Принцип работы вариатора в автомобиле: преимущества бесступенчатой КПП
В чем суть? Принцип работы вариатора в автомобиле помогает понять преимущества и недостатки такой КПП. В его основе отсутствие передач как таковых (поэтому его еще называют бесступенчатой коробкой), что приводит к более плавному набору скорости.
На что обратить внимание? Так как существуют два основных типа вариатора, то и их функционирование будет обладать своими особенностями. Автолюбителям важно понимать, как работает КПП и что от нее ждать при эксплуатации, чтобы правильно выбрать модель автомобиля.
Вопросы, рассмотренные в материале:
Устройство и принцип работы вариатора в автомобиле
Под вариатором понимается коробка передач с вариативным (то есть плавным) изменением передаточного числа вращения с первичного на вторичный вал. Визуально крайне сложно установить, что на автомобиле установлен именно вариатор, так как внешне он не отличается от стандартной АКПП (ручка переключения режимов имеет те же обозначения: P, R, N, D).
Главным отличием является принцип работы вариатора в автомобиле. Если кратко, то привычных шестерен, соединяющихся с определенными передаточными числами, здесь нет. Крутящий момент передается с неограниченным количеством таких чисел, что позволяет обеспечить наиболее комфортный режим работы для силового агрегата.
Вариатор обеспечивает плавное трогание машины с места, без рывков, а во время движения передаточное число меняется бесшумно и без участия в этом процессе сцепления.
Вариаторы имеют 2 разные конструкции:
- Клиноременная. Это превалирующий тип, который используется в 95 % случаев.
- Тороидная. Имеет весьма сложное устройство и из-за этого практически не выпускается.
В современных автомобилях управлением работой вариаторов занимаются электронные блоки. В компьютерных программах заложены виртуальные ступени, которые соответствуют требуемому режиму – соотношению частоты оборотов и передаваемого усилия (так, например, при движении по грязи или снегу требуется, чтобы колеса не столько быстро крутились, сколько обеспечивали повышенную тягу).
- Клиноременные вариаторы
Это наиболее распространенные типы вариационной трансмиссии, которые устанавливаются на машинах марок Nissan, Infiniti, Audi и др. Разберем последовательно принцип работы такого вариатора в автомобиле.
Первичный вал здесь называется главным (или ведущим) шкивом, он через коробку сцепления связан с коленвалом двигателя. Вторичный вал называется ведомым шкивом, который уже жестко связан с колесами. Связь между главным и ведомым шкивом осуществляется при помощи ременного сообщения.
Регулировка передаточного числа происходит путем изменения так называемых эффективных диаметров шкивов. Они разделены на 2 одинаковые половинки (разрезаны поперек оси). Обе части посажены на шлицу вала (каждый своего: главный шкив – на первичный вал, ведомый шкив – на вторичный) и имеют возможность двигаться: сходиться и расходиться. Сечение внутренней канавки каждого шкива имеет коническую форму. Ремень, которым данные шкивы объединены, обладает постоянным сечением.
Таким образом, сходясь, половинки увеличивают эффективный диаметр окружности, по которой осуществляется соприкосновение ремня и шкива, а при их расхождении эффективный диаметр уменьшается. Здесь используется закон рычага, только применительно к блокам: что выигрываешь в силе, то проигрываешь в расстоянии.
Больший эффективный диаметр главного шкива передает на вторичный вал большую скорость окружности, но соответственно, меньшее усилие. А если увеличивать эффективный диаметр ведомого шкива, то вторичный вал будет вращаться с меньшей скоростью, зато будет иметь больший момент усилия.
В момент трогания с места на колеса должно поступать большее усилие. Поэтому на главном шкиве образуется минимальный эффективный диаметр (половинки шкива, имеющие конусную форму, разводятся); ведомый шкив при этом выставляется в положение с максимальным эффективным диаметром (половинки, наоборот, сходятся вместе до соприкосновения).
Получается, что главный шкив совершает несколько оборотов для того, чтобы ведомый совершил всего один. Нагрузка на двигатель в данном случае минимальная, впрочем, мотор при этом должен выдавать большие обороты.
После того как машина уже разгонится, необходимость в большом усилии отпадает, зато, как правило, нужно разогнаться еще сильнее. Эффективный диаметр главного шкива плавно возрастает (его клиновидные половинки сходятся), а ведомого, наоборот, уменьшается (половинки расходятся), что опять же обеспечивает мотору комфортный режим работы с точки зрения формируемого усилия.
Когда у главного шкива образуется наибольший эффективный диаметр (его половинки сходятся вместе до упора), а на ведомом шкиве при этом половинки разведены полностью, обеспечивая минимальный эффективный диаметр, то в этом случае вариатор сообщает автомобилю максимальную скорость при наименьшем тяговом усилии.
Таким образом, принцип работы вариатора в автомобиле заключается в плавном изменении эффективных диаметров ведущего и ведомого шкивов. Сам же вращательный момент передается при помощи ремня, движущегося между шкивами.
- Тороидные вариаторы
В данном случае какие-либо ремни, осуществляющие передачу вращения с вала на вал, отсутствуют. Их миссию выполняют ролики, а место шкивов здесь занимают торы – валы, имеющие характерную вогнутую форму поверхностей щек, перпендикулярных оси их вращения, в виде тороидов. По краям оси размещены ведомые торы, а в центре – ведущий (иногда наоборот).
Торы располагаются по отношению друг к другу своими вогнутыми щеками, между которыми имеются ролики (как правило, их по 3 шт. с каждой стороны от ведущего тора). Таким образом, одной своей кромкой ролик прижимается к ведущей торроидальной поверхности, а другой кромкой – к ведомой. Если сделать разрез вдоль оси, то в сечении торроидальные пространства, образованные ведущим и ведомым торами, будут представлять собой правильные круги, в которых ролики играют роль диаметров.
Чтобы в данном случае вариатор поменял передаточное число, ролик должен поменять свое положение, просто повернувшись. Тогда, к примеру, одной своей кромкой он будет прижиматься к ведущему тору на меньшем его диаметре, чем на ведомом – в данном случае будет наблюдаться большая тяга в ущерб скорости вращения колес. Если же повернуть ролик в противоположную сторону, то главного тора он будет касаться уже на большем диаметре, а ведомого – на меньшем: тяга в данном случае станет меньше, зато скорость увеличится.
Отличия вариатора от АКПП
Основные отличия вариаторной трансмиссии ощущаются во время движения машины. Например, при ускорении двигатель не издает характерного шума, соответствующего нарастанию оборотов. Вообще, с учетом того, что все модели автомобилей, на которых устанавливаются вариаторы, оснащаются электронными блоками управления, моторы в них почти что всегда работают в одном нешироком диапазоне оборотов (даже во время приемистого разгона или резкого торможения).
Иногда это сильно сбивает с толку водителей, имеющих недостаточный опыт езды на таких машинах: им кажется, что движок запаздывает, резво не реагируя на нажатие педали акселератора. Но эти ощущения субъективны и обманчивы – оснащенный вариатором автомобиль ничуть не менее приемисто набирает скорость, нежели машины, обладающие классической коробкой передач.
Вариатор обеспечивает максимальную эффективность использования ресурса мощности двигателя: обороты двигателя соответствуют необходимым в настоящий момент с учетом требований водителя (который давит на педаль газа) и особенностей движения. Поэтому у двигателя не возникает нужды перенапрягаться, что приводит к ощущению того, что мотор как бы «завис».
Ступенчатая (дискретная) КПП требует от двигателя периодического увеличения числа оборотов, после чего осуществляется переход на более высокую передачу и новый набор оборотов. Вариатор же предоставляет мотору возможность вообще не менять режима работы (число оборотов вращения) за счет плавного изменения передаточных чисел.
Однако специально для неопытных водителей некоторые автопроизводители регулируют моторы машин с вариаторами таким образом, чтобы все-таки обороты у них изменялись и звучание соответствовало скорости движения.
Нужно отметить, что тормозить двигателем на машине с вариаторами – плохая идея. На ремень трансмиссии в данном случае передаются несвойственные ему функции, в результате чего он очень быстро изнашивается. (Но торможение двигателем – это вообще не самый оптимальный способ сбрасывания скорости).
Плюсы и минусы вариатора
Разберем плюсы и минусы вариаторов.
Начнем с преимуществ:
- Обеспечение исключительно плавного хода. Никаких толчков и рывков, а переключение передач как таковое отсутствует вовсе.
- Динамичность разгона. Мощность в данном случае не проседает (как в случае с классической коробкой, когда вы бросаете акселератор перед тем, как выжать сцепление). CVT (вариаторная коробка), таким образом, позволяет раскрыть весь мощностной потенциал машины.
- Высокий КПД двигателя. Вариатор дает больший коэффициент полезного действия – на 5-10 % больше, чем в состоянии обеспечить автоматическая коробка передач.
- Экономичность. В сущности, она вытекает из факта высокого КПД. К тому же сам вариатор потребляет меньше энергии, чем классические коробки передач, благодаря малому числу трущихся деталей и скромному механическому сопротивлению. Кроме того, вариатор обеспечивает работу мотора в наиболее эффективном режиме, то есть при тех оборотах, когда силовой агрегат выдает наибольшую работу при минимальном потреблении топлива.
- Минимум вибраций и шумов. В вариаторе просто нечему шуметь.
- Простота конструкции. Если посмотреть на схему устройства вариатора, то даже неопытному новичку становится понятно, как его регулировать. Как следствие, это обеспечивает большую надежность трансмиссии.
А теперь о недостатках:
- Полностью электронный контроль управления. Электронный блок управления ориентируется на показания многочисленных датчиков, и если какой-то из них будет поврежден, то возникнет риск аппаратной или даже системной ошибки, устранить которую можно лишь с привлечением высококвалифицированных специалистов.
- Возможность перегрева. Вариатор не переносит длительной поездке в режиме «газ в пол». Также плохо переносится пробуксовка. Передающий ремень в данном случае изнашивается очень быстро.
- Обслуживание вариатора (в плане тонкой настройки) стоит очень дорого: начиная от масла, цена которого намного выше, чем у моторного, и заканчивая самим ремнем, который нужно менять каждые 100 тыс. км.
Надежность вариатора
Не все вариаторы одинаковы, и различные их конструкции отличаются той или иной степенью надежности (к примеру, есть случаи, когда некоторые модели ломались, не «доехав» до гарантийного срока):
- Принцип работы вариатора JF015E в автомобилях «Рено-Ниссан», Nissan Juke, Nissan Qashqai, Renault Fluence и Kaptur (с 1,6-литровыми двигателями) классический. Только он комплектуется двухступенчатой планетарной передачей, оптимизирующей конструкцию. Однако износ здесь наблюдается очень сильный и быстрый. Одной из причин является низкое качество стали, в результате чего гидросистема оказывается засорена стружкой. Пробег более 100 тыс. км можно считать удачей. При этом ремонтировать JF015E не имеет особого экономического смысла. Лучше приобрести новый.
Но есть и прямо противоположные примеры:
- Модель Jatco (с внутризаводским обозначением JF011E) не имеет выраженных недостатков конструкции. При этом принцип работы вариатора в автомобиле (устанавливается на некоторых моделях «Тойота», на Nissan Qashqai, X-Trail с объемами двигателя в 2,0 и 2,5 литра) тот же самый.
- Вариатор Jatco JF010E, устанавливаемый на Nissan Murano и Teana с 3,5-литровыми 6-цилиндровыми двигателями, способен обеспечивать без единой поломки пробег вплоть до 200 тыс. км. При этом из строя они выходят, в частности, из-за износа подшипников.
Что автолюбители говорят о принципе работы вариатора в автомобиле
- Управление тягой
- Потери мощности при работе вариатора
- Разница для водителя
- Надежность и конструкция
- Пробег до ремонта
«Негативной чертой вариатора является невозможность управления тягой иуправляемостью. Так что для использования в спортивном режиме машины, оснащенные вариаторами, практически не годятся. Приходится использовать режим эмуляции ступеней».
«Если эксплуатировать машину с вариатором правильно, то ремень в шкивах проскальзывать не будет. Фактически двойные звенья цепи опираются на внутренние щеки шкивов точечно. Так что здесь потери на трение минимальные. Основная потеря в мультитронике (на приводе гидравлики)».
«С пользовательской точки зрения вариатор ничем не отличается от АКПП: переключать передачи не надо (нужно только рычагом выставить режим); электронный блок управления двигателем и вариатором все сделает сам и определит оптимальное передаточное число в зависимости от нагрузки и требуемого ускорения. Двигатель только работает плавнее, чем в случае с АКПП».
«Если не заставлять машину на вариаторе делать то, для чего она не предназначена (например, месить глину на бездорожье), а также при соблюдении правил эксплуатации (своевременной замене масла), то вариатор прослужит и 300 тыс. км. Проблема именно в дисциплинированности водителя и соблюдении режима замены масла (ведь на механике толком никто ничего никогда не меняет). Кстати, современные вариаторы отличаются намного меньшей надежностью из-за западающего клапана в масляном насосе. Старые конструкции были качественнее».
«Вариатор у меня уже служит 185 тыс. км. Масло ему меняю каждые 60 тыс. км. Катаюсь между столицами, в Крым (по серпантинам), иногда по зимникам езжу и даже по бездорожью (но без фанатизма). Двигаюсь не "по-пенсионерски" (разгоняюсь), но в меру».
Вполне возможно, что вариатор скоро вытеснит и КПП, и АКПП. Он крайне прост и весьма эффективен. Особый акцент конструкторы делают на комбинированных моделях, когда движок сможет работать в идеальном режиме, а избыток энергии будет рекуперироваться и использоваться при разгонах транспортного средства.