Вариатор: что это, как работает и чем хорош вариатор?
Вариатор сегодня заслужил довольно много симпатий. и вместе с ними разочарований владельцев, которых, впрочем, не так много. Но факт остаётся неизменным: несмотря на то, что вариатор был придуман очень давно, на сегодняшний день эта система является ещё достаточно «сырой» и не до конца доработанной даже самыми ведущими автопроизводителями.
В этой статье мы рассмотрим, что такое вариатор, как работает вариатор в типичном среднеразмерном автомобиле, чем он лучше АКПП и механической коробки — всё это мы узнаем, ответив на несколько вопросов на нашем пути:
- Чем вариатор лучше по сравнению со старой-доброй планетарной автоматической коробкой передач?
- Из каких частей состоит вариатор и как эти части работают?
- Какие недостатки имеет CVT по сравнению с обычными АКПП?
- Какое впечатление производит вариатор на водителя при управлении машины с ним?
- Какие марки и модели включают CVT?
- Есть ли другие варианты использования CVT, кроме автомобилей?
Во-первых, давайте рассмотрим, чем отличается вариатор от автомата и сравним его с традиционной автоматической коробкой передач.
Так выглядит вариатор «вживую»
Хронология инноваций в вариаторе
- 1490 — да Винчи показал общественности свои эскизы бесступенчатой трансмиссии (к автомобилям она, разумеется, не имела в то время никакого отношения).
- 1886 — подан первый патент на тороидальную CVT.
- 1935 — Dodge получает патент США на тороидальный вариатор.
- 1939 — впервые введена полностью автоматическая коробка передач на основе планетарной системы передач.
- 1958 — Daf (Нидерланды) также начинает оснащать свои автомобили вариатором.
- 1989 — Subaru Justy GL — первое американское производство автомобилей на вариаторах.
- 2002 — Saturn дебютирует с коробкой-вариатором.
- 2002 — Российские Лады (2112) получили возможность оснащаться вариатором вместо механической КПП.
- 2014 — Всё большее число новых автомобилей иностранных марок оснащаются вариаторами, и доля рынка автомобилей на CVT приближается к доле таковых на автомате.
Основы работы АКПП для понимания работы вариатора
Если Вы читали о структуре и функции автоматов, то Вы знаете, что работа такой трансмиссии являет собой изменение отношения передач между двигателем и колёсами автомобиля в автоматическом режиме. Другими словами, совсем без коробки передач автомобили будут иметь только одну передачу — оборудование, которое позволило бы автомобилю поехать на нужной скорости, и скорость эта зависела бы только от оборотов двигателя. Представьте себя на минуту за рулём автомобиля, который оборудован только первой передачей или машины только с третьей передачей. Первый автомобиль будет достаточно быстро ускоряться с места и сможет подняться на крутой холм, но его максимальная скорость будет ограничена до нескольких десятков километров в час. Второй автомобиль, с другой стороны, сможет ехать во многих случаях и более 100 км/ч по шоссе, но практически не сможет стартовать с места, особенно, в крутые холмы.
Таким образом, трансмиссия использует ряд передач — от низкого к высокой, чтобы сделать более эффективным использование крутящего момента двигателя на фоне изменения дорожных и скоростных условий машины. А шестерни в коробке передач могут заменяться вручную или автоматически.
В традиционной автоматической коробке передач шестерни — это буквально шестерни — взаимосвязанные, зубчатые колёса, которые помогают передавать и изменять вращательное движение и крутящий момент от двигателя к колёсам машины. Сочетание планетарных передач создаёт более различные передаточные числа, и передача может производить, как правило, до чётырех передач переднего хода в старых коробках и до 8 передач в новых коробках, а также одну передачу заднего хода. Когда циклы переключения передач сменяют друг друга, водитель может почувствовать толчки каждый раз, особенно, при быстром ускорении.
Как работает вариатор?
Если совсем не разбираться в работе вариатора, то может показаться, что внутри автомобиля сидят человечки и обеспечивают плавную езду машины — примерно как на рисунке
В отличие от традиционных автоматических коробок передач, бесступенчатая коробка передач (что и есть вариатор) не имеет определённого количества передач как такового, что означает, что она не имеет зубчатых шестерён. Наиболее распространённый тип вариатора работает на гениальной системе шкивов, что позволяет наличествовать бесконечным числом передач за счёт изменений толщины между двумя валами: ведущим и ведомым — без каких-либо дискретных шагов. А теперь поподробнее о самом главном: как же работает вариатор — каков общий принцип работы CVT?
В основе работы вариатора лежит принцип рычагов. Давайте постараемся визуализировать работу вариатора (а затем взглянем на картинку ниже). Представьте себе 2 вала, находящиеся рядом друг с другом, на разных концах которых прикреплены по конусообразному наконечнику. Эти валы расположены так, что конусы расположены на одном уровне рядом друг с другом (и каждый из конусов направлен в противоположные стороны). Теперь соединим эти два вала с конусами ремнём или цепью и придумаем такую конструкцию, чтобы мы могли перемещать валы вдоль их оси (перпендикулярно этому ремню), но этот ремень или цепь оставались на одном уровне. Таким образом, мы получим самый настоящий вариатор: представим, что один из этих валов ведущий (приводится в движение двигателем), а другой — ведомый (он раскручивается первым валом). Теперь, так как наконечники у нас конусообразные, мы, смещая один из валов (например, ведомый) немного назад, уменьшим изгиб ремня вокруг него, а сместив ведущий ремень также назад, мы, наоборот, увеличим радиус изгиба уже вокруг конуса ведущего ремня. Таким образом, мы получим такую ситуацию, когда ведущему валу надо сделать всего, к примеру, 2 оборота, чтобы раскрутить ведомый вал на 10 оборотов — получается, что при одном количестве оборотов двигателя, автомобиль будет ехать очень быстро. Если мы сместим теперь оба вала, наоборот, вперёд, то мы аналогично достигнем того, что ведущий вал сделает 10 оборотов, а ведомый — всего 2, что позволит нам забраться в крутую горку, тронуться с места или тянуть за собой тяжёлый груз.
Ниже на картинке визуально представлено то, что описано абзацем выше, за исключением лишь того, что конусы в реальном вариаторе не простые, а имеют по два шкива (на каждом валу по два шкива, которые обращены друг к другу и между которыми проходит ремень):
Видите, как меняется окружность двух концов ремня по мере того, как сужаются и расширяются конусы — именно за счёт этого меняется передаточное число между двигателем и колёсами автомобиля!
Если сравнить вариатор с автоматом — точнее, с планетарной системой автоматической коробки передач, то в последней Вы увидите сложный мир передач, тормозов, муфт, масляных каналов и регулирующих устройств. Для сравнения, вариатор по своему принципу работы является истинным идеалом простоты. Большинство современных вариаторов имеют только три основных компонента:
- Цепь высокой мощности или резиновый ремень особо состава также высочайшей прочности
- 2 конусообразных шкива, обращённых друг к другу, на ведущем валу
- 2 конусообразных шкива, обращённых друг к другу, на ведомом валу
Ну и, конечно же, работу вариатора очень сложно себе представить без отточенной работы бортового компьютера, который обеспечивает изменение положения шкивов в зависимости от нагрузки и скорости автомобиля. Таким образом, вариатор состоит из различных микропроцессоров и датчиков, но три компонента, описанные выше, являются ключевыми элементами, которые составляют «сердце» технологии работы вариатора.
Каждый шкив состоит из двух 20-градусных конусов, обращённых друг к другу. Ремень или цепь входит в паз между двумя конусами. В случае с вариатором клиновидные (в виде трапеции, если смотреть в разрез) ремни являются предпочтительными, если ремень выполнен из резины. Клиновые ремни, собственно, и получили своё название от того, что ремни имеют V-образное сечение, что увеличивает площадь соприкосновения и, соответственно, трение при сцеплении ремня со шкивами.
Когда два конуса шкива находятся далеко друг от друга, ремень движется глубже в образовавшейся канавке, и радиус петли ремня вокруг шкива уменьшается. Когда шкивы сближаются (когда диаметр уменьшается), ремень поднимается в канавке, и радиус петли ремня вокруг шкива, соответственно, становится больше. В вариаторах могут использоваться гидравлическое давление, центробежная сила или натяжение пружины, чтобы создать силу, необходимую для сближения половинок-шкивов.
Шкивы с переменным диаметром должны всегда располагаться парами. Один из шкивов, известный как ведущий шкив, соединён с коленчатым валом двигателя. Ведущий шкив также называют «входным«, потому что в этом случае энергия от двигателя «входит» в коробку передач. Второй шкив называют ведомым шкивом, потому первый шкив поворачивает его.
Расстояние ремня от центра шкивов, где проходит этот ремень, известно как «радиус основного тона«. Когда шкивы далеко друг от друга, радиус основного тона уменьшается. Когда шкивы близко друг к другу, ремень поднимается, и радиус увеличивается. Отношение радиуса основного тона на ведущем шкиве к радиусу на ведомом определяет сложный механизм, управляемый компьютером. Когда один шкив увеличивает свой радиус, другой, напротив, уменьшает свой радиус, и происходит это синхронно, что позволяет удержать ремень натянутым. Поскольку эти два шкива изменяют свои радиусы относительно друг друга, они создают бесконечное число передаточных чисел — от самого низкого к максимально высокому и всему, что находится между ними. Например, когда радиус основного тона мал у ведущего шкива и большой у ведомого шкива, то скорость вращения ведомого шкива уменьшается, что приводит к более низкой передаче. А когда наоборот, то достигается более высокая передача, имеющая свой максимум. Таким образом, в теории, вариатор имеет бесконечное число «передач».
Простота и бесступенчатая природа CVTs делают его идеальным вариантом коробки и чётко даёт ответ на вопрос что лучше: вариатор или автомат. Между тем, вариаторы используются не только в автомобилях, но и для различных машин и устройств. Так, CVT использовались в течение многих лет в электроинструментах и, в частности, сверлильных станках. Они также используются в различных других транспортных средствах, в том числе тракторах, снегоходах и мотороллерах.
Пример использования вариатора в велосипедах
Как устроен клиновидный ремень?
Внедрение новых материалов делает вариаторы еще более надежными и эффективными. Одним из наиболее важных достижений была разработка и создание металлических «клиновидных» ремней для подключения шкивов в качестве замены резиновым ремням и цепям. Эти гибкие ремни состоят из нескольких (обычно от 9 до 15) тонких полос из стали, которые все вместе составляют высокопрочный состав.
Устройство клиновидного ремня
Плюсы клиновидных ремней заключаются в том, что они не скользят и очень прочны, что позволяет вариаторам работать с большими значениями крутящего момента двигателя. Они также тише, чем резиновые ремни.
Цепь и клиновидный ремень вариатора
Как работает тороидальный вариатор?
Хотя система тороидального вариатора кажется значительно более другой, все компоненты аналогичны системе вариатора со шкивами и ремнём и приводят к тем же результатам — бесступенчатой работе коробки передач. И вот как это работает:
- Один диск подключается к двигателю. Это эквивалентно ведущему шкиву.
- Другой диск соединяется с приводным валом. Это эквивалентно ведомому шкиву.
- Колёсики, расположенные между дисками, действуют как ремень, изменяя передаточное число, передаваемое с одного диска на другой.
Колёсики могут вращаться по двум осям. Они вращаются вокруг горизонтальной оси и наклоняются вокруг вертикальной оси, что позволяет им касаться дисков в различных областях.
Чем хорош вариатор? Все его плюсы и минусы
Вариаторы становятся все более популярными в автомобилях, и не зря. Они могут похвастаться целым рядом преимуществ, которые делают их привлекательными как для водителей, так и для экологов. В таблице ниже приведены некоторые из ключевых особенностей и плюсов вариаторов.
| Особенность | Плюсы |
|---|---|
| Постоянное, бесступенчатое ускорение от полной остановки до крейсерской скорости. | Плавная езда, отсутствие рывков во время переключения. |
| Удержание машины в оптимальном диапазоне мощности независимо от того, как быстро машина едет. | Улучшенная топливная экономичность. |
| Лучшая реакция на изменяющиеся условия, такие как наклон дороги и скорость авто. | Автомобиль почти никогда не замедляется вынужденно, даже при движении в горку. |
| Меньшая потеря мощности в вариаторе, чем в типичном автомате. | Лучше динамические показатели, чем в АКПП. |
| Лучшая работа оборотов двигателя. | Меньшее количество выбросов. |
| Простота конструкции и малое количество составляющих. | Меньшая масса вариатора, чем автомата. |
Тем не менее, несмотря на существенные и многочисленные плюсы вариатора, он не так хорошо, как может показаться на первый взгляд. Давайте перечислим недостатки вариаторов:
- Вариаторы, несмотря на свою простоту, требуют всё же регулярного обслуживания, которое выходит за рамки простой диагностики. Всё дело в ремне CVT, который достаточно быстро изнашивается (это не относится только к цепным ремням), и потому его нужно менять примерно каждые 50-60 тысяч километров (в зависимости от модели авто и вариатора, соответственно, замена может понадобиться раньше или позднее). Для сравнения, только диагностическое ТО автомата требуется проводить в среднем на пробеге от 60 до 100 тысяч километров (опять-таки, цифры разнятся в зависимости от модели).
- В силу своей конструкции вариатор плохо пригоден для сильных нагрузок, и потому его редко используют для автомобилей, предназначенных для езды по тяжёлым дорожным условиям (внедорожников, в частности).
- Общий срок службы вариаторов довольно низок опять-таки в силу их конструкции.
- По причине под номерами 1 и 3, в общем-то ряд сервисных центров официальных дилеров попросту отказываются ремонтировать вариатор в случае его поломки, потому что нередко его полная замена намного легче. Но владельцу авто это может обойтись в цену до 30-40% от стоимости всего автомобиля.
- У вариатора есть некоторый эффект «задумчивости» — для переключения передач ему требуется около 1-2 секунд, что для некоторых водителей не очень комфортно.
Таким образом, отвечая на вопрос «что надёжнее: вариатор или автомат?», можно смело отдать предпочтение АКПП, несмотря на гораздо более сложную конструкцию последнего.
Автомобили с вариаторами были распространены в Европе в течение многих лет. Но потребовалось некоторое время, чтобы технология вариаторов закрепилась в России. Сегодня всё больше водителей предпочитают автомобили на вариаторах.
Между тем, у вариатора есть ещё один ключевой плюс. просто взгляните на изображение ниже и сравните диапазоны движения стрелок тахометра при езде машины в горку:
https://howcarworks.ru/%D0%B2%D0%BE%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%81/%D0%B2%D0%B0%D1%80%D0%B8%D0%B0%D1%82%D0%BE%D1%80-%D1%87%D1%82%D0%BE-%D1%8D%D1%82%D0%BE-%D0%BA%D0%B0%D0%BA-%D1%80%D0%B0%D0%B1%D0%BE%D1%82%D0%B0%D0%B5%D1%82-%D0%B8-%D1%87%D0%B5%D0%BC-%D1%85%D0%BE%D1%80%D0%BE%D1%88-%D0%B2%D0%B0%D1%80%D0%B8%D0%B0%D1%82%D0%BE%D1%80