Focus
руководство по ремонту Focus
Ford Focus 3 - Мини-тест
Как менялся Ford Focus
Тест-драйв Ford Focus 3
Тест Ford Focus 3, Astra и VW Golf
Советы по обкатке нового авто
Статья об АКП
Советы по буксировке
Определение неисправности по нехарактерным шумам
Шины и мнения
Надёжная фиксация резьбовых соединений
Как хранить резиновые детали
Что такое двигатель с наддувом
Что такое трансмиссия с вариатором
Ремонт несъёмной направляющей втулки клапана
Подвески американских машин
Музей Генри Форда
История появления Ford в СССР
История масляного фильтра
Завод масляных фильтров в США
Об автомобильных красках Dopont
Focus II: для тех кто не понял
Американский и европейский Focus
О выходе Focus II
Советы покупающим б\у Focus 2
Об открытии завода во Всеволожске

О некоторых других моделях Ford
Пикапы Ford
Ford Crown Victoria
Mustang Cobra от Форда

Русско-английский автомобильный словарь

Вариатор: возможны варианты


вариаторБесступенчатая трансмиссия, именуемая на Западе CVT (continuously variable transmission), а у нас клиноременным вариатором, переживает сейчас второе рождение. Одно время всеми отвергнутый, вариатор теперь все чаще и чаще встречается на серийных автомобилях и перспективных концепт-карах. Что же вывело эту конструкцию из небытия? Почему она вновь оказалась в поле зрения инженеровтрансмиссионщиков?

Двигатeль внутреннего сгорания для применения на автомобиле нуждается в коробке передач: ведь диапазон его рабочих оборотов ограничен снизу оборотами холостого хода и сверху — максимальными оборотами. Без коробки передач может обойтись, например, электромотор, наибольший крутящий момент которого достигается в самом начале движения ротора. А поршневому двигателю нужна трансмиссия как минимум с двумя различными передаточными отношениями. Большее необходимо для динамичного трогания с места, а меньшее обеспечит движение с «крейсерскими» скоростями, снижая опасность «перекрутить» двигатель.

Но коробки передач недолго оставались двухступенчатыми. Росли скорости, требования к динамике, экономичности, и передач стало три, четыре, пять... А нынче — почти все спортивные автомобили, да и некоторые серийные (например, BMW 740i и Peugeot 306 XSi) обзавелись шестиступенчатыми механическими коробками. Автоматические гидромеханические трансмиссии тоже имеют четыре—пять ступеней, а трансмиссии грузовиков — и вовсе шестнадцать и даже больше. Причина очевидна: чем больше передач, тем легче для каждого скоростного режима движения подобрать оптимальное передаточное отношение трансмиссии, при котором двигатель будет работать в зоне наибольшего крутящего момента или самых низких удельных расходов топлива. Словом, чем больше передач и чем чаще они меняются, тем выше будет кпд силовой установки.

А теперь отвлечемся от шестеренок и рычагов и попробуем представить предельный случай — трансмиссию с бесконечным числом передаточных отношений, в которой переключения происходят постоянно, а двигатель поддерживает при разгоне обороты, соответствующие максимальному крутящему моменту. Вот она, мечта инженеров-трансмиссионщиков!

ИДЕАЛЬНАЯ ТРАНСМИССИЯ?

Возьмем два конуса, расположим их так, чтобы оси вращения были параллельны, а сужающиеся части направлены в противоположные стороны, натянем между ними ремень — вот и готов простейший конусный вариатор, над чертежами которого размышлял еще великий Леонардо да Винчи. Сместив ремень до упора в одну сторону, мы получим минимальное передаточное отношение вариатора, а, передвигая ремень от края к краю, мы сможем плавно изменять соотношение рабочих диаметров и, таким образом, передаточное число — вплоть до максимального. Такая конструкция вариатора широко использовалась еще в средние века в качестве привода мельничных жерновов.

Потом конусный вариатор стал клиноременным. Ремень приобрел трапецеидальное сечение, а конусы сменили два составных шкива, «разрезанных» по центру ручья-канавки пополам и выполненных раздвигающимися. Когда ведущий шкив раздвинут, его рабочий диаметр получается наименьшим — ремень, повисая скошенными гранями на боковых поверхностях шкива, «проваливается» почти до дна, обкатывая шкив по маленькому радиусу. Если в это время половинки ведомого шкива сжать, например, усилием пружины, то они сдвинутся до тех пор, пока ремень, подобно клину, не «выскочит» наружу шкива и не натянется, обкатывая его по максимальному радиусу. Это будет «первая передача», обеспечивающая максимальное передаточное отношение. Сдвинем разрезной ведущий шкив — и ремень, будучи вытесненным на больший радиус, силой своего натяжения как клином раздвинет ведомый шкив, опустившись глубже. Передаточное отношение при этом соответственно уменьшится, причем плавно и бесступенчато.

К началу XX века клиноременный вариатор прочно занял свое место в индустрии и сельском хозяйстве. Но автомобильные конструкторы на него особого внимания не обращали — ведь ремни тех лет сильно проскальзывали, и кпд такой передачи, особенно при сравнительно больших оборотах и мощностях, был небольшим. Но эксперименты с бесступенчатыми трансмиссиями не прекращались. Austin серийно выпускал малолитражку с так называемым торовым вариатором. Это был тяжелый, сложный механизм и к тому же подверженный быстрому износу.

Немецкий конструктор Граде создал одноименный автомобиль с фрикционным вариатором — крутящий момент с огромного, обитого толстой подошвенной кожей маховика снимался небольшим колесомфрикционом, прижимаемым к нему ближе или дальше от центра. Естественно, что кожа быстро изнашивалась и замасливалась.

Автомобили Minerva имели одно время бесступенчатую импульсную передачу с преобразованием вращательного движения коленвала в возвратно-поступательное качание рычага с переменным плечом опоры и обратно во вращательное. Эту конструкцию погубили ударные нагрузки.

Автомобилисты не вспоминали о клиноременном вариаторе до 1958 года. Неизвестно, что именно натолкнуло голландского инженера Хуба ван Доорна, аладевшего вместе со своим братом Вимом небольшим автозаводом Van Doome Automobilfabriek, обратить внимание на клиновой ремень. Возможно, привод знаменитых голландских мельниц, а может быть, вариаторная передача жатки комбайна... В 1958 году DAF, выпускавший дотоле только грузовики и автобусы, представил публике маленький автомобильчик DAF 600 с двухцилиндровым оппозитным «воздушником» рабочим объемом 590 куб. см. Самой вкусной «изюминкой» машинки была конструкция трансмиссии Variomatic. Сразу после автоматического центробежного сцепления в трансмиссии был установлен дифференциал, который передавал крутящий момент на два ведущих вариаторных шкива, управляемых центробежными и вакуумными регуляторами. От ведущих шкивов вращение двумя клиновыми ремнями (они были выполнены зубчатыми для большей гибкости и лучшего сцепления со шкивами) вращение передавалось на ведомые шкивы, установленные на качающихся полуосях задней независимой подвески, и через маленькие редукторы — на колеса. 22-сильный моторчик и вариаторы позволяли машине разгоняться до скорости 90 км/ч, при этом водитель малышки был избавлен от необходимости оперировать педалью сцепления и рычагом КПП.

Шли годы, росла мощность двигателей, завод DAF был куплен концерном Volvo, вариатор Ван Доорна перекочевал в качестве экзотического «автомата» на автомобили Volvo 3-й серии и прекратил свое существование только в середине 80-х годов. Но особой популярностью вариатор из Голландии и тогда не пользовался. Во-первых, резиновый ремень служил максимум 30000 км, а чаще и того меньше, причем порваться он мог в любую минуту, и тогда автомобиль застывал. Вовторых, динамика и экономичность автомобилей с вариатором были хуже, чем с «механикой» и даже с обычным «автоматом», который к середине 80-х годов стал достаточно компактным и не очень дорогим. А в-третьих, с «вариаторными» автомобилями Volvo случались скандалы — бывали случаи, когда пластмассовая заглушка с карбюратора попадала внутрь трансмиссии и вызывала самопроизвольный рывок автомобиля вперед. Одну даму на Volvo 345 таким образом вынесло на трамвайные пути, где она и столкнулась с не ожидавшим такой прыти трамваем.

Словом, детище Ван Доорна было одной ногой в могиле архивов.

ВАРИАТОР УМЕР. ДА ЗДРАВСТВУЕТ ВАРИАТОР!

Возродить клиноременный вариатор помогли новая технология, электроника и... голландское упорство. Влюбленный в свое детище и уверенный в его будущем. Ван Доорн ушел из фирмы DAF и в 1965 году собрал небольшую команду инженеров под вывеской VDT — Van Doom Transmissie. Ключевой идеей для усовершенствования вариатора была конструкция со стальным ремнем, не подверженным столь быстрому износу. Работа над проектом началась в 1971 году. VDT несколько раз была на грани банкротства: исследования финансировались нерегулярно. Заказчиками в разные времена были и DAF, и Fiat, и Ford. Один раз Ван Доорна спасло от финансового краха только голландское правительство...

В процессе работы над стальным ремнем было сделано открытие — нанизанные на полосы металлические сегменты, толкая друг друга, передавали крутящий момент куда лучше. Итак, благодаря стальному наборному ремню проблема проскальзывания и ресурса вариатора была решена если не полностью, то уж в значительной степени. Осталось оптимизировать управление вариатором, отработав наилучший алгоритм изменения передаточного отношения в зависимости от условий движения.

   

Трансмиссия Variomatic была интегрирована с независимой задней подвеской —ремни вариаторов перекручивались, играя роль шарниров полуосей. Цилиндры на шкивах вариаторов — это исполнительные механизмы вакуумного корректора передаточного отношения

Вот оно, изобретение специалистов VDT. Стальные сегменты замысловатой формы,
похожие на стилизованные стрелочки, нанизаны на две стальные 12-слойные полосы

Вариатор малютки DAF управлялся центробежным автоматом и вакуумным приводом. Первый по мере роста оборотов двигателя «повышал передачи», а второй при падении разрежения во впускном коллекторе, как это бывает в нагруженных режимах при открытой дроссельной заслонке, «включал пониженные». Но суммарная характеристика обоих механизмов все же была далека от оптимальной.

А ведь теоретически вариатор хорош тем, что разгонная динамика и экономичность автомобиля с бесступенчатой трансмиссией должны быть лучше, чем у «механики». Например, при интенсивном разгоне двигатель, практически минуя невыгодные переходные режимы, выходит на обороты, соответствующие максимальному крутящему моменту, а набор скорости осуществляется за счет изменения передаточного числа вариатора. И если в процессе движения выдерживать идеальные соотношения между скоростью автомобиля, нагрузкой на двигатель и его оборотами, то кпд такой силовой установки будет очень велик.

Там, где пружинки, грузики и вакуумные мембраны пасуют, помогает электроника, и особенно хорошо это известно японцам. Возрождение вариатора началось именно с Востока—в 1987 году фирма Fuji Heavy Industries, под чьим крылышком выпускаются автомобили Subaru, совместно с инженерами VDT представила миру первый серийный клиноременный вариатор со стальным ремнем, электромагнитным сцеплением и электронным управлением, окрещенный ECVT (Е — от слова electronic). Им оснащалась маленькая машинка Subaru Justy, причем ремни для вариаторов поставляли голландцы.

Дальше — больше. Примеру Subaru последовал Fiat с моделью Uno Selecta, потом Ford (Fiesta), Nissan (Micra). Кстати, на последней машине мы ездили около года тому назад (см. АР № 16, 1995). Заметьте, все эти автомобили — с моторами небольшого рабочего объема, от 1000 до 1600 куб. см. Неужели вариатор не в состоянии передать крутящий момент повыше?

ВАРИАТОР И ФОРМУЛА-1

Ван Доорн был уверен в обратном и, чтобы убедить окружающих автомобилистов, обратился к легендарному Джеку Брэбхэму, конструктору и гонщику. Тот по заказу Ван Доорна спроектировал и построил несколько автомобилей формулы-3 с вариатором и даже гонялся на них, впрочем, без особого успеха. Было это в середине 60-х, а в 1991 году менеджер VDT начал переговоры с Патриком Хэдом, техническим директором команды Williams! «Очень мило, но годится только для малолитражек», — реакция Хэда была типичной для образованного европейского автомобилиста. Но специалистам VDT все же удалось убедить руководство команды, и через полтора года Williams Variomatic был готов для тестов. Сам вариатор, включая наборный из стальных сегментов ремень шириной 30 мм, изготовили на VDT, корпуса, шестерни и сцепления — на Williams, а электроникой и алгоритмом управления трансмиссией занимались обе команды совместно. В 1993 году болид с вариатором опробовал Дэвид Култхард. Результаты обнадеживали — автомобиль с CVT чуть-чуть выигрывал у обычного на каждом ускорении, повороты можно было проходить быстрее, а тормозить — позже. Все было подчинено одной цели — забыв про экономичность, поддерживать на колесах максимальный крутящий или тормозной момент.

устройство вариатора

Работа шла, срок службы ремня при сумасшедших мощностях формульных моторов достиг четырех часов, достаточных для одной гонки, квалификаций и тренировок, как вдруг чиновники из FIA мигом спустили инженеров с небес на грешную землю, запретив все электронно-управляемые устройства, «хитрые» подвески и трансмиссии. А ведь, вполне вероятно, вариатор мог стать «самой спортивной» трансмиссией. Для него не нужно подбирать передаточные числа под каждую трассу — пилот может менять и коррекгировать алгоритм «переключений»

в процессе гонки. А можно даже создать «виртуальную механическую КПП», зафиксировав сколько угодно передаточных чисел и переключая их традиционными кнопками на руле. Впрочем, такие вариаторы уже разработаны и для обычных автомобилей.

ВАРИАТОР ВЗРОСЛЕЕТ

Дело Ван Доорна живет и побеждает. Производство вариаторов ширится, и одна только Fuji в сотрудничестве с VDT уже изготовила около миллиона агрегатов, устанавливаемых на автомобили Subaru, Nissan, Honda, Fiat и Ford. Пока самым мощным серийным автомобилем с вариатором остается Honda Civic 1,6 ES VTEC Multi-Matic, но в ближайшее время, очевидно, жизнь предложит вариатору нечто большее, чем 114 л. с. и 140 Нм хондовского мотора. Fuji и VDT совместно с инженерами Porsche разработали и испытали несколько трансмиссий, способных работать с мощными двигателями рабочим объемом свыше трех литров! Модель Р884, снабженную ремнем шириной 30 мм (как у «формульного» вариатора), испытали на автомобилях Lancia Dedra (2,0 л, 113 л. е., 160 Нм), Volkswagen Coif VR6 (2,8 л, 170 л. е., 230 Нм) и Chrysler Voyager (3,3 л, 163 л. с. и 250 Нм). При разгоне 0—100 км/ч «в пол» Voyager с вариатором выигрывает у собрата с обычным гидромеханическим «автоматом» одну секунду! И ремень не рвется...

Новый перспективный вариатор оборудован электронным контроллером и может работать в трех режимах — спортивном, экономичном и... ручном (tipshift)! Этот режим «виртуальной механической КПП», разработанный Fuji Heavy Industries совместно со специалистами Porsche, имитирует работу «последовательных», секвентальных трансмиссий, выполненных на базе «автомата», как Tiptronic (Porsche, Audi), или на базе «механики» (BMW МЗ, Opel МАХХ). Но, в отличие от них, «ручному» вариатору можно задать любое число «передач» и любые передаточные отношения, что открывает для активного водителя массу перспектив. Хочешь наслаждаться привычной жесткой связью двигателя с ведущими колесами — передвигай рычаг селектора вариатора вправо и «гоняй» передачи вниз-вверх. Не нравится подбор чисел — поворотом рукоятки можно «сблизить» или «удлинить» передачи, а, может быть, даже влезть в программу и задать свои «расстояния» между передачами. Ну, а если устал, то можно вернуть рычаг в позицию Drive и спокойно катить, давая вариатору делать свое бесступенчатое дело. Красота...

ВАРИАТОР В КРУГУ РОДНЫХ И БЛИЗКИХ

Вообще клиноременный вариатор имеет довольно много общего с другими трансмиссиями. Есть дальняя родня по линии «бесступенчатости» — это уже упоминавшиеся фрикционные, импульсные и торовые вариаторы, ныне почившие в бозе, и гидрообъемная трансмиссия, которая встречается преимущественно на тяжелых спецтягачах.

Пакет фрикционов (слева) выполняет роль сцепления. Справа —масляный насос, подающий ATF-жидкость в гидропривод и для смазки ремня

Механизм вариатора Multi-Matic. Ведущий шкив (справа) раздвинут, и передаточное отношение сейчас максимально («первая передача»)

Планетарные шестерни и фрикционы — как у гидромеханической коробки передач

       
Селектор вариатора CVTip. Левый ряд — как у «автомата» (Р, Я, N, D, D2),
а правый — как у «секвентальных» КПП (+/-)

Вариатор ECVT, компонованный с 2,2литровым «оппозитником» baru и полноприводной трансмиссией

С обычными коробками передач вариатор имеет схожие узлы. Например, на холостом ходу при полной остановке вариатор необходимо отключить от двигателя. Сделать это можно или сухим однодисковым сцеплением (как в «механике», но управляемым электро- или гидроприводом), или с помощью гидротрансформатора, как в «автомате». Конструкторы пробуют разные варианты. Перспективная модель Р884 снабжена гидротрансформатором, вариатор Subaru Justy — сцеплением с электроприводом, а в трансмиссии MultiMatic, используемой на автомобилях Honda, роль сцепления играет пакет фрикционов на ведомом валу вариатора. То есть, когда машина стоит на месте, ремень вариатора крутится, но вхолостую, а при трогании с места нагружается включением фрикционов. Кстати, всеми фрикционами и тормозами планетарных передач, как и сдвижением-раздвижением половин вариаторных шкивов, сейчас заведует гидравлика, как и в гидромеханических «автоматах». Поэтому есть у вариаторов и потери на привод обязательного масляного насоса, и потери на барботаж масла. Ведь стальные сегменты ремня работают «помокрому», в масляной ванне с ATF-жидкостью.

Кпд серийных вариаторов пока не поднимается выше 85—92%, достигая заманчивого значения 95% лишь у опытных образцов. Но разработчики клиноременных вариаторов не сдаются, продолжая дело Ван Доорна и стремясь поднять кпд трансмиссии на небывалую высоту — туда, где сияет недоступная, но такая желанная цифра 100...

Л. ГОЛОВАНОВ Иллюстрации фирмпроизводителей,
из архива Л. Шугурова и газеты Automobil Revue