Разница диапазонов угловых скоростей двигателя и колес автомобиля во все времена была и остается предметом исследований и инженерных решений устройств, название которых — трансмиссия. Разработка удобных в использовании бесступенчатых автоматических трансмиссий автомобиля в последние годы привела к практическому использованию вариатора.
Принцип работы вариатора известен давно, а в таких машинах, как скутеры или снегоходы, эти устройства используются уже много лет. Почему вариаторы начали использовать в автомобилях сравнительно недавно? Насколько они надежны и долговечны? Требуются ли вариаторы специальной техники при вождении автомобиля? Каковы преимущества и недостатки трансмиссии CVT?
Чтобы ответить на эти вопросы, имеет смысл ознакомиться с принципом работы вариатора и основами конструктивных решений устройства, основными типами автомобильных вариаторов, а также статистикой надежности и срока службы этих устройств.
Содержание
Принцип работы и конструкции вариатора
Самый простой способ управления вариатором можно рассмотреть на примере самого распространенного типа устройства — клинового ремня.
На валу, который соединен с валом двигателя, установлен ведущий шкив, состоящий из двух половин. Половинки могут перемещаться по валу (оси их вращения). Аналогичный шкив (состоящий из двух половинок) расположен на другом валу, соединенном с ведущими колесами автомобиля. Этот шкив называется воздуховодом. Ведущий и ведомый диски соединены между собой клиновидным ремнем.
При низких оборотах двигателя половинки ведущего шкива отодвигаются, и ремень «перемещается» относительно оси вращения, и наоборот на ведомом шкиве: ремень «сдавливается» как можно дальше от оси вращения.
Следовательно, из-за трения в месте контакта ремня с поверхностями полушкива образуется ременная передача, схематично показанная на следующем рисунке.
То есть коленчатый вал как бы похож на шестерню небольшого диаметра, а ведомый вал — на большой. Следовательно, при низких оборотах двигателя угловая скорость ведущего шкива значительно выше, чем у ведомого шкива, которому передается максимальное тяговое усилие (и минимальная угловая скорость).
Половинки приводного шкива смещаются под действием конечной силы, создаваемой, в зависимости от конструкции привода, силами инерции (от роликов в пределах одной половины шкива, движущихся за счет центробежных сил — самый простой случай) или от гидравлики, получающей команды от электронный блок управления (современные системы).
Помимо центробежных систем, системы передачи крутящего момента с электронным управлением могут быть электромагнитными или многодисковыми, но наиболее широко используются преобразователи крутящего момента благодаря усовершенствованной конструкции.
На высоких оборотах двигателя картина обратная: «шестерня» ведущего шкива становится большого диаметра (ремень прижимается к периферии шкива), а у ведомого шкива половинки расходятся и ремень «опускается» «в центре» («шестерня» малого диаметра). Трение, необходимое для изменения расстояния между половинками ведомого шкива и натяжения ремня, обеспечивается пружиной.
По принципу действия помимо клинового ремня существуют еще и тороидальные вариаторы.
В них роль составных шкивов играют конические диски, а роль ремня — ролики грибовидной формы, которые могут не только вращаться вокруг своей оси, но и перемещаться относительно оси вращения дисков. При разном положении роликов они соприкасаются с дисками по разным диаметрам ободов, и за счет этого изменяется передаточное число между дисками. На практике тороидальные вариаторы встречаются гораздо реже, чем клиноременные.
Казалось бы, если все так просто и принцип работы устройства хорошо известен, почему вариаторы начали применять на автомобилях сравнительно недавно?
Дело в том, что материал ремня, используемый в вариаторах скутеров и снегоходов, не рассчитан на тот уровень нагрузки, который возникает в автомобилях. И только современные технологии позволили разработать вариатор, выдерживающий высокие нагрузки.
Ремень современного автомобильного вариатора выполнен из металла и состоит из двух металлических лент и ряда вставленных в них эластичных металлических звеньев.
Более плотное звено ведущего шкива передает толкающую силу на следующее звено и далее по цепи. Получается, что такой установочный ремень не тянет, а толкает ведомый шкив, и это позволяет передавать на него больше сил, чем при обычном клиноременном приводе. Именно этот тип приводов наиболее широко используется в современных приводах.
В некоторых марках автомобилей (в основном Audi) вместо ремня встречается лестничный цепной привод.
Эту трансмиссию еще называют клиновой цепью. В отличие от ремня из металлического состава зона контакта концевых участков такой цепи с конической поверхностью шкивов значительно меньше, и это обстоятельство предъявляет более высокие требования к материалу и соединениям цепи. Цепной привод имеет максимальную эффективность передачи мощности от ведущего шкива к ведомому, хорошие показатели долговечности, при необходимости достаточно простую замену. Но в то же время сеть — довольно дорогое звено.
К конструктивным особенностям вариатора следует также отнести необходимость интеграции реверсивной передачи в устройство: прямое реверсирование шкивов вариатора невозможно. На практике это решается так же, как и с автоматическими трансмиссиями — в конструкцию входит планетарный редуктор.
Чем отличается вариатор от автомата в эксплуатации
В отличие от трансмиссий с механической и автоматической трансмиссией, вариатор реализует принцип бесступенчатой трансмиссии (CVT — распространенное сокращение названия таких устройств). Двигатель автомобиля в вариаторе связан с колесами (гребными винтами) абсолютно плавным изменением соотношения количества оборотов.
С одной стороны, это делает машину чрезвычайно комфортной: нет необходимости переключать передачи, как в механической коробке передач, и нет абсолютно никаких толчков и толчков, как в машине с автоматической коробкой передач. С другой стороны, несмотря на внешне идентичные органы управления и режимы движения с автоматической коробкой передач, вариатор имеет свои эксплуатационные характеристики из-за принципиальной разницы в конструкциях.
В первую очередь, это касается режима разгона: для водителя, впервые севшего за руль автомобиля с вариатором, режим разгона при постоянных оборотах двигателя совершенно непривычен. Для устранения этого эффекта в автомобилях с вариатором можно имитировать (имитировать из электроники на программном уровне) режимы ручного управления автомобилем с резким изменением количества оборотов (соответствующим изменению звука двигатель знаком большинству автолюбителей). Только тут надо понимать, что та же электроника не позволит «гнать» обороты двигателя в красном секторе тахометра.
В целом вариатор хорош для любителей плавной и спокойной езды.
Детали вариатора очень чувствительны к смазке, и движение сразу после пуска двигателя (особенно зимой) крайне нежелательно: масло не успевает добраться до трущихся деталей, и как следствие увеличивается износ и дорогостоящий ремонт . То же самое и для любителей «рывков» на светофоре после установки селектора в нейтральное положение.
Наличие достаточного количества смазки в точках трения вариатора также важно, потому что эта специфическая смазка предотвращает проскальзывание приводного ремня или цепи (в этом уникальность свойств вариаторного масла). Своевременная (обычно через 60 тыс. Км.) Замена масла с маркировкой CVT — обязательное условие нормальной работы вариатора.
Кроме того, владельцам автомобилей, оснащенных вариатором, необходимо внимательно следить за соблюдением правил езды с прицепом и буксировкой. Из-за ограниченной мощности (хотя последние разработки CVT ставятся на автомобили с мощностью двигателя выше 200 л.с.), для большинства автомобилей с CVT движение с прицепом нежелательно. Также на буксировку автомобилей с вариатором накладывается ограничение: масло в вариаторе должно быть под давлением, иначе возможен только вариант буксировки с частичным погружением передних колес.
Наиболее частое проявление неисправности привода — легкое подергивание при переводе селектора в положение «Drive». Проявление такого знака говорит о скором ремонте.
В целом ресурс вариатора ограничен даже при аккуратной эксплуатации и спокойной манере езды при пробеге 120 — 150 тыс. Км. Это обстоятельство необходимо учитывать при покупке автомобиля с вариатором на вторичном рынке.
Плюсы и минусы «коробки» вариатор
Сам принцип работы вариатора определяет преимущества автомобилей с вариатором:
- более быстрое ускорение — бесступенчатые трансмиссии не дают большого преимущества во времени разгона, но в сочетании с плавным ускорением они создают яркие впечатления от процесса ускорения.
- исключительная плавность разгона, недостижимая ни у одного другого типа ступенчатой трансмиссии (даже в самых современных разработках автоматических трансмиссий);
- топливная эффективность: CVT не имеет потерь при переключении, что означает, что мощность двигателя используется с максимальной топливной экономичностью. Правда, на практике сложно ощутить экономию топлива в автомобилях с вариатором по сравнению с автомобилями, оснащенными современными автоматическими трансмиссиями;
Недостатки вариаторов:
- неэкономичное обслуживание — замена масла (это 5-6 литров специального масла) через каждые 60 тыс км пробега и приводного ремня (100 тыс км).
- ограниченный ресурс устройства — в несколько раз меньше, чем у автомобилей с МКПП;
- низкий уровень ремонтопригодности — отремонтировать вариатор не везде возможно, так как настоящих специалистов по вариаторам сравнительно мало. К тому же запчасти на вариаторы (особенно привод) дорогие;
