Виды вариаторов
Разработчики предоставляют несколько разновидностей коробки cvt:
1. Цепной и клиноременный
Клиноременное исполнение более востребовано за счет простой конструкции – двух раздвижных шкивов из металлических дисков и помещенного между ними ремня клинообразной формы. Радиусы шкивов меняются синхронно, мягко регулируя передаточное отношение.
Когда ремень заменяется наборной конструкцией из работающих на сжатие металлических пластин или цепью из того же материала, действующей на растяжение, такой тип называется цепным. На основании тестов и отзывов эксперты отмечают, что самые надежные цепные механизмы принадлежат Audi, тогда как у конкурентов они не выдерживают испытания значительными нагрузками, приводящими ремень в негодность.
В силу такой специфики данный вид устанавливают на легковые машины, не использующие прицеп, мотороллеры, снегоходы и прочую легкую технику, не испытывающую перегрузок.
2. Тороидальный
В таких конструкциях шкивы заменены дисками конусообразной формы, а вместо ремня установлены ролики, способные передавать больший крутящий момент. Все элементы выполняются из высокопрочной стали, улучшающей надежность изделия, но и удораживающей его.
Разновидности вариаторов
При использовании CVT необходимо понимать, что они бывают нескольких видов. Кратко рассмотрим особенности каждого из вариантов:
- Клиновидный ременной. Конструктивно состоит из пары шкивов, объединенных клиновой ременной передачей. Шкив состоит из пары дисков-конусов, которые сближаются или отдаляются с помощью гидравлики и специального пружинного механизма. Конусы находятся под 20-градусным углом, что обеспечивает плавное перемещение с минимальным сопротивлением. Современные коробки вариаторы имеют ремни, изготовленные из стальных полос, отличающихся большей прочностью, минимальной шумностью и высокой степенью надежности.
- Клиновидный цепной. По названию ясно, что в таких видах CVT применяется цепочка, которая сформирована из множества пластик. Передача момента осуществляется посредством фиксации со специальными дисками-конусами. В точках соприкосновения появляется высокая нагрузка, которая приводит к нагреву, что компенсируется за счет системы охлаждения. Такие устройства отличаются более высоким КПД, но в них нет реверса, что требует применения дополнительного устройства.
- Тороидный. В таком типе вариаторной КПП не предусмотрено ни цепной, ни ременной передачи. Конструктивно устройство состоит из 2-х валов с зафиксированными между ними роликовыми механизмами. Скорость меняется посредством изменения позиции роликов, а сам момент передается, благодаря контакту рабочих участков. Такой тип CVT применяется реже всего, но именно этот тип считается наиболее перспективным.
Виды коробки передач
КПП – коробка переключения передач – выполняет передачу крутящего момента двигателя на колесную ось. Она обеспечивает необходимую скорость движения и высокую управляемость автомобиля. Тип коробки переключения передач зависит от вида трансмиссии автомобиля.
Выделяют механическую, автоматическую, вариаторную, роботизированную коробки передач. В некоторых модификациях АКПП предусмотрена имитация ручного управления – такие коробки имеют название «типтроник», «стептроник».
Принцип работы и устройство механической коробки передач
Механическая коробка переключения передач относится к классическим ступенчатым коробкам. Ступенью, или передачей, называется пара взаимодействующих шестерен. В механической коробке используются зубчатые шестерни – планетарные передачи.
Коэффициент передачи (передаточное число) определяется соотношением числа зубьев взаимодействующих шестерен. Самое большое – на первой передаче. В зависимости от числа ступеней механическая коробка передач может быть четырехступенчатой, пятиступенчатой, шестиступенчатой и т. д. Самая распространенная – пятиступенчатая МКПП.
Передача крутящего момента от двигателя к трансмиссии в МКПП выполняется ступенчато с помощью фрикционного сцепления, которое управляется педалью. Выбор передачи выполняется вручную с помощью рычага селектора.
Принцип работы и устройство роботизированной коробки передач
Роботизированная коробка (народное название – «робот») создана на основе МКПП. Функции сцепления и переключения передач в ней автоматизированы. Но «робот» не относится к автоматическим коробкам, по принципу работы он ближе к механической КПП. Единственное, чем похожи «робот» и автомат, – отсутствие внешней детали сцепления.
Роботизированная коробка состоит из обычной механической коробки, акутаторов – устройств выжима сцепления и переключения передач, внешних датчиков и блока управления. РКПП имеет двойное сцепление для устранения провала между передачами.
Управление работой РКПП выполняет водитель с помощью переключения рычажка и бортового компьютера. Переключение передач происходит под действием команд блока управления, по ступеням, как в МКПП.
Принцип работы и устройство АКПП
Автоматическая коробка имеет и другое название – «гидромеханическая коробка». Основными компонентами автомата являются гидротрансформатор и механическая коробка переключения передач. Гидротрансформатор регулирует и передает крутящий момент с двигателя на механическую коробку. Он также выполняет роль сцепления.
Работа автоматической коробки основана на перемещении рабочей жидкости, которая приводит в движение лопасти колес гидротрансформатора и задействует муфты. Роль передачи выполняет планетарный ряд с зубчатых шестерен. Непосредственно переключение передач между планетарными редукторами выполняют муфты.
Работа всей коробки-автомата контролируется электронным блоком управления с заводскими настройками. Выбор необходимой передачи происходит автоматически. Водителю необходимо только установить режим работы коробки в начале движения.
АКПП с ручным управлением
В некоторых автоматических коробках реализована имитация ручного управления. Такие КПП имеют название «типтроник» или «стептроник». Управление коробкой происходит в двух режимах: полный автомат или ручной. Ручной режим имитирует управление КПП спортивного автомобиля, но при этом не требует от водителя особых спортивных навыков.
Принцип работы и устройство вариатора
Вариатор называть коробкой переключения передач не совсем правильно, так как передачи в нем отсутствуют, а крутящий момент изменяется плавно и непрерывно. Более правильное название – «непрерывно меняющаяся трансмиссия» (CVT). Так как педаль сцепления в автомобилях с вариатором отсутствует, его условно относят к автоматическим коробкам. Однако принцип работы вариатора сильно отличается от работы обычных автоматов.
Изменение и передача крутящего момента выполняются с помощью клиновидного ремня и конусовидных шкивов. Контроль за работой вариатора выполняется блоком электронного управления. Для работы вариатора необходима трансмиссионная жидкость. Непосредственно управление вариаторной передачей выполняется с помощью рычага селектора, режимы которого похожи на автоматическую коробку.
Как работает бесступенчатая CVT коробка передач
Рассмотрим принцип работы двух типов вариаторов – клиноременного и тороидального (роликового) вариатора.
Ременной или цепной
В этом случае принцип работы одинаковый. Отличие только в применении в качестве передачи крутящего момента ременного или цепного привода. Устройство вариаторной коробки не изменяется.
При помощи подвижного механизма, закрепленного на одном из конусов ведущего и ведомого шкива, происходит изменение эффективного диаметра ремня. То есть, на каждом из шкивов меняется внутренний диаметр. Соответственно, изменяется передаточное число между ведущим и ведомым валами.
Простым языком:При возрастании оборотов двигателя, противоположные конусообразные пластины сдвигаются или раздвигаются, каждая на своем шкиве. Они либо выталкивают ремень наружу при их схождении, либо опускают его вниз, при раздвижении. На картинке показано, как меняется передаточное соотношение при разном положении ремня на шкивах коробки.
Как видно, здесь нет фиксированных передач, потому что нет набора звездочек. Поэтому, вариатор может иметь неограниченное число передач, а значит, широкий диапазон передачи крутящего момента.
В современных вариативных коробках все же есть две звездочки или дополнительный планетарный механизм. Он предназначен для фиксации пониженной передачи или первой скорости, чтобы момент передавался не через ремень, а через шестерни. Это бережёт ремень от проскальзывания и шкивы от царапин при старте автомобиля под нагрузкой. Например, при заезде с места на бордюр, подъем в гору с минимальной скорости или буксование в грязи.
Задняя и нейтральная передача
Когда рассматривали устройство вариатора, то говорили, что в его конструкции есть планетарная передача и набор фрикционов. Так вот, все это хозяйство отвечает за «нейтралку» и заднюю скорость.
Ведущий шкив жестко соединен с водилом планетарной передачи. На ведущем валу установлена солнечная шестерня, которая двумя рядами сателлитов связана с коронной шестернёй. Они своими осями соединены с водилом.
Чтобы обеспечить движение автомобиля прямо, нужно зафиксировать коронную шестерню с солнечной шестернёй. За это отвечает первый пакет фрикционов. Он представляет собой набор пластин. Один ряд которых имеет зубья на внешней части,они соединены с коронной шестерней. На втором ряду зубья расположены на внутренней стороне пластины, они жестко связаны с солнечной шестерней. Весь набор пластин может двигаться в осевом направлении по шлицам.
Таких рядов несколько, пластины чередуются между собой. Между ними есть определенный зазор и они свободно вращаются каждый со своей шестернёй. В этот момент включена нейтральная передача. Под действием гидропривода они смыкаются. За счет силы трения между ними, они фиксируя солнечную шестерню с коронной. Теперь вся конструкция движется как одно целое, обеспечивая движения авто вперед.
При включении задней скорости активируется второй пакет фрикционов и ослабляется первый. Второй набор пластин отвечает за фиксацию солнечной шестерни с корпусом коробки.
Таким образом в работу вступают сателлиты. Коронная шестерня вращается в одном направлении, сателлиты в другом. Так как они жестко связаны с водилом, то оно вращается в противоположном направлении относительно входного вала. Это обеспечивает движение автомобиля задней скоростью.
Тороидальный вариатор
Как известно из его устройства, он имеет два неподвижных конуса, направленных друг против друга. Между ними вращаются ролики, которые изменяют свое положение относительно этих конусов.
Механизм изменения положения роликов у каждого производители свой. В некоторых моделях происходит поворот роликов относительно оси конусов. В других вариаторах ролики смещаются вдоль оси вала, а их поворот относительно конусов происходит за счет прижатия к ним. Ролики самостоятельно изменяют свое положение в плоскости за счет центробежной силы.
Основные виды вариаторов и принцип их работы
Сегодня каждый автопроизводитель располагает собственными наработками в области инженерии трансмиссий, в том числе, вариаторов. Тем не менее, все существующие на сегодняшний день коробки передач CVT принято разделять на два типа: клиноременный и тороидальный.
Клиноременный вариатор состоит из двух шкивов и ремня с трапецеидальным сечением. Каждый из шкивов представляет собой два конических диска, благодаря которым появляется возможность менять диаметр и передаточное число исходя из скорости вращения мотора. Ряд производителей нередко вместо традиционного ремня применяют цепь, а некоторые компании изготавливают ремень из особых металлических пластин. Впрочем, на принцип работы вариатора с точки зрения способа передачи тяги эти особенности влияния не оказывают.
За работу дисков каждого шкива отвечает электронная система, состоящая из датчиков с сервоприводами и центрального блока управления. Общий принцип работы системы следующий. Обладая клиновидной формой, ремень вступает в контакт с каждым из шкивов только лишь боковыми поверхностями. Изнашиваясь со временем, ремень словно «впивается» в шкив, сохраняя тем самым необходимый уровень сцепления. Вращение коленчатого вала передается ведущему шкиву. Его конструкция такова, что в случае увеличения оборотов двигателя «щеки» дисков постепенно сжимаются, тем самым выталкивая ремень от центра к ободу. Одновременно с этим, «щеки» дисков ведомого шкива разжимаются, что утапливает ремень к центру. Таким образом, происходит изменение радиусов вращения, а, значит, и передаточных отношений в бесступенчатом режиме. По сути, при такой схеме можно получить сколь угодно много передаточных чисел, а не только какие-то фиксированные значения. С ростом оборотов мотора происходит постепенное сжимание ведущего шкива с одновременным разжиманием ведомого, что гарантирует сохранение натяжения ремня. Если водитель сбрасывает обороты мотора, отпуская педаль «газа», внутри вариатора происходит противоположный процесс.
Несколько иной принцип работы у коробки-вариатора тороидального типа. Она располагает парой колес со сферической рабочей поверхностью. Между этими колесами зажимается ролик. Как и шкивы ременного вариатора, колеса тороидального CVT разделяют на ведущее и ведомое. Передаточное число меняется в данном случае посредством силы трения, которая возникает между поверхностями колес и ролика.
Когда ролик меняет свое положение относительно поперечной плоскости, происходит изменение передаточного числа в ту или иную сторону. При горизонтальном положении ролика ведомое колесо будет вращаться со скоростью, равной скорости вращения ведущего колеса. Но стоит ролику повернуться, происходит немедленное изменение скорости вращения ведомого колеса относительно ведущего. Поскольку в пятне контакта ролика и поверхности колеса возникает довольно серьезное усилие, разработчики вариатора предусмотрели использование специальных устройств, способствующих преодолению притяжения ролика к поверхности колеса. К примеру, тороидальная система Extroid, применяемая на многих моделях автомобилей Nissan, оснащается специальным устройством, работающим под управлением электроники. Благодаря такому устройству прецизионный гидромеханизм меняет расположение узла с роликами на микроскопическую величину в вертикальной плоскости. Сдвиг, производимый относительно оси колес, провоцирует самостоятельный поворот ролика.
Плюсы и минусы
Автоматическая коробка обладает преимуществами:
- Простота эксплуатации и доступность в управлении.
- Уменьшение износа двигателя из-за снижения количества ошибок, совершенных водителем при управлении.
- Безопасность при старте. Автомобиль не заведется, если рычаг будет в любом положении кроме «Р» или «N». Это исключает неожиданный прыжок машины.
- Невозможность вытащить ключ из замка зажигания пока коробка не будет поставлена в режим «Р». Это не позволит автомобилю самостоятельно двигаться при отсутствии водителя.
У агрегата и ряд недостатков:
- дорогое техническое обслуживание агрегата;
- повышенный расход горючего;
- необходимость замены масла через определенные периоды времени;
- отбор в процессе движения у двигателя 10% мощности;
- отсутствие возможности завести мотор с толкача.
К достоинствам вариаторов относят:
- плавное изменение скорости движения;
- ощутимая экономия топлива;
- длительный срок эксплуатации.
Недостатки:
- Сложность в обслуживании. Смогут только квалифицированные мастера.
- Необходимость замены масла после каждой 50000 км. Заливается исключительно синтетика.
- Высокая стоимость ремонта.
Отличие по конструкции
Если посмотреть на AT и CVT — оба агрегата имеют совершенно разное устройство. Между ними нет ничего общего, кроме автоматического переключения скоростей. Внешне различить коробки может только специалист.
Если посмотреть на конструкцию, то работа АКПП основывается на взаимодействии гидротрансформатора и редуктора. Первый узел обеспечивает нагнетание давления, что приводит к автоматическому щелканью передач. В состав редуктора входят валы, зубчатые шестерни и колеса, которые находятся в постоянном взаимодействии.
Основные составляющие в вариаторе — 2 конусных шкива: ведущий и ведомый. Соединены они ременной передачей повышенной прочности. За счет перемещения ведущего вала между осями изменяется расстояние. Это приводит ремень на ведомом шкиве к охватам разного диаметр. В результате идет условное повышение или понижение передачи. В вариаторе нет никаких зубчатых соединений.
Разница по системе охлаждения
В автомобиле с коробкой автомат присутствующее трансмиссионное масло должно иметь определенную рабочую температуру. Для этого в корпус радиатора системы охлаждения двигателя установлен теплообменник. Он еще называется маслоохладителем АКПП. С его помощью рабочая жидкость постоянно находится в интервале определенных значений.
Температурный режим вариатора контролируется системой самодиагностики. Информация поступает от датчика. В случае превышение допустимого значения индикатор подает сведения о неисправности и в вариаторе включается аварийный режим.Для обеспечения нужной температуры масла также встраивается дополнительный радиатор. Он помогает стабилизировать нагрев.
По уровню комфорта
Принципиальных различий в управлении коробкой автоматом или вариатором нет. Если человек любит плавное перемещение без резких ускорений — следует выбирать второе. Есть любители, предпочитающие резкую езду. Им лучше передвигаться на автомобиле с АКПП.
В машине с вариатором нет провала под тяге. Нарастание скорости и ее падение постепенное. На автомате для переключения передач требуется некоторое время. При разгоне машины могут наблюдаться толчки.
Некоторых водителей раздражает звук двигателя машины с вариатором. В случае добавления газа с повышением оборотов усиливается гул, а заметного повышения скорости нет.
Вариатор коробка передач что это такое? Принцип работы CVT
Для начала нужно разобраться, вариатор коробка передач что это такое, что же входит в бесступенчатый механизм коробки и как эти составные части между собой взаимодействуют.
Для лучшего восприятия условно поделим вариаторную коробку передач на две части. Основные узлы и вспомогательные.
К основным следует отнести:
- Ремень;
- Шкивы;
- Валы.
Принцип работы вариатора понять не сложно. На двух валах надето по два конусообразных шкива, которые могут перемещаться (сдвигаться и раздвигаться) а между ними натянут и зажат с двух сторон металлический ремень клинообразной формы.
Вот как раз ремень и передает усилие от ведущего вала, связанного с двигателем, к ведомому, который идет уже на колеса.
Передаточное число меняется в зависимости от того на сколько эти шкивы сближены, поскольку меняется число оборотов одной пары шкивов по отношению ко второй.
Шкивы двигаются в большинстве случаев гидроприводом управляемым электроникой. В итоге, мы имеем плавное изменение передаточного числа без рывков и фиксированных значений.
Вместо ремня может выступать металлическая цепь клинообразной формы, в основном это автомобили AUDI.
Такое решение позволяет передавать большую мощность, но все равно оно ограничено, где-то на отметке в 300 л.с. Поскольку повышение мощности далее негативно сказывается на ресурсе агрегата.
Еще одним из видов вариаторов будет тороидный, где связующим звеном между шкивами служит металлический вал (вариаторы Nissan). Как видим каждый из производителей старается, как то улучшить систему передачи мощности, но единого стандарта пока не изобретено.
Вспомогательные механизмы бывают следующие:
- Сцепление;
- Планетарная передача.
Сцепление в вариаторной коробке передач нужно чтобы соединять двигатель и коробку передач при начале движения и работе двигателя в режиме «нейтраль». На большинстве бесступенчатых вариаторах устанавливается гидротрансформатор, реже многодисковое сцепление.
Планетарная передача в бесступенчатой трансмиссии необходимо для реализации заднего хода, так как шкивы могут вращаться только в одну сторону. Так же могут присутствовать другие узлы и агрегаты, не влияющие коренным образом на работу механизма.
Хотя, если честно говорить, есть один элемент, который при пробуксовке в жаркий день и долгом стоянии в пробке просто незаменим. Это радиатор охлаждения, так как крутящий момент передается с помощью трения то и масло в такой коробке довольно ощутимо нагревается. Кстати не все автомобили оснащены системой охлаждения вариатора.
Клиноременный вариатор
Клиноременный вариатор как тип трансмиссии известен давно. Его главные детали — два раздвижных шкива и соединяющий их ремень, в сечении имеющий трапецеидальную форму. Если половинки ведущего шкива сдвинуть, они вытолкнут ремень, словно попавший между ними клин (отсюда и название «клиноременный»), наружу — радиус шкива, по которому работает ремень увеличится, следовательно, увеличится и передаточное отношение. А если половинки ведомого шкива, наоборот, раздвинуть, то ремень провалится внутрь и будет работать по меньшему радиусу — передаточное отношение уменьшится. Если оба шкива будут в промежуточном положении, то передача станет прямой. Как вы поняли сверху — здесь нет передач, а изменение передаточного числа (повышение или понижение) идет плавно, на «заданные значения». Поэтому-то здесь нет толчков при трогании и «переключении». И не зря мы написали это слово в кавычках: переключений как таковых тут и нет. Вариатор непрерывно и плавно изменяет передаточное число по мере разгона или замедления автомобиля. Конечно, здесь есть программная составляющая, которая позволяет создавать «ступени», но они сделаны программно, для ручного управления, например по грязи или снегу (когда нужна максимальная тяга и не важна скорость). А сама коробка бесступенчатая – что позволяет передавать усилия от силового агрегата колесам более точно.
Вы удивитесь, но принадлежит это изобретение не Хонде и даже не Мерседесу. Патент на вариатор был выдан в конце XIX века! Более того, первый вариатор придуман и вовсе в 1490 году. Его автором оказался добродушный бородач Леонардо да Винчи. Первый работоспособный автомобиль с этим типом трансмиссии, правда, появился не в эпоху Возрождения, а попозже — лет через пятьсот, в 1950-х годах. Вариатор ставился серийно на автомобили DAF (в то время под этой маркой выпускались не только грузовики, но и легковушки). Потом нечто похожее начали делать и на Volvo, но по-настоящему широкое распространение вариаторы получили лишь сейчас.
Принцип работы вариатора
Кстати, интересный вопрос — какой тут используется ремень? Разумеется, простой ремень из резины и ткани, наподобие тех, что вращают генераторы и прочее навесное оборудование, здесь не прожил бы и тысячи километров. Ремни в клиноремённых вариаторах имеют сложное устройство.
Как видно, никакой это вовсе не ремень, а наборная металлическая лента
Это может быть стальная лента с неким покрытием или набор стальных тросов (лент) сложного сечения, на которые нанизано огромное число тонких поперечных стальных пластинок трапецевидной формы, края которых и контактируют со шкивами. Кстати, именно таким образом удалось создать толкающий ремень, передающий мощность не только той его половиной, которая бежит от ведомого к ведущему шкиву, но и противоположной. Обычный ремень при попытке передать сжимающее усилие просто сложился бы, а наборный стальной — обретает жёсткость. А ещё в качестве клинового ремня может выступать широкая пластинчатая стальная цепь, соприкасающаяся с конусами своими краями. Именно такой «ремень» работает в вариаторах машин Audi.
Вот такая цепь используется в вариаторах фирмы Audi
Интересно, что для смазки цепи применяется особая жидкость, которая меняет своё фазовое состояние под сильным давлением, возникающим в месте контакта со шкивом. Благодаря этому цепь может передавать значительное усилие, практически не проскальзывая, несмотря на очень маленькую площадь контакта.
