С незапамятных времен ведутся споры о том, какие типы трансмиссий и коробок передач лучше, а какие хуже. И, вероятно, этот спор останется бессмысленным. Каждый вид трансляции для одних привлекателен, а для других отталкивает потребителя. Сколько людей, сколько мнений.
На «гражданских» автомобилях применялись и применяются следующие виды и способы передачи крутящего момента на ведущие колеса:
- механические трансмиссии;
- вариаторы;
- полуавтоматические трансмиссии;
- автоматические ящики.
В этой статье мы остановимся только на одном представлении. А именно рассмотрим, что такое вариатор.
Вообще, простейшие вариаторы, например, механизмы известны еще со времен средневековья. А для автомобильной промышленности идея использования шестерен вариатора в трансмиссии не нова.
На заре 1895 года швейцарский инженер Рудольф Эгг подключил двигатель к ведущим колесам автомобиля через ременную передачу. Шкивы внутри были не сплошными, а состояли из половинок, которые можно было перемещать или выдвигать с помощью рычагов.
Это привело к уменьшению или увеличению диаметра приработки приводного ремня и, соответственно, изменения передаточного числа. Но громоздкая, ненадежная и доставляющая массу неудобств при вождении машина не выдержала конкуренции со стороны обычных, а значит и автоматических трансмиссий, и надолго была забыта.
Однако через некоторое время идея ременного привода вернулась. Голландец Хуберт ван Дорн напомнил автомобилистам о существовании альтернативных «трансформаторов крутящего момента», оснастив небольшой DAF Daffodil клиноременной передачей. Произошло это в 1958 году.
Так в основном. Клиновой ремень вариатора означает, что сечение ремня вариатора представляет собой клин. Каждый из двух шкивов, как уже упоминалось, разделен и выглядит как две пластины, нижние части которых обращены друг к другу. Что заставило движущиеся половинки шкива двигаться? Когда была нажата педаль акселератора, двигатель автомобиля набирал обороты, а разрежение во впускном коллекторе двигателя увеличивалось.
Ван Дорн воспользовался этим вакуумом: по мере увеличения оборотов двигателя половинки ведущего шкива сдвигались, а ведомые половины шкива раздвигались, что заставляло ведомый вал вариатора и колеса вращаться быстрее автомобиля, соединенного с ним через трансмиссию. Очевидно, когда газ был выпущен, процедура была обратной. По сути, современные вариаторы работают по схожему принципу, только они управляются, конечно, гидравликой и электроникой.
Одним из основных преимуществ вариатора перед другими типами коробок передач является легкое устранение недостатков других коробок передач, связанных с неоптимальным выбором передач. Конечно, очевидно, что как бы точно вы ни контролировали момент включения данной передачи, будь то в механической коробке или в гидромеханическом автомате, частота вращения двигателя хоть и небольшая, но никогда не будет соответствовать оптимальной для данного режима движения руководство. Так как не будет соответствовать идеалу и по расходу топлива. Конечно, можно увеличить количество передач, и это несколько сгладит ступенчатый характер коробки передач и колебания нагрузки на двигатель и приводы. Однако следует учитывать, что каждая дополнительная передача — это усложнение конструкции, увеличение габаритов, веса и стоимости коробки. Поэтому в принципе есть ограничение в 6-7 передач.
С другой стороны, вариатор позволяет легко производить бесконечное количество передач. При этом передаточное число вариатора изменяется плавно, а также плавно и не скачкообразно трансформируется крутящий момент на ведущие колеса. В результате мощность двигателя почти идеально соответствует динамике движения автомобиля. Таким образом, уменьшается износ двигателя и приводных агрегатов, а экономия топлива повышается за счет оптимальной работы двигателя в большинстве рабочих условий и отсутствия разрыва «потока» крутящего момента, возникающего при переключении передач.
Однако при этом вариаторы пока не вытеснили с производства механические трансмиссии и гидромеханические автоматы.
Изначально проблема заключалась исключительно в низкой надежности клиноременных передач. Их ремни, сделанные из резинового корда, быстро растянулись, начали проскальзывать на шкивах, сильно изнашивались и в конце концов лопались. Этот неприятный момент наступал в среднем каждые 20-30 тысяч километров.
Добавлять ресурсы к резиновому ремню было непросто. Только в середине 1980-х все снова начало набирать обороты. Ремень стал металлическим и состоял из нескольких сотен стальных сегментов, намотанных на гибкие стальные направляющие. Следует отметить, что этот факт стал причиной возросшей популярности вариаторов. Их получили некоторые модели различных производителей, таких как Fiat, Ford, Honda, Nissan, Subaru, Suzuki, Volvo.
Но теперь появился еще один недостаток вариаторов: небольшой крутящий момент, который они были способны передать. По этой причине бесступенчатые трансмиссии устанавливались только на автомобили компактного и малого классов и только на их модификации с двигателями наименьшей мощности.
Потребовалось еще десять лет, чтобы разорвать очередной порочный круг. В 1997 году Honda продемонстрировала, что вариатор может выдерживать 115 лошадиных сил и 145 Нм крутящего момента, которым обладал 1,6-литровый «шестнадцатиклапанный» Civic. В следующем году Nissan представил модификацию Primera, в которой вариатор агрегатировался с двухлитровым бензиновым двигателем. Таким образом, была превышена планка 140 л.с и 180 Нм, что означало, что стали доступны бесступенчатые трансмиссии и автомобили среднего класса.
Технологической сенсацией 1999 года стала модель Audi A6 Multitronic, в которой 2,8-литровый шестицилиндровый двигатель был соединен с вариатором, который без шума развивал 193 л.с и двигатель 280 Нм. Правда, Audi пришлось заново изобретать ремень вариатора. В результате она превратилась в многорядную стальную цепь, при этом шкивы контактировали не с сегментами ремня, как это было в предыдущих конструкциях, а с тупыми концами соединительных осей звеньев.
Примечательно, что до появления Audi A6 Multitronic CVT они еще не смогли оправдать возложенные на них надежды в плане улучшенного расхода топлива: сам вариатор «съел» ожидаемую экономию: внутренние утечки, низкий КПД. Но теперь все встало на свои места. Однако по сравнению с 5-ступенчатой механической коробкой передач разница не была особенно заметной: расход топлива на 100 км пути снизился всего на 0,2 литра. Однако при сравнении Multitronic с АКПП Tiptronic вариатор превосходил автомат по всем параметрам: по экономии топлива — на 0,9 л / 100 км, при разгоне до 100 км / ч — на 1,3 с.
В то же время ZF Transmission произвела автоматическую трансмиссию, аналоги которой используются в большинстве европейских автомобилей, и купила завод трансмиссий у Ford, чтобы перепроектировать ее для производства вариаторов. А в 2004 году автопроизводители действительно «прорвали» автомобили с вариаторами.
Современные вариаторы благодаря электронному управлению немного изменили алгоритм работы. Они обеспечивают плавное ускорение без рывков, сохраняя при этом обороты двигателя в оптимальной зоне с точки зрения эффективности. Но если водитель прижмет педаль газа к полу, прося машину резко ускориться, вариатор имитирует режим Kick-down, известный по классическим автомобилям с автоматической коробкой передач.
Кроме того, для спортивных водителей предусмотрено ручное управление — для этого в вариаторе предусмотрено несколько фиксированных передач.
Параллельно Mazda и Nissan работают над тороидальными вариаторами. Кроме того, они не только ездят, но и производят автомобили с такими коробками для нужд внутреннего рынка Японии. В Европе Rover занимался подобными проектами, пока не возникли финансовые проблемы.
Крутящий момент в тороидальном вариаторе передается через силовые ролики, которые катятся по ведущему и ведомым дискам, имеющим форму тора (отсюда и название). Изменяя положение роликов относительно оси дисков, можно изменять передаточное число трансмиссии. Специалисты уверяют, что для таких вариаторов 300 Нм крутящего момента — не предел.
Однако тороидальные вариаторы кардинально отличаются от клиноременных, поэтому на этом мы заканчиваем разговор о вариаторах. Кроме того, многие автопроизводители улучшают свои АКПП, приближая их к вариаторам по плавности переключения и другим параметрам. Это привело к появлению так называемого «двойного сцепления» и автоматической трансмиссии с системой DSG.