Вариатор как коробка передач: плюсы и минусы

Есть такое выражение, что нельзя научить новым командам старую собаку. Вариатор CVT - это постоянно изменяющая трансмиссия. Его принципы были сформулированы более 500 лет назад Леонардо да Винчи. На сегодняшний день он уже стал вытеснять планетарную традиционную автоматическую трансмиссию, которая используется в некоторых машинах.

 

Патент на вариатор CVT был зарегистрирован в 1886 году, и эта технология продолжает совершенствоваться и оттачиваться. На сегодняшний момент большинство производителей, включая Audi, General Motors, Nissan и Honda, уже разрабатывают по технологии CVT новые трансмиссии.

 

Для начала, сравним CVT с обычным автоматом. Передач больше нет.

 

Этапы развития CVT

1490 – Леонардо да Винчи изобразил схематично бесступенчатую трансмиссию;

1886 – патент на вариатор CVT;

1935 – патент США на вариатор CVT получает Adiel Dodge;

1939 – появляется полностью автоматическая коробка переключения передач, сделанная на планетарной передаче;

1958 – первый CVT вариатор для автомобиля устанавливает Daf (Нидерланды);

1989 – первым проданным автомобилем в США с CVT вариатором стал Subaru Justy GL;

2002 – Saturn Vue дебютировала с вариатором CVT; первый автомобиль с Saturn c CVT технологией;

2004 – вариатор CVT начинает предлагать Ford.

 

Основы автоматических коробок переключения передач (КПП)

Если вы знаете, как работает автомат, то вам должно быть известно, что основной задачей автомата является то, чтобы позволить двигателю авто работать в узком диапазоне входных скоростей, а также получать на выходе широкий диапазон скоростей.

 

Если бы в автомобилях не было трансмиссии, то автомобили ездили бы только на передаточном числе, и оно подбиралось бы в зависимости от скорости, которую желает водитель. Скажем если скорость авто 120 км/ч, это значит, что передаточное число соответствует 3-й передаче.

 

Я думаю, что вы никогда не пробовали постоянно ездить на 3-й передаче, но если вы попробуете, то заметите, что ваше авто на средних оборотах совсем не ускоряется, а вот на высоких, наоборот, около красной зоны начинает реветь двигатель. В результате, ваш автомобиль быстро бы ломался.

 

Из этого следует, что КПП для работы на определённой скорости использует крутящий момент двигателя эффективно и на максимальную мощность.

 

В традиционном автомате все шестерни передач как бы зацепляются. Планетарные передачи создают необходимое количество передаточных чисел, т.е. для 4-х передач вперёд и ещё одной задней передачи. В таком автомате, водитель, при переключении передач, ощущает небольшие лёгкие толчки.

 

Основы CVT вариатора

Бесступенчатые трансмиссии, в отличие от обычного автомата, не имеют разных шестерен внутри набора, это значит, что отсутствует зацепление с зубчатыми колёсами. Самый обычный вариатор CVT работает благодаря замысловатой и необычной системе шкивов, которые позволяют реализовать между минимальными и максимальными значениями, бесконечное количество передаточных чисел, без дискретных переключений и шагов.

 

Далее мы расскажем вам о различных типах вариаторов CVT: гидростатические, торроидные и клиноременные.

 

Клиноременный CVT вариатор

Если вы загляните внутрь обычной автоматической трансмиссии, то увидите сложный мир тормозов, сцеплений, шестерен и различных управляющих устройств. По сравнению с этим миром, постоянно изменяющаяся трансмиссия – сама простота. Почти все CVT вариаторы состоят из 3-х главных и основных компонентов:

 

1) Переменный «ведущий» шкив;

2) Прочный резиновый и металлический ремень;

3) Выходной «ведомый» шкив.

 

На вариаторе CVT имеются различные датчики и микропроцессоры, но самое главное в вариаторе – это те 3 элемента, которые мы назвали вам выше, именно они выполняют всю основную его работу.

 

Шкивы с изменяемым диаметром

Шкив – это сердце любого CVT вариатора. Он состоит из двух 20-градусных конусов, которые расположены лицом друг к другу. Ремень двигается в желобке между этими 20-градусными конусами. Они сделаны из резины и выполнены в виде клина. Сечение ремня похоже на латинскую букву V, тем самым увеличивается коэффициент трения ремня о шкив.

 

Когда конусы располагаются далеко друг от друга, увеличивается диаметр, ремень начинает опускаться ниже в желобе, таким образом, уменьшается вокруг шкива радиус петли ремня. Как только конусы сближаются снова, диаметр снова увеличивается, ремень начинает подниматься в самом желобе, тем самым увеличивается радиус вокруг шкива. Вариаторы CVT также используют центробежную силу, гидравлическое давление или напряжение пружин, для создания усилий, способных сместить конусы относительно друг друга.

 

Все шкивы с переменным диаметром, идут всегда парами. Т.е. один шкив ведущий, он соединён с коленным валом двигателя авто. Ещё его называют не ведущим, а входным, потому что энергия двигателя, входит в трансмиссию именно через него. Второй шкив называется выходным, так как благодаря этому шкиву происходит передача энергии к карданному валу.

 

Радиус основания делительного конуса – это расстояние между местом контакта ремня и желоба и центром конусов. При расхождении конусов, ремень начинает опускаться, таким образом, уменьшается радиус делительного конуса. А вот при схождении конусов, ремень наоборот поднимается и радиус увеличивается. Передаточное число определяется радиусами основания конуса ведущего шкива к ведомому. Когда один шкив начинает увеличивать свой радиус, то другой наоборот уменьшает его для поддержания натяжения ремня. Размер радиусов шкивов зависит друг от друга, в результате чего создаётся бесчисленное множество передаточных соотношений – от высокого до низкого и любого между ними. Допустим, у ведущего шкива радиус мал, а у ведомого шкива он велик, тогда скорость вращения ведомого уменьшится, что приведёт к «низкой» передаче. Из этого следует, что вариатор CVT реализует как бы бесконечное число «передач» и может выбирать их в любое время и на любой скорости двигателя.

 

Простота вариатора CVT и его бесступенчатая природа делают его замечательной трансмиссией не только для самих автомобилей, но также и для других технических устройств. К вашему сведению, вариаторы очень широко используются в различных мощных инструментах, а также в прессах для сверлильных станков. Также их применяют в моторных скутерах, тракторах и снегоходах. В каждом из этих случаев работа трансмиссии заключается в резиновом ремне высокой плотности, который умеет вытягиваться и скользить, в результате чего снижается его эффективность.

 

Применение в вариаторе CVT новых материалов, привело к тому, что он стал производительнее и надёжнее. Использование металлических ремней в соединении шкивов стало важным шагом. Гибкость ремней заключается в том, что они состоят из ряда (8 или 12) стальных тонких лент, которые фиксируют прочные пластины металла.

 

Металлические ремни не создают скольжения, поэтому служат они гораздо дольше, это позволяет выдерживать вариатору CVT больший крутящий момент двигателя. Они намного тише, чем вариаторы, которые приводятся в движение резиновыми ремнями.

 

Тороидный CVT вариатор

Есть ещё другой тип CVT вариатора – это тороидная система, она заменяет обычные шкивы и ремни на ролики и колёса.

 

Эта система только на первый взгляд кажется немного отличной от обычного клиноременного CVT вариатора, но вот функции, которые выполняют её компоненты - аналогичные, что приводит к одному и тому же результату, а именно к постоянно изменяющейся трансмиссии.

 

Принцип работы тороидного CVT вариатора

Один диск соединён с двигателем – принцип работы ведущего шкива. А вот другой диск соединяется с карданным валом – принцип работы ведомого шкива. Колёса и ролики, которые расположены между дисками, выполняют задачу обычных ремней, они передают мощность с одного диска на другой диск.

 

Колёса вращаются вокруг двух осей. Если точнее, то вращение происходит вокруг горизонтальной оси, либо же наклоняются внутрь или наружу относительно вертикальных осей, таким образом, колёса соприкасаются с дисками. При контакте колёс около центра с ведущим диском, они начинают контактировать около обода также и с ведомым диском, в результате уменьшается скорость и увеличивается крутящий момент (низкая передача). В случае если колёса начинают около обода контактировать с ведущим диском, то они начинают контактировать и с ведомым, но уже около центра, в результате чего, это приводит к тому, что увеличивается скорость и уменьшается крутящий момент (высокая скорость или как ещё говорят овердрайв). Передаточное соотношение механизма непрерывно меняется из-за простого наклона колёс.

 

Гидростатический CVT вариатор

Тороидный вариатор и клиноременной вариатор – это примеры фрикционных вариаторов, которые работают только за счёт того, что изменяют между 2-мя вращающимися объектами радиус контактных точек. Но имеется ещё один тип вариатора, который называется гидростатическим CVT вариатором, использующий насосы переменного объёма, которые специально предназначены для варьирования в гидростатические моторы потока жидкости. В данном устройстве коленный вал, вращаясь, приводит гидростатический насос в действие. Затем насос преобразует простое вращательное движение в поток жидкости. Таким образом, на выходе ведомый гидростатический двигатель преобразует поток жидкости снова во вращательное движение.

 

Очень часто со сцеплением и планетарной передачей сочетают гидростатическую трансмиссию, чтобы создать гибридную систему, т.е. гидромеханическая трансмиссия. Она передаёт от двигателя крутящий момент к колёсам 3-мя различными способами. Например, если малая скорость, то мощность передаётся с помощью гидравлики, а если скорость большая, то с помощью механики. Между этими положениями для передачи крутящего момента трансмиссия использует как гидравлику, так и механику. Данная гидромеханическая передача хороша для спецтехники, предназначенной для работы в тяжёлых условиях, например сельскохозяйственные тракторы.

 

Преимущества CVT вариатора

Постоянно изменяющаяся трансмиссия становится всё более популярной не просто так. Выделяют несколько преимуществ, которые устраивают как сторонников экологии, так и водителей.

 

Основные преимущества вариатора CVT и его ключевые черты

1) Постоянное ускорение, как от полной остановки, так и до скорости трассы, исключаются толчки при переключении, езда становится более гладкой.

2) Двигатель способен находиться постоянно в оптимальной мощной зоне, т.к. не зависит от скорости движения, улучшен расход топлива.

3) Хорошо реагирует на команды водителя, скажем, если водителю нужно изменить положение скорости и дроссельной заслонки. Исключается поиск оптимальной передачи, скажем, если водитель теряет скорость при езде на автомобиле в гору.

4) В отличие от обычной автоматической трансмиссии, потеря мощности в вариаторе – минимальная, ускоряется лучше.

5) На любых скоростях - оптимальные обороты двигателя, улучшенный контроль над вредными выхлопными газами.

6) Позволяет легко реализовать автоматическую версию механических трансмиссий, т.е. замена гидротрансформатора, в случае неэффективности.

 

Теперь мы с вами рассмотрим, что ощущают водители, которые ездят на автомобилях с CVT вариатором.

 

Тестовый заезд на авто с вариатором CVT

Первые автомобили с вариатором появились ещё в Европе. Понадобилось много времени, чтобы эта технология пришла на американский рынок. В США, первым авто с вариатором стал Subaru Justy.

 

Учитывая то, что это было между 1989 и 1993 г, авто продавалось очень плохо, т.к. автомобиль Justy так и не смог привлечь в себе внимание американских водителей. Но тогда что же такое новое и интересное появилось в автомобилях с последними типами CVT вариаторов, например Saturn Vue, Audi A4-A6, Honda Insight и Nissan Murano? Ответить на этот вопрос поможет «тест-драйв». В данной статье мы не будем рассказывать вам про тест-драйв данных автомобилей, поэтому всю информацию по тест-драйву вы сможете найти в Интернете. Чтобы понять работу двигателя нужно сравнить работу автомобиля с вариатором так и без него.

 

Когда вы давите педаль газа на авто с вариатором CVT, то разница будет заметна сразу. Двигатель может раскрутиться только до определённых оборотов, на которых он сможет произвести максимальный крутящий момент, затем он остаётся на них. При этом автомобиль сразу же не реагирует. Только через какое-то время происходит включение трансмиссии, и автомобиль начинает медленно, но уверенно разгоняться без каких-либо дополнительных переключений передач. Вообще по теории автомобиль с вариатором должен достичь отметки 100 км/ч где-то на 25% быстрее такого же самого авто с одинаковым двигателем, но с механической трансмиссией.

 

Если бы вы могли взглянуть на график мощности авто без CVT вариатора, то поняли бы, что так и должно и быть. К вашему сведению, двигатель при каждой смене передачи, меняет свои обороты, как с нижних, так и до верхних (поэтому водитель ощущает толчки).

 

Вариатор CVT также хорошо использовать, если вы собираетесь ехать в гору. Не нужно больше рыскать, чтобы найти нужную и оптимальную передачу, бесступенчатый CVT вариатор понижает, в зависимости от условий езды, передаточное соотношение. А вот обычный автомат, чтобы найти оптимальное передаточное число, переключается вниз и вверх, в результате чего теряется эффективность.

 

Конечно, следует сказать, что у вариатора имеются не только преимущества, но и несколько недостатков. Первый недостаток – это имидж. Например, авто Subaru Justy, прославился тем, что стал слабой микро машинкой. Дело в том, что ещё совсем недавно клиноременные CVT вариаторы могли справиться с ограниченным крутящим моментом и уступали в этом показателе лишь традиционным автоматам и механике. Постепенное развитие технологии начинает поднимать CVT вариаторы на новый уровень мощных автомобилей. Например, Nissan Murano с CVT вариатором неплохо справляется с двигателем V6 3.5 л и мощностью 245 лошадиных сил – однако, по мнению некоторых клиентов, требуется время, чтобы привыкнуть к данному агрегату.