Вариатор представляет собой бесступенчатую трансмиссию, которая может плавно изменять передаточное число. В отличие от механических коробок передач (МКПП, гидромеханического автомата или роботизированной трансмиссии), вариатор не имеет так называемых фиксированных передач.
Под неподвижными шестернями (ступенями) следует понимать шестерни, находящиеся в зацеплении друг с другом. Далее рассмотрим устройство вариатора и принцип работы данного типа трансмиссии, а также какие преимущества и недостатки имеет вариаторная коробка передач.
Коробка передач вариатор: что это такое и как работает
Так, вариатор или вариаторную коробку передач обычно обозначают аббревиатурой CVT (от англ. Continuous Variable Transmission), что означает постоянно меняющуюся трансмиссию.
Вариатор по сравнению с аналогами имеет ряд преимуществ. Во-первых, этот тип коробки передач дешевле в производстве, чем автоматическая коробка передач. Еще вариатор позволяет максимально эффективно использовать мощность и крутящий момент двигателя внутреннего сгорания.
Благодаря конструктивным особенностям имеется возможность гибкого изменения передаточного числа. Словом, двигатель всегда работает в оптимальном режиме, который полностью соответствует конкретным условиям и нагрузкам.
Кроме того, отсутствие момента переключения передач означает отсутствие прерывания потока мощности. В результате удается добиться высоких показателей топливной экономичности и динамики разгона, а также обеспечить максимальный комфорт при управлении автомобилем с вариатором CVT.
Имейте в виду, что существует несколько типов вариаторов, однако в автомобилестроении используются клиноременные и тороидальные вариаторы. При этом гораздо чаще встречается клиноременный вариатор.
Первым вариатором этого типа был Variomatic, который устанавливался на автомобили в конце 1950-х годов, затем появилась версия Transmatic, дошедшая до конвейера в 1984 году.
Сегодня клиноременный вариатор активно используется различными производителями автомобилей во всем мире (например, Toyota Multidrive, Multitronic Audi, Xtronic Nissan и др.). Что касается менее распространенного тороидального вариатора, то одним из самых известных является Extroid CVT от Nissan.
Общая конструкция привода предполагает наличие следующих основных элементов:
- Устройство для передачи крутящего момента от ДВС к трансмиссии, а также позволяющее отключать коробку передач от силовой установки (аналог нейтральной передачи);
- Вариаторная коробка передач, а также задняя передача.
- Система управления вариатором (ЭБУ и комплект датчиков);
Существует несколько типов так называемых сцеплений АКПП:
- автоматическое центробежное сцепление;
- электромагнитная муфта;
- многодисковое сцепление;
- преобразователь крутящего момента;
При этом наиболее распространенным решением является гидротрансформатор, так как именно газотурбинный двигатель позволяет добиться максимально плавного преобразования крутящего момента, повысить комфорт и увеличить ресурс вариатора.
Если говорить непосредственно об устройстве самой вариаторной коробки, то начать надо с клиноременных вариаторов. Такой вариатор имеет один или два ременных привода. Ременная передача включает в себя пару шкивов, соединенных между собой клиновым ремнем.
Шкив, в свою очередь, состоит из двух конических дисков, которые могут перемещаться и разъединяться. Благодаря этому диаметр шкива можно менять.
Гидравлическое давление может быть использовано для того, чтобы сдвинуть конусы вместе, конусы также сталкиваются вместе под действием центробежной силы или силы пружины. Сами конические диски расположены под углом 20 градусов, что позволяет ленте двигаться по поверхности с минимальным сопротивлением.
На начальном этапе клиноременные вариаторы получили резиновый ремень, но срок службы такого ремня не превышал 50 тыс км, к тому же ремень был недостаточно гибким. В результате возможности эффективного изменения передаточного числа были несколько ограничены.
Также в устройстве вариаторных коробок стал использоваться гибкий металлический ремень из нескольких стальных полос. Передача крутящего момента осуществляется за счет трения о боковые поверхности ремня и шкивов.
Стальной ремень вариатора оказался более прочным, гибким, имеет долгий срок службы, редуктор издает меньше шума при работе. Благодаря этому ремню вариаторы стали массовыми.
Также некоторые производители используют в таком случае металлическую цепь вариатора вместо ремня (вариатор с V-образной цепью). Цепь позволяет добиться еще большей гибкости и эффективности по сравнению с клиноременными приводами. Вариатор с V-образной цепью имеет самый высокий КПД, так как потери минимальны.
Дело в том, что крутящий момент передается конечной поверхностью цепи. Другими словами, цепь «плотнее» контактирует с коническими дисками. Для предотвращения ускоренного износа в местах контакта конические диски изготовлены из прочной стали.
Также добавим, что конструкция вариатора не способна обеспечить автомобилю возможность двигаться задним ходом. Чтобы у автомобиля с вариатором была задняя передача, конструкторы используют дополнительные устройства. В частности, вариатор имеет планетарную передачу для заднего хода. Планетарная передача аналогична классической гидромеханической автоматической коробке передач.
Коробка вариатора работает под управлением электронной системы. Электроника отвечает за синхронное изменение диаметра шкивов вариатора в точном соответствии с режимом работы ДВС. Система также управляет сцеплением и планетарным реверсом.
Что касается включения режимов, то вариатор управляется рычагом (селектором), который находится в салоне. Сами режимы аналогичны режимам АКПП (PRNDL, спорт режим, зима, эконом и т.д.), так как производители стремятся сделать взаимодействие с коробкой передач максимально легким и простым для водителя.
Также отметим, что вариатор может иметь и режим ручного переключения передач (Tiptronic). Хотя вариатор конструктивно не имеет ступеней (передач), однако в ручном режиме ПО ЭБУ начинает работать по алгоритму включения заранее запрограммированных фиксированных передаточных чисел (аналогично Типтронику в АКПП).
Появление такой функции в накопителе не продиктовано какой-либо потребностью, непосредственно связанной с улучшением работы и производительности. Дело в том, что для многих водителей проблемой являются сами обороты двигателя при разгоне, а также отсутствие направления переключения передач (ступени). Ручной режим позволяет добиться четкого переключения «вверх» или «вниз» по аналогии с механической или автоматической коробкой передач.
Принцип работы клиноременного вариатора и тороидного CVT
Работа клиноременных и цепных вариаторов основана на синхронном изменении диаметров шкивов в зависимости от режима работы двигателя в данный момент.
Возможность изменения диаметра шкива реализована за счет использования привода. При разгоне автомобиля с вариатором шкив привода вариатора имеет наименьший диаметр, конические диски находятся в полностью расправленном состоянии.
В свою очередь, ведомый диск имеет наибольший диаметр, то есть конические диски полностью сжаты. Когда частота вращения двигателя начинает увеличиваться, диаметр ведущего шкива также увеличивается, а диаметр ведомого шкива уменьшается.
Из-за такого изменения диаметров шкивов уменьшается передаточное число. Кроме того, система управления вариатором «выбирает» такое соотношение диаметров, чтобы удерживать двигатель в диапазоне оборотов, когда от двигателя внутреннего сгорания можно получить наибольшую мощность и крутящий момент.
Таким образом достигается и поддерживается оптимальный режим работы, сохраняя динамику при экономии топлива. Также добавим, как было сказано выше, кроме клиновых ремней, есть еще и тороидальные вариаторы. Итак, конструктивно тороидальный вариатор имеет два соосных вала. Эти оси имеют сферическую поверхность.
Между валами с тороидальной (сферической) поверхностью установлены специальные ролики. Для изменения передаточного числа в вариаторе этого типа меняется положение роликов. При этом передача крутящего момента осуществляется посредством силы трения, возникающей между поверхностями роликов и валов.
Плюсы и минусы вариатора
Выяснив, что означает вариаторная коробка в автомобиле и как устроен агрегат, можно рассмотреть основные преимущества и недостатки такой АКПП.
Прежде всего, среди основных преимуществ выделяются показатели высокого КПД трансмиссии, а также топливной экономичности и комфортности вождения, так как водитель не чувствует момент переключения передач.
Если говорить о недостатках, то вариаторы имеют сравнительно небольшой ресурс, их обычно не устанавливают вместе с мощными двигателями, так как агрегаты не рассчитаны на высокие нагрузки. Другими словами, на автомобилях с вариатором CVT нельзя ездить агрессивно, эти автомобили больше подходят для спокойной езды.
Если коробка нагружена, ресурс трансмиссии резко сокращается. Кроме того, коробка вариатора чувствительна к качеству и уровню масла. Менять масло в вариаторе необходимо каждые 30-40 тыс км, используя только оригинальные трансмиссионные жидкости, рекомендованные производителем автомобиля или коробки.
Вариатор также боится резких пусков, высоких оборотов двигателя, езды по бездорожью, буксировки прицепа или других автомобилей, длительных пробуксовок на снегу или льду (особенно если версия коробки передач с нейтрализатором).
Отдельного внимания заслуживает и вопрос, как буксировать автомобиль с вариатором в случае поломки. Необходимо строго придерживаться всех правил и рекомендаций. Также следует отметить низкую ремонтопригодность привода и дороговизну запасных частей.
Напоследок отметим, что с учетом перечисленных выше особенностей вариаторы обычно устанавливаются на легковые автомобили и кроссоверы. На практике эта трансмиссия больше подходит для моделей, которые эксплуатируются в черте города или используются для езды по трассе без особых нагрузок на ДВС и коробку передач.
