Как это устроено: коробка-вариатор

Как это устроено: коробка-вариатор

Уже давно известно, что трансмиссия в автомобиле позволяет равномерно распределять крутящий момент, который вырабатывает силовой агрегат. Это необходимо для плавного или динамичного разгона транспортного средства. Водитель задействует определенный диапазон оборотов мотора, предотвращая выход его на повышенный режим.

Что касается механической коробки передач, об ее устройстве и о том, как ее на дольше сохранить, мы уже говорили. И это уже, кажется, заезженная тема. Поговорим о cvt: что это за механизм, его работа и стоит ли брать автомобиль с подобной трансмиссией.

Что такое коробка вариатор

Это разновидность автоматической коробки передач. Она относится к категории бесступенчатых трансмиссий. Ее особенность заключается в том, что вариатор обеспечивает плавное изменение передаточных чисел в настолько малом диапазоне, который невозможно достичь в механике.

Ею оснащаются автомобили, работающие под управлением электронного блока управления. Это устройство равномерно распределяет нагрузки, поступающие от двигателя, в соответствии с сопротивлением, которое оказывается на ведущие колеса транспорта.

Переключение передач осуществляется плавно – водитель порой даже не замечает, как изменяется режим работы механизма. Это повышает комфорт во время поездки.

Принципиальное устройство

Конструкция механизма довольно сложная, из-за чего ее производство затратное в материальном отношении. К тому же из-за сложности конструкции бесступенчатая трансмиссия не способна обеспечивать равномерное распределение нагрузок в отдельных типах двигателей.

Ключевое отличие бесступенчатой коробки от механического аналога – в ней отсутствует сцепление. На сегодняшний день вариаторы постоянно модернизируются, и уже существует несколько принципиально отличающихся модификаций. Тем не менее, основные элементы коробки такие:

• Основной механизм трансмиссии – гидротрансформатор. Это агрегат, принимающий на себя крутящий момент, который вырабатывает двигатель и передает его на исполняющие элементы;
• Шкив первичной передачи (связан с гидромуфтой) и шкив вторичной передачи (передает усилия на ходовую часть авто);
• Передача усилий осуществляется через ремень, а в некоторых случаях – цепь;
• Электроника управляет изменением режимов работы механизмов;
• Отдельный узел, который активируется, когда включается задняя передача;
• Вал, на котором закреплен шкив трансмиссии и главная передача;
• В большинстве модификаций также установлен дифференциал.

Стоит отметить, что эти элементы не дают понимания того, по какому принципу работает коробка передач. Все зависит от модификации устройства, о чем пойдет речь немного позже, а сейчас рассмотрим, по какому принципу функционирует механизм.

Как это работает

Существует три основных типа передач, которые используются в транспорте и имеют схожий с cvt принцип работы:

• Электропередача. В этом случае устройство используется только для узкопрофильного транспорта. Мотор приводит в движение динаму генератора, которая вырабатывает необходимую энергию для работы трансмиссии. Пример такой коробки передач – БелАЗ;
• Передача от гидротрансформатора. Этот тип передач отличается плавностью работы. Гидромуфта раскручивается насосом, который подает масло под большим давлением в зависимости от оборотов мотора. Такой механизм лежит в основе всех современных автоматических коробок передач;
• Передача гидрообъемного типа. Старая технология, но в некотором типе транспорта она все еще применяется. Принцип такой коробки – ДВС приводит в движение масляный насос, который подает напор на гидродвигатели, соединенные с ведущими колесами. Пример подобного транспорта – некоторые модели комбайнов.

Что же касается вариаторов, то, хотя они работают по несколько схожему принципу, все же имеются существенные отличия. В конструкцию классического вариатора входит гидромуфта, раскручиваемая силовым агрегатом машины. Только передача момента на ведомый вал коробки осуществляется при помощи промежуточного элемента. Чаще всего производители таких трансмиссий используют в механизме прочный ремень. Однако встречается и цепная передача.

Передаточное число изменяется путем изменения диаметра ведущего и ведомого шкивов. Когда водитель на селекторе трансмиссии выбирает соответствующий режим езды, блок управления фиксирует данные, поступающие от колес и узлов мотора. На основании этих данных электроника в подходящий момент сдвигает стенки активных шкивов, благодаря чему их центральный диаметр увеличивается (такая особенность устройства этих деталей). Передаточное число увеличивается, и колеса начинают вращаться быстрее.

Когда включается задняя передача, механизм не работает в режиме реверса, а активирует дополнительное устройство. В большинстве случаев это планетарный редуктор.

Разгонная динамика вариатора

По сравнению с классической автоматической коробкой передач вариатор со старта будет вести себя вяло, словно водитель медленно нажимает педаль газа. Автомат же будет более резким на старте. При этом во время перехода на следующую передачу машина будет дергаться. Но если говорить о дистанции, то при одинаковых моторах и габаритах авто у вариатора больше преимуществ.

Причина в том, что при переходе с передачи на передачу автомат теряет тягу. Вариатор же во время работы меняет передаточное число плавней, благодаря чему отсутствует разрыв в передаче тяги. Мотор при этом работает на оборотах, при которых передается максимальный крутящий момент. Автомат же часто захватывает менее тяговые обороты мотора, из-за чего страдает общая динамика авто.

Вариаторы старого выпуска (до 2007, а некоторые модификации до 2010 года) изменяли передаточные числа, когда обороты мотора повышались почти до максимума. С внедрением индивидуальных блоков управления для трансмиссии этот недостаток был устранен. Новое поколение вариаторов подстраиваются под спортивный режим, и при резком нажатии на акселератор сразу переходит на изменение передаточных чисел на максимально эффективных оборотах мотора.

При этом тяга сохраняется на протяжении всего изменения передаточных чисел коробки. Или пока водитель не перестанет жать на педаль акселератора. Таким образом, на динамику автомобиля имеет непосредственное влияние сила нажатия на педаль газа.

Эмуляция ручной коробки на вариаторе

Под ручным переключением в вариаторе подразумевается установка рычага КПП для принудительного повышения/понижения передаточного числа трансмиссии. Если говорить о классических автоматах, то при перемещении ручки в сторону «+» или «-» блок управления дает команду на изменение передачи.

Так как у вариаторов нет ступенчатого перехода с передачи на передачу, то данный процесс несколько отличается. Даже если на приборной панели электроника покажет указанную водителем передачу, электронный блок управления современного вариатора все равно будет следить за тем, чтобы стрелка тахометра не заходила в красную зону (не допустит работы мотора на предельных оборотах). То же произойдет, если водитель дает команду электронике удерживать передаточное число на низких оборотах,– трансмиссия не даст мотору заглохнуть из-за критически низких оборотов.

Если говорить о динамике автомобиля, то в ручном режиме на автомате водитель сможет улучшить разгон транспорта, корректируя переход на другую передачу, но в случае с вариатором это не улучшит разгон машины. Причина в том, что «ручной режим» задействует также и менее эффективные для разгона зоны оборотов мотора.

Присутствие в современных вариаторах данной опции – просто маркетинговый ход для тех автомобилистов, которые любят «контролировать» процесс использования крутящего момента. Для максимально эффективной динамики в случае с вариатором лучше использовать автоматический режим (положение на селекторе «D»).

Особенности движения автомобиля с такой трансмиссией

Рассмотрим особенности движения автомобиля на трансмиссии вариаторного типа. Владельцу такого автомобиля необходимо помнить:

1. С вариатором не получится побуксовать на старте. Причина в том, что электроника все время контролирует максимально эффективное передаточное число в соответствии с оборотами двигателя и нагрузкой на него.
2. Вариатор поможет водителю на сколькой дороге в момент старта. За счет плавного нарастания тяги колеса не будут буксовать, если водитель не рассчитает усилия на педаль газа.
3. При выполнении обгона на машине с вариатором сильнее нажать на газ нужно будет не в момент выполнения маневра, как на механике или автомате, а непосредственно перед этим, так как трансмиссия работает с небольшой задержкой.
4. На вариаторе овладевать управляемым заносом сложнее за счет все той же «запоздалой» реакции коробки на нажатие газа. Если на механике для заноса необходимо резко нажать на газ после поворота рулевого колеса, то в случае с вариатором это нужно сделать непосредственно при повороте руля.
5. Так как трансмиссия данного типа постоянно подбирает оптимальное передаточное число в соответствии с оборотами мотора, это приводит к идеальному сочетанию между тягой и низким расходом топлива. Эта система позволяет мотору работать в таком режиме, словно машина едет по ровной трассе за городом. Если машина оснащена круиз-контролем, то экономия топлива будет более ощутимой.

Виды и принцип работы вариатора на автомобиле

Современные автомобили, оснащаемые вариатором, могут получить один из двух типов трансмиссии:

• Клиноременной;
• Тороидный.

Их отличия в особенностях конструкции, хотя принцип работы остается прежним. Рассмотрим эти типы привода по отдельности.

Клиноременный

Большинство автомобилей с вариатором получают именно такой тип КПП. Зачастую в таких трансмиссиях используется одна ременная передача (иногда встречаются модификации с двумя передачами). В таком механизме используется два шкива с клиновидными кольцами. На них надевается ремень с идентичным профилем в виде клина. Изначально производители использовали армированную резину. В современных трансмиссиях используются стальные аналоги.

Каждый шкив (расположены на ведущем и ведомом валу) имеет наклоненные наружу стенки с углом наклона относительно оси вала в 70 градусов. В процессе изменения передаточного числа стенки шкивов сдвигаются или расходятся, благодаря чему изменяется диаметр шкива. Стенки шкивов приводятся в движение за счет пружин, центробежной силы или сервоприводов.

Данная часть агрегата в клиноременных вариаторах является самой уязвимой, так как она больше всего подвергается нагрузке. По этой причине в современных трансмиссиях данного типа используются стальные конструкции с пластинами сложной формы.

Среди клиновидных приводов встречаются вариаторы, оснащенные цепью. Количество звеньев в нем большое, благодаря чему она плотно прилегает к стенкам шкива. Такой тип вариатора отличается высоким КПД по сравнению с другими аналогами, но из-за большой силы трения требуется использовать максимально прочный материал, что делает цепь для такого вариатора очень дорогой.

Тороидный

Это более сложные конструкции. Такими вариаторами чаще оснащаются заднеприводные автомобили с мощным силовым агрегатом. Для максимально эффективной передачи крутящего момента на большой скорости используется понижающий планетарный редуктор, который передает тягу напрямую. В переднеприводных машинах такой вариатор соединяется с главной передачей и дифференциалом.

В конструкции тороидного вариатора тоже имеется два диска, только их оси совпадают. В разрезе эти диски выглядят в форме равнобедренных треугольников (имеют сферическую форму). Между боковыми частями этих дисков устанавливаются ролики, которые изменяют свое положение за счет сжатия рабочих дисков.

Когда ведущий диск сильнее прижимает ролик к ведомому, передается больший крутящий момент, и ведомый диск вращается быстрее. Когда усилие снижается, ведомый диск вращается медленнее.

Виды клиноременных вариаторов

После появления трансмиссии вариаторного типа начали вести разработки в области повышения ее эффективности. Благодаря этому сегодня автовладельцам предлагается самая ходовая модификация, которая показала себя максимально эффективной среди аналогов – клиноременные вариаторы.

Такую модификацию коробок передач каждый производитель называет по-своему. Например, в Ford стоит Transmatic, Ecotronic или Durashift. Аналогичной трансмиссией, только под названием Multidrive оснащает свои авто концерн Toyota. На машинах Nissan тоже стоит клиноременной вариатор, но название ему – Xtronic или Hyper. Аналог всем упомянутым вариаторам является Autotronic, который стоит во многих моделях Mercedes.

В таких вариаторах основные элементы остаются идентичными, только принцип сцепления мотора и главной передачи немного отличается. В большинстве бюджетных моделей используются такие вариаторы, как Xtronic, Multidrive и другие. В основе таких модификаций стоит гидротрансформатор.

Существуют более дорогие варианты:

• Электронное сцепление на основе электромагнитного воздействия механизмов. Такие вариаторы называются Hyper;
• Еще один вариант автоматического сцепления – Transmatic. В нем используется центробежная сила гидравлической жидкости;
• Если в названии трансмиссии стоит приставка Multi, то часто в таких модификациях используется несколько дисков сцепления мокрого типа.

Когда приобретается новый автомобиль, и в его технической документации указывается, что трансмиссия CVT, это не всегда означает наличие гидротрансформатора. Но в большинстве случаев коробка будет оснащена именно этим механизмом.

Преимущества и недостатки CVT

У каждого типа трансмиссий есть свои приверженцы, поэтому в большинстве случаев, по мнению одного какая-то функция считается достоинством, а другого – наоборот недостатком. Если рассматривать надежность, то вариаторная коробка не нуждается в каком-то особенном обслуживании – просто вовремя менять масло и эксплуатировать в соответствии с рекомендациями производителя.

Вот еще некоторые достоинства:

• Транспорт имеет плавную динамику при изменении передаточных чисел, что делает управление им максимально комфортным;
• Чтобы быстро набрать скорость, достаточно просто утопить педаль газа;
• Водитель не мешкает, переключая скорости – особенно удобная функция для начинающих;
• При исправном механизме он будет работать бесшумно;
• Отбор мощности мотора находится в оптимальном диапазоне, что не дает мотору перегружаться или выходить на максимальные обороты;
• Если на механике переключить повышенную передачу рано, мотор испытывает увеличенную нагрузку. Чтобы компенсировать ее, дроссельная заслонка открывается сильнее, и в цилиндры поступает больше топлива, однако в таком режиме оно сгорает не так эффективно. Из-за этого в выхлопную систему попадает больше несгоревших веществ. Если в машине имеется катализатор, то остатки догорят в нем, что заметно сократит рабочий ресурс детали.

У автомобилей, оснащенных вариатором, имеется и несколько существенных недостатков:

• При пробуксовке колес коробка может неправильно распределять нагрузки. Например, такое часто происходит на гололеде;
• Не любит высокие обороты, поэтому водитель должен быть внимательным, в какой момент трансмиссия уже не повышает передаточное число;
• Естественный износ активных шкивов;
• Регламент замены смазки в механизме строго ограничен – в зависимости от рекомендаций производителя этот период может быть 20 тысяч, а может быть и 30 000 км.;
• Вариатор легче сломать, чем механическую коробку;
• Очень дорогая в ремонте из-за того, что правильно работу сможет выполнить только специалист, который возьмет приличную плату за свои услуги.

Основные неисправности

Поломка вариаторной коробки – настоящая проблема для автомобилиста. Однако при должном следовании рекомендаций завода-изготовителя она работает достаточно стабильно. Вот что в ней может выйти из строя:

• Связующее тело, через которое передается усилия от ведущего на ведомый шкив. В одних случаях это ремень, а в других – цепь;
• Нарушение работы электроники – потеря контакта, выход из строя датчиков;
• Механические поломки гидромуфты;
• Выход из строя элементов селектора;
• Поломка редукционного клапана маслонасоса;
• Ошибки в блоке управления. Эта проблема легко определяется в результате полной диагностики автомобиля на стенде.

Что касается электроники, то компьютер сразу покажет, в чем неисправность. А вот с механическими поломками диагностика усложняется. Вот что может указать на проблемы с вариатором:

• Нестабильное движение автомобиля, сопровождающееся рывками;
• При выборе нейтральной скорости машина продолжает двигаться;
• Затрудненное или невозможное ручное переключение скоростей (если такая опция присутствует в трансмиссии).

Причины поломки вариатора

Любой механизм рано или поздно выходит из строя из-за естественного износа его деталей. То же касается и вариатора. Хотя этот тип коробки считается довольно выносливым, все же автомобилисты сталкиваются с ее неисправностями.

Ключевой фактор, влияющий на срок службы агрегата, является своевременное обслуживание трансмиссии. Регламент планового ТО указывает производитель транспортного средства. Также необходимо учитывать рекомендации по эксплуатации такого типа трансмиссии. В список корректного обслуживания вариатора входит:

• Своевременная замена трансмиссионного масла и всех расходных материалов КПП;
• Своевременный ремонт или замена вышедших из строя деталей коробки;
• Корректный стиль вождения (на вариаторе не рекомендуется использовать дрифт, спортивную езду с частыми разгонами и резкими остановками, динамическая езда на непрогретой коробке).

Другими причинами поломок вариатора являются естественный износ или брак во время производства деталей или всего агрегата. Второе встречается очень редко, и это больше касается бюджетных моделей авто.

Чаще всего вариатор выходит из строя из-за использования плохого масла. В работе такой трансмиссии ключевая роль возложена на качество смазки, поэтому автовладельцу нужно серьезно относиться к регламенту замены трансмиссионной жидкости.

Если в машине установлен вариатор старого образца, то зачастую масло в нем нужно менять через каждые 30-50 тысяч километров пробега. Если в транспортном средстве используется более современная трансмиссия, то замена масла может потребоваться через 60-80 тысяч км. Причем на этот интервал влияет именно пробег, а не моточасы, как в случае с двигателями внутреннего сгорания.

Эксплуатация вариатора

Коробка CVT капризная, но если к ней приспособиться, она будет долго служить. Вот что нужно знать автомобилисту, транспортное средство которого передвигается за счет подобной трансмиссии:

• Коробка не любит агрессивную езду. Скорее для нее подходит «пенсионерский» стиль или размеренное движение с умеренным ускорением;
• Трансмиссия данного типа не выдерживает высоких оборотов, поэтому если у водителя есть привычка «притопить» по трассе на длинной дистанции, лучше остановиться на механике. По крайней мере, ее дешевле ремонтировать;
• На вариаторе нельзя резко стартовать и позволять, чтобы ведущие колеса буксовали;
• Такая трансмиссия не приспособлена для хозяйственного автомобиля, который часто перевозит тяжелый груз или буксирует прицеп.

Когда авто с cvt попадает в грязь и застряет, не стоит пытаться выехать самостоятельно. Лучше воспользоваться помощью посторонних, так как в этом случае невозможно избежать пробуксовки колес.

Что лучше: вариатор или автомат?

Если сравнивать эти два типа коробок, то сразу стоит обратить внимание на то, что автоматический аналог присутствует на рынке намного больше, чем вариатор. По этой причине уже достаточное количество механиков разбирается в устройстве и тонкостях работы акпп. А вот с вариаторами дело обстоит значительно хуже – настоящего специалиста найти гораздо сложнее.

Вот еще некоторые достоинства у автоматической трансмиссии:

• Устроена она проще, чем cvt, а в автомагазинах предостаточно запчастей на нее;
• Что касается вождения, то коробка работает по принципу механики – передачи четкие, но отвечает за их переключение ЭБУ;
• Рабочая жидкость для автомата дешевле, чем для вариатора. Можно даже сэкономить, купив более дешевый вариант, так как на рынке присутствует большое разнообразие масел для автоматов;
• Электроника подбирает оптимальный показатель оборотов, на котором можно переключать повышенную передачу;
• Ломается автомат реже вариатора, особенно что касается сбоев электроники. Это обусловлено тем, что блок управления контролирует лишь четверть работы трансмиссии. Все остальное выполняет механика;
• У автомата намного больший рабочий ресурс. Если водитель аккуратно эксплуатирует узел (своевременно меняет масло и избегает постоянного агрессивного вождения), то механизм прослужит не менее 400 тысяч, и не будет нуждаться в капитальном ремонте.

Однако, несмотря на достоинства, у автомата есть и несколько ощутимых недостатков:

• Эффективность трансмиссии ниже, так как большая часть крутящего момента уходит на раскручивание гидротрансформатора;
• Переключение скоростей не такое плавное – водитель все равно ощущает, когда машина перешла на другую передачу;
• Разгон автомобиля не имеет настолько качественный показатель, как у вариатора – там скорость плавно набирается;
• У автоматов самая большая емкость для масла. Обычная механика требует около трех литров смазки, вариатор – до восьми, а вот автомат – около 10л.

Если объективно сравнивать, то эти недостатки с лихвой покрываются выносливостью и надежностью подобных агрегатов. Однако все зависит от того, что от своего автомобиля ожидает его владелец.

Итак, автомобиль, оснащенный коробкой вариатор, предназначен для спокойного городского передвижения. С такой трансмиссией водитель сможет почувствовать себя за рулем сухопутной яхты, чем пилотом спорткара.

Почему вариаторы вытесняют «автоматы? Устройство трансмиссии, её плюсы и минусы

Отношение автомобилистов к вариаторам неоднозначное. Одни считают их прогрессивным вариантом автоматической коробки передач, а другие стараются избегать такой трансмиссии любыми способами. У каждого есть свои аргументы, в которых мы разберёмся подробнее. Рассказываем, что такое вариатор в автомобиле, в чём его плюсы и минусы.

История бесступенчатой трансмиссии

Изобретателем вариатора считается Леонардо да Винчи. В его чертежах были найдены похожие механизмы, хотя долгое время им не могли найти практическое применение. Ситуация изменилась с появлением больших фабрик. В конце XIX века были запатентованы несколько конструкций вариаторов, которые использовались в металло- и деревообрабатывающих станках. Но даже в этой сфере они оставались редкостью — не существовало достаточно прочных материалов, способных обеспечить надёжность узла.

Коробка-вариатор в машинах появилась ещё в начале XX века. Эксперименты по использованию такой трансмиссии начались в 1910-х годах, но опытные образцы получались слишком ненадёжными и неэффективными. Первым серийным автомобилем с вариатором стала мелкосерийная модификация британского Austin 7, которая также собрала множество негативных отзывов.

К идее бесступенчатой трансмиссии вернулись в 1950-х годах. Итальянские, японские и корейские компании начали массовый выпуск мопедов и скутеров с вариатором. Практика показала, что при малых нагрузках коробка передач проходила десятки тысяч километров без существенных поломок. Идея автомобиля с вариатором витала в воздухе и за её реализацию взялась голландская компания DAF. Первая крупносерийная машина с бесступенчатой трансмиссией выпускалась с 1959 по 1963 год. Всего с конвейера сошли более 30 тысяч компактных седанов.

Вариаторы компании DAF были надёжнее довоенных экземпляров, и всё же они уступали привычным механическим и автоматическим коробкам передач. Ситуация изменилась лишь в середине 1980-х годов, когда появились сверхпрочные стали и лёгкие сплавы, а также электронные станки для прецизионной обработки этих металлов.

Компании Honda и Nissan начали эксперименты по замене гидромеханических коробок передач вариаторами. Чуть позже к ним подключились Audi, Toyota и Subaru. Бесступенчатую трансмиссию также можно встретить в автомобилях Jeep, Chevrolet, Fiat, Suzuki и других. Её доля на рынке постепенно растёт. Но говорить о настоящей революции, способной положить конец господству «автоматов», пока рано. Причины тому кроются в принципе действия коробки передач.

Как устроен вариатор?

Выше мы уже говорили о том, что существует несколько вариантов бесступенчатой трансмиссии. Лучшим вариатором для автомобиля считается клиноременной. В нём есть два конических шкива, которые установлены параллельно и направлены узкими сторонами друг к другу. Один соединён с двигателем, а второй передаёт крутящий момент на колёса машины. Между ними перекинут приводной ремень, который и отвечает за работу трансмиссии.

Шкивы могут смещаться друг относительно друга гидравлическим приводом. В современных вариаторах он управляется электроникой, которая выбирает нужный режим работы в зависимости от дорожной обстановки. При этом ремень скользит по конической поверхности, переходя на тот или иной диаметр. Если выбрать малый радиус на ведущем шкиве и большой — на ведомом, мы получим понижающую передачу, если наоборот — повышающую.

Такой принцип работы вариатора на автомобиле позволяет бесступенчато изменять передаточное число. Причём теоретический максимум достигает впечатляющих 12:1, тогда как у механических и автоматических коробок передач он ограничивается на уровне 9–10:1. Считается, что это самый эффективный и прогрессивный вариант трансмиссии на сегодняшний день.

К сожалению, работа вариатора в автомобиле не безупречна. Слабым звеном коробки передач становится приводной ремень, который быстро изнашивается при высоких нагрузках. Кроме того, бесступенчатой трансмиссии требуется особое масло — оно должно замедлять износ трущихся пар, но обеспечивать при этом должное сцепление ремня со шкивами. Для решения проблемы Audi и Subaru перешли на металлическую цепь. Интересно, что в вариаторах Multitronic и Lineatronic со шкивами соприкасаются оси звеньев, а не боковые поверхности. Такое решение улучшает сцепление, хотя и увеличивает нагрузки в пятне контакта.

Ближе к идеалу

Столкнувшись с конструктивными недостатками бесступенчатой трансмиссии, некоторые производители отказались от неё на 10–20 лет. Но с появлением новых технологий эксперименты продолжились. Всё началось с гидротрансформатора — как и в «автоматах», здесь он разрывает поток крутящего момента при торможении и плавно наращивает мощность во время старта. Для уменьшения нагрузок на вариатор инженеры создали алгоритм принудительной блокировки гидротрансформатора. Сейчас этот узел жёстко фиксируется при выходе на равномерный режим движения.

Японские компании Aisin и Jatco также предложили альтернативный принцип действия вариатора на автомобиле. Они ввели в него механическую «первую передачу». Во время старта шкивы такой бесступенчатой трансмиссии блокируются при помощи шестерни с фиксированным передаточным отношением. По мере роста скорости происходит расцепление, и работа перекладывается на ремень. Это также замедляет износ узла.

Водители также жаловались на шумность ранних вариаторов. Дело в том, что эти коробки передач выбирали оптимальные обороты двигателя и далее меняли только передаточное отношение шкивов. В результате равномерный гул мотора быстро надоедал присутствующим в салоне, вызывая ощущение усталости и раздражения. Чтобы справиться с таким недостатком, инженеры предложили «виртуальные передачи». Это фиксированные положения ремня на шкивах, которые допускают некоторое изменение оборотов двигателя. В некоторых автомобилях предусмотрено даже ручное переключение между такими режимами работы.

Негативные отзывы также касались «скучного» поведения машин, в которых установлен вариатор. Решение также нашлось в электронном управлении. Программисты предложили водителям «спортивные» и «экономичные» режимы, которые изменяли диапазон допустимых оборотов двигателя. С появлением вариаторов в кроссоверах также началась разработка «грунтовых» и «снежных» программ, повышающих проходимость и замедляющих износ трансмиссии.

Альтернативный вариант

В некоторых автомобилях вариатор работает по другому принципу. В тороидальной трансмиссии нет ремня. Её основа — два конических шкива, которые устанавливаются на одной оси на расстоянии в пару сантиметров или даже миллиметров друг от друга. Они соединены роликами, вращающимися в вертикальной плоскости и поворачивающимися в горизонтальной.

Когда ролики смещаются вперёд, они соприкасаются с большим диаметром ведущего шкива и меньшим диаметром ведомого, позволяя получить понижающую передачу. Повернув их назад, можно получить повышающую передачу. Теоретически, такая конструкция должна была быть меньше, легче, прочнее и надёжнее клиноременных и цепных вариаторов. Но эксперименты компаний Mazda, Ford, Nissan, Jatco и Torotrak показали, что тороидальная трансмиссия оказалась очень дорогой в производстве и обслуживании. Из-за чрезмерно высокого трения в пятне контакта ей требовались сверхпрочные сплавы и масла, рассчитанные на работу при экстремально высоких температурах.

Преимущества вариаторов

Главным плюсом для большинства производителей стала простота бесступенчатой трансмиссии по сравнению с традиционными гидромеханическими «автоматами». Такая коробка передач дешевле, что позволяет сделать машину массовой и доступной.

Ещё одна причина массового распространения вариаторов в автомобилях — высокий коэффициент полезного действия при размеренном движении. Электроника и гидравлика бесступенчатой трансмиссии выбирают такое передаточное число, при котором расход топлива сводится к минимуму. В отличие от «механики» и «автомата» его можно менять плавно, удерживая динамические характеристики максимально близко к идеалу. В результате автомобиль становится экономичным и экологическим безопасным.

Именно эти причины стали причиной постепенного отказа от гидромеханических коробок передач — простота, дешевизна, экономичность и экологичность вариаторов.

Но бесступенчатая трансмиссия даёт преимущества не только для производителей. Водители также получают множество плюсов:

1. Плавный старт без рывков, вибраций и ударов.
2. Низкую нагрузку на двигатель благодаря работе в оптимальном диапазоне оборотов.
3. Меньший вес автомобиля, который улучшает разгон и снижает расход топлива.
4. Большее пространство в салоне — вариатор занимает меньше места по сравнению с «автоматом».
5. Сниженный уровень шума и вибрации.
6. Быстрый подбор нужного передаточного числа, отсутствие разрывов при передаче крутящего момента колёсам.

Недостатки вариаторов

Законы физики неумолимы. Поэтому даже самые совершенные конструкции изнашиваются, ломаются и досаждают мелкими проблемами. Зная, чем отличается вариатор в автомобиле от «автомата», можно выделить следующие минусы:

1. Чувствительность к нагрузкам и температуре. Классическая бесступенчатая трансмиссия боится долгой езды при малой и высокой скорости, поэтому инженеры придумывают блокировку гидротрансформатора и жёсткое сцепление шкивов шестернёй. Такая проблема существует и в новейших коробках передач, поэтому водителям стоит избегать динамичной езды и движения «в натяг».
2. Машину на вариаторе нельзя буксировать. Исключение — модели, в которых предусмотрен аварийный режим, расцепляющий двигатель и трансмиссию. При попытке оттянуть автомобиль к месту ремонта ведомый вал будет вращаться, а ведущий останется заблокированным. Это приведёт к быстрому износу ремня и шкивов.
3. Быстрый износ при пробуксовках, резких рывках и ударных нагрузках. Из-за этого нежелательно буксировать на вариаторе другую машину, выезжать на бездорожье и тянуть тяжёлый прицеп. Кроме того, поломка может настигнуть вас после удара колёсами о лежащий в луже кирпич или после неудачной попытки взобраться на бордюр.
4. Требовательность к обслуживанию. Вариатор желательно обслуживать чаще, чем гидромеханическую коробку передач — менять масло и фильтры, а также чистить магниты для сбора стружки каждые 25–30 тысяч километров. Некоторые производители указывают межсервисный интервал в 50–75 тысяч километров пробега, но такие оценки оказываются слишком смелыми. Если вы хотите, чтобы коробка передач служила долго и не огорчала вас поломками, придерживайтесь первой цифры.
5. Меньший опыт эксплуатации. Вариаторы используются сравнительно недолго — с 1980-х годов, тогда как гидромеханические «автоматы» появились ещё в 1930-х. Из-за этого некоторые из них страдают врождёнными дефектами — перегревом электронного блока, засорением клапанов гидравлики и так далее. В новых машинах таких поломок становится всё меньше, но они встречаются и по сей день.

Как продлить срок службы вариатора?

Бесступенчатая трансмиссия — это хорошая альтернатива гидромеханической коробке передач для тех, кто предпочитает размеренную езду. Чтобы увеличить её ресурс, нужно соблюдать простые требования:

• плавно трогаться с места и отказаться от резких манёвров;
• при поездках на большие расстояния периодическим менять режим движения — иногда сбавлять скорость;
• отказаться от выезда на бездорожье даже если вариатор установлен на кроссовере с полным приводом и высоким клиренсом;
• своевременно менять масло и выбирать оригинальные расходные материалы, рекомендованные производителем;
• при каждом визите на сервис проверять систему охлаждения трансмиссии и чистить её при необходимости;
• при необходимости перемещать автомобиль с вариатором на эвакуаторе и отказаться от буксировки других машин;
• при остановках дольше 2 минут переводить селектор управления трансмиссией в положение P или N. При коротких паузах делать этого не стоит.

Чтобы проверить вариатор при покупке подержанного автомобиля, нужно устроить тест-драйв. Признаками неисправности будут вой или скрежет при движении, запоздалая реакция на нажатие педали газа и слабая динамика ускорения.

Этот страшный вариатор – мифы и правда о бесступенчатых коробках

«Слушай, а не страшно брать, с вариатором-то?» – все время спрашивают те, кто собрались покупать подержанный Nissan Qashqai или, скажем, Audi A5. Бесступенчатых трансмиссий боятся… Справедливо ли? Все зависит от конкретного типа коробки – «вариантов вариатора» очень много.

История часто несправедлива в отношении вариатора. То это перспективная трансмиссия, то символ дешевой и неудачной автоматической КПП. После выпуска первых легковушек DAF 600 с вариатором и попыток применения аналогичных конструкций с ремнями на машинах Вольво прошло уже более тридцати лет, и изящная идея все еще пытается обрести столь же изящное техническое воплощение.

За прошедшие годы вариаторы из экзотики превратились во вполне себе обычный тип «автомата», особенно на японских машинах, успев пережить несколько кризисов, набирая и теряя баллы репутации и претерпев несколько крайне значительных изменений конструкции. Причем сейчас в серийном производстве присутствуют все они вместе взятые. Обычно вопрос «что выбрать» не стоит выбора типов трансмиссий на одной модели машины нет, максимум можно выбирать между механической КПП и вариатором (редкие исключения только подтверждают правило), но этот материал будет полезен для понимания того, с чем придется столкнуться в процессе эксплуатации.

Принципиальная конструкция

Напомню, что суть вариаторной трансмиссии довольно проста. Передаточное отношение меняется в определенном диапазоне плавно, без ступеней, при этом обороты мотора могут находиться в оптимальной зоне для данного режима движения, что повышает экономичность и улучшает тяговые возможности машины. Это в теории.

На практике же различные конструктивные исполнения могут иметь множество недостатков, порой перечеркивающих их достоинства. Есть несколько способов передавать крутящий момент, плавно меняя передаточное отношение. Самый простой и очевидный способ – это передача момента ремнем через шкивы, диаметры которых постоянно изменяются. Конструкции такого рода были известны с древности – обычный кожаный ремень мог двигаться по коническому шкиву, удерживаемый от сползания роликом натяжения.

Диаметр второго шкива при этом оставался неизменным или же, как и в современных конструкциях, шкивы были сложными и составными, а ремень просто зажимался с боков – с одной стороны пружиной внутри шкива, обеспечивающей натяжение, а на другой шкив мог регулироваться. Последняя конструкция ближе всего к существующим поныне автоматическим трансмиссиям.

Старинный вариант

Предприятие братьев Ван Дорн, входившее в промышленную империю DAF, использовало простую схему с тянущим мягким ремнем – но уже не кожаным, а металлокордным – для своих легковушек. После покупки DAF компанией Volvo схему попытались применить на более крупной машине – Volvo 340, но не очень удачно. Трансмиссия получилась очень большой, заняв много места в багажнике, – у машины была схема трансэксл, когда двигатель расположен спереди, а КПП – на заднем мосту. Открыто расположенные шкивы загрязнялись, а ремни пробуксовывали, растягивались и горели. Опыт был признан неудачным.

Впрочем, сама конструкция не исчезла. Не пригодившись на автомобилях, она завоевала себе место под капотом мотороллеров и снегоходов, вполне соответствуя применению этих транспортных средств. С меньшим крутящим моментом она прекрасно справлялась, недорогой тянущий ремень можно было менять раз в сезон, а то и чаще, эта простая операция не требовала серьезных затрат, а малая масса и простота обеспечила самое широкое распространение. В общем, обычная схема с тянущим ремнем жива и поныне. Причем чувствует она себя очень уверенно, ни о какой замене на сложные наборные ремни или цепи речи даже не идет.

Варьируем материал ремня

Вариаторы, столь успешно прижившиеся в мототехнике, на машинах долгие годы не применялись, но простота и удобство схемы не давали конструкторам покоя. Основные проблемы были уже давно выявлены – при хорошем динамическом диапазоне такой АКПП ей все же очень мешали снижение КПД при крайних передаточных отношениях (когда разница между диаметрами ведущего и ведомого шкивов становилась слишком большой) и большая нагрузка на ремень при этом.

Сильно улучшило позиции вариатора изобретение компанией братьев Ван Дорн наборного стального ремня. Конструкция его состояла из нескольких несущих стальных лент-ремней и перпендикулярно нанизанных на них стальных пластин сложной формы, позволяющей передавать вращение со шкивов.

Для трогания с места предусматривалось обычное фрикционное сцепление (как на «механике»), а для расширения динамического диапазона и заднего хода еще и планетарная передача, знакомая по классическим АКПП. Поначалу вариаторы оснащались еще и повышающими редукторами для снижения передаваемого момента, но серийные конструкции были устроены уже немного проще.

Ресурс таких конструкций возрос до вполне приемлемых 80-120 тысяч километров пробега, но недостатков хватало. И в первую очередь не хватало надежности в работе. Особого распространения схема не получила, так как дальнейшее небольшое усовершенствование схемы работы ремня значительно улучшило характеристики трансмиссии.

Основные недостатки касались вибраций и (все еще) крайних передаточных отношений. При минимальном диаметре одного из шкивов ремень на нем сильно изгибался и к тому же пробуксовывал из-за недостаточной площади соприкосновения. Любые рывки тяги провоцировали пробуксовку еще сильнее. Пробуксовка быстро изнашивала ремень и шкивы. Возникающие при пробуксовке вибрации попутно вредили трансмиссии и снижали комфорт. В результате даже такая усовершенствованная конструкция применялась только на малолитражных машинах. Наиболее популярная из них – это Nissan Micra K11, дебютировавшая в 1992 году.

На фото: Nissan Micra K11

Тянущий вариант и гидротрансформатор

Исправить ситуацию помог гидротрансформатор вместо фрикционного сцепления и изменение схемы работы ремня. «Бублик», который был задействован при трогании машины, позволял избежать рывков тяги, а заодно и облегчить старт. А значит, можно было ограничиться меньшим передаточным отношением при трогании и заодно снизить вероятность пробуксовки из-за смягчения рывков ГТД.

Второе важное новшество – применение так называемого «толкающего ремня». В этом случае крутящий момент передавался не на той ветви ремня, что тянул ведущий шкив, а на той, что он толкал. Стальные бандажи, основа ремня, не испытывали больше нагрузки на растяжение, а все усилие передавалось через пакет пластин.

Это нововведение уменьшило износ ремня и улучшило условия его работы. А все вместе позволило применять вариатор на весьма мощных моторах. Изначально моторы 1,6 литра были пределом, но сейчас аналогичные конструкции применяют уже и на моторах 2,5, а то и 3,5 литра. Например, так устроены самые распространенные конструкции вариаторов Jatco, применяемые на многих японских машинах, например, бестселлерах Nissan Qashqai и X-Trail, а за ними – Renault Megane и Fluence, Mitsubishi Outlander и ASX…

На фото: вариатор Jatco jf011e

Путь от первых конструкций, на первый взгляд, не так уж велик… Но на деле в эти годы шла долгая кропотливая работа по улучшению вариатора такой схемы, позволившая сделать его весьма надежным, простым в эксплуатации и ремонте, сохранив при этом относительно недорогую конструкцию.

Вариации на тему

Схема с толкающим ремнем на слабых моторах может применяться и без ГТД, что демонстрируют вполне неплохие конструкции на некоторых китайских машинах. Простого сцепления хватает для обеспечения нужных характеристик, пусть и машины с упрощенными трансмиссиями едут уже не столь хорошо. Зато цена совсем невелика, а конструкция даже проще, чем у иной «механики». Собственно, один из первых удачных вариаторов с толкающих ремнем на Subaru Justy был устроен именно так.

На фото: Subaru Justy

Вариант с цепью

Использовать вместо ремня цепь кажется очень разумной затеей. Благо вариант это проверенный, роликовая цепь давно заменила ременную передачу там, где возможностей ремня уже не хватало, в тех же мотоциклах или промышленных передачах. Вот и в вариаторах цепь пришла на смену ремню, когда показалось, что тянущий ремень уже не справляется.

Разумеется, у вариаторов нет зубцов для зацепления, так что мощная пластинчатая цепь просто зажимается с боков шкивами. Серьезными преимуществами являются меньший возможный радиус закругления и большая прочность на сжатие. Да и растяжение цепи зависит в основном от износа в ее подшипниках, а значит, теоретически есть возможность сделать ее очень ресурсной, ограниченной только по износу контактных площадок.

В результате вариатор с цепью может быть заметно прочнее, меньше боится пиковых нагрузок и позволяет расширить динамический диапазон трансмиссии. Есть и экспериментальные конструкции, где один из шкивов зубчатый, а натяжение обеспечивается дополнительным роликом, но в серийном производстве пока господствует более компактная схема с двумя подвижными шкивами и передачей момента простым фрикционным зацеплением.

Конструкция с тянущей цепью была успешно реализована компанией Volkswagen в сотрудничестве с LuK для машин с продольным расположением двигателя в конце девяностых годов и применяется вплоть до сегодняшнего дня. Речь идет о вариаторах Multitronic – они выдерживают крутящий момент до 310 Нм. Применение цепи позволило заметно поднять передаваемый момент, а все недостатки трансмиссии оказались конструктивными и мало связанными с самой схемой.

Разве что ресурс цепи получился сравнительно невелик, около 100 тысяч километров пробега, но с учетом относительно небольшой ее цены и простоты замены это можно считать вполне успешным результатом. Помощь в разработке цепи и шкивов оказывала компания LuK, она же предложила свои услуги компании Subaru, когда та решила создать свой клиноцепной вариатор Lineatronic.

Результат впечатляет, новая трансмиссия «переваривает» момент двухлитрового турбомотора и при этом умеет быть экономичной и спортивной одновременно. Без ГТД и тут не обошлось. Для Субару это не первый опыт работы с вариаторами, они были одними из пионеров внедрения вариаторов с толкающим ремнем, выпустив в 1984 году свой вариант ECVT для модели Justy, но от дальнейших разработок отказались, хотя первый опыт и был весьма успешным.

Вариации в форме тора

Европейские производители пошли по пути роботизации вальных КПП (Volkswagen DSG, Ford PowerShift и т.п.), а японские компании, объединив усилия, продолжают работу над вариаторами. Следующим шагом в развитии стал отказ от ремня и цепи при передаче крутящего момента в пользу трения шкивов.

Подобные конструкции применялись и ранее, но фрикционная передача с коническими валами и промежуточным роликом слишком громоздка для применения в автомобиле. Но на помощь пришла схема с тороидальными поверхностями, так называемый «тороидальный вариатор». В этом случае вращение передается с ведущего тороидального конуса на ведомый с помощью промежуточного ролика.

Хитрость конструкции в том, что расстояние между точками на прямой, пересекающей оси вращения промежуточного ролика и тороидальных поверхностей, всегда одинаковое. А значит, не нужна цепь – один ролик вращается, одним краем касаясь малого радиуса конуса, а другой – большого, обеспечивая изменение передаточного отношения. Нет ни цепи, ни ремня, при этом размер точки контакта невелик, но постоянен, контактные поверхности можно изготовить из твердых материалов, а роликов использовать несколько – для увеличения площади контакта.

На практике такую технологию применял только Nissan на своих вариаторах Extroid, ставившихся на ряд мощных моделей вроде не особо распространенных у нас на рынке Cedric и Skyline. На этом пока что все закончилось.

Тороидальные вариаторы выглядят сложнее традиционных – приходится использовать две последовательных передачи для обеспечения нужного динамического диапазона. Проблема в том, что из-за необходимости применять очень дорогой и износостойкий материал для роликов, трансмиссия оказалась дорогой, сопоставимой по цене с традиционными АКПП с «бубликом» и планетарными редукторами.

Впрочем, прогресс не стоит на месте, и очень возможно, что у перспективного Extroid появятся более доступные наследники.

На фото: вариатор Nissan Extroid

Варианты без трения

Сейчас все серийные конструкции вариаторов передают крутящий момент за счет трения в зоне контакта цепи, ремня или роликов, но уже существуют наработки, позволяющие отказаться от передачи трением и воспользоваться возможностями зубчатого зацепления, а значит, повысить КПД и уменьшить износ рабочих элементов конструкции. Причем они есть как для конструкций с цепью, так и для тороидальных вариаторов.

Особый профиль зубьев позволит уменьшить давление в точке зацепления и при этом иметь возможность так же плавно менять передаточное отношение. Вариаторы с цепью и дополнительным натяжным роликом уже сейчас могут обеспечить отсутствие проблем с КПД у передачи в одном из крайних положений валов, но этого недостаточно, чтобы получить преимущество перед более компактными схемами с двумя раздвижными шкивами. До практического применения этой схемы, впрочем, дело пока что не дошло – только до опытных моделей и теоретических изысканий.

В частности, в прошлом году патент на зубчатый вариатор с постоянным зацеплением оформил профессор К.С. Иванов из Казахского института механики и машиностроения. Возможно, именно этот вариант и есть будущее бесступенчатых трансмиссий.

Источник https://avtotachki.com/kak-eto-ustroeno-korobka-variator/

Источник https://www.rolf.ru/blog/variator_na_avtomobile__chto_eto__kak_rabotaet_i_chem_otlichaetsya_ot_avtomata/

Источник https://www.kolesa.ru/article/jetot-strashnyj-variator-mify-i-pravda-o-besstupenchatyh-korobkah-2015-07-09