Если на машине обычный дизельный или бензиновый мотор соединить напрямую с колесами, то такая машина ездить не сможет. В отличие от электрических и паровых у поршневого мотора внутреннего сгорания мощность не находится на постоянном уровне - при низких оборотах тяговое усилие на валу значительно меньше, чем при высоких. Коленвалу двигателя внутреннего сгорания надо постоянно стремительно вращаться. Изменение же внешней нагрузки (преодоление подъемов, разгон и т. д.) должно компенсироваться подобно рычагу, то есть изменением передаточного числа между колесами и двигателем. И здесь очевидно, что устройство, которое выполняет такую функцию, или трансмиссия, должно выбрать передачу так, чтобы она обеспечивала самое оптимальное соотношение между нагрузкой извне и оборотами двигателя во всякий момент движения.
Сегодня общепринятые ступенчатые коробки передач имеют заложенный, врожденный у них конструктивный недостаток: полный спектр все время меняющихся внешних условий может отражать лишь усредненно набор фиксированных передаточных чисел. Даже при самом обычном прямолинейном разгоне по прямой дороге картина весьма печальна. На каждой из ступеней мотору сначала приходится трудно - он преодолевает нагрузку из вне, к примеру, инерцию, где передача оказывается более высокой, чем необходимо; затем мотор все-таки раскручивается, в некоторый момент, когда количество оборотов будет идеально соответствовать передаточному числу, однако потом оно уходит вперед, где передача уже более низкая, чем требуется. Повышая ступени в коробке передач "точность” передач можно повышать, но это ограничено, прежде всего, физическими особенностями. Помимо этого от "усредненности” данным способом избавиться все равно не получится. Поэтому для постоянного "попадания в необходимый момент” передаточное число должно "плавать”, а не "скакать”, поэтому ступени из трансмиссии надо исключить. Изменение передаточного числа без преодоления ступеней обеспечивает гидротрансформатор - его конструкция, основана на использовании вязкостных свойств моторных масел. Однако диапазон работы гидротрансформатора весьма узок, и для применения на машине к нему надо добавлять механизм со "ступенями”. Также присутствует потеря мощности в устройстве, поэтому, в большинстве современных коробок передач блокируются гидротрансформаторы. Отдельно от всех стоит электрическая передача или, другими словами гибридная силовая установка, где двигатель вращает генератор, который питает соединенные с колесами электромоторы, мощность которых практически сходна на любых оборотах, при всем при этом им не нужна трансмиссия. Здесь двигатель внутреннего сгорания, который лишен прямой связи с колесами, может работать постоянно в самых благоприятных режимах, однако подобная длинная цепь агрегатов приводит к уменьшениям энергии, а также увеличивает массу машины.
Что такое автоматические коробки передач, вариаторы
Недостатков устройств, перечисленных выше лишен вариатор - в своей основе механическая, а исходя из этого работающая с небольшими потерями трансмиссия без ступеней и с внешним управлением. Она позволяет автоматически изменять передаточное число, при этом, выбирая наиболее оптимальное, согласно оборотам двигателя и внешней нагрузке, тем самым, давая возможность как можно более эффективно использовать всю мощность. В технике есть множество примеров конструкций такого типа, но на машинах получили распространение два вида вариаторов: тороидный и клиноременной.
Как тип трансмиссии клиноременный вариатор известен давно. Его главные детали - соединяющий два раздвижных шкива ремень (трапецеидальной формы) и собственно сами шкивы. Если половинки на ведущем шкиве сдвинуть, они вытолкнут ремень, как будто клин, попавший между ними (поэтому он получил название "клиноременный"), наружу - радиус шкива, где работает ремень, увеличится, вместе с ним повысится и передаточное отношение. А если на ведомом шкиве половинки раздвинуть, то наоборот ремень провалится внутрь и будет вращаться по меньшему радиусу, от чего уменьшится передаточное отношение. Если два шкива будут в промежуточном положении, такую передачу назовут прямой.
Принцип работы и устройство вариатора.
Вариатор клиноременного типа состоит из нескольких (зачастую одной или пары) ременных передач, где шкивы образовываются коническими дисками, за счет раздвигания и сдвигания которых изменяется диаметр шкивов и, следовательно, передаточное число. Разные фирмы в свое время разработали каждая свое устройства клиноременного вариатора, так в трансмиссии Multitronic на Audi вместо ремня применяют цепь, а компания Honda ставит ремень набранный из металлических пластин, однако принцип от этого не изменяется. Для трогания машины с места используются небольшой гидротрансформатор или обычное сцепление, который после начала движения вскоре блокируется. Управление дисками шкивов поручено электронной системе из сервоприводов, датчиков и блока управления.
Хотелось бы начать с самого простого.
Почему именно клиновидный ремень?
Данный ремень в разрезе имеет трапециевидную форму и поэтому "вклинивается" в шкив исключительно своими боковыми поверхностями. Благодаря своей форме, при износе этих поверхностей, он глубже врезается в шкив и остается в хорошей сцепке с ним.
Каким способом меняется передаточное число?
Устройство ведущего шкива (который вращается коленчатым валом) следующее, при воздействии центробежных сил его щеки плавно сжимаются, тем самым выталкивают клиновидный ремень все дальше от центра шкива. При этом ведомый шкив наоборот, разжимается, и ремень там плавно утопает все ближе к центру шкива. Чем больше обороты мотора - тем больше разжимается ведомый шкив и сжимается ведущий, тем самым, меняя передаточное число от коленчатого вала к ведущему колесу.
Тороидный вариатор устроен иначе, он состоит из соосных роликов и дисков, которые передают момент от одного диска ко второму. Чтобы изменить передаточное число меняют радиусы обкатки и положение роликов. Так как в пятне контакта все усилие сосредоточено для поворота роликов, надо использовать особые устройства, которые способны преодолевать силу прижатия ролика к диску. Так в вариаторе Extroid от компании Nissan применена специальная система, в которой гидравлический прецизионный механизм, управляемый электроникой, перемещает обоймы с роликами вниз или вверх на очень маленькую величину, затем, из-за возникшего сдвига, ролик поворачивается сам.
Кстати, принцип устройства с названием "вариатор” не такой и новый - мысли о трансмиссии без ступеней стали посещать конструкторов почти сразу после начала применения поршневых двигателей на транспорте. Первую конструкцию подобного типа опробовали на машине уже в начале 20 века - это был лобовой вариатор, где к плоскому маховику мотора прижимался диск, который перемещался от центра к краю. Компания Hayes в 30-е годы предлагает трансмиссию в основе которой лежит тороидный вариатор (который, был запатентован Ч.Хантом еще в 1877 году) - весьма дорогое и несовершенное устройство. В конце 40-х появились уже довольно надежные гидромеханические автоматические устройства, которые весьма быстро заняли ведущие позиции, и внимание большого количества конструкторов сосредоточилось на них. Тем не менее, часть конструкторов продолжала работать над вариатором, и первой серийной машиной с подобным устройством стала малолитражка DAF-600, которая появилась в 1958 году, она была оснащена трансмиссией на основе клиноременного вариатора (Variomatic), подобная трансмиссия позже устанавливалась на Volvo 343, где и задержалась до 1980 года. Дальнейшее продвижение в этой отрасли началось с 80-х годов, тогда вариаторы появляются на гидроциклах, мототехнике и снегоходах, в то же время, в виде опыта устанавливались и на автомобили. Современное же развитие технологии материалов и электроники дало возможности конструкции новых вариаторов, в данный момент наблюдается, по-видимому, начало самого большого распространения подобных видов трансмиссий на автомобильном транспорте.
Однако вариаторы пока что не избавились от пары весьма существенных своих проблем. Очевидно то, что самыми слабыми местами существующих на сегодняшний день машинных вариаторов являются: для тороидного - пятно контакта ролика и диска, где давление достигает 10 тонн, а для клиноременного - эти самые ремни. Поэтому в таких устройствах применяются специальные высокотехнологичные материалы, при этом надежность вариаторов повышается, она становится близкой к надежности "автоматов”, но все же из-за нагрузок на пятно контакта или ремень вариаторы пока не могут "вытягивать грузы”, а также работать с моторами большой мощности. В наше время рекордом для клиноременного вариатора является 220 л.с. и 300 Нм, развивающей V-образный 6-цилиндровый мотор автомобиля Audi A6, который "воспринят” трансмиссией Multitronic, а для тороидного - "переваренный” 3-литровый двигатель Cedric Extroid и Nissan Gloria, который развивает 240 л.с. и 310 Нм.
Вместе с тем, если для грузовых авто вариаторы до сих пор непригодны, то для легковых машин весьма приемлемы, и здесь у бесступенчатых трансмиссий, намечается большое будущее, тем более что и технологии разработки материалов не стоят на одном месте. Если сравнить динамические характеристики многих авто, которые оснащаемы вариаторами, может возникнуть недоумение - почему на одинаковых моделях автомобилей разгон с вариатором происходит несколько медленнее, чем с механической коробкой передач, а должно быть наоборот, если вариатор лучше использует мощность мотора? Ответ тут прост - дело в привычке, большое количество клиентов очень недовольны тем, что автомобили с вариаторами "все время гудит на одной ноте”. (Силовой агрегат отрабатывает программу лучшей эффективности: мотор сразу выводится на необходимые обороты и работает в режиме неизменной мощности, а все остальное предназначено вариатору.) Большинство же автолюбителей привыкли к уже знакомому нарастающему шуму двигателя, и многие фирмы в этом идут на встречу клиентам, настраивая специальным образом электронный блок управления трансмиссией. Однако при нормальной настройке этого блока разгон, естественно, произойдет быстрее.
В заключение рассказа об автоматических коробках передач «вариатор» скажем, что данные устройства является куда более удачным типом трансмиссии в сравнении с традиционными «автоматами». В них лучшая динамика разгона, меньший расход топлива, более плавная езда. Вариаторы в тоже время проще по конструкции, чем традиционные автоматические коробки передач. Думается, что в недалёком будущем машины оснащённые вариаторами сильно потеснят машины с "механикой", и полностью вытеснят автомобили, оснащённые обычным "автоматом".
