Миф о том, что старую собаке нельзя научить новым трюкам, не соответствует действительности. Вариатор (CVT) доказывает это. Леонардо да Винчи зарисовал концепцию более пятисот лет назад. Сегодня эта древняя идея вытесняет планетарные автоматические коробки передач во многих автомобилях. General Motors, Audi, Honda и Nissan строят свои трансмиссии вокруг этой технологии. Первый патент на торoidalный вариатор был зарегистрирован в 1886 году. С тех пор инженеры постоянно совершенствовали его.
Нам нужно разобраться, как работает эта система в схеме с приводом на задние колеса. Также нам нужно ответить на несколько насущных вопросов. Чем она отличается от стандартной автоматической коробки? Каковы её конкретные преимущества и недостатки? Меняет ли она ощущения от вождения? Какие модели автомобилей её используют? Применяется ли она в других сферах?
Основы трансмиссии
Традиционная автоматическая коробка передач использует фиксированный набор шестерён. Двигатель соединён с колёсами через ряд планетарных редукторов. Компьютер переключает эти шестерни. Обороты двигателя скачут. Водитель ощущает каждое переключение. Вариатор не имеет фиксированных шестерён. Он использует систему шкивов. Два конуса направлены друг к другу. Между ними проходит ремень или цепь. Система изменяет эффективный диаметр конусов. Это меняет передаточное число. Изменение происходит плавно. Нет ступеней. Двигатель может оставаться на наиболее эффективной скорости. Это и есть ключевое отличие. Это не магия. Это простая механика.
Почему CVT ощущаются иначе
Вы уже знакомы с основными принципами работы стандартного автоматического коробка передач. Он переключает передаточные числа между двигателем и колесами. Без него вам пришлось бы довольствоваться одной передачей. Представьте автомобиль с первой передачей. Он резко трогается с места, но на скорости 30 миль в час упирается в предел возможностей. Или представьте автомобиль только с третьей передачей. Он отлично разгоняется на шоссе, но не может даже выехать с подъездной дорожки. Коробка передач заполняет этот пробел. Она использует низкие передачи для крутящего момента и высокие — для скорости.
Традиционные автоматы используют физические шестерни. Планетарные ряды создают четыре или пять передаточных чисел. Вы чувствуете переключение. Рывок. Изменение тона работы двигателя. Это механически. Это осязаемо.
Затем есть бесступенчатая трансмиссия (CVT). Она нарушает правила.
Объяснение системы шкивов
В CVT нет шестерен. Ни одной. Нет зубчатых колес. Нет фиксированных передаточных чисел.
Вместо этого она опирается на систему шкивов. Два шкива, соединенные ремнем или цепью. Один шкив прикреплен к двигателю. Другой — к выходному валу трансмиссии.
Каждый шкив состоит из двух конических половин, которые могут сближаться или разъезжаться. Это изменяет эффективный диаметр шкива.
- Сближение половин: ремень поднимается выше. Диаметр увеличивается.
- Разъезд половин: ремень опускается ниже. Диаметр уменьшается.
Регулируя эти диаметры, трансмиссия изменяет передаточное число. Мгновенно. Плавно. Без ступеней.
Таким образом, CVT обеспечивает бесконечную вариативность. Никаких дискретных переключений. Никаких рывков. Только линейный рост оборотов двигателя.
Как это влияет на вождение
Традиционные трансмиссии прыгают. Со второй на третью, затем на четвертую. Обороты двигателя падают. Автомобиль слегка дергается.
Трансмиссия CVT удерживает двигатель на оборотах максимальной мощности. Она держит стабильный режим. Автомобиль разгоняется равномерно. Двигатель воет. Скорость растет.
Именно поэтому автомобили с CVT ощущаются так, будто они буксуют. Обороты двигателя высокие, но скорость увеличивается плавно. Нет удара при переключении. Нет разрыва в передаче мощности.
Лучше ли это? Зависит от того, чего вы хотите.
- Традиционный автомат : Вовлеченность. Ощущения. Переключения.
- CVT : Эффективность. Плавность. Линейное ускорение.
Для городской езды CVT часто обеспечивает более плавное вождение. Меньше остановок и стартов. Меньше переключений.
Для движения по шоссе это может казаться неестественным. Двигатель остается громким. Автомобиль не «оседает» на определенную передачу.
Механика, стоящая за плавностью
Ремень или цепь в CVT должны выдерживать высокий крутящий момент. Они находятся под постоянным натяжением. Шкивы должны регулироваться точно. Гидравлическое давление перемещает конусы. Датчики контролируют скорость. Блок управления изменяет передаточное число в реальном времени.
Эта система устраняет необходимость в сложном планетарном ряду. Меньше движущихся частей. Меньший вес. Часто лучшая топливная экономичность.
Но есть и компромисс. Ремень может проскальзывать. Если конструкция выполнена плохо, он быстро изнашивается. Эффект «резиновой резинки» реален. Обороты двигателя растут, прежде чем автомобиль успевает подхватить скорость.
Когда стоит выбрать CVT
Если вы приоритизируете топливную эффективность и плавную езду в городе, CVT является сильным вариантом. Современные CVT надежны. Они хорошо справляются с крутящим моментом. Они эффективны.
Игра с названиями: почему мы всё ещё говорим «передачи»
Звучит противоречиво, не так ли? Вы смотрите на коробку передач, которая явно отказывается от традиционных зубчатых передач, но руководство продолжает указывать на необходимость переключаться в «режим передачи». Слово сохраняется, потому что функционально передача — это всего лишь передаточное число. Конкретнее, это соотношение между скоростью вращения коленчатого вала двигателя и скоростью вращения карданного вала. Вариатор (CVT) не имеет фиксированных ступеней. Он плавно изменяет передаточное число в бесконечном диапазоне. Но людям нужны точки опоры. Нам нужно концептуализировать нижний диапазон для крутящего момента и верхний для движения на крейсерской скорости. Поэтому мы называем эти крайние значения «низшей передачей» и «высшей передачей». Это неточная терминология, безусловно. Но она прижилась.
Краткая история бесступенчатой мощности
Эта идея родилась не в современной лаборатории. Она стара. Старее самого двигателя внутреннего сгорания.
- 1490 : Леонардо да Винчи набрасывает концепцию бесступенчатой трансмиссии. Он рисует на пергаменте; технологии того времени ещё не позволяют реализовать эту идею.
- 1886 : Кто-то подает заявку на патент для тороидального вариатора.
- 1935 : Адель Додж получает патент США на свою тороидальную конструкцию.
- 1939 : General Motors представляет Hydra-Matic. Это полностью автоматическая коробка передач, но она опирается на планетарные механизмы. Индустрия резко смещается в сторону усложнения конструкций.
- 1958 : Компания Daf (Dutch Automotive Factory) устанавливает ременной вариатор в серийный автомобиль. Он компактный, эффективный, но остается практически незамеченным американскими любителями мощных автомобилей.
- 1989 : Subaru выпускает Justy GL на рынок США. Это первый автомобиль, произведенный или проданный в Америке, предлагающий вариатор. Без шума и пафоса. Просто небольшой хэтчбек с необычными характеристиками.
- 2002 : Saturn представляет Vue. Первый автомобиль Saturn, предлагающий вариатор. Это эксперимент середины 2000-х годов в области эффективности.
- 2004 : Ford начинает устанавливать вариаторы в такие модели, как Focus и Escape. Волна начинает набирать силу.
Вариаторы на основе шкивов: доминирующий дизайн
Когда люди думают о вариаторе, они почти всегда имеют в виду систему на основе шкивов. Это самая распространенная конфигурация в современных легковых автомобилях. Почему? Потому что она работает. В основном.
Механизм элегантно прост. У вас есть два шкива с изменяемым диаметром. Один подключен к входному валу двигателя, другой — к выходному валу оси. Металлический ремень (обычно это ремень толкающего типа, состоящий из стальных элементов и толкающих элементов, а не резиновая петля) проходит между ними.
Изменяя ширину канавок шкивов, система заставляет ремень располагаться выше или ниже в конусе.
— Ниже в конусе = меньший эффективный диаметр.
— Выше в конусе = больший эффективный диаметр.
Сдвигая баланс, вы изменяете передаточное число. Никаких ступеней. Никаких ударов. Просто плавное, хотя иногда и шумное, повышение оборотов двигателя по мере увеличения скорости.
Этот дизайн доминирует, потому что он легкий и относительно дешев в производстве по сравнению с альтернативами. Но у него есть ограничения. Стальные ремни проскальзывают при высоком крутящем моменте. Именно поэтому вы редко увидите вариатор на основе шкивов в тяжелом грузовике или высокопроизводительном спортивном автомобиле без существенного усиления. Ремень является слабым звеном.
Анатомия простоты
Загляните внутрь планетарного автоматического трансмиссионного механизма, и вы увидите механический клубок. Шестерни входят в зацепление. Тормоза сжимаются. Фрикционы подключаются. Регуляторы управляют хаосом. Это сложное инженерное решение.
Теперь посмотрите на бесступенчатую трансмиссию (CVT). Это пример минимализма.
Большинство CVT для своей работы опираются всего на три основных компонента. Именно так бесступенчатая трансмиссия (CVT) обеспечивает свой уникальный диапазон передаточных чисел:
- Высокопрочный ремень из металла или резины
- Изменяемый по диаметру «ведущий» шкив
- «Ведомый» шкив на выходе
В системе также участвуют микропроцессоры и датчики. Электроника управляет моментами переключения. Она контролирует температуру и нагрузку. Однако это вспомогательный персонал. Три перечисленных элемента являются главными действующими лицами. Именно они составляют ключевые элементы, обеспечивающие работоспособность технологии.
Как на самом деле движется ремень вариатора
Вариативные шкивы с изменяемым диаметром являются механическим сердцем бесступенчатой трансмиссии (CVT). Каждый узел состоит из двух конусов, наклоненных под углом 20 градусов, которые смотрят друг на друга, оставляя между собой зазор. В этот зазор помещается ремень. Если ремень изготовлен из резины, то почти всегда это клиновой ремень (V-belt). Вы знаете этот тип. Его поперечное сечение имеет V-образную форму. Такая форма увеличивает силу трения. Это не просто для красоты.
Когда конусы разводятся в стороны, эффективный диаметр шкива увеличивается. Ремень погружается глубже в паз. Радиус петли уменьшается. Это простое геометрическое смещение. Когда конусы сближаются, диаметр уменьшается. Ремень поднимается выше по конусам. Радиус петли увеличивается. Именно это постоянное изменение делает трансмиссию уникальной.
Как работает система? Это не магия. Это физика. Гидравлическое давление, центробежная сила или натяжение пружины создают необходимую силу для регулировки половинок шкива. Тот или иной механизм толкает конусы. Ремень следует за ними. Передаточное отношение изменяется. Плавно. Без ступеней.
Вход и выход: танец шкивов
Нельзя запустить CVT с использованием только одного шкива. Они должны быть парными.
Первый узел — это ведущий шкив. Некоторые называют его входным шкивом. Он напрямую соединен с коленчатым валом двигателя. Это также входной шкив. Именно сюда энергия от двигателя поступает в систему трансмиссии. Двигатель вращается. Шкив вращается.
Второй узел — это ведомый шкив. Первый шкив приводит его в движение. Это выходной шкив. Оттуда энергия передается на карданный вал. Мощность передается вперед. Вся сборка полагается на этот непрерывный цикл. Одна сторона тянет. Другая следует. Ремень никогда не перестает двигаться.
«Ремень погружается глубже в паз по мере разведения конусов, уменьшая радиус петли.»
Это не сложная головоломка. Это прямая передача усилия. Двигатель обеспечивает энергию. Входной шкив захватывает ее. Ремень переносит эту энергию через зазор. Выходной шкив доставляет ее к колесам.
Нет зубчатых передач, которые щелкают, вступая в зацепление. Нет резких перепадов оборотов. Только непрерывная регулировка. Углы конусов остаются неизменными. Меняется положение ремня. Передаточное отношение адаптируется. Это происходит постоянно. Даже когда вы об этом не думаете.
Ремень остается натянутым. Конусы давят. Радиус регулируется. Автомобиль движется.
Как на самом деле работают механические системы CVT
Раздвиньте один шкив, а другой сузьте. Ремень остается натянутым. Это движение создает бесконечное количество передаточных чисел. Нет щелчков. Нет ступеней. Только непрерывный диапазон от низких к высоким передачам.
Подумайте о радиусе шага. Если ведущий шкив мал, а ведомый — велик, то ведомый шкив вращается медленнее. Вы получаете низкую передачу. Поменяйте местами. Большой ведущий шкив. Малый ведомый. Ведомый шкив вращается быстрее. Высокая передача.
CVT может достичь любого передаточного числа на любой скорости. Обороты двигателя? Не имеют значения. Скорость автомобиля? Неважно. Он просто находит нужное передаточное число.
За пределами легковых автомобилей
Эта простота без ступеней предназначена не только для седанов. Электроинструменты используют их. Сверлильные станки зависят от них. Тракторы. Снегоходы. Мотоциклы. Повсюду, где требуется переменный крутящий момент без переключения передач.
Но есть один недостаток. Эти трансмиссии часто используют высокоплотные резиновые ремни. Они проскальзывают. Они растягиваются. Со временем износ снижает эффективность. Это компромисс между плавностью и долговечностью.
Традиционные ремневые CVT имели свои ограничения. Резиновые ремни проскальзывали. Они быстро изнашивались. Они не могли выдерживать крутящий момент современных производительных двигателей. Индустрии требовалось что-то более прочное.
На сцену выходят металлические ремни. Это уже не те V-образные ремни, что были у вашего отца. Речь идет о тонких полосах высокопрочной стали. Обычно их девять или двенадцать. Они удерживают вместе металлические элементы в форме галстука-бабочки.
Каков результат? Отсутствие проскальзывания. Высокая долговечность.
Эти металлические ремни передают крутящий момент с гораздо меньшими потерями. Они также работают тише. Вы перестаете слышать резиновый визг при резком ускорении. CVT просто… работает.
Тороидальные CVT
Но даже у металлических ремней есть предел. На сцену выходят тороидальные CVT.
Это совершенно иная конструкция. Без шкивов. Без ремней. Вместо этого используются диски и силовые ролики.
Представьте себе это так: система с ремнем и шкивами, но построенная на плоских поверхностях и катящихся сферах. Математика та же. Результат тот же. Изменяемое передаточное число. Плавная передача мощности.
Вот анатомия пути передачи крутящего момента:
- Входной диск : напрямую соединен с коленчатым валом двигателя. Выступает в роли ведущего шкива.
- Выходной диск : соединен с приводным валом. Выступает в роли ведомого шкива.
- Силовые ролики : находятся между двумя дисками. Они передают усилие. Они изменяют эффективный радиус за счет смещения положения.
Такая конструкция выдерживает более высокие нагрузки. Она более компактна. И полностью устраняет проблему растяжения ремня.
«Тороидальная система заменяет гибкость жестким качающимся контактом.»
Почему это важно?
Потому что предел крутящего момента масштабируется. С ремнями вы ограничены трением и пределом прочности на разрыв. С тороидальными системами вы ограничены твердостью материала и смазкой. Это гораздо более высокий потолок.
Mercedes использовал эту технологию в CVT для C-класса 1990-х годов. Она потерпела неудачу. В основном из-за сложности производства. Но концепция была верной.
Сегодня, по мере развития науки о материалах, тороидальные CVT переживают тихое возрождение. Не в экономичных автомобилях. В высокопроизводительных гибридах. Там, где эффективность сочетается с плотностью крутящего момента.
Переход от ремня к диску — это не просто постепенное улучшение. Это структурное изменение.
И если вы задаетесь вопросом, какой автопроизводитель делает на этом большую ставку… ну, они пока мало что говорят. Пока.
Но инженерная логика неоспорима. Нет проскальзывания. Нет растяжения. Только трение качения.
Это чище. Это прочнее. Это логический следующий шаг после металлических ремней.
Заменит ли она CVT с толкающим ремнем?
Вероятно, нет в массовых седанах. Слишком дорого производить. Но в приложениях, где важны пространство и крутящий момент? Она уже побеждает.
Механика плавного изменения передаточных чисел
Колёса не просто вращаются. Они поворачиваются вокруг горизонтальной оси, одновременно наклоняясь внутрь или наружу вокруг вертикальной. Именно это двойное движение позволяет колёсам касаться различных участков ведущего и ведомого дисков. Геометрия определяет передаточное число.
Когда колёса касаются ведущего диска ближе к центру, они должны соприкасаться с ведомым диском ближе к его ободу. Такая конфигурация создаёт снижение скорости и резкий рост крутящего момента. Можно сравнить это с низкой передачей.
Измените наклон. Теперь колёса контактируют с ведущим диском ближе к его ободу. Они соприкасаются с ведомым диском ближе к его центру. Скорость возрастает. Крутящий момент падает. Это режим овердрайва (повышенной передачи).
Простой наклон меняет всё. Передаточное число изменяется ступенчато. Результатом становится плавное, почти мгновенное изменение передаточных чисел. Без рывков. Без прерываний.
Гидростатические бесступенчатые трансмиссии
Трение-основанные бесступенчатые трансмиссии, такие как системы с шкивами и V-образным ремнём или тороидальные, работают за счёт изменения радиуса контакта между двумя объектами. Но существует и другой тип — гидростатическая бесступенчатая трансмиссия (CVT).
Эта система не полагается исключительно на трение. Она использует насосы переменной производительности для управления потоком жидкости в гидростатические двигатели. Физика процесса иная. Однако результат схож.
Вращательное движение от двигателя приводит в действие гидростатический насос на входном валу. Нассос преобразует вращение в поток жидкости. Затем гидростатический двигатель на выходном валу принимает эту энергию жидкости и преобразует её обратно во вращательное движение.
Это замкнутый контур давления и потока. Без ремней. Без конусов. Только жидкость, движущаяся под давлением.
«Таким образом, простое изменение угла наклона колёс ступенчато изменяет передаточное число, обеспечивая плавные, почти мгновенные изменения передаточных чисел».
Этот метод лучше справляется с высокими нагрузками крутящего момента по сравнению со многими конструкциями, основанными на трении. Он также обеспечивает бесконечную плавность регулирования. Двигатель может оставаться в зоне максимальной мощности, пока автомобиль разгоняется или преодолевает подъём.
Сложность заключается в уплотнениях и управлении давлением. Но принцип прост: жидкость поступает внутрь — на выходе получается вращение. Насос контролирует объём. Двигатель контролирует скорость.
Некоторые современные машины используют такую конструкцию. Тракторы. Снегоуборочные машины. Тяжёлое промышленное оборудование. В легковых автомобилях это не распространено, но технология существует. Она доказывает, что не каждая трансмиссия нуждается в зубьях или ремнях.
Вы можете почувствовать разницу в плавности. Или не можете. Потому что создаётся ощущение, что трансмиссии вообще нет. Только мощность.
Передача мощности не всегда связана с переключением передач. Иногда она заключается в смешивании усилий.
Гидростатическая трансмиссия редко работает самостоятельно. Инженеры комбинируют её с планетарным рядом зубчатых колес и муфтами. В результате получается гибридная конструкция. Мы называем это гидромеханической трансмиссией. Она передает мощность от двигателя к колесам с использованием трех различных методов.
На низких скоростях? Трансмиссия работает в гидравлическом режиме. На высоких скоростях? Она переходит в механический режим. На промежуточных скоростях? Она использует оба режима.
Эта сложность не напрасна. Именно поэтому такие системы можно увидеть в тяжелых рабочих машинах. Сельскохозяйственные тракторы полагаются на них. Внедорожные транспортные средства зависят от них. Они выдерживают нагрузки, с которыми не справятся стандартные передачи.
Аргументы в пользу бесступенчатых трансмиссий (CVT)
Вариаторы (CVT) завоевывают свои позиции по веским причинам. Водителям нравится их поведение. Экологи ценят их эффективность.
Вот что делает их такими.
Как они работают
- Разгон происходит плавно и непрерывно. Вы не чувствуете рывков.
- Двигатель остается в зоне оптимальной мощности. Неважно, ползете ли вы или едете с постоянной скоростью.
- Они быстрее реагируют на действия с педалью акселератора.
- Потери мощности меньше по сравнению с обычным автоматом.
- Водители получают точный контроль над диапазоном оборотов бензинового двигателя.
- Они могут работать с автоматизированными механическими сцеплениями.
Почему они важны
- Отсутствует «удар» при переключении. Езда плавная.
- Улучшается топливная экономичность.
- Вы перестаете «охотиться» за передачами. Это особенно заметно при замедлении на подъеме.
- Разгон ощущается более мощным.
- Выбросы загрязняющих веществ легче контролировать.
- Они часто заменяют неэффективные гидротрансформаторы.
Вождение с CVT
Вариаторы (CVT) являются стандартными в Европе уже много лет. В Соединенных Штатах технологии потребовалось больше времени, чтобы прижиться.
Терпение окупилось. Первым серийным автомобилем, предлагающим CVT в США, стал Subaru Justy.
Subaru Justy, продававшийся с 1989 по 1993 год, так и не смог по-настоящему захватить воображение американцев. Он был тихим. Забываемым. Но спросите себя, что изменилось, когда вы садитесь за руль Saturn Vue, Audi A4 или A6, Nissan Murano или даже Honda Insight. Ответ кроется не в рекламных брошюрах. Он в том, как ведёт себя автомобиль.
Нажмите на педаль газа в современном автомобиле с бесступенчатой трансмиссией (CVT), и разница будет мгновенной. Двигатель стремительно набирает обороты до пика мощности и удерживает их там. Автомобиль не рвётся вперёд. Он выжидает. А затем резко ускоряется. Разгон плавный. Стабильный. Без переключений. Только движение вперёд.
Теория гласит, что бесступенчатая трансмиссия (CVT) должна разгоняться до 60 миль в час на 25 процентов быстрее, чем идентичный автомобиль с механической коробкой передач. Почему? Потому что CVT сопоставляет весь рабочий диапазон двигателя со своим собственным. Каждой точке в диапазоне мощности соответствует своё передаточное число. Без провалов. Без потерь энергии.
Посмотрите на кривую мощности традиционного автомата. Вы видите резкие скачки. Стрелка тахометра подпрыгивает вверх и вниз при каждом переключении. Вы чувствуете эти рывки. Это моменты потерянного импульса. CVT полностью избегает этой ловушки.
Горки тоже не сбивают их с толку. Нет «охоты за передачами». Трансмиссия бесступенчато находит точное передаточное число, необходимое для данного уклона. Обычный автомат прыгает туда-сюда, пытаясь найти оптимальный режим, теряя эффективность в процессе.
Но эти системы не лишены недостатков. В США они всё ещё борются с призраком прошлого. Subaru Justy испортил им репутацию. Его считали бесхарактерным микроавтомобилем. Ранние конструкции с ременным приводом плохо справлялись с крутящим моментом. Они были громоздкими. Тяжёлыми. Уступали традиционным механическим и автоматическим коробкам передач.
Технологии изменили поле битвы. CVT Nissan Murano без труда справляется с 3,5-литровым V6, выдающим 245 лошадиных сил. Технология существует. Производительность реальна. Но первое впечатление прилипает, как грязь.
Можно ли когда-либо полностью избавиться от восприятия «слабой» трансмиссии, когда современные версии способны превосходить свои ступенчатые аналоги? Цифры говорят: да. Рынок всё ещё пытается поверить в это.
«Для получения дополнительной информации о бесступенчатых трансмиссиях и смежных темах ознакомьтесь со ссылками ниже.»
