Вариатор (CVT) автомобильный. Устройство и принцип работы

Существует большое количество работоспособных конструкций вариаторов, однако в автомобилестроении нашли применение только клиноременный и тороидный.

Вариатор — (от лат. variātor «изменитель») это автоматическая трансмиссия, способная плавно изменять передаточное отношение в некотором диапазоне. Неформальное название – вариаторная коробка передач или АКПП вариатор.

CVT — общепризнанная мировая аббревиатура вариатора от английского continuously variable transmission (в переводе – постоянно изменяющаяся трансмиссия).

Рис. Современный клиноременный вариатор

В настоящий момент наибольшее распространение получил клиноременный вариатор. Впервые клиноременный вариатор «Variomatic CVT» был представлен в 1958 году на легковом автомобиле «DAF». Его приемник вариатор «Transmatic» с 1984 года начал устанавливаться на автомобили «Fiat» и «Ford». Клиноременный вариатор – это стандартная автоматическая трансмиссия для множества автопроизводителей, выпускаемая под собственными названиями:

• «Autotronic» от «Mercedes-Benz»;
• «Ecotronic», «Durashift CVT» от «Ford»;
• «Lineartronic» от «Subaru»;
• «Multidrive» от «Toyota»;
• «Multimatic» от «Honda»;
• «Multitronic» от «Audi»;
• «Xtronic», «Hyper» от Nissan.

Клиноременные вариаторы также устанавливаются и на некоторые модели автомобилей «Chrysler» («Dodge», «Jeep»), «Fiat», «Mini», «Mitsubishi», «Opel», «Peugeot» и др. Помимо этого аналоги бесступенчатой трансмиссии «Variomatic» используются в современных мотороллерах (скутерах), являясь их стандартным элементом примерно с 80-х годов XX века. Вариатор ставят на скутеры с наиболее ходовыми объемами двигателей (50, 70 и 125 см³) таких компаний как «Malossi», «Polini», «Doppler» и др.

Наиболее известный тороидный вариатор выпускает компания «Nissan» под именем «Extroid».

Устройство вариатора

Вариатор как коробка передач включает в себя следующие элементы:

• механизм, передающий крутящий момента и разъединяющий коробку передач и двигатель (нейтральное положение);
• собственно вариатор;
• механизм, обеспечивающий движение задним ходом (реверс);
• блок управления.

Для передачи крутящего момента и разъединения вариатора и двигателя могут быть использованы:

• центробежное автоматическое сцепление («Transmatic»);
• электромагнитное сцепление с электронным управлением ( «Hyper»);
• многодисковое мокрое сцепление с электронным управлением ( «Multitronic», «Multimatic»);
• гидротрансформатор («Autotronic», «Ecotronic», «Extroid», «Lineartronic», «Multidrive», «Xtronic»).

Последний вариант является самым популярным, потому что гидратрансформатор обеспечивает плавность работы механизма при передаче крутящего момента, следствием чего является больший ресурс вариатора.

В автомобильных вариаторных коробках передач применяют электронное управление, основными функциями которого являются:

• осуществление изменения передаточного отношения вариатора в соответствии с режимами работы двигателя;
• управление гидротрансформатором/сцеплением;
• обеспечение работы планетарного редуктора.

Непосредственное же управление вариатором водитель производит при помощи рычага селектора. Режимы управления аналогичны режимам обычной АКПП. Также в CVT может быть реализована возможность выбора фиксированных передаточных отношений (аналог функции «Tiptronic»). Наличие данной функции в первую очередь позволяет преодолеть негативное восприятие многими водителями постоянной скорости вращения двигателя при разгоне. У ряда производителей данная функция называется иначе: «Sportronic» у «Mitsubishi», «Autostick» у Chrysler.

Конструкция клиноременного вариатора

Клиноременный вариатор состоит, как правило, из одной, реже двух ременных передач. Передача включает два шкива, соединенные клиновидным ремнем. Шкив образуют два конических диска, которые могут сдвигаться или раздвигаться, обеспечивая тем самым изменение диаметра шкива. Для сближения конусов используется гидравлическое давление, центробежная сила, усилие пружин. Конические диски имеют угол наклона около 20°, который обеспечивается перемещение ремня по поверхности шкива с наименьшим сопротивлением.

Рис. Схема работы клиноременного вариатора

На ранних клиноременных вариаторах ремень был выполнен из резины (как на современных скутерах), что делало его недолговечным (примерно 50000 км пробега) и недостаточно гибким (радиус изгиба не менее 90 мм). Плохая гибкость приводила в итоге узкому диапазону регулирования. Подавляющая часть современных вариаторных КПП применяют гибкий клиновидный толкающий ремень из нескольких стальных лент (порядка 10 – 12) и связанных с ними фасонных пластин в виде «бабочки». Передача крутящего момента осуществляется за счет сил трения между шкивами и боковой поверхностью ремня. Такая конструкция даёт высокую прочность, долговечность, гибкость (минимальный радиус изгиба 30 мм) и низкий уровень шума. Именно появление металлического клиновидного ремня позволило широко использовать вариатор на автомобилях, так как он мог передавать значительный крутящий момент.

Рис. Цепь вариатора

Другой вариант – это использовать металлическая цепь («Multitronic», «Lineartronic»). Такие CVT называют клиноцепными (их считают подклассом клиноременных). Металлическая цепь в таком вариаторе состоит из тонких пластин соединенных осями, что обеспечивает лучшую гибкость (радиус изгиба около 25 мм). Крутящий момент в отличие от клиноременного вариатора передается торцевой поверхностью цепи при ее точечном контакте с коническими дисками. В местах контакта возникают высокие напряжения, поэтому диски изготавливаю из высокопрочной подшипниковой стали. Клиноцепной вариатор обладает лучшим КПД в сравнении с другими CVT.

Конструкция автомобильных CVT не способна обеспечить реверсивное движение. Чтобы дать возможность автомобилю двигаться задним ходом в вариаторных коробках передач применяются дополнительные механизмы. Таким механизмом чаще всего выступает планетарный редуктор, который устроен и имеет принцип работы аналогичный редуктору автоматической коробки передач.

Некоторые особенности тороидного вариатора

Рис. Тороидный вариатор

Тороидный вариатор состоит из двух соосных дисков с тороидными поверхностями, между которыми зажаты ролики. Один диск является ведущим, а другой — ведомым. Изменять передаточное отношение в таком вариаторе осуществляют, меняя положения роликов. Передача крутящего момента обеспечивается только силами трения между тороидными поверхностями дисков и роликами. Часто одна тороидная коробка состоит из двух тороидных передач.

Схема работы тороидного вариатора

Принцип работы вариатора на автомобиле

Принцип работы вариатора на автомобиле заключается в изменении диаметров шкивов (для клиноременного вариатора) или положения роликов зависимости от режима работы двигателя. Диаметр шкива изменяется с помощью специального привода. В начале движения автомобиля обеспечивается максимальное передаточное отношение. В этом случае, если вариатор клиноременный, то ведущий шкив вариатора имеет наименьший диаметр – конические диски максимально разжаты, а ведомый шкив при этом имеет максимальный диаметр – конические диски максимально сжаты. Если вариатор тороидный, то ролики повернуты к ведущему диску с тороидной поверхностью. При увеличении числа оборотов двигателя диаметр ведущего шкива увеличивается, а ведомого – уменьшается, соответственно и уменьшается передаточное число. В тороидном вариаторе происходит поворот роликов к ведомому диску. При дальнейшем разгоне вариатор поддерживает оптимальные обороты двигателя, при которых реализуется максимальная экономия топлива и наилучшая динамика автомобиля.

Преимущества и недостатки вариатора

Преимущества:

• Главное преимущество вариатора по сравнению с другими коробками передач заключается в эффективном использовании мощности двигателя, благодаря оптимальному согласованию нагрузки на автомобиль с оборотами коленчатого вала двигателя, тем самым достигается высокая экономичность.
• Плавное изменение крутящего момента, из-за отсутствия рывков при переключении передач, обеспечивает высокий уровень комфорта при передвижении на автомобиле с вариатором.

Недостатки:

• Ввиду ограничений по передаваемой мощности вариаторы на сегодняшний день применяются только на легковых автомобилях, но диапазон их использования вследствие технического прогресса постоянно расширяется.
• Другой недостаток CVT заключается в достаточно высокой технической и технологической сложности конструкции, что сказывается на стоимости производства и обслуживания.
• Считается, что вариатор имеет пониженный срок службы в сравнении с другими автоматическими автомобильными трансмиссиями.