Что такое вариатор (CVT)?

Вариатор — один из типов бесступенчатой трансмиссии Continuously Variable Transmission, CVT). Он является альтернативой автоматической коробке передач. У вариатора есть свои плюсы и минусы по сравнению с АКПП и все больше автомобилей в России появляется с трансмиссией, которая использует этот вариант передачи крутящего момента. Он заслужил как похвалу так и нарекание владельцев автомобилей.

Несмотря на то, что технология передачи крутящего момента, на которой основана работа вариатора, была изобретена еще в Средние века, автомобили, оснащенные этим устройством пока не захватили большого рынка. Система остается еще достаточно новой и ни один из ведущих автопроизводителей не смог пока завоевать симпатии покупателей с помощью модели, использующей использование этого устройства в сердце трансмиссии.

Эта статья призвана объяснить, почему несмотря на ряд очевидных достоинств, система не получила широкого распространения, ответить на некоторые из вопросов, связанных с особенностями работы вариатора в обычном автомобиле, плюсами и минусами его использования по сравнению с планетарными АКПП или МКПП. Что же это за вопросы?

• В чем состоит отличие вариатора от обычной планетарной коробки передач?
• Из чего состоит вариатор, каков принцип его работы?
• Каковы недостатки вариатора в сравнении с традиционными “автоматами”?
• В чем особенности управления автомобилем с вариатором, каковы впечатления от вождения такого автомобиля?
• Какие модели автомобилей уже поставляются с CVT?
• Где еще кроме автомобилей может быть использован принцип бесступенчатой передачи крутящего момента?

В чем же заключаются различия бесступенчатой трансмиссии и традиционной планетарной коробки передач?

История автомобильного вариатора:

1. 1490 — Леонардо да Винчи опубликовал эскизы устройства, предназначенного для бесступенчатой передачи крутящего момента
2. кон. XIX — нач. XX века — вариаторы начинают активно применяться в приводах промышленного оборудования, швейных машинах, велосипедах.
3. 1958 — автомобилестроительная компания Daf (Нидерланды) выпускает модель микролитражки 600, оснащенной вариатором. В 70х годах Daf становится частью концерна Volvo, инженеры которого смогли немного усовершенствовать это устройство. Благодаря их наработкам запас прочности вариаторов достиг 30 тыс. км. Этого оказалось мало, проект развивать дальше не стали.
4. конец 90х — Subaru выпускает модель автомобиля Kei cars, которая была оснащена вариатором с гидравлическим управлением и стальной цепью.
5. конец 2000х — первая массовая модель Honda — кроссовер HR-V (1999 г). Через несколько лет вслед за Хондой подтягиваются и другие производители — Nissan, Audi
6. 2005-2014 — ряд иномарок снабжаются вариаторами

Как работает АКПП?

Для начала давайте разберемся с принципом работы автоматической коробки передач.

Работа такой трансмиссии состоит в изменении соотношения передач между двигателем и колесами в автоматическом режиме. Без КПП автомобили бы имели только одну передачу, скорость зависела бы только от оборотов двигателя.

Представьте себе автомобиль только с первой передачей. Такая машина здорово взбирается на крутую горку и хорошо стартует с места. Вот только скорость будет ограничена — быстрее никак.

Автомобиль только с третьей передачей будет ездить со скоростью около сотни километров час по дороге, но стартовать с места или подняться круто в гору для него может оказаться проблемой.

Трансмиссия использует ряд передач — от низкой к высокой, чтобы эффективно использовать крутящий момент двигателя автомобиля. Если водитель сам переключает передачи, то коробка передач называется механической. Если участия водителя не требуется — то коробка передач называется автоматической.

В традиционной АКПП для изменения соотношения крутящего момента используется система шестерней разного размера и типа. Блокируя вращение отдельных элементов системы можно добиваться различного соотношения крутящих моментов вала двигателя и оси колеса. Благодаря этому можно получать от 4 до 8 передач переднего хода и одну передачу заднего. При переходе от одной передачи к другой, водитель может почувствовать рывки, особенно при быстром ускорении.

Как работает вариатор?

В отличие от описанной выше схемы с шестернями, вариатор не имеет какого-то фиксированного количества передач. Эта технология относится к бесступенчатым трансмиссиям(CVT), и наряду с другими видами таких трансмиссий производит плавное, бесступенчатое изменение соотношения крутящих моментов. Распространен тип вариатора, работающий на системе шкивов, позволяющих плавно изменять радиус кривизны передаточного ремня, накинутого на шкив. Тем самым мы добиваемся плавного изменения передаточного числа (см. картинку ниже).

В основе работы лежит принцип рычагов. Два вала — ведущий и ведомый расположены рядом и направленны в противоположные стороны (параллельно друг другу). На концах валов находятся конусы, которые сужаются в противоположных направлениях. Если перекинуть через конусы ремень или цепь и сделать так, чтобы можно было перемещать валы вдоль их оси друг относительно друга так, чтобы ремень оставался все время на одном уровне, то мы получим простейший вариатор.

Как это работает? Так как наконечники конусообразные, то при смещении валов, передаточный ремень смещается вдоль оси конуса и радиус его изгиба становится больше или меньше. Если, например, радиус изгиба ремня, перекинутого через шкив ведомого вала уменьшать, а ведущего — увеличить, то меньшему количестве оборотов ведущего будет соответствовать большее количество оборотов ведомого в единицу времени. Если число оборотов ведущего не менялось, то автомобиль ускоряется. Это позволит нам разгонятся на дороге.

Наоборот, если сместить валы так, чтобы, увеличить радиус закругления ведомого вала и уменьшить радиус закругления ведущего, то большему количеству оборотов ведущего вала будет соответствовать меньшее количество оборотов ведомого вала. Так мы сможем тронуться с места или заехать круто в гору.

В реальных машинах каждый из валов имеет по два конусообразных шкива. Вершины конусов обращены друг к другу. Между шкивами закреплен также конусообразный в сечении ремень.

На картинке видно, как меняется зазор между шкивами и радиус изгиба ремня. За счет этого изменения радиуса меняется и передаточное число между двигателем и колесами машины.

В традиционных АКПП планетарного типа очень много элементов — шестерни различных типов, муфты, тормоза, масляные каналы, “водило”. По сравнению с ними, вариаторы имеет очень простое устройство. Большинство современных вариаторов содержат три основных элемента:

• мощная цепь или сверхпрочный резиновый ремень
• два конусообразных шкива на ведшем валу
• два конусообразных шкива на ведомом валу

Да, конечно, ничего не заработает без системы датчиков и системы управляющих устройств. Главным из устройств управления является бортовой компьютер, который определяет оптимальное положение шкивов, опираясь на данные о скорости и нагрузке автомобиля.

Каждый шкив представляет собой два 20-градусных конуса, которые обращены друг к другу. Ремень входит паз, образованный боковыми поверхностями конусов. Ремень в поперечном разрезе клиновидный. Это позволяет увеличить площадь соприкосновения с поверхностью шкивов и, следовательно, трение.

Когда расстояние между конусами шкива большое — ремень входит глубоко в паз и радиус его петли мал. Если сблизить конусы, то ширина и глубина паза, образованного их сторонами уменьшаются, и ремень поднимается. Радиус изгиба ремня при этом становится больше. Чтобы управлять расстоянием между конусами, в разных моделях вариаторов используются различные технологии — давление гидравлики, пружины, центробежная сила.

Ведущий шкив, соединенный с валом двигателя называют “входным” (кинетическая энергия двигателя “входит” в него.

Расстояние от ремня до центра шкивов, где проходит этот ремень, называется радиус основного тона. Когда шкивы расходятся, радиус основного тона уменьшается. Когда шкивы сближаются, радиус основного тона увеличивается.

Бортовой компьютер с помощью специального механизма управляет отношением радиусов основного тона на ведущем и ведомо шкивах. Он сдвигает валы таким образом, чтобы ремень все время оставался натянутым. Когда один шкив увеличивает радиус основного тона, то второй уменьшает и ремень не провисает. Сдвиг происходит синхронно. Так как шкивы меняют свои радиусы друг относительно дуга плавно, то мы получаем бесконечное число передаточных чисел (в определенном рабочем диапазоне, разумеется). Этот рабочий диапазон определяется соотношением максимального и минимального радиусов шкивов.

Если радиус основного тона мал у ведущего шкива и большой у ведомого, то скорость вращения ведомого шкива уменьшается. Получается, что на несколько оборотов ведущего вала приходится один оборот ведомого — автомобиль стартует или поднимается в гору на низкой передаче. Если, наоборот, мал радиус основного тона у ведомого шкива, ау ведущего — большой, то одному обороту ведущего вала соответствуют несколько оборотов ведомого и автомобиль едет с большой скоростью на высокой передаче.

Как устроен передаточный ремень?

Долгое время, основным сдерживающим фактором для повсеместного распространения вариаторов в автомобилях был низкий запас прочности передаточного ремня. Первые серийные модели с вариатором были микролитражками не случайно — на небольших машинах стоят менее мощные двигатели, ремень испытывает меньшие нагрузки. Но, даже после ряда усовершенствований запас прочности ремня вариатора оставался на уровне 30 тыс. км, после чего его необходимо было менять. Для сравнения, ресурс АКПП планетарного типа может достигать сотен тысяч км.

Как же сейчас удается создавать передаточные ремни достаточно прочные для того, чтобы автомобиль, оснащённый вариатором мог конкурировать на рынке с автомобилями, использующими традиционные АКПП.

Во-первых, инженерам пришлось избавиться от резины. Материал этот все же недостаточно прочен, нужна сталь. Чтобы добиться гибкости, сравнимой с резиной, ремень приходится делать сборным. Он состоит из тонких стальных полос (обычно от 9 до 15), скрепленных множеством металлических пластин (см. изображения ниже).

Изготовленные таким способом клиновидные ремни имеют ряд преимуществ перед резиновыми — они не растягиваются и не скользят и намного тише, чем резиновые.

Кроме этого, металлические ремни имеют очень высокую прочность на разрыв, что позволяет устанавливать вариаторы совместно с двигателями, имеющими очень высокий крутящий момент (например, на внедорожниках).

 

Как работает тороидальный вариатор?

На первый взгляд тороидальный вариатор имеет мало общего с описанной выше схемой — нет ременной передачи и подвижных шкивов, валы не двигаются друг относительно друга…

Но на самом деле основные части те же самые. Инженеры смогли избавиться в конструкции от некоторых деталей, но принцип действия и результат не изменился.

• Ведущий диск подключается к двигателю
• Ведомый диск соединяется с приводным валом
• Ролики, расположенные между дисками передают движение с ведущего диска на ведомый, изменяя передаточное число.

Ролики имеют две степени свободы. Они вращаются вокруг горизонтальной оси и могут наклоняться при этом вверх-вниз в вертикальной плоскости. Это позволяет им касаться дисков в различных областях.

Принцип работы тороидального вариатора.

Достоинства и недостатки использования вариатора:

Вариаторы набирают популярность у производителей. Они имеют ряд преимуществ перед традиционными КПП — плавное изменение скорости, лучшая реакция на изменяющиеся условия движения и т.д. Более подробный список приведен в таблице ниже.

Но, если бы вариатор не имел и недостатков, то уже давно бы вытеснил традиционные планетарные АКПП. Почему же этого до сих пор не произошло?

1. Ремень вариатора достаточно быстро изнашивается и требует регулярного обслуживания. Общий срок службы вариаторов невысок.
2. Ремень вариатора из-за своей конструкции не очень хорошо подходит для больших нагрузок. Эта особенность выходит на первый план, если речь идет об автомобилях, предназначенных для пересеченной местности
3. Некоторые дилеры отказываются ремонтировать вариатор в случае поломки, предпочитая заменять весь модуль целиком. А это может оказаться недешево — до 40% стоимости автомобиля.
4. Для переключения передачи требуется некоторое время (1-2 сек.), что для некоторых водителей непривычно и некомфортно
5. Для КПП такого типа нужно специальное масло (они должно одновременно и обеспечивать сцепление ремня с поверхностью шкивов, и защищать трущиеся детали от износа). Если масла станет мало или оно окажется не предназначенным для вариатора, то он быстро сломается.
6. Корректная работа вариатора сильно зависит от работы большого количества электронных приборов — показаний датчиков и работы бортового компьютера, управляющего трансмиссией. выход из строя одного из них способен вызвать сбой работы вариатора.

Производители в курсе болевых точек вариаторов и непрерывно работают над его усовершенствованием. Процент отказов современных вариаторов не выше, чем у классических АКПП. Большинство технических проблем, серьезно ограничивающих его распространение сняты вот уже как 4-5 лет. Но остались психологические. Первые “пробы пера”, когда производители только выходили на рынок с массовыми моделями, оснащенными CVT ударили по имиджу вариаторов. У многих водителей есть предубеждение, что вариатор — это ненадежно, хотя это и не так. У него есть своя специфика в работе и при эксплуатации автомобиля, оснащенного вариатором, нужно эту специфику учитывать.

На спортивных имиджевых моделях добавляется еще один забавный фактор. Бесшумность работы играет с вариатором злую шутку — клиенты, которые ждут рева мощного движка своей спортивной машины… не слышат на большинстве режимов этого рева. Производители с помощью различных ухищрений вынуждены эмулировать такой шум двигателя, в частности передавать через акустическую систему в салон.