Тороидный вариатор – Тороидные вариаторы — Энциклопедия журнала «За рулем»

Чтобы понять, что такое вариатор на машине, стоит вспомнить смысл использования в ней коробки передач как таковой. Её наличие в автомобиле вызвано необходимостью увеличивать или уменьшать количество оборотов, которое выдаёт двигатель. Это связано с тем, что двигатель на разных оборотах имеет разную мощность, крутящий момент и потребление топлива.

Как правило, сценарий движения автомобиля выглядит так: низкие обороты двигателя — автомобиль трогается — обороты растут — машина разгоняется — обороты упираются в потолок возможностей двигателя — КПП повышает передаточное число — обороты двигателя падают и начинают расти снова.

Таким образом, КПП имеет несколько низких и высоких передач, которые выбираются водителем или автоматикой, исходя из текущей дорожной ситуации. Но в конечном итоге значение имеет только диапазон передаточных чисел — разница между самой высокой и самой низкой передачей. И перемещаться по этому диапазону рывками, от передачи к передаче вовсе необязательно.

Как работает вариатор на машине

Механические или автоматические коробки передач на легковых машин имеют, как правило, 5-8 передач с фиксированным передаточным числом. Вариатор же имеет бесконечное количество передач, так что никаких переходов между ними не ощущается — передаточное число плавно нарастает и так же плавно снижается. Для такой бесступенчатой работы применяется одна из двух главных схем вариаторной передачи: клиноременная и тороидальная.

Клиноременный вариатор

Иллюстрация работы клиноременного вариатора

Оба шкива — ведущий и ведомый — состоят из двух половинок в виде усечённых конусов, которые направлены друг к другу усечёнными вершинами. Между половинками ведущего шкива зажимается ремень, что передаёт крутящий момент ведомому шкиву, половинки которого так же зажимают между собой ремень.

Чтобы повысить передачу, половинки ведущего шкива сходятся, ремень ползёт по наклонной стороне половинок вверх, в сторону края шкива. В результате, ремень обегает больший диаметр — передаточное число растёт. Для понижения передачи, половинки ведущего шкива расходятся, и ремень сползает ближе к центру шкива. Как правило, регулировать расхождение половин можно у обоих шкивов, поэтому диапазон передаточных чисел у вариатора очень широк.

Цепные вариаторы — подмножество клиноременного типа, только с металлической цепью вместо ремня. Цепь используется там, где нужно управлять большими мощностями, а также ради хорошей устойчивости к износу. Её КПД выше, чем у обычных ремней, благодаря лучшему сцеплению с поверхностями шкивов.

Тороидальный вариатор

Иллюстрация работы тороидального вариатора

На первый взгляд, устройство тороидального вариатора куда проще. Вместо двух шкивов, состоящих из двух половинок, здесь используются только два диска в форме верхней половинки юлы или волчка. Диски направлены друг на друга этими криволинейными поверхностями. Передача от ведущего диска к ведомому производится роликом, который касается криволинейных поверхностей своими краями.

Когда ролик наклоняется в одну сторону, место соприкосновения с диском передвигается ближе к краю — передаточное число растёт. При наклоне в противоположную сторону, место контакта сползает к центру диска, и передаточное число падает. Также ролик может передвигаться по высоте целиком.

Несмотря на относительную простоту устройства, сейчас тороидальные вариаторы редко применяются. Их производство очень требовательно к точности и прочности деталей, и поэтому ощутимо дороже. Чтобы тороидальный вариатор выдавал приемлемое КПД и работал долго без поломок, необходимо использовать специальные дорогостоящие масла. 

Видео о вариаторе

Плюсы и минусы вариатора на машине

Вариаторная КПП в разрезе

Чем же отличается в лучшую сторону езда на машине с вариатором от езды на такой же машине, но с обычной «механикой» или АКПП?

• Машина ускоряется равномерно, без рывков, на одних и тех же оборотах двигателя, которые программа вариатора считает оптимальными.
• Скорость набирается ощутимо быстрее, так как отсутствуют колебания крутящего момента и затраты времени на переключение передач.
• Передаточное отношение мгновенно подстраивается под дорожную ситуацию, предотвращает от провалов мощности на подъёме или при обгоне.
• Точное, интеллектуальное управление передачей экономит топливо — расходуется ровно столько, сколько необходимо в текущих условиях.
• Мощность двигателя расходуется с максимальной отдачей, поэтому двигатель большую часть времени работает тише и спокойнее, что продлевает ресурс всей трансмиссии.
• Отсутствие резких скачков в работе двигателя снижает концентрацию вредных продуктов горения в выхлопных газах.
• Вариатору можно задать режим экономии топлива, максимальной мощности или скорости, который он будет выдерживать максимально эффективно.

К сожалению, вариаторы имеют и ряд недостатков, которыми объясняется такое нечастое их применение на машинах:

• Максимальная мощность двигателя, с которой смог работать серийный вариатор, составляет порядка 240 л.с. — это не очень много по нынешним меркам.
• Через каждые 100-200 тысяч километров пробега нужно менять недешёвый ремень или цепь, и в несколько раз чаще — специальную жидкость, которая дороже обычного масла.
• За уровнем жидкости в вариаторе нужно постоянно следить, не допуская снижения уровня, при этом нельзя заменять её на какую-то другую или смешивать.
• Ремонт вариатора в кустарных условиях — верный способ доломать его окончательно, ввиду очень сложной электронной начинки.
• Точность и эффективность работы вариатора зависит от исправности всех электронных систем машины, так как от них вариатор получает всю нужную информацию.
• Есть затруднения в буксировке машины с вариаторной коробкой передач, а также с реализацией заднего хода.

Сильные стороны вариаторов намного серьёзнее их слабостей, поэтому ведущие мировые автоконцерны непрестанно занимаются совершенствованием вариаторов, и стараются внедрить их в массовое использование. Судя по тому, что традиционные коробки передач движутся в сторону наращивания количества ступеней, вариаторы — конечный пункт эволюции автомобильных КПП.

Похожие статьи

avtonov.com

Как устроен вариатор?

Часто в технических характеристиках на авто или на страницах автомобильных каталогов встречается такая фраза, как бесступенчатый вариатор. Про механическую и автоматическую коробку передач слышали все, а вот вариатор — вещь неизвестная, хотя это далеко не новинка. Что такое вариатор и зачем он автомобилю, мы спросили инструкторов по вождению.

Кто придумал вариатор?

Итак, вариатор — это особый тип АКПП, который был изобретен еще в конце XIX века! Историки утверждают, что самый первый вариатор придумал в 1490 году ни кто иной, как Леонардо да Винчи. В 1950-х годах выпустили первый автомобиль с таким типом трансмиссии. По словам автоинструкторов, вариатор ставили на легковые и грузовые авто DAF, затем это переняла компания Volvo.

Вариатор (CVT) по своей сути — это вариант (извините за тавтологию) автоматической коробки. Внешне автомобиль с вариатором ничем не отличается от машины со стандартной АКПП.

Здесь так же две педали и такая же коробка передач. Однако машина, оборудованная таким устройством, работает по-другому. Здесь нет фиксированных передач (1-ой или 2-ой), а переключение между ними осуществляется незаметно и очень плавно. Именно поэтому при переключении и трогании с места вы не заметите толчков. Благодаря вариатору происходит плавное и непрерывное изменение передаточного числа во время разгона или замедления ТС.

Клиноременной вариатор

В технике есть множество самых разных конструкций подобного типа, однако в автомобильной сфере применяются лишь два вида устройств:

• клиноременной вариатор,
• тороидный.

Первый вариант известен довольно давно. Его основные детали — это 2 раздвижных шкива и особый ремень с трапецеидальной формой в сечении. Последний как раз и соединяет два шкива. Если сдвинуть две части ведущего шкива, то они станут выталкивать ремень, как клин (заметим, что поэтому он и называется «клиноременный»). Радиус шкива увеличится, и передаточное отношение также станет больше. Если части ведомого шкива развести, то ремень уйдет внутрь и будет функционировать по меньшему радиусу. Таким образом, передаточное отношение снизится. Когда оба шкива стоят в промежуточном положении, то в этом случае передача прямая.

В клиноременной вариатор входит несколько (один или два) ременных передач, в которых шкивы формируются коническими дисками. Благодаря раздвиганию и сдвиганию этих шкивов передаточное число меняется.

Надо сказать, что у каждой компании есть своя конструкция клиноременного вариатора. Например, на Audi вместо ремня используют цепь, а на машине Honda стоит ремень из металлических пластин. Несмотря на различия в дизайне, принцип работы вариатора не меняется.

Ремень вариатора

Интересный вопрос: какого типа ремень используется в вариаторах? Естественно, ремень из ткани и резины не подойдет, а вот металлическая наборная лента — самое то. Зачастую это стальная лента с каким-то покрытием или же целый набор стальных тросов со сложным сечением, куда нанизано большое количество тонких поперечных пластинок из стали трапецевидной формы. Их края как раз и контактируют со шкивами. Именно таким образом получилось создать толкающий ремень, дающий мощность двум половинам: идущей от ведомого шкива к ведущему, и соответственно противоположной стороне. Во время передачи сжимающего усилия обычный ремень сложился бы, а вот стальной, напротив, обретает жесткость.

В случае с цепью, для ее смазки используется особая жидкость, которая под сильным давлением (оно возникает в месте соприкосновения со шкивом) меняет фазовое состояние. Это дает возможность цепи передавать значительное усилие, почти не проскальзывая, несмотря на крайне небольшую площадь контакта.

Тороидный вариатор и его конструкция

Тороидный вариатор устроен по-другому. Он состоит из своеобразных соосных дисков и специальных роликов, благодаря которым передается момент между дисками. Для изменения передаточного числа, следует изменить положение роликов и, конечно же, их радиусы. Все усилие находится в месте контакта, поэтому для поворота роликов есть устройства, которые могут преодолевать силу прижатия, имеющуюся между роликом и диском.

Например, в вариаторе Extroid на Ниссане применяется специальная система, где гидравлический механизм перемещает вверх или вниз обоймы с роликами, причем на микроскопическую величину. Затем ролик поворачивается сам из-за возникшего сдвига касательно оси дисков.

Как вариатор меняет передаточное число?

Смена передаточного числа при разгоне с помощью вариатора зависит в первую очередь от выбранной программы управления. На обычном авто при разгоне мы раскручиваем двигатель, а далее переходим на другую передачу и т.д. В случае с вариатором при наборе скорости двигатель находится на тех же оборотах (к примеру, на оборотах, которые соответствуют максимальному крутящему моменту). Однако передаточное отношение все же меняется, но очень плавно.

Говорят, что это создает странные ощущения. Когда жмешь на педаль газа, двигатель находится на больших оборотах и остается на них во время разгона, причем воя как пылесос. А вот темп разгона можно назвать достаточно высоким.

Иногда вариатор настраивают таким образом, чтобы обороты мотора постепенно наращивались, и разгон был почти такой же, как и при обычной коробке передач.

Минусы вариатора

Конечно, у вариатора много плюсов, но есть и недостатки. В частности сравнительно небольшая «перевариваемая» мощность мотора. Второй минус вариаторов — это дорогой ремонт и обслуживание, а также недешевая трансмиссионная жидкость. Например, на ременных вариаторах требуется каждые 100 тысяч километров менять ремень.

Видеоматериал о том, как работает вариатор:

Счастливого пути и удачи на дорогах!

В статье использовано изображение с сайта sanekua.ru

spokoino.ru

Принцип работы вариатора

Многие автолюбители даже не подозревают о том, что в их транспортном средстве присутствует такое устройство, как вариатор. Перед так как приступить к знакомству с принципом его работы, необходимо понять, что же все-таки из себя представляет вариатор и зачем, собственно, он нужен.

Что такое вариатор?

Вариатор — это устройство, отвечающее за плавное переключение передачи в различных узлах и агрегатах. В зависимости от уровня количества оборотов силового агрегата и создаваемой нагрузки, происходит автоматическое изменение числа передач.
В наше время вариатор нашел применение в различных отраслях, однако, в качестве наиболее простого примера можно привести эскалатор, в котором вариатор отвечает за согласование скорости вращения лестницы и подвижных поручней.
Вариаторы активно используются в изготовлении станков для различных видов промышленности, в том числе химической, текстильной и машиностроении.

С момента изобретения вариатора, эти устройства не были предназначены для синхронизации крутящего момента между двигателем и трансмиссией. Однако с развитием технологического прогресса они стали широко применяться в производстве маломощных средств передвижения, таких как скутера, мотоциклы, снегоходы и другие.

Первые модели вариаторов были низкого качества и имели низкие эксплуатационные характеристики, в результате чего очень быстро выходили из строя. Впервые они начали использоваться голландскими инженерами в 1958 году в производстве коробок передач для автомобилей DAF 600, обладающим низким весом кузова и двигателем, мощностью в 22 лошадиные силы.

По мере развития автомобилестроения, которое охватывает 60-летний период, вариаторы претерпели значительных доработок и модернизаций, благодаря чему на основании этих устройств производятся большинство автоматических коробок передач.

Все современные производители автомобилей стремятся к созданию автомобилей, обладающих большим количеством преимуществ, нежели у их конкурентов. Вариаторные коробки передач, используемые в современных моделях автомобилей, обладают целым рядом преимуществ над своими аналогами:

1. Более рациональное использование мощности двигателя;
2. Снижение нагрузки на автомобиль, за счет рационального использования оборотов двигателя;
3. Экономичное потребление топлива;
4. Более плавный ход транспортного средства;
5. Автоматическая регулировка крутящего момента.

Среди недостатков таких коробок передач можно выделить:

1. Вариатор создает большую нагрузку на детали автомобиля из-за чего область их применения ограничена легковыми автомобилями;
2. Дороговизна производства;
3. Сложная технология производства;
4. Вариаторы не подходят для работы с двигателями слишком большой мощности;
5. Для привыкания к вариаторной коробке необходимо время.

Общее устройство

Вариаторные коробки передач состоят из следующих узлов:

1. Электронная система управления;
2. Вариатор;
3. Механических узлов, отвечающих за распределение крутящего момента и перехода на нейтральную передачу.
4. Планетарный механизм, отвечающий за передачу заднего хода.

Некоторые производители в производстве вариаторов могут использовать различные технические решения, улучшающие сцепление автомобиля.

Типы сцеплений, используемых в современных автомобилях:

1. Трансматик — центробежное сцепление с автоматическим управлением;
2. Мультиматик, мультитроник — многодисковое сцепление с электронным управлением;
3. Гипер — электромагнитное сцепление с электронным управлением;
4. Автотроник, Мультидрайв — система сцепления, основанная на использовании гидротрансформаторов, обеспечивающих мягкий старт автомобиля и равномерное распределение крутящего момента между двигателем и трансмиссией.

Типы вариаторов

В наши дни существует множество разновидностей вариаторов, однако, широкое применение в машиностроении нашли только два из них:

1. Клиноременной;
2. Тороидный.

Эти два типа устройств обеспечивают плавное изменение передаточного числа от двигателя к колесам автомобиля.

Как работают клиноременные вариаторы?

Клиноременной вариатор состоит из двух шкивов, имеющих форму конуса, и одного или двух клиновидных ремней, изготовленных из резины, цепи или металлических пластин. В зависимости от материала ремня зависит их долговечность. При этом принцип работы всех ременных передач идентичен. Инженеры предусмотрели возможность изменения диаметра шкивов путем их раздвижения или сдвижения.

Резиновая ременная передача

Резиновые ремни обладают высокой надежностью и долговечностью благодаря своей клиновидной форме. Контакт ремня и шкивов происходит за счет боковых сторон, благодаря чему увеличивается срок службы ременной передачи. Автомобиль на резиновых ремнях может пройти более 50 тысяч километров без их замены.

Переключение передач происходит благодаря изменению диаметра ведущего и ведомого шкивов. На малых оборотах двигателя ведущий шкив разжимается, а ведомый сжимается. По мере изменения числа оборотов изменяется и диаметр шкивов под воздействием центробежных сил и ряда приводов, в результате чего придаточное число также изменяется. Чем больше обороты, тем оно меньше.
За синхронность работы ведущего и ведомого шкивов при увеличении нагрузки на двигатель, в вариаторных коробках передач отвечает электронная система управления, отвечающая также за сцепление и работу планетарного редуктора, обеспечивающего автомобиль задним ходом.

Электронная система управления обеспечивает стабильную работу вариатора и позволяет ему поддерживать оптимальное число оборотов двигателя при движении автомобиля на максимальную передачу.

Как показали многочисленные эксперименты, для стабильной и продолжительной работы угол наклона шкивов должен находиться в 20-градусном положении. Изменение угла наклона происходит благодаря гидравлической системе, центробежным силам или пружинам.
Тем не менее резиновые ремни показали весьма низкие характеристики во время эксплуатации, поэтому в большинстве автомобилей применяются цепные передачи или ремни из металлических пластин. Подобное решение инженеров позволило продлить срок службы ременных передач и в значительной степени снизить уровень шума автомобиля при движении.

Помимо этого, еще существуют гибридные вариаторы, переключение крутящего момента в которых происходит за счет металлической цепи, изготовленной из отдельных пластин, соединенных между собой осями. Это позволило в несколько раз увеличить производительность шкивов, по сравнению с резиновыми ремнями, а также минимизировать потери крутящего момента при переключении передач. В этом случае управление вариатором осуществляется рычагом селектора. Этот тип вариатора активно используется в автомобилях иностранного производства. Помимо этого каждый производитель может модернизировать конструкцию вариатора исходя из конкретных требований к автомобилю.

Тороидный вариатор

Конструкция тороидного вариатора немного отличается от клиноременного. В основе этого устройства лежат два соосных сферических вала, вращающихся друг против друга. Валы зажимают между собой ролики, изменяющие передаточное число между ведущим и ведомым валами, в зависимости от своего положения. Передача крутящего момента между всеми узлами вариатора происходит под воздействием сил трения.

Основным недостатком тороидных вариаторов является пятно контактов роликов, снижающее производительность всей системы и срок службы устройства. В пятне контакта создается огромная нагрузка, поэтому при изготовлении этого типа вариаторов необходимо использовать прочные материалы и надежную систему управления.

Например, американский автомобильный концерн Nissan, использующий в своих автомобилях вариаторы типа Extroid, решили проблему надежности и долговечности внедрением в вариатор особого гидравлического механизма, управление которым осуществляется электронной системой в автоматическом режиме. При этом рабочий диапазон между роликами составляет всего несколько микрон.
Несмотря на сложность производства и существующие недостатки, вариаторам еще предстоит претерпеть не одну модернизацию. Однако несмотря ни на что, этим устройствам уготовано светлое будущее, поскольку они более экономичны в эксплуатации и производстве.

autobrains.ru