Режимы включения вариатора
Включение режимов работы автоматической трансмиссии осуществляется переводом рычага выбора режима в определенное положение, которое обозначено латинской буквой или особым значком. Полный список таких обозначений включает:
- D (drive) – движение вперед;
- R (reverse) – движение назад;
- P (park) – парковочная блокировка, при которой колеса блокируются не стояночным тормозом, а через АКПП;
- N (neutral) – нейтральный режим для кратковременной парковки или буксировки на небольшое расстояние.
Возможные дополнительные значки:
- L (low) – движение на пониженной передаче в сложных условиях бездорожья;
- S (sport) – спортивный стиль вождения при ускоренных переключениях;
- E (economy) – режим экономного расхода топлива;
- M (manual) – ручное управление работой АКПП.
Движение вперед
Перевод рычага переключения режимов в положение «D» обеспечит движение автомобиля вперед после нажатия на педаль газа. Во время поездки вариатор будет самостоятельно изменять передаточное отношение в зависимости от нагрузки и оборотов двигателя. Эффективную работу АКПП и мотора обеспечивает система электронного контроля.
Задний ход
Конструкция коробки переключения передач с вариатором не предусматривает возможности обратного вращения ведомого вала, который приводит в движение колеса. Задний ход автомобиля обеспечивается за счет передачи вращения на дополнительные механизмы. Поэтому переключение селектора в положение «R» можно делать только после полной остановки транспортного средства.
Нейтраль
Перевод ручки селектора в положение «N» разъединяет двигатель и АКПП. Переключение в эту позицию целесообразно только в случае продолжительной остановки, а также в момент запуска двигателя. Не рекомендуется переход на нейтраль при движении накатом с горки и при кратковременном прекращении движения.
Стояночная парковка
При этом положении селектора ведомый вал АКПП блокируется выдвигающимся штифтом. Колеса не проворачиваются, и автомобиль фиксируется на месте. Однако нужно использовать и стояночный тормоз, чтобы исключить нагрузку блокиратора при наличии склона. Для того чтобы исключить случайный перевод рукояти в положение «P», стояночное переключение можно выполнить только при нажатой педали тормоза.
Ручное управление
Конструкция вариатора не предусматривает наличие передач с фиксированным соотношением. Поэтому движение машины на ручном управлении является всего лишь условной имитацией ступенчатых переключений. При этом электроника все равно будет отслеживать обороты двигателя и при критических показателях переключать передачи автоматически. Это необходимо для защиты вариатора от непредвиденных перегрузок.
Дополнительные режимы
Наличие дополнительных режимов работы двигателя и вариатора определяется производителем конкретной марки автомобиля.
Их делают для возможности обеспечения наиболее оптимальной эксплуатации в особых условиях движения.
- Спортивный стиль вождения «S» обеспечивает резкие старты и торможение. Это достигается уменьшением скорости переключений вариатора, что приводит к кратковременному увеличению оборотов двигателя при большей тяге.
- Экономичный режим «E» является полной противоположностью спортивному стилю. Вариатор настроен на максимально возможное взаимодействие с приводом силового агрегата. Плавная работа двигателя без нагрузок позволяет существенно сократить расход топлива.
- Режим «L» рассчитан на эксплуатацию автомобиля в сложных условиях бездорожья. Вариатор использует только пониженные передачи и переключается на более высоких оборотах двигателя.
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 центру («шестерёнка» 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.
Типы вариаторов
Во многих узлах и агрегатах нашли широкое применение различные конструкторские решения вариаторов, которые плавно изменяют передаточное число от двигателя к колесам, но в автомобилестроении ужились пока только два их типа:
- Клиноременной;
- Тороидный.
Клиноременной
В основу устройства клиноременного вариатора входят два шкива конической формы и одна или двух ременная передача.
Ремень имеет клиновидную форму и может быть изготовлен из резины, набора металлических пластин или цепи. Но это только влияет на надежность работы всей системы, но никак на принцип ее работы.
Конструктивно предусмотрено раздвигание и сдвигание шкивов, благодаря чему и происходит изменение их диаметров.
Резиновый ремень.
Благодаря клиновидной формы ремня, последний соприкасается со шкивом боковыми сторонами, что обеспечивает надежную передачу вращательного момента продолжительное время (для резиновых ремней 50 000 км, но это еще не предел).
Изменение передаточного числа происходит за счет сдвигания и раздвигания, ведущего и ведомого шкивов.
При малых оборотах двигателя диски ведущего шкива разжаты, соответственно имеют малый диаметр. Ведомые диски, наоборот, сжаты и имеют больший диаметр.
При увеличении оборотов двигателя под воздействием центробежных сил и различных приводов, диски ведущего шкива сжимаются, а ведомого, наоборот, разжимаются, при этом уменьшается передаточное число.
Чтобы диаметры шкивов изменялись синхронно с возникающими нагрузками на двигатель, в автомобиле с коробкой CVT предусмотрена электронная система управления, которая также совместно управляет и работой планетарного редуктора и сцепления.
Планетарный редуктор обеспечивает движение автомобиля задним ходом, так как конструктивно вариатор не может обеспечить такое движение.
Благодаря электронной системы управления, после выхода автомобиля на крейсерскую скорость, CVT трансмиссия поддерживает те обороты двигателя, которые наилучшим образом будут подходить для хорошей динамики движения автомобиля.
Во время различных экспериментов было установлено, что оптимальный угол наклона внутренних стен шкива должен быть 20 градусов.
В разных устройствах сдвигание и раздвиганье шкивов происходит за счет гидравлики, пружин или центробежных сил.
Резиновые передачи в клиноременных вариаторах зарекомендовали себя плохо, поэтому сейчас в основном устанавливают передачи из цепи или металлических пластин.
Это в значительно мере повысило надежность и увеличило ресурс работы системы и уменьшило шумы во время движения авто.
Так же, как разновидность, существуют клиноцепные трансмиссии, передача крутящего момента в которых происходит с помощью металлической цепи в основе которой лежат специальные пластины, соединенные осями.
КПД взаимодействия со шкивами в таких устройствах в значительной мере выше, чем в обычных клиноременных вариаторов, а значит, потери вращательного момента в них минимальны.
Для управления используется специальный рычаг селектора.
Клиноременной вариатор устанавливается на многих зарубежных автомобилях, у каждого производителя он конструктивно может отличаться и иметь свое название, к примеру:
Тороидный вариатор
Как видно из рисунка тороидный вариатор состоит двух вращающихся в противоположные стороны соосных валов, имеющих тороидную (сферическую) форму.
Между валами зажаты ролики, их тоже видно на рисунке выше, которые изменяя свое положение меняют передаточное число от ведущего к ведомому валу, при этом крутящий момент передается от роликов к валам за счет сил трения.
Основной проблемой, влияющей на надёжность работы всей системы и на КПД передачи крутящего момента, является пятно контакта роликов со сферическими валами.
Усилие прижатия в пятне контакта может быть колоссальным, в некоторых вариаторах оно может достигать 10 т., поэтому, помимо того, что материал в них должен быть высокотехнологичным, система управления тоже должна быть очень надежной.
К примеру, на вариаторе Extroid, который применяется на некоторых моделях Nissan, установлен специальный гидравлический механизм, управляемый электроникой, перемещая ролики с диапазоном в микроны.
Вариатор – бесступенчатая трансмиссия
Среди разновидностей трансмиссий выделяется бесступенчатый вариатор, отвечающий за передачу крутящего момента. Сначала небольшая историческая справка.
История вариатора
Когда речь заходит о предыстории вариаторного устройства, упоминается личность Леонардо да Винчи (1452–1519). В работах итальянского художника и ученого можно найти первые описания серьезно поменявшейся к XXI веку бесступенчатой трансмиссии. Мельникам Средневековья также был известен положенный в основу устройства принцип. Используя ременную передачу и конусы, мукомолы вручную воздействовали на жернова и изменяли скорость их вращения.
До появления первого патента на изобретение прошло без малого 400 лет. Речь идет о запатентованном в 1886 году в Европе тороидальном вариаторе. Успешное использование вариаторных трансмиссий на гоночных мотоциклах привело к тому, что в начале XX века в рамках соревнований вводился запрет на участие оснащенной вариаторами техники. Для сохранения здоровой конкуренции подобные запреты давали о себе знать на протяжении всего прошлого столетия.
Первое применение автомобильного вариатора датировано 1928 годом. Тогда усилиями разработчиков британской компании Clyno Engineering был получен автомобиль с трансмиссией вариаторного типа. Ввиду неразвитости технологии машина не отличалась надежностью и высокой эффективностью.
Новый виток истории произошел в Голландии. Владелец концерна DAF Ван Дорн разработал и внедрил конструкцию Variomatic. Продукция завода – это первый вариант массового применения.
Что такое CVT
Аббревиатура CVT – это Continuous Variable Transmission. В переводе с английского это означает «непрерывно изменяющаяся передача». На деле непрерывность проявляется тем, что смена передаточного числа никак не ощущается водителем (отсутствует характерные толчки). Передача крутящего момента от мотора к ведущим колесам реализуется без использования ограниченного количества ступеней, поэтому трансмиссию называют бесступенчатой. Если в маркировке комплектации авто встречается обозначение CVT, то речь идет о том, что используется вариатор.
Виды вариаторов
Элементом конструкции, отвечающим за передачу крутящего момента от ведущего вала к ведомому, могут быть клиновидный ремень, цепь или ролик. Если в качестве основания для классификации выбрать указанную конструктивную особенность, то получатся следующие варианты CVT:
- клиноременный;
- клиноцепной;
- тороидальный.
Зачем нужна бесступенчатая передача
Благодаря бесступенчатой передаче ДВС в любой момент своей работы будет передавать крутящий момент без задержек. Такие задержки происходят при изменении передаточного отношения. Например, когда водитель переводит рычаг МКПП в другое положение или автоматическая коробка передач выполняет свою работу. За счет непрерывной передачи авто плавно набирает скорость, возрастает КПД мотора, достигается определенная экономия топлива.
Вариатор
Вариатор (CVT) — вариант бесступенчатой трансмиссии, в процессе работы которой не происходит переключения передач. Простейшие модели вариатора использовались на мельницах, затем — на различных станках. Легковые автомобили стали оснащаться вариаторами во второй половине XX столетия, а расцвет бесступенчатой трансмиссии наступил уже в XXI веке.
Краткий обзор
Существует немало разновидностей вариаторов, в легковом автомобилестроении чаще всего встречаются следующие разновидности:
- клиноременная трансмиссия;
- клиноцепная трансмиссия
Клиноременной вариатор — самая распространенная разновидность вариатора на сегодняшний момент. Крутящий момент от движка в них передается с помощью трапециевидного металлического ремня. Ремень надевается на два шкива — один ведущий, передающий усилия от силового агрегата, и один ведомый, передающий усилие к колесам. Изменение диаметров шкивов изменяет передаточные числа, примерно соответствующие диапазонам обычных передач в коробке. Принцип работы клиноцепной трансмиссии схож, однако в них ремень меняется на цепь.
Плюсы и минусы
Вариатор имеет множество преимуществ по сравнению с МКПП и даже гидромеханическим автоматом. Однако отдельные недостатки конструкции не дают ему полностью вытеснить другие варианты трансмиссий.
К положительным качествам вариатора относятся следующие преимущества.
Высокий КПД трансмиссии. У вариатора нет расходов мощности на переключение передач, так что используется больший объем мощности, поступающий от двигателя.
Меньший расход топлива — этот плюс вытекает из предыдущего. Для достижения нужных показателей скорости вариатор использует меньший объем бензина.
Большая экологичность — меньший расход топлива определяет и меньшее количество вредных выбросов в выхлопе автомобиля.
Плавный разгон с лучшими показателями ускорения. Вариатор позволяет быстрее разгонять машину, так как нет затрат времени на переключение передач. Так что по динамическим характеристикам вариатор выигрывает и у МКПП, и уж тем более у коробки-автомат.
Отсутствие рывков. Так как у вариатора нет передач, то движение происходит плавно. Ускорение на автомобиле с вариатором напоминает езду на электромобиле или, например, троллейбусе. Это обеспечивает максимальный комфорт езды на машине с вариатором.
Дополнительный, но немаловажный плюс — отсутствие отката назад при трогании на неровной поверхности
Автомобиль с вариатором не заглохнет при трогании на горке и не откатится назад, что особенно важно для начинающих водителей.
Однако есть у вариатора и немало минусов, из-за которых он проигрывает другим типам трансмиссий.
- Вариатор невозможно установить на двигатели большой мощности — клиноременная или клиноцепная трансмиссия не способна передавать крутящий момент от двигателей мощностью более 220 л. с.
- Несмотря на хорошие динамические характеристики вариатор не подходит для спортивного типа езды. Он «не любит» высоких оборотов двигателя, резких ускорений, пробуксовок и т. д.
- Недостаточная надежность конструкции — наличие большого количества электроники приводит к усложнению системы. Поэтому поломка вариатора — достаточно распространенное явление. Кроме того, ремонт вариатора обходится дорого, к тому же настоящих специалистов по подобному типу трансмиссии не так много.
- Меньший ресурс коробки — ремень вариатора рекомендуется менять после пробега в 150 тыс. км вне зависимости от его физического износа.
- Требовательность к обслуживанию. Вариатор можно заправлять только оригинальным трансмиссионным маслом, которое обходится дороже аналогов.
- Вариатор не позволяет буксировать прицеп или другой автомобиль.
Как работает вариатор, общее устройство
Как отмечено, принцип работы вариатора полностью отличается от ступенчатых коробок. В основе этой трансмиссии лежит ременная передача.
Обычная передача такого типа состоит из двух валов, с установленными на них шкивами.
Передача вращения и усилия осуществляется ремнем. В такой передаче передаточное число – фиксированное и зависит оно от диаметров шкивов.
В коробке CVT же существует возможность изменять передаточные числа. Делается это за счет меняющихся диаметров шкивов.
Конструкция достаточно проста: имеется два параллельно расположенных вала. На них установлены шкивы, каждый из которых состоит из двух половин (тарелок).
Эти половины имеют конусную форму и могут перемещаться по валу относительно друг друга.
А работает все так: между конусными поверхностями шкивов помещен клиновидный ремень. При сведении или разведении половин шкивов, меняется их диаметр в месте контакта ремня.
То есть, при полностью сведенных половинах ремень движется практически по внешнему диаметру шкива, но при расхождении он проваливается между этими дисками.
Но таких шкива в конструкции вариатора два, а ремень удлиняться не может.
Вот и получается, что если у одного из шкивов половины расходятся, то у другого должны сходится, то есть работать они должны синхронно.
Таким образом и осуществляется изменение передаточного соотношения.
Но это только принцип работы. Конструктивно все выглядит значительно сложнее, хотя основными рабочими элементами остаются все те же шкивы и ременной привод.
Но в конструкцию дополнительно добавлено сцепление, электронная система управления, а также планетарный редуктор.
Поэтому коробка CVT состоит из:
- Электронной системы управления;
- Самого вариатора;
- Узлов и деталей, которые передают крутящий момент и включают нейтральную передачу;
- Планетарного механизма, для движения задним ходом.
В коробку CVT, в зависимости от производителя и модели, могут быть внедрены различные конструктивные решения, которые в большинстве случаев касаются сцепления.
Виды сцеплений:
- Вариатор Transmatic – автоматическое центробежное сцепление;
- Multimatic, Multitronic – мокрое сцепление, многодисковое с электронным управлением;
- Hyper – сцепление электромагнитное с электронным управлением;
- Autotronic, Extroid, Ecotronic, Multidrive, Lineartronic, Xtronic – с гидротрансформаторами.
В качестве сцепления зачастую выступает гидротрансформатор, такой же, как и на АКПП.
Гидротрансформатор работает при трогании машины с места, затем блокируется. Он очень мягко, без рывков, передает крутящий момент за что и получил большую популярность среди владельцев автомобилей.
ПОПУЛЯРНОЕ У ЧИТАТЕЛЕЙ: Вас остановил инспектор ГИБДД, ваши права
Перемещением дисков шкивов управляет электронный блок, который следит за рядом параметров работы двигателя и самой трансмиссии и на основе этого подает команды на исполнительные механизмы.
К примеру, при начале движения необходимо обеспечить максимальное тяговое усилие, для чего половины ведущего шкива нужно максимально развести, а ведомого – свести.
По мере набора скорости блок управления меняет диаметры шкивов, снижая передаточное соотношение.
Планетарный же редуктор в конструкции необходим для обеспечения движения задним ходом.
Минусы вариаторов
Не очень хороший звук. Вариаторы с самого начала имеют один естественный недостаток. Это ужасный звук самой коробки из-за движущегося внутри ремня или цепи. В том числе коробка идеально работает на больших оборотах двигателя. Поэтому многие водители, слыша подобный звук, начинают считать, что их коробка неисправна. Но это не так. Это особенность работы любого вариатора. К этому просто нужно привыкнуть.
При ускорении двигатель работает на максимальных оборотах. Многие жалуются на зависание высоких оборотов двигателя даже при движении на небольшой скорости. Например, часто бывает так, что после разгона высокие обороты двигателя остаются даже при снижении скорости. Это также является особенностью работы всех вариаторов. Но это нормально и не является, как полагают многие водители, какой-то недоработкой и несовершенством конструкции.
Вариатор скучен. Многим водителям, несмотря на отсутствие передач, не нравятся вариаторы за их скучный характер. Все-таки больше вариатор подходит для тех, для кого важна экономия топлива, но не мощность, динамика разгона и скорость. Именно поэтому в спортивные автомобили автопроизводители стараются не ставить вариаторы. Многие водители сравнивают вариаторы с тостерами, которыми мы пользуемся, чтобы поджарить хлеб. Ведь этот процесс не вызывает у нас никаких эмоций. Также и автомобили с вариаторами чаще скучны по сравнению с теми машинами, которые оснащены другими видами трансмиссии.
Надежность. Вы заметили, что вариаторы, как правило, устанавливаются на небольшие современные автомобили? Зачастую это компактные легковые автомобили или компактные кроссоверы, которые созданы больше для практичности, чем для спортивности или для перевозки груза. И это не случайность. Дело в том, что вариаторы не способны обрабатывать большой крутящий момент без вреда конструкции трансмиссии.
Дорогое техническое обслуживание. Это один из самых главных минусов вариаторов. Ремонтные расходы для коробок CVT (вариаторов) огромны. Дело в том, что детали для вариатора стоят очень дорого. Кроме того для ремонта вариатора вам нужен будет узкий специалист, разбирающийся в этом виде трансмиссий. К сожалению, хороших специалистов по вариаторам немного. Как правило, несмотря на простоту конструкции вариатора, стоимость ремонта этой коробки может быть даже больше, чем стоимость восстановления автоматической и механической трансмиссии.