179 публикаций8,9 тысяч просмотров FacebookTwitterTelegram
Сейчас все чаще можно встретить автомобили на крышке багажника или на передних крыльях, которые сокращенно обозначают CVT.
Подчеркнем, что вместо обычных коробок передач (механических или автоматических) на автомобиле используется вариатор.
Содержание
Что такое вариатор?
Прежде чем понять принцип работы вариатора, необходимо дать ему правильное определение.
Это устройство, благодаря которому происходит постепенное изменение передаточного числа в различных узлах и агрегатах. Изменение происходит автоматически, постепенно, в зависимости от скорости двигателя и внешней нагрузки, возникающей в данный момент.
Примеров использования ящиков вариатора много, наиболее понятным будет пример, когда с помощью этого устройства скорость вращения лестницы на эскалаторе в метро согласовывается с его поручнями.
Технология не новая
Идея передачи пары с возможностью постоянного ее изменения далеко не нова. Прототип механизма с такими рабочими параметрами изобрел Леонардо да Винчи.
Первый патент на бесступенчатую трансмиссию был выдан в 1885 году, то есть она появилась практически одновременно с автомобилями, оснащенными двигателями внутреннего сгорания, но вариатор долгое время не имел к ним никакого отношения.
Долгое время такая трансмиссия использовалась на различных машинах и механизмах, а также на двухколесной технике — мопедах и мотоциклах. Коробка вариатора на машине появилась только в 1958 году.
Первым автомобилем, у которого вместо ступенчатой коробки передач был вариатор, стал миниавтомобиль DAF 600.
Во второй половине 1970-х подразделение DAF по производству легковых автомобилей (вместе со всеми разработками) купило Volvo».
Впоследствии началось производство городского автомобиля с вариаторной трансмиссией Volvo 66, представлявшей собой модифицированную версию DAF 66.
Позже в модельном ряду появилась Volvo 340.
Но многие проблемы и недостатки этого типа трансмиссии в конечном итоге заставили Volvo отказаться от использования вариатора на своих автомобилях в середине 1980-х годов.
А все потому, что один из основных элементов: клиновой ремень имел очень ограниченный ресурс, а механизм управления трансмиссией (в то время — механический) был конструктивно сложным.
В конце 1980-х годов другие производители автомобилей решили установить коробку вариатора. Сначала это были Fiat (модель Uno) и Ford (такая трансмиссия устанавливалась на Fiesta).
В то же время японцы также разработали собственный вариатор. Первым японским автомобилем с такой трансмиссией стал Subaru Justy GL.
Постоянное развитие технологий и работы, направленные на улучшение конструкции, наконец-то окупились, и теперь вариатор не редкость, все больше автопроизводителей комплектуют им свои модели, совмещая таким образом этот тип трансмиссии со ступенчатыми трансмиссиями.
Основы работы коробки автомат для понимания работы вариатора
Принцип работы вариатора принципиально отличается от ступенчатых редукторов.
Для лучшего понимания вам следует сначала рассмотреть, как работает классическая автоматическая коробка передач (не путать с заранее выбранной роботизированной коробкой передач, которую также часто называют автоматической коробкой передач).
Работа любой ступенчатой коробки основана на взаимодействии шестерен разного размера.
В основном коробка передач представляет собой обычную многоступенчатую коробку передач, которой можно управлять. Такова, например, обычная механическая коробка.
АКПП намного сложнее по конструкции. Если механическая коробка передач — это коробка передач, то в автоматической — это просто строительный блок, по крайней мере, один из основных.
В целом автоматическую коробку можно разделить на несколько составляющих:
- Механический;
- Электронный.
- Водопроводчик;
Механический компонент — коробка передач. В его основе лежит обычная планетарная передача.
В современных 4-ступенчатых коробках передач и выше таких шестерен много и они образуют так называемую планетарную передачу.
Несмотря на сложность конструкции, принцип работы такой коробки передач очень прост. Любая планетарная передача состоит из трех компонентов: солнечной шестерни, планетарной планетарной передачи и коронной шестерни.
Особенность этой трансмиссии заключается в том, что любой из составляющих компонентов может выступать в качестве основного элемента, ведомого или неподвижного (неподвижного), благодаря чему можно изменять передаточное число. Этим конструкторы воспользовались при создании АКПП.
Итак, если сделать солнечную шестерню над головой и водило со сателлитами будет приводиться в движение, а кольцо неподвижно, то на выходе мы получим максимальное передаточное число.
Если зафиксировать солнечную шестерню, приложить вращение к опоре и снять ее с планетарного кольца, то передаточное число будет таким же, то есть мы получим прямую выходную передачу.
Чтобы получить вращение в обратном направлении (назад), достаточно зафиксировать тележку и приложить вращение к солнечной шестерне.
Для обеспечения блокировки планетарных шестерен в конструкции АКПП используются фрикционные муфты и ленточные тормоза.
Эти агрегаты приводятся в действие гидравлическим компонентом, работа которого контролируется и регулируется электронным блоком.
В итоге все выглядит так: электронный блок управления с помощью датчиков отслеживает несколько параметров: скорость движения, обороты коленвала и так далее
При необходимости подает сигнал на открытие клапанов или активацию поршней гидросистемы.
Они, в свою очередь, воздействуют на муфты или тормоза, блокируя вращение необходимого планетарного компонента.
полезно прочитать: Как правильно управлять автоматической коробкой передач.
Как работает вариатор, общее устройство
Как уже отмечалось, принцип работы вариатора полностью отличается от ступенчатой коробки. Эта трансмиссия основана на ременной передаче.
Типичная трансмиссия этого типа состоит из двух валов, на которых установлены шкивы.
Передача вращения и усилия осуществляется ремнем. В такой трансмиссии передаточное число фиксировано и зависит от диаметра шкива.
В коробке вариатора можно менять передаточные числа. Это достигается изменением диаметра шкива.
Конструкция довольно проста: есть два параллельных дерева. Они оснащены шкивами, каждый из которых состоит из двух половинок (пластин).
Эти половинки имеют конусообразную форму и могут перемещаться по валу относительно друг друга.
И все это работает так: клиновой ремень помещается между коническими поверхностями шкивов. При растяжении или разрыве половинок шкива их диаметр изменяется в точке контакта ремня.
То есть, когда половинки полностью сплющены, ремень движется почти по внешнему диаметру шкива, но при расхождении попадает между этими дисками.
Но таких шкивов в конструкции вариатора два, и ремень не растягивается.
Получается, что если половинки одного из шкивов расходятся, другая должна сходиться, то есть работать синхронно.
Поэтому выполняется изменение передаточного числа.
Но это только принцип работы. Конструктивно все выглядит намного сложнее, хотя основными рабочими элементами все те же шкивы и ременная передача.
Но в конструкцию также добавились сцепление, электронная система управления и планетарный редуктор.
Поэтому коробка вариатора состоит из:
- Электронная система управления;
- Сам вариатор;
- Узлы и детали, передающие крутящий момент и включающие нейтральную передачу;
- Планетарный редуктор заднего хода.
В коробке вариатора в зависимости от производителя и модели могут быть реализованы разные дизайнерские решения, которые в большинстве случаев касаются сцепления.
Типы сцепления:
- CVT Transmatic — автомат центробежной муфты;
- Multimatic, Multitronic — многодисковое сцепление в масляной ванне с электронным управлением;
- Гипер — электромагнитная муфта с электронным управлением;
- Autotronic, Extroid, Ecotronic, Multidrive, Lineartronic, Xtronic — с преобразователями крутящего момента.
Гидротрансформатор часто используется в качестве сцепления, как и в автоматической коробке передач.
Гидротрансформатор срабатывает, когда автомобиль трогается с места, затем блокируется. Он передает крутящий момент очень плавно, без рывков, в результате чего приобрел большую популярность среди автовладельцев.
Движение дисков шкива контролируется электронным блоком, который контролирует некоторые параметры двигателя и самой трансмиссии и на их основе подает команды исполнительным механизмам.
Например, в начале движения необходимо обеспечить максимальное тяговое усилие, для чего половину ведущего шкива нужно максимально разбавить, а ведомый шкив — уменьшить.
По мере увеличения скорости блок управления изменяет диаметры шкивов за счет уменьшения передаточного числа.
Планетарный редуктор по конструкции нужен для обеспечения обратного хода.
Типы вариаторов
Во многих узлах и агрегатах широко используются различные конструктивные решения вариаторов, плавно меняющих передаточное число от двигателя к колесам, но пока в автомобильной промышленности хорошо ужились только два их типа:
- Клиновой ремень;
- Тороидальный.
Клиноременной
Основание клиноременного вариаторного устройства включает два конических шкива и одну или две ременные передачи.
Ремень клиновидный, может быть выполнен из резины, набора металлических пластин или цепочки. Но это влияет только на надежность всей системы, но никак не на принцип ее работы.
конструктивно он предназначен для расширения и перемещения шкивов, из-за чего меняются их диаметры.
Ремешок из каучука.
За счет клинового ремня последний контактирует с боковыми сторонами шкива, что обеспечивает надежную передачу крутящего момента в течение длительного времени (для резиновых ремней 50 000 км, но это не предел).
Изменение передаточного числа происходит за счет смещения и расширения ведущего и ведомого шкивов.
На малых оборотах двигателя диски ведущего шкива вытянуты, соответственно имеют небольшой диаметр. С другой стороны, ведомые диски сжаты и имеют больший диаметр.
При увеличении оборотов двигателя под действием центробежных сил и различных приводов диски ведущего шкива сжимаются, а ведомый шкив, наоборот, разблокируется, а передаточное число уменьшается.
Для того чтобы диаметры шкивов изменялись синхронно с результирующими нагрузками двигателя, в автомобиле с коробкой передач CVT предусмотрена электронная система управления, которая также совместно управляет работой планетарной коробки передач и сцепления.
Планетарный редуктор обеспечивает движение автомобиля задним ходом, так как вариатор не может обеспечить такое движение.
Благодаря электронной системе управления, после того, как автомобиль достигает крейсерской скорости, трансмиссия CVT поддерживает наиболее подходящие обороты двигателя для хорошей динамики движения.
В ходе различных экспериментов было установлено, что оптимальный угол наклона внутренних стенок шкива должен составлять 20 градусов.
В некоторых устройствах шкивы перемещаются и разносятся за счет гидравлики, пружин или центробежных сил.
Резиновых приводов в клиноременных передачах оказалось мало, поэтому сейчас в основном устанавливают приводы от цепи или металлических пластин.
Это значительно повысило надежность и увеличило ресурсы системы, а также снизило шум при движении автомобиля.
Как и в разновидностях, есть приводы клиновые цепные, в которых передача крутящего момента происходит с помощью металлической цепи, в основе которой лежат специальные пластины, соединенные осями.
Эффективность взаимодействия со шкивами в таких устройствах значительно выше, чем в традиционных клиноременных передачах, а значит, потеря крутящего момента в них минимальна.
Для управления используется специальный рычаг селектора.
Клиноременный вариатор устанавливается на многие иномарки, у каждого производителя он может быть конструктивно разным и иметь собственное название, например:
Тороидный вариатор
Как видно из рисунка, тороидальный вариатор состоит из двух вращающихся в противоположных направлениях коаксиальных валов тороидальной формы (сферической.
Ролики зажаты между валами, что также видно на рисунке выше, которые, изменяя свое положение, изменяют передаточное отношение от ведущего вала к ведомому валу, в то время как крутящий момент передается с роликов на валы благодаря силам трения.
Основной проблемой, влияющей на надежность всей системы и эффективность передачи крутящего момента, является площадь контакта роликов со сферическими валами.
Сила давления в зоне контакта может быть колоссальной, в некоторых вариаторах она может достигать 10 тонн, поэтому помимо того, что материал в них должен быть высокотехнологичным, система управления также должна быть очень надежной.
Например, вариатор Extroid, используемый на некоторых моделях Nissan, имеет специальный гидравлический механизм с электронным управлением, который перемещает ролики с диапазоном микрон.
Важно – поговорим про клиновидный ремень
Раньше вариатор не находил широкого применения в автомобилях по одной простой причине — резиновый ремень из-за передачи значительных сил очень быстро изнашивался.
Так, для вышеупомянутого Volvo 340 за движителем уходило не более 30 тыс. Км.
В современных клиноременных передачах используется трансмиссия, которую сложно назвать ремнем, поскольку она состоит из двух пакетов стальных ремней, между которыми расположены пластины в форме бабочки.
Благодаря использованию композитных элементов из высокопрочных материалов удалось решить сразу несколько задач: увеличить ресурс трансмиссии, увеличить диапазон передаточных чисел (благодаря большей гибкости трансмиссии) и снизить эксплуатационные расходы шум.
Кроме того, некоторые компании выпускают вариаторы с клиновой цепью, в которых в качестве приводного элемента выступает многорычажная пластинчатая цепь, обладающая еще большей гибкостью, но из-за малой поверхности контакта с рабочими поверхностями шкивов требует использования высоких прочностные материалы при создании последних.
Преимущества и недостатки такого решения
По принципу действия, в отличие от ступенчатых коробок, вариатор имеет перед ними ряд преимуществ.
Основные из них:
- Плавный, но в то же время стремительный набор скоростей;
- Легкость стартового движения, отсутствие вероятности отката в начале (даже в гору);
- Без перебоев в передаче крутящего момента (без рывков и провалов);
- Тихая работа.
- Отличная координация работы с двигателем;
- Отличная реакция трансмиссии на изменяющиеся условия (подъемы, спуски);
- Высокий КПД;
- Сниженный расход топлива;
Дефекты:
- Длительная передача высоких оборотов на максимальной мощности негативно сказывается на коробке CVT
- Такие коробки пока не могут работать с мощными двигателями (лимит 220 л.с.);
- В качестве рабочих жидкостей используются специальные масла;
- Сложность и дороговизна ремонта.
- Требует неукоснительного соблюдения правил эксплуатации (экстремальные условия не для него);
- Вариатор очень требователен к качеству масла, поэтому необходимо своевременно менять его и фильтр;
Что ж, некоторые люди замечают «скучное» поведение автомобиля, оснащенного трансмиссией CVT. То есть работа двигателя и вариатора настолько сбалансирована, что добиться от этой пары «спортивного поведения» невозможно.
Частично эта проблема решается моделированием работы ступенчатой коробки (специальный режим, в котором передаточные числа могут быть изменены на фиксированные значения).
Что надежнее вариатор или автомат
На вопрос, с какой трансмиссией отдать предпочтение — АКПП или вариатором, однозначного ответа нет.
Современная коробка передач вариатора уже имеет хорошее преимущество с теми же требованиями к обслуживанию, что и автоматическая коробка передач, но почти все ее показатели производительности выше.
Однако автоматическая трансмиссия еще надежнее, хотя по конструкции сложнее и лучше выдерживает экстремальные условия.
В целом вариатор отличный вариант, но если машина не выезжает за черту города.
В заключение можно отметить, что за коробками CVT будущее, так как, по сравнению с обычной АКПП, они проще по конструкции, а значит, дешевле, передают более мягкий крутящий момент, а значит, поездка становится более комфортной, экономьте топливо, а значит, путешествие становится дешевле.
И хотя у них еще есть недостатки, они уже уверенно заняли свои позиции в автомобильной индустрии.
Емкость транспортных средств, на которые они устанавливаются, постоянно увеличивается, а это значит, что мы скоро увидим их и на грузовиках.
Вариатор или бесступенчатая трансмиссия — видео.
