Особенности устройства и работы вариатора

Все чаще автомобили агрегатируются на конвейере вариаторными коробками передач. Но чем это обоснованно и действительно ли плюсы превосходят минусы? Рассмотрим, как работает вариатор, его внутреннее устройство и принцип действия. Надеемся, рассмотренные недостатки и преимущества помогут в дальнейшем сделать правильный выбор между CVT, DSG, роботизированной КПП и коробкой автомат гидротрансформаторного типа.

Устройство вариаторной коробки передач

Конструктивно вариатор состоит из следующих компонентов:

• механизм, выполняющий роль сцепления. Позволяет передавать крутящий момент, а при необходимости рассоединять КПП от силового агрегата;
• вариаторная передача;
• планетарный редуктор с пакетом фрикционов, позволяющий двигаться автомобилю задним ходом;
• электронная система управления.

Существует большое количество вариаторных передач, но на автомобилях наибольшее распространение получили клиноременные вариаторы. Механизм состоит из ремня, выходного и выходного шкивов, а также механизмов, изменяющих диаметр шкивов в рабочей зоне ремня.

Первые варианты вариаторов оснащались резиновым ремнем, но такая конструкция крайне ненадежная. В устройстве современных агрегатов применяется либо гибкий металлический ремень, либо цепь. В клиноременном вариаторе крутящий момент передается за счет пары трения боковая часть ремня — рабочая поверхность шкивов. Цепь же контактирует с конусной поверхностью шкивов торцевой частью.

Преимущество клиноцепного вариатора в гибкости (имеет меньший радиус изгиба) и меньших механических потерях на трение. Цепь работает за счет точечного контакта с поверхностью конусов, поэтому в местах соприкосновения очень высокая механическая нагрузка. Для повышения износостойкости конусы шкивов изготавливаются из высокопрочных сплавов стали.

Принцип работы

Почему вариаторные коробки передач называют бесступенчатыми? Лишь потому, что изменение передаточных чисел между выходным и ведущим шкивами происходит настолько плавно, что заметить отчетливую границу перехода невозможно.

Чтобы добиться прямой передачи, при которой скорость вращение входного и выходного шкивов будет одинаковой, нам нужно уравнять диаметры обеих шкивов. Если мы увеличим диаметр ведомого шкива, а d ведущего оставим прежним, то получим понижающую передачу. Ведомый вал вращается медленней ведущего, за счет чего увеличивается крутящий момент. Именно в режиме понижающей передачи автомобиль с вариатором трогается с места. Для увеличения скорости движения машины происходит обратное изменение диаметров шкивов. Именно на этом и построен принцип работы вариатора (Continuously Variable Transmission).

Механизм сцепления

В процессе развития устройства вариатора производителями использовались разные виды механизмов, среди которых:

• автоматическое сцепление центробежного типа (распространено на скутерах, мотоциклах);
• электронно управляемый электромагнитный механизм;
• многодисковая муфта. Имеет принцип работы аналогичной тому, что используется для блокировки отдельных рядов планетарной передачи АКПП гидротрансформаторного типа.

• Также работа многодискового мокрого сцепления используется для блокировки дифференциалов, интеллектуального подключения полного привода. По такому же принципу работает «мокрое» сцепление на DSG;
• гидротрансформатор. Надеемся, вы знакомы с устройством и принципом работы автоматической коробки передач гидротрансформаторного вида, поэтому конструкцию рассматривать не станем.

Использование гидротрансформатора позволяет значительно снизить нагрузку на вариатор в момент старта с места. Проскальзывание до момента блокировки гидротрансформатора увеличивает ресурс рабочей поверхности конусов, уменьшает растягивание ремня/цепи. Именно это решение впервые позволило автомобилю с вариатором относительно безболезненно переносить поездки по бездорожью.

Стоит помнить, что вариатор в безопасности лишь до момента блокировки гидротрансформатора. Если на вашем автомобиле он блокируется после 10 км/час, то буксовать в снегу, грязи без риска уменьшить ресурс вариаторной КПП можно лишь до превышения этого порога

Задняя передача

Ведущий и ведомый валы в вариаторе вращаются строго в направлении вращения коленчатого вала двигателя. Поэтому единственный рациональный способ реализации задней передачи – планетарный редуктор. Когда коренная и солнечная шестерни заблокированы, входной вал вращается в одном направлении с входным шкивом, который соединен с водилом.

Если заблокировать только коренную шестерню, водило, а вместе с ним и входной шкив, будет вращаться в обратную сторону. Для наглядного представления об устройстве и работе планетарного редуктора в вариаторе предлагаем посмотреть видео.

Система управления

Принцип работы вариатора в режиме реверсной передачи возможен благодаря использованию 2-х пакетов фрикционов. Один из них при необходимости блокирует между собой коренную и солнечную шестерни (движение вперед), а второй – корпус вариатора и коронную шестерню (задняя передача). Стальные и фрикционные диски сжимаются давлением масла, которое накачивается в систему маслонасосом и подается к соответствующим каналам через гидроблок (мехатроник).

Также давление масла используется для смещения подвижной части шкива, что позволяет регулировать его диаметр. Для правильной работы коробки передач CVT крайне важно, чтобы изменение диаметров происходило максимально синхронно. Поэтому конструкторы уделяют большое внимание производительности маслонасоса вариаторных КПП.

Перенаправление потока масла к соответствующим каналам осуществляется соленоидами, которые по команде электронного блока управления вариатором открываются либо закрываются. Для управления работой коробкой передач ЭБУ использует данные с датчиков скорости, ДМРВ, датчика открытия дроссельной заслонки, ДТОЖ.

Чем хороша CVT?

• Отсутствие потерь в разгонной динамике на переключение передач. При интенсивном разгоне автомобиля с вариатором стрелка тахометра зависает на одном месте – в зоне максимальной мощности двигателя. Таким образом, разгон получается наиболее эффективным.
• Снижение расхода топлива. Если вы движетесь с постоянной скоростью, умеренно разгоняетесь, вариатор подбором передаточного числа устанавливает минимальные обороты двигателя. Такая работа мотора не только позволяет увеличить акустический комфорт в салоне, но и снизить потребление горючего.
• Снижение вредных выбросов в атмосферу.
• Плавность движения. Благодаря линейной, а не ступенчатой смене передаточного отношения, автомобиль как при разгоне, так на торможении сохраняет плавность хода.
• Компактность. Небольшие размеры позволяют устанавливать вариаторы как на полноприводные авто, так и на переднеприводные машины.

Плюсы ясны, но насколько серьезные минусы?

К сожалению, как и многие устройства в мире технике, вариаторы не лишены недостатков. CVT изначально задумывалась в качестве коробки передач для малолитражек, хэтчбеков, среднеразмерных седанов и небольших кроссоверов. Клиноременные и даже клиноцепные вариаторы крайне плохо переносят резкие изменения режимов движения. Постоянные чередования динамичных разгонов, замедления и пробуксовка ведущих колес приводят к повреждению поверхности конусов, растягиванию цепи/ремня. Задиры провоцируют появление подергиваний, ускоренный износ ремня/цепи. Также к перебоям в работе вариатора и потере ресурса приводит падение давление масла. Из-за этого начинают проскальзывать фрикционные пакеты. В итоге масло очень быстро стареет, а гидроблок забивается взвесью с фрикционных накладок (пыль, которая попадает в жидкость ATF).

Стоит ли покупать или лучше выбрать авто с АКПП, DSG, МКПП?

Нельзя достоверно сказать, что лучше: вариатор или коробка автомат. Ни одна бесступенчатая КПП не приблизиться к надежности архаичных АКПП гидротрансформаторного вида. Но ведь многие современные автоматы также не могут составить им конкуренцию в этом плане, а что уж говорить об особенностях работы и проблемах DSG, Power Shift.

Поэтому рекомендуем учитывать, что есть разные модели и виды вариаторов. Покупая автомобиль, обязательно изучайте отзывы владельцев, реальные плюсы и минусы конкретной модели коробки передач. Многие производители научились делать ресурсные вариаторы, которые при должном обслуживании способны без проблем пройти 150 и даже 200 тыс. км.

Чтобы избежать массовых неисправностей, вариаторы устанавливаются преимущественно на авто с маломощными двигателями. Но Audi, а в последнее время и Nissan, Subaru, агрегатируют коробками CVT довольно тяжелые и мощные автомобили. Что ни в коем случае не подталкивает к выбору поддержанной машины с вариатором. Также многое зависит от стиля езды водителя и подхода к обслуживанию. Многие игнорируют тот факт, что вариатору зимой жизненно необходим правильный прогрев. Также для продления срока служба необходимо периодически менять жидкость ATF, промывать радиатор охлаждения.

Принцип работы вариатора — основные нюансы видео

Во время движения автомобиля до бесконечности велико возможное количество режимов. Из-за этого для обеспечения оптимальной работоспособности двигателя автомобиля необходимо и бесконечное количество различных ступеней в коробке переключения передач. А вариатор – единственный в наше время вид коробки переключения передач, который дает возможность бесступенчато менять отношение передаточного числа между трансмиссией и двигателем. Это в свою очередь означает, что для различных режимов работы авто подбирается самое эффективное значение отношений передаточного числа, а не как в любых других коробках передач – усредненное.

Последствием работы двигателя в постоянном режиме, находясь в точке оптимальных для его оборотов, является уменьшение токсичности газов выхлопа, повышенная экономичность топлива, а также улучшенная динамика при разгоне автомобиля. Вследствие плавного (а не ступенчатого) изменения передаточного отношения автомобили отличаются плавностью своего хода. А отсутствие рывков во время переключения трансмиссии намного увеличивает сроки службы ее узлов.

Положительные и отрицательные стороны вариатора.

В отличие от АКПП, вариатор наделен небольшим весом, достаточной надежностью и имеет простую конструкцию, но избавляет от ручного переключения, как и “автоматы”, рекомендую прочитать мою статью вариатор или автомат. Однако есть у данного устройства и свои минусы, главным из которых является то, что их работа производится за счет трения, из-за чего передается только определенный крутящий момент, и в случае его превышения начинается интенсивный износ и проскальзывание рабочих поверхностей, что предполагает невозможность использования его с мощным двигателем.

Настоящая стихия вариатора – это плавное и спокойное движение, поэтому он не любит в режимах максимальной нагрузки долго работать (обычно резкие торможения и рывки приводят к его скорейшему износу).

Принцип работы и устройство вариатора.

В технике часто используются узлы разного типа, но в автомобиле распространение получили лишь два вида вариаторов: тороидный и клиноременный. На их примере и рассмотрим принцип работы данного устройства.

1. Конструкция тороидного вариатора состоит из роликов и соосных дисков, которые от первого диска ко второму передают крутящий момент.

Для того чтобы изменить передаточное число, нужно поменять радиус и положение роликов, по которым происходит обкатка диска. А в связи с тем, что основное усилие сосредотачивается в пятне контакта, то для того, чтобы произвести поворот ролика, необходимо использовать специального устройства, которое может преодолеть прижимную силу диска к ролику. Например, в некоторых вариаторах используется гидравлически-прецизионный механизм, управляемый электроникой, которая перемещает вниз или вверх ролики на небольшое расстояние. Из-за данного сдвига и происходит самостоятельное поворачивание ролика.

2. Немного иначе устроен клиноременной вариатор, который состоит обычно из нескольких (как правило, двух) ременных передач, где образование шкивов происходит за счет конических дисков. При раздвигании и сдвигании этих дисков происходит изменение диаметра шкивов и, соответственно, передаточного числа.

Различные фирмы производители разработали различные конструкции вариаторов данного типа, к примеру, на место ремня ставят цепь или в большинстве случаев ремень, состоящий из металлических пластин, но в целом принцип работы у них идентичный.

Значит, для начала движения автомобиля с места применяется гидротрансформатор небольшого размера, который блокируется во время движения, и обычное сцепление. А электронная система, состоящая из блока управления, датчиков и сервопривода, осуществляет управление дисками самих шкивов.

Однако давайте вернемся немного назад и посмотрим, почему в данном вариаторе используется клиновидный ремень. В разрезе ремень имеет форму трапеции и боковыми поверхностями вклинивается в шкив. После износа его поверхностей он врезается в шкив глубже (благодаря его форме) и сцепка остается прежней.

В заключении хотелось бы подытожить: принцип работы вариатора в сравнении с автоматической коробкой переключения передач являются наиболее совершенным типом трансмиссии. Его совершенство заключается в меньшем топливном расходе, наиболее плавной езде, улучшенной динамике разгона. И одновременно с этим конструкция вариаторов намного проще относительно традиционных «автоматов». Скорее всего, что в ближайшее время автомобили укомплектованные вариаторами составят очень серьезную конкуренцию машинам с АКПП и потеснят автомобили с «механикой».

Рекомендую прочитать:

К записи оставлено 2 коммент.

В принципе со всем написанным согласен, но с тем, что «принцип работы вариатора является наиболее совершенным типом трансмиссии» я поспорю. А уж тем более с тем что он улучшает разгонную динамику. Они проще и дешевле в производстве, да, но не более того. Любой более-менее толковый робот или преселектив заткнет за пояс любой вариатор.

Статья написано очень хорошо. Не согласен с выводом. Например на автомобиле Тойота, проверено на собственном опыте, вариатор является не надёжным узлом который выходит из строя 140-150 тис. Ремонтирует его редко хто, а ремонт очень не дешевый. На официальном сервисе вам предложат лишь замену целиком, цена от 9 тис. американских вечнозеленых долларов. Причём категорически отказываются говорить что именно вышло из строя и по какой причине. Альтернатива только Б/У. По сему напрашивается вывод что старая и надёжная коробка автомат с не очень плавным принципом переключением передач, тем более средний ремонт последней 800-1400 тех же долларов, будет очень долго радывать нас.

• Устройство вариатора — может ли он заменить «автомат»?
• 1. Как появился вариатор?
• 2. Принцип работы вариатора
• 3. Из чего состоит вариатор?

До последнего времени, подавляющее большинство наших соотечественников, пользовались в основном транспортными средствами отечественного производства, оборудованными механическими коробками передач. Ситуация изменилась тогда, когда в нашу страну начали массово поступать иномарки, мгновенно завоевав популярность потребителей. Многие из импортированных моделей машин, были оборудованы автоматической КПП – своеобразной новинкой для отечественных автолюбителей. Однако, мировая автомобильная промышленность не стоит на месте и хоть сегодня уже никого не удивишь коробкой автомат, но вопрос выбора по прежнему остается. Дело в том, что в современном автомире существует несколько вариантов трансмиссии, а их выбор зависит от индивидуальных требований потенциального покупателя.

Обычно, отдав свое предпочтение транспортному средству со встроенной АКПП, автовладелец начинает задумываться какой ее тип лучше выбрать: классический или вариаторный. Если с классическим типом более-менее все понятно, то вариаторная коробка передач еще не так сильно распространена и многие автолюбители не ориентируются в вопросе ее устройства, рабочих принципах или функциональных особенностях. Поэтому, мы посчитали, что соответствующая информация данной статьи может быть весьма полезной.

1. Как появился вариатор?

Малознакомое устройство под названием «вариатор» (с англ. «continuosly variable transmission» или просто СVT), используется для передачи крутящего момента и имеет куда более древнюю историю нежели традиционная «механика», а уж тем более автоматическая трансмиссия. Схема будущего вариатора была разработана известным итальянским художником, писателем и изобретателем Леонардо да Винчи, однако, в 1490 году применять устройство было негде и никто не обратил особого внимания на открытие.

В самом первом варианте, данный механизм имел вид двух конусов, части которого сужались и были направлены в разные стороны, а между ними натягивался ремень. Такая конструкция позволила назвать устройство первым видом бесступенчатой трансмиссии. Конечно, в те времена вариатор не имел ни какого отношения к автомобилям и использовался средневековыми мельниками для изменения скорости вращения своих жёрнов (передвигая по конусам ремень они плавно меняли передаточное число, а значит и скорость). Чуть позже, конусный вариатор был заменен на другой его вид – клиноременный , который все прошлое столетие активно использовался в промышленности. С его помощью выполнялся привод индустриального оборудования, такого как швейные машинки или жатки-сенокосилки.

Прошло еще немного времени и подобным открытием заинтересовались производители мопедов, однако, автомобильные компании, почему-то, долго не проявляли к нему заслуженного интереса (правда встречались исключения).

Впервые мысль о возможности применения клиноременного механизма на автомобиле пришла в голову голландскому инженеру Хуберту Ван Дорну – вдохновителю и генеральному директору компании DAF. Именно он в 1958 году создал бесступенчатую трансмиссию Variomatic, которую, в последствии, и предложил своей компании. В результате, на автомобильном рынке была представлена модель DAF 600с, обладавшая 590 кубовым мотором и вариатором. По большому счету, своей популярностью, данный автомобиль во многом обязан описываемому устройству. Естественно, конструкция того времени была еще очень далека до совершенства из-за чего проект бесступенчатой передачи пришлось свернуть.

Спустя десять лет, компания Volvo выкупила DAF и стала оборудовать подобными механизмами уже свои автомобили третей серии (Volvo 353). Однако, из-за возросшей мощности силового агрегата, все узнали о недостатках , присущих вариатору: низкой надежности и невозможности передавать серьёзный крутящий момент. Так, работоспособности устройства хватало от силы на 50000 километров, поэтому о надежности автомобилей, имеющих бесступенчатую трансмиссию не могло быть и речи.

Этот факт стал причиной того, что в середине 80-х годов ХХ века, вариатор перестал использоваться на автомобилях «Volvo», появившись через пару лет в Японии. Концерн Fuji Heavy Indastries нашел ему применение на модели Subaru Jasty, оборудованной несколько иной конструкцией бесступенчатой трансмиссии. Вот как раз с этого момента вариатор, устройство которого было известно еще в средневековье, обрел свое заслуженное место в мире автомобилей, заинтересовав такие известные фирмы как Nissan, Honda, Fiat, Ford и Audi. Такому интересу поспособствовало сразу два фактора: с одной стороны – резкий скачок технологий, а с другой – упрямство голландцев.

Первым вариатором получившим патент, стал тороидный вариатор, разработанный Чарльзом Хантом в 1886 году. В данном устройстве, между двумя колесами (ведущим и ведомым), обладающими сферической рабочей поверхностью, был зажат ролик, а передача крутящего момента выполнялась за счет трения, возникающего при взаимодействии рабочих поверхностей колес и ролика.

Современный вариант трансмиссии, устанавливаемый на многие выпускающиеся в наше время транспортные средства, возник еще в начале 70-х годов ХХ века путем стараний все того же Хуба Ван Дорна, которого первые неудачи хоть и огорчили, но не заставили отказаться от идеи создания качественной бесступенчатой трансмиссии. После продажи DAF он открыл еще одну компанию под оригинальным названием «Van Doorne Transmissie», где и был изобретен, а затем поставлен на серийное производство стальной ремень, приблизительно такой же, какой сегодня применяется почти на всех автомобилях с бесступенчатой трансмиссией.

2. Принцип работы вариатора

И так, исходя из всего вышесказанного, вариатор (или как его еще называют, «вариаторная коробка») – это бесступенчатая коробка передач, тоесть один из видов КПП, в котором передаточное число может медленно меняться в пределах заданного диапазона. В технике, применяются устройства разного типа, но что касается автомобиля, то здесь распространение получили только два из них: клиноременный и тороидный, поэтому, логично будет рассмотреть принцип работы вариатора учитывая особенности их конструкции.

Составляющими частями тороидного вариатора являются ролики и соосные диски, передающие крутящий момент от первого до второго. Что бы добиться изменения передаточного числа, необходимо поменять положение и радиус роликов, которые напрямую задействованы в обкатке диска. Принимая во внимание тот факт, что основное усилие приходится на место контакта, понятно, что для выполнение поворота ролика, придется использовать специальное устройство, способное преодолеть прижимную силу, задействованную для соединения диска и ролика. К примеру, механизм некоторых вариаторов относится к гидравлически – прецизионному типу и управляется электроникой, перемещающей ролики на небольшое расстояние вверх или вниз. Благодаря данному сдвигу ролик поворачивается самостоятельно.

Клиноременной вариатор устроен несколько иначе. Обычно, он состоит из нескольких (чаще всего, двух) ременных передач, при которых шкивы образовываются за счет конических дисков. Когда диски сдвигаются (или раздвигается) диаметр шкива, а соответственно и передаточное число, меняют свое значение. Разные производители вносят свои коррективы в стандартную конструкцию вариатора этого типа: вместо обычного ремня устанавливают цепь или ремень, состоящий из металлических пластин. Такие конструктивные решения никак не влияют на принцип работы вариаторов и он остается одинаковым для всех.

Что бы автомобиль начал движение, используют небольшой гидротрансформатор, блокирующий обычное сцепление в процессе движения. Управление дисками шкивов осуществляется при помощи электронной системы, состоящей из блока управления, сервопривода и разных датчиков. Так почему же в таких вариаторах применяется клиновидный ремень? Если его разрезать, то он будет иметь форму трапеции и вклиниваться в шкив боковыми поверхностями. После сильного износа поверхностей ремня, он начинает глубже врезаться в шкив и сцепка остается такой же.

В сравнении с автоматической КПП стандартного типа, рабочий принцип вариативной коробки, считается более совершенным типом трансмиссии, что отображается в большей топливной экономичности, плавной езде и улучшенной динамике разгона. Более того, с конструктивной точки зрения, устройство вариатора намного проще, чем аналогичные механизмы традиционной автоматики, поэтому, с большой долей вероятности, можно предположить, что в самое ближайшее время укомплектованные вариаторами транспортные средства, смогут составить серьезную конкуренцию автомобилям с АКПП, оттеснив назад «механические» машины.

3. Из чего состоит вариатор?

Вне зависимости от типа(тороидная или клиноременная), все вариаторные коробки состоят из следующих общих элементов:

— механизма, который обеспечивает передачу крутящего момента и отвечает за отсоединение КПП от двигателя (нейтральная передача);