Mýtus, že starého psa novým kouskům nenaučíš, není pravdivý. CVT to dokazuje. Leonardo da Vinci načrtl koncept před více než pěti sty lety. Dnes tato prastará myšlenka nahrazuje planetové automatické převodovky v mnoha autech. General Motors, Audi, Honda a Nissan staví své převodovky na této technologii. První patent na toroidní variátor byl zaregistrován v roce 1886. Od té doby jej inženýři neustále zdokonalovali.
Musíme zjistit, jak tento systém funguje v nastavení s pohonem zadních kol. Musíme také odpovědět na některé naléhavé otázky. Jak se liší od standardní automatické převodovky? Jaké jsou jeho konkrétní výhody a nevýhody? Změní to zážitek z jízdy? Jaké modely aut to používají? Je to použitelné i v jiných oblastech?
Základy přenosu
Tradiční automatická převodovka používá pevnou sadu převodových stupňů. Motor je spojen s koly prostřednictvím řady planetových převodovek. Počítač přepne tyto převodové stupně. Otáčky motoru kolísají. Řidič cítí každé řazení. Variátor nemá pevné převody. Využívá kladkový systém. Dva kužely směřující k sobě. Mezi nimi běží pás nebo řetěz. Systém mění efektivní průměr kuželů. Tím se změní převodový poměr. Změna probíhá hladce. Žádné kroky. Motor může zůstat v nejúčinnějších otáčkách. Toto je klíčový rozdíl. Není to magie. Je to jednoduchá mechanika.
Proč se CVT cítí jinak
Základní principy fungování standardní automatické převodovky již znáte. Přepíná převodové poměry mezi motorem a koly. Bez něj byste si museli vystačit s jedním převodem. Představte si auto na první rychlostní stupeň. Startuje prudce, ale při rychlosti 30 mph naráží na svůj limit. Nebo si představte auto pouze na třetí rychlostní stupeň. Skvěle zrychluje na dálnici, ale nedokáže ani sjet z příjezdové cesty. Převodovka tuto mezeru vyplňuje. Využívá nízké převody pro točivý moment a vysoké převody pro rychlost.
Tradiční stroje používají fyzické převody. Planetové převodovky vytvářejí čtyři nebo pět převodových poměrů. Cítíte spínač. Blbec. Změna tónu motoru. Je to mechanické. Je to hmatatelné.
Pak je tu Continuously Variable Transmission (CVT). Porušuje pravidla.
Vysvětlení kladkového systému
CVT nemá převodovky. Ani jeden. Bez převodů. Neexistují žádné pevné převodové poměry.
Místo toho se spoléhá na systém kladek. Dvě kladky spojené řemenem nebo řetězem. Jedna řemenice je připevněna k motoru. Druhý je na výstupní hřídel převodovky.
Každá kladka se skládá ze dvou kónických polovin, které se mohou přibližovat k sobě nebo od sebe. Tím se změní účinný průměr řemenice.
- Přiblížení polovin k sobě: pás se zvedne výše. Průměr se zvětšuje.
- Oddělování polovin: pás se pohybuje níže. Průměr se zmenšuje.
Úpravou těchto průměrů převodovka mění převodový poměr. Okamžitě. Hladce. Žádné kroky.
CVT tedy poskytuje nekonečnou variabilitu. Žádné diskrétní přepínání. Žádné škubání. Pouze lineární nárůst otáček motoru.
Jak to ovlivňuje řízení?
Tradiční přenosy skáčou. Z druhého na třetí, pak do čtvrtého. Otáčky motoru klesají. Auto se mírně třese.
CVT převodovka udržuje motor v otáčkách s maximálním výkonem. Dodržuje stabilní režim. Auto zrychluje rovnoměrně. Motor zavyje. Rychlost se zvyšuje.
To je důvod, proč mají auta CVT pocit, jako by klouzaly. Otáčky motoru jsou vysoké, ale otáčky se plynule zvyšují. Bez rázů při řazení. V přenosu výkonu není žádná mezera.
Je to lepší? Záleží na tom, co chcete.
- Tradiční hrací automat : Zapojení. Pocity. Přepínání.
- CVT : Účinnost. Hladkost. Lineární zrychlení.
Při jízdě ve městě poskytuje převodovka CVT často hladší zážitek z jízdy. Méně zastávek a startů. Méně přepínání.
Při jízdě po dálnici to může být nepřirozené. Motor zůstává hlasitý. Auto se „neusadí“ v určitém rychlostním stupni.
Mechanika za hladkostí
Řemen nebo řetěz v CVT musí být schopen zvládnout vysoký točivý moment. Jsou pod neustálým napětím. Kladky musí být seřízeny přesně. Hydraulický tlak pohybuje kužely. Senzory řídí rychlost. Řídící jednotka mění převodový poměr v reálném čase.
Tento systém eliminuje potřebu složité planetové převodovky. Méně pohyblivých částí. Menší hmotnost. Často lepší spotřeba paliva.
Existuje ale také kompromis. Pás může sklouznout. Pokud je design špatně proveden, rychle se opotřebuje. Efekt gumičky je skutečný. Otáčky motoru se zvýší dříve, než vůz stihne nabrat rychlost.
Kdy zvolit CVT
Pokud dáváte přednost spotřebě paliva a plynulé jízdě po městě, je CVT dobrou volbou. Moderní převodovky CVT jsou spolehlivé. Dobře zvládají točivý moment. Jsou účinné.
The Name Game: Proč stále říkáme „Gears“
Zní to rozporuplně, že? Díváte se na převodovku, která se jasně vyhýbá tradičním rychlostním stupňům, ale manuál neustále upozorňuje na nutnost přeřadit do „režimu řazení“. Slovo je zachováno, protože funkčně je převodovka jen převodový poměr. Konkrétněji se jedná o vztah mezi rychlostí otáčení klikového hřídele motoru a rychlostí otáčení hnacího hřídele. Variátor (CVT) nemá pevné stupně. Plynule mění převodový poměr v nekonečném rozsahu. Lidé ale potřebují opěrné body. Musíme si představit spodní rozsah točivého momentu a horní rozsah cestovní rychlosti. Proto tyto extrémy nazýváme „low gear“ a „high gear“. To je samozřejmě nepřesná terminologie. Ale zvykla si.
Stručná historie plynule proměnlivého výkonu
Tato myšlenka nevznikla v moderní laboratoři. Je stará. Starší než samotný spalovací motor.
- 1490 : Leonardo da Vinci načrtává koncept bezestupňové převodovky. Kreslí na pergamen; Tehdejší technologie tuto myšlenku zatím neumožňují realizovat.
- 1886 : Někdo žádá o patent na toroidní variátor.
- 1935 : Adele Dodge získává americký patent na svůj toroidní design.
- 1939 : General Motors představuje Hydra-Matic. Jedná se o plně automatickou převodovku, která však sází na planetové převody. Průmysl se prudce posouvá ke složitějším návrhům.
- 1958 : Daf (Dutch Automotive Factory) instaluje řemenový variátor do sériového vozu. Je kompaktní, efektivní, ale americkými nadšenci do svalových vozů si ho většinou nevšimnou.
- 1989 : Subaru uvádí Justy GL na americký trh. Je to první auto vyráběné nebo prodávané v Americe, které nabízí CVT. Bez hluku a patosu. Prostě malý hatchback s neobvyklými vlastnostmi.
- 2002 : Saturn představuje Vue. První Saturn, který nabídne CVT. Je to experiment účinnosti z poloviny 2000.
- 2004 : Ford začíná instalovat převodovky CVT do modelů jako Focus a Escape. Vlna začíná nabírat na síle.
CVT založené na kladce: dominantní design
Když lidé myslí na CVT, téměř vždy myslí na systém založený na kladce. Toto je nejběžnější konfigurace u moderních osobních automobilů. Proč? Protože to funguje. Většinou.
Mechanismus je elegantně jednoduchý. Máte dvě kladky s proměnným průměrem. Jeden je připojen ke vstupnímu hřídeli motoru, druhý k výstupnímu hřídeli nápravy. Mezi nimi prochází kovový pás (obvykle tlačný pás sestávající z ocelových prvků a tlačných prvků, spíše než z gumové smyčky).
Změnou šířky drážek řemenice systém nutí řemen sedět výše nebo níže v kuželu.
– Nižší v kuželu = menší efektivní průměr.
– Vyšší kužel = větší efektivní průměr.
Posunutím vyvážení změníte převodový poměr. Žádné kroky. Žádné zásahy. Jen plynulé, i když někdy hlučné zvýšení otáček motoru s rostoucí rychlostí.
Tento design dominuje, protože je lehký a relativně levný na výrobu ve srovnání s alternativami. Ale má to omezení. Ocelové pásy prokluzují při vysokém točivém momentu. Proto u těžkého náklaďáku nebo vysoce výkonného sportovního vozu bez výraznějšího vyztužení jen zřídka uvidíte převodovku CVT na řemenici. Pás je slabý článek.
Anatomie jednoduchosti
Podívejte se dovnitř planetové automatické převodovky a uvidíte změť mechaniky. Převody se zařadí. Brzdy se utahují. Spojky jsou spojeny. Regulátoři řídí chaos. Jedná se o komplexní inženýrské řešení.
Nyní se podívejte na bezestupňovou převodovku (CVT). Toto je příklad minimalismu.
Většina převodovek CVT se při provozu spoléhá pouze na tři hlavní součásti. Takto dosahuje Continuously Variable Transmission (CVT) svého jedinečného rozsahu převodů:
- Vysoce pevný pás vyrobený z kovu nebo pryže
- Hnací řemenice s proměnným průměrem
- „Hnaná“ řemenice na výstupu
Součástí systému jsou také mikroprocesory a senzory. Elektronika ovládá spínací body. Řídí teplotu a zátěž. Jedná se však o pomocný personál. Tři uvedené prvky jsou hlavními hráči. Jsou to klíčové prvky, které zajišťují funkčnost technologie.
Jak se vlastně řemen CVT pohybuje
Řemenice s proměnným průměrem jsou mechanickým srdcem Continuously Variable Transmission (CVT). Každá sestava se skládá ze dvou kuželů, nakloněných pod úhlem 20 stupňů, proti sobě, přičemž mezi nimi zůstává mezera. Pás do této mezery zapadá. Pokud je řemen vyroben z gumy, téměř vždy se jedná o klínový řemen. Znáš toho chlapa. Jeho průřez je ve tvaru V. Tento tvar zvyšuje třecí sílu. Není to jen pro krásu.
Když se kužely od sebe oddálí, účinný průměr kladky se zvětší. Pás se ponoří hlouběji do drážky. Poloměr smyčky se zmenšuje. Jedná se o jednoduchý geometrický posun. Jak se kužely přibližují k sobě, průměr se zmenšuje. Pás stoupá podél kuželů výše. Poloměr smyčky se zvětšuje. Právě tato neustálá změna dělá převodovku jedinečnou.
Jak systém funguje? Není to magie. To je fyzika. Hydraulický tlak, odstředivá síla nebo napětí pružiny poskytují potřebnou sílu pro nastavení polovin řemenice. Ten či onen mechanismus tlačí kužely. Pás je následuje. Mění se převodový poměr. Hladce. Žádné kroky.
Dovnitř a ven: Tanec kladek
Nemůžete spustit CVT s použitím pouze jedné kladky. Musí být spárované.
První jednotkou je pohonná kladka. Někdo tomu říká vstupní kladka. Je přímo spojen s klikovým hřídelem motoru. Toto je také vstupní kladka. Zde se energie z motoru dostává do převodového systému. Motor se točí. Kladka se otáčí.
Druhou jednotkou je hnaná kladka. První kladka jej uvádí do pohybu. Toto je výstupní kladka. Odtud je energie přenášena na hnací hřídel. Síla se přenáší dopředu. Celá sestava spoléhá na tento nepřetržitý cyklus. Jedna strana táhne. Následuje další. Pás se nikdy nepřestane pohybovat.
“Řemen klesá hlouběji do drážky, když se kužely oddalují, čímž se zmenšuje poloměr smyčky.”
To není obtížná hádanka. Jedná se o přímý přenos síly. Energii dodává motor. Vstupní kladka to uchopí. Pás přenáší tuto energii přes mezeru. Výstupní kladka jej dodává na kola.
Nejsou zde žádná ozubená kola, která při zařazování cvakají. Nedochází k žádným náhlým změnám rychlosti. Pouze plynulé nastavení. Úhly kuželů zůstávají nezměněny. Poloha pásu se mění. Převodový poměr je přizpůsoben. To se děje pořád. I když na to nemyslíš.
Pás zůstává napnutý. Šišky se lisují. Poloměr je nastavitelný. Auto jede.
Jak mechanické CVT systémy skutečně fungují
Roztáhněte jednu kladku a zužte druhou. Pás zůstává napnutý. Tento pohyb vytváří nekonečný počet převodových poměrů. Žádná kliknutí. Žádné kroky. Pouze nepřetržitý rozsah od nízkých po vysoké převodové stupně.
Zamyslete se nad poloměrem svého kroku. Pokud je hnací řemenice malá a hnaná řemenice velká, pak se hnaná řemenice otáčí pomaleji. Dostanete nízký rychlostní stupeň. Vyměňte si místa. Velká hnací řemenice. Malý křídelník. Hnaná řemenice se otáčí rychleji. Vysoký převod.
CVT může dosáhnout jakéhokoli převodového poměru při jakékoli rychlosti. Otáčky motoru? Na nich nezáleží. Rychlost vozidla? Na tom nezáleží. Jednoduše najde správný převodový poměr.
Kromě osobních automobilů
Tato nenáročná jednoduchost není jen pro sedany. Používají je elektrické nářadí. Na nich závisí vrtačky. Traktory. Sněžné skútry. Motocykly. Všude tam, kde je vyžadován proměnný točivý moment bez změny převodových stupňů.
Má to ale jednu nevýhodu. Tyto převody často používají gumové řemeny s vysokou hustotou. Klouzají. Protahují se. V průběhu času opotřebení snižuje účinnost. Je to kompromis mezi hladkostí a odolností.
Tradiční řemenem poháněné CVT měly svá omezení. Gumové pásy klouzaly. Rychle se opotřebovaly. Nezvládly točivý moment moderních výkonných motorů. Průmysl potřeboval něco odolnějšího.
Na scénu přicházejí kovové pásy. Nejsou to stejné pásy ve tvaru V, jaké měl tvůj otec. Hovoříme o tenkých páscích z vysokopevnostní oceli. Obvykle jich je devět nebo dvanáct. Drží kovové prvky pohromadě ve tvaru motýlka.
jaký je výsledek? Žádný skluz. Vysoká odolnost.
Tyto kovové pásy přenášejí točivý moment s mnohem menšími ztrátami. Jsou také tišší. Při prudké akceleraci přestanete slyšet pískání gumy. CVT prostě… funguje.
Toroidní CVT
Ale i kovové pásy mají své limity. Na scénu se dostávají toroidní převodovky CVT.
Jedná se o zcela jiný design. Žádné kladky. Žádné pásy. Místo toho se používají kotouče a hnací válce.
Představte si to takto: systém s řemenem a kladkami, ale postavený na rovných plochách a valivých koulích. Matematika je stejná. Výsledek je stejný. Variabilní převodový poměr. Hladký přenos síly.
Zde je anatomie dráhy přenosu točivého momentu:
- Vstupní disk : přímo připojen ke klikovému hřídeli motoru. Slouží jako hnací řemenice.
- Výstupní disk : připojený k hnací hřídeli. Působí jako hnaná kladka.
- Posilovací válečky : umístěné mezi dvěma disky. Přenášejí sílu. Posunem polohy mění efektivní poloměr.
Toto provedení snese vyšší zatížení. Je kompaktnější. A zcela odstraňuje problém natahování pásu.
“Toroidní systém nahrazuje flexibilitu tuhým kývavým kontaktem.”
Proč je to důležité?
Protože limit točivého momentu je škálovatelné. U pásů jste omezeni třením a pevností v tahu. U toroidních systémů jste omezeni tvrdostí materiálu a mazáním. To je mnohem vyšší strop.
Mercedes tuto technologii použil v CVT pro třídu C 90. let. Selhala. Především kvůli náročnosti výroby. Ale koncept byl správný.
Dnes, jak věda o materiálech postupuje, zažívají toroidní převodovky CVT tichou renesanci. Ne v ekonomických autech. U vysoce výkonných hybridů. Kde se účinnost setkává s hustotou točivého momentu.
Přechod z pásu na kotouč není jen postupným zlepšením. Jedná se o strukturální změnu.
A pokud se ptáte, která automobilka na tohle hodně sází… no, zatím toho moc nenamluví. Ahoj.
Ale inženýrská logika je nepopiratelná. Žádný skluz. Žádný úsek. Pouze valivé tření.
Je to čistší. Je to silnější. Toto je další logický krok po kovových pásech.
Nahradí to posuvný řemen CVT?
V sériově vyráběných sedanech asi ne. Příliš drahé na výrobu. Ale v aplikacích, kde je důležitý prostor a točivý moment? Už vyhrává.
Mechanika hladké změny převodových poměrů
Kola se jen tak netočí. Otáčejí se kolem vodorovné osy, zatímco se naklánějí dovnitř nebo ven kolem svislé osy. Právě tento duální pohyb umožňuje kolům kontakt s různými oblastmi hnacího a hnaného kotouče. Geometrie určuje převodový poměr.
Když se kola dotýkají hnacího disku blíže středu, měla by se dotýkat hnaného disku blíže jeho ráfku. Tato konfigurace vytváří snížení rychlosti a prudký nárůst točivého momentu. Můžete to přirovnat k nízkému převodovému stupni.
Změňte sklon. Nyní jsou kola v kontaktu s hnacím diskem blíže k jeho ráfku. Přicházejí do kontaktu s poháněným diskem blíže jeho středu. Rychlost se zvyšuje. Točivý moment klesá. Toto je režim overdrive (overdrive).
Vše změní jednoduchý náklon. Převodový poměr se mění v krocích. Výsledkem je plynulá, téměř okamžitá změna převodových poměrů. Žádné škubání. Bez přerušení.
Hydrostatické plynule měnitelné převodovky
Plynulé převodovky založené na tření, jako jsou řemenice a klínové řemeny nebo toroidní systémy, fungují na základě změny poloměru kontaktu mezi dvěma předměty. Existuje ale i jiný typ – hydrostatická plynule měnitelná převodovka (CVT).
Tento systém se nespoléhá pouze na tření. Používá čerpadla s proměnným objemem k řízení průtoku kapaliny do hydrostatických motorů. Fyzika procesu je jiná. Výsledek je však podobný.
Rotační pohyb od motoru pohání hydrostatické čerpadlo na vstupním hřídeli. Čerpadlo převádí rotaci na proudění tekutiny. Hydrostatický motor na výstupním hřídeli pak tuto energii tekutiny odebírá a převádí ji zpět na rotační pohyb.
Je to uzavřená smyčka tlaku a průtoku. Žádné pásy. Žádné šišky. Pouze kapalina se pohybuje pod tlakem.
„Tímto způsobem, jednoduchá změna úhlu kol mění převodový poměr v krocích, což poskytuje hladké, téměř okamžité změny převodových poměrů.“
Tato metoda zvládá zatížení vysokým točivým momentem lépe než mnoho konstrukcí založených na tření. Poskytuje také nekonečnou plynulost regulace. Motor může zůstat v zóně maximálního výkonu, když vozidlo zrychluje nebo stoupá do kopce.
Výzva spočívá v těsnění a řízení tlaku. Princip je ale jednoduchý: kapalina vstupuje a výstupem je rotace. Pumpa ovládá hlasitost. Motor řídí rychlost.
Některé moderní stroje používají tento design. Traktory. Stroje na odklízení sněhu. Těžká průmyslová zařízení. To u osobních aut není běžné, ale technologie existuje. Dokazuje, že ne každá převodovka potřebuje ozubená kola nebo řemeny.
Můžete cítit rozdíl v hladkosti. Nebo nemůžete. Protože to vypadá, jako by tam nebyl vůbec žádný přenos. Pouze síla.
Přenos výkonu není vždy spojen s řazením. Někdy to zahrnuje úsilí o míchání.
Hydrostatická převodovka zřídka funguje sama o sobě. Inženýři jej kombinují s sadami planetových převodů a spojkami. Výsledkem je hybridní design. Říkáme tomu hydromechanická převodovka. Přenáší výkon z motoru na kola třemi různými způsoby.
Při nízkých rychlostech? Převodovka pracuje v hydraulickém režimu. Při vysokých rychlostech? Přejde do mechanického režimu. Ve středních rychlostech? Používá oba režimy.
Tato složitost není zbytečná. To je důvod, proč lze takové systémy vidět u těžkých pracovních strojů. Zemědělské traktory na ně spoléhají. Terénní vozy jsou na nich závislé. Vydrží zatížení, které standardní převody nezvládnou.
Argumenty pro plynule měnitelné převodovky (CVT)
Variabilní převodovky (CVT) se prosazují z dobrých důvodů. Řidičům se jejich chování líbí. Ekologové oceňují jejich účinnost.
To je dělá takovými.
Jak fungují
- Zrychlení probíhá plynule a plynule. Necítíte žádné škubání.
- Motor zůstává v optimální výkonové zóně. Nezáleží na tom, zda se plazíte nebo jedete konstantní rychlostí.
- Rychleji reagují na akce pomocí plynového pedálu.
- Výkonové ztráty jsou menší ve srovnání s konvenčním automatickým strojem.
- Řidiči získají přesnou kontrolu nad rozsahem otáček zážehového motoru.
- Mohou pracovat s automatizovanými mechanickými spojkami.
Proč jsou důležité
- Při přepínání nedochází k žádnému „nárazu“. Jízda je plynulá.
- Vylepšená palivová účinnost.
- Přestanete „lovit“ propustky. To je patrné zejména při zpomalování ve stoupání.
- Akcelerace je silnější.
- Emise znečišťujících látek se snadněji kontrolují.
- Často nahrazují neúčinné měniče momentu.
Řízení s CVT
Převodovky CVT jsou v Evropě standardem již řadu let. Ve Spojených státech trvalo, než se tato technologie uchytila.
Trpělivost se vyplatila. Prvním sériovým vozem, který v USA nabídl CVT, bylo Subaru Justy.
Subaru Justy, prodávané v letech 1989 až 1993, nikdy nezachytilo americkou představivost. Byl tichý. Zapomenutelné. Ale zeptejte se sami sebe, co se změnilo, když usednete za volant Saturn Vue, Audi A4 nebo A6, Nissan Murano nebo dokonce Honda Insight. Odpověď neleží v reklamních brožurách. Jde o to, jak se auto chová.
Šlápněte na plynový pedál v moderním autě s plynule měnitelným převodem (CVT) a rozdíl je okamžitý. Motor rychle zrychluje na špičkový výkon a tam ho drží. Auto se dopředu nehrne. Čeká. A pak prudce zrychluje. Zrychlení je plynulé. Stabilní. Žádné přepínání. Pouze pohyb vpřed.
Teorie říká, že Continuously Variable Transmission (CVT) by měla zrychlit na 60 mph o 25 procent rychleji než identické auto s manuální převodovkou. Proč? Protože CVT mapuje celý provozní rozsah motoru na svůj vlastní. Každý bod ve výkonovém rozsahu má svůj vlastní převodový poměr. Žádné neúspěchy. Žádná ztráta energie.
Podívejte se na výkonovou křivku tradičního automatu. Vidíte ostré skoky. Ručička otáčkoměru poskočí nahoru a dolů s každým řazením. Cítíš ty trháky. Jsou to okamžiky ztracené dynamiky. CVT se tomuto úskalí zcela vyhýbá.
Nepletou si je ani diapozitivy. Neexistuje žádný „lov výstroje“. Převodovka se neustále nastavuje, aby našla přesný poměr potřebný pro daný stupeň. Typický stroj skáče tam a zpět a snaží se najít optimální režim, přičemž v procesu ztrácí efektivitu.
Tyto systémy však nejsou bez nevýhod. V USA stále bojují s duchem minulosti. Subaru Justy jim zničilo reputaci. Bylo považováno za bezcharakterní mikroauto. Dřívější konstrukce poháněné řemenem nezvládly točivý moment dobře. Byly objemné. Těžký. Nižší než tradiční manuální a automatické převodovky.
Technologie změnila bojiště. CVT Nissanu Murano nemá problémy s ovládáním 3,5litrového motoru V6, který produkuje 245 koní. Technologie existuje. Výkon je skutečný. Ale první dojem drží jako špína.
Může být vnímání „slabé“ převodovky někdy zcela vymýceno, když jsou moderní verze schopny překonat své manuální protějšky? Čísla říkají ano. Trh se tomu stále snaží věřit.
“Další informace o CVT a souvisejících tématech najdete na níže uvedených odkazech.”
