Вариатор от а до я

Вариатор

Отметим, впрочем, что по способу передачи крутящего момента Multitronic относится к клиноременным вариаторам. Принцип работы трансмиссии ингольштадтского авто остался таким же, как и у DAF 600 более чем полувековой давности. Хотя, конечно, материалы, качество исполнения, надежность и, естественно, себестоимость Multitronic куда выше.

Extroid

Принцип работы так называемого тороидного вариатора сам по себе исключает промежуточное звено в виде ремня или цепи. Момент передается роликами, расположенными на соосных дисках. Передаточное число такой трансмиссии меняется путем изменения радиуса, по которому контактируют обоймы с роликами. Грубо говоря, скорость автомобиля, оснащенного тороидным вариатором, зависит от взаимоположения контактных роликов.

Такой механизм используется в бесступенчатой трансмиссии Extroid, установленной, например, на Nissan Cedric. Отметим, что в начале нового тысячелетия Extroid CVT заработала приз «Технология года 1999–2000». 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.

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.

Лучше чаще и дороже

Вариаторы требуют самого пристального внимания и бережного отношения. Помнить об этом следует постоянно. В противном случае автомобиль может серьезно ударить по кошельку владельца. Вот несколько примеров.

Эксплуатационный регламент Honda Jazz предписывает менять масло (CVT-F) в бесступенчатой трансмиссии каждые 45 тыс. км. Однако, как показывает практика, замену масла в вариаторе следует проводить через каждые 20 тыс. км, особенно если машине приходится чередовать рваный городской ритм с затяжными марш-бросками. Продолжительное движение по шоссе разогревает CVT. Как следствие масло быстро утрачивает рабочие свойства, и вариатор изнашивается. Стоимость же нового CVT вполне сопоставима с ценой немного поюзанного Jazz! Кстати сказать, ресурс вариатора — где-то 100 тыс. км. Не исключение и клиноременный вариатор, установленный на Honda HR-V. Он удобен, динамичен, чутко реагирует на изменение оборотов и, безусловно, надежен… Вот только не в сравнении с «механикой». По сервисной статистике, ресурс вариатора оказался раза в два ниже; кроме того, он кушает в два с половиной раза больше трансмиссионной жидкости. Если в ручную КП заливают 2 л, то в вариатор почти пять. Honda советует менять жидкость раз в 70 тыс. км. Практика показывает, что интервал желательно сократить как минимум до 30 тыс. км. Цена — $20 за литр оригинальной жидкости.

Достоинства и недостатки трансмиссии вариаторного типа

Безусловно, данный вид трансмиссии имеет следующие достоинства:

• высокая плавность хода, плавное переключение передач;
• экономичность (расход топлива по сравнению с простым автоматом более низкий);
• более высокий КПД по сравнению с АКПП;
• безопасность (обеспечение дополнительной безопасности в экстремальных ситуациях за счет постоянной тяги);

При этом многие автолюбители относятся с недоверием к коробкам CVT, поскольку они также имеют ряд недостатков:

• коробки вариаторного типа не выдерживают больших нагрузок, CVT не устанавливаются на автомобили с двигателями, обладающими высоким крутящим моментом;
• дороговизна рабочей жидкости для обслуживания коробки;
• сложный ремонт коробки CVT;
• ограничения по буксировке автомобиля, оборудованного вариаторной коробкой переключения передач;
• бесперебойная работа вариатора напрямую зависимость от сигналов, передаваемых датчиками (поломка одного из датчиков может привести к сбоям в работе всей трансмиссии).

Получается, хотя машина с вариатором стоит дешевле, так как CVT является более простой трансмиссией в плане производства, обслуживать такой агрегат нужно чаще (каждые 30-40 тыс. км.), обслуживание получается дороже, чем в случае с АКПП. Также добавим, что ремень вариатора является элементом с ограниченным сроком службы. Замена рекомендована на пробеге 100 тыс. км.

Еще можно добавить, что ремонт вариатора является сложным процессом. Как правило, крупные автосервисы часто предлагают только агрегатную замену на новую или контрактную коробку. Если говорить о ремонте CVT, сложности возникают не только с самой разборкой, дефектовкой КПП и заменой изношенных деталей, но и с поиском подходящих запчастей, а также с последующей «тонкой» настройкой агрегата.

Параллельно следует упомянуть и о том, что сцеплением вариатора является хорошо знакомый по устройству АКПП гидротрансформатор. На практике, большинство проблем, которые возникают по причине поломок «бублика», характерны и для вариатора. Другими словами, выход из строя ГДТ также потребует ремонта или замены указанного устройства.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что дешевым и более выгодным решением вариатор кажется только на первый взгляд. На самом деле, такая коробка в долгосрочной перспективе менее надежна и требует больших расходов на ремонт и обслуживание.

Список литературы

1. Пронин Б.А., Ревков Г.А., Бесступенчатые клиноременные и фрикционные передачи (вариаторы)- изд. 3-е, перераб. и доп. – М.:Машиностроение , 1980 .- 320 с., ил.
2. Есипенко Я.И. Механические вариаторы скорости. –Государственное издательство технической литературы УССР. –К.,1961.-218с.
3. Вариатор, CVT, бесступенчатая коробка передач; URL: http://www.po4emu.ru/drugoe/history/index/tehnika/stat_tehnika/67.htm (дата обращения: 8.12.2014)
4. Вариатор; URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%C2%E0%F0%E8%E0%F2%EE%F0 (дата обращения: 8.12.2014)
5. Бесступенчатая трансмиссия; URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%C1%E5%F1%F1%F2%F3%EF%E5%ED%F7%E0%F2%E0%FF_%F2%F0%E0%ED%F1%EC%E8%F1%F1%E8%FF (дата обращения: 8.12.2014)

Что такое автоматический и ручной режим вариатора

Движение на автомобиле, оборудованном вариатором, может осуществляться как в автоматическом режиме, так и с ручным выбором режимов. Выбор режима осуществляется селектором, различные положения обозначены надписями.

Режимы CVT:

1. «D» – направление движения транспорта вперед. Относится к основным режимам, при котором при помощи компьютера происходит смена передаточного соотношения с учетом условий движения. Электроника отслеживает функционирование как CVT, так и двигателя, обеспечивая их полноценную работу.
2. «R» – задний ход. Для его осуществления внесены конструкционные изменения в виде установки специальных узлов. Включение данного режима разрешено только в условиях полной неподвижности автомобиля.
3. «N» – нейтральная передача, при выборе которой происходит разрыв связи двигателя и КПП. Ее следует выбирать только при продолжительной остановке.
4. «P» – парковочный режим, при котором осуществляется блокирование ведомого конусного вала, исключающее любое движение транспорта. Следует выбирать только при оставлении автомобиля на стоянке. На многих автомобилях для выбора данного положения селектора следует помимо надавливания кнопки на рычаге нажимать на тормозную педаль и включать стояночный тормоз. Переход с этого режима осуществляется при выполнении тех же действий, только в противоположном порядке.
5. «+» и «-» – ручное управление, имитирующее переключение ступеней, хотя на самом деле управление вариатором происходит при помощи электроники и постоянном контроле работы CVT и ДВС компьютером.
6. «S» – спортивный режим езды. Предназначен для более динамичного передвижения транспорта при нажатии на педаль акселератора. Изменение динамических характеристик движения происходит при более медленном изменении передаточного соотношения, что на выходе дает повышение тяги вместе с увеличением оборотов.
7. «E» – экономичный режим езды, являющийся антиподом спортивного. В данном режиме осуществляется максимально полная связь ДВС с CVT, приводящая к снижению потребления топлива.
8. «L» – режим, предназначенный для тяжелых условий эксплуатирования автомобиля. При выборе данного режима обеспечивается максимальное передаточное соотношение на ведущие колеса. Движение при положении селектора на «L» должно осуществляться при буксировании прицепа или другого автомобиля, при передвижении по бездорожью и в других трудных условиях.

Типы бесступенчатых трансмиссий

Бесступенчатые трансмиссии, как правило, классифицируются по типу передачи, обеспечивающей бесступенчатое изменение коэффициента передачи:

• Электрическая передача — двигатель вращает генератор, электромоторы — колёса (автомобили Белаз, трактор ДЭТ-250, ЗИС-154).
• Гидрообъёмная передача — двигатель вращает регулируемый гидронасос, поток масла по трубкам подаётся в гидромоторы, вращающие колёса (зерноуборочные комбайны Дон-1500).
• Гидродинамическая передача, или гидротрансформатор — устройство из расположенных соответственно колёс с лопатками, перебрасывающих масло между колёсами. Хорошо сочетается с характеристиками ДВС, автоматически изменяя передаточное число, однако увеличение момента незначительно (до 2,5) и требует дополнительной коробки перемены передач (применяется в большинстве автоматических коробок передач легковых автомобилей и автобусов).
• Вариатор — механическая передача, основанная на передаче вращения (момента) трением через промежуточное тело (ремень, ролик, шарик), которое можно переводить в любую точку переменного радиуса ведущего и/или ведомого колёс, получая изменение передаточного отношения. Наибольшее распространение получил «клиноременной вариатор» (применяется в зерноуборочных комбайнах «Нива», некоторых моделях современных легковых автомобилей, скутерах).
• Комбинированная трансмиссия — основной момент передаётся через обычные механические передачи, а меньшая часть момента — бесступенчато, что позволяет до некоторой степени совместить достоинства разных типов передач.

Бесступенчатые трансмиссии

Двигатели внутреннего сгорания работают в режиме максимальной мощности и экономичности лишь в узком интервале частот вращения коленчатого вала близких к номинальной частоте. Номинальной (оптимальной) называют частоту, при которой мощность двигателя достигает максимального значения в режиме нормальных нагрузок. При превышении этой частоты двигатель теряет мощность и начинает работать «вразнос», при уменьшении – тоже не развивает достаточной мощности и глохнет при малейшем увеличении нагрузки.

По этой причине трансмиссия автомобиля должна гибко реагировать на изменение нагрузки, создавая двигателю условия для работы в номинальном режиме. Если автомобиль преодолевает препятствие или труднопроходимый участок дороги, необходимо увеличить тяговое усилие на колесах, если же он движется по ровному и гладкому шоссе – тяговое усилие на колесах можно уменьшить, увеличив при этом скорость движения. И в том и в другом случае двигатель не должен подвергаться воздействию внешних сил сопротивления, работая в режиме, максимально приближенном к номинальному.

Данная задача наиболее просто решается применением бесступенчатой трансмиссии, которая автоматически подбирает и устанавливает передаточное отношение, наиболее оптимальное для каждого конкретного условия движения автомобиля. При этом передаточное отношение изменяется плавно, без динамических нагрузок на двигатель и агрегаты трансмиссии, что благотворно влияет их на долговечность и надежность.
Словосочетание бесступенчатая трансмиссия происходит от английского «Continuously Variable Transmission, CVT» — «непрерывно переменная передача».

Применение автоматических бесступенчатых трансмиссий не только создает благоприятные условия для работы силовой установки (двигателя), но и повышает срок службы деталей, узлов и агрегатов двигателя и трансмиссии (благодаря плавности работы и снижению динамических нагрузок).
Кроме того, упрощается управление автомобилем (благодаря автоматизации процессов), и повышается экономичность эксплуатации автомобиля, поскольку работа двигателя поддерживается в наиболее благоприятном оптимальном режиме.

Существенные недостатки автоматических и бесступенчатых трансмиссий – сложность конструкции, дороговизна производства и эксплуатации, а также недостаточная надежность и долговечность, не позволяют в настоящее время широко применять их в конструкциях современных автомобилей.

В конструкции современных автомобилей применяют несколько видов бесступенчатых трансмиссий: электрическую, электромеханическую, гидравлическую (гидродинамическую), гидромеханическую, гидрообъемную и фрикционную (вариаторную), а также их комбинации.

***

Принцип работы гидротрансформатора наглядно представлен в видеоролике.

***

Учебные дисциплины

• Инженерная графика
• МДК.01.01. «Устройство автомобилей»
•       Общее устройство автомобиля
•       Автомобильный двигатель
•       Трансмиссия автомобиля
•       Рулевое управление
•       Тормозная система
•       Подвеска
•       Колеса
•       Кузов
•       Электрооборудование автомобиля
•       Основы теории автомобиля
•       Основы технической диагностики
• Основы гидравлики и теплотехники
• Метрология и стандартизация
• Сельскохозяйственные машины
• Основы агрономии
• Перевозка опасных грузов
• Материаловедение
• Менеджмент
• Техническая механика
• Советы дипломнику

Олимпиады и тесты

• «Инженерная графика»
• «Техническая механика»
• «Двигатель и его системы»
• «Шасси автомобиля»
• «Электрооборудование автомобиля»

Устройство вариаторной коробки передач и принцип её работы

Принцип работы коробки передач вариатора основан на плавном изменении передаточного числа в зависимости от внешних условий. Устройство вариатора клиноременной конструкции предполагает изменение диаметра шкивов. Конструктивно это реализуется путем схождения и расхождения двух конусов, насаженных на вал. Основными факторами, определяющими диаметр шкива в точке соприкосновения, являются нагрузка и скорость.

Вариатор с клиноременной конструкцией включает в себя несколько основных частей:

• Система сцепления. В первых бесступенчатых трансмиссиях для подсоединения к силовому агрегату применялся гидротрансформатор, аналогичный применяемому в АКПП. В последующем автопроизводители стали экспериментировать с центробежными и электромагнитными муфтами, позволяющими повысить КПД передачи.
• Валы с насаженными конусами переменного диаметра. Работают под высокой нагрузкой, поэтому изготавливаются из высокопрочной стали.

Рис. — «Клиноременная передача»

• Ремень или цепь. Служит для передачи усилия между шкивами. Изготавливается из металлических лент, соединенных специальными фасонными частями.
• Трансмиссионная жидкость. Обычное масло для автоматических КПП автопроизводители применять не рекомендуют. Для авто с вариатором выпускаются специальные смазки (например, DiaQueen CVT, применяемая для Митсубиси).

Рис. — «Оригинальное масло в CVT»

• Гидроблок. Служит для направления подачи масла в требуемый канал. Нагнетание смазки происходит при помощи масляного насоса.
• Фильтры. Как правило их несколько: грубой и тонкой очистки масла, а также пара магнитов, улавливающих мелкую металлическую крошку. Фильтры могут устанавливаться как внутри вариатора, так и за пределами его корпуса.

Рис. — «Фильтры тонкой очистки масла»

• Радиатор. Вариаторная коробка работает с большим нагревом, чем автомат. Поэтому для предотвращения термического разрушения масла и его присадок требуется охлаждение с помощью радиатора.
• Электронный блок управления. Алгоритмы выбора оптимального передаточного числа и подача команд для управления вариатором возложены на электронику бесступенчатой трансмиссии. Она поддерживает постоянную связь с главным модулем ЭБУ, обрабатывает информацию, поступающую от датчиков. Располагаться блок управления вариатором может как в корпусе самого вариатора, так и за его пределами.

Вариаторная трансмиссия

Принцип действия бесступенчатой трансмиссии с клиновой цепью.

Paботa вариатора

Тороидная вариаторная трансмиссия системы Хейса, устанавливалась на автомобили марки Austin. Середина 1930-х.

В основе большинства современных автомобильных вариаторов — клиноременная передача. Левая боковина на ведущем шкиве и правая на ведомом подвижные. Зазор между боковинами в простейшем случае определяется центробежным регулятором, также могут применяться нагрузочные муфты. При повышении частоты вращения двигателя и ведущего вала боковины ведущего вала сдвигаются, тем самым посадочный диаметр шкива увеличивается, а коэффициент передачи — уменьшается.

Ременная передача целесообразна для мопедов и автомобилей особо малого класса; для более тяжёлых машин применяется цепная передача на том же конструктивном принципе.

Такая трансмиссия сама по себе не может ни стоять на месте, ни двигаться задним ходом — потому в большинстве автомобилей с вариаторами имеются гидротрансформатор и один планетарный ряд. Существует гибрид вариатора и робота — вариатор со сцеплением. В мопедах — автоматическое (центробежное) сцепление.

Вариатор не может работать с огромными крутящими моментами — на «низких передачах», используемых для резкого старта и форсирования препятствий, ведущий шкив имеет минимальный размер, и весь крутящий момент передаётся через минимальную площадь ремня. Возможна прокрутка ремня, что очень вредно — царапается шкив, что ускоряет износ всего вариатора. На плохих дорогах бывает и такое: машина буксует на льду, добуксовывает до дороги и цепляется за неё, что тоже может привести к прокрутке. Этому есть несколько решений:

• Электроника ограничивает мощность мотора в рискованных режимах.
• Планетарный ряд, расположенный после вариатора, преобразует скорость в силу и этим частично разгружает вариатор (линейка трансмиссий Subaru Lineartronic).
• Всю нагрузку берёт на себя стартовая передача, действующая в обход вариатора (Toyota Direct-Shift CVT, появившаяся в 2018 — некоторые модели Toyota Corolla, Lexus UX200).

По динамике разгона вариатор — среднее между гидроавтоматом и ручной коробкой. Расход топлива сравним с ручной коробкой, а в некоторых авто даже экономнее.

Применение

Вариатор в качестве трансмиссии на колёса применяется широко:

• В автомобилях класса до малого (DAF 600 и последующие до DAF 66, 1959—1975; Ford Fiesta, 1983—2002; Fiat Uno, 1983—89). Именно на них проявляются преимущества вариатора и не важны недостатки.
• В мотороллерах.

Вариатор применяется редко:

В автомобилях классов до семейного (Toyota Corolla, Subaru Legacy), лёгкий и средний кроссовер (Nissan Qashqai, Subaru Forester). Существуют производители (в основном японские), специализирующиеся именно на вариаторных авто.

Вариатор не применяется:

• В крупных и внедорожных автомобилях. Вариатор на такие нагрузки не способен.
• В гоночных и спортивных автомобилях. Разработки по гоночным вариаторам, начавшиеся в конце 1980-х, были пресечены правилами гонок. Спорткар повторяет некоторые черты гоночного, и потому вариатора (даже механико-вариаторного гибрида на манер Toyota Direct-Shift CVT) иметь в принципе не может.

История вариаторных трансмиссий

Первая бесступенчатая трансмиссия была запатентована в 1886 году. С 1950-х годов бесступенчатые трансмиссии широко применялись для бортовых авиационных электрогенераторов, приводимых в действие вспомогательными двигателями.

Первая автомобильная бесступенчатая трансмиссия c резиновыми клиновыми ремнями была применена в малогабаритных голландских автомобилях DAF (DAF 600), а после продажи отделения DAF, выпускавшего пассажирские автомобили, патент унаследовала Volvo.

В 1987 году клиновые вариаторы с цепным приводом были запущены в массовое производство Ford и FIAT (Ford Fiesta, FIAT Uno). В то же время Subaru наладило производство своей CVT, которую поставляло и поставляет другим автопроизводителям.

В конце 1990-х годов вариаторы начали устанавливать и на машины среднего класса, взамен традиционных гидромеханических АКПП.

Клиноцепной вариатор

На вариаторных трансмиссиях Multitronic и Lineartronic применяется цепь полностью из металла. Она состоит из пластин, которые соединяются осями по типу велосипедных, что обеспечивает хорошую гибкость.

В отличие от клиноременной конструкции передача крутящего момента осуществляется торцевой частью цепи при контакте с коническими дисками. При этом возникают серьезные напряжения, что заставило производителей делать диски из высокопрочной стали. Клиноцепная система имеет минимальные потери при передаче момента, и, следовательно, высший КПД.

К сожалению, ресурс металлической цепи невелик – около 100 000 км пробега. Однако компенсацией может послужить тот факт, что ее цена довольно доступна, а замена не представляет особой сложности.

Плюсы и минусы коробок CVT

Как и всякое техническое устройство, вариаторы имеют свои преимущества и недостатки. Но справедливости ради необходимо учесть, что в настоящее время автопроизводители постоянно совершенствуют эту трансмиссию, поэтому со временем картина наверняка изменится, и недостатков у вариаторов будет меньше. Однако на сегодняшний день коробка передач CVT имеет следующие плюсы и минусы:

Преимущества

Недостатки

Вариатор обеспечивает плавность набора скорости без рывков, характерных для МКПП или АКПП.
Вариатор сегодня устанавливают на машины с мощностью двигателя до 220 л.с. Это связано с тем, что очень мощные моторы оказывают чрезмерное воздействие на приводной ремень (цепь) вариатора.

Более высокий коэффициент полезного действия. Благодаря этому экономится топливо, а мощность двигателя быстрее передается на исполняющие механизмы.
Вариатор очень чувствителен к качеству трансмиссионного масла. Как правило, необходимо покупать только оригинальные качественные масла, которые гораздо дороже их бюджетных аналогов. Кроме этого, менять масло надо чаще, чем в традиционной трансмиссии (примерно через каждые 30 тысяч километров пробега).

Значительная экономия топлива. Она становится результатом высокого КПД и плавного набора оборотов двигателя и скорости (в традиционной трансмиссии значительный перерасход происходит во время переключения передач).
Сложность устройства вариатора (наличие “умной” электроники и большого количества датчиков) приводит к тому, что при малейшей поломке одного из многочисленных узлов вариатор будет автоматически переведен в аварийный режим или выведен из строя (принудительно или аварийно).

Высокая экологичность, которая является результатом меньшего расхода топлива. А это означает, что машины, оборудованные вариатором, удовлетворяют современным высоким европейским требованиям экологичности.
Сложность ремонта. Зачастую даже незначительные проблемы с эксплуатацией или ремонтом вариатора способны привести к ситуации, когда трудно найти мастерскую и специалистов по ремонту этого агрегата (особенно это актуально для небольших городов и поселков). А стоимость ремонта вариатора куда выше, чем традиционных МКПП или АКПП.

Электроника, которая управляет вариатором, всегда выбирает оптимальный режим работы. То есть, трансмиссия всегда работает в наиболее щадящем режиме. Соответственно, это положительно сказывается на износе и сроке эксплуатации агрегата.
На машине с вариатором нельзя буксировать прицеп или другое транспортное средство.

На машине с коробкой CVT нельзя буксировать прицеп или другое транспортное средство. Также нельзя буксировать и саму машину, если у нее выключен двигатель. Исключение составляет случай, если вывесить на эвакуатор приводную ось.

Принцип работы вариаторной коробки

Название CVT коробка передач взялось у нас с английского языка. Именно там создалась аббревиатура с длинного названия Continuously Variable Transmission. Ее устройство и принцип работы достаточно простой, вся система заключается в непрерывном и автоматическом переключении скоростей. Вариаторная КП имеет бесступенчатую трансмиссию, которая не имеет в своем устройстве конечную точку фиксирования положений, а плавно переходит по разным придаточным числам.

Стоит отметить, что принцип действия вариатора уже давно использовался, только не в автомобилях. Его устанавливали на бензопилы, снегоходы и станки на предприятиях, и как показала практика, они служили даже больше установленного срока годности. Да, такая техника не подвергалась большим нагрузкам, но работая на установленной мощности, она было достаточно результативна.

Конечно, для автомобиля и его необходимой скорости требовался более надежный и качественный тип вариатора. На этой почве, инженеры смогли разработать безупречную трансмиссию, которая теперь стала популярна во многих странах. Вариатор имеет свои плюсы и минусы, чего пока не получается избежать ни в одной модели.