Міф про те, що старому собаці не можна навчити новим трюкам, не відповідає дійсності. Варіатор (CVT) доводить це. Леонардо да Вінчі замалював концепцію понад п’ятсот років тому. Сьогодні ця давня ідея витісняє планетарні автоматичні коробки у багатьох автомобілях. General Motors, Audi, Honda та Nissan будують свої трансмісії навколо цієї технології. Перший патент на тороідальний варіатор був зареєстрований у 1886 році. З того часу інженери постійно вдосконалювали його.
Нам потрібно розібратися, як працює ця система у схемі із приводом на задні колеса. Також нам потрібно відповісти на кілька нагальних питань. Чим вона відрізняється від стандартної автоматичної коробки? Які її конкретні переваги та недоліки? Чи змінює вона відчуття від водіння? Які моделі автомобілів її використовують? Чи застосовується вона у інших сферах?
Основи трансмісії
Традиційна автоматична коробка передач використовує фіксований набір шестерень. Двигун з’єднаний з колесами через низку планетарних редукторів. Комп’ютер перемикає ці шестерні. Оберти двигуна скачуть. Водій відчуває кожне перемикання. Варіатор не має фіксованих шестерень. Він використовує систему шківів. Два конуси спрямовані один до одного. Між ними проходить ремінь чи ланцюг. Система змінює ефективний діаметр конусів. Це змінює передатне число. Зміна відбувається плавно. Немає щаблів. Двигун може залишатися на найефективнішій швидкості. Це і є ключова відмінність. Не магія. Це проста механіка.
Чому CVT відчуваються інакше
Ви вже знайомі з основними принципами роботи стандартної автоматичної коробки передач. Він перемикає передавальні числа між двигуном та колесами. Без нього вам довелося задовольнятися однією передачею. Уявіть автомобіль із першою передачею. Він різко рушає з місця, але на швидкості 30 миль на годину впирається у межу можливостей. Або представте автомобіль тільки з третьою передачею. Він добре розганяється на шосе, але не може навіть виїхати з під’їзної доріжки. Коробка передач заповнює цю прогалину. Вона використовує низькі передачі для моменту, що крутить, і високі — для швидкості.
Традиційні автомати використовують фізичні шестерні. Планетарні ряди створюють чотири чи п’ять передавальних чисел. Ви відчуваєте перемикання. Ривок. Зміна тону роботи двигуна. Це механічно. Це відчутно.
Потім є безступінчаста трансмісія (CVT). Вона порушує правила.
Пояснення системи шківів
У CVT немає шестерень. Жодної. Немає зубчастих коліс. Немає фіксованих передавальних чисел.
Натомість вона спирається на систему шківів. Два шківи, з’єднані ременем або ланцюгом. Один шків прикріплений до двигуна. Інший – до вихідного валу трансмісії.
Кожен шків складається із двох конічних половин, які можуть зближуватися або роз’їжджатися. Це змінює ефективний діаметр шківа.
- Зближення половин: ремінь піднімається вище. Діаметр збільшується.
- Роз’їзд половин: ремінь опускається нижче. Діаметр зменшується.
Регулюючи ці діаметри, трансмісія змінює передатне число. Миттєво. Плавно. Без сходів.
Таким чином, CVT забезпечує нескінченну варіативність. Жодних дискретних перемикань. Жодних ривків. Лише лінійне зростання обертів двигуна.
Як це впливає на водіння
Традиційні трансмісії стрибають. З другої на третю, потім четверту. Обороти двигуна падають. Автомобіль злегка сіпається.
Трансмісія CVT утримує двигун на оборотах максимальної потужності. Вона має стабільний режим. Автомобіль розганяється поступово. Двигун виє. Швидкість зростає.
Саме тому “автомобілі з CVT відчуваються так, ніби вони буксують”. Оберти двигуна високі, але швидкість збільшується плавно. Немає удару під час перемикання. Немає розриву передачі потужності.
Чи це краще? Залежить від того, що ви хочете.
- Традиційний автомат : Залучення. Відчуття. Перемикання.
- CVT : Ефективність. Плавність. Лінійне прискорення.
Для міської їзди CVT часто забезпечує більш гладке ведення. Менше зупинок та стартів. Менше перемикань.
Для руху шосе це може здаватися неприродним. Двигун залишається гучним. Автомобіль не осідає на певну передачу.
Механіка, що стоїть за плавністю
Ремінь або ланцюг у CVT повинні витримувати високий крутний момент. Вони перебувають під постійним натягом. Шківи повинні точно регулюватися. Гідравлічний тиск переміщує конуси. Датчики контролюють швидкість. Блок керування змінює передатне число у реальному часі.
Ця система усуває потребу у складному планетарному ряду. Менше частин, що рухаються. Найменша вага. Часто найкраща паливна економічність.
Але є компроміс. Ремінь може прослизати. Якщо конструкція виконана погано, він швидко зношується. Ефект гумової гумки реальний. Обороти двигуна зростають, перш ніж автомобіль встигає підхопити швидкість.
Коли варто вибрати CVT
Якщо ви пріоритизуєте паливну ефективність та плавну їзду в місті, CVT є сильним варіантом. Сучасні CVT є надійними. Вони добре справляються з крутним моментом. Вони ефективні.
Гра з назвами: чому ми все ще говоримо «передачі»
Звучить суперечливо, чи не так? Ви дивитеся на коробку передач, яка явно відмовляється від традиційних зубчастих передач, але керівництво продовжує вказувати на необхідність перемикатися в режим передачі. Слово зберігається, тому що функціонально передача — це лише передавальне число. Конкретніше, це співвідношення між швидкістю обертання колінчастого валу двигуна та швидкістю обертання карданного валу. Варіатор (CVT) немає фіксованих щаблів. Він плавно змінює передатне число у нескінченному діапазоні. Але людям потрібні точки опори. Нам потрібно концептуалізувати нижній діапазон для моменту, що крутить, і верхній для руху на крейсерській швидкості. Тому ми називаємо ці крайні значення «нижчою передачею» та «вищою передачею». Це неточна термінологія, безперечно. Але вона прижилася.
Коротка історія безступінчастої потужності
Ця ідея народилася над сучасної лабораторії. Вона стара. Старіший за сам двигун внутрішнього згоряння.
- 1490 : Леонардо да Вінчі накидає концепцію безступінчатої трансмісії. Він малює на пергаменті; Тодішні технології ще не дозволяють реалізувати цю ідею.
- 1886 : хтось подає заявку на патент на тороїдальний варіатор.
- 1935 : Адель Додж отримує патент США на свій тороїдальний дизайн.
- 1939 : General Motors представляє Hydra-Matic. Це повністю автоматична трансмісія, але вона заснована на планетарних передачах. Індустрія різко зміщується в бік більш складних конструкцій.
- 1958 : Daf (Голландська автомобільна фабрика) встановлює ремінний варіатор у серійний автомобіль. Він компактний, ефективний, але майже не помічений американськими любителями маслкарів.
- 1989 : Subaru випускає Justy GL на ринок США. Це перший автомобіль, вироблений або проданий в Америці, який пропонує CVT. Без шуму і пафосу. Просто маленький хетчбек з незвичайними характеристиками.
- 2002 : Saturn представляє Vue. Перший Saturn, який запропонував CVT. Це експеримент середини 2000-х щодо ефективності.
- 2004 : Ford починає встановлювати CVT в такі моделі, як Focus і Escape. Хвиля починає набирати силу.
Варіатори на основі шківа: домінуючий дизайн
Коли люди думають про CVT, вони майже завжди думають про систему на основі шківа. Це найпоширеніша конфігурація в сучасних легкових автомобілях. чому Тому що це працює. Переважно.
Механізм елегантно простий. У вас є два шківи змінного діаметру. Один з’єднаний з вхідним валом двигуна, інший – з вихідним валом осі. Між ними проходить металевий ремінь (зазвичай натискний, що складається зі сталевих елементів і штовхаючих елементів, а не з гумової петлі).
Змінюючи ширину канавок шківа, система змушує ремінь розташовуватися вище або нижче в конусі.
– Нижня конусність = менший ефективний діаметр.
– Більший конус = більший ефективний діаметр.
Зміщуючи баланс, ви змінюєте передавальне число. Без кроків. Без хітів. Просто плавне, хоча іноді й шумне збільшення обертів двигуна зі збільшенням швидкості.
Цей дизайн домінує, оскільки він легкий і відносно дешевий у виробництві порівняно з альтернативами. Але він має обмеження. Сталеві ремені ковзають при високому крутному моменті. Ось чому ви рідко побачите варіатор на основі шківа у важкій вантажівці чи високопродуктивному спортивному автомобілі без значного посилення. Пояс – слабка ланка.
Анатомія простоти
Загляньте всередину планетарної автоматичної коробки передач, і ви побачите клубок механіки. Шестерні вмикаються. Гальма затягуються. Муфти з’єднані. Регулятори контролюють хаос. Це складне інженерне рішення.
Тепер подивіться на безступінчасту трансмісію (CVT). Це приклад мінімалізму.
Більшість безступінчастих трансмісії покладаються лише на три основні компоненти для роботи. Ось як безступінчаста трансмісія (CVT) досягає свого унікального діапазону передавальних чисел:
- Високоміцний ремінь з металу або гуми
- Ведучий шків зі змінним діаметром
- «Ведьмий» шків на виході
У системі також беруть участь мікропроцесори та датчики. Електроніка керує моментами перемикання. Вона контролює температуру та навантаження. Однак, це допоміжний персонал. Три перелічені елементи є головними дійовими особами. Саме вони становлять ключові елементи, які забезпечують працездатність технології.
Як насправді рухається ремінь варіатора
Варіативні шківи із змінним діаметром є механічним серцем безступінчастої трансмісії (CVT). Кожен вузол і двох конусів, нахилених під кутом 20 градусів, які дивляться друг на друга, залишаючи між собою зазор. У цей зазор міститься ремінь. Якщо ремінь виготовлений з гуми, то майже завжди це клиновий ремінь (V-belt). Ви знаєте цей тип. Його поперечний переріз має V-подібну форму. Така форма збільшує силу тертя. Це не просто для краси.
Коли конуси розлучаються убік, ефективний діаметр шківа збільшується. Ремінь поринає глибше в паз. Радіус петлі зменшується. Це просте геометричне усунення. Коли конуси зближуються, діаметр зменшується. Ремінь піднімається вище конусами. Радіус петлі збільшується. Саме ця постійна зміна робить унікальну трансмісію.
Як працює система? Не магія. Це фізика. Гідравлічний тиск, відцентрова сила або натяг пружини створюють необхідну силу для регулювання половинок шківа. Той чи інший механізм штовхає конуси. Ремінь слідує за ними. Передатне відношення змінюється. Плавно. Без сходів.
Вхід та вихід: танець шківів
Не можна запустити CVT з використанням лише одного шківа. Вони мають бути парними.
Перший вузол – це ведучий шків. Деякі називають його вхідним шківом. Він безпосередньо з’єднаний з колінчастим валом двигуна. Це також вхідний шків. Саме сюди енергія від двигуна надходить у систему трансмісії. Двигун обертається. Шків обертається.
Другий вузол – це “відомий шків”. Перший шків приводить його в рух. Це вихідний шків. Звідти енергія передається карданний вал. Потужність передається вперед. Все складання покладається на цей безперервний цикл. Одна сторона тягне. Інша випливає. Ремінь ніколи не перестає рухатись.
“Ремінь занурюється глибше в паз у міру розведення конусів, зменшуючи радіус петлі.”
Це не складна головоломка. Це пряма передача зусилля. Двигун забезпечує енергію. Вхідний шків захоплює її. Ремінь переносить цю енергію через проміжок. Вихідний шків доставляє її до колес.
Нема зубчастих передач, які клацають, вступаючи в зачеплення. Немає різких перепадів обертів. Тільки безперервне регулювання. Кути конусів залишаються незмінними. Змінюється положення ременя. Передатне відношення адаптується. Це відбувається постійно. Навіть коли ви про це не думаєте.
Ремінь залишається натягнутим. Конуси тиснуть. Радіус регулюється. Автомобіль рухається.
Як насправді працюють механічні системи CVT
Розсуніть один шків, а інший звузьте. Ремінь залишається натягнутим. Цей рух створює нескінченну кількість передавальних чисел. Немає клацань. Немає щаблів. Тільки безперервний діапазон від низьких до високих передач.
Подумайте про радіус кроку. Якщо ведучий шків малий, а ведений великий, то ведений шків обертається повільніше. Ви отримуєте низьку передачу. Поміняйте місцями. Великий ведучий шків. Малий ведений. Ведений шків обертається швидше. Висока передача.
CVT може досягти будь-якого передавального числа на будь-якій швидкості. Обороти двигуна? Немає значення. Швидкість автомобіля? Не має значення. Він просто знаходить потрібне передатне число.
За межами легкових автомобілів
Ця простота без сходинок призначена не тільки для седанів. Електроінструменти використовують їх. Свердлильні верстати залежать від них. Трактори. Снігоходи. Мотоцикли. Повсюди, де потрібен змінний момент, що крутить, без перемикання передач.
Але є одна вада. Ці трансмісії часто використовують високощільні гумові ремені. Вони прослизають. Вони розтягуються. Згодом знос знижує ефективність. Це компроміс між плавністю та довговічністю.
Традиційні ременові CVT мали свої обмеження. Гумові ремені прослизали. Вони швидко зношувалися. Вони не могли витримувати крутний момент сучасних продуктивних двигунів. Індустрії потрібно щось міцніше.
На сцену виходять металеві ремені. Це вже не ті V-подібні паски, що були у вашого батька. Йдеться про тонкі смуги високоміцної сталі. Зазвичай їх дев’ять чи дванадцять. Вони разом утримують металеві елементи у формі краватки-метелика.
Який результат? Відсутність прослизання. Висока довговічність.
Ці металеві ремені передають момент, що крутить, з набагато меншими втратами. Вони також працюють тихіше. Ви перестаєте чути гумовий вереск при різкому прискоренні. CVT просто… працює.
Тороїдальні CVT
Але навіть у металевих ременів є межа. На сцену виходять тороїдальні CVT.
Це зовсім інша конструкція. Без шківів. Без ременів. Натомість використовуються диски та силові ролики.
Уявіть собі це так: система з ременем і шківами, але побудована на плоских поверхнях і сферах, що котяться. Математика та сама. Результат той самий. Передатне число, що змінюється. Плавна передача потужності.
Ось анатомія шляху передачі крутного моменту:
- Вхідний диск : безпосередньо з’єднаний з колінчастим валом двигуна. Виступає у ролі ведучого шківа.
- Вихідний диск : з’єднаний із приводним валом. Виступає у ролі веденого шківа.
- Силові ролики : знаходяться між двома дисками. Вони передають зусилля. Вони змінюють ефективний радіус з допомогою зміщення становища.
Така конструкція витримує вищі навантаження. Вона компактніша. І повністю усуває проблему розтягування ременя.
«Тороїдальна система замінює гнучкість жорстким контактом, що коливається.»
Чому це важливо?
Тому що межа моменту, що крутить, масштабується. З ременями ви обмежені тертям та межею міцності на розрив. З тороїдальними системами ви обмежені твердістю матеріалу та мастилом. Це набагато вища стеля.
Mercedes використав цю технологію у CVT для C-класу 1990-х років. Вона зазнала невдачі. Здебільшого через складність виробництва. Але концепція була правильною.
Сьогодні, з розвитком науки про матеріали, тороїдальні CVT переживають тихе відродження. Чи не в економічних автомобілях. У високопродуктивних гібридах. Там, де ефективність поєднується з щільністю моменту, що крутить.
Перехід від ременя до диска – це не просто поступове покращення. Це структурна зміна.
І якщо ви ставите питання, який автовиробник робить на цьому велику ставку… ну, вони поки що мало що говорять. Поки що.
Але інженерна логіка незаперечна. Немає ковзання. Нема розтягування. Лише тертя кочення.
Це чистіше. Це міцніше. Це логічний наступний крок після металевих ременів.
Чи замінить вона CVT з ременем, що штовхає?
Ймовірно, немає у масових седанах. Занадто дорого виробляти. Але в додатках, де важливі простір і момент, що крутить? Вона вже перемагає.
Механіка плавної зміни передавальних чисел
Колеса не просто обертаються. Вони повертаються навколо горизонтальної осі, одночасно нахиляючись усередину або назовні навколо вертикальної. Саме цей подвійний рух дозволяє колесам торкатися різних ділянок ведучого та веденого дисків. Геометрія визначає передатне число.
Коли колеса стосуються провідного диска ближче до центру, вони повинні стикатися з веденим диском ближче до його обода. Така конфігурація створює зниження швидкості і різке зростання моменту, що крутить. Це можна порівняти з низькою передачею.
Змініть нахил. Тепер колеса контактують із провідним диском ближче до його ободу. Вони стикаються з веденим диском ближче до його центру. Швидкість зростає. Крутний момент падає. Це режим овердрайву (підвищеної передачі).
Простий нахил змінює все. Передатне число змінюється поступово. Результатом стає плавна, майже миттєва зміна передавальних чисел. Без ривків. Без переривань.
Гідростатичні безступінчасті трансмісії
Тертя-основані безступінчасті трансмісії, такі як системи з шківами і V-подібним ременем або тороїдальні, працюють за рахунок зміни радіусу контакту між двома об’єктами. Але існує й інший тип — гідростатична безступінчаста трансмісія (CVT).
Ця система не покладається виключно на тертя. Вона використовує насоси змінної продуктивності для управління потоком рідини в гідростатичні двигуни. Фізика процесу інша. Однак результат схожий.
Обертальний рух від двигуна приводить у дію гідростатичний насос на вхідному валу. Насос перетворює обертання в потік рідини. Потім гідростатичний двигун на вихідному валу приймає цю енергію рідини і перетворює її назад у обертальний рух.
Це замкнутий контур тиску та потоку. Без ременів. Без конусів. Тільки рідина, що рухається під тиском.
«Таким чином, просте зміна кута нахилу коліс поступово змінює передавальне число, забезпечуючи плавні, майже миттєві зміни передавальних чисел».
Цей метод краще справляється з високими навантаженнями моменту, що крутить, в порівнянні з багатьма конструкціями, заснованими на терті. Він також забезпечує нескінченну плавність регулювання. Двигун може залишатися в зоні максимальної потужності, поки автомобіль розганяється або долає підйом.
Складність полягає в ущільненнях та керуванні тиском. Але принцип простий: рідина надходить усередину – на виході виходить обертання. Насос контролює обсяг. Двигун контролює швидкість.
Деякі сучасні машини використовують таку конструкцію. Трактори. Снігоприбиральні машини. Тяжке промислове обладнання. У легкових автомобілях це поширено, але технологія існує. Вона доводить, що не кожна трансмісія потребує зубів або ременів.
Ви можете відчути різницю у плавності. Або не можете. Тому що створюється враження, що трансмісії взагалі немає. Лише потужність.
Передача потужності який завжди пов’язані з перемиканням передач. Іноді вона полягає у змішуванні зусиль.
Гідростатична трансмісія рідко працює самостійно. Інженери комбінують її з планетарним рядом зубчастих коліс та муфтами. В результаті виходить гібридна конструкція. Ми називаємо це гідромеханічною трансмісією. Вона передає потужність від двигуна до колес із використанням трьох різних методів.
На низьких швидкостях? Трансмісія працює у гідравлічному режимі. На високих швидкостях? Вона перетворюється на механічний режим. На проміжних швидкостях? Вона використовує обидва режими.
Ця складність не марна. Саме тому такі системи можна побачити у важких робочих машинах. Сільськогосподарські трактори покладаються на них. Позашляхові транспортні засоби залежить від них. Вони витримують навантаження, з якими не впораються стандартні передачі.
Аргументи на користь безступінчастих трансмісій (CVT)
Варіатори (CVT) завойовують свої позиції з вагомих причин. Водіям подобається їхня поведінка. Екологи цінують їхню ефективність.
Ось що робить їх такими.
Як вони працюють
- Розгін відбувається плавно та безперервно. Ви не відчуваєте ривків.
- Двигун залишається у зоні оптимальної потужності. Неважливо, чи повзете ви, чи їдете з постійною швидкістю.
– Вони швидше реагують на дії з педаллю акселератора. - Втрати потужності менші порівняно зі звичайним автоматом.
- Водії отримують точний контроль за діапазоном оборотів бензинового двигуна.
- Вони можуть працювати з автоматизованими механічними зчепленнями.
Чому вони важливі
- Відсутня «удар» під час перемикання. Їзда плавна.
- Поліпшується паливна економічність.
- Ви перестаєте “полювати” за передачами. Це особливо помітно під час уповільнення підйому.
- Розгін відчувається потужнішим.
- Викиди забруднюючих речовин легше контролювати.
– Вони часто замінюють неефективні гідротрансформатори.
Водіння з CVT
Варіатори (CVT) є стандартними у Європі вже багато років. У Сполучених Штатах технології знадобилося більше часу, щоб прижитися.
Терпіння окупилося. Першим серійним автомобілем, що пропонує CVT у США, став Subaru Justy.
Subaru Justy, який продавався з 1989 по 1993 рік, так і не зміг по-справжньому захопити уяву американців. Він був тихий. Забутим. Але спитайте себе, що змінилося, коли ви сідаєте за кермо Saturn Vue, Audi A4 або A6, Nissan Murano або навіть Honda Insight. Відповідь криється над рекламних брошурах. Він у тому, як поводиться автомобіль.
Натисніть на педаль газу у сучасному автомобілі з безступінчастою трансмісією (CVT), і різниця буде миттєвою. Двигун стрімко набирає обертів до піку потужності та утримує їх там. Автомобіль не рветься вперед. Він вичікує. А потім різко пришвидшується. Розгін плавний. Стабільний. Без перемикань. Тільки рух уперед.
Теорія свідчить, що безступінчаста трансмісія (CVT) повинна розганятися до 60 миль на годину на 25 відсотків швидше, ніж ідентичний автомобіль із механічною коробкою передач. Чому? Тому що CVT порівнює весь робочий діапазон двигуна зі своїм власним. Кожній точці в діапазоні потужності відповідає своє число. Без провалів. Без втрати енергії.
Подивіться на криву потужності традиційного автомата. Ви бачите різкі стрибки. Стрілка тахометра підстрибує вгору та вниз при кожному перемиканні. Ви відчуваєте ці ривки. Це моменти втраченого імпульсу. CVT повністю уникає цієї пастки.
Гірки теж не збивають їх з пантелику. Нема «полювання за передачами». Трансмісія безступінчасто знаходить точне передатне число, необхідне даного ухилу. Звичайний автомат стрибає туди-сюди, намагаючись знайти оптимальний режим, втрачаючи ефективність у процесі.
Але ці системи не позбавлені недоліків. У США вони все ще борються із примарою минулого. Subaru Justy зіпсував їм репутацію. Його вважали безхарактерним мікроавтомобілем. Ранні конструкції з ремінним приводом погано справлялися з моментом, що крутить. Вони були громіздкими. Важкими. Поступалися традиційним механічним і автоматичним коробкам передач.
Технології змінили поле битви. CVT Nissan Murano легко справляється з 3,5-літровим V6, що видає 245 кінських сил. Технологія існує. Продуктивність є реальною. Але перше враження прилипає як бруд.
Чи можна колись повністю позбутися сприйняття «слабкої» трансмісії, коли сучасні версії здатні перевершувати свої ступінчасті аналоги? Цифри кажуть: так. Ринок все ще намагається повірити у це.
“Для отримання додаткової інформації про безступінчасті трансмісії та суміжні теми ознайомтеся з посиланнями нижче.”
