машин с CVT на полстолетия.
Тороидальный тип вариатора редко встречается на автомобилях. Он также бесступенчато меняет передаточное число. Тороидальный вариатор имеет более сложное строение. Его настройка и точность изготовления требуют больших временных затрат. Именно по этим причинам клиноременные бесступенчатые трансмиссии смогли занять 95-97% машин с CVT.
Принцип работы вариатора
В клиноременном вариаторе смена передаточного числа происходит путем изменения диаметра шкивов. Каждый из них выполнен из двух половинок конической формы, которые посажены на один вал. Конусы имеют возможность расходиться и сходиться. В результате диаметр в точки соприкосновения ремня со шкивом постоянно варьируется в зависимости от скорости и нагрузки. Такое бесступенчатое изменение передаточного числа неспособно обеспечить обычная автоматическая или механическая коробка передач.
Когда автомобиль трогается с места необходимо максимальное усилие. Для того, чтобы снизить нагрузку на двигатель, конусы ведущего вала разводятся и в точке соприкосновения с ремнем шкив имеет самый малый диаметр. При этом на ведомой оси конусы сводятся. Это позволяет получить максимальный диаметр шкива в точке соприкосновения с ремнем. При таком состоянии вариатора ведущий вал должен сделать несколько оборотов, чтобы ведомый сделал один круг.
По мере того как происходит разгон, передаточное число изменяется. Конусы ведущего шкива начинают сходиться, увеличивая его диаметр. На ведомом валу происходит обратное действие. Конусы расходятся, а диаметр убавляется.
При достижении автомобилем высокой скорости шкив ведущего вала имеет максимальный диаметр. При этом на ведомом валу конусы полностью разведены, что обеспечивает минимальный размер шкива в точки соприкосновения с ремнем. При этом один оборот ведущего вала соответствует нескольким вращениям ведомого. На изображении ниже показаны принцип действия вариатора, схема расположения конусов и как работает бесступенчатая трансмиссия.
В клиноременном вариаторе смена передаточного числа происходит путем изменения диаметра шкивов. Каждый из них выполнен из двух половинок конической формы, которые посажены на один вал. Конусы имеют возможность расходиться и сходиться. В результате диаметр в точки соприкосновения ремня со шкивом постоянно варьируется в зависимости от скорости и нагрузки. Такое бесступенчатое изменение передаточного числа неспособно обеспечить обычная автоматическая или механическая коробка передач.
Тороидальный вариатор имеет схожий принцип действия, но устроен совершенно по другому. В нем усилие передается не с помощью ремня, а специальными роликами. Они зажаты между валами и расположены на одной оси. Ролики имеют тороидальную форму, откуда и происходит название вариатора.
Для смены передаточного числа в тороидальном вариаторе требуется изменить положение роликов. Для максимальной тяги они должны быть повернуты в сторону ведомого диска. При высоких оборотах ролики направлены к ведущему диску. Устройство и принцип работы тороидальной бесступенчатой трансмиссии показаны на изображении ниже.
То как именно вариатор меняет передаточное число во время разгона зависит от программы управления. Для максимальной динамики двигатель выводится на обороты, соответствующие наибольшему крутящему моменту. При этом плавно меняется передаточное отношение. Темп разгона высокий, так как не тратится время на переключение между ступенями.
Ездить в вышеописанном режиме не очень удобно. Постоянные высокие обороты мотора приводят к большому расходу топлива и снижают ресурс силовой установки. При этом водитель, привыкший эксплуатировать транспортное средство с обычной коробкой передач, испытывает странные ощущения от монотонной работы мотора. Поэтому часто вариатор настраивают так, чтобы разгон полностью напоминал увеличение скорости с обычной АКПП.
Большинство бесступенчатых трансмиссий способны имитировать работу механической или роботизированной коробки передач. При этом все передаточные числа задаются программно. Вариатор просто переключается между установленными положениями.
Устройство вариаторной коробки передач
В состав каждого шкива входят по два конуса 20°, которые отцентрированы вершинами относительно друг друга. Клиновидный ремень вариатора входит в меж-конусное пространство. Свое название ремень получил, благодаря оригинальной форме сечения в виде буквы V. Такой профиль позволяет увеличить площадь контакта, силу трения между ремнем и шкивами вариатора.
Сближение конусов приводит к увеличению диаметра шкива. Соответственно, при их разведении – он уменьшается (эффект переменного рабочего диаметра шкива). Шкивы переменного диаметра расположены строго попарно. Один из них – ведущий (входной), он является продолжением коленчатого вала силового агрегата. Ведущий шкив вариатора передает вращение на второй (ведомый) шкив, элементы коробки передач, трансмиссию, колеса автомобиля.
Существует термин «радиус основного тона», он характеризует расстояние от ремня до центров клиновидных шкивов. Когда шкивы вариатора разведены и находятся максимально далеко друг от друга, этот параметр минимален. При максимальном сближении конусов ремень перемещается к наружному краю, увеличивая радиус. Отношение радиусов основного тона, ведущего и ведомого шкивов, регулируется специальным устройством бортового компьютера.
Интересно: Если на одном из шкивов вариатора увеличивается радиус охвата, на другом, он синхронно уменьшается. Благодаря данному эффекту, ремень находится постоянно в натянутом состоянии. При взаимном изменении радиусов создается бесконечное множество передаточных отношений – от минимального до максимально высокого. Например, если радиус основного тона на ведущем шкиве очень маленький, на ведущем он приближается к максимуму. При этом скорость вращения выходного вала низкая, что соответствует пониженной передаче автомобиля. Для увеличения скорости машины достаточно сблизить конусы ведущего шкива вариатора.
Изменяя радиусы охвата на ведущем и ведомом шкивах, можно получить бесконечное множество значений передаточного числа вариатора. В коробке передач CVT шкивы, размещенные на ведущем и ведомом валах, оборудованы специальным гидроприводом, при помощи которого конусообразные половинки синхронно сдвигаются/раздвигаются. При этом передаточное число вариатора изменяется в широких диапазонах.
Чтобы обеспечить движение автомобиля в режиме заднего хода, в конструкцию коробки вариатор включен набор шестерен (планетарный механизм). При помощи включения зубчатых зацеплений в заданном порядке, выходной вал вариатора может изменять направление вращения.
Помимо трех основных компонентов, описанных выше, в состав системы электронного управления вариатора также входят различные датчики, микропроцессоры. Бортовой компьютер, встроенный в трансмиссию, управляет положением конусообразных шкивов вариатора, исходя из нагрузок и скорости передвижения транспортного средства.
Как работает тороидальный вариатор
Хотя система тороидального вариатора кажется значительно более другой, все компоненты аналогичны системе вариатора со шкивами и ремнём и приводят к тем же результатам — бесступенчатой работе коробки передач. И вот как это работает:
- Один диск подключается к двигателю. Это эквивалентно ведущему шкиву.
- Другой диск соединяется с приводным валом. Это эквивалентно ведомому шкиву.
- Колёсики, расположенные между дисками, действуют как ремень, изменяя передаточное число, передаваемое с одного диска на другой.
Колёсики могут вращаться по двум осям. Они вращаются вокруг горизонтальной оси и наклоняются вокруг вертикальной оси, что позволяет им касаться дисков в различных областях.
Как работает бесступенчатая CVT коробка передач
Ременной или цепной
В этом случае принцип работы одинаковый. Отличие только в применении в качестве передачи крутящего момента ременного или цепного привода. Устройство вариаторной коробки не изменяется.
При помощи подвижного механизма, закрепленного на одном из конусов ведущего и ведомого шкива, происходит изменение эффективного диаметра ремня. То есть, на каждом из шкивов меняется внутренний диаметр. Соответственно, изменяется передаточное число между ведущим и ведомым валами.
Простым языком:
При возрастании оборотов двигателя, противоположные конусообразные пластины сдвигаются или раздвигаются, каждая на своем шкиве. Они либо выталкивают ремень наружу при их схождении, либо опускают его вниз, при раздвижении. На картинке показано, как меняется передаточное соотношение при разном положении ремня на шкивах коробки.
Как видно, здесь нет фиксированных передач, потому что нет набора звездочек. Поэтому, вариатор может иметь неограниченное число передач, а значит, широкий диапазон передачи крутящего момента.
В современных вариативных коробках все же есть две звездочки или дополнительный планетарный механизм. Он предназначен для фиксации пониженной передачи или первой скорости, чтобы момент передавался не через ремень, а через шестерни. Это бережёт ремень от проскальзывания и шкивы от царапин при старте автомобиля под нагрузкой. Например, при заезде с места на бордюр, подъем в гору с минимальной скорости или буксование в грязи.
Задняя и нейтральная передача
Когда рассматривали устройство вариатора, то говорили, что в его конструкции есть планетарная передача и набор фрикционов. Так вот, все это хозяйство отвечает за «нейтралку» и заднюю скорость.
Ведущий шкив жестко соединен с водилом планетарной передачи. На ведущем валу установлена солнечная шестерня, которая двумя рядами сателлитов связана с коронной шестернёй. Они своими осями соединены с водилом.
Чтобы обеспечить движение автомобиля прямо, нужно зафиксировать коронную шестерню с солнечной шестернёй. За это отвечает первый пакет фрикционов. Он представляет собой набор пластин. Один ряд которых имеет зубья на внешней части,они соединены с коронной шестерней. На втором ряду зубья расположены на внутренней стороне пластины, они жестко связаны с солнечной шестерней. Весь набор пластин может двигаться в осевом направлении по шлицам.
Как выглядят фрикционные диски и как они работают на планетарном механизме
Таких рядов несколько, пластины чередуются между собой. Между ними есть определенный зазор и они свободно вращаются каждый со своей шестернёй. В этот момент включена нейтральная передача. Под действием гидропривода они смыкаются. За счет силы трения между ними, они фиксируя солнечную шестерню с коронной. Теперь вся конструкция движется как одно целое, обеспечивая движения авто вперед.
При включении задней скорости активируется второй пакет фрикционов и ослабляется первый. Второй набор пластин отвечает за фиксацию солнечной шестерни с корпусом коробки.
Таким образом в работу вступают сателлиты. Коронная шестерня вращается в одном направлении, сателлиты в другом. Так как они жестко связаны с водилом, то оно вращается в противоположном направлении относительно входного вала. Это обеспечивает движение автомобиля задней скоростью.
Достоинства CVT
- Плавный разгон и торможение. Отсутствие рывков, при исправном вариаторе.
- Современные бесступенчатые КПП умеют экономить топливо лучше классических автоматов. В некоторых случаях экономия достигает уровня механической коробки .
- Низкий уровень шума при исправном агрегате. Вариатор не имеет фиксированных шестерен передач, поэтому он издает меньше шума при движении автомобиля.
- Исключена пробуксовка ведущих колес. Это повышает безопасность на обледенелых дорогах. С другой стороны, современные автомобили оснащены системами курсовой устойчивости, авто будет уверено стоять на льду, неважно, какая коробка в нем установлена.
Как правильно обслуживать авто с вариатором
Особенности вариаторной коробки передач предполагают следование определенным правилам со стороны владельца. Необходимо обеспечить:
- своевременную замену масла. Использовать марки смазки, предусмотренные изготовителем или аналоги с подтвержденными характеристиками;
- регулярную компьютерную диагностику – с целью выявления ошибок в работе механизма и электрооборудования;
- установку новых узлов взамен изношенных.
Владелец должен соблюдать регламент обслуживания, установленный изготовителем и указанный в руководстве по эксплуатации машины.
Рабочая температура вариатора должна удерживаться в диапазоне от 70 до 105 градусов. Превышение этого показателя свидетельствует о неудовлетворительном охлаждении оборудования.
Недостатки вариаторов
- Они не способны «переваривать» большую мощность двигателя. Это связано с механизмом передачи крутящего момента, не зависимо, установлен ремень или цепь. Она легко может проскакивать, задирая конуса – это уже дорогостоящий ремонт.
- По поводу ремонта. Переборка вариатора стоит очень дорого, иногда сравнима по стоимости с капитальным ремонтом двигателя. В большинстве случаев подобный ремонт не целесообразен, проще найти «контрактную» коробку.
- Бесступенчатая КПП прихотливая в обслуживании. Её нельзя перегревать, буксовать на одном месте, часто ездить «педаль в пол». Все это ведет к повышенному износу конусов и ремня.
- Много датчиков управления и контроля работы вариатора. Выход одного из них приведет к выходу из строя всего агрегата.
- Дорогое обслуживание. В ней необходимо чаще, чем в классическом автомате менять масло. Стоимость работы и самого масла выше, чем у «автомата».
Многие автолюбители боятся подобных трансмиссий. Зная устройство и принцип работы вариатора, можно легко понять автовладельцев, так как вы знаете, почему у него так много противников. Плюс ко всему, подобная коробка имеет достаточно недостатков. Все они носят финансовый характер, то есть, все что связано с ней, несет затраты больше, чем другие типы КПП.
Источники:
