Вариаторная трансмиссия. Количество передач – бесконечность

Условно коробки передач можно разделить на два вида – те, с которыми нужный режим передачи тяги приходится выбирать вручную, и те, которые делают это самостоятельно. В последних задача водителя – указывать технике, заблокировать ли трансмиссию, двигаться вперед, назад, или перейти на «нейтраль» – то есть просто выбирать режимы P, R, N, D и другие. Для управления режимами привычной многим АКПП служит всего один рычаг (иногда – дополнительные клавиши). Но ведь и в машине с «вариатором» тот же самый рычаг! При этом не стоит думать, что эти совершенно разные коробки передач устроены сходным образом!

Принцип действия главного узла, который используется сейчас в CVT – Continuously variable transmission (постоянно изменяющейся трансмиссии), которую мы привыкли называть «вариатором», был описан… в 1490 году (!) знаменитым Леонардо да Винчи. А вот первые автомобили, в которых этот узел успешно применили, появился почти через 500 лет после этого – под известной сейчас «грузовой» маркой DAF когда-то производились и легковушки, и именно на одной из таких голландских моделей в 1958 году впервые в мире стал серийно применяться «вариатор». Со временем не только европейцы, но и японцы стали интересоваться этим оригинальным типом коробки передач, и когда в 1990 году в США в продаже появилась первая машина с CVT, ей стала именно японская Subaru Justy GL. Со временем CVT избавились от своих «детских болезней», и вот теперь очень часто автомобили с «вариаторами» вытесняют с первых мест в рейтингах продаж своих «автоматных» собратьев.

Задача любой коробки передач состоит в поддержании оборотов двигателя в том диапазоне, в котором езда окажется наиболее динамичной и экономичной, и, если «механика» и «автомат» постоянно переключают передачи, не давая двигателю выйти за пределы этой самой «зеленой» зоны, то «вариатор» позволяет вообще обходиться без передач. Поэтому нет рывков и толчков – переключений-то тоже нет! Это происходит благодаря постоянно изменяющимся при работе узлам. В зависимости от конструкции CVT может быть клиноременной, гидростатической или тороидной. Наиболее распространен первый тип. Основной узел клиноременного «вариатора» – два шкива и ремень, передающий вращение с ведущего шкива на ведомый. Расстояние между частями этих шкивов изменяется с помощью центробежной силы, гидравлического давления или натяжения пружин (назовем условно то, что заставляет расстояние между деталями изменяться, муфтой) в зависимости от условий движения. Если посмотреть на поперечное сечение шкива, мы увидим две плоскости, угол между которыми составляет примерно 40º. Между этими плоскостями вращается ремень в форме клина – такое сечение обеспечивает наибольшее трение и делает проскальзывание и потерю тяги невозможными. Когда муфта максимально увеличивает расстояние между частями шкивов, ремень «опускается» к наименьшему диаметру, и вал, на который насажен шкив, вращается быстро. Если же части шкива максимально сближены, ремень «выталкивается» на самый большой диаметр, и вращение вала наиболее замедленно.

Работа вариаторной трансмиссии на низких скоростях

Теперь перейдем к терминологии, связанной и «вариаторами». Ведущий шкив также называют входным – он связан с коленчатым валом двигателя и с его помощью энергия входит в трансмиссию, а ведомый вал именуют выходным – преобразованная им энергия передается к карданному валу или к приводам. Далее, расстояние между центром шкива и местом контакта желоба и ремня называется радиусом основания делительного конуса. Когда части шкива – конусы – расходятся, ремень опускается, и радиус основания делительного конуса уменьшается. Когда части шкива сходятся, ремень поднимается, и радиус основания делительного конуса увеличивается. Соотношение радиусов основания делительного конуса входного шкива к выходному и определяет передаточное число. Когда один шкив увеличивает радиус, другой уменьшает свой радиус, чтобы поддерживать натяжение ремня. Для поддержания оборотов двигателя в «зеленой» зоне параметры CVT могут оказаться абсолютно любыми – поэтому про «вариатор» и можно сказать, что число передач в нем равно бесконечности.

Работа вариаторной трансмиссии на высоких скоростях

Долгое время трансмиссии CVT не пользовались большой популярностью в связи с недолговечностью ремней – ведь даже самый прочный резиновый ремень в таком режиме долго не выдержит. Но в последнее время была найдена альтернатива – ремни металлические. В них тонкие пластины из высокопрочного металла скреплены рядами стальных лент, число которых обычно равно 9 или 12. Кроме увеличившейся в сравнении с резиной прочности, металлические ремни работают гораздо тише.

Менее популярным, чем клиноременный, является тороидный «вариатор». Принцип его действия точно такой же, как и в уже рассмотренной конструкции, но аналогом ремня являются ролики или колеса, которые могут перемещаться относительно двух дисков, находящихся на одной линии и являющихся аналогами шкивов. Перпендикулярно дискам вращаются ролики, но для плавного изменения передаточного отношения ролики могут параллельно проворачиваться вокруг своих осей. Иначе говоря, простой поворот роликов позволяет изменить передаточное число: если ролики касаются ведущего диска в наиболее узкой области (возле его центра), то с ведомым диском они соприкоснутся в самой широкой его части и передадут максимальный крутящий момент при минимальной скорости.

Наконец, рассмотрим «вариатор», принцип действия которого отличен от двух предыдущих. Главными элементами гидростатической CVT являются ведущий и ведомый гидростатический насосы, соединенные шлангами или трубками. Ведущий насос преобразует энергию вращения двигателя, получаемую от коленвала, в поток жидкости. Эта жидкость поступает во второй насос, который преобразует полученную энергию потока жидкости обратно во вращательное движение, но в уже совсем другое.

Итак, мы познакомились с тремя популярными конструкциями постоянно изменяющихся трансмиссий. Чтобы оценить преимущества «вариаторов», представим себе следующую картину: поставим рядом два одинаковых автомобиля, один из которых оснащен трансмиссией CVT, а второй – «автоматом», и устроим гонки по прямой, своеобразный драг-рейсинг. Старт с места машины проходят одновременно, но при этом обороты двигателя той, на которой установлен «вариатор», остаются на одной и той же отметке, а у второй они постоянно увеличиваются. В момент, когда АКПП переключает передачу, оснащенный им автомобиль оказывается на втором месте. Таким образом, мы получаем не только экономию топлива, но и прибавку в динамике. Если наша «гонка» продолжится на подъеме, заметим, что «автоматная» машина резко теряет в скорости в начале подъема – трансмиссия просто не успевает адаптироваться для получения наибольшего крутящего момента. И другой важный плюс «вариаторов» – лучшие экологические показатели. Наконец, ответим на вопрос любителей иногда переключать передачи вручную: если число передач – бесконечность, значит, возможности переключать их нет? Как и многие АКПП, некоторые трансмиссии CVT имеют фиксированные значения передаточных отношений и позволяют почувствовать себя гонщиком.

Кстати, в последнее время появились даже восьмиступенчатые «автоматы» – несмотря на дороговизну таких изделий, их создание целесообразно, ведь конструкторы таким образом стараются приблизить характеристики механизмов именно к «вариаторам». Но, наверное, динамические характеристики АКПП никогда не смогут быть сопоставимыми с таковыми постоянно изменяющихся трансмиссий. Зато «автоматы» более распространены. Пока что…