CVT коробка передач вариатор

Бесступенчатые трансмиссии

Двигатели внутреннего сгорания работают в режиме максимальной мощности и экономичности лишь в узком интервале частот вращения коленчатого вала близких к номинальной частоте. Номинальной (оптимальной) называют частоту, при которой мощность двигателя достигает максимального значения в режиме нормальных нагрузок. При превышении этой частоты двигатель теряет мощность и начинает работать «вразнос», при уменьшении – тоже не развивает достаточной мощности и глохнет при малейшем увеличении нагрузки.

По этой причине трансмиссия автомобиля должна гибко реагировать на изменение нагрузки, создавая двигателю условия для работы в номинальном режиме. Если автомобиль преодолевает препятствие или труднопроходимый участок дороги, необходимо увеличить тяговое усилие на колесах, если же он движется по ровному и гладкому шоссе – тяговое усилие на колесах можно уменьшить, увеличив при этом скорость движения. И в том и в другом случае двигатель не должен подвергаться воздействию внешних сил сопротивления, работая в режиме, максимально приближенном к номинальному.

Данная задача наиболее просто решается применением бесступенчатой трансмиссии, которая автоматически подбирает и устанавливает передаточное отношение, наиболее оптимальное для каждого конкретного условия движения автомобиля. При этом передаточное отношение изменяется плавно, без динамических нагрузок на двигатель и агрегаты трансмиссии, что благотворно влияет их на долговечность и надежность.
Словосочетание бесступенчатая трансмиссия происходит от английского «Continuously Variable Transmission, CVT» — «непрерывно переменная передача».

Применение автоматических бесступенчатых трансмиссий не только создает благоприятные условия для работы силовой установки (двигателя), но и повышает срок службы деталей, узлов и агрегатов двигателя и трансмиссии (благодаря плавности работы и снижению динамических нагрузок).
Кроме того, упрощается управление автомобилем (благодаря автоматизации процессов), и повышается экономичность эксплуатации автомобиля, поскольку работа двигателя поддерживается в наиболее благоприятном оптимальном режиме.

Существенные недостатки автоматических и бесступенчатых трансмиссий – сложность конструкции, дороговизна производства и эксплуатации, а также недостаточная надежность и долговечность, не позволяют в настоящее время широко применять их в конструкциях современных автомобилей.

В конструкции современных автомобилей применяют несколько видов бесступенчатых трансмиссий: электрическую, электромеханическую, гидравлическую (гидродинамическую), гидромеханическую, гидрообъемную и фрикционную (вариаторную), а также их комбинации.

***

Принцип работы гидротрансформатора наглядно представлен в видеоролике.

***

Учебные дисциплины
  • Инженерная графика
  • МДК.01.01. «Устройство автомобилей»
  •       Общее устройство автомобиля
  •       Автомобильный двигатель
  •       Трансмиссия автомобиля
  •       Рулевое управление
  •       Тормозная система
  •       Подвеска
  •       Колеса
  •       Кузов
  •       Электрооборудование автомобиля
  •       Основы теории автомобиля
  •       Основы технической диагностики
  • Основы гидравлики и теплотехники
  • Метрология и стандартизация
  • Сельскохозяйственные машины
  • Основы агрономии
  • Перевозка опасных грузов
  • Материаловедение
  • Менеджмент
  • Техническая механика
  • Советы дипломнику
Олимпиады и тесты
  • «Инженерная графика»
  • «Техническая механика»
  • «Двигатель и его системы»
  • «Шасси автомобиля»
  • «Электрооборудование автомобиля»

Как работает вариатор

В отличие от описанной выше схемы с шестернями, вариатор не имеет какого-то фиксированного количества передач. Эта технология относится к бесступенчатым трансмиссиям(CVT), и наряду с другими видами таких трансмиссий производит плавное, бесступенчатое изменение соотношения крутящих моментов. Распространен тип вариатора, работающий на системе шкивов, позволяющих плавно изменять радиус кривизны передаточного ремня, накинутого на шкив. Тем самым мы добиваемся плавного изменения передаточного числа (см. картинку ниже).

В основе работы лежит принцип рычагов. Два вала — ведущий и ведомый расположены рядом и направленны в противоположные стороны (параллельно друг другу). На концах валов находятся конусы, которые сужаются в противоположных направлениях. Если перекинуть через конусы ремень или цепь и сделать так, чтобы можно было перемещать валы вдоль их оси друг относительно друга так, чтобы ремень оставался все время на одном уровне, то мы получим простейший вариатор.

Как это работает? Так как наконечники конусообразные, то при смещении валов, передаточный ремень смещается вдоль оси конуса и радиус его изгиба становится больше или меньше. Если, например, радиус изгиба ремня, перекинутого через шкив ведомого вала уменьшать, а ведущего — увеличить, то меньшему количестве оборотов ведущего будет соответствовать большее количество оборотов ведомого в единицу времени. Если число оборотов ведущего не менялось, то автомобиль ускоряется. Это позволит нам разгонятся на дороге.

Наоборот, если сместить валы так, чтобы, увеличить радиус закругления ведомого вала и уменьшить радиус закругления ведущего, то большему количеству оборотов ведущего вала будет соответствовать меньшее количество оборотов ведомого вала. Так мы сможем тронуться с места или заехать круто в гору.

В реальных машинах каждый из валов имеет по два конусообразных шкива. Вершины конусов обращены друг к другу. Между шкивами закреплен также конусообразный в сечении ремень.

В традиционных АКПП планетарного типа очень много элементов — шестерни различных типов, муфты, тормоза, масляные каналы, “водило”. По сравнению с ними, вариаторы имеет очень простое устройство. Большинство современных вариаторов содержат три основных элемента:

  • мощная цепь или сверхпрочный резиновый ремень
  • два конусообразных шкива на ведшем валу
  • два конусообразных шкива на ведомом валу

Да, конечно, ничего не заработает без системы датчиков и системы управляющих устройств. Главным из устройств управления является бортовой компьютер, который определяет оптимальное положение шкивов, опираясь на данные о скорости и нагрузке автомобиля.

Когда расстояние между конусами шкива большое — ремень входит глубоко в паз и радиус его петли мал. Если сблизить конусы, то ширина и глубина паза, образованного их сторонами уменьшаются, и ремень поднимается. Радиус изгиба ремня при этом становится больше. Чтобы управлять расстоянием между конусами, в разных моделях вариаторов используются различные технологии — давление гидравлики, пружины, центробежная сила.

Ведущий шкив, соединенный с валом двигателя называют “входным” (кинетическая энергия двигателя “входит” в него.

Расстояние от ремня до центра шкивов, где проходит этот ремень, называется радиус основного тона. Когда шкивы расходятся, радиус основного тона уменьшается. Когда шкивы сближаются, радиус основного тона увеличивается.

Бортовой компьютер с помощью специального механизма управляет отношением радиусов основного тона на ведущем и ведомо шкивах. Он сдвигает валы таким образом, чтобы ремень все время оставался натянутым. Когда один шкив увеличивает радиус основного тона, то второй уменьшает и ремень не провисает. Сдвиг происходит синхронно. Так как шкивы меняют свои радиусы друг относительно дуга плавно, то мы получаем бесконечное число передаточных чисел (в определенном рабочем диапазоне, разумеется). Этот рабочий диапазон определяется соотношением максимального и минимального радиусов шкивов.

Если радиус основного тона мал у ведущего шкива и большой у ведомого, то скорость вращения ведомого шкива уменьшается. Получается, что на несколько оборотов ведущего вала приходится один оборот ведомого — автомобиль стартует или поднимается в гору на низкой передаче. Если, наоборот, мал радиус основного тона у ведомого шкива, ау ведущего — большой, то одному обороту ведущего вала соответствуют несколько оборотов ведомого и автомобиль едет с большой скоростью на высокой передаче.

Плюсы и минусы коробок CVT

Как и всякое техническое устройство, вариаторы имеют свои преимущества и недостатки. Но справедливости ради необходимо учесть, что в настоящее время автопроизводители постоянно совершенствуют эту трансмиссию, поэтому со временем картина наверняка изменится, и недостатков у вариаторов будет меньше. Однако на сегодняшний день коробка передач CVT имеет следующие плюсы и минусы:

Преимущества Недостатки

Вариатор обеспечивает плавность набора скорости без рывков, характерных для МКПП или АКПП.
Вариатор сегодня устанавливают на машины с мощностью двигателя до 220 л.с. Это связано с тем, что очень мощные моторы оказывают чрезмерное воздействие на приводной ремень (цепь) вариатора.

Более высокий коэффициент полезного действия. Благодаря этому экономится топливо, а мощность двигателя быстрее передается на исполняющие механизмы.
Вариатор очень чувствителен к качеству трансмиссионного масла. Как правило, необходимо покупать только оригинальные качественные масла, которые гораздо дороже их бюджетных аналогов. Кроме этого, менять масло надо чаще, чем в традиционной трансмиссии (примерно через каждые 30 тысяч километров пробега).

Значительная экономия топлива. Она становится результатом высокого КПД и плавного набора оборотов двигателя и скорости (в традиционной трансмиссии значительный перерасход происходит во время переключения передач).
Сложность устройства вариатора (наличие “умной” электроники и большого количества датчиков) приводит к тому, что при малейшей поломке одного из многочисленных узлов вариатор будет автоматически переведен в аварийный режим или выведен из строя (принудительно или аварийно).

Высокая экологичность, которая является результатом меньшего расхода топлива. А это означает, что машины, оборудованные вариатором, удовлетворяют современным высоким европейским требованиям экологичности.
Сложность ремонта. Зачастую даже незначительные проблемы с эксплуатацией или ремонтом вариатора способны привести к ситуации, когда трудно найти мастерскую и специалистов по ремонту этого агрегата (особенно это актуально для небольших городов и поселков). А стоимость ремонта вариатора куда выше, чем традиционных МКПП или АКПП.

Электроника, которая управляет вариатором, всегда выбирает оптимальный режим работы. То есть, трансмиссия всегда работает в наиболее щадящем режиме. Соответственно, это положительно сказывается на износе и сроке эксплуатации агрегата.
На машине с вариатором нельзя буксировать прицеп или другое транспортное средство.

На машине с коробкой CVT нельзя буксировать прицеп или другое транспортное средство. Также нельзя буксировать и саму машину, если у нее выключен двигатель. Исключение составляет случай, если вывесить на эвакуатор приводную ось.

Отличие вариатора от автоматической КПП

Вариатор (CVT) многими людьми ошибочно относится к автоматическим КПП. Он является отдельной разновидностью трансмиссии.

Различия АКПП и вариатора:

  1. Конструкция. АКПП состоит из гидравлического трансформатора и планетарного узла. Гидротрансформатор заменяет сцепление и осуществляет переключение ступеней. Планетарная часть АКПП удерживает в постоянном закрепе все блоки шестеренок, что обеспечивает непрерывность и законченность агрегата с одновременным наличием нескольких передач. CVT – агрегат, функционирующий без смены ступеней, а передаточное число отдается двумя шкивами в виде конуса (ведущий и ведомый), располагающихся на противоположных сторонах и соединенных цепью или ремнем. Оба типа трансмиссии обеспечивают комфортное вождение из-за отсутствия постоянного переключения ступеней.
  2. Эксплуатация. В АКПП более низкий КПД из-за утраты части энергии в гидромуфте, что сказывается в виде увеличенного расхода топлива и более низких динамических характеристик по сравнению с автомобилем, оборудованном вариатором. Управление CVT осуществляется при помощи электронного блока управления, который выбирает требуемое передаточное число под характеристики движения и этим обеспечивает щадящую работу ДВС, плавность как при начале движения, так и в разных режимах. За счет большего числа ступеней вариатор обеспечивает экономичную езду с отличными динамическими характеристиками. АКПП надежнее в работе с более длительным эксплуатационным ресурсом и менее требовательна к работе в трудных условиях. Вариатор создан для эксплуатации при плавном движении без резких перепадов скорости и по дорогам с хорошим покрытием. АКПП позволяет буксировать другие машины, ездить с прицепом, по бездорожью, без особого вреда для агрегата позволяет двигаться автомобилю в агрессивной манере.
  3. Обслуживание. Вариатор требует регулярной замены масла, причем требования к маслу очень жесткие, нарушение которых приведет к дорогостоящему ремонту. Масло для такой трансмиссии стоит дороже, но для замены требуется меньший объем по сравнению с АКПП.
  4. Ремонт. Ремонт обоих видов КПП – дорогостоящая процедура, но АКПП больше изучены и содержат меньше электроники, что удешевляет ремонт и делает его возможным вне официальных СТО. Ремень в CVT может не выдержать высоких нагрузок и оборваться. Вариатор сложнее в ремонте, который могут осуществить только официальные представители.

Бесступенчатая трансмиссия

Бесступенчатые трансмиссии с каждым годом находят все более широкое применение на автомобилях и разделяются на электромеханические, гидромеханические, гидростатические и гидрообъемные.

Бесступенчатые трансмиссии по сравнению с обычными ступенчатыми более сложны по конструкции и дороги в изготовлении, требуют совершенной технологии производства и тщательного технического контроля и обслуживания.

Из бесступенчатых трансмиссий различных типов наибольшее распространение имеют гидромеханические коробки передач, состоящие из гидродинамического бесступенчатого преобразователя крутящего момента ( гидротрансформатора) и механической планетарной коробки передач.

Для самых современных бесступенчатых трансмиссий ( вариаторов) и тепловозных трансмиссий усовершенствованных конструкций, в которых гидромуфты и трансформаторы совмещены с механическими зубчатыми передачами.

Схема одновальной газовой турбины.

Создание работоспособной конструкции бесступенчатой трансмиссии представляет собой серьезную проблему.

Силовой агрегат автомобиля ( рис. 6.32) включает стандартную четырехскоростную коробку передач и бесступенчатую трансмиссию на основе гидрообъемного привода. Маховик в этом приводе соединен через муфты с двигателем и коробкой передач, которая в свою очередь передает вращение через карданный вал на дифференциал ведущего моста со встроенной гидрообъемной бесступенчатой передачей.

Схема одновальной газовой турбины.

В одновальной газовой турбине общий вал соединяет воздушный компрессор и рабочую турбину, являясь одновременно и рабочим валом. Такая схема предопределяет использование бесступенчатой трансмиссии между рабочим валом турбины и расположенным соосно с ним конечным приводом.

В Висконсинском университете ( США) разработан, изготовлен и испытан автомобиль ( типичной схемы) массой 1350 кг с маховичным рекуператором энергии ( рис. 6), продемонстрировавший отличные динамические качества и высокую экономичность. Силовой агрегат автомобиля включает стандартную четырехскоростную коробку передач и бесступенчатую трансмиссию на основе гидрообъемного привода. Маховик в этом приводе соединен через муфты с двигателем и коробкой передач, которая, в свою очередь, передает вращение через карданный вал на дифференциал ведущего моста со встроенной гидрообъемной бесступенчатой передачей.

Разомкнутая система управления.

Пользуясь тяговой характеристикой, можно найти максимальное значение силы тяги, на которое рабочее оборудование машины должно рассчитываться на прочность, а также определить возможные режимы работы. Диаграмма ( рис. 32) построена применительно к ступенчатой трансмиссии и может быть использована при выборе ряда передач. При бесступенчатой трансмиссии теоретически возможно получение бесконечно большого числа промежуточных значений. Поэтому при бесступенчатой трансмиссии ( применительно к данным конкретным условиям) может быть достигнут наиболее экономичный режим работы машины.

Пользуясь тяговой характеристикой, можно найти максимальное значение силы тяги, на которое рабочее оборудование машины должно рассчитываться на прочность, а также определить возможные режимы работы. Диаграмма ( рис. 32) построена применительно к ступенчатой трансмиссии и может быть использована при выборе ряда передач. При бесступенчатой трансмиссии теоретически возможно получение бесконечно большого числа промежуточных значений. Поэтому при бесступенчатой трансмиссии ( применительно к данным конкретным условиям) может быть достигнут наиболее экономичный режим работы машины.

Что такое автоматический и ручной режим вариатора

Движение на автомобиле, оборудованном вариатором, может осуществляться как в автоматическом режиме, так и с ручным выбором режимов. Выбор режима осуществляется селектором, различные положения обозначены надписями.

Режимы CVT:

  1. «D» – направление движения транспорта вперед. Относится к основным режимам, при котором при помощи компьютера происходит смена передаточного соотношения с учетом условий движения. Электроника отслеживает функционирование как CVT, так и двигателя, обеспечивая их полноценную работу.
  2. «R» – задний ход. Для его осуществления внесены конструкционные изменения в виде установки специальных узлов. Включение данного режима разрешено только в условиях полной неподвижности автомобиля.
  3. «N» – нейтральная передача, при выборе которой происходит разрыв связи двигателя и КПП. Ее следует выбирать только при продолжительной остановке.
  4. «P» – парковочный режим, при котором осуществляется блокирование ведомого конусного вала, исключающее любое движение транспорта. Следует выбирать только при оставлении автомобиля на стоянке. На многих автомобилях для выбора данного положения селектора следует помимо надавливания кнопки на рычаге нажимать на тормозную педаль и включать стояночный тормоз. Переход с этого режима осуществляется при выполнении тех же действий, только в противоположном порядке.
  5. «+» и «-» – ручное управление, имитирующее переключение ступеней, хотя на самом деле управление вариатором происходит при помощи электроники и постоянном контроле работы CVT и ДВС компьютером.
  6. «S» – спортивный режим езды. Предназначен для более динамичного передвижения транспорта при нажатии на педаль акселератора. Изменение динамических характеристик движения происходит при более медленном изменении передаточного соотношения, что на выходе дает повышение тяги вместе с увеличением оборотов.
  7. «E» – экономичный режим езды, являющийся антиподом спортивного. В данном режиме осуществляется максимально полная связь ДВС с CVT, приводящая к снижению потребления топлива.
  8. «L» – режим, предназначенный для тяжелых условий эксплуатирования автомобиля. При выборе данного режима обеспечивается максимальное передаточное соотношение на ведущие колеса. Движение при положении селектора на «L» должно осуществляться при буксировании прицепа или другого автомобиля, при передвижении по бездорожью и в других трудных условиях.

Комбинированная трансмиссия

CVT, установленная на автомобиле , разработчики назвали PSD (Power Split Device, устройство распределения мощности, «трёхходовая муфта»). Построено PSD на основе , где с «солнцем» соединён генератор, «водило сателлитов» соединено с двигателем, а «коронная шестерня» — с электромотором и колёсами. Поскольку соотношение диаметров (числа зубьев) шестерён планетарной передачи постоянное, планетарная передача делит крутящий момент двигателя внутреннего сгорания в постоянном отношении. Однако мотор-генератор, соединённый с «солнцем» планетарной передачи, может быть больше или меньше нагружен электрическим током.

Управляет этим процессом контроллер гибридной системы автомобиля. Момент торможения и, соответственно, обороты генератора могут изменяться в широких пределах (от −6000 об/мин до +6000 об/мин), то есть генератор может работать и как электромотор. Поэтому скорость вращения колёс автомобиля изменяется плавно, бесступенчато. При этом мощность, получаемая генератором, не пропадает — в виде электрической энергии она поступает на «тяговый» электромотор и, объединяя усилия с моментом двигателя, приводит в движение автомобиль. Такой гибридный привод в целом называется .

Что же такое вариатор в двух словах

Теперь обратим внимание на те CVT, которые устанавливаются сразу готовыми на автомобиль

Неважно, какая фирма их производит, работают они все одинаково. Для начала скажем в общем, что это такое

Для начала скажем в общем, что это такое.

Получается, что CVT не имеет привычной КПП, которая имеет до шести скоростей. Он представлен так называемым передаточным числом, которое определяется по разным факторам, например, по скорости движения колес, скорости мотора, с какой силой была нажата педаль «газа» и прочим параметрам, какая скорость в машине сейчас будет оптимальной, то есть сколько оборотов должен делать в минуту мотор.

Зачем нужна нам КПП? Автомобиль имеет определенную скорость оборотов мотора, но скорость его движения может быть разной. Именно эту скорость и определяет АКПП. Но вариатор лучше в разы, так как он не дергает автомобиль, это устройство может с места разогнать авто до предельной скорости. Для спортивных автомобилей – это как раз то, что нужно. Так как у вариатора нет привычной КПП, то и толчков тоже нет, да и определить, какая передача сейчас стоит, сложно. Ведь их у вариатора бесконечное множество.

Учитывая, что у бесступенчатой трансмиссии больше вариантов выбора передачи, то можно выделить несколько преимуществ устройства:

  1. Автомобиль разгоняется плавно, без рывков.
  2. Обороты у мотора не прыгают с минимального до максимального, они практически всегда постоянны. Тогда как у обычной КПП, даже у АКПП они гуляют по всем данным, в итоге авто работает на износ.
  3. Нет проблем с выбором скоростей, чего не скажешь об АКПП, в которой бывает сложно настроить нужную скорость, автомат, можно сказать, «тупит».
  4. Вариатор сам находит нужную скорость и задает обороты у мотора. Подбор не полагается на человеческий фактор, как на АКПП, но во всем есть дело с электроникой, в итоге всегда правильный выбор.
  5. Езда ровнее, нагрузок меньше на движок, так как бесступенчатая передача всегда работает исправно.
  6. Экономия горючего, так как движок не делает лишних движений.

Вариатор

Принцип действия бесступенчатой трансмиссии с клиновой цепью.

Paботa вариатора

Тороидная вариаторная трансмиссия системы Хейса, устанавливалась на автомобили марки Austin. Середина 1930-х.

В основе большинства современных автомобильных вариаторов — клиноременная передача. Один или оба (ведущий и ведомый) оборудованы раздвижными боковинами; зазор между боковинами шкивов в простейшем случае определяется центробежным регулятором, также могут применяться нагрузочные муфты. При повышении частоты вращения двигателя и ведущего вала боковины ведущего вала сдвигаются, тем самым посадочный диаметр шкива увеличивается, а коэффициент передачи — уменьшается.

Ременная передача целесообразна для и автомобилей особо малого класса; для более тяжёлых машин применяется цепная передача на том же конструктивном принципе.

Дискошариковый вариатор с неограниченным диапазоном передаточного отношения целесообразно использовать в вариоколесах автомобилей малого и среднего класса.

История вариаторных трансмиссий

Первая бесступенчатая трансмиссия была запатентована в . С 1950-х годов бесступенчатые трансмиссии широко применялись для бортовых авиационных электрогенераторов, приводимых в действие вспомогательными двигателями.

Первая автомобильная бесступенчатая трансмиссия c резиновыми клиновыми ремнями была применена в малогабаритных голландских автомобилях (), а после продажи отделения DAF, выпускавшего пассажирские автомобили, патент унаследовала .

В клиновые вариаторы с цепным приводом были запущены в массовое производство и (, ). В то же время наладило производство своей CVT, которую поставляло и поставляет другим автопроизводителям.

В конце 1990-х годов вариаторы начали устанавливать и на машины среднего класса, взамен традиционных гидромеханических .

Принцип работы вариаторной коробки

Название CVT коробка передач взялось у нас с английского языка. Именно там создалась аббревиатура с длинного названия Continuously Variable Transmission. Ее устройство и принцип работы достаточно простой, вся система заключается в непрерывном и автоматическом переключении скоростей. Вариаторная КП имеет бесступенчатую трансмиссию, которая не имеет в своем устройстве конечную точку фиксирования положений, а плавно переходит по разным придаточным числам.

Стоит отметить, что принцип действия вариатора уже давно использовался, только не в автомобилях. Его устанавливали на бензопилы, снегоходы и станки на предприятиях, и как показала практика, они служили даже больше установленного срока годности. Да, такая техника не подвергалась большим нагрузкам, но работая на установленной мощности, она было достаточно результативна.

Конечно, для автомобиля и его необходимой скорости требовался более надежный и качественный тип вариатора. На этой почве, инженеры смогли разработать безупречную трансмиссию, которая теперь стала популярна во многих странах. Вариатор имеет свои плюсы и минусы, чего пока не получается избежать ни в одной модели.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *