Устройство и принцип работы вариатора CVT

Введение

Говорят, старую собаку нельзя научить новым командам. Но вариатор — continuously variable transmission (CVT) или постоянно изменяющаяся трансмиссия, принципы которого Леонардо да Винчи сформулировал более 500 лет, сегодня вытесняет традиционную планетарную автоматическую трансмиссию в некоторых машинах. Вот уж тот случай, когда старый пес освоил новые приемы. Действительно, начиная с 1886 года, когда был зарегистрирован патент на вариатор CVT, эта технология совершенствовалась и оттачивалась. Сегодня многие производители автомобилей, включая General Motors, Audi, Honda и Nissan, разрабатывают трансмиссии по технологии CVT.
Аббревиатура расшифровывается следующим образом — CVT (Continuously Variable Transmission), что можно перевести как трансмиссия с плавно изменяемым передаточным числом.
В данном компасе будет описано, как работает вариатор CVT в типичной заднеприводной машине, а также по ходу ответим на некоторые распространённые вопросы:
-насколько эффективен вариатор CVT по сравнению с обычной планетарной автоматической трансмиссией?
-из чего он состоит и как эти части работают вместе?
-какие преимущества и недостатки у вариатора CVT по сравнению с классическим автоматом?
-какие впечатления производит бесступенчатая трансмиссия CVT на ходу?
-какие производители используют CVT?
-где используют вариаторы CVT кроме автомобилей?
Во-первых, сравним вариатор CVT с традиционным автоматом.
1490 – Леонардо да Винчи схематично изображает бесступенчатую трансмиссию
1886 – первый патент на тороидный вариатор CVT
1935 — Adiel Dodge получает патент США на тороидальный вариатор CVT
1939 – появление полностью автоматической КПП на планетарной передаче
1958 — Daf (Нидерланды) устанавливает первый вариатор CVT в машину
1989 — Subaru Justy GL первый проданный в США автомобиль с вариатором CVT
2002 — Saturn Vue дебютирует с вариатором CVT; первый Saturn с технологией CVT
2004 — Ford начинает предлагать вариатор CVT

Вариатор CVT: описание и принцип работы
История вариатора
Вариатор CVT: автоматическая трансмиссия с вариатором. — Энциклопедия японских машин
Клиноременной вариатор (CVT)

Основы трансмиссии

Если Вы читали нашу статью Как работает АКПП, то Вам известно, что основная задача автомата – позволить двигателю работать в узком диапазоне входных скоростей и получать широкий диапазон скоростей на выходе. Без трансмиссии машины ехали бы на одном передаточном числе, которое подбиралось бы исходя из желаемой скорости передвижения. Если такая скорость была бы 120 км/ч, то передаточное число соответствовало бы 3-й передаче современной механики. Полагаем, что Вы никогда не пытались ездить только на 3-й передаче. А если попробовать, то станет очевидно, что машина совсем не ускоряется на средних оборотах, а на высоких скоростях двигатель ревет около красной зоны. Такая машина очень быстро бы поломалась.
Таким образом, трансмиссия максимально эффективно использует крутящий момент двигателя для работы на определенной скорости.
В традиционном автомате шестерни передач буквально зацепляются. Комбинация планетарных передач создает все необходимые передаточные числа, обычно для 4-х передач вперед и одной задней передачи. Когда осуществляется переключение передач в таком автомате, водитель чувствует легкие толчки при включении каждой передачи.

Описание вариатора CVT

Вариатор японской фирмы Jatco в действии.

Основы вариатора CVT

В отличие от традиционного автомата бесступенчатые трансмиссии не имеют внутри набора разных шестерен, что означает отсутствие зацепляющихся друг с другом зубчатых колес. Самый распространенный вариатор CVT работает на замысловатой системе из шкивов, позволяющей реализовывать бесконечное количество передаточных чисел между максимальными и минимальными значениями без дискретных шагов или переключений.
У вас может возникнуть вопрос, почему всё ещё слово "механика" употребляется в понятии вариатора CVT. В целом если сказать, коробка переключения передач обращается к скорости карданного вала. Хотя вариатор CVT изменяет эту скорость без использования планетарной передачи, его принцип работы основан на низких и высоких передачах.
В следующем разделе будут рассмотрены различные типы вариаторов CVT: клиноременные, тороидные и гидростатические.

Клиноременный вариатор CVT

Если заглянуть внутрь автоматической трансмиссии, мы увидим сложный мир шестерен, тормозов, сцеплений и управляющих устройств. Постоянно изменяющаяся трансмиссия по сравнению с этим миром – сама простота. Большинство вариаторов CVT состоят из трех основных компонентов:
-очень прочный металлический или резиновый ремень
-переменный "ведущий" шкив
-выходной "ведомый" шкив
Вариатор CVT имеет также различные микропроцессоры и датчики, но первые три элемента выполняют всю основную работу.

Шкивы с изменяемым диаметром – сердце любого вариатора CVT. Каждый шкив состоит из двух 20-градусных конусов, расположенных лицом друг к другу. Ремень ездит в желобке между этими конусами. Ремни из резины выполняются в форме клина. Сечение такого ремня напоминает форму V и увеличивает коэффициент трения такого ремня о шкив.
Когда оба конуса расположены далеко друг от друга (диаметр увеличивается), ремень опускается ниже в желобе, а радиус петли ремня вокруг шкива уменьшается. Когда конусы сближаются (диаметр увеличивается), ремень поднимается в желобе, а радиус петли ремня вокруг шкива увеличивается. Вариаторы CVT могут использовать гидравлическое давление, центробежную силу или напряжение пружин для создания усилия, необходимого для смещения конусов относительно друг друга.
Шкивы с переменным диаметром всегда идут парами. Один шкив является ведущим и соединяется с коленным валом двигателя. Ведущий шкив также называют входным шкивом, потому что именно через него энергия двигателя входит в трансмиссию. Второй шкив называют выходным шкивом, так как он передает энергию к карданному валу.

Расстояние между центром конусов и местом контакта желоба и ремня называется радиусом основания делительного конуса. Когда конусы расходятся, ремень опускается, и радиус основания делительного конуса уменьшается. Когда конусы сходятся, ремень поднимается, и радиус основания делительного конуса (далее радиус) увеличивается. Соотношение радиусов основания делительного конуса ведущего шкива к ведомому определяет передаточное число.
Когда один шкив увеличивает радиус, другой уменьшает свой радиус, чтобы поддерживать натяжение ремня. Изменение радиусов шкивов зависит друг от друга, что создает бесчисленное множество передаточных соотношений – от низкого до высокого и любого между ними. Например, радиус ведущего шкива мал, радиус ведомого шкива велик, тогда уменьшается скорость вращения ведомого шкива, что приводит к “низкой” передаче. Когда радиус ведущего шкива велик, то радиус ведомого шкива мал, тогда увеличивается скорость вращения ведомого шкива, что приводит к “высокой” передаче. Следовательно, в теории вариатор CVT реализует бесконечное число "передач" и может их выбирать в любое время на любой скорости двигателя и машины.
Эта простота и бесступенчатая природа вариатора CVT делают его идеальной трансмиссией не только для машин, но для многих других технических устройств и орудий. Вариаторы CVT используются во многих мощных инструментах и прессах для сверлильных станков. Их успешно применяют в тракторах, снегоходах и моторных скутерах. Во всех этих случаях трансмиссия работает при помощи резинового ремня высокой плотности, который может скользить и вытягиваться, что снижает его эффективность.
Применение новых материалов сделало вариатор CVT еще надежнее и производительнее. Важным шагом вперед стало использование металлических ремней для соединения шкивов. Эти гибкие ремни, состоящие из ряда (обычно 9 или 12) тонких стальных лент, фиксируют очень прочные пластины металла.
Металлические ремни не скользят и служат гораздо дольше, что позволяет вариатору CVT выдерживать больший крутящий момент двигателя. Они также тише, чем приводимые резиновыми ремнями вариаторы CVT.
Описание и принцип работы клиноременных вариаторов (CVT)

Тороидный вариатор CVT

Другой вариант вариатора CVT – тороидная система вариатор CVT – заменяет ремни и шкивы на колеса и ролики.
Эта система на первый взгляд кажется отличной от клиноременного вариатора, но все ее компоненты выполняют аналогичные функции и приводят к одному результату – к постоянно изменяющейся трансмиссии. Вот как она работает:
- Один диск соединяется с двигателем. Это эквивалент ведущего шкива
-Другой диск соединен с карданным валом. Это эквивалент ведомого шкива.
-Ролики или колеса, расположенные между дисками, выполняют задачу ремней, передавая мощность с одного диска на другой.

Колеса могут вращаться вокруг двух осей. Они вращаются вокруг горизонтальной оси или наклоняются наружу или внутрь относительно вертикальных осей, что позволяет колесам соприкасаться с дисками в разных областях. Когда колеса контактируют с ведущим диском около центра, они вынуждены контактировать с ведомым диском около обода, что приводит к уменьшению скорости и увеличению крутящего момента (то есть низкая передача). Когда колеса контактируют с ведущим диском около обода, они вынуждены контактировать с ведомым диском около центра, что приводит к увеличению скорости и уменьшению крутящего момента (то есть высокая передача или овердрайв). Простой наклон колес непрерывно меняет передаточное соотношение механизма.

Гидростатический вариатор CVT

Клиноременный вариатор CVT и тороидный вариатор CVT – примеры фрикционных вариаторов CVT, которые работают за счет изменения радиуса контактных точек между двумя вращающимися объектами. Но есть еще один тип вариатора CVT, известный как гидростатический вариатор CVT, который использует насосы переменного объема для варьирования потока жидкости в гидростатические моторы. В данном устройстве вращательное движение коленвала двигателя приводит в действие гидростатический насос. Этот насос преобразует вращательное движение в поток жидкости. В свою очередь ведомый гидростатический двигатель на выходе преобразует поток жидкости обратно во вращательное движение.
Часто гидростатическую трансмиссию сочетают с планетарной передачей и сцеплением для создания гибридной системы, называемой гидромеханической трансмиссией. Гидромеханическая трансмиссия передает крутящий момент от двигателя к колесам тремя разными способами. На малых скоростях мощность передается гидравлически, а на больших - механически. Между этими крайними положениями трансмиссия использует и гидравлику, и механику для передачи крутящего момента. Гидромеханическая передача идеальна для спецтехники в тяжелых условиях работы, например, в сельскохозяйственных тракторах.

Преимущества вариатора CVT

Постоянно изменяющиеся трансмиссии становятся все более популярными не просто так. Их выделяют несколько преимуществ, которые нравятся и водителям и сторонникам экологии. Таблица ниже описывает ключевые черты и преимущества вариатор CVT.
-Постоянное, бесступенчатое ускорение от полной остановки до скорости трассы -Исключает "толчки переключения" – делает езду более гладкой
-Позволяет двигателю постоянно находиться в оптимальной мощностной зоне независимо от скорости движения - улучшает расход топлива
-Лучшая реакция на команды водителя, такие как изменение положения дроссельной заслонки и скорости - исключает поиск оптимальной передачи при потере скорости, особенно когда машина едет в гору.
-Меньшие потери мощности в вариаторе CVT, чем в обычной автоматической трансмиссии - лучшее ускорение
-Более оптимальные обороты двигателя на любой скорости - лучший контроль вредных выхлопов
-Позволяет реализовывать автоматические версии механических трансмиссий - замена неэффективного гидротрансформатора

Ремонт вариатора
Сравнение коробок передач
Вариаторы. Форум
Описание вариаторов на различных автомобилях
Выбор КПП: механика, робот, АКПП, вариатор?
Статьи о CVT

Работа вариатора

Тест-драйв автомобиля с варитором

Сначала машины с вариатором появились в Европе. Потребовалось много времени, прежде эта технология проникла на американский рынок. Первым автомобилем с вариатором CVT в США стал Subaru Justy.
Продававшийся между 1989 и 1993 г. Justy так и не привлек внимание американских водителей. Так что же нового появилось в машинах с последними типами вариаторов CVT – такими как Saturn Vue, Audi A4 и A6, Nissan Murano и Honda Insight? Лучшим способом ответить на этот вопрос станет "тест-драйв". Анимация ниже, сравнивает ускорение машины с вариатором CVT и без него, позволит вам понять работу двигателя.
Когда Вы давите на газ машины с постоянно изменяющейся трансмиссией, разница заметна сразу. Двигатель раскручивается до оборотов, на которых он производит максимальный крутящий момент, а затем просто остается на них. При этом машина не реагирует мгновенно. Мгновение спустя трансмиссия включается, медленно и уверенно разгоняя машину без всяких переключений передач. По теории машина с вариатором CVT должна достигать отметки 100 км/ч на 25% быстрее машины с тем же двигателем и механической трансмиссией. Ведь вариатор CVT преобразует каждую точку на графике работы двигателя в соответствующее значение своей кривой графика.
Если взглянуть на график мощности машины без вариатора CVT, Вы поймете, что так и должно быть. Обратите внимание, что двигатель меняет свои обороты с нижних до верхних при каждой смене передачи, что отображает пик на графике мощности (что водитель ощущает как толчок).
Вариатор CVT так же эффективен при езде в гору. Не надо рыскать за оптимальной передачей, потому что CVT бесступенчато понижает передаточное соотношение в соответствии условиями езды. Обычный автомат переключается вверх и вниз в поисках оптимального передаточного числа, что ведет к потере эффективности.
При всех своих преимуществах вариатор CVT имеет несколько недостатков. Первая, это проблема имиджа. Subaru Justy, например, прославился как слабая микро машинка. Дело в том, что до недавнего времени клиноременные вариаторы CVT справлялись с ограниченным крутящим моментом и уступали в этом показателе механике и традиционным автоматом. Развитие технологии поднимает вариаторы CVT на уровень мощных машин -- Nissan Murano с вариатором CVT справляется с двигателем V6 3.5 л, 245 л.с. – однако инерция мышления клиентов требует время для привыкания к новому агрегату.

Компас основан на статье с сайта www.howstuffworks.com