Как работает вариатор в автомобиле и его преимущества бесступенчатой трансмиссии

В чем суть? Принцип действия вариаторной трансмиссии в автомобиле раскрывает как ее сильные, так и слабые стороны. Главное, что отличает вариатор – это отсутствие традиционных передач (поэтому его зачастую называют бесступенчатой коробкой), что способствует более гладкому увеличению скорости.

На что обратить внимание? Поскольку существует два основных типа вариаторов, их работа будет иметь свои уникальные особенности. Водителям важно разобраться, как функционирует трансмиссия и чего ожидать в процессе эксплуатации, чтобы правильно выбрать подходящую модель автомобиля.

Устройство и принцип работы вариатора в автомобиле

Вариатор представляет собой трансмиссию, обеспечивающую плавную регулировку передаточного числа вращения от первичного вала к вторичному. Визуально заметить, что на автомобиле стоит именно вариатор, довольно сложно, так как он внешне схож с традиционной автоматической коробкой передач (важные функции переключения режимов обозначены так же: P, R, N, D).

Ключевая разница состоит в принципе работы вариатора. Проще говоря, здесь отсутствуют привычные шестерни, соединяющиеся с заданными передаточными числами. Крутящий момент передается через множество промежуточных значений, что обеспечивает максимально комфортные условия для работы двигателя.

Вариатор обеспечивает плавный старт автомобиля, исключая рывки, а смена передаточного числа во время движения проходит бесшумно и без участия сцепления.

Существуют 2 основных типа вариаторов:

• Клиноременная. Это более распространенный тип, используемый в 95% случаев.
• Тороидная. Она имеет сложную конструкцию и практически не производится.

В современных автомобилях за работой вариаторов следят электронные блоки. В специальных программных обеспечениях заложены виртуальные передачи, которые соответствуют необходимым режимам – соотношению оборотов и передаваемого момента (например, при движении по грязи или снегу важнее обеспечить большую тягу, чем высокую скорость).

Однако, как уже упоминалось, вариатор не имеет дискретных ступеней – соотношение радиусов первичного и вторичного валов меняется плавно.

1. Клиноременные вариаторыЭто наиболее распространенные разновидности вариаторных трансмиссий, устанавливаемые на автомобили марок Nissan, Infiniti, Audi и других. Рассмотрим поэтапно принцип работы такого вариатора в автомобиле.

   Первичный вал носит название главного (ведущего) шкива, который через сцепление связывается с коленчатым валом двигателя. Вторичный вал представляет собой ведомый шкив, жестко связывающийся с колесами. Связь между главным и ведомым шкивом осуществляется посредством ременной передачи.

   

   Адаптация передаточного числа происходит за счет изменения так называемых эффективных диаметров шкивов. Они состоят из двух равных половинок (разрезанных поперек оси). Каждая часть фиксируется на шлице вала (свойственном каждому шкиву: главном – на первичном валу, ведомом – на вторичном) и может двигаться: сближаться или расходиться. Внутреннее сечение шкива имеет коническую форму, а ремень, связывающий их, имеет постоянные размеры.

   Таким образом, при сближении половинок шкивов увеличивается эффективный диаметр, по которому соприкасается ремень, тогда как при их расхождении этот диаметр уменьшается. Здесь применяется закон рычага – то, что выигрывается в силе, теряется в расстоянии.

   Более крупный эффективный диаметр главного шкива передает на вторичный вал более высокую скорость, но уменьшает момент. А увеличение эффективного диаметра ведомого шкива, соответственно, приводит к снижению скорости вращения, но увеличивает силу.

   Для старта с места необходимо выделить больше усилия на колеса. Поэтому на главном шкиве устанавливается минимальный эффективный диаметр (половинки шкива расходятся), а ведомый шкив при этом выставляется в положение с максимальным эффективным диаметром (половинки сближаются до соприкосновения).

   Таким образом, главный шкив совершает множество оборотов, чтобы ведомый проехал только один. Нагрузка на двигатель в этом случае минимальна, хотя мотор должен вращаться на высоких оборотах.

   После того как автомобиль разгоняется, большее усилие не требуется, но часто необходимо дальнейшее усиление разгона. Эффективный диаметр главного шкива плавно увеличивается (половинки сближаются), а у ведомого – наоборот, уменьшается (половинки расходятся), что создаёт комфортные условия для работы мотора.

   Когда максимальный эффективный диаметр формируется на главном шкиве (половинки сходятся до упора), а на ведомом шкиве половинки полностью разведены, создавая минимальный эффективный диаметр, вариатор позволяет автомобилю достигать максимальной скорости с минимальным усилием.

   Следовательно, принцип работы вариатора заключается в плавной регулировке эффективных диаметров шкивов. Вращательный момент передается через ремень, движущийся между шкивами.

2. Тороидные вариаторы

В этом случае отсутствуют ремни, передающие вращение с одного вала на другой. Эту функцию выполняют ролики, а шкивы здесь заменены на торы – валы с характерными вогнутыми поверхностями, перпендикулярными оси вращения, выполненные в форме тороидов. Ведомые торы располагаются по краям оси, а ведущий находится в центре (иногда наоборот).

Торы установлены так, что их вогнутые стороны направлены друг к другу, между ними размещены ролики (обычно по три с каждой стороны от ведущего тора). При этом одна кромка ролика прижимается к поверхности ведущего тора, а другая – к ведомому. Если сделать разрез вдоль оси, то сечение тороидальных пространств, образованных ведущими и ведомыми торами, будет представлять идеальные круги, где ролики выполняют роль диаметра.

Чтобы вариатор изменил передаточное число, ролик должен изменить свое положение, повернувшись. В этом случае, например, он может прижиматься к ведущему тору на меньшем его диаметре, что увеличивает тягу, но снижает скорость. Если же ролик повернуть в другую сторону, он начнёт касаться ведущего тора на большем диаметре, а ведомого – на меньшем, что приведет к увеличению скорости при уменьшении тяги.

Отличия вариатора от АКПП

Основные различия работы вариаторной трансмиссии становятся очевидными во время движения. Например, при ускорении двигатель не издает привычного звука, который соответствует увеличению оборотов. В целом, все автомобили, оснащенные вариаторами, управляются электронными блоками, что позволяет двигателям функционировать практически в одном узком диапазоне оборотов (даже при интенсивном разгоне или резком торможении).

Это может сбивать с толку водителей, которые не имеют опыта вождения таких автомобилей: им кажется, что двигатель медленно реагирует на нажатие педали акселератора. Но эти ощущения субъективны и обманчивы – автомобиль с вариатором ни капли не менее отзывчив, чем машины с классической трансмиссией.

Вариатор обеспечивает максимально эффективное использование мощности двигателя: обороты соответствуют текущим требованиям водителя (нажимающего на газ) и условиям движения. Таким образом, двигатель не испытывает чрезмерных нагрузок, что создаёт впечатление, что он «завис».

Дискретная трансмиссия требует от двигателя изменения числа оборотов, после чего происходит переход на более высокую передачу и новый набор оборотов. Вариатор, напротив, дает мотору возможность функционировать без изменения режима работы за счет плавной настройки передаточных чисел.

Однако некоторые производители автомобилей с вариаторами настраивают двигатели таким образом, чтобы все же можно было ощущать изменение оборотов, чтобы звук соответствовал скорости.

В современных автомобилях связь «двигатель – вариатор» настроена таким образом, чтобы минимизировать расход топлива, в результате чего такие авто отличаются высокой экономичностью.

Важно заметить, что тормозить двигателем на автомобиле с вариатором – не лучший вариант. Это приводит к перенапряжению ремня трансмиссии и быстрому износу. (К тому же торможение двигателем само по себе не является оптимальным способом замедления).

Плюсы и минусы вариатора

Давайте рассмотрим достоинства и недостатки вариаторов.

Начнем с позитивных сторон:

• Обеспечение исключительно плавного движения. Никаких рывков и толчков, переключение передач отсутствует совершенно.
• Динамичное ускорение. Мощность не проседает (как это происходит с традиционной коробкой, когда драйвер отпускает акселератор перед переключением). Вариаторная коробка (CVT) позволяет раскрыть весь потенциал мощности автомобиля.

• Отличная эффективность двигателя. Вариатор демонстрирует более высокий КПД, превосходя автоматические трансмиссии на 5-10 %.
• Экономичность. Этот аспект напрямую связан с высоким КПД. Кроме того, вариатор требует меньше энергии в сравнении с традиционными коробками передач благодаря ограниченному количеству движущихся частей и низкому механическому сопротивлению. Он также гарантирует, что двигатель работает в наиболее эффективном диапазоне оборотов, что позволяет достичь максимальной мощности при минимальном расходе топлива.
• Низкий уровень вибрации и шума. Работая, вариатор практически не издает никаких звуков.
• Простота конструкции. Изучив схему вариатора, любой, даже неопытный пользователь, сможет разобраться в его регулировке. В результате это повышает надежность трансмиссии.

Теперь перейдем к недостаткам:

• Полный контроль управления с использованием электроники. Блок управления зависит от множества датчиков, и при поломке одного из них возможны серьезные аппаратные или системные сбои, которые можно устранить только с помощью квалифицированных специалистов.
• Риск перегрева. Вариатор не рассчитан на длительную работу в режимах максимального ускорения. Понесенная нагрузка, например, пробуксовка, приводит к быстрому износу передающего ремня.
• Обслуживание вариатора очень затратно: стоимость масла, которое значительно выше моторного, и заменяемого каждые 100 тыс. км ремня, может неприятно удивить.

Надежность вариатора

Не все вариаторы имеют одинаковую устойчивость, и разные модели обладают различными показателями надежности. Например, встречались случаи, когда некоторые из них выходили из строя до окончания гарантийного срока:

• Вариатор JF015E, используемый в автомобилях «Рено-Ниссан», таких как Nissan Juke, Nissan Qashqai, Renault Fluence и Kaptur с 1,6-литровыми двигателями, имеет классическую схему. Он дополнен двухступенчатой планетарной передачей для улучшения конструкции; однако это приводит к быстрому и интенсивному износу. Одной из причин является недостаточное качество металла, вызывающее забивание гидросистемы стружкой. Максиальный пробег в 100 тыс. км в данном случае можно считать удачным, а ремонт JF015E часто экономически нецелесообразен — лучше купить новый.

Но существуют и прямо противоположные примеры:

• Вариатор Jatco (внутризаводское обозначение JF011E) не имеет явных недостатков в конструкции. Принцип его работы аналогичен автомобильным моделям, таким как некоторые «Тойоты», Nissan Qashqai и X-Trail, с объемами двигателей 2,0 и 2,5 литра.
• Модель Jatco JF010E, устанавливаемая на Nissan Murano и Teana с 3,5-литровыми шестицилиндровыми двигателями, способна без сбоев ездить до 200 тыс. км. Основной причиной отказов являются изнашивающиеся подшипники.

Что автолюбители говорят о принципе работы вариатора в автомобиле

1. Управление тягой

«Недостатком вариатора является его ограниченная способность управлять тягой и поворотными характеристиками. Важно отметить, что автомобили с вариаторами не подходят для спортивной езды, и для этого приходится прибегать к эмуляции переключений.»

Потери мощности при работе вариатора

«При правильной эксплуатации автомобиля с вариатором ремень в шкивах не проскальзывает. Двойные звенья цепи соприкасаются с внутренними стенками шкивов точечно, что минимизирует трие. Основные потери происходят в мультитронике на гидравлическом приводе.»

Разница для водителя

«С точки зрения пользователя вариатор не отличается от автоматической коробки передач: переключение не требуется (нужно только выбрать режим рычагом); электронный блок управления обоими системами сам определит оптимальные передаточные соотношения в зависимости от внешних условий и нужного ускорения. Двигатель при этом работает плавнее, чем в системе с АКПП.»

Надежность и конструкция

«Если не перегружать авто с вариатором (например, не использовать его для сложных дорожных условий) и следовать рекомендациям по эксплуатации, включая регулярную замену масла, то вариатор может прослужить до 300 тыс. км. Проблема заключается в дисциплине водителя и площадках для планового обслуживания, ведь многие не заботятся о замене масла на механических коробках. Заметьте, современные вариаторы значительно менее надежны из-за проблем с клапаном в масляном насосе, в отличие от более качественных старых конструкций.»

Пробег до ремонта

«Мой вариатор работает уже 185 тыс. км, и я меняю масло каждые 60 тыс. км. Я путешествую между столицами и проезжаю по Крыму (по извивающимся дорогам), иногда выкатываюсь на зимние дороги и даже езжу по плохим участкам (хотя не слишком активно). Я не езжу медленно, но и не гоню чрезмерно.»

Вполне возможно, что вариатор вскоре заменит как механические, так и автоматические коробки передач. Он крайне прост в использовании и весьма эффективен. Конструкторы акцентируют внимание на комбинированных моделях, где двигатель сможет функционировать в оптимальном режиме, а избыточная энергия будет рекуперироваться для ускорения автомобиля.

Вопросы по теме

Какие особенности конструкции вариатора влияют на его эффективность по сравнению с традиционными автоматическими трансмиссиями?

Вариатор (CVT) отличается от традиционных автоматических трансмиссий наличием бесступенчатой системы, которая использует две конусные шкивы и приводную цепь или ремень для передачи мощности. Эта конструкция позволяет вариатору непрерывно изменять передаточное соотношение, что обеспечивает оптимальную работу двигателя в разных режимах. Благодаря этому, вариаторы могут поддерживать высокие обороты двигателя в пределах его эффективной мощности, что увеличивает топливную эффективность и производительность. Кроме того, отсутствие фиксированных передач снижает уровень вибрации и шумов, делая поездку более комфортной.

Как вариатор влияет на динамику разгона автомобиля?

Вариатор может улучшить динамику разгона, так как он обеспечивает мгновенное изменение передаточного соотношения без задержек, характерных для традиционных трансмиссий. Это позволяет двигателю оставаться в оптимальной рабочей зоне на протяжении всего разгона, что улучшает отзывчивость дроссельной заслонки и уменьшает время разгона до нужной скорости. Однако важно учитывать, что некоторые водители могут испытывать «эффект проскальзывания», когда двигатель разгоняется быстрее, чем ускоряется автомобиль, что может вызвать чувство «пустоты» при раскрутке двигателя.

Как вариатор влияет на расход топлива в различных условиях эксплуатации?

Вариатор значительно улучшает топливную эффективность, особенно в условиях городского движения, где частые остановки и разгоны являются нормой. Благодаря возможности поддерживать двигатель в оптимальном диапазоне оборотов, вариаторы минимизируют расход топлива при низких и средних скоростях. Однако на скоростных трассах, где требуется высокая мощность и скорость, эффективность вариатора может быть не такой выдающейся, как у механических или автоматических трансмиссий, которые имеют предсказуемые передачи. Тем не менее, современные вариаторы всё чаще дополняются системами для предотвращения износа и повышения их производительности на высоких скоростях, что делает их более универсальными.