Как работает вариатор? 7 преимуществ КПП

Новый вариатор Toyota Direct Shift-CVT

Главное достоинство вариатора с точки зрения инженера – плавное изменение передаточного числа. Благодаря этому на любой скорости автомобиля можно подобрать именно такое передаточное число, чтобы двигатель работал в оптимальном режиме. Однако с точки зрения водителя это становится недостатком: при нажатии на акселератор двигатель почти не меняет обороты, и человек теряет привычное по более традиционным трансмиссиям «чувство автомобиля». Особенно это не понравилось американцам, а ведь это один из крупнейших рынков сбыта для японских компаний. Да и сам вариатор в чистом виде не идеален, поэтому современные трансмиссии такого типа получили гидротрансформатор. Новый вариатор Toyota под названием Direct Shift-CVT отличается тем, что у него есть и дополнительная зубчатая передача – Toyota назвала ее Launch gear, «стартовой передачей». Именно на ней автомобиль трогается с места и разгоняется до скорости 25 км/ч и более, в зависимости от того, насколько интенсивно водитель нажимает педаль акселератора. Затем зубчатой зацепление выключается, и в дело вступает вариатор.

Меньше – значит легче и лучше

Дополнительная ступень решила сразу несколько проблем. Трогание с места и разгон сильно нагружают двигатель и трансмиссию. КПД зубчатого зацепления выше, чем вариатора, и «стартовая передача» снижает потери именно при повышенных нагрузках.

Поскольку зубчатая пара позволила расширить диапазон передаточных чисел (пусть и только добавив в него одну точку), появилась возможность несколько уменьшить диапазон изменения передаточных чисел вариатора. Если в предыдущей модели диапазон был 6,5, то в Direct Shift-CVT общий диапазон 7,5, а диапазон вариатора – 5,0. Благодаря этому появилась возможность уменьшить размеры деталей вариатора, а значит – и их массу, а с ней и потери от инерции. Toyota пишет, что снижение достигло 40 процентов.

Для ускорения изменения передаточных чисел уменьшен угол между шкивами с 11 градусов до 9. В итоге каждое сближение или раздвигание шкивов приводит к более быстрому изменению перемещению ремня. Скорость изменения передаточных чисел выросла на 20 процентов.

В этом трансмиссии помогает также новый, более эффективный насос.

Результатом уменьшения потерь и более эффективной работы, по данным Toyota, стало снижение расхода топлива на шесть процентов.

Еще одна «десятка»

Как и практически все современные вариаторы, Direct Shift-CVT дает водителю возможность самому выбирать передачи. Всего у этой трансмиссии 10 фиксированных ступеней – на данный момент это рекорд для вариаторов, да и вообще автоматических трансмиссий. Гидромеханическая коробка Direct Shift-10AT устанавливается на Lexus LC и LS. Кроме Toyota десятиступенчатые АКП на легковые автомобили устанавливают Ford, General Motors и Honda.

Похоже, но не то же

Решение, использованное Toyota, заставляет вспомнить о вариаторе Jatco CVT7 (JF015E), который производят почти 10 лет, с июля 2009 года – это первый в мире вариаторы с механическим двухступенчатым редуктором. Однако компания JATCO поставила вариатор и редуктор последовательно, и крутящий момент всегда передаётся через одну из зубчатых пар и вариатор. А в Direct Shift-CVT зубчатая пара и вариатор задействованы, так сказать, попеременно-параллельно – момент передает либо зубчатая пара, либо ремень на шкивах.

Как работает вариатор Jatco CVT7

Детские болезни

Трансмиссия Toyota Direct Shift-CVT разработана совместно с компанией Aisin AW Co., Ltd. Производит ее сама Toyota. В России ее можно увидеть на новом кроссовере Lexus UX 200.

А в США еще осенью поступила в продажу Toyota Corolla Hatchback 2019 модельного года, которая оснащается этим вариатором. Получит его и седан Corolla, который в этом году появится на китайском рынке.

В декабре прошлого года стало известно об отзыве всех Corolla Hatchback, проданных в США. Выяснилось, что их гидротрансформатор может внезапно отказать, и автомобиль будет обездвижен. Дилеры должны связаться с владельцами и заменить трансмиссию. По данным американских СМИ, вариаторы пока в дефиците, поэтому дилеры не спешат с оповещением владельцев.

Зато можно быть уверенными, что когда новая Corolla с Direct Shift-CVT дойдет до Европы и России, она уже будет избавлена от «детcких болезней». Toyota уже объявила о начале поставок новой Corolla в Россию, но пока только с двигателем 1,6 л/122 л.с. и вариатором прежнего поколения Multidrive.

Вариаторная коробка передач: что это такое

Трансмиссия в автомобиле обеспечивает возможность изменения крутящего момента и передачу его на ведущие колеса. И одним из основных ее элементов является коробка передач. Причем данный узел, используемый на авто, бывает нескольких типов – механическая, автоматическая, роботизированная, вариаторная. Что касается последней, то появился такой тип КПП не так уж и давно, но при этом активно завоевывает популярность. Далее мы разберемся, что такое вариаторная коробка передач, как она работает, чем хороша и какие у нее минусы.

Вариатор (также известный как Continuously variable transmission или CVT) — далеко не новый тип трансмиссии на автомобилях. Первая такая коробка появилась в 1959 году, но из-за невозможности в то время решить некоторые технические проблемы, распространения данная КПП на автотранспорте не получила, зато она оказалась неплохим вариантом для мототехники, в частности – скутеров. Вторая попытка использовать вариаторную коробку на авто была в 1984 году. И так постепенно данный тип КПП заинтересовал автопроизводителей и все чаще его стали использовать.

Принцип работы вариаторной коробки передач

Главная особенность этой коробки – плавная бесступенчатая смена передаточного числа. То есть, если в других типах повышение или понижение числа выполняется на заданные значения, так называемые ступени, то в вариаторе их нет. Благодаря этому она способна более точно производить передачу усилия от силовой установки к ведущим колесам.

На автомобилях распространение получило два типа вариаторных КПП – клиноременные и тороидные, при этом первые более распространены.

Работа клиноременного вариатора построена на передаче передаточного числа при помощи специального ремня, установленного между двумя шкивами. Первый шкив является ведущим и связан он с силовой установкой, а второй – ведомый, обеспечивающий дальнейшую передачу усилия на колеса.

Схематичное изображение работы вариаторной коробки передач

Изменение числа производится за счет меняющегося диаметра шкивов. Для этого каждый из шкивов сделан разборным и состоит он из двух половин конической формы, которые посажены на вал. Схождение-расхождение этих половин позволяет менять диаметр в точке контакта шкива с ремнем.

Работает все так: при начале движения должно обеспечиваться максимальное тяговое усилие. Для этого половины ведущего шкива разводятся, а поскольку форма их коническая, то в точке контакта диаметр шкива будет минимально возможным. Половины ведомого же наоборот – сведены, что обеспечивает в месте взаимодействия ремня со шкивом максимальный диаметр. В результате для того, чтобы ведомый шкив сделал один оборот, ведущему необходимо их сделать несколько. Но при этом и нагрузка на двигатель минимальна.

Анимация илюстрирующая принцип работы вариаторной коробки передач

По мере набора скорости передаточное число должно меняться в меньшую сторону, что обеспечивает снижение тягового усилия, но повышает скорость вращения на ведомом валу. Для этого половины ведущего шкива начинают сходиться, что приводит к увеличению диаметра в точке контакта, а ведомого – расходиться.

При максимальном диаметре ведущего шкива и минимальном – ведомого, за один оборот первого, второй сделает их несколько, поэтому скорость вращения – максимальная, но и нагрузка на двигатель больше. Таким образом, за счет изменения диаметров достигается бесступенчатая смена передаточного числа.

В тороидном типе вариатора конструкция несколько иная. У него передача усилия выполняется роликами, зажатыми между валами, имеющими тороидную форму и расположенными на одной оси.

Изменение передаточного числа обеспечивается за счет смены положения роликов. Максимальное тяговое усилие обеспечивается в положении роликов, когда они повернуты в сторону ведомого вала. За счет тороидной формы валов, у ведущего в точке контакта с роликом диаметр будет минимальным, а у ведомого – максимальный.

Для уменьшения передаточного числа и увеличения скорости вращения, ролики поворачиваются в сторону ведущего вала, при этом диаметры в точках контакта изменяются.

Устройство вариаторной коробки передач

Поскольку клиноременные вариаторы более распространены, то дальше и будем рассматривать их конструкцию. Такая коробка передач состоит их нескольких основных составных частей. И первая из них – сцепление, без которого не обойтись, поскольку оно обеспечивает возможность отключения силовой установки от трансмиссии.

Наибольшее распространение на вариаторных коробках получило гидротрансформаторное сцепление, которое также используется и на автоматических и роботизированных коробках. Но некоторые автопроизводители используют и другие типы сцепления — центробежное, электромагнитное или многодисковое «мокрое».

Вариаторная коробка в разрезе.

Основной составляющей КПП является сам вариатор, и главным элементом в нем считается ремень, поскольку именно он обеспечивает передачу. Хотя и ремнем его можно назвать лишь условно. А все потом, что состоит он из металлических лент, соединенных между собой особыми фасонными частями, имеющими форму бабочки и придающих ремню клиновидную форму. Рабочей частью у него являются боковые поверхности, которые контактируют с поверхностями половин шкивов и обеспечивают передачу вращения за счет сил трения.

Читайте также: Чем отличается вариатор от автоматической коробки и что лучше.

Некоторые производители вместо ремня используют цепь, при этом сама коробка с таким элементом привода называется клиноцепной. Особенностью цепи является то, что она состоит из большого количества звеньев, что обеспечивает малый радиус изгиба. Рабочая поверхность у нее – торцевая.

Поскольку все элементы вариатора работают под значительными нагрузками, то изготавливаются они из высокопрочной стали, что позволяет значительно повысить ресурс коробки.

В разных конструкциях вариаторов перемещение половин шкивов по валам обеспечивается за счет усилий, которые создаются пружинами, жидкостью или за счет центробежной силы.

Еще один вариатор в разрезе (реальное фото).

Одной из основных проблем вариатора – отсутствие реверсного вращения ведомого вала. Поэтому, чтобы решить ее и обеспечить автомобилю возможность движения задним ходом, в конструкцию коробки включена планетарная передача, позволяющая менять направление вращения. Но при этом наличие такого механизма значительно усложняет конструкцию коробки, но и без него не обойтись.

Последней составной частью вариатора является механизм управления. На данном типе коробки передач используется электронное управление, которое полностью контролирует работу вариатора, обеспечивает синхронное изменение диаметров на шкивах, включает и отключает сцепление и планетарный редуктор.

Управление же коробкой осуществляется селектором, которым задаются режимы работы, аналогичные автоматической коробке. То есть, водитель задает режим, а электронный механизм управления выполняется его на вариаторе.

Читайте также: Что такое коробка DSG , как она устроена и как работает.

Видео о вариаторной коробке переключения передач

Достоинства и недостатки вариатора

Покупать ли авто с вариатором?

На современные автомобили взамен привычных классических автоматов все чаще устанавливаются вариаторы. Стоит ли покупать машины с установленным вариатором?

Особенности конструкции

Конструктивно вариатор это коробка передач с двумя подвижными валами, соединенных между собой подвижным ремнем, за счет которого есть возможность без разрыва мощности изменять соотношение с коленвала. Такая конструкция позволяет при разгоне и торможении машины исключить рывки. При кажущейся сложности конструкции такая коробка нисколько не сложнее устройства привычных АКПП. Вариатор управляется за счет множества приводов и валов, через которые и передается мощность. Вариаторы универсальны с точки зрения возможности их установки как на городские небольшие авто, так и на большие внедорожники.

Классификация

Все вариаторы можно разделить на 3 основные группы:

1. Гидравлические.
2. Тороидальные.
3. Клиноременные.

Последний тип вариатора получил наибольший спрос на рынке благодаря надежности, простоте конструкции и эффективности. Именно такая коробка дает возможность максимально реализовать мощность двигателя при небольшом расходе топлива.

В последнее время все чаще конструкция вариаторов предусматривает планетарную передачу взамен привычных ремня и валов. Это стало залогом расширения рабочего диапазона примерно на 20%. При небольших размерах такая коробка может устанавливаться даже в маленькие городские машины.

Раньше АКПП на мощные машины устанавливались редко по причине сложностей эксплуатации трансмиссии, которые просто не выдерживали чрезмерно большую нагрузку. Использование в таких автомобилях вариаторов дало возможность исключить подобные проблемы, поскольку такая трансмиссия достаточно легко может справляться с высокой тягой.

Достоинства и недостатки

• Главное достоинство вариатора – способность плавно изменять крутящий момент, что возможно за счет изменения длины соприкасающегося с валом ремня. С появлением вариаторов изначально использовались ремни из резины с целью снизить расходы на производство таких коробок. Со временем выяснилось, что такая конструкция не очень надежна, что обусловило слишком частый ее ремонт. Производители исправили эту ситуацию за счет использования металлического ремня, который служи гораздо дольше и не требует вмешательства на протяжении длительного времени.
• Еще одним достоинством вариатора можно считать экономию топлива по сравнению с использованием АКПП. Такая экономия возможна благодаря отсутствию разрыва мощности и максимальному использованию агрегата.
• При безразрывном принципе увеличении мощности получается движение машины без рывков, которые зачастую проявляются при управлении машиной с АКПП.
• Ценителям динамики классические вариаторы оснащены специальной функцией – имитацией режима работы АКПП, когда скорости переключаются с ощутимыми рывками. Кроме того, водители могут прочувствовать на себе режим кикдауна, когда становится доступным максимальное ускорение авто.
• Современные вариаторы имеют небольшие размеры, позволяющие устанавливать их вместе с моторами в подкапотном пространстве. Универсальная конструкция вариатора дает возможность сочетания такой коробки как с обычными двигателями, так и с гибридными моделями автомобилей, в которых использование автоматической или классической коробок очень затруднительно.

При большом количестве достоинств современные вариаторы имеют и свои недостатки.

1. В первую очередь, вариаторы очень требовательны к квалифицированному обслуживанию. Отдавать автомобиль с такой коробкой в сервис или на ремонт в непрофессиональным мастерам в «гаражную» мастерскую нельзя, поскольку неквалифицированное вмешательство может повлечь в дальнейшем необходимость проведения дорогостоящего ремонта.
2. Необходимость замены масла каждый 50 тысяч километров пробега. При этом необходимо использовать для этих целей только качественную дорогую синтетику, а сам процесс замены масла важно проводить в фирменных сервисах.
3. При надежности вариаторов они все-таки, как и любая техника, могут ломаться, а ремонт, как правило, требует дорогостоящего ремонта. Наиболее распространенная неисправность вариаторов – проблемы с автоматикой, в результате которых отмечаются существенные задержки с набором мощности, постоянные обороты, что влечет за собой снижение динамики машины.
4. Вариаторы часто устанавливаются на срежнеразмерные кроссоверы японского производства и оснащенные двойным сцеплением автомобили. Конструкция агрегата достаточно сложна и не рассчитана на активную езду. Ее приоритеты в эксплуатации – аккуратная и бережная езда. При поломке двойного сцепления и вариатора ремонт для автовладельца может обойтись в достаточно крупную сумму, размер которой часто сопоставим с ценой новой АКПП.

Вывод

Вариатор – универсальный агрегат, конструкция которого дает возможность повышать мощность авто без разъединения привода. Такой механизм обеспечивает высокий уровень комфорта и значительное снижение расхода топлива. Но такие механизмы имеют и свои недостатки, связанные, прежде всего, со сложностью в обслуживании и ремонта. Кроме того, при эксплуатации автомобиля с вариатором необходимо учитывать некоторые особенности эксплуатации таких машин. Например, вариаторы быстрее выходят из строя при активной манере езды с резкими ускорениями. При грамотной и бережной эксплуатации автомобилей с вариатором он прослужит долго.