Варіатор міфи і правда про безступінчасті коробки (стаття) - Автоманія
Історія часто несправедлива щодо варіатора. То це перспективна трансмісія, то символ дешевої та невдалої автоматичної КПП. Після випуску перших легковиків DAF 600 з варіатором і спроб застосування аналогічних конструкцій з ременями на машинах Volvo минуло вже понад тридцять років, і витончена ідея все ще намагається знайти таке ж витончене технічне втілення.
За минулі роки варіатори з екзотики перетворилися на цілком звичайний тип «автомата», особливо на японських машинах, встигнувши пережити кілька криз, набираючи і втрачаючи бали репутації і зазнавши кілька вкрай значних змін конструкції. Причому зараз у серійному виробництві присутні всі разом взяті. Зазвичай питання «що вибрати» не варте. Вибору типів трансмісій на одній моделі машини немає, максимум можна вибирати між механічною КПП та варіатором (рідкісні винятки лише підтверджують правило), але цей матеріал буде корисний для розуміння того, з чим доведеться зіткнутися в процесі експлуатації.
Принципова конструкція варіатора
Нагадаю, що суть варіаторної трансмісії є досить простою. Передатне відношення змінюється у певному діапазоні плавно, без щаблів, при цьому обороти двигуна можуть знаходитися в оптимальній зоні для даного режиму руху, що підвищує економічність та покращує тягові можливості машини. Це теоретично.
Насправді ж різні конструктивні виконання можуть мати безліч недоліків, які іноді перекреслюють їх переваги. Є кілька способів передавати момент, що крутить, плавно змінюючи передатне відношення. Найпростіший і очевидніший спосіб – це передача моменту ременем через шківи, діаметри яких постійно змінюються. Конструкції такого роду були відомі з давніх-давен - звичайний шкіряний ремінь мігрухатися по конічному шківу, що утримується від сповзання роликом натягу.
Варіювати матеріал ременя
Варіатори, що так успішно прижилися в мототехніці, на машинах довгі роки не застосовувалися, але простота і зручність схеми не давали конструкторам спокою. Основні проблеми були вже давно виявлені - при хорошому динамічному діапазоні такий АКПП їй все ж таки дуже заважали зниження ККД при крайніх передавальних відносинах (коли різниця між діаметрами ведучого і ведомого шківів ставала занадто великою) і велике навантаження на ремінь при цьому.
Сильно покращив позиції варіатора винахід компанією братів Ван Дорн набірного сталевого ременя. Конструкція його складалася з кількох несучих сталевих стрічок-ременів та перпендикулярно нанизаних на них сталевих пластин складної форми, що дозволяє передавати обертання зі шківів.
Для рушання з місця передбачалося звичайне фрикційне зчеплення (як на «механіці»), а для розширення динамічного діапазону та заднього ходу ще й планетарна передача, знайома за класичними АКПП. Спочатку варіатори оснащувалися ще й редукторами, що підвищують, для зниження переданого моменту, але серійні конструкції були влаштовані вже трохи простіше.
Ресурс таких конструкцій зріс до цілком прийнятних 80-120 тисяч кілометрів пробігу, але недоліків вистачало. І насамперед не вистачало надійності у роботі. Особливого поширення схема не набула, оскільки подальше невелике удосконалення схеми роботи ременя значно покращило характеристики трансмісії.
Основні недоліки стосувалися вібрацій та (досі) крайніх передавальних відносин. При мінімальному діаметрі одного з шківів ремінь на ньому сильно згинається і до того ж пробуксовував через недостатню площу зіткнення. Будь-які ривкитяги провокували пробуксування ще сильніше. Пробуксовка швидко зношувала ремінь та шківи. Вибрації, що виникають при пробуксуванні, попутно шкодили трансмісії і знижували комфорт. В результаті навіть така вдосконалена конструкція застосовувалася лише на малолітражних машинах. Найбільш популярна з них – це Nissan Micra K11, що дебютувала у 1992 році.
Тягне варіант і гідротрансформатор
Виправити ситуацію допоміг гідротрансформатор замість фрикційного зчеплення та зміна схеми роботи ременя. "Бублик", який був задіяний при торканні машини, дозволяв уникнути ривків тяги, а заразом і полегшити старт. Отже, можна було обмежитися меншим передатним ставленням при торканні і заразом знизити ймовірність пробуксовки через пом'якшення ривків ВМД.
Друге важливе нововведення - застосування так званого «ременя, що штовхає». У цьому випадку момент, що крутить, передавався не на тій гілки ременя, що тягнув провідний шків, а на тій, яку він штовхав. Сталеві бандажі, основа ременя, не зазнавали більше навантаження на розтяг, а все зусилля передавалося через пакет пластин.
Це нововведення зменшило знос ременя та покращило умови його роботи. А все разом дозволило застосовувати варіатор на потужних моторах. Спочатку мотори 1,6 літра були межею, але зараз аналогічні конструкції застосовують вже і на моторах 2,5, а то й 3,5 літра. Наприклад, так влаштовані найпоширеніші конструкції варіаторів Jatco, що застосовуються на багатьох японських машинах, наприклад, бестселерах Nissan Qashqai та X-Trail, а за ними – Renault Megane та Fluence, Mitsubishi Outlander та ASX…
Варіації на тему
Схема з ременем, що штовхає, на слабких моторах може застосовуватися і без ВМД, що демонструють цілком непогані конструкції на деяких китайських.машини. Простого зчеплення вистачає для забезпечення потрібних характеристик, нехай і машини зі спрощеними трансмісіями їдуть вже не так добре. Зате ціна дуже невелика, а конструкція навіть простіше, ніж у іншої «механіки». Власне, один з перших вдалих варіаторів з ременем, що штовхає, на Subaru Justy був влаштований саме так.
Варіант із ланцюгом
Використовувати замість ременя ланцюг здається дуже розумною витівкою. Благо варіант це перевірений, роликовий ланцюг давно замінив ременную передачу там, де можливостей ременя вже не вистачало, в тих же мотоциклах або промислових передачах. Ось і в варіаторах ланцюг прийшов на зміну ременя, коли здалося, що ремінь, що тягне, вже не справляється.
Зрозуміло, у варіаторів немає зубців для зачеплення, так що потужний пластинчастий ланцюг просто затискається з боків шківами. Серйозними перевагами є менший можливий радіус заокруглення та більша міцність на стиск. Та й розтягування ланцюга залежить в основному від зносу в його підшипниках, а значить, теоретично є можливість зробити його дуже ресурсним, обмеженим лише за знос контактних майданчиків. В результаті варіатор з ланцюгом може бути помітно міцнішим, менше боїться пікових навантажень і дозволяє розширити динамічний діапазон трансмісії.
Конструкція з ланцюгом, що тягне, була успішно реалізована компанією Volkswagen у співпраці з LuK для машин з поздовжнім розташуванням двигуна в кінці дев'яностих років і застосовується аж до сьогоднішнього дня. Йдеться про варіатори Multitronic – вони витримують момент, що крутить, до 310 Нм. Застосування ланцюга дозволило помітно підняти момент, що передається, а всі недоліки трансмісії виявилися конструктивними і мало пов'язаними з самою схемою.
Хіба що ресурс ланцюга вийшов порівняно невеликий,100 тисяч кілометрів пробігу, але з урахуванням відносно невеликої її ціни та простоти заміни це можна вважати цілком успішним результатом. Допомога в розробці ланцюга та шківів надавала компанія LuK, вона ж запропонувала свої послуги компанії Subaru, коли та вирішила створити свій клиноцепний варіатор Lineatronic.
Результат вражає, нова трансмісія "перетравлює" момент дволітрового турбомотора і при цьому вміє бути економічною та спортивною одночасно. Без ВМД і тут не обійшлося. Для Субару це не перший досвід роботи з варіаторами, вони були одними з піонерів впровадження варіаторів з ременем, що штовхає, випустивши в 1984 році свій варіант ECVT для моделі Justy, але від подальших розробок відмовилися, хоча перший досвід і був досить успішним.
Варіації у формі тора
Європейські виробники пішли шляхом роботизації вальних КПП (Volkswagen DSG, Ford PowerShift тощо), а японські компанії, об'єднавши зусилля, продовжують роботу над варіаторами. Наступним кроком у розвитку стала відмова від ременя та ланцюга при передачі крутного моменту на користь тертя шківів.
Подібні конструкції застосовувалися і раніше, але фрикційна передача з конічними валами та проміжним роликом надто громіздка для застосування в автомобілі. Але на допомогу прийшла схема з тороїдальними поверхнями, так званий «тороїдальний варіатор». У цьому випадку обертання передається з провідного тороїдального конуса на ведений за допомогою проміжного ролика.
Хитрість конструкції в тому, що відстань між точками на прямій осі, що перетинає, обертання проміжного ролика і тороїдальних поверхонь, завжди однакова. Отже, не потрібний ланцюг – один ролик обертається, одним краєм торкаючись малого радіусу конуса, а інший – великого, забезпечуючи зміну передатного відношення. Немає ні ланцюга, ніременя, при цьому розмір точки контакту невеликий, але постійний, контактні поверхні можна виготовити із твердих матеріалів, а роликів використовувати декілька – для збільшення площі контакту.
На практиці таку технологію застосовував тільки Nissan на своїх варіаторах Extroid, що ставилися на низку потужних моделей начебто не дуже поширених у нас на ринку Cedric і Skyline. На цьому поки що все скінчилося.
Тороїдальні варіатори виглядають складніше за традиційні – доводиться використовувати дві послідовні передачі для забезпечення потрібного динамічного діапазону. Проблема в тому, що через необхідність застосовувати дуже дорогий та зносостійкий матеріал для роликів, трансмісія виявилася дорогою, порівнянною за ціною з традиційними АКПП з «бубликом» та планетарними редукторами.
Варіанти без тертя
Зараз всі серійні конструкції варіаторів передають момент, що крутить, за рахунок тертя в зоні контакту ланцюга, ременя або роликів, але вже існують напрацювання, що дозволяють відмовитися від передачі тертям і скористатися можливостями зубчастого зачеплення, а значить, підвищити ККД і зменшити знос робочих елементів конструкції. Причому є як для конструкцій з ланцюгом, так і для тороїдальних варіаторів.
Особливий профіль зубів дозволить зменшити тиск у точці зачеплення і при цьому мати можливість так само плавно змінювати передатне відношення. Варіатори з ланцюгом і додатковим натяжним роликом вже зараз можуть забезпечити відсутність проблем з ККД у передачі в одному з крайніх положень валів, але цього недостатньо, щоб отримати перевагу більш компактних схем з двома розсувними шківами. До практичного застосування цієї схеми, втім, поки що не дійшло – тільки до досвідчених моделей і теоретичнихпошуків.