Что такое CVT трансмиссия

Как работает коробка передач CVT

Диски ведущего шкива вращаются от коленчатого вала силового агрегата. Ведомое фрикционное колесо передает высокий крутящий момент на колеса автомобиля. При этом используются специальные приводные ремни.

При работе двигателя, когда увеличивается количество оборотов при разгоне или изменяются другие параметры двигателя внутреннего сгорания, клиновидный ремень меняет степень натяжения – натягивается или ослабляется. Это приводит к изменению диаметра ведущего шкива,передаточное отношение в коробке передач при этом увеличивается или уменьшается соответственно.

Ведомое фрикционное колесо меняет параметры под воздействием сил инерции и пружин, входящих в его конструкцию. Весь процесс, в том числе и скорость вращения, число оборотовшкивов, регулируются при помощи системы электронного управления коробкой передач.

Определение

Аббревиатура CVT (Continuously Variable Transmission — англ.) переводится как «постоянно изменяемая передача». То есть, ее конструкция подразумевает возможность плавного изменения коэффициента передачи между ведущим и ведомым шкивами. Фактически это означает, что коробка CVT обладает множеством передаточных чисел в определенном диапазоне (границы диапазонов задают минимальный и максимальный диаметры шкивов). Эксплуатация вариатора во многом схожа с использованием автоматической коробки передач. Об их отличиях вы можете почитать отдельно.

На сегодняшний день существуют следующие типы вариаторов:

Работа вариатора

• лобовые;
• конусные;
• шаровые;
• многодисковые;
• торцовые;
• волновые;
• дискошариковые;
• клиноременные.

Коробка CVT (вариатор) используется не только в качестве трансмиссии легковых автомобилей, но и других транспортных средств — например, скутеров, снегоходов, квадроциклов и так далее.

Самым распространенным типом коробки CVT является фрикционный клиноременной вариатор. Это обусловлено относительной простотой и надежностью его конструкции, а также удобством и возможностью использования в автомобильной трансмиссии. На сегодняшний день преобладающее большинство автопроизводителей, выпускающих машины с коробкой CVT, используют именно клиноременные вариаторы (исключение составляют некоторые модели “Ниссан” с коробкой CVT тороидального типа). Далее рассмотрим конструкцию и принцип действия клиноременного вариатора.

Работа коробки CVT

Клиноременной вариатор состоит из двух основных частей:

• Трапециевидный зубчатый ремень. Некоторые автопроизводители вместо него применяют металлическую цепь или ремень из металлических пластин.
• Два шкива, образованных конусами, направленными друг к другу остриями.

По мере того, насколько близко находятся друг к другу соосные конусы, диаметр окружности, которую описывает ремень, уменьшается или увеличивается. Перечисленные части являются исполнительными механизмами CVT. А управляет всем электроника на основе информации, поступающей от многочисленных датчиков.

Принцип работы вариатора

Устройство бесступенчатой CVT трансмиссии

Так, если диаметр ведущего шкива будет максимальным (его конусы будут расположены максимально близко друг к другу), а ведомого минимальным (его конусы максимально разойдутся), то это означает, что включена самая «высокая передача» (соответствующая 4-ой или 5-ой передаче в традиционной трансмиссии). И наоборот, если диаметр ведомого шкива будет минимальным (его конусы разойдутся), а ведомого максимальным (его конусы сомкнутся), то это соответствует «самой низкой передаче» (первой в традиционной трансмиссии).

Для езды задним ходом в вариаторе используются дополнительные решения, обычно планетарный редуктор, так как традиционный подход в данном случае нельзя использовать.

В связи с проектными особенностями конструкции вариатор можно использовать лишь на сравнительно небольших машинах (с мощностью двигателя до 220 л.с.). Это связано с большими усилиями, которые испытывает ремень во время работы. Процесс эксплуатации автомобиля с трансмиссией CVT накладывает некоторые ограничения на водителя. Так, нельзя резко стартовать с места, долго ехать на максимальной или минимальной скорости, буксировать прицеп, ездить по бездорожью.

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.

Чего категорически делать нельзя

В процессе эксплуатации машины с коробкой-автомат имеется ряд вещей, которые категорически нельзя делать.
В случае с АКПП запрещено:

• Ехать при положении ручки в положении «Р».
• Спускаться с горки на нейтрали.
• Заводить авто с толкача, ведь в таком случае АКПП прослужит вдвое меньше.
• Ставить режимы «Р» и «N» при долгом простое.
• Активировать задний вход без полной остановки.
• Включать Drive при продолжении движения задним ходом.
• Переключать ручку в позицию «Р» до срабатывания ручника.
• Буксировать другую машину, имеющую больший вес.
• Использовать нейтраль при обычном движении. 
• Ставить режим «P» на пригорке. Лучше использовать ручник, а уже после ставить «Паркинг». Для начала движения тормоз нужно отпустить, снять ручник, а уже после перейти в Drive.

Следование указанным выше советам позволяет продлить срок службы дорогостоящего механизма и избежать необходимости его преждевременного ремонта.

Плюсы и минусы автоматических КПП

При покупке машины с коробкой-автомат необходимо проанализировать все слабые и сильные места такого механизма. После этого можно принимать решение — покупать с машину с АКПП или оставаться на «механике».

Преимущества:

• удобство и комфорт эксплуатации, ведь не нужно переключать скорости вручную;
• высокая надежность, если своевременно менять масло и фильтр АКПП;
• легкость начала движения;
• гарантия безопасности;
• высокий коэффициент полезного действия;
• повышенная проходимость;
• отсутствие третьей педали сцепления.

Недостатки:

• увеличенный расход горючего в сравнении с «механикой»;
• более высокая стоимость обслуживания;
• невозможность быстро разогнаться, когда это нужно (решается включением спортивного режима);
• нельзя завести с «толкача»;
• быстрый выход из строя при несоблюдении правил эксплуатации;
• ограничения на буксировку прицепных устройств.

Как видно, у АКПП имеются преимущества и недостатки, которые нужно учесть при выборе. С развитием технологий производители делают все возможное, чтобы нивелировать разницу между «автоматом» и «механикой». К примеру, потребление горючего на трассе почти идентично, а слабая динамика при резком разгоне легко компенсируется включением спортивного режима (активируется автоматически при резком нажатии на газ). Кроме того, снижается и стоимость обслуживания коробок-автомат, требующих всего лишь периодического осмотра, замены фильтров и масла.

Недостатки и частые жалобы владельцев

• зачастую, на форумов владельцев автомобилей оснащенных вариатором, можно прочитать негативные отзывы о работе при сбрасывании газа. Владельцев раздражает,  о что автомобиль начинает клевать носом, когда стрелка спидометра опускается до отметки в 20 км/ч.
• относительным недостатком можно считать задумчивость, так что если Вы рассматриваете покупку автомобиля и рассчитываете на динамичную езду, то лучше отдать предпочтение автомобилю с иной трансмиссией (механикой или же с роботом DSG). Но это скорее не недостаток, а особенность трансмиссии X-Tronic CVT, т.к. изначально она создавалась для плавности хода и экономии топлива.
• коробка вариаторного типа очень чувствительна к перегреву, этот пункт также можно было бы отнести к вышеуказанному, т.к. данная проблема больше относится к любителям высоких скоростей. Так что при движении по трассе стоит не переусердствовать с педалью газа и положению стрелки спидометра (либо, как вариант: многие владельцы Тиан особенно с мощными моторами ставят дополнительный радиатор для охлаждение коробки).
• звуковое сопровождение, как в троллейбусе, еще одна особенность на которую часто по началу жалуются владельцы. По ходу эксплуатации, со слов тех же владельцев они привыкают к звуку и не обращают на него никакого внимания. (Отметим, что звук от вариатора X-Tronic не прям уж невыносимый, при котором хочется покинуть транспортное средство, просто при работе доносится небольшой гул уловимый для уха).

Разновидности вариаторов

При использовании CVT необходимо понимать, что они бывают нескольких видов. Кратко рассмотрим особенности каждого из вариантов:

• Клиновидный ременной. Конструктивно состоит из пары шкивов, объединенных клиновой ременной передачей. Шкив состоит из пары дисков-конусов, которые сближаются или отдаляются с помощью гидравлики и специального пружинного механизма. Конусы находятся под 20-градусным углом, что обеспечивает плавное перемещение с минимальным сопротивлением. Современные коробки вариаторы имеют ремни, изготовленные из стальных полос, отличающихся большей прочностью, минимальной шумностью и высокой степенью надежности.
• Клиновидный цепной. По названию ясно, что в таких видах CVT применяется цепочка, которая сформирована из множества пластик. Передача момента осуществляется посредством фиксации со специальными дисками-конусами. В точках соприкосновения появляется высокая нагрузка, которая приводит к нагреву, что компенсируется за счет системы охлаждения. Такие устройства отличаются более высоким КПД, но в них нет реверса, что требует применения дополнительного устройства.
• Тороидный. В таком типе вариаторной КПП не предусмотрено ни цепной, ни ременной передачи. Конструктивно устройство состоит из 2-х валов с зафиксированными между ними роликовыми механизмами. Скорость меняется посредством изменения позиции роликов, а сам момент передается, благодаря контакту рабочих участков. Такой тип CVT применяется реже всего, но именно этот тип считается наиболее перспективным.

Виды и принцип работы вариатора на автомобиле

При производстве автомобилей используется два варианта различных по устройству механизмов. Один из них является клиноременным, а второй – тороидным вариаторами, различающимися по конструкции.

Клиноременный.

Это наиболее распространенный вид вариатора, используемый компаниями-автопроизводителями.

В клиноременном имеется одна (реже – две) передачи. Ведущий и ведомый валы оснащены шкивами, через которые проходит кольцо клиновидного ремня. Первоначально он изготавливался из армированной резины, в настоящее время при его производстве используются стальные конструкции.

Ведомые и ведущие шкивы представляют собой конусы с наклонными стенками, угол наклона составляет около 70° к оси вала. За счет взаимного перемещения шкивов изменяются радиусы, и, соответственно, передаточное отношение вариатора.

Управляющее усилие, благодаря которому конусы смещаются по отношению друг к другу, достигается за счет пружин, давления жидкости или центробежной силы.

Принцип работы клиноременного вариатора заключается в непрерывном обеспечении передачи мощности, что способствует созданию оптимальных условий для работы двигателя. Ускоряясь или, наоборот, замедляя движение, мотор автомобиля работает на постоянных оборотах. За счет этого существенно экономится бензин, снижается износ и, соответственно, повышается ресурс двигателя.

Из-за значительных нагрузок, испытываемых узлом, клиноременная передача считается самой уязвимой частью этого типа вариатора на автомобиле. На сегодняшний день он представляет собой стальную конструкцию, которая состоит из пакета лент, соединенных друг с другом за счет пластин сложной формы.

Возникающее трение в этом случае обеспечивает передачу усилия на всей площади, на которой боковая поверхность ремня контактирует со шкивом.

Второй тип вариатора на автомобиле, называемый клиноцепным, конструктивно представляет собой стальную цепь, каждое звено которой состоит из нескольких пластинок. Они соединяются за счет цилиндрических втулок-осей, обеспечивающих минимальный радиус изгиба.

Усилие передается благодаря контакту боковой части цепи и рабочих поверхностей конусовидных дисков.

Поскольку площадь соприкосновения незначительна, это сказывается на увеличивающихся нагрузках на детали, изготовленные из высокопрочной стали. Клиноцепной тип вариатора отличается большим КПД в сравнении с прочими аналогичными конструкциями.

Стоимость его также выше, поскольку при его изготовлении используются более дорогостоящие материалы, чем при производстве клиноременного вариатора.

Рассказывая о том, что такое вариаторы на автомобиле, следует отметить, что особенности их конструкции не позволяют механизму вращаться в обратном направлении, обеспечивая задний ход автомобиля. Эта задача решается за счет дополнительного приспособления, в основном трансмиссия оснащается шестеренчатым редуктором планетарного типа. Его принцип действия схож с принципом действия такого же устройства автоматической коробки передач.

Тороидный.

Конструкция тороидного вариатора на автомобиле состоит из двух соосных дисков – ведущего и ведомого. В сечении они представляют собой равнобедренные треугольники, боковые стороны которых входят в состав окружности.

Между рабочими дисками расположены два плотно прижатых к ним боковыми частями ролика. Эти детали являются подвижными, способными менять положение за счет синхронного раскачивания вокруг осей, которые перпендикулярны основному валу.

Сила трения, возникающая в зоне контакта, обеспечивает передачу усилия через ролики. При изменении соотношения радиусов частота вращения ведомого вала увеличивается либо уменьшается.

Этим типом вариаторов оборудуются мощные заднеприводные модели. Механизм соединен с планетарным понижающим редуктором, при движении автомобиля на больших скоростях крутящий момент передается напрямую. Переднеприводные транспортные средства оснащаются трансмиссией, совмещенной с дифференциалом и главной передачей.

Как же работает вариатор

Бесступенчатая передача, как мы увидели, имеет много плюсов, к тому же ее устройство, как можно сделать вывод, на высоте. Но как же все там устроено? Как она работает? Десять лет ушло у конструкторов на то, чтобы создать особый ремень, который бы выдерживал нагрузки устройства.

Главное то, что данный тип техники устроен сложно, но мы сейчас посмотрим самое основное, что же помогает ему, по какой схеме он работает, что получается выдавать четко подобранные данные, то есть передачу скорости, тем самым увеличивая скорость движения автомобиля.

Если говорить об устройстве, то оно проще, чем АКПП. Почему так? У него нет шестеренок, дисков. Главный принцип строится на двух шкивах. Которые связываются тем ремнем, над которым разработчики бились десяток лет. Первая деталь имеет прямую связь с движком, а вторая с валом колес. Крутит другой особый ремень. Такой клиноременный вариатор заслуживает на самом деле большого уважения со стороны конструкторов.

Получается в итоге простой тип работы. Одна деталь приводит в движение другую, используя обычный ремень. Работа идет по тому же принципу, что у ремня генератора. Но есть несколько хитростей. Клиноременный вариатор передает скоростное движение от мотора колесам. Но как ремешок может интенсивно работать и не рваться? Вот эти загадочные десять лет, которые у конструкторов прошли на рабочем месте. Но они создали шедевр.

Клин, которым представлен ремень, точно соответствует углу конуса шкива, именно его он приводит в движение. В итоге изделие не тянется, к тому же пластины толкают шкивы. Выходит у нас есть два шкива, а также ремень с клином. Так перед нами клиноременный КПП. Именно так и устроен бесступенчатый вариатор.

Отметим, что один из шкивов соединен с движком, который передает вращательный момент на колеса. Если поделить скорость движения этого шкива на тот, что имеет связь с ведущими колесами, то перед нами предстанет то загадочное число, та передача, которая в данный момент времени выдается. Таким образом, данный тип механики во многом превосходит даже АКПП, не говоря уже об обычной КПП. Теперь нет нужды самостоятельно задавать передачу. Даже АКПП, так радовавшая женщин, которым сложно было совладать с передачами, не верх блаженства. Настоящее счастье для них стал именно вариативный тип передач.

Какие же виды деталей меняют это число, эту передачу, регулируя скорость ведущих колес? Весь смысл в том, что деталь, которая крепится к движку, по которой бегает ремешок, сдвигается и раздвигается. Получается, что радиус то один, то другой. Это касается и второй детали, крепящейся к валу колес. Разница между ними в том, что один шкив фиксируется пружинами, а второй электроникой.

Благодаря клиновому ремню есть возможность свободно передвигаться между шкивами, останавливаясь в нужный момент, в угодном положении. Таких положений может быть очень много, а значит, и скоростей передач тоже очень много.

Итак, становится ясно то, что сначала один шкив увеличивается, а другой уменьшается, потом, наоборот, первый уменьшается, а второй увеличивается, между ними ремень клином, который имеет множество передач или положений. Но как же все это работает?