Что такое вариатор (cvt): типы, конструкция, преимущества и недостатки

Принцип работы вариатора на автомобиле

Принцип работы вариатора на автомобиле заключается в плавной смене скоростей (передаточного числа) как при повышении, так и при снижении скорости. Безусловно, большую работу делает компьютерная программа, которая и создает ступени, но они запрограммированы для ручного управления (при движении по снегу или грязи, когда скорость не имеет значения, а важна только максимальная тяга). Сама же коробка ступеней не имеет, это обеспечивает передачу усилий от коробки к колесам намного точнее.

В настоящее время существует два типа строения вариатора:

  • Клиноременный. Таком вид устанавливают на 95 % авто с CVT.
  • Тороидный. Практически не используются в настоящее время из-за сложных настроек и строения.
  1. Клиноременные вариаторы — самые популярные типы трансмиссии, используются в автомобилях марок Infiniti, Audi, Nissan и пр. Давайте рассмотрим принцип их работы.

    Осуществляется передача трансмиссионного числа от главного (ведущего) шкива (который связан с силовым агрегатом) к ведомому (который связан с приводом и колесами) по принципу ременного сообщения. 

    Смена передаточного числа происходит по принципу изменения диаметра шкивов. Изготовитель сделал их разборными, а не сплошными, состоящими из двух частей конической формы, обе части посажены на вал и могут сходиться и расходиться. Диаметр в месте соприкосновения ремня со шкивом изменяется в зависимости от скорости и нагрузки.

    Попросту говоря, принцип работы заключается в следующем: когда автомобиль трогается, мотору нужно большое усилие, чтобы начать движение колес. Чтобы снизить нагрузку двигателя до минимума, ведущий вал должен быть самого маленького диаметра (конусы разводятся в месте соприкосновения). Диаметр ведомого вала в этот момент должен быть, напротив, максимальным (конусы сводятся). За счет этого ведущий шкив проделывает несколько оборотов, чтобы ведомый сдвинулся всего на один (максимальное число). Этот процесс намного снижает нагрузку на силовой агрегат, что значительно облегчает ему работу.

    После набора скорости передаточное число уменьшается (это необходимо для снижения тяговой силы, но при этом происходит увеличение оборотов на ведомом шкиве). Принцип работы: диаметр ведущего рола увеличивается (конусы сходятся), а у ведомого, напротив, расходятся.

    При максимальном диаметре ведущего шкива и наименьшем ведомого, первый один раз оборачивается, а второй за этот промежуток делает несколько оборотов (из-за этого скорость его вращения наибольшая). Но в этом случае нагрузка на двигатель намного выше.

    Вывод: трансмиссионное число достигается по принципу изменения диаметров двух шкивов и ременной передачи (между ними).

  2. Принцип работы вариатора на автомобиле тороидного типа принципиально отличается от предыдущего. Передача тяги осуществляется при помощи роликов, зажатых между шкивами. Шкивы имеют форму тороида (из-за чего имеет такое название) и располагаются на одном стержне. 

    Принцип действия: чтобы тороидный вариатор сменил передаточное число, роликам необходимо изменить свое положение. Для наибольшей тяги зажимы роликов нужно повернуть по направлению к ведомому шкиву, такое расположение сведет диаметр контакта ролика и шкива к минимуму, в то же время у ведомого ролла диаметр будет наибольшим.

    При увеличении скорости необходимо увеличение вращения и снижение передаточного числа, ролики отходят в противоположную сторону (ведущего ролла), при этом оба диаметра изменятся противоположно.

Плюсы и минусы коробки-вариатора

Ввиду нескольких очевидных преимуществ вариатора многие специалисты считают этот тип коробок передач более перспективным и удобным по сравнению с традиционными агрегатами гидромеханического типа. Однако окончательный ответ на вопрос, что лучше: вариатор или автомат, дать вряд ли получится. Это сравнение будет уместно только в случае сопоставления конкретных моделей трансмиссий определенных производителей. Тем не менее, какие-то общие моменты выделить можно.

Преимущества вариаторной коробки передач (CVT):

  • автомобиль, оборудованный коробкой-вариатором гораздо плавнее в движении. Даже неопытный водитель будет чувствовать себя за рулем более уверенно, поскольку вариатор исключает рывки и дергания автомобиля. При разгоне машины, оборудованной данным типом трансмиссии, звук ее мотора напоминает ускорение электромобиля или работу электростеклоподъемников, а рост скорости сопровождается лишь небольшим повышением шума;
  • благодаря конструктивныи особенностям вариатора оснащенный им автомобиль будет ощутимо резвее машины с аналогичным по мощности двигателем, но оборудованной традиционной коробкой-автоматом. Дело в том, что ступенчатый алгоритм переключения передач, даже в автоматическом режиме, потребует больше времени для смены передач;
  • машина с вариатором не сможет скатиться под уклон и не заглохнет неожиданно на перекрестке. В любом случае автомобиль с вариатором начнет движение в соответствующем направлении;
  • плавное увеличение скорости и постепенное торможение положительно сказываются на показателе топливной экономичности и экологичности силового агрегата;
  • электронная система, управляющая работой вариатора, обеспечивает щадящий режим работы двигателя, что в свою очередь благоприятно значительно уменьшает интенсивность износа основных деталей мотора.

Однако, невзирая на неоспоримые преимущества, в ближайшее время вариаторные коробки передач вряд ли смогут полностью вытеснить гидромеханические «автоматы» ввиду наличия следующих недостатков:

  • несмотря на надежность конструкции современных вариаторов, эти коробки по-прежнему не могут устанавливаться на машинах, оснащаемых моторами с максимальной мощностью более 200 лошадиных сил. Таким образом, большинству современных внедорожников и больших седанов данный вид трансмиссии «противопоказан». Это объясняется наличием у вариатора «слабых мест», каковыми являются ремень в клиноременном агрегате и ролик с колесами в тороидальных механизмах;
  • трансмиссионная жидкость, заливаемая в коробку-вариатор, гораздо дороже аналогичного продукта, используемого для автоматических коробок передач. Кроме того, жидкость, предназначенную для определенной модели автомобиля, нельзя заменить аналогом;
  • применение большого количества датчиков делает автомобиль чувствительным к внезапным перебоям в бортовой электронике. Исчезновение контакта или выход из строя какого-либо элемента нередко заканчиваются аварийной остановкой машины;
  • неразвитость сети сервисного обслуживания коробок-вариаторов обусловила высокую стоимость их ремонта. Отсутствие квалифицированных кадров, а также дороговизна и редкость запчастей являются явным сдерживающим фактором.

Взвешивая все плюсы и минусы вариатора, стоит отметить, что данный тип трансмиссии является на сегодня самым передовым. Сравнительная простота конструкции, плавность хода автомобиля и лучшая динамика разгона при невысоком топливном расходе делают коробку передач CVT очень перспективным агрегатом. В то же время ряд конструктивных особенностей вкупе с ограниченным сроком службы отдельных узлов не позволяют вариатору стать безоговорочным лидером.

Тороидный механизм

О том, что такое вариатор, мы имеем представление из описанных выше примеров. Но что представляет собой этот зверь? Здесь устройство еще изысканнее — ремня и цепи здесь не найти. Но также есть два диска:

  • ведущий;
  • ведомый.

Также присутствуют ролики, которые способны изменить положение, исходя из конкретной ситуации. Иными словами именно с их помощью меняется передаточное число. Ролики меняют положение путем воздействия на них специальных устройств. Также они осуществляют регулировку силы их прижатия к дискам. Каждый производитель применяет собственные разработки. Nissan это гидравлический механизм, который находится под управлением электроники.

Принцип работы тороидального вариатора

Современная разработка – тороидальные вариаторы. Внешне устройство отличается от оригинала, но оно надежнее, а результат – тот же.

Так, вместо шкивов и ремней используются специальные диски и ролики:

  1. Эквивалентно задающему шкиву, один из дисков присоединен к двигателю.
  2. Второй, подобно ведомому шкиву, соединен с приводным валом.
  3. Между дисками (вместо ремня) расположены колесики. Они изменяют передаточное число, которое передается с диска на диск.

Принцип работы заключается в том, что колесики вращаются по обеим осям. Вращение происходит вокруг горизонтальной оси, а наклон – вокруг вертикальной.

Типы вариаторов

Передача вращающего момента в вариаторах происходит за счет сил трения — независимо от типа конструкции, регулирование передаточного отношения, как правило осуществляется путем переноса точек контакта элементов передачи.

Рассмотрим несколько основных конструктивных схем вариаторов.

Лобовой вариатор

Принципиальная схема вариатора с перекрещивающимися валами (или лобового) показана на рисунке.

Ось ведомого вала перпендикулярна оси ведущего. На ведущем валу закреплен диск. Каток с фрикционными накладками установлен на шлицах ведомого вала. Получается, что каток может линейно перемещаться вдоль оси ведомого вала. Если каток вариатора прижат диску то вращение будет передаваться от ведущего вала к ведомому. Причем соотношение скоростей в вращающих моментов будет зависеть от расположения точки касания.

Чем ближе эта точка к центру тем медленнее будет вращаться выходной вал, и тем выше будет вращающий момент на нем.

n1*X=n2r

  • где n1 — частота вращения ведущего вала
  • n2 — частота вращения ведомого вала
  • X — расстояния от центра ведущего диска до точки касания
  • r — радиус ведомого катка

Передаточное отношение вариатора (отношение, угловых скоростей, частот вращения, моментов) можно вычислить по формуле:

i=n1/n2=r/x

Диапазон регулирования лобового вариатора определяется минимальным и максимальным значением Х:

D=imax/imin=Xmax/Xmin

Представленная конструкция вариатора позволяет реализовать изменять и направление вращения ведомого вала. Если точку касания диска переместить в противоположную сторону от центра ведущего диска, то направление вращения ведомого вала изменится.

Вариатор с раздвижными конусами

Вариаторы этого типа получили широкое применяют в трансмиссиях автомобилей, мотоциклов, станков. Устройство вариатора с раздвижными конусами показано на рисунке.

Валы установлены в корпусе на подшипниках. Оси вращения ведущего и ведомого валов расположены параллельно.

На ведомом и ведущем валу расположены конические диски, которые могут перемещаться вдоль осей вращения.

Между дисками зажат стальное или армированное резиновый ремень. При вращении ведущего вала, вращение через ремень передается ведущему валу.

Получается, что диски образуют два шкива, между которыми расположен ремень, благодаря конструкции рабочий диаметр шкивов может изменяться, а значит будет меняться и передаточное отношение.

Отношение частот вращения валов вариатора будет зависеть от расположения точек касания дисков и конуса.

Чем дальше точка касания от оси вращения ведущего вала, и чем ближе к оси вращения ведомого, тем выше будет частота вращения ведомого вала.

Передаточное отношения вариатора с раздвижными конусам можно вычислить по формуле:

i=n1/n2=X2/X1

Диапазон регулирования можно вычислить, используя зависимость:

D=imax/imin=(Xmax/Xmin)2

Вариатор с постоянными конусами и промежуточным диском

Устройство вариатора показано на рисунке.

На ведомом и ведущем валу вариатора закреплены конические барабаны, между которыми, на оси расположен каток. С помощью винта каток может перемещаться по оси. Пружина позволяет обеспечить надежное прижатие барабанов и катка.

Передаточное отношение вариатора будет зависеть от расположения точки касания катка и барабанов:

i=n1/n2=X2/X1

Диапазон регулирования будут определяться как:

D=imax/imin=(Xmax/Xmin)2

Торовый вариатор

Конструкция торового вариатора показана на рисунке.

На валах расположены торовые чашки со сферическими поверхностями. Между чашечками установлены ролики, через которые вращающий момент передается от ведомого вала к ведущему.

Регулирование передаточного отношения осуществляется за счет изменения угла наклона роликов. Если ролики перпендикулярны дискам, то передаточное число будет равно 1.

Двухступенчатые вариаторы

Для диапазонов регулирования выше 10 рекомендуется применять двухступенчатые вариаторы, содержащие две фрикционные передачи. Разработаны конструкции с регулированием двух и четырех шкивов. В зависимости от способа перемещения дисков различают:

  • вариаторы с принудительным перемещением двух дисков на ведущем и ведомом валах или на промежуточном валу и с двумя плавающими дисками;
  • с принудительным перемещением двух дисков и с двумя подгруженными дисками;
  • с принудительным перемещением четырех дисков.

КПД двухступенчатых вариаторов с плавающими дисками не составляет 60-85%. Применение схемы с четырьмя принудительно перемещаемыми дисками позволяет повысить КПД вариатора.

Плюсы и минусы бесступенчатой трансмиссии

В процессе эксплуатации автомобиля с вариатором водитель может обнаружить нижепредставленные плюсы:

  • отсутствие рывков при разгоне, которые присутствуют в работе АКПП;
  • не требуется выжимать сцепление, что является обязательным при вождении авто с механикой;
  • низкий риск пробуксовки;
  • высокая экономия топлива;
  • более высокий КПД на фоне АКПП;
  • низкий вес по сравнению с автоматом;
  • увеличение ресурса силового агрегата;
  • высокий комфорт движения;
  • низкий уровень шума.

Несмотря на все преимущества бесступенчатая трансмиссия имеет нижепредставленные минусы:

  • ремень относительно быстро изнашивается, а его замена имеет высокую стоимость;
  • сильная чувствительность к перегрузкам;
  • низкий срок службы, если нарушен интервал замены смазки;
  • сложный и дорогостоящий ремонт, из-за чего мастера на автосервисах часто предлагают установку контрактного или нового вариатора, цена которого доходит до 30-40% стоимости машины;
  • диагностика часто требует разборки узла, что обходится дорого;
  • отзывы автовладельцев говорят о том, что вождение машины с вариатором скучное и занудное из-за монотонного гула мотора;
  • все типы бесступенчатой трансмиссии неспособны справиться с большим крутящим моментом, поэтому они не встречаются на спортивных и по настоящему вседорожных автомобилях;
  • отсутствие специалистов, для которых не проблема диагностика, регулировка и ремонт вариатора;
  • если бесступенчатая трансмиссия продолжительно ходит без замены фильтров, то ее ресурс критически уменьшается.

Основы работы коробки автомат для понимания работы вариатора

Принцип работы вариатора кардинально отличается от ступенчатых коробок передач.

Для большего понимания сначала следует рассмотреть, как функционирует классическая автоматическая коробка передач (не путать с преселективной роботизированной КПП, которую тоже часто обозначают как АКПП).

В основе работы любой ступенчатой коробки лежит взаимодействие между собой шестерен разных размеров.

По сути, коробка передач – это обычный многоступенчатый редуктор, которым можно управлять. Такой, к примеру, является обычная механическая коробка.

АКПП же значительно сложнее по конструкции. Если МКПП — это редуктор, то в АКПП он – лишь составной элемент, хоть один из основных.

В целом автоматическую коробку можно разделить на несколько составляющих:

  • Механическая;
  • Гидравлическая;
  • Электронная.

Механическая составляющая – это и есть редуктор. В его основе лежит обычная планетарная передача.

В современных КПП, обладающих 4-мя и выше ступенями, таких передач несколько и образуют они так называемый планетарный ряд.

Несмотря на сложность конструкции, принцип работы такой КПП очень прост. Любая планетарная передача состоит из трех компонентов – солнечной шестерни, сателлитов, объединенных водилом, и зубчатого кольца.

Особенность такой передачи заключена в том, что ведущим, ведомым или зафиксированным (обездвиженным) элементом может выступать любой из составных компонентов, благодаря чему и удается менять передаточное соотношение. Этим и воспользовались конструкторы при создании АКПП.

Так, если сделать ведущей солнечную шестерню, а водило с сателлитами будут ведомыми, при этом кольцо — зафиксировано, то на выходе получим максимальное передаточное соотношение.

Если же зафиксировать солнечную шестерню, подавать вращение на водило, а снимать его с планетарного кольца, то соотношение будет равным, то есть на выходе получаем прямую передачу.

Для получения вращения в обратную сторону (задний ход) достаточно зафиксировать водило, а вращение подавать на солнечную шестерню.

Для обеспечения блокировки шестерен планетарных передач, в конструкции АКПП применяются фрикционные муфты сцепления и ленточные тормоза.

В действие эти узлы приводятся гидравлической составляющей, работа которой контролируется и регулируется электронным блоком.

В итоге все выглядит так: электронный блок управления при помощи датчиков следит за несколькими параметрами – скоростью движения, оборотами коленчатого вала и т. д.

При надобности, он подает сигнал на открытие клапанов или срабатывание поршней гидравлической системы.

Те в свою очередь воздействуют на муфты или тормоза, блокируя вращение требуемого компонента планетарной передачи.

Какие ремни используются в клиноременных вариаторах?

Несколько слов скажем и о ремнях. Безусловно, обычные резиновые ремни, устанавливающиеся на привод генератора, применять нельзя. Они рассчитаны на более низкую нагрузку и будут быстро изнашиваться.

В качестве ремня выступает стальная лента со специальным покрытием, либо несколько этих лент со сложным сечением и нанизанными пластинами.

Такие свойства позволяют передавать толкающее усилие не только частью, которая обращена к ведущему валу (в противном случае такой ремень просто сложился бы).

В некоторых автомобилях применяется стальная цепь, смазывающаяся специальной жидкостью для уменьшения эффекта скольжения. Такая конструкция способна передавать большее усилие и рассчитана на высокие нагрузки, однако и стоимость ее немного выше.

Чего не любит вариатор

Такие противоречия возникают из-за того, что люди используют свои машины в разных условиях и по-разному относятся к коробке. У тех, кто считает вариатор обычным «автоматом» достаточно быстро в нём разочаровываются, и те, кто в курсе с чем его едят, умудряются пройти достаточно большой километраж. Чтобы узнать, как ездить на вариаторе, давайте разберемся, чего не любит CVT.

Монотонность. Ползти в пробках, долго ехать по трассе с высокой скоростью, особенно на круиз-контроле, вариатор не любит – греется. Во многом это происходит из-за того, что пластинчатый (как и штифтовый) ремень в таких режимах работает в крайних положениях с максимальным изгибом, что приводит не только к нагреву, но и более быстрому растяжению.

У пластинчатого ремня бывают предельные углы работы, в которых износ происходит максимально быстро

Резкие нагрузки. Очень часто вариаторы выходят из строя после пробуксовки колес. Для CVT не столь страшно сам фак скольжения шин, сколько резкая остановка буксующего колеса, внезапно нащупавшего под собой твёрдую почву. Подобные вещи происходят и с другими препятствиями, например, наезд на бордюр или открытый люк. Один неудачный удар и ремешок оставляет задиры на конусах. А дальше «капиталка» узла.

Задиры на конусах после неграмотной эксплуатации

Прицеп и буксир. Хороший способ убить вариатор – купить прицеп и что-нибудь постоянно возить. К любой повышенной нагрузке трансмиссия будет относиться болезненно, а буксировка другого автомобиля, особенно в гору, опасна для CVT как ничто другое.

Газ в пол. Самый опасный враг вариаторов – большой крутящий момент. Поэтому тяжелая техника оснащается чем угодно, даже роботами, но не CVT. Каждый раз, когда двигатель работает на пределе возможностей, коробка нагружается по максимуму и «пацанская» манера езды от светофора до светофора, прикончит вариатор на раз-два за короткий промежуток времени.

Такой «ёжик» на магните поддона расскажет об износе CVT больше, чем сам владелец

Работа на «холодную». Любой вариатор крайне чувствителен к качеству масла. Низкие температуры свойства смазки меняют не в лучшую сторону, поэтому перед поездкой в зимнее время года CVT придется прогревать до тех пор, пока рабочая жидкость не обретет свои необходимые качества. Делается это так. Запускаете мотор, выжимаете тормоз и несколько раз проходитесь селектором по всем режимам коробки.

Исходя из этого определим, как всё-таки на нем ездить, чтобы сохранить ресурс.

Плюсы и минусы вариатора

Сравнивать CVT мы будем с автоматической коробкой, поскольку робот, как было сказано выше, является механикой, а другие типы трансмиссии не так популярны.

Основные плюсы CVT:

  • Отсутствие толчков и рывков во время движения.
  • Двигатель работает с плавным изменением мощности в зависимости от ситуации.
  • Фактически бесконечное число передач, что позволяет оптимально расходовать топливо.
  • Низкий уровень шума при работе.
  • Высокая управляемость и отклик.
  • Грамотная оптимизация всех ходовых систем машины.

Теперь о недостатках. Самым главным из них является высокая стоимость ремонта, поскольку конструкция устройства состоит из множества дорогих элементов. Нельзя не сказать и о том, что в нашей стране очень мало сервисных центров, берущихся за такую работу.

Кроме того, в вариатор следует периодически заливать около десяти литров специального масла, необходимого для правильной работы трансмиссии. Такая жидкость стоит достаточно дорого и продается либо в представительствах компании, либо в специализированных салонах. Сами понимаете, что такие салоны есть далеко не в каждом городе. В некоторых случаях для сокращения затрат на ремонт и обслуживание, лучшим выбором будет приобрести контрактный вариатор.

Износ подшипников

Это наиболее часто возникающий дефект вариаторных конусов. Он проявляется характерным гулом после пробега минимум в 50000 км.


Ремень собран из многочисленных пластин, взаимно соединенных стальными перетяжками. Своими боковыми поверхностями, с нанесенными для улучшения сцепления малозаметными косыми насечками, он соприкасается со шкивными конусами. В процессе эксплуатации насечки изнашиваются, что может в итоге привести к серьезным поломкам. Поэтому даже устранение гудящих подшипников должно сопровождаться профилактической заменой ремня, гарантирующей сохранение исправных шкивов.

Шум подшипников может возникать также еще по нескольким причинам:

  1. Некачественное изготовление подшипников.
  2. Недостаточная динамическая грузоподъемность, а также низкая степень точности подшипников приводят к их перегрузкам и разрушению.
  3. Проникновение продуктов износа (мелкие порошкообразующие частицы) на рабочие поверхности, приводящее к разрушению последних. Это может происходить из-за большого количества металлической пудры, забивающей масляные фильтры и ослабляющей поле магнита, установленного для ее сбора. В некоторых случаях эту проблему удается решить более частой сменой масла (примерно через каждые 30000 — 50000 км).

Среди производителей не существует единой позиции по этому вопросу. К примеру, Mitsubishi настоятельно рекомендует менять масло через каждые 75000 км, а Renault-Nissan допускает только контроль за его уровнем и состоянием на протяжении периода гарантии (100000 км).

Вариаторное масло маркируется аббревиатурой CVT. У каждого автопроизводителя имеется такое масло. Оригинальный состав от Nissan выпускается под индексом NS-2. Mitsubishi продвигает DiaQueen CVT-J1. Аналог от Renault известен, как ELFMATIC CVT. Honda выпускает HMMF и CVT-F, концерн VAG производит ATF CVT. Все эти жидкости рекомендованы именно для вариаторов. Использовать масла, предназначенные для гидромеханических АККП абсолютно не допустимо.

Количество необходимого для залива масла определяется типом привода и силовой части. К примеру, для переднеприводного Qashqai с 2-литровым движком, не оснащенным масляным радиатором, необходимо примерно 4,2 л. Пару литров «застрянет» между элементами трансформатора и узлами гидросистемы, так как выкачать эти «капли» при стандартной процедуре слива невозможно. Чтобы полностью обновить заливку пользуются методикой замещения, с использованием соответствующей установки и втрое большего объема рабочей жидкости.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector