Вариатор принцип: Как работает вариатор — принцип работы, устройство

Отпускаем “ручник”, переводим селектор трансмиссии в положение D, нажимаем на педаль газа и едем. Без дерганий, рывков, с застывшей в одном положении стрелкой тахометра. Надо разогнаться активнее? Сильнее давим на газ, получая под монотонное жужжание мотора линейное ускорение без малейших провалов. Почти как в троллейбусе. А ведь под капотом двигатель внутреннего сгорания.

Виной тому вариатор – также известный как бесступенчатая трансмиссия или коробка CVT (continuously variable transmission – бесступенчато варьируемая трансмиссия). И автомобиль, оборудованный им, на первый взгляд, ничем не выдаёт себя — педалей всего две и рычаг переключения режимов трансмиссии — P, R, N, D — такой же, как и у машины с традиционной АКПП. Всё привычно, но на этом сходство заканчивается, работает вариатор совершенно по-другому.

У вариаторов есть одна особенность — двигатель сразу выводится на соответствующие обороты и работает в режиме постоянной мощности, а все остальное делает вариатор. Поэтому многие водители, впервые севшие за руль автомобиля, оснащенного бесступенчатой трансмиссией, недоумевают, слыша не привычный нарастающий шум двигателя, а его ровное постоянное урчание.

Его главный секрет в том, что передач (передаточных отношений между ведущим и ведомым валами) у него куда больше, чем в любой другой трансмиссии. Более того, само понятие «передача» — не имеет к вариатору никакого отношения, поскольку вариатор — это бесступенчатая трансмиссия. В нем нет шестерен, а значит, нет и фиксированного количества передач. На всех традиционных КП (и механических, и автоматических) крутящий момент от двигателя к колесам передается через зубчатые колеса. В вариаторе же (в его наиболее популярном – клиноременном – варианте) эту функцию выполняют клиновидный стальной ремень или пластинчатая цепь, соединяющие ведущий и ведомый валы, как в приводе, скажем, генератора. Отличие только в том, что зажаты они между двумя раздвижными конусообразными шкивами, установленными на окончаниях валов. И «переключение» между ними происходит плавно и незаметно.

Поэтому-то здесь нет толчков при трогании и «переключении». И не зря мы написали это слово в кавычках: переключений как таковых тут и нет. Вариатор непрерывно и плавно изменяет передаточное число по мере разгона или замедления автомобиля.

А появились вариаторы довольно-таки давно, они гораздо старше механических КПП и тем более «автоматов». История бесступенчатой трансмиссии уходит корнями в средневековье — говорят, что схему первого клиноременного вариатора нарисовал еще сам Леонардо. Хотя запатентован механизм был позже, в 1886 г., а с середины XX века вариатор с клиновидным резиновым ремнем стал использоваться в малолитражных голландских автомобилях DAF 600. Позднее, после приобретения завода компанией Volvo, патент и технология перешли к шведам. Практически без изменений такая трансмиссия перекочевала на Volvo 343. Шведский автомобиль оснащался ею вплоть до 1980 года. Клиноременные вариаторы с цепным приводом были впервые установлены на Ford Fiesta и Fiat Uno в 1987 г.

Разновидностей вариаторов существует множество, да и используются они не только в автомобилях, но и в мотоциклах и снегоходах, станках и конвейерах, катерах и моторных лодках, и еще много где. Поэтому мы ограничимся рассмотрением лишь трех конструкций, применяемых в автопромышленности.

Клиноременный вариатор — из всех вариаторов именно этот имеет, пожалуй, самую простую и легко реализуемую конструкцию. Состоит она из двух шкивов, каждый из которых представляет собой пару конусов обращенных вершинами друг к другу. Между конусами зажимается специальный клиновидный ремень, в разрезе похожий на перевернутую трапецию. Ведущий шкив соединен с коленвалом двигателя, а ведомый — с валом, идущим к колесам. Главное в таком вариаторе то, что конусы могут сдвигаться и раздвигаться.

Итак рычаг в положение «D». В этот момент шкивы вала, идущего от двигателя, находятся в самом разведенном состоянии, и ремень, “проваливаясь” к оси, облегает их по наименьшему диаметру. Соответственно, шкивы ведомого вала на старте максимально сжимаются, чтобы выдавить клиновидный ремень на наибольшую окружность для передачи колесам в начале движения самого большого крутящего момента. После чего, при наборе скорости, вариатор, не меняя обороты двигателя, сжимает шкивы ведущего вала (вынуждая ремень переползти на максимальный диаметр вращения) и разжимает – ведомого. Таким образом, передаточное число линейно меняется от 3–6 до 0,2–0,4. Подобная плавность сегодня не достижима ни одному другому типу коробок переключения передач.

Соответственно, если мы уменьшим радиус ведущего шкива и увеличим радиус ведомого, мы получим максимальный крутящий момент на колесах — это будет аналогом низшей передачи. При сближении конусов ведущего шкива и раздвижении ведомого, наоборот — маленькое передаточное число и крутящий момент, что станет аналогом «высокой» передачи.

Для синхронного сдвигания конусов одного шкива и раздвигания конусов другого используется дополнительный механизм. Это может быть гидравлическая система, центробежная сила или даже напряжение пружин, создающих необходимое усилие для управления конусами.

Главной и, пожалуй, единственной серьезной проблемой был ограниченный ресурс клиновидного ремня. Вопрос практичности вариатора оставался открытым до тех пор, пока братья Ван Дорны не запатентовали ремень из наборных пластин. Кроме того, что многослойная конструкция оказалась сама по себе существенно выносливей, в пользу наборного ремня говорило еще и его функциональное своеобразие. Он не тянул муфту, а толкал, благодаря чему ресурс вариатора значительно увеличивался. Сегодня ремень Ван Дорна в бесступенчатых трансмиссиях своих автомобилей активно используют такие бренды, как MINI, Nissan, Honda.

Ремень в вариаторах, как видно, никакой вовсе не ремень, а наборная металлическая лента.

Это может быть стальная лента с неким покрытием или набор стальных тросов (лент) сложного сечения, на которые нанизано огромное число тонких поперечных стальных пластинок трапецевидной формы, края которых и контактируют со шкивами. Кстати, именно таким образом удалось создать толкающий ремень, передающий мощность не только той его половиной, которая бежит от ведомого к ведущему шкиву, но и противоположной. Обычный ремень при попытке передать сжимающее усилие просто сложился бы, а наборный стальной — обретает жёсткость.

Несколько иначе ресурсную проблему решили специалисты Audi. Они соединили шкивы не ремнем, а цепью, которая соприкасается с конусами своими краями, логично предположив, что последняя в любом случае окажется долговечней. Однако, совладав с задачей прочности передаточного звена, они поставили новый вопрос – термоустойчивости. Вариатор отчаянно грелся. Инженеры ломали голову над тем, как остудить места контакта осей сочленения цепи со шкивом. Ясно, что все упиралось в качественный состав как самой цепи, так и смазывающей/охлаждающей жидкости. В течение 10 лет компании Audi и ZF боролись за будущее своего детища. Их усилия были вознаграждены: система Multitronic, оснащенная цепной передачей, нашла серийное применение в трансмиссии Audi А6.

Для смазки цепи применяется особая жидкость, которая меняет своё фазовое состояние под сильным давлением, возникающим в месте контакта со шкивом. Благодаря этому цепь может передавать значительное усилие, практически не проскальзывая, несмотря на очень маленькую площадь контакта.

Принцип работы так называемого тороидного вариатора сам по себе исключает промежуточное звено в виде ремня или цепи. Состоит он из двух дисков, прикрепленных к валу двигателя, и расположенных между ними роликов, передающих мощность с ведущего диска на ведомый. Ролики вращаются вокруг горизонтальной оси, но при этом могут отклоняться вправо или влево, соприкасаясь с дисками в разных местах. Передаточное число такой трансмиссии меняется путем изменения радиуса, по которому контактируют обоймы с роликами.

Изменить передаточное число вариатора в данном случае помогает гидравлика. По указке электронного блока управления она сдвигает роликовые обоймы по вертикали. Нарушенная в результате соосность дисков довершает начатое: ролик поворачивается самостоятельно.

Если ролики будут касаться центральной части ведущего диска, значит с ведомым они буду соприкасаться по его краям. Это приведет к увеличению крутящего момента и уменьшению скорости. Соответственно, наклоняя ролики в противоположные стороны — к центру ведомого диска и к краям ведущего, мы получим меньший момент, но большую скорость, то есть повышенную передачу.

Казалось бы, удачная и практичная конструкция. Однако и тут не обошлось без подводных камней. Из-за огромного давления в пятне контакта ролики довольно быстро разрушались. Тороидный вариатор оказался лицом к лицу с той же проблемой, что и клиноременный, – ограниченный срок службы. Методом научно-математического «тыка» инженерам пришлось изыскивать материалы для деталей вариатора Extroid. В конце концов вопрос надежности был разрешен, и ресурс тороидной трансмиссии стал сопоставим с заявленным ресурсом современного автомобиля. Однако это не преминуло сказаться на себестоимости вариатора, а в конечном счете и на цене трансмиссии Extroid.

В гидростатических вариаторах вращение вала двигателя приводит в действие гидронасос. Он в свою очередь преобразует вращательное движение в поток жидкости, который вновь преобразуется во вращательное движение ведомым гидростатическим двигателем. Подобные вариаторы чаще существуют как часть гибридной системы, куда входят также сцепление и планетарная передача. Такой механизм называется гидромеханической трансмиссией и используется в основном на спецтехнике, работающей в сложных условиях. При этом крутящий момент передается несколькими способами: на малых скоростях автоматически через гидростатический вариатор, на больших — через планетарную передачу, механически.

Но ни один из типов вариатора сам по себе не может обеспечить двух нужных моментов — нейтральной передачи и заднего хода. Решение последней задачи самое простое — установить планетарную передачу. А вот для обеспечения «нейтрали» есть несколько подходов. Прежде всего, можно использовать гидротрансформатор, который будет блокироваться при необходимости. Subaru, например, ставит на свои машины электромагнитное сцепление, пространство между дисками которого заполнено специальной жидкостью с добавлением частиц металла. Они то и притягивают диски друг к другу при создании электромагнитного поля.

Таким образом, у вариатора масса достоинств. Но есть и недостатки. Например, сравнительно небольшая, по современным меркам, «перевариваемая» мощность двигателя. Не зря такие коробки начали своё шествие по миру на машинах малого класса. Да и сейчас мощные автомобили — все сплошь и рядом укомплектованы либо «механикой», либо классическими «автоматами», либо роботизированными коробками.

Правда, прогресс идёт. И тут нельзя не вспомнить рекордсменов. Скажем, на Audi A4 2.0 TFSI клиноремённый вариатор Multitronic (с цепью) без проблем справляется с потоком в 200 «лошадей».

Можно возразить, что класс D — это ещё не всё. Для автомобилей представительского и бизнес-класса, и тем более для крупного внедорожника — 200 сил уже не назовёшь такой уж большой величиной. Но достижения самых современных вариаторов на этом не исчерпываются. Так, на кроссовер Nissan Murano с 3,5-литровым V6 мощностью 234 лошадиные силы ставят клиноремённый вариатор X-Tronic. Это одна из самых крупных и тяжёлых моделей, оснащённых вариатором. А что будет завтра?

Второй недостаток вариаторов — сравнительно дорогое обслуживание и ремонт, специальная, а значит, недешёвая, трансмиссионная жидкость. Ремённые вариаторы могут через каждые 100—150 тысяч километров пробега требовать замены ремня. Масло при этом стоит несколько дороже, чем для «автомата», но зато менять его можно чуть реже — ориентировочно через 40—50 тысяч километров для разных моделей автомобилей.

И всё же вариаторы получают всё большее и большее распространение на машинах самых разных классов, к тому же и стоят они, обычно, дешевле хороших «автоматов» классического типа.

На каждое преимущество бесступенчатой трансмиссии в результате нашелся свой эксплуатационный пунктик. Непрерывный вой двигателя, работающего на оборотах максимального крутящего момента, многих водителей чуть не сводил с ума. В итоге автомобильные компании, идя навстречу покупателям, настраивают вариатор на более привычный режим «разгон – переключение». Что, естественно, нивелирует динамические преимущества вариатора, гарантирует более высокие эксплуатационные расходы. Это вызвано как сокращенным межсервисным интервалом обслуживания, так и использованием специальных продуктов, одобренных производителем.

Как ни крути, но вариатор все-таки не вполне корректно называть «автоматической коробкой переключения передач». Да с точки зрения своего функционального предназначения он без сомнения является АКПП как агрегат, позволяющий плавно менять передаточное отношение в некотором диапазоне регулирования, но принцип его действия не имеет с традиционным «автоматом» ничего общего.

Коротко

Клиноременный вариатор — это ведущий и ведомый шкивы, соединенные клиновидным ремнем. Ведущий устроен таким образом, что в зависимости от скорости вращения боковые плоскости шкива сжимаются и «выдавливают» клиновидный ремень ко внешнему радиусу. Ведомый шкив сконструирован по зеркальному принципу : чем больше центробежная сила, тем меньше радиус вращения ремня. Все просто и понятно.

Тороидный вариатор — состоит он из двух дисков, прикрепленных к валу двигателя, и расположенных между ними роликов, передающих мощность с ведущего диска на ведомый.

Источники — «За рулем, Автокомпоненты, Драйв»