Как работает вариатор
Стандартная коробка с передачами работает за счет шестеренок, которые изменяют и передают движения от двигателя к колесам. Из-за этого при переключении передачи водитель авто отчетливо чувствует толчки. Особенно это заметно при сильном ускорении. Вариатор же не имеет четко установленного количества передач, а значит и принцип работы у него другой. Самым распространенным является вид, работающий на системе шкивов, такое устройство имеет великое множество передач.
Если брать в общем, то любой вариатор работает по принципу рычагов. Для того чтоб лучше понять как это происходит, давайте представим себе два вала с конусообразными наконечниками, имеющие разное направление. Дальше валы соединяем ремнем или цепью, и поместим их так, чтобы была возможность их перемещения по оси, а связующий ремень должен оставаться в одной плоскости. Получившуюся конструкцию вполне можно считать простейшим вариатором, при этом один будет ведущим, а второй ведомым.
Смещая ведомый вал чуть назад, можно добиться уменьшения изгиба соединительного ремня благодаря наконечнику конусообразной формы, если же сместить ведущий, то наоборот только увеличим его, но уже вокруг другого вала. Проделав эти не сложные эксперименты, мы увидим, что при таком стечении обстоятельств ведущему валу нужно сделать всего два оборота, чтоб ведомый сделал десять. Из этого следует, что машина будет ехать достаточно быстро при одинаковом числе оборотов.
Если же сместить их вперед, то ведущий прокрутится десять раз, а ведомый только два. Это позволит транспортному средству преодолеть более сложные нагрузки.
Работа вариатора практически невозможна без бортового компьютера, который будет регулировать перемещения шкивов при изменении нагрузок на двигатель.
Пару слов — про масло и фильтра
Не могу промолчать и не высказаться про этот пункт подробнее
Масло в CVT также является очень важной составляющей в работе всего устройства в целом, как собственно и масляный фильтр. Многие производители, официальные дилеры могут вас заверять, что оно здесь залито на весь срок службы. ЭТО КРАЙНЕ НЕ ВЕРНО!
ЭТО КРАЙНЕ НЕ ВЕРНО!
Масло и фильтр являются расходными материалами и многие производители говорят что нужно менять их раз в 60 000 км, а в сложных условиях (коими являются наши Российские реалии – морозы, снег, жара, дожди, грязь и пробки в мегаполисах) стоит менять еще чаще, лично я бы советовал через 40 000 км.
ЧТО БУДЕТ ЕСЛИ НЕ СМЕНИТЬ? Масло изнашивается и зачастую пригорает (от большого пробега), образуя внутри отложения, которые могут забивать различные каналы и фильтра. Основной фильтр также может забиваться отложениями, металлической пылью и прочими «продуктами работы». В итоге падает давление от масляного насоса до магистралей гидроблока и собственно самих конусов, которые сводятся на валах. Вариатор начинает буксовать, пинаться, или даже может встать в аварийный режим.
Если будете проводить интервал замены раз в 40 – 50 000 км, не перегревать «коробку» проходить может очень долго.
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 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.
Плюсы и минусы вариатора
Поклонники вариаторной коробки передач ценят ее за такие преимущества:
- Простота. Конструкция CVT проста, как всё гениальное. После современных АКПП и роботизированных DSG коробок, это просто находка для любителей простых решений;
- Плавный старт. Тронуться с места будет легко даже новичку, в отличие от других типов трансмиссии;
- Отсутствие передач. Без использования ступенчатого механизма изменение передач происходит без рывков;
- Оптимальная динамика разгона. Автомобиль с вариатором намного проще набирает скорость, в отличие от АКПП и МКПП;
- Поддержание скорости движения на разных типах местности. Например, автомобиль не снизит скорость при подъеме в горку. Сохранение скорости движения происходит за счет плавного повышения или понижения передачи;
- Вариатор не замерзает. Значит, легче будет запустить его зимой, когда автомобиль ночевал на морозе под открытым небом. Он тоже требует прогрева, как и другие КПП, просто времени это занимает меньше;
- Экономия топлива. Это то, ради чего вообще создавалась вариаторная трансмиссия – экономия ресурсов, в том числе уменьшение токсичных выбросов;
- Невысокая цена по сравнению с современными АКПП и DSG.
Недостатки у вариатора тоже есть, поскольку этот вид трансмиссии находится еще в самом начале своего развития. Чем плох вариатор:
- Регулярное ТО. Во-первых, нужна периодическая замена трансмиссионной жидкости, причем покупать придется специальную, с пометкой CVT. А во-вторых, ремень имеет достаточно короткий ресурс и требует замены каждые 60 тыс. км;
- Ограничения по нагрузкам. До недавнего времени вариаторы ставились только на маломощные двигатели. Они не предназначены для резких стартов с пробуксовкой, это не спортивная трансмиссия. К тому же, нельзя буксировать автомобиль с вариатором. Если автомобиль сломался, доставить на СТО его можно только на эвакуаторе, но не «на галстуке». Причина – недостаточная прочность основного ремня (цепи);
- Медленная работа. Некоторые модели вариаторов заметно «тупят» при изменении оборотов, так что на 1-2 секунды отстают от нажатия педали газа;
- Не все СТО берутся его обслуживать. Найти умельцев, способных отремонтировать вариатор, довольно сложно. Мастера предпочитают не связываться с этой коробкой передач, а заниматься более привычными «автоматом» и «механикой»;
- Вариаторы подходят в основном только для города. Спорт и экстрим не для них.
- Сложная электроника. Если хоть один датчик, регулирующий работу вариатора, выйдет из строя, откажет и сам вариатор. А датчиков там много! Не слишком радужная перспектива – остаться посреди улицы ждать эвакуатор.
Несмотря на недостатки (а где их нет?), вариатор (CVT) остается очень прогрессивным типом трансмиссии. Совершенствование конструкции уже позволяет ставить его на достаточно мощные моторы и давать большие нагрузки. Конечно, никуда не делась необходимость обслуживать эту коробку передач, но ведь и двигатель требует внимания, и с этим уже все смирились.
Так что рассуждения о том, сколько ходит такая АКПП, постепенно остаются в прошлом: вариаторы становятся всё более надежными. Иногда покупатели отказываются от автомобиля только на основании того, что на нем установлен вариатор. Плюсы и минусы этой трансмиссии уже понятны, остается только выбрать то, что по душе.
Принцип работы вариатора и его устройство
Бесступенчатая коробка плавно изменяет крутящий момент в заданных промежутках регулирования. Это достигается за счет ее особой конструкции, которая состоит из следующих компонентов:
- вариатора;
- механизма сцепления;
- аппарата для передачи реверса;
- процессора с исполнительным устройством.
В качестве автоматического сцепления выступают разные виды устройств. Без них крутящий момент сразу же передавался бы на колёса, а так указанный узел будет отвечать за плавную передачу движения. Сцепление может быть:
- центробежным – технология «Transmatic»;
- мокрым многодисковым – представители «Multimatic» и «Multitronic»;
- электромагнитным — вариатор «Hyper»;
- гидротрансформаторным.
Последний вид применяется на большинстве авто. Он обеспечивает плавную работу двигателя без рывков и продлевает жизнь вариатору. На высоких оборотах входит в режим полного зацепления, при котором исключается проскальзывание. Но часть его мощности может уходить в нагрев. А бывают случаи, что он перегревается, об этом становиться известно по зажигающейся красной лампочке на приборной доске.
Устройство вариатора
Работа вариатора осуществляется с помощью электронного блока. Он отвечает за следующие функции:
- управление сцеплением;
- изменение передаточного отношения между валами вариатора;
- контролирование работы планетарного редуктора;
- обеспечение действия реверсивного аппарата.
К электронному блоку передается информация от множества датчиков. Поэтому его работа взаимосвязана с показателями оборотов двигателя, давления в шинах, ABS и т. д. Сбор информации фильтруется в аппарате, и он автоматически настраивается на нужное передаточное число.
Но вариаторы не могут самостоятельно производить задний ход авто, поэтому для этих целей предусмотрен планетарный редуктор. Принцип действия, которого схож с работой в автоматической коробке.
Водитель при управлении транспортом с CVT проделывает практически те же действия, что и при использовании АКПП. Но они немного упрощаются, он выбирает только режим, а остальное выполняет за него удобное устройство вариатора. Также оно позволяет повторить некоторые манипуляции, возможные в привычных КПП. Например, можно зафиксировать определенное передаточное соотношение. Некоторые водители не чувствуют разгона машины, и потому относят постоянную частоту оборотов коленвала к недостаткам аппарата, но к этому надо привыкнуть и со временем удобство бесступенчатой коробки станет очевидным.
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.
Как правильно ездить на машине с коробкой CVT
Чтобы продлить срок службы вариаторной трансмиссии, необходимо правильно эксплуатировать автомобиль с данной конструкцией коробки передач. Владелец должен воздерживаться от выезда за пределы дороги. Пробуксовка колес при движении по снегу или грязи снижает срок службы механизма.
Не натыкайтесь на какие-либо острые препятствия, как можно реже переключайтесь с режима D на R, чтобы снизить скорость износа компонентов.
Нельзя использовать автомобиль в качестве тягача или перевозить прицеп, превышающий установленные нормы.
Разгонная динамика вариатора
Начните с драйва.
При нулевой скорости обороты двигателя находятся на уровне «холостого хода», 700-900 об/мин. При нажатии на педаль газа машина сначала «набирает обороты», еле двигаясь. Набрав обороты, машина начинает двигаться с постоянной тягой, без «дерганий» при переключении передач.
Я бы назвал этот режим «выстрел из рогатки». Те сначала подтягиваем резинку (набираем обороты двигателя), а потом постоянно разгоняем машину с постоянным тяговым усилием.
Соревнования по разгону: вариатор и «автомат».
Если поставить на соревнование две одинаковые машины, с вариатором и с классическим «автоматом» (со сцеплением), то после старта мы увидим следующую картину. Автомобиль с «автоматом» довольно резко тронется и начнет разгоняться, периодически «переезжая» на переключение передач. Автомобиль с вариатором потеряет мощность, как если бы водитель позже нажал на педаль газа. Но после этого машина начнет плавно и уверенно разгоняться и в какой-то момент обгонит «автомат».
Зачем заранее?
В первую очередь «автомат» при переключении передач срывает сцепление, в связи с чем тяга нестабильна. В этот момент двигатель не разгоняет автомобиль. Если среднее время переключения около 0,25с, то умножив на 4 интервала (с 1-й по 5-ю передачу), получим 1 секунду без привода. Для среднего автомобиля, который разгоняется до 100 км за 10-12 секунд, это почти 10% времени.
Во-вторых, при разгоне привод стабильно «держит» скорость двигателя в зоне максимального момента. Разгон автомобиля осуществляется за счет изменения передаточного числа трансмиссии. Классические инжекторные бензиновые двигатели очень «медленны» на оборотах ниже 3,5 т/мин. Его мощность просыпается в зоне 4,5-6,5 тысяч оборотов. Автомат хоть и старается поддерживать скорость в высоких зонах при активном разгоне, стрелка тахометра все же плавает в широком диапазоне частот, не всегда захватывая области наибольшего крутящего момента.
С какой скоростью вариатор разгонит машину?
Поскольку сам вариатор (точнее, его программа) определяет, когда прекратить увеличивать скорость и начать «давать тягу» колесам, то это один из самых важных вопросов при вождении данного типа автомобиля. «Старые» вариаторы всегда давали полный газ, заставляя двигатель «расти», даже если водителю требовалось лишь немного газа. Этот безусловный недостаток был исправлен в вариаторах нового поколения 2007-2010 гг.
При плавном нажатии на педаль газа трансмиссия лишь слегка набирает обороты, разгоняя автомобиль слабо, на малых оборотах двигателя. При достаточно сильном нажатии обороты сразу уходят в зону самого оптимального момента (в моей машине это 4,5 тонны оборотов) и тянешь, пока не ослабишь давление на педаль акселератора. При «кручении педалей до земли» коробка сразу устанавливает предел «красной зоны», то есть максимальный крутящий момент, и удерживает его до момента начала педали.
Таким образом, водитель управляет частотой вращения двигателя во время разгона скоростью нажатия на педаль акселератора. Это очень логично и понятно. Чем быстрее вы хотите ускориться, тем быстрее вы нажмете на педаль газа.
Как это работает
Вполне закономерный вопрос. Прежде чем покупать себе автомобиль вроде Хонда Фит или Митсубиси Аутлендер, где предлагается вариатор, хочется узнать, как пользоваться такой трансмиссией. Для этого следует знать принцип работы.
Коробка считается бесступенчатой. Но по факту передаточные числа между шкивами меняются, просто это происходит чрезвычайно плавно. Отсюда и отсутствует возможность отчетливо уловить границу при переходе.
Чтобы включить передачу для движения вперед, диаметры 2 шкивов нужно выровнять, сделать их одинаковыми. Увеличив при этом диаметр ведомого элемента, оставив ведущий в прежнем положении, включается так называемая понижающая передача. На ней машина с CVT трогается с места. Для повышения скорости шкивы, а точнее их диаметры, меняются в обратном направлении, то есть ведомый начинает вращаться быстрее ведущего.
По сути, именно на этом основана работа такого типа трансмиссии. А если вас интересует секвентальная КПП, вот вам ссылка на интересный материал о ней.
Сцепление
Поскольку это не АКПП, на CVT имеется функция сцепления. По мере модернизации вариатора, производители применяли различные механизмы и системы.
Можно выделить несколько основных:
