Как это устроено: коробка-вариатор

Продолжая цикл статей, посвященный автомобильным коробкам передач, Avto.pro решил разобраться, как работает бесступенчатая трансмиссия. Бесступенчатую коробку передач еще называют вариатором, а в английском языке ее название сокращают до CVT (полностью: Continuously Variable Transmission). Как говорят многие владельцы автомобилей с вариатором, такая трансмиссия немногим отличается от коробки-автомата. И такое сравнение более чем уместно, ведь сам вариатор является разновидностью уже привычной АКПП. Давайте же разберемся, что представляет собой бесступенчатая коробка передач, как она устроена, какие неисправности являются для нее характерными и что об обслуживании этого агрегата стоит знать автолюбителям.

Коротко о главном

Бесступенчатая трансмиссия является одним из видов трансмиссии, т.е. передаточным устройством между автомобильным двигателем и колесами, способным менять коэффициент передачи. Особенностью бесступенчатой трансмиссии является то, что она плавно меняет передаточное число и обеспечивает наиболее оптимальное согласование нагрузок. Как результат, трансмиссия работает не только плавно и тихо, но и еще обеспечивает высокую топливную экономичность. За счет непрерывного изменения крутящего момента при работе CVT не должны наблюдаться рывки.

Диапазон применения бесступенчатых коробок передач постоянно расширяется. Первые модели таких агрегатов имели серьезные ограничения по мощности. Эта проблема решилась довольно быстро, хотя в тандеме со многими двигателями CVT не может работать до сих пор. Вариаторная коробка передач имеет довольное сложное устройство. Ее сложно и дорого производить, вследствие чего она имеет меньше перспектив на распространение, нежели коробка-робот, о которой мы рассказывали в данном материале. Предлагаем разобраться, как же устроен этот сложный агрегат.

Принципиальное устройство

Как уже было указано выше, бесступенчатая коробка передач устроена довольно сложно. Так как изменения коэффициента передачи в ней происходит плавно и непрерывно, коробка передач должна быть оснащена рядом дополнительных элементов, которые отличают этот агрегат от всех остальных. К основным элементам вариаторов принято относить:

1. Механизм включения: фрикцион с дисками и электромагнитная муфта / гидротрансформатор;
2. Первичный и вторичный шкивы;
3. Ремень;
4. Систему управления;
5. Узел, ответственный за задний ход;
6. Главную передачу;
7. Дифференциал.

Сразу отметим, что перечень элемент бесступенчатой трансмиссии не дает представления о том, как эта трансмиссия должна работать. Дело в том, что CVT правильнее всего классифицировать по типу передачи. Такая классификация даст читателю представления о том, чем будут отличаться одни бесступенчатые коробки передач от других. Начнем с наименее распространенных типов:

• Трансмиссия с электрической передачей. Двигатель в ней вращает генератор, тем временем как электромоторы отвечают на вращение колес. Такая трансмиссия используется в транспорте от Белаз, а также моделях ЗИС-154 и ДЭТ-250. Это передача для узкоспециализированного транспорта;
• Гидродинамическая передача (гидротрансформатор). Устройство из колес с лопатками, которые перебрасывают масло друг между другом. Устройство незначительно увеличивает момент (максимум до 2,5), зато работает довольно плавно. По факту, это основа современных АКПП;
• Гидрообъемная передача. В такой передаче двигатель обеспечивает вращение гидронасоса, которой перегоняет масло в гидромоторы – они и вращают колеса. Такая передача по-прежнему находит применение, например, в зерноуборочных комбайнах.

Особняком стоит вариатор, который и является наиболее распространенным типом бесступенчатой трансмиссии. Суть работы вариатора сводится к передаче крутящего момента посредством промежуточного тела, в качестве которого обычного выступает ремень. Промежуточное тело можно перевести в любую из точек переменного радиуса одного или сразу двух колес: ведущего и ведомого. Таким образом и удается изменить передаточное отношение, однако в подробностях принцип работы такой системы мы рассмотрим чуть позже. Сегодня наиболее распространенным в автомобилестроении является бесступенчатая коробка передач, использующая клиноременной механизм. Обычно ее называют просто клиноременным вариатором. О нем подробнее.

Виды клиноременных вариаторов

Приблизительно в конце 50-х годов прошлого века из всего многообразия передач в бесступенчатой трансмиссии наибольшее распространение нашла клиноременная и тороидная. Уже спустя пятнадцать-двадцать лет от тороидной передачи решено было отказаться – на передний план вышел клиноременной вариатор. Им оснащали некоторые модели автомобилей от Fiat и Ford (коробка Transmatic). Кстати, подобные вариаторы часто с незначительными доработками практически все концерны называли по-своему. Вот например:

• Вариатор Multidrive производится концерном Toyota;
• Почти аналогичные Xtronic и Hyper выпускает Nissan;
• Не отстает от японцев и Mercedes-Benz со своим Autotronic;
• Вариаторы Durashift CVT и Ecotronic выпускает Ford.

Тороидные вариаторы постепенно уходят в прошлое – ими оснащали некоторые модели транспорта от Nissan (Skyline, Gloria). Коробка передач этих автомобилей получила название Extroid. Это довольно интересная трансмиссия, работа над которой прекратились с начала 2000-х годов. Мы же сосредоточимся именно на клиноременных вариаторах как на наиболее распространенных и востребованных. Коробка вариатор включает в себя:

• Механизм передачи момента и разъединения агрегата от двигателя при нейтральном положении;
• Механизм обеспечения движения задним ходом;
• Управляющую систему;
• Вариаторную передачу.

Что касается передачи крутящего момента, то она может осуществлена посредством различных механизмов. Собственно, по этим механизмам и можно отличить одну коробку-вариатор от другой. Например:

• Transmatic. Используется центробежное автоматическое сцепление;
• Multimatic, Multitronic. Используется многодисковое мокрое сцепления;
• Hyper. В основе механизма электромагнитное сцепление от электронным управлением;
• Autotronic, Multidrive, Lineartronic, Xtronic, Ecotronic, Extroid. Используется гидротрансформатор. Такой механизм используется в наибольшем числе вариаторов.

Возвращаясь к устройству бесступенчатой трансмиссии из предыдущего раздела, уточним: далеко не все CVT оборудованы гидротрансформатором, однако большая часть подобных агрегатов все же его имеют. Гидротрансформаторные коробки передач очень похожи на обычные коробки-автоматы. Отчасти их популярность обусловлена тем, что автоконцерны уже долгое время работали с гидротрансформаторами – особенности эксплуатации, неисправности и обслуживание этих устройств и так были хорошо известны, а значит, нет смысла отказываться от них в пользу, например, исключительно мокрого или электромагнитного сцепления.

Как это работает

В основе клиноременного вариатора лежит использование ременной передачи. Шкивы образованы коническими дисками, которые могут сдвигаться или же раздвигаться, соответственно уменьшая или увеличивая свой диаметр. От их диаметров и будет зависеть передаточное число. Вне зависимости от того, чем связаны шкивы (ремни, роликовые или пластинчатые цепи), принцип работы вариатор не изменится. Однако клиновидным ремням отдают предпочтение просто потому, что они глубоко врезаются в шкив – это обеспечивает хорошее сцепление. Вот важные моменты, касающиеся работы вариатора:

• Для троганья места используются или гидротрансформатор, или обычное сцепление. Затем оно блокируется;
• Управляют дисками шкивов электронная система: датчики, сервоприводы и блоки управления;
• Ременная и цепная передача не обеспечивает реверсивного движения – за него отвечают дополнительные механизмы (обычно планетарный редуктор).

Управление вариатором осуществляется при помощи рычага селектора. Режимы управления при этом те же, что и у автоматических коробок передач. К CVT при этом может быть реализована особая функция: выбор фиксированных передаточных отношений. Аналогичная функциях есть у Tiptronic. Однако ручное управление призвано решить психологическую проблему – далеко не все водители могут быстро привыкнуть к особенностям работы вариаторов.

Что касается процессов внутри бесступенчатой коробки передач, то они выглядят следующим образом: когда автомобиль начинает двигаться, шкив вариатора имеет малый диаметр, а диаметр ведомого диска максимален; по мере увеличения оборот мотора ведущий шкив увеличивается в диаметре, а ведомый – наоборот. За счет изменения диметров шкивов и удается регулировать передаточное число. Для лучшего понимания предлагаем такой пример:

• Перед вами находится два одинаковые параллельные вала, связанных друг с другом ремнем;
• Один из валов начинает вращаться, передавая крутящий момент второму валу через ременную передачу;
• Диаметр одного из валов меняется, но он продолжает вращаться с той же скоростью;
• Вследствие разницы в диаметрах второй вал будет вращаться с другой скоростью – большей или меньшей, в зависимости от того, как изменился диаметр первого вала.

Стоит отметить, что по ходу разгона автомобильный вариатор будет сам поддерживать оптимальные обороты двигателя, – для полной реализации мощности и улучшения динамики – что оказывается крайне непривычным и даже неудобным для многих водителей. Упомянутая функция выбора фиксированных передаточных отношений призвано решить ту самую психологическую проблему, вызванную особенностью работы коробки-вариатора.

Преимущества и недостатки

Сегодня бесступенчатая трансмиссия является достаточно надежной. Времена, когда CVT-коробки нуждались в частом ремонте, постепенно уходят в прошлое. Первые клиноременные вариаторы нуждались в осмотре и замене ремня каждые 50-60 тысяч километров, тем временем как современные агрегаты не требуют к себе такого внимания. Если говорить о плюсах современных вариаторов, то здесь стоит выделить:

1. Плавность трансмиссии автомобиля при наборе скорости;
2. Быстрый разгон (не затрачивается время на выбор передачи);
3. Плавное троганье с места;
4. Низкая шумность при работе;
5. Обеспечение топливной экономичности автомобиля;
6. Высокая экологичность агрегата.

Как читатель наверняка догадался, шкивы вариатора имеют непростое устройство. Как-никак, в агрегате есть элемент, который меняет свой диаметр, причем довольно быстро и плавно. Для таких коробок передач характерны следующие неисправности:

1. Они имеют жесткий регламент замены масла – каждые 20, максимум 30 тысяч километров пробега;
2. Вариаторы требует регулярной замены специальной жидкости для корректной работы ременной передачи;
3. Автомобиль с CVT хуже показывает себя при езде по гололеду или сырым покрытиям;
4. Бесступенчатая трансмиссия не может долгое время работать на высоких оборотах;
5. Вариатор легче вывести из строя, в отличие от, например, чисто механической трансмиссии;
6. Бесступенчатую трансмиссию дорого ремонтировать.

Еще одним недостатком CVT является то, что он представляет собой единую и довольно сложную систему. Выход из строя хотя бы одного элемента отражается на работе всего агрегата. Отчасти поэтому диагностика и ремонт вариаторов становится для водителя сущей головной болью – всю работу можно доверить только опытному мастеру, а его услуги обходятся крайне недешево. Уже упомянутые регламенты замены технических жидкостей также является проблемой. Рассеянный водитель может забыть сменить масло вовремя, что приводит к быстрому изнашиванию трансмиссии.

Основные неисправности

Как уже стало понятно, в вариаторе есть чему ломаться или выходить из строя. На практике современные коробки-вариаторы нуждаются в дорогостоящем ремонте немногим чаще более привычных «автоматов», но вот обслуживать их нужно намного чаще и с большим вниманием. Как правило, в бесступенчатой трансмиссии выходят из строя:

• Ремень / цепь;
• Электроника (нарушение контактов, повреждение проводки, поломка датчиков);
• Гидротрансформатор;
• Селектор;
• Масляный насос (как правило, его редукционный клапан);
• Муфта переднего хода.

Особняком стоят проблемы, связанные с ЭБУ. Определить их можно в ходе компьютерной диагностики – не будем заострять на этом внимание. А вот касается поломки механических элементов вариатора, то здесь все сложнее. Основные признаки поломок: движение авто даже на нейтральной передаче, невозможность переключить скорость в ручном режиме, пробуксовка, рывки. За перечисленным может крыться выход из строя как механических, так и электрической части вариаторы. Чаще всего, впрочем, наблюдается поломка «механики». Что касается электронных компонентов радиатора, то в подавляющем большинстве случаев требуется проверка электропроводки, контактов, реже – электрогидравлического модуля, датчиков.

Эксплуатация вариатора

Если автолюбитель не хочет довести вариатор до поломки, ему стоит соблюдать некоторые правила. Выше мы уже указали на тот факт, что бесступенчатая трансмиссия не отличается столь же большой живучестью, что и «механика». Уточняем: речь идет о способности трансмиссии переживать действия со стороны водителя. Категорически не рекомендовано:

• Резко стартовать;
• Продолжительно ездить на максимальной скорости;
• Допускать пробуксовку;
• Сильно нагружать автомобиль и вдобавок подсоединять к нему прицеп.

В целом, проблемных пункта здесь только два: старт и пробуксовка. Водителям, предпочитающим агрессивный стиль езды, придется отказаться от резких стартов на светофоре. Что касается пробуксовки, то здесь проявляется один из самых больших недостатков вариаторов. Если ваш автомобиль застрял, рекомендуется обратиться за помощью к прохожим – пусть они подтолкнут его – или к другим автомобилистам, если транспорт придется отбуксовывать.

Сегодня вариаторы устанавливают по большей части на городские малолитражные автомобили. Владельцам такого транспорта стоит понимать, что он в принципе не подходит для агрессивной езды, плохо показывает себя на некачественных или отсутствующих дорожных покрытиях, а также он не всегда способен самостоятельно выбраться из, например, сугробов. Это транспорт для размеренной езды по городу. Если у водителя есть опыт эксплуатации малолитражки, он быстро разберется с тем, как нужно эксплуатировать вариатор.

Вывод

Бесступенчатая трансмиссия стала отличным решением для городского транспорта. Она обеспечивает высокую комфортность езды, они экономнее и быстрее «механики» и «автоматов». Кроме того, она делает транспорт более экологичным. Вместе с тем, вариаторы довольно прихотливы и неспособны передавать большей крутящий момент. Компания Ricardo решила эти проблемы своей трансмиссией DSG, которой оснащены некоторые Bugatti Veyron. Однако большинство мощный автомобилей и в будущем будут оснащаться роботизированными коробками передач, тем временем как эксперименты автоконцернов с вариаторами будут продолжаться.