Что такое вариатор (коробка cvt), устройство, принцип работы

Коробка передач вариатор

Автомобильная промышленность неуклонно развивается, постоянно предлагает новые инженерные решения. Ведущие компании в области производства автомобильного транспорта неуклонно ведут работу над разработкой принципиально новых агрегатов. Цель замены уже привычных и в некоторой степени конструктивно устарелых узлов предельно ясна – сделать машину более комфортной, облегчить вождение и улучшить качество поездок в целом. Так появилась вариаторная коробка передач или же просто вариатор.

Вариаторная коробка: что это такое?

В англоязычной среде этот вид трансмиссии именуется как CVT, что обозначает Continuously Variable Transmission. Если перевести расшифровку с английского на русский язык, то станет понятен главный принцип, на котором основана работа вариатора – бесступенчатая трансмиссия.

Отличия от автомата

Мы привыкли, что механика может включать шесть передач, а обычный гидротрансформаторный автомат на сегодняшний день от шести до восьми. В этом заключается главный недостаток ступенчатых коробок – число передач ограничено. Все дело в том, что двигателю постоянно приходится преодолевать нагрузку – силу инерции. Даже во время движения по абсолютно ровной дороге агрегат подвержен внешнему сопротивлению, и только достигая оптимального соотношения количества оборотов и передаточного числа, он развивает скорость. С переходом на повышенную передачу водитель ощущает кратковременную потерю мощности и рывок автомобиля.

Отличие вариатора от классической АКПП — видео

В вариаторе бесчисленное количество передач. Передаточные числа изменяются плавно, благодаря чему водитель машины с CVT не ощущает рывков в момент перехода на повышенную скорость. В некотором смысле автомобиль с вариаторной коробкой напоминает электромобиль: он плавно начинает движение, постепенно набирает скорость, а сама трансмиссия работает практически бесшумно. За счет того, что в вариаторе нет ступеней, передача усилия от двигателя к колесам происходит более точно. В момент перехода на высокую скорость нет разрыва потока мощности. Управлять таким автомобилем сплошное удовольствие. Особенно популярны машины с CVT среди начинающих водителей. Бесступенчатая трансмиссия не реагирует на манеру вождения, поэтому ситуации, когда глохнет мотор в начале движения, полностью исключены. Когда водитель жмет педаль «в полик», авто с вариатором молниеносно ускоряется, что также многим нравится.

Что это такое

Устройство, называемое вариатором, предназначается для того, чтобы регулировка скорости движения была более плавной. Этот блок помогает изменить передаточное отношение. В отличие от других видов трансмиссий он может выполнить это постепенно, без резких рывков. Вариатор «Сафари» принадлежит к типу механизмов с клиноременной передачей.

С 2000 года их устанавливают на снегоходы «Тайга» и «Буран». Эти и другие средства малой механизации производит известный завод «Русская механика». Вариатор востребован и другими автопроизводителями, ценящими простоту ухода и долговечность деталей

Какую коробку выбрать

Эксперты подсказывают автолюбителям, что при выборе коробок: робот или автомат, следует исходить из трех китов, на которых строится система вождения:

• комфорт при поездке;
• надежность трансмиссии;
• цена коробки передач.

Читать

Надежность автомата Шкоды Рапид и используемая трансмиссия

Если исходить из того, что лучше для водителя – это комфорт, то рекомендуется автомат. Если при выборе трансмиссии, автовладелец больше склоняется к экономичности, то следует отдать предпочтение роботу.

РКПП

Внимание! По надежности эти трансмиссии не уступают друг другу. Автомат и робот менее надежны в одинаковой степени, чем простая механическая коробка передач. Несмотря на это, эксперты отдают предпочтение все же коробке автомат

Так как она считается более предсказуемой нежели роботизированная коробка переключения скоростей

Несмотря на это, эксперты отдают предпочтение все же коробке автомат. Так как она считается более предсказуемой нежели роботизированная коробка переключения скоростей.

РКПП не созданы для поездок вне города без ровных асфальтированных трасс. Однако, для тех, кто обожает быструю езду, различные маневры следует выбрать преселективную трансмиссию.

И еще одна важная вещь, которую не следует обходит стороной начинающим автолюбителям, особенно молодым. Правильная эксплуатация АКПП и ежемесячный уход за ней, позволят любой трансмиссии прослужить не только положенный срок, но и больше его.

АКПП

Если вовремя доливать и менять масло, не допускать стартов «на холодную» и длительных пробуксовок, то и автомат, и робот позволят водителю снизить затраты на капитальный ремонт.

Принцип работы и конструкции вариатора

Проще всего принцип работы вариатора можно рассмотреть на примере самого распространенного типа устройства: клиноремённого.

На валу, который соединён с валом двигателя находится ведущий шкив, выполненный из двух половинок. Половинки могут передвигаться по валу (оси своего вращения). Аналогичный (состоящий из двух половинок) шкив расположен на другом валу, соединённом с приводами колес автомобиля. Этот шкив называют ведомым. Между собой ведущий и ведомый диски соединены ремнём, клиновидным в сечении.

На низких оборотах двигателя половинки ведущего шкива раздвинуты и ремень «провален» к оси вращения, а на ведомом шкиве наоборот: ремень «выдавлен» максимально далеко от оси вращения.

Таким образом, за счёт трения в месте контакта ремня с поверхностями половинок шкивов образуется ремённая передача, схематично изображённая на следующем рисунке.

То есть ведущий вал как бы аналогичен шестерёнке малого диаметра, а ведомый – большого. Соответственно, на малых оборотах угловая скорость ведущего шкива существенно выше, чем ведомого, к которому передаётся максимальное тяговое усилие (и минимальная угловая скорость).

Сдвигает половинки ведущего шкива торцевое усилие, формируемое в зависимости от конструкции вариатора инерционными силами (от роликов внутри одной половинки шкива, перемещающихся за счёт центробежных сил – простейший случай) или гидравликой, получающей команды от электронного блока управления (современные системы).

Помимо центробежных, системы передачи крутящего момента с электронным управлением могут быть электромагнитными или многодисковыми, но наибольшее распространение благодаря доведенности конструкции получили гидротрансформаторы.

На высоких оборотах картина обратная: «шестеренка» ведущего шкива становится большого диаметра (ремень выдавливается к периферии шкива) а у ведомого половинки раздвигаются и ремень «проваливается» к центру («шестерёнка» малого диаметра). Трение, необходимое для изменения расстояния между половинками ведомого шкива и натяжение ремня обеспечивает пружина.

По принципу действия помимо клиноременных существуют ещё торовые вариаторы.

В них роль составных шкивов выполняют конусообразные диски, а роль ремня – ролики грибовидной формы, имеющие возможность не только вращаться вокруг своей оси, но и перемещаться относительно оси вращения дисков. При различных положениях роликов они по различного диаметра окружностям соприкасаются с дисками, и за счёт этого меняется передаточное отношение между дисками. На практике торовые вариаторы встречаются существенно реже клиноременных.

Казалось бы, если всё так просто и принцип работы устройства хорошо известен, почему на автомобилях вариаторы стали применяться сравнительно недавно?

Дело в том, что материал ремня, используемый в вариаторах скутеров и снегоходов, не рассчитан на уровень нагрузок, которые возникают в автомобилях. И только современные технологии позволили разработать привод вариатора, выдерживающий высокие нагрузки.

Ремень современного автомобильного вариатора металлический, состоящий из двух металлических лент и вставленных в них набора упругих металлических звеньев.

От ведущего шкива наиболее зажатое в нем звено передаёт толкающее усилие к следующему звену и далее по цепочке. Получается, что такой наборный ремень не тянет, а толкает ведомый шкив и это позволяет передавать на него бо́льшие усилия, чем в обычной клиноремённой передаче. Именно такой тип привода получил максимальное распространение в современных вариаторах.

В некоторых марках автомобилей (прежде всего Audi) встречается привод в виде многозвенной цепи вместо ремня.

Такую передачу ещё называют клиноцепной. В отличие от металлического наборного ремня пятно контакта торцевых участков такой цепи с конусной поверхностью шкивов существенно меньше, и это обстоятельство предъявляет повышенные требования к материалу и сочленениям цепи. У цепной передачи самый высокий КПД передачи усилия от ведущего шкива к ведомому, неплохие показатели долговечности, достаточно простая замена в случае необходимости. Но при этом цепь – достаточно дорогой привод.

К особенностям конструкции вариатора ещё следует отнести необходимость встраивания в устройство механизма заднего хода – прямой реверс шкивов вариатора невозможен. Практически это решается так же, как и в автоматических коробках передач: в конструкции предусмотрен планетарный редуктор.

Нельзя буксировать

Агрегат может получить серьезные повреждения, если автомобиль с CVT будет буксировать другое транспортное средство. Кстати, при пробуксовывании также возможно возникновение определенных проблем.

В инструкции по эксплуатации автомобиля предусмотрен вариант буксировки другого автомобиля. Если обойтись без этого не получится, то буксировку следует осуществлять в точном соответствии с инструкцией. Но даже в этом случае полностью вариант возникновения поломок исключать нельзя. Особенно это касается автомобилей, имеющих значительный пробег.

Пробуксовка также может быть опасной. Если машина застряла в грязи, лучше оставить попытки выбраться самостоятельно, иначе это может привести к износу шлицевых соединений. Ресурс шестеренок также будет значительно сокращен. А ведь ремонт данного узла может сильно ударить по карману.

Диагностика АКПП

Как и любое устройство, автоматическая коробка требует регулярной диагностики, чтобы проверить нормальное функционирование, и составить дальнейший план действий при обнаружении поломок. Диагностику оборудования должен проводить механик, который может определить наличие неисправности, и дать разумное решение для проблемы.

В ходе диагностических работ механик может провести два варианта проверки. Вначале производится первичная диагностика. Первичный осмотр способен определить крупные неисправности. При необходимости дальнейших манипуляций, необходимо провести углубленную модель работ.

Первичная диагностика:

• Электронный вариант. Диагностика проводится при помощи сканера, который присоединяют к диагностическому разъему. В памяти блока управления необходимо проверить наличие ошибок, чтобы определить место поломки.
• Тест-драйв. Мастер вместе с водителем проводит пробную езду, в ходе движения которой происходит проверка функционирования в специфических режимах. Мастер использует различные стили вождения, чтобы оценить работу машины.

Углубленная диагностическая работа нацелена на проверку каждого элемента. Процедура проведения углубленной проверки:

• Оценивание уровня масла. Если мастер обнаружил следы от протечки масла, то следует найти место, где течет масло. Проверка производится при помощи заливной пробки, которая расположена в поддонной области автоматической коробки. Если масло переливается через края, то уровень нормальный для функционирования.
• Анализ качества масла. Нормальное масло не может иметь запах гари, а цвет должен быть желтым или красным с учетом типа ATF. Если взять масло в руки, не должно образовываться примесей, пены или разводов.
• Наличие отложений в поддоне. Механик демонтирует поддон, и смотрит содержимое. Если элементы оборудования износились, или испорчены, в поддон могут выходить продукты от процессов. Если на поддоне обнаружилась стальная стружка крупного размера, то гидротрансформатор имеет повреждения. Если стружка бронзовая или медная, то подшипники скольжения вышли из строя, и требует замены. Если на поддоне пудра из алюминия, то корзины сцепления испортились.
• Диагностирование давления. Измерять давление можно при помощи манометра.
• Проверка в форме STOP-STALL. Коробка передач может прибуксировать, поэтому тест позволяет проследить подобный момент. Механик держит тормоз, при этом, сильно надавливает на газ. Если нет проблем, то нагрузка на двигатель дает команду не увеличивать обороты. Проводить тест может механик, поскольку неопытный мастер может испортить оборудование.

Виды и принцип работы вариатора

В автомобильной промышленности применяются два варианта механизмов, различающиеся по устройству. Речь идет о клиноременном и тороидном вариаторах, которые имеют разные конструкции.

Тороидный вариатор не имеет в своем составе ремня, промежуточными элементами являются ролики. Такая конструктивная схема используется реже, но в ней заложен большой потенциал.

Клиноременный

Этот вариант механизма получил наибольшее распространение у компаний, производящих автомобили.

Клиноременный вариатор состоит из одной (реже двух) передач. На двух валах: ведущем и ведомом установлены шкивы, через которые перекинуто кольцо клиновидного ремня. На первых порах при его изготовлении использовалась армированная резина, затем ей на смену пришли стальные конструкции.

Устройство клиноременного вариатора автомобиля

Ведомый и ведущий шкивы состоят из двух частей: конусов, стенки которых имеют наклон около 70 градусов к оси вала. Взаимное перемещение шкивов обеспечивает изменение радиусов и, как следствие, передаточного отношения вариатора.

Для создания управляющего усилия, направленного на смещение конусов друг к другу используются пружины, давление жидкости или центробежная сила.

Принцип работы клиноременного вариатора обеспечивает непрерывность передачи потока мощности и позволяет создать оптимальные условия для работы двигателя. Так, при наборе скорости или, напротив, сбросе силовой агрегат автомобиля получает возможность работать при постоянных оборотах. Тем самым достигается заметная экономия топлива, снижается его износ и как следствие увеличивается ресурс.

Наиболее уязвимой частью такого вариатора является клиноременная передача, узел подвергается значительным нагрузкам. В настоящее время используются стальные конструкции, состоящие из пакета лент, между собой они соединяются пластинами сложной формы.

Передача усилия в таком случае происходит по всей площади контакта боковой поверхности ремня со шкивом за счет возникающего трения.

Устройство ремня вариатора

В другом варианте применяется стальная цепь, а вариатор по аналогии получил наименование клиноцепного. Каждое звено данной конструкции в своем составе имеет несколько пластинок, объединенных цилиндрическими втулками-осями, обеспечивающими минимальный радиус изгиба.

Передача усилия происходит за счет контакта боковой части цепи с рабочими поверхностями конусовидных дисков.

Малая площадь соприкосновения вызывает значительные нагрузки на детали, для изготовления которых применяется высокопрочная сталь. Вариатор клиноцепного типа обладает наибольшим КПД среди аналогичных конструкций.

С другой стороны его цена выше, нежели у клиноременного механизма из-за применения более дорогостоящих материалов.

Стальная цепь для вариатора

Автомобильные вариаторы в силу особенностей своей конструкции не могут обеспечить вращения в обратном направлении и соответственно заднего хода. Для решения данной задачи трансмиссия снабжается дополнительным механизмом, в большинстве случаев – это шестеренчатый редуктор планетарного типа. По принципу действия он совпадает с аналогичным устройством АКПП.

Тороидный

Такой механизм получил меньшее распространение, в основном его разработкой занимается японская компания Nissan. Оригинальный агрегат получил наименование Extroid и устанавливается он на ряде моделей автомобилей.

В устройстве тороидного вариатора имеются два соосных диска: ведущий и ведомый. В сечении они имеют форму равнобедренного треугольника, боковые стороны которого являются частью окружности.

Устройство тороидного вариатора

Между рабочими дисками находятся два ролика плотно прижатых  к ним своими боковыми поверхностями. Указанные элементы подвижны и могут изменять свое положение, синхронно раскачиваясь вокруг осей перпендикулярных к основному валу.

Передача усилия происходит через ролики за счет возникающей в зоне контакта силы трения. Изменение соотношения радиусов приводит к увеличению или уменьшению частоты вращения ведомого вала.

Компания Nissan спроектировала сдвоенную коробку, способную передавать усилие до 300 Нм. Это рекордный показатель для трансмиссий этого типа.

Вариатор с 1999 года устанавливается на ряд мощных заднеприводных моделей, выпускаемых для внутреннего рынка. Агрегат совмещен с планетарным понижающим редуктором, при больших скоростях передача крутящего момента происходит напрямую. В переднеприводных моделях коробка совмещается с дифференциалом и главной передачей.

Бездорожье — это плохо

Машины с вариаторами лучше эксплуатировать на трассе — на бездорожье делать это нежелательно. Конечно, есть и внедорожники с CVT, но специалистами они причисляются к классу паркетингов. Машины с бесступенчатыми коробками хорошо себя покажут в условиях города, по полям и весям рассекать на них не рекомендуется.

Это не просто слова, ведь вариатор может получить значительные повреждения, если автомобиль наедет на ухаб или попадет в яму. Не рекомендованы ему и прочие неровности дорожного покрытия. Такие приключения могут быть чреваты самыми серьезными последствиями для автомобилей с вариаторной коробкой.

История вариаторной коробки передач CVT

Само название вариатор произошло от латинского слова, означающего в переводе «изменитель». В среде специалистов этот механизм принято называть аббревиатурой CVT, что расшифровывается в английском языке как continuously variable transmission или по-русски «постоянно изменяющаяся трансмиссия». Другие наименования данного механизма: вариаторная коробка, АКПП вариатор или клиноременный вариатор.

Обозначений много, пусть и не все точные, но устройство и принцип действия конструкции при этом не меняется.

По сути, название клиноременный вариатор относится только к одному из видов, который впервые был применен на транспорте. Уже в 1910 году мотоцикл марки Zenith с трансмиссией Gradua-Gear такой конструкции участвовал в гонках и показал хорошие результаты.

После этого участие машин с вариаторами в соревнованиях было запрещено ввиду явного превосходства последних над традиционными коробками передач.

История данного типа трансмиссии в автомобилестроении начинается в 1928 году, когда британская Clyno Engineering Company впервые применила эту схему.

Следующей был голландский автопроизводитель, выпустивший легковую машину DAF 600, оснащенную клиноременным вариатором собственной конструкции Variomatic. Именно эта модель и является первой серийной моделью с данным типом трансмиссии.

На DAF 600 был использован вариатор Variomatic

В последующем вариатор клиноременного типа стал доминирующей, но отнюдь не единственной применяемой в автомобилестроении схемой. Ведущие мировые производители разработали собственные конструкции:

• Fiat устанавливали на свои машины Transmatic;
• Mercedes-Benz – Autotronic;
• Subaru – Lineartronic;
• Honda- Multimatic;
• Audi – Multitronic.

Компания Ford пошла еще дальше и запустила в производство два вариатора: Ecotronic и Durashift CVT, ее примеру последовали и японская Nissan с Xtronic и Hyper.

Перечень можно продолжать и дальше. О больших возможностях такой трансмиссии говорит и запрет на ее использование в гонках болидов Формула-1 просуществовавший вплоть до 1994 года.

Вариатор

Суть и смысл работы вариаторной коробки, которую обозначают как CVT, ничем не отличается от любой другой трансмиссии. Суть устройства заключается в том, чтобы преобразовать крутящий момент, который поступает от силового агрегата на колёса.

Но отличительной особенностью вариатора является то, что момент передаётся бесступенчато. Здесь предусмотрен определённый диапазон регулирования. Именно эта характеристика существенно отличается классический автомат от вариатора.

Что же касается аббревиатуры CVT, то она расшифровывается как Continuosly Variable Transmission. Перевести такое название можно как трансмиссия или коробка передач с непрерывно меняющимся крутящим моментом.

Вы уже примерно поняли, чем отличаются вариаторы от автоматов и какая основная разница между ними. Но этого объективно недостаточно, чтобы отдать какому-нибудь из двух вариантов предпочтение.

Также отличие вариатора от классического автомата заключается в конструктивных особенностях. Выделяют 3 основных типа CVT, которые бывают:

• цепными;
• клиноременными;
• тороидальными.

Если говорить про легковой автомобильный транспорт, то здесь самыми популярными и распространёнными оказались именно клиноременные разновидности вариаторной коробки передач.

1. В состав клиноременного вариатора входит клиновидный ремень. Он располагается непосредственно между двумя шкивами раздвижного типа. Во время движения транспортного средства эти шкивы постоянно сжимаются и разжимаются, обеспечивая тем самым изменения в показателях передаточного числа. Основной задачей вариатора является создать плавное и бесступенчатое изменение крутящего момента. Подобные системы активно используются на легковых автомобилях, в составе снегоходов, двухколёсных технике и пр.
2. Следующей разновидностью вариаторной коробки являются цепные CVT. Передача мощности здесь осуществляется за счёт скошенных торцов оси цепных звеньев. А само тянущее усилие передаётся с помощью специальной цепи. Такие вариаторы не получили широкого распространения, хотя иногда встречаются.
3. Тороидные вариаторы заменили шкивы на диски конусовидной формы. А вместо ремня здесь задействовали специальные ролики. Они характеризуются тем, что могут передавать достаточно большой крутящий момент. Но, чтобы создать подобные детали для компоновки вариаторной коробки, необходимо обязательно использовать сталь высокопрочных сортов. Это негативно сказывается на стоимости, из-за чего многие автопроизводители отказались от идеи установки подобных CVT на свои транспортные средства.

Учитывая очевидные отличия в конструкции и принципе действия, несложно понять, в чём заключается разница между двумя видами рассматриваемых КПП. При этом коробка автомат и вариатор являются достойным решением, каждое из которых имеет свои сильные и слабые стороны.

Если говорить о преимуществах, характерных для вариаторных или бесступенчатых коробок передач, то здесь основным достоинством считается обеспечение непрерывного изменения крутящего момента. Тут отсутствует момент задержки, который характерен для АКПП, где происходит переход с одной передачи на другую. Бесступенчатость и непрерывность вариатора способствует появлению других преимуществ в виде более эффективного расхода топлива и улучшения динамических характеристик мотора. Машины с CVT потребляют меньше горючего и обеспечивают лучшую динамику при разгоне.

При этом вариатор имеет и некоторые очевидные недостатки. Начать следует с того, что CVT не предназначены для использования на мощных двигателях. Установка на автомобиль с повышенной мощностью не даёт использовать потенциал коробки. Она будет быстро разрушаться и изнашиваться.

CVT можно считать сравнительно новой разработкой в сфере автомобильных коробок передач. Потому инженеры пока не придумали, как повысить устойчивость вариатора к высоким нагрузкам, буксировке и активной езде при повышенных оборотах. В подобных условиях ремень вариаторной коробки быстро изнашивается, и происходит поломка всей трансмиссии. Ремонтировать и восстанавливать CVT довольно дорогое удовольствие, превышающие зачастую затраты на ремонт классического автомата.

Устройство CVT