Как устроен вариатор
Вариатор — особый подвид автоматических коробок передач. Придуманный много лет назад, распространение он получил только сейчас.
Листая автомобильные каталоги, многие встречали такую фразу: «На автомобиль устанавливается бесступенчатый вариатор». Или могли увидеть это словосочетание в таблице технических характеристик. Что такое механическая коробка передач, знают все (кроме, разве что, американцев), к «автомату» тоже давно все привыкли (особенно американцы). А вот вариатор — зверь малоизвестный. А ведь он далеко не новинка.
Вы удивитесь, но принадлежит это изобретение не Хонде и даже не Мерседесу. Патент на вариатор был выдан в конце XIX века! Более того, первый вариатор придуман и вовсе в 1490 году. Его автором оказался добродушный бородач Леонардо да Винчи.
Первый работоспособный автомобиль с этим типом трансмиссии, правда, появился не в эпоху Возрождения, а попозже — лет через пятьсот, в годах. Вариатор ставился серийно на автомобили DAF (в то время под этой маркой выпускались не только грузовики, но и легковушки). Потом нечто похожее начали делать и на Volvo, но широкое распространение вариаторы получили лишь сейчас.
По сути, вариатор (наиболее распространённое англоязычное обозначение — CVT — continuously variable transmission) — это, простите за тавтологию, вариация на тему автоматической коробки передач. 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 работает вариатор совершенно . В нём нет фиксированных первой, второй, десятой передач. Попробуйте представить себе, сколько звёзд в нашей Вселенной или сколько песчинок на всех пляжах Земли вместе взятых — у вариатора передач всё равно намного больше. И «переключение» между ними происходит плавно и незаметно.
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.
Вариаторы бывают нескольких типов: клиноремённые со шкивами переменного диаметра, цепные, тороидальные… Первый тип — самый распространённый. Посмотрим, как он устроен.
Вот наглядный пример: возьмём два карандаша (цилиндра), лежащих параллельно на некотором расстоянии друг от друга. Стягиваем их резинкой и начинаем крутить один из них. Тут же начинает крутиться и второй — с той же скоростью. Но если карандаши будут разного диаметра, начинается совсем другая история — пока один из них, что побольше, сделает один оборот, второй, скажем, два.
Вариатор устроен похоже, только диаметр «карандашей» у него постоянно меняется. У него два шкива, каждый из которых сделан в виде пары конусов, обращённых острыми концами друг к другу. А между шкивами зажат клиновый ремень.
Изменяя радиус огибания ремнём ведущего и ведомого шкива, можно плавно менять передаточное отношение.
Теперь, если каждая из пар конусов может двигаться друг к другу и обратно, мы получим шкивы с переменным рабочим диаметром. Ведь при раздвижении конусов ремень, соприкасающийся с ними своими рёбрами, будет как бы проваливаться к центру шкива и обегать его по малому радиусу. А при сближении конусов — по большому радиусу.
Осталось только снабдить оба шкива системой (как правило, это гидравлика, но может быть и иной сервопривод), которая будет строго синхронно сдвигать половинки первого шкива и раздвигать половинки второго. И если один шкив находится на ведущем валу (который идёт от двигателя), а второй — на ведомом (который ведёт к колёсам), то можно организовать изменение передаточного отношения в весьма широких пределах.
Остаётся ещё добавить узел, отвечающий за изменение направления вращения выходного вала (для заднего хода), а это может быть, скажем, обычная планетарная передача. И вот готова коробка-вариатор.
Кстати, интересный вопрос — какой тут используется ремень? Разумеется, простой ремень из резины и ткани, наподобие тех, что вращают генераторы и прочее навесное оборудование, здесь не прожил бы и тысячи километров. Ремни в клиноремённых вариаторах имеют сложное устройство.
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.
А ещё в качестве клинового ремня может выступать широкая пластинчатая стальная цепь, соприкасающаяся с конусами своими краями. Именно такой «ремень» работает в вариаторах машин Audi.
Интересно, что 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.
Как именно вариатор будет менять передаточное число при разгоне, зависит от выбранной программы управления. Если при разгоне на обычном автомобиле мы на каждой передаче раскручиваем двигатель, затем переходим на следующую передачу и так далее, то при наборе скорости автомобиля с вариатором мотор остаётся на одних и тех же оборотах (скажем, на оборотах, соответствующих максимальному крутящему моменту), зато плавно меняется передаточное отношение.
Это создаёт несколько странные ощущения. Жмём газ в пол, мотор выходит на большие обороты, да так и остаётся на них в течение всего разгона, воя как пылесос. Зато темп разгона — высокий, да и на переключения между ступенями время не тратится.
Впрочем, в некоторых случаях вариатор настраивают так, чтобы разгон с ним больше напоминал увеличение скорости с обычной коробкой передач, с постепенным ростом оборотов мотора.
Разумеется, при попытке заехать на холм и при замедлении авто, несмотря на нажатие педали газа, умный вариатор не оставит «включённой» высокую передачу. Шкивы для уверенного штурма высоты быстро передвинутся обратно — чтобы увеличить крутящий момент на выходе из коробки.
А ещё на некоторых машинах можно выбрать режим с несколькими «виртуальными» передачами (с 6 или даже 8), задаваемыми электроникой. Передачами, между которыми вариатор будет резко перескакивать, словно классическая коробка «автомат». Ещё в этом случае можно переключать «передачи» по собственному желанию. Как на «автомате» с ручным секвентальным (последовательным) режимом.
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, V6 мощностью 234 лошадиные силы ставят клиноремённый вариатор . 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 тысяч километров пробега требовать замены ремня. Масло при этом стоит несколько дороже, чем для «автомата», но зато менять его можно чуть реже — ориентировочно через 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.
Поскольку вариаторы располагают бесконечным числом передач, они позволяют двигателю работать на наиболее выгодных режимах — нужна ли нам (на светофорных гонках) максимальная мощность, или, напротив, плавность и наименьший расход топлива (при спокойной езде). Потому модели с вариаторами отличает, при прочих равных, высокая экономичность, сочетающаяся с не менее приличной динамикой.
Кстати, в последнее время наметилась тенденция к росту числа передач у классических «автоматов». В последних моделях встречается уже 8 передач (на легковой, заметим, машине). И делается это именно для сочетания высокой динамики и экономичности. Скоро увидим автоматы с десятью ступенями или даже с двенадцатью? А вот вариаторы уже находятся там, куда обычные автоматы с их переключаемыми планетарными рядами никогда не придут. Ведь число передач у вариатора бесконечно.
ВСЯ ПРАВДА О КОРОБКАХ ПЕРЕДАЧ. ВАРИАТОРЫ
До гениальности просто
Впервые автоматическую бесступенчатую трансмиссию или, в обиходе, вариатор применили на легковом автомобиле еще в 1959 году – то был голландский DAF-600. Первый опыт оказался неудачным, и об этой идее на долгое время забыли. Однако в начале 90-х она вновь была подхвачена автопроизводителями и начала распространяться со скоростью эпидемии.
В качестве сцепления в бесступенчатой трансмиссии используется либо такой же, как в классических «автоматах» гидротрансформатор, либо пакет мокрых – то есть работающих в масляной ванне — дисков. Конструкция же и принцип действия самого вариатора до гениальности просты. Между двумя раздвижными шкивами, один из которых соединен с двигателем, а другой – с ведущими колесами, вращается металлический клиновидный ремень или цепь. В первом случае вариатор называется клиноременным, а во втором – клиноцепным.
Когда половинки V-образного шкива расходятся в стороны, зажатый между их стенками ремень (цепь) плавно сползает вниз на меньший радиус, а когда сходятся – выталкивается вверх, на больший радиус. Соответственно, передаточное отношение меняется плавно, бесступенчато. Чтобы ремень (цепь) не проскальзывал относительно шкивов, его постоянное натяжение обеспечивается за счет синхронности их работы: половинки одного шкива расходятся в стороны ровно настолько, насколько сходятся половинки другого.
Комфорт и расход
Генеральной идеей, с которой выводились на рынок современные вариаторы, был комфорт. Поскольку передаточное отношение в такой трансмиссии меняется плавно, водитель и пассажиры вообще не ощущают «переключений» – автомобиль разгоняется, как троллейбус. По сравнению со старыми четырехступенчатыми «автоматами», которые ощутимо спотыкались при каждом переключении, это действительно выглядело преимуществом.
Вторым посылом было снижение расхода топлива. Ведь со старыми гидромеханическими четырехступками стрелка тахометра при переключениях летала через полшкалы, выходя за границы наиболее эффективных оборотов. Вариатор же выводит двигатель на обороты максимального КПД, а разгон происходит за счет плавного изменения передаточного отношения.
Пиррова победа
Однако по мере того, как гидромеханические «автоматы» совершенствовались и прибавляли в количестве передач, преимущества вариаторов над ними постепенно сходили на нет. Современные шести- и уж тем более восьмиступенчатые «автоматы» по плавности работы приблизились к вариаторам, а в расходе топлива как минимум им не уступают.
Да и с удобством управления тягой у клиноременных вариаторов оказалось не все гладко. Дело в том, что составленный из прислоненных друг к другу пластинок ремень обладает ограниченной гибкостью. Когда на «условно первой» передаче он огибает один из шкивов по минимальному радиусу, иногда «пускает волну», пытаясь распрямиться. Поэтому на «пешеходных» скоростях машина прыгает вперед (или назад) порой резче, чем ожидаешь. Цепь же по сравнению с ремнем гораздо более гибкая, поэтому клиноцепные вариаторы в этом плане лучше.
Но главное, что покупатели без энтузиазма восприняли идею бесступенчатости. Людям не понравилось, что при разгонах двигатель занудно воет на одной ноте, а машина при этом непонятным образом ускоряется. Поэтому некоторые автопроизводители начали прописывать программу управления вариатором так, чтобы шкивы сходились-расходились не плавно, а ступенчато, имитируя переключение передач. То есть, от чего уходили, к тому и вернулись…
Однако диссонанс между монотонным звуком двигателя и нарастающей скоростью – это все лирика. Физика заключается в другом.
Казалось бы, гидротрансформатор или пакет мокрых сцеплений позволяют эффективно справляться с большой стартовой нагрузкой. Но если во всех других типах трансмиссии тяга двигателя передается на колеса за счет зацепления зубчатых шестерен, то в вариаторах — за счет трения (!) плоских стенок ремня (торцов осей цепи) о плоские стенки шкивов…
До тех пор, пока машина свободно катится по дороге и на колеса передается малое усилие, проблем не возникает. Но как только появляется большая нагрузка – например, разгон «педаль – в пол», буксование в вязкой грязи или подъем в гору с тяжелым прицепом, колоссальная сила трения вызывает сильный нагрев ремня и шкивов. До какого-то момента вариатор это терпит, после чего датчик перегрева обрубает тягу двигателя до тех пор, пока коробка не остынет.
А еще у вариаторов задняя передача почему-то намного слабее «условно первой». Например, останавливаешься на полноприводном кроссовере в сыпучем песке, после чего пытаешься тронуться с места. В позиции D машина либо буксует, либо карабкается вперед. Переводишь селектор в R и… ничего. Газ – в полу, мотор натужно урчит, а колеса не крутятся… В ситуациях, когда выбраться или затолкать прицеп в подъем можно только задним ходом, это может стать ловушкой.
Как его убить? Очень просто
Любая техника, которая работает, рано или поздно изнашивается. Вопрос лишь в том, рано или поздно?
Шестеренчатая передача даже при больших нагрузках может служить очень долго. Поэтому «механика», гидромеханический «автомат» и «робот», если они правильно сконструированы, потенциально способны пройти 300 000-500 000 км. Раньше срока в них могут изнашиваться лишь «периферийные» узлы и детали, замена которых не является капитальным ремонтом всего агрегата.
Ограниченный же ресурс вариатора обусловлен принципом его работы – передачей большого тягового усилия путем постоянного трения плоскостей о плоскости. Несмотря на то, что шкивы и ремень (цепь) работают в масле, они все равно трутся друг о друга с большим усилием, а значит – изнашиваются. При этом темп их износа напрямую зависит от нагрузок.
Даже если просто перемещаться из пункта А в пункт Б, 200 000 км – это потенциальный предел, после которого «продолжение банкета» уже не гарантировано. Если же активно «отжигать», таскать тяжелый прицеп или заниматься оффроудом, ресурс вариатора сокращается в разы. Причем в некоторых случаях вариатор можно убить разовой пиковой нагрузкой.
Например, если легко буксующие на льду колеса вдруг цепляются за асфальт, резкий рывок может привести к тому, что ремень (цепь) проскользнет по шкивам, сделав на их гладких стенках запилы. После чего машина начнет спотыкаться об эти риски при каждом разгоне, и вариатор надо будет ремонтировать. А замена ремня (цепи) и шкивов – это уже «капиталка»…
Практика показывает, что если вариатор «устал» по пробегу или пострадал от больших нагрузок, малой кровью его ремонт не обходится. По расценкам специализированных мастерских получается в среднем от 100 000 до 200 000 руб.
Без фанатизма
Таким образом, вариатор – это комфортная трансмиссия с ограниченными «силовыми» возможностями и еще более ограниченным ресурсом, если этими скромными возможностями активно пользоваться.
Однако это не означает, что вариаторы совершенно беспомощны и не позволяют втопить педаль на обгоне, преодолеть легкое бездорожье или «взять на хвост» прицеп. Любой из них на это способен, главное – не злоупотреблять повышенными нагрузками.
То есть, бесступенчатая трансмиссия рассчитана на обывателя, эксплуатирующего машину «без фанатизма». Если Вы именно такой пользователь, а машина с вариатором нравится или предлагается на выгодных условиях, брать ее можно. При эксплуатации в щадящем режиме ресурса вариатора наверняка хватит и вам, и следующему владельцу.
Если же требуете от автомобиля гораздо большего, чем «просто ездить», с вариатором лучше не связываться. И никаких «нравится» или «выгодно» здесь быть не должно.
Автомат или вариатор: что лучше и надежнее?
Автоматические трансмиссии на автомобилях зачастую называют одним общепринятым наименованием «автомат», однако по принципу действия и конструкции они могут кардинально отличаться друг от друга.
На сегодняшний день существует множество видов автоматических трансмиссий, однако на легковых автомобилях чаще всего применяют коробки передач трех типов: классические гидромеханические автоматические трансмиссии, роботизированные коробки передач, а также бесступенчатые вариаторы, которые часто обозначают аббревиатурой CVT.
Конструктивно все они отличаются и имеют как свои преимущества, так и недостатки. Однако раньше всех широкое распространение получили классические автоматы, которые уже больше 70 лет применяются на легковых машинах.
Конспекты 3 августа 2021 Все, что нужно знать о ремне ГРМ и его замене. Памятка для водителей
Статьи 3 февраля 2021 Если вы так делаете, то мотору скоро придет конец
Следом широко начали устанавливать роботизированные трансмиссии, которые долгое время вызывали скепсис у автовладельцев из-за не очень надежной конструкции. Впрочем, с годами они модернизировались, и кризис недоверия к роботизированным коробкам передач был успешно пройден.
А сейчас все большее распространение на современных машинах начали получать бесступенчатые вариаторы, которые идут по пути, уже когда-то пройденному «роботами». Так что давайте разбираться, что собой представляет вариатор, как он работает, какие у него минусы и плюсы, а также насколько он надежнее и лучше в сравнении с классическим автоматом.
Что такое вариатор и как он работает?
Вариатор — это вид автоматической коробки передач, который передает крутящий момент от двигателя к колесам и способен плавно менять передаточное отношение в некотором диапазоне регулирования. Изменение передаточного отношения может производиться автоматически, по заданной программе или вручную. В автомобилестроении такой тип трансмиссии также обозначают аббревиатурой CVT (Continuously Variable Transmission).
Удивительно, но изобрели вариатор даже гораздо раньше, чем обычные «автоматы», но применяли его все же не на автомобилях. Патент на вариатор был выдан еще в конце XIX века и сначала он использовался для изменения скорости вращения валов на станках.
А первый автомобиль с таким типом трансмиссии появился лишь в 1950-х. Вариатор впервые начал устанавливаться серийно на автомобили марки DAF, которая в те годы производила не только грузовики, но и легковушки. Потом их начали устанавливать на некоторые модели Volvo, а конце 1990-х и начале 2000-х вариатор c фирменном наименованием Tiptronic использовался на младших седанах Audi. Но по-настоящему широкое распространение вариаторы получили лишь сейчас.
Вариаторы бывают нескольких типов: клиноременные со шкивами переменного диаметра, цепные, тороидальные. Первый тип — самый распространенный. Так что рассмотрим, как он устроен и работает.
Автомобиль, оборудованный такой трансмиссией, на первый взгляд ничем не отличается от машин с обычным автоматом — педалей всего две, и рычаг переключения режимов трансмиссии с положениями P, R, N, D, схожий с машинами с традиционной АКП. Но работает вариатор совершенно по-другому, а именно в нем нет фиксированных передач. Изменения передаточного отношения происходит не «переключениями», а плавно и незаметно, благодаря ремню или цепи, который в разных положениях вращается по специальным коническим шкивам.
В зависимости от диаметра шкивов в месте вращения ремня или цепи меняется и передаточное отношение и изменяется скорость вращения и крутящий момент выходного вала, который дальше передает тягу на приводы и колеса. Поэтому при работе вариатора нет толчков при трогании с места, и тем более нет никаких «переключений передач».
Источник https://www.drive.ru/technic/4efb330200f11713001e32e2.html
Источник https://www.drive2.ru/b/463254486425535419/
Источник https://www.autonews.ru/news/610bb08d9a794730fb764ba6
