Принцип работы вариатора: какие бывают виды, плюсы и минусы

Примерно следующее: передачи в коробке будут переключаться автоматически и плавно (без рывков), динамика разгона будет иметь оптимальные значения, а показатель расхода топлива оставаться минимальным. И все это за счет идеального сочетания передаточного отношения в трансмиссии и нагрузки на двигатель в конкретный момент времени. 

Звучит неплохо и, действительно, вариатор cvt, с инженерной точки зрения, является оптимальной КПП из всех существующих на данный момент. Но все ли так гладко с ним? В статье разберем, что такое вариатор, его устройство и принцип работы, виды и особенности применения. Вы сможете сами оценить заложенные в конструкции преимущества и, конечно же, его недостатки.

Как это работает

Вполне закономерный вопрос. Прежде чем покупать себе автомобиль вроде Хонда Фит или Митсубиси Аутлендер, где предлагается вариатор, хочется узнать, как пользоваться такой трансмиссией. Для этого следует знать принцип работы.

Коробка считается бесступенчатой. Но по факту передаточные числа между шкивами меняются, просто это происходит чрезвычайно плавно. Отсюда и отсутствует возможность отчетливо уловить границу при переходе.

Чтобы включить передачу для движения вперед, диаметры 2 шкивов нужно выровнять, сделать их одинаковыми. Увеличив при этом диаметр ведомого элемента, оставив ведущий в прежнем положении, включается так называемая понижающая передача. На ней машина с CVT трогается с места. Для повышения скорости шкивы, а точнее их диаметры, меняются в обратном направлении, то есть ведомый начинает вращаться быстрее ведущего.

По сути, именно на этом основана работа такого типа трансмиссии. А если вас интересует секвентальная КПП, вот вам ссылка на интересный материал о ней.

Сцепление

Поскольку это не АКПП, на CVT имеется функция сцепления. По мере модернизации вариатора, производители применяли различные механизмы и системы.

Можно выделить несколько основных:

• Центробежные автоматические. Такие типы сцепления актуальны для мотоциклов и скутеров;
• Электромагнитные решения с электронным управлением;
• Многодисковые муфты. Подобный принцип имеет гидротрансформатор автоматической коробки;
• Многодисковое мокрое сцепление. Блокирует дифференциалы, и интеллектуально подключает режим полного привода. Аналог мокрого сцепления, используемого на DSG;
• Гидротрансформаторы.

За счет гидротрансформатора снижается нагрузка на вариаторную трансмиссию при старте машины с места. Переход на такие механизмы позволили автомобилям с CVT относительно нормально эксплуатироваться в режиме бездорожья.

Но все же если у вас авто с вариаторной коробкой, покорять на ней бездорожье все же не стоит. Такие машины созданы для города, а не для сафари. Хотя использование CVT на снегоходе себя оправдывает. Там цепной механизм проявляет себя с лучшей стороны. А если в вашем распоряжении

Задний ход

Оба вала, то есть ведомый и ведущий, вращаются в том же направлении, что и коленвал мотора автомобиля.

Тут возникла необходимость найти решение для обеспечения включения заднего хода. Оптимальным выходом из сложившейся ситуации стал планетарный редуктор. При блокировании солнечной и коренной рабочей шестерни, входной вал начинает вращаться в одинаковом направлении вместе с входными шкивом. Он, в свою очередь, соединяется с водилом.

Заблокировав лишь коренные коробочные шестерни, водило совместно с входным шкивом начнут двигаться в обратном направлении. В сети можно найти полезные видео, на которых отображается вся суть планетарных редукторов.

Коротко о истории создания бесступенчатой коробки передач

Вариаторные коробки передач иногда называют бесступенчатыми или по английской аббревиатуре CVT.

Изобретение вариаторной передачи датировано 1886 годом, когда и был выдан патент на этот механизм. Но активно стали ее применять только более полвека спустя, в 50-ых годах, для привода вспомогательных двигателей электрогенераторов в авиационной промышленности.

Затем вариаторные коробки передач начали устанавливать на скутеры, так как позволяли упростить управление коробкой передач. На автомобили же бесступенчатые трансмиссии пришли вместе с моделью 600 от голландской компании DAF.

Именно эта машина, с еще резиновым ременным приводом считается родоначальником бесступенчатых трансмиссий в автомобильной промышленности.

В конце 80-ых, марки Ford и Fiat так же налаживают производство вариаторных коробок передач но уже с металлическим ремнем, а после них и все остальные мировые бренды подтягиваются к этому тренду.

Целый ряд автопроизводителей выпускает вариаторные коробки и конечно присваивает им свои названия:

• Multimatic — Honda;
• Lineartronic — Subaru;
• Hyper, Xtronic – Nissan;
• Autotronic – Mercedes;
• Multidrive -Toyota;
• Durashift CVT, Ecotronic — Ford;
• Multitronic – Audi.

Принцип работы вариатора

Принцип работы вариатора понять очень просто, если вы хотя бы раз катались на горном или спортивном велосипеде, имеющем по несколько звездочек у педалей и на заднем (приводном) колесе.

Вы наверняка знаете, что если у педалей перекинуть цепь на самую маленькую звездочку, а на колесе выбрать самую большую, то педали крутятся очень легко, можно взобраться в почти любую гору, но при этом невозможно сильно разогнаться.

Для разгона необходимо сделать все наоборот:  у педалей цепь перекинуть на самую большую звездочку, а на колесе – на самую маленькую.

Это будут два крайних режима работы передачи, а все остальные комбинации промежуточные.

Теперь представьте, что звездочки слились в конус, а цепь превратилась в ремень, перекинутый через эти конусы. Вот и получился вариатор, а принцип работы остался неизменным.

Изменение диаметров конусов (шкивов) на ведущем и ведомом валах позволяют изменять скорость автомобиля.

В процессе езды вариатор только поддерживает наиболее подходящие обороты автомобильного двигателя для обеспечения выбранной скорости движения и динамических показателей автомобиля, что и позволяет экономить топливо.

Для наглядности пара видео с Youtube:

Что такое вариатор?

Если робот, по сути, является той же самой механикой с той лишь разницей, что выжиманием сцепления и переключением передач занимается электроника, то коробка CVT (она же вариатор) кардинально отличается от своих собратьев.

Основная особенность CVT в том, что она подстраивается под требуемые условия и непрерывно вычисляет нужное передаточное число. Таким образом, в автомобиле с установленным вариатором имеется бесконечное количество передач. Такая особенность позволяет значительно экономить топливо и оптимизировать энергозатраты.

Бесступенчатые трансмиссии бывают двух видов:

• Клиноременные (устанавливаются на 90%!машин с таким типом коробки);
• Тороидальные.

Клиноременный вариатор

Клиноременный вариатор

Наиболее распространенным типом вариатора на сегодняшний день является клиноременный. В основе конструкции такого вариатора лежит ременная передача, состоящая из двух шкивов конусообразной формы и клиновидного ремня, натянутого между ними. Передача крутящего момента от ведущего шкива к ведомому происходит при помощи специального ремня, то есть за счет сил трения, возникающих в пятне контакта ремня и шкивов. Пятно контакта представляет собой окружность, имеющую свой эффективный диаметр.

Изменение эффективного диаметра

Таким образом, если мы будем изменять эффективный диаметр на входном и выходном шкивах, то будет меняться и передаточное отношение, а следовательно, и скорость движения автомобиля. Если диаметр ведомого шкива больше ведущего, то передача будет понижающая, если меньше — то повышающая. Если диаметры входа и выхода равны, то передача прямая. Изменение эффективного диаметра контакта происходит за счет изменения расстояния между конусами шкивов: одна часть шкива закреплена неподвижно, а вторая имеет возможность осевого перемещения.

Перемещение происходит за счет давления рабочей жидкости. Причем гидравлическое управление реализовано, как правило, только на ведущем шкиве, ведомый же изменяет свой диаметр за счет натяжения ремня и возвратной пружины. Таким образом, незначительно изменяя давления рабочей жидкости, можно изменять положение шкивов и эффективный диаметр контакта ремня, тем самым в достаточно широком диапазоне изменяя передаточное отношение в трансмиссии. И, что немаловажно, делать это бесступенчато и плавно. Именно в принципе работы вариатора заключаются все его основные преимущества и недостатки.

Тороидный вариатор

Тороидный вариатор

Состоит из двух противоположно направленных конусовидных дисков (ведущий и ведомый), соединенных роликами. Последние, синхронно перемещаясь по изгибу дисков, изменяют передаточное отношение. При контакте роликов с ведущим диском по наибольшему радиусу, а с ведомым — по наименьшему, выполняется режим повышающей передачи. Для понижения передачи ролики смещаются в сторону ведомого вала. При центральном положении происходит прямая передача.

Цепной вариатор

Встречается менее редко, чем тороидный и является разновидностью клиноременного вариатора, в котором ремень CVT заменен на стальную цепь. Наиболее известным устройством подобного типа является вариатор Multitronic, которому посвящена наша отдельная статья.

Устройство

Конструкция коробки вариаторного типа довольно сложная. Вариатор является ее составной частью.

Потому можно сказать, что эти КПП состоят из:

• маховика;
• демпфера крутильных колебаний;
• фрикциона заднего хода;
• промежуточной передачи;
• вариатора;
• электронного блока управления;
• гидравлического блока;
• фрикциона для переднего хода;
• планетарного механизма.

В настоящее время можно встретить разные виды вариаторов. Но все же статистика наглядно показывает, что впереди планеты всей тороидный и клиноременной тип.

У клиноременного преимуществ больше, а потому он заметно популярнее. Но про тороидный тип все равно сказать стоит. Вообще вариаторы являются бесступенчатыми КПП. Суть заключается в том, что коэффициенты передачи на ведомые и ведущие диски изменяются очень плавно с помощью силы трения промежуточных тел. Ими выступают ролики или ремни, к примеру.

Особенности тороидного вариатора в том, что здесь ролик сжимается парой колес, имеющих тороидную, то есть сферическую поверхность. Одно колесо ведущее, а второе выступает ведомым. Главными специалистами по таким КПП выступает компания Ниссан. Потому если и брать машину с таким CVT, то именно от этого японского автопроизводителя.

У клиноременного типа все несколько иначе. Здесь механизм включает в себя ремень, входные и выходные специальные шкивы, рабочие механизмы для изменения диаметра коробочного шкива в рабочей области ремня. Изначально использовали резиновые не особо прочные ремни. Но опыт показал, что они крайне ненадежные. Потому автопроизводители перешли на металлические элементы и цепи. Крутящий момент в клиномеренных устройствах передается с помощью пары трения боковой части рабочего ремня. Это и есть рабочая поверхность коробочного шкива.

Цепь же специально контактирует с конусными рабочими внутренними поверхностями шкивов через свою торцевую часть.

Цепные CVT более гибкие и характеризуются меньшими механическими потерями при трении. Чтобы сами конусы не изнашивались, при их изготовлении обязательно используются высокопрочные сплавы.

Стоит обсудить еще некоторые важные моменты относительно вариаторных коробок передач.

Вариатор коробка передач что это такое? Принцип работы CVT

Для начала нужно разобраться, вариатор коробка передач что это такое, что же входит в бесступенчатый механизм коробки и как эти составные части между собой взаимодействуют.

Для лучшего восприятия условно поделим вариаторную коробку передач на две части. Основные узлы и вспомогательные.

К основным следует отнести:

• Ремень;
• Шкивы;
• Валы.

Принцип работы вариатора понять не сложно. На двух валах надето по два конусообразных шкива, которые могут перемещаться (сдвигаться и раздвигаться) а между ними натянут и зажат с двух сторон металлический ремень клинообразной формы.

Вот как раз ремень и передает усилие от ведущего вала, связанного с двигателем, к ведомому, который идет уже на колеса.

Передаточное число меняется в зависимости от того на сколько эти шкивы сближены, поскольку меняется число оборотов одной пары шкивов по отношению ко второй.

Шкивы двигаются в большинстве случаев гидроприводом управляемым электроникой. В итоге, мы имеем плавное изменение передаточного числа без рывков и фиксированных значений.

Вместо ремня может выступать металлическая цепь клинообразной формы, в основном это автомобили AUDI.

Такое решение позволяет передавать большую мощность, но все равно оно ограничено, где-то на отметке в 300 л.с. Поскольку повышение мощности далее негативно сказывается на ресурсе агрегата.

Еще одним из видов вариаторов будет тороидный, где связующим звеном между шкивами служит металлический вал (вариаторы Nissan). Как видим каждый из производителей старается, как то улучшить систему передачи мощности, но единого стандарта пока не изобретено.

Вспомогательные механизмы бывают следующие:

• Сцепление;
• Планетарная передача.

Сцепление в вариаторной коробке передач нужно чтобы соединять двигатель и коробку передач при начале движения и работе двигателя в режиме «нейтраль». На большинстве бесступенчатых вариаторах устанавливается гидротрансформатор, реже многодисковое сцепление.

Планетарная передача в бесступенчатой трансмиссии необходимо для реализации заднего хода, так как шкивы могут вращаться только в одну сторону. Так же могут присутствовать другие узлы и агрегаты, не влияющие коренным образом на работу механизма.

Хотя, если честно говорить, есть один элемент, который при пробуксовке в жаркий день и долгом стоянии в пробке просто незаменим. Это радиатор охлаждения, так как крутящий момент передается с помощью трения то и масло в такой коробке довольно ощутимо нагревается. Кстати не все автомобили оснащены системой охлаждения вариатора.

Устройство вариатора

Конструкция вариаторной коробки передач достаточно проста и состоит из следующих деталей и механизмов:

• раздвижные шкивы – щеки, клиновидной формы, которые расположены на валу;
• механизм для обеспечения вращения колес и установки рычага акселератора в нейтральном положении;
• механизм для переключения заднего хода;
• система управления

Вообще, видов вариаторов придумано достаточно много, порядка десяти, но реальную путевку в жизнь, по всей видимости, получит только клиноременный вариатор и его модификации такая, как, например, клиноцепной вариатор.

Схема: Audi AG

Вариатор, робот или автомат: что выбрать?

В заключение статьи ответим на вопрос, задающийся на многих форумах. На самом деле здесь все зависит от ваших предпочтений.

Робот – лучший выбор для тех, кто хочет получить преимущества механики и управляемость АКПП.

Автомат – отличный и проверенный временем вариант. У таких автомобилей нет проблем с ремонтом, да и стоимость их ниже, однако при переключении передач на некоторых моделях все еще могут наблюдаться толчки или пробуксовки.

Вариатор – оптимальный выбор, если вы хотите получить хорошую управляемость, оптимальный расход топлива и максимальную оптимизацию. Однако такие автомобили все еще недостаточно распространены в России и, следовательно, имеются сложности при их ремонте (высокая цена расходников и трудности с поиском мастера).

Как видите, объективно самого лучшего варианта не существует, однако, вариатор имеет большие перспективы в развитии и поэтому можно обратить внимание на автомобиль именно с такой КПП.