1. принципова конструкція
2. старовинний варіант
3. Варіюємо матеріал ременя
4. Тягне варіант і гідротрансформатор
5. Варіації на тему
6. Варіант з ланцюгом
7. Варіації в формі тора
8. Варіанти без тертя
9. Що далі?

«Слухай, а не страшно брати, з варіатором-то?» - весь час запитують ті, хто зібралися купувати старий Nissan Qashqai або, скажімо, Audi A5. Безступінчатих трансмісій бояться ... Чи справедливо? Все залежить від конкретного типу коробки - «варіантів варіатора» дуже багато.

Історія часто несправедлива по відношенню до варіатора. Те це перспективна трансмісія, то символ дешевої і невдалої автоматичної КПП ... Після випуску перших легковиків DAF 600 з варіатором і спроб застосування аналогічних конструкцій з ременями на машинах Вольво пройшло вже більше тридцяти років, і витончена ідея все ще намагається знайти настільки ж витончене технічне втілення.

За минулі роки варіатори екзотики перетворилися в цілком собі звичайний тип «автомата», особливо на японських машинах, встигнувши пережити кілька криз, набираючи і втрачаючи бали репутації і зазнавши кілька вкрай значних змін конструкції. Причому зараз в серійному виробництві присутні всі вони разом узяті. Зазвичай питання «що вибрати» не варто вибору типів трансмісій на одній моделі машини немає, максимум можна вибирати між механічною КПП і варіатором (рідкісні винятки лише підтверджують правило), але цей матеріал буде корисний для розуміння того, з чим доведеться зіткнутися в процесі експлуатації.

принципова конструкція

Нагадаю, що суть вариаторной трансмісії досить проста. Передавальне відношення змінюється в певному діапазоні плавно, без ступенів, при цьому обороти мотора можуть перебувати в оптимальній зоні для даного режиму руху, що підвищує економічність і покращує тягові можливості машини. Це в теорії.

На практиці ж різні конструктивні виконання можуть мати безліч недоліків, часом перекреслюють їх гідності. Є кілька способів передавати крутний момент, плавно змінюючи передавальне відношення. Найпростіший і очевидний спосіб - це передача моменту ременем через шківи, ​​діаметри яких постійно змінюються. Конструкції такого роду були відомі з давніх-давен - звичайний шкіряний ремінь міг рухатися по коническому шківа, утримуваний від сповзання роликом натягу.

Діаметр другого шківа при цьому залишався незмінним або ж, як і в сучасних конструкціях, шківи були складними і складеними, а ремінь просто затискався з боків - з одного боку пружиною всередині шківа, що забезпечує натяг, а на інший шків міг регулюватися. Остання конструкція найближче до існуючих понині автоматичним трансмісіям.

старовинний варіант

Підприємство братів Ван Дорн, що входило в промислову імперію DAF, використовувало просту схему з тягне м'яким ременем - але вже не шкіряним, а металокордним - для своїх легковиків. Після покупки DAF компанією Volvo схему спробували застосувати на більшій машині - Volvo 340, але не дуже вдало. Трансмісія вийшла дуже великий, зайнявши багато місця в багажнику, - у машини була схема трансексл, коли двигун розташований спереду, а КПП - на задньому мосту. Відкрито розташовані шківи забруднювались, а ремені пробуксовували, розтягувалися і горіли. Досвід був визнаний невдалим.

Втім, сама конструкція не зникла. Не придатний на автомобілях, вона завоювала собі місце під капотом моторолерів і снігоходів, цілком відповідаючи застосування цих транспортних засобів. З меншим крутним моментом вона прекрасно справлялася, недорогий тягне ремінь можна було міняти раз в сезон, а то й частіше, ця проста операція не вимагала серйозних витрат, а мала маса і простота забезпечила найширшого розповсюдження. Загалом, звичайна схема з тягне ременем жива і понині. Причому відчуває вона себе дуже впевнено, ні про яку заміну на складні складальні ремені або ланцюга мови навіть не йде.

Варіюємо матеріал ременя

Варіатори, настільки успішно прижилися в мототехніки, на машинах довгі роки не застосовувалися, але простота і зручність схеми не давали конструкторам спокою. Основні проблеми були вже давно виявлені - при хорошому динамічному діапазоні такої АКПП їй все ж дуже заважали зниження ККД при крайніх передавальних відносинах (коли різниця між діаметрами ведучого і веденого шківів ставала надто великий) і велике навантаження на ремінь при цьому.

Сильно поліпшило позиції варіатора винахід компанією братів Ван Дорн набірного сталевого ременя. Конструкція його складалася з декількох несучих сталевих стрічок-ременів і перпендикулярно нанизаних на них сталевих пластин складної форми, що дозволяє передавати обертання зі шківів.

Для зрушення з місця передбачалося звичайне фрикційне зчеплення (як на "механіці"), а для розширення динамічного діапазону і заднього ходу ще й планетарна передача, знайома по класичним АКПП. Спочатку варіатори оснащувалися ще і підвищують редукторами для зниження переданого моменту, але серійні конструкції були влаштовані вже трохи простіше.

Ресурс таких конструкцій зріс до цілком прийнятних 80-120 тисяч кілометрів пробігу, але недоліків вистачало. І в першу чергу не вистачало надійності в роботі. Особливого поширення схема не отримала, так як подальше невелике вдосконалення схеми роботи ременя значно поліпшило характеристики трансмісії.

Основні недоліки стосувалися вібрацій і (все ще) крайніх передавальних відносин. При мінімальному діаметрі одного з шківів ремінь на ньому сильно вигинався і до того ж пробуксовував через недостатню площі дотику. Будь-які ривки тяги провокували пробуксовку ще сильніше. Пробуксовка швидко зношується ремінь і шківи. Виникаючі при пробуксовці вібрації попутно шкодили трансмісії і знижували комфорт. В результаті навіть така вдосконалена конструкція застосовувалася тільки на малолітражних машинах. Найбільш популярна з них - це Nissan Micra K11, що дебютувала в 1992 році.

На фото: Nissan Micra K11

Тягне варіант і гідротрансформатор

Виправити ситуацію допоміг гідротрансформатор замість фрикційного зчеплення і зміна схеми роботи ременя. «Бублик», який був задіяний при рушанні машини, дозволяв уникнути ривків тяги, а заодно і полегшити старт. А значить, можна було обмежитися меншим передавальним відношенням при рушанні і заодно знизити ймовірність пробуксовки через пом'якшення ривків ВМД.

Друге важливе нововведення - застосування так званого «штовхає ременя». В цьому випадку крутний момент передавався не на тій галузі ременя, що тягнув провідний шків, а на тій, що він штовхав. Сталеві бандажі, основа ременя, не відчували більше навантаження на розтягнення, а все зусилля передавалось через пакет пластин.

Це нововведення зменшило знос ременя і поліпшило умови його роботи. А все разом дозволило застосовувати варіатор на вельми потужних моторах. Спочатку мотори 1,6 літра були межею, але зараз аналогічні конструкції застосовують уже і на моторах 2,5, а то і 3,5 літра. Наприклад, так влаштовані найпоширеніші конструкції воротарів Jatco, що застосовуються на багатьох японських машинах, наприклад, бестселери Nissan Qashqai і X-Trail, а за ними - Renault Megane і Fluence, Mitsubishi Outlander і ASX ...

На фото: варіатор Jatco jf011e

Шлях від перших конструкцій, на перший погляд, не так вже й великий ... Але на ділі в ці роки йшла довга копітка робота по поліпшенню варіатора такої схеми, яка дозволила зробити його досить надійним, простим в експлуатації та ремонті, зберігши при цьому відносно недорогу конструкцію.

Варіації на тему

Схема з штовхає ременем на слабких моторах може застосовуватися і без ВМД, що демонструють цілком непогані конструкції на деяких китайських машинах. Простого зчеплення вистачає для забезпечення потрібних характеристик, нехай і машини зі спрощеними трансмісіями їдуть вже не настільки добре. Зате ціна зовсім невелика, а конструкція навіть простіше, ніж у інший «механіки». Власне, один з перших вдалих воротарів з штовхають ременем на Subaru Justy був влаштований саме так.

На фото: Subaru Justy

Варіант з ланцюгом

Використовувати замість ременя ланцюг здається дуже розумною ідеєю. Благо варіант це перевірений, роликовий ланцюг давно замінила ремінну передачу там, де можливостей ременя вже не вистачало, в тих же мотоциклах або промислових передачах. Ось і в варіатора ланцюг прийшла на зміну ременю, коли здалося, що тягне ремінь вже не справляється.

Зрозуміло, у воротарів немає зубців для зачеплення, так що потужна пластинчастий ланцюг просто затискається з боків шкивами. Серйозними перевагами є менший можливий радіус заокруглення і велика міцність на стиск. Та й розтягнення ланцюга залежить в основному від зносу в її підшипниках, а значить, теоретично є можливість зробити її дуже ресурсної, обмеженою тільки по зносу контактних майданчиків.

В результаті варіатор з ланцюгом може бути помітно міцніше, менше боїться пікових навантажень і дозволяє розширити динамічний діапазон трансмісії. Є й експериментальні конструкції, де один з шківів зубчастий, а натяг забезпечується додатковим роликом, але в серійне виробництво поки панує більш компактна схема з двома рухомими шкивами і передачею моменту простим фрикційним зачепленням.

Конструкція з тянущей ланцюгом була успішно реалізована компанією Volkswagen у співпраці з LuK для машин з поздовжнім розташуванням двигуна в кінці дев'яностих років і застосовується аж до сьогоднішнього дня. Йдеться про варіатора Multitronic - вони витримують крутний момент до 310 Нм. Застосування ланцюга дозволило помітно підняти передається момент, а всі недоліки трансмісії виявилися конструктивними і мало пов'язаними з самої схемою.

Хіба що ресурс ланцюга вийшов порівняно невеликий, близько 100 тисяч кілометрів пробігу, але з урахуванням відносно невеликий її ціни і простоти заміни це можна вважати цілком успішним результатом. Допомога в розробці ланцюга і шківів надавала компанія LuK, вона ж запропонувала свої послуги компанії Subaru, коли та вирішила створити свій кліноцепной варіатор Lineatronic.

Результат вражає, нова трансмісія «перетравлює» момент дволітрового турбомотора і при цьому вміє бути економічною і спортивної одночасно. Без ВМД і тут не обійшлося. Для Субару це не перший досвід роботи з варіаторами, вони були одними з піонерів впровадження воротарів з штовхає ременем, випустивши в 1984 році свій варіант ECVT для моделі Justy, але від подальших розробок відмовилися, хоча перший досвід і був вельми успішним.

Варіації в формі тора

Європейські виробники пішли по шляху роботизації вальних КПП ( Volkswagen DSG , Ford PowerShift і т.п.), а японські компанії, об'єднавши зусилля, продовжують роботу над варіаторами. Наступним кроком у розвитку стала відмова від ременя і ланцюга при передачі крутного моменту на користь тертя шківів.

Подібні конструкції застосовувалися і раніше, але фрикційна передача з конічними валами і проміжним роликом занадто громіздка для застосування в автомобілі. Але на допомогу прийшла схема з тороїдальними поверхнями, так званий «тороидальний варіатор». В цьому випадку обертання передається з ведучого тороїдального конуса на ведений за допомогою проміжного ролика.

Хитрість конструкції в тому, що відстань між точками на прямій, що перетинає осі обертання проміжного ролика і тороїдальних поверхонь, завжди однакове. А значить, не потрібна ланцюг - один ролик обертається, одним краєм торкаючись малого радіусу конуса, а інший - великого, забезпечуючи зміна передавального відношення. Немає ні ланцюга, ні ременя, при цьому розмір точки контакту невеликий, але постійний, контактні поверхні можна виготовити з твердих матеріалів, а роликів використовувати кілька - для збільшення площі контакту.

На практиці таку технологію застосовував тільки Nissan на своїх варіатора Extroid, що ставилися на ряд потужних моделей начебто не особливо поширених у нас на ринку Cedric і Skyline. На цьому поки що все закінчилося.

Тороїдальні варіатори виглядають складніше традиційних - доводиться використовувати дві послідовних передачі для забезпечення потрібного динамічного діапазону. Проблема в тому, що через необхідність застосовувати дуже дорогий і зносостійкий матеріал для роликів, трансмісія виявилася дорогою, порівнянної за ціною з традиційними АКПП з «бубликом» і планетарними редукторами.

Втім, прогрес не стоїть на місці, і дуже можливо, що у перспективного Extroid з'являться більш доступні спадкоємці.

На фото: варіатор Nissan Extroid

Варіанти без тертя

Зараз все серійні конструкції воротарів передають крутний момент за рахунок тертя в зоні контакту ланцюга, ременя або роликів, але вже існують напрацювання, що дозволяють відмовитися від передачі тертям і скористатися можливостями зубчастого зачеплення, а значить, підвищити ККД і зменшити знос робочих елементів конструкції. Причому вони є як для конструкцій з ланцюгом, так і для тороїдальних воротарів.

Особливий профіль зубів дозволить зменшити тиск в точці зачеплення і при цьому мати можливість так само плавно змінювати передавальне відношення. Варіатори з ланцюгом і додатковим натяжним роликом вже зараз можуть забезпечити відсутність проблем з ККД у передачі в одному з крайніх положень валів, але цього недостатньо, щоб отримати перевагу перед більш компактними схемами з двома розсувними шківами. До практичного застосування цієї схеми, втім, справа поки що не дійшла - тільки до досвідчених моделей і теоретичних досліджень.

Зокрема, в минулому році патент на зубчастий варіатор з постійним зачепленням оформив професор К.С. Іванов з Казахського інституту механіки і машинобудування. Можливо, саме цей варіант і є майбутнє безступінчатих трансмісій.

Що далі?

У загальному і цілому у варіатора є куди розвиватися крім банального поліпшення зносостійкості ременя, ланцюги і конусів у класичних конструкцій і удосконалення поверхонь торів і роликів у тороїдальних. Теоретично це один з найперспективніших видів трансмісій для ДВС, і зникне він, напевно, разом з самим ДВС, в результаті поступової відмови від ДВС як основного двигуна і переходу на електричну тягу.

Читайте також: