История вариатора (бесступенчатой коробки передач)

Вариатор — это оптимальный способ изменения передаточного отношения между силовым агрегатом автомобиля и его колёсами. Новые природоохранные предписания и улучшенная конструкция могут сделать бесступенчатую трансмиссию с ременным приводом системой переключения передач будущего.

Вариатор — бесступенчатая коробка передач с неограниченным количеством передаточных чисел — почти так же стар, как и сам автомобиль. В 1886 году, в Германии, например, пионеры автомобилестроения Даймлер (Daimler) и Бенц (Benz) свой первый автомобиль с бензиновым двигателем оснастили резиновым клиноременным вариатором.

С тех пор было предпринято множество попыток оборудовать автомобили такими автоматическими коробками передач, вспомните, к примеру, британскую тороидальную тягово-роликовою вариаторную систему «Torotrak». Сегодня их аналоги с зубчатой передачей — и ручные, и автоматические — взяли на себя задачу передачи мощности и крутящего момента от двигателя автомобиля колесам. В течение прошлого столетия автомобилестроители и фирмы-поставщики трансмиссий совершенствовали традиционную конструкцию коробки передач и инвестировали огромные денежные суммы в заводы, необходимые для их массового производства.

Несмотря на бесспорное господство коробки передач, автомобильная бесступенчатая трансмиссия (continuously variable transmission — CVT) всё ещё в ходу, и, если верить инженерам нидерландского «Van Doorne’s Transmissie B.V.» («VDT») из Тилбурга — разработчикам современной вариаторной технологии, — её время приближается. Эмери Хендрикс (Emery Hendriks) — генеральный директор научных исследований и разработок компании «Van Doorne» — считает, что для этого много причин, но главным образом две:

во-первых, экономия топлива и динамические характеристики, обеспеченные новейшим вариатором, не уступают и даже оставляют позади сегодняшние сложные и дорогостоящие коробки передач, которые, как утверждает Хендрикс, начинают достигать пределов практичности и экономической целесообразности;
во-вторых, все более ужесточающиеся правительственные нормативные акты в отношении расхода топлива (требования американского Закона о среднем расходе топлива автомобилями, выпускаемыми корпорацией) и выхлопных газов вынуждают автоинженеров рассмотреть возможность использования высокоэффективных стационарных двигателей, предназначенных работать в ограниченном диапазоне числа оборотов — все в пользу бесступенчатой трансмиссии. В дальнейшем все эти природоохранные предписания, наверно, вынудят разработку транспортных средств с гибридным приводом, использующих разнообразные односкоростные силовые агрегаты — применение бесступенчатой трансмиссии тут как нельзя кстати.

Современная бесступенчатая трансмиссия CVT состоит из многосегментного стального толкающего ремня, который проходит между парой шкивов переменной ширины, чьи внешние поверхности образуют мелкие конусы. Ремень, который включает в себя сотни тонких стальных пластин или элементов, скрепленных стальными пружинящими лентами, перемещается в клиновидных канавках, образованных внешними сторонами конусов. Каждый шкив нажимает на элементы ремня по мере их движения по кругу. Управляемый коленчатым валом входной шкив выталкивает стек элементов в выходной шкив, вызывая его вращение. Данная конфигурация толкающего ремня может передавать крутящий момент, который разорвал бы обычный «тяговый» приводной ремень на кусочки. При необходимости изменения передаточного числа, конусы шкивов гидравлически сдвигаются (раздвигаются), вызывая дальнейший ход ремня от (к) вала, эффективно увеличивая (уменьшая) диаметр шкива. В результате мы получаем плавное переключение передач, «неограниченное» число этих «передач», и потенциально больший диапазон механического преимущества.

Видео. Работа вариатора Audi Multitronic

Несмотря на свою относительную неизвестность, есть несколько признаков того, что вариаторные технологии идут в гору. Большинство американцев с удивлением узнают, что в настоящее время более чем у миллиона малолитражных автомобилей японского и европейского производства, в том числе «Fiat», «Ford», «Nissan», «Subaru», и «Volvo», — под капотом CVT, разработанная «Van Doorne». Используя технологию, лицензированную у «Van Doornе», такие блоки бесступенчатых трансмиссий производятся в основном «Fuji Heavy Industries Ltd.» и предприятием «Ford of Europe» на больших специализированных заводах, расположенных соответственно в Ойзуми (Япония) и Бордо (Франция).

Улучшение топливной экономичности

“Мы думаем, что будущее вариатора в его топливной экономичности”, — заявил Билл фон Шэарденберг (Bill van Schaardenburgh) — менеджер по специальным проектным операциям компании «Ford of Europe», которая инвестировала значительные средства в производство вариаторных технологий. “После долгого и трудного старта, «Ford of Europe» начала производство вариаторов для 16-клапанных моделей двигателей — 1,3-литровых «Fiesta» и 1,6-литровых «Escort»”. По его словам, завод компании «Ford» в Бордо обладает годовой производительностью в 125 тыс. единиц, с возможностью расширения до 150 тыс. штук в год.

Тем временем, «Fuji Heavy Industries» («FHI») продолжает сборку вариаторов, лицензированных «Van Doorne», для «Subaru», «Nissan» и «Fiat» на своем заводе в Ойзуми, который способен производить около 200 тыс. коробок в год. “Мы были убеждены в надежности конструкции и производственного процесса вариаторов”, — сказал Йошиаки Касай (Yoshiaki Kasai), директор «FHI» по проектному планированию.

Особый успех вариатора — небольшой автомобиль «Nissan Micra». «Мы хотели, чтобы «Micra» была удобна для города и комфортна на шоссе. А вариатор тут — естественный выбор», — говорит Мотоя Усами (Motoya Usami), вице-президент по товарно-рыночной стратегии компании «Nissan Europe». — “Мы добавили электронные элементы управления базовой бесступенчатой трансмиссии CVT, в результате чего была создана N-CVT”. Потребительский отклик, как отмечает Усами, был очень позитивен: “После успеха «Micra», «Nissan» обдумывает применение вариатора и на крупных, и на небольших автомобилях”. Например, «AP-X», новый концепт-кар «Nissan», представленный на последнем токийском автосалоне, оснащён вариатором и среднеразмерным двигателем мощностью в 250 л. с.

В то же время, более продвинутые вариаторы для более крупных транспортных средств разрабатываются компаниями «VDT» и «ZF Getriebe» в городе Пассау (Германия), крупнейшими европейскими изготовителями трансмиссий. К примеру, инженеры «Van Doorne» установили вариатор новой конструкции в два минивэна «Chrysler Voyager», которые демонстрируют общее повышение топливной экономичности примерно на 10 % и улучшенные характеристики ускорения на дорожных тестах. Кроме того, у германских «Porsche AG» в Вайссахе, штутгартского предприятия «Robert Bosch» и других компаний в стадии разработки сложные вариаторные системы с электронным управлением, предназначенные для будущих автомобилей.

Вероятно, самым впечатляющим применением таких бесступенчато-регулируемых передач стал гоночный автомобиль c вариатором «Canon-Williams Renault Formula One», который приводится в действие двигателем «Renault V10» мощностью 800 л. с.. Технический директор компании Williams Патрик Хед (Patrick Head) уверен, что этот автомобиль, вероятно, сегодня выигрывал бы гонки, если б изменения правил в середине 1993 года не запретили бы такие «средства помощи водителю» как активную подвеску, трэкшн-контроль и бесступенчатую трансмиссию. Гоночная команда «Williams» в 1990 году начала программу установления бесступенчатой трансмиссии на автомобили «Формулы 1» “для достижения большего числа оборотов двигателя на километр пробега, так что вообще-то мы обеспечили более эффективное использование потенциала мощности двигателя”, — уточнил Хед.

Наконец, по данным прессы автопрома, крупнейший японский автопроизводитель планирует довезти седан, оборудованный вариатором, — по слухам, Honda Civic, — к берегам США в 1996 году.

Если вариаторные технологии столь многообещающи, почему же они не нашли большего применения? Полюбуйтесь хотя бы на далеко не самые восторженные отклики американской общественности на «Subaru Justy», оборудованную вариатором, в конце 1980-х. Хотя неудачу японских машинок на американском рынке можно объяснить другими факторами (помимо инновационной системой передачи мощности), — американские водители, как правило, воспринимают незнакомую бесступенчатую трансмиссию «Justy», как вялую и шумную. К примеру, при старте с места, скорость двигателя этого «Justy» подскочит до относительно высоких постоянных оборотов в минуту, а машина же будет ползти постепенно, «догоняя» легко разгоняемый эластичный двигатель лишь на высоких скоростях. Автоинженеры называют это «эффектом резинки» или «рогатки». Маленькая малолитражка также оставляла общее впечатление о том, что вариаторы пригодны только для небольших автомобилей с небольшими силовыми агрегатами. Немного внимание было уделено тому, что вариатор (CVT) предлагает показатели топливной экономичности и ускорения близкие к обеспеченными дополнительной пятиступенчатой механической коробкой передач.

Научные исследования и разработки

Тот, кто никогда не терял веру в концепцию вариатора — это Хаб ван Дурн (Hub van Doorne), который в 1958 году представил автоматическую бесступенчатую коробку передач («Variomatic CVT»), базирующуюся на двойной резиновой клиноремённой системе, используемой в трансмиссиях тяжелого машиностроения. Сначала их можно было использовать только на маломощных автомобилях, но дальнейшие усовершенствования резиновых клиновых ремней сделали их пригодными для двигателей объемом до 1,4 л. Впервые под маркой «DAF», голландской автомобильной компании, и с 1975 под маркой «Volvo» в Голландии около 1,2 млн. автомобилей были оснащены автоматической бесступенчатой коробкой передач.

В середине 1960-х голландские автомобильные исследователи изучали разработку более компактных вариаторов, которые можно соединить с более мощными двигателями. После анализа был сделан вывод, что металлорёменный вариатор может достичь большей «величины удельной мощности», чем фрикционный привод. Мало того, когда металлический толкающий клиновый ремень сравнили с клиновыми цепями, первый вышел вперёд. В начале 70-х, ван Дурн сформировал расчётно-испытательную инженерную группу (позже известную как «VDT») с целью разработать вариаторную технологию, способную работать с более крупными двигателями, а это означало разработку лучшего приводного ремня — важнейшего компонента бесступенчатой трансмиссии.

Интересно, что принцип стального толкающего ремня был открыт случайно. Цитируем Эмери Хендрикса: “Инженеры начали с ременной конструкции, состоящей из тонких стальных лент-хомутиков, но они были так сильно загружены шкивами, что прогибались”. Он говорит, что следующим шагом было добавление подвижных опор, которые предотвращали сгибание лент. После некоторых первоначальных испытаний “инженеры выяснили, что опорные блоки передавали крутящий момент, толкая друг друга по контуру шкивов”.

Получившийся толкающий клиновый ремень состоял из нескольких тонких стальных стяжных хомутиков, соединяющих V-образные блоки. Во избежание трения общее допустимое отклонение от стандартного размера у этих лент было очень ограничено. Эти блоки толщиной от 3 до 6 миллиметров могли свободно перемещаться по ленте, подталкивать друг друга, тем самым, передавая крутящий момент. Осевые валики прикрепляли эти ленты-хомутики к блокам. К сожалению, высокая точность механической обработки, необходимая для контакта поверхностей, сделала эту толкательную систему дорогой.

В 1978 году, «VDT» начала маркетинговое апробирование толкательно-вариаторной системы на двухстах «Fiat Ritmo/Strada» (с 1,5-литровым двигателем), имеющих центробежное сцепление и передаточное число равное 4.

Позже, было разработано более продвинутое и более дешёвое ременное устройство, работающее по тому же принципу механической передачи толчка. Инженеры «VDT» заменили блоки с жёлобами V-образного профиля тонкими клиновидными элементами, насаженными на 2 ряда тонких металлических лент, которые входят в пазы по бокам элементов. Этот так называемый «стандартный ремень» состоит примерно из 300 элементов шириной в 24 мм и толщиной 2—2,2 мм, а также двух рядов с 10 лентами в каждом. Многослойные ровные стальные ленты предоставляют силу предварительного натяжения, направляющую элементы на прямые участки дорожек ремня. Ленты передают немного крутящего момента, оставляя эту задачу стеку элементов. V-образные желобки шкивов из поверхностно-упрочнённой стали, по которым проходит ремень, образуют угол в 11 градусов.

По сути, новый клиноэлементный ремень — бесконечная вереница тонких, металлических пластин трапециевидной формы, фиксируемых осевой силой, которая производиться гидравлическим давлением, действующем на направляющие ролики. По мере растяжения лент, данные элементы передают крутящий момент, подталкивая друг друга. Таким образом, благодаря контактному нажатию между элементами и шкивами, входной крутящий момент можно преобразовать в силы трения в поперечном направлении. Сумма сил трения вызывает поперечные нагрузки, возникающие при боковых толчках, в стеке элементов, которые передают крутящий момент от ведущего шкива ведомому. В ведомом шкиве боковые нагрузки преобразуются в выходной крутящий момент. «Данные элементы подаются от ведущего шкива ведомому по ряду хомутов с предварительным натягом», — разъяснил Хендрикс. «Преимущество такого типа ременной конструкции состоит в том, что расстояние между элементами (так называемый «питч») очень мало, в результате чего достигается низкий уровень шума».

Обычно два клиновидных многороликовых блока — конусы, вершины которых лежат на осевой линии блоков. Когда оба многороликовых блока переместятся в сторону оси на одинаковое расстояние в противоположных направлениях, и то же самое произойдет с другим роликом, но в противоположном направлении, клиновой ремень сместится на иной радиус. Инженеры «VDT» выбрали не такую — менее тщательно продуманную — конструкцию, в которой 2 поперечно расположенных многороликовых блока, закреплены на своих валах в осевом направлении, тогда как остальные могут перемещаться. Ремень выстраивается точно в отношении скоростей 1:1, но при других параметрах возникает некоторое смещение. Чтобы это отклонение не доставило неприятностей, данные клиновидные направляющие ролики нужно сделать слегка выпуклыми, что позволит удержать ремень в устойчивом положении.

Две различные схемы размещения CVT для поперечно расположенных двигателей были разработаны фирмой «VDT» (или в сотрудничестве с ней). В таких системах используется клиноэлементный ремень, а диапазон передаточного отношения у них в районе 5. Бельгийские «Ford» и «VCST» («Vehicle Components St. Truiden», бывший «Volvo Car St. Truiden») используют модель «З811 СVT» с планетарной передачей для переключения переднего\заднего хода в сочетании с двумя многодисковыми муфтами сцепления, работающими в масле. У версии «FHI» (модель «P821») есть магнитопорошковое сцепление с электронным управлением.

Производство важнейших компонентов

Дик Сибелт (Dick Siebelt), менеджер по ременной продукции и технологическим процессам подчеркивает, что хотя «Van Doorne» и предоставляет лицензии на свои вариаторные технологии другим фирмам, она делает важнейший компонент системы — ремень — сама. Для изготовления ременных хомутов или лент, листы из стали с высокой усталостной прочностью закатываются в трубы и разрезаются на петли в процессе продольной резки. Затем эти петельки растягиваются до нужных размеров путем прокатки, после чего ленты подвергаются отжигу для снижения внутренних остаточных напряжений, точно обрабатываются до заданного размера, и закаляются, после чего азотируются для упрочнения поверхности. Далее следуют заключительные измерения, и ленты объединяются в подобранный комплект.

Сибелт заметил, что элементы с малыми допусками изготовляются с использованием методов аналогичных тем, которые применяются для производства высокоскоростных зубчатых передач или роликовых подшипников. Размерная точность элементов из стали для зубчатых колёс, должна быть выверена до микрона. Для этого сначала вырезают высокоточную заготовку, после чего они закаляются, зачищаются и подвергаются обдувке металлической дробью. На этом этапе они проходят сложную сортировку и отбор, чтобы соответствовать элементам аналогичных размеров.

“Критический размер — это высота той опоры, где проходят ленты”, — говорит Хендрикс. — “Ввиду фрикционных свойств важно иметь гладкую поверхность, поэтому внутренняя поверхность шлифуется. Все элементы должны поддерживать ленты, сохраняя одинаковую схему распределения нагрузки, иначе возникнут местные перегрузки”.

Норт Либрэнд (Nort Liebrand) — заместитель директора-распорядителя «VDT» — отметил, что целями совершенствования процессов массового производства толкающего ремня были повышение качества, расширение применения и снижение затрат. Также, он добавил, что уже произошло довольно «замечательное» уменьшение затрат, поскольку цена системы сократилась вдвое за прошлые шесть лет. Либрэнд прибавил, что ожидания компании дальнейшего на 30—40 % понижения цен в течение следующих пяти лет весьма реалистичны.

Вариаторы следующего поколения

Вариаторная система последнего слова техники под названием «модель P884», была установлена в два 3,3-литровых минивэна «Chrysler Voyager», которые продемонстрировали данные по топливной экономичности процентов на 10 лучше, чем аналогичные автомобили, оснащённые 4-ступенчатой автоматической коробкой переключения передач, а также улучшение на 1 секунду в ускорении с 0 до 62 миль в час (около 99,8 км/ч). Трансмиссия «P884» с максимальным диапазоном передаточного отношения в 5,8 оборудована системой с толкающим ремнём в 30 мм шириной и 1,5 мм толщиной, способной работать при крутящем моменте до 300 Н∙м. Хендрикс признается, что вариаторы «Voyager»’а отчасти продиктованы желанием продемонстрировать автопроизводителям высокие способности по передаче крутящего момента у бесступенчатой трансмиссии. Инженеры «Van Doorne» были уверены в этом результате, потому что десятилетие назад они опробовали 40-миллиметровый ремень на 16-тонном грузовике, который мог поддержать максимальный крутящий момент 400 Н∙м. Хендрикс сообщает, что ещё у «P884» есть полное электронное управление передаточным числом и линейным давлением, блокируемый гидротрансформатор крутящего момента, а также шиберный насос, управляемый по объёму и потоку. Он объяснил некоторые доводы инженеров «VDT» в пользу таких доработок системы:

Гидротрансформатор — гидромуфта, которая смягчает ударные нагрузки трансмиссии — с ограниченным повышением крутящего момента и блокировочной муфтой на электронном управлении, обеспечивает лучшие характеристики набора скорости при начале движения, а также больший диапазон передаточных чисел. Увеличенное передаточное отношение способствует снижению расхода топлива, а гидротрансформатор оставляет набор скорости при трогании с места адекватным вкусу американских водителей. Блокировочная муфта с электронным управлением блокирует закрытие сцепления на низких скоростях, в зависимости от условий движения. Таким образом, ненужных потерь мощности, вызванных «открытым» трансформатором, удается избежать.
Гидравлическое линейное давление важно для обеспечения достаточной осевой нагрузки на систему шкивов во избежание проскальзывания ремня. Чрезмерно высокий уровень давления стал бы причиной потерь мощности на толкающем ремне и насосе. Хендрикс соглашается, что в идеале, хотелось бы, чтобы система работала как раз на пределах проскальзывания. В связи с неожиданными динамическими условиями при езде, должен быть добавлен запас прочности. Специальный датчик управляет необходимым давлением в трубопроводе.
Вариаторные системы управления оперируют частотой вращения двигателя. Более независимое отношение между скоростью вращения двигателя и скоростью транспортного средства в вариаторе по сравнению с другими типами трансмиссий позволит работать двигателю при более постоянных условиях или сохранять оптимальный режим при изменении условий движения. Свобода выбора различных отношений между положением дроссельной заслонки и частотой вращения двигателя предоставляет возможность оптимизации расхода топлива, уровня выбросов, характеристик и удобства вождения.

Зигфрид Голль, руководитель отдела трансмиссий для легковых автомобилей компании «ZF» напоминает, что аналогичный подход был проявлен инженерами «ZF» при разработке их передовых бесступенчатых трансмиссий для среднеразмерных легковых автомобилей. Он рассказывает, что за последние несколько лет, «ZF» инвестировала более 50 миллионов немецких марок в разработку и сборку опытных образцов бесступенчато-регулируемой автоматической коробки передач «ZF-ECOtronic CVT», для автомобилей с 1,5—2,5-литровыми двигателями — значительной части европейского рынка. «CFT 20 E ZF-Ecotronic» — система с электронным управлением, оборудованная гидротрансформатором, насосом с управлением по объёму и потоку, а также электрогидравлическим блоком управления — может работать при крутящем моменте в 210 Н∙м и требует на 10 % меньше топлива, чем обычные автоматы. “Опытные образцы нам нужны были, чтобы убедить автопроизводителей”, — пояснил Голль. План компании состоит в том, чтобы продавать блоки CVT по цене 4-ступенчатой автоматической коробки передач, стремясь к числу продаж в 200 тыс. и более в год. “Мы ведем переговоры с большинством европейских автомобилестроителей, однако никаких решений принято не было. Мы планируем начать серийное производство в 1997—98 году”.

Стратегии в области электронного управления

Прочие фирмы сосредоточены на усовершенствовании элементов управления для вариаторов следующего поколения. «Интеллектуальная» автоматическая коробка передач, предоставляющая выбор между удобным автоматическим и активным ручным переключением передач «Tiptronic» компании «Porsche» и система «Mastershift» производства «Bosch» — примеры средств управления коробкой передач, которые реагируют на желание водителей и приспосабливаются к их поведению. В настоящее время механическая часть — лимитирующий фактор, ввиду ограниченного диапазона передаточных отношений и постоянного количества передаточных чисел. Идея, лежащая в основе системы «Bosch Mastershift» — связь через системную шину всех подсистем, влияющих на расход топлива, в том числе электронное управление коробкой передач, блоки электронного управления двигателем и электронного управления положением дроссельной заслонки. С «Mastershift», все функции активируются особым уровнем ускорения или замедления по желанию водителя. Система распознает это желание по изменению положения педали газа, преобразующегося в электрические сигналы. На основе этих данных электронный блок управления и соответствующее программное обеспечение рассчитывает мощность двигателя и лучшее передаточное число, необходимые для данного манёвра. Благодаря особой «нечёткой» логике управления с высказываниями не только «истина» и «ложь», но и с любыми промежуточными, эта система может приспособить выбор передаточных отношений к стилю водителя, а также текущей обстановке на дороге и условиям движения.

«VDT» и «Bosch» сотрудничают с «Porsche» в разработке «CVT» версии «Tiptronic», известного как «CVTip». С помощью этой системы, переключения вниз и вверх происходят под влиянием дополнительных входных сигналов от системы датчиков боковой составляющей ускорения для обеспечения более спортивных характеристик.

“Вариатор обеспечивает оптимальное управление при различных обстоятельствах”, — заявил Макс Уэлти (Max Welty), директор гоночного отдела «Porsche». — “Это особенно важно для спортивных автомобилей. Для идеального сочетания комфорта и спортивности, Porsche разработала стратегию в области управления CVTip”.

“Вариатор даёт новые возможности”, — продолжает Уэлти. — “Он позволяет вам ехать и ускоряться, постоянно задействуя полную мощность. Мы считаем, что вариатор предлагает лучшую возможность разрешения конфликта между большей мощностью и экономией топлива. Я убеждён, что будущее за вариатором, — не только в гоночных автомобилях, а и в серийных моделях тоже”.

Карл-Хайнц Штель (Karl-Heinz Stehle) — менеджер по разработкам в области трансмиссий германского центра «R&D» компании «Porsche» в Вайссахе — подтверждает это мнение: “Наша система «CVTip» — сознательно созданный инструмент на рынке, чтобы познакомить клиентов с новой технологией. Большая подготовительная работа подтвердила наши предположения о вариаторе и полностью оправдала все наши ожидания”.

Вариатор R&D

Хендрикс сообщает, что текущие исследования в «Van Doorne» направлены на совершенствование характеристик набора скорости и комфорта при начале движения, увеличение КПД при частичной нагрузке и, следовательно, снижении расхода топлива, особенно в городском цикле, а также расширение выбора режимов вождения. В конечном счёте, «VDT» занимается изучением того, как сделать так, чтобы у бесступенчатой трансмиссии диапазон передаточного отношения был больше 6, что поможет сравнять её с 8-ступенчатой коробкой передач.

Он делает вывод, что интеграция управления двигателем и бесступенчатой трансмиссией откроет окно к управлению приводом и оптимизации сочетания «двигатель-вариатор». Все увеличивающаяся сложность и стоимость современных управляемых электроникой автомобильных двигателей также представляется нам стимулом к интегрированному дизайну привода, оборудованному вариатором и стационарным силовым агрегатом. Наконец, в более отдаленном будущем, по оценкам «VDT» возможно в 2000 году, есть вероятность использования бесступенчатых трансмиссий в гибридных автомобилях с газотурбинным, электрическим или комбинированным инерционным (маховичным) приводом.

История вариатора (бесступенчатой коробки передач)