Принцип работы коробки вариатор

Замена ремня CVT

Смена скоростей в CVT осуществляется с помощью ремня или цепи. Сегодня на автомобилях часто устанавливаются вариаторы с металлическим ремнём, состоящим из клинообразных элементов. Это достаточно надёжное изделие, однако и оно может постепенно деформироваться, рассыпаться, растягиваться, наконец, рваться.

Состояние вариаторного ремня влияет на работоспособность всей трансмиссии. Потому его следует вовремя менять. Обычно такая замена выполняется при следующих условиях:

• при деформации и обветшалости связующего изделия;
• по прошествии эксплуатационного периода ремня;
• при ремонте вариатора.

Как правило, износившийся ремень малонадёжен и даёт о себе знать через следующие сигналы:

• отсутствие тяги;
• свист в коробке передач;
• частые толчки и рывки;
• пробуксовки автомобиля и даже его отказ куда-либо ехать.

Для того, чтобы быстрее разобраться с неполадкой в вариаторе, нужно вовремя её обнаружить. К неисправностям, касающимся ремённой передачи CVT, обычно приводят:

• нехватка трансмиссионной жидкости, вызывающая проскальзывание ремня, которое ускоряет износ его поверхности;
• экстремальная езда;
• неисправный датчик скорости;
• препятствия при сдаче назад, нередко приводящие к ударам, влекущим за собой замену ремня CVT.

Примерная стоимость замены ремня CVT составляет от 2000 руб.

Режимы вариатора

Сначала разберем основные режимы работы вариаторной коробки автомат.

Движение вперед

На вариаторной трансмиссии движение вперед обозначается символом D. Этот режим считается основным в работе коробки передач, для его активации селектор переводится в положение D. Вариаторная трансмиссия во время езды автоматически изменяет передаточное число, основываясь на оборотах силового агрегата. Управляющий модуль коробки передач будет производить мониторинг работы агрегата и мотора машины для обеспечения максимальной эффективности работы устройств.

Движение задним ходом

Для активации этого режима селектор коробки передач переводится в положение R. Конструктивные особенности трансмиссионного агрегата: в КПП отсутствует задний ход ведомого вала, который передает вращение на колеса автомобиля. Поэтому агрегат оборудуется дополнительными узлами и механизмами, которые включаются в работу при активации режима R. Чтобы не допустить появления неисправностей, рычаг коробки передач допускается переводить в этом положение после того, как машина полностью остановится. В зависимости от типа авто, для переключения селектора в режим R необходимо дополнительно нажать на специальную кнопку. Сделать это можно только после полной остановки транспортного средства.

Вариаторная коробка передач

«Нейтралка»

Нейтральная передача обозначается буквой N. Если включить селектор коробки в этом положении, то двигатель автоматически отключается от КПП. Использование нейтральной скорости допускается при езде в условиях пробок и длительном простое автомобиля. Также режим нейтральной передачи применяется для запуска автомобильного двигателя, но включать нейтраль при кратковременной остановке нельзя.

Парковка

Режим паркинга на вариаторных КПП обозначается буквой P. Когда водитель переводит селектор в это положение, специальный штифт блокирует ведомый вал трансмиссии. Это позволяет предотвратить вероятность самопроизвольной езды машины. Использование режима парковки допускается при полной остановке машины, когда авто ставится на стоянку. В большинстве авто для активации положения паркинга надо нажать на педаль тормоза и поднять ручник. Это своеобразная защита. Чтобы отключить этот режим, надо выполнить аналогичные действия в обратной последовательности.

Ручное управление

Для ручного переключения скоростей используется специальная выемка на корпусе коробки в салоне с символами «+» и «-». Как таковых передач в вариаторной трансмиссии не имеется, поэтому для удобства используется ручной режим. Вариаторная коробка передач самостоятельно изменяет передаточное число, что имитирует работу ступенчатой трансмиссии. Водитель может менять крутящий момент двигателя во время движения, переключая режимы, но по факту это только условное переключение скоростей.

Добиться полного соответствия функционирования вариаторной трансмиссии и механической коробки не получится, поскольку управляющий модуль следит за оборотами силового агрегата. Когда нужно, он самостоятельно меняет передаточное число. Это делается для предотвращения воздействия повышенных нагрузок на агрегат.

Схема изменения положения роликов при увеличении и уменьшении оборотов

Дополнительные режимы

Вариаторные коробки передач в большинстве современных автомобилей имеют дополнительные режимы работы трансмиссии:

1. Спортивный режим (S). При его активации обеспечивается большая маневренность транспортного средства и более стремительный пуск, когда водитель жмет на газ. Такое положение актуально использовать при эксплуатации авто в интенсивном режиме работы. Но проблема в том, что вариаторные агрегаты изменяют передаточное число значительно медленнее. Благодаря этому обеспечивается хорошая тяга при повышении количества оборотов ДВС.
2. Экономный режим (E). Такое положение — противоположность спортивному режиму. Управляющий модуль после активации настраивает коробку передач таким образом, что силовой агрегат начинает максимально взаимодействовать с КПП. Это обеспечивает минимальное потребление горючего машиной. Разумеется, по сравнению с механикой, вариаторные КПП работают менее экономично.
3. Сложные условия использования (L). Если водитель включает рычаг КПП в это положение, то коробка обеспечивает наибольшее передаточное число, что способствует увеличению мощности ДВС. Использование этого режима актуально при езде по бездорожью, буксировке прицепа и т. д.

Виды и принцип работы вариатора

В автомобильной промышленности применяются два варианта механизмов, различающиеся по устройству. Речь идет о клиноременном и тороидном вариаторах, которые имеют разные конструкции.

Тороидный вариатор не имеет в своем составе ремня, промежуточными элементами являются ролики. Такая конструктивная схема используется реже, но в ней заложен большой потенциал.

Клиноременный

Этот вариант механизма получил наибольшее распространение у компаний, производящих автомобили.

Клиноременный вариатор состоит из одной (реже двух) передач. На двух валах: ведущем и ведомом установлены шкивы, через которые перекинуто кольцо клиновидного ремня. На первых порах при его изготовлении использовалась армированная резина, затем ей на смену пришли стальные конструкции.

Устройство клиноременного вариатора автомобиля

Ведомый и ведущий шкивы состоят из двух частей: конусов, стенки которых имеют наклон около 70 градусов к оси вала. Взаимное перемещение шкивов обеспечивает изменение радиусов и, как следствие, передаточного отношения вариатора.

Для создания управляющего усилия, направленного на смещение конусов друг к другу используются пружины, давление жидкости или центробежная сила.

Принцип работы клиноременного вариатора обеспечивает непрерывность передачи потока мощности и позволяет создать оптимальные условия для работы двигателя. Так, при наборе скорости или, напротив, сбросе силовой агрегат автомобиля получает возможность работать при постоянных оборотах. Тем самым достигается заметная экономия топлива, снижается его износ и как следствие увеличивается ресурс.

Наиболее уязвимой частью такого вариатора является клиноременная передача, узел подвергается значительным нагрузкам. В настоящее время используются стальные конструкции, состоящие из пакета лент, между собой они соединяются пластинами сложной формы.

Передача усилия в таком случае происходит по всей площади контакта боковой поверхности ремня со шкивом за счет возникающего трения.

Устройство ремня вариатора

В другом варианте применяется стальная цепь, а вариатор по аналогии получил наименование клиноцепного. Каждое звено данной конструкции в своем составе имеет несколько пластинок, объединенных цилиндрическими втулками-осями, обеспечивающими минимальный радиус изгиба.

Передача усилия происходит за счет контакта боковой части цепи с рабочими поверхностями конусовидных дисков.

Малая площадь соприкосновения вызывает значительные нагрузки на детали, для изготовления которых применяется высокопрочная сталь. Вариатор клиноцепного типа обладает наибольшим КПД среди аналогичных конструкций.

С другой стороны его цена выше, нежели у клиноременного механизма из-за применения более дорогостоящих материалов.

Стальная цепь для вариатора

Автомобильные вариаторы в силу особенностей своей конструкции не могут обеспечить вращения в обратном направлении и соответственно заднего хода. Для решения данной задачи трансмиссия снабжается дополнительным механизмом, в большинстве случаев – это шестеренчатый редуктор планетарного типа. По принципу действия он совпадает с аналогичным устройством АКПП.

Тороидный

Такой механизм получил меньшее распространение, в основном его разработкой занимается японская компания Nissan. Оригинальный агрегат получил наименование Extroid и устанавливается он на ряде моделей автомобилей.

В устройстве тороидного вариатора имеются два соосных диска: ведущий и ведомый. В сечении они имеют форму равнобедренного треугольника, боковые стороны которого являются частью окружности.

Устройство тороидного вариатора

Между рабочими дисками находятся два ролика плотно прижатых  к ним своими боковыми поверхностями. Указанные элементы подвижны и могут изменять свое положение, синхронно раскачиваясь вокруг осей перпендикулярных к основному валу.

Передача усилия происходит через ролики за счет возникающей в зоне контакта силы трения. Изменение соотношения радиусов приводит к увеличению или уменьшению частоты вращения ведомого вала.

Компания Nissan спроектировала сдвоенную коробку, способную передавать усилие до 300 Нм. Это рекордный показатель для трансмиссий этого типа.

Вариатор с 1999 года устанавливается на ряд мощных заднеприводных моделей, выпускаемых для внутреннего рынка. Агрегат совмещен с планетарным понижающим редуктором, при больших скоростях передача крутящего момента происходит напрямую. В переднеприводных моделях коробка совмещается с дифференциалом и главной передачей.

Коробка вариатор: как правильно ездить

Итак, вариатор CVT является бесступенчатой автоматической трансмиссией, что сильно отличает данный тип коробок передач от аналогов благодаря уникальной конструкции. Переключение передач на авто с вариатором происходит плавно, без толчков, задержек, пробуксовок и т.д.

Машина с такой КПП разгоняется легко, ускорение происходит без малейших рывков, которые в той или иной степени можно ощутить на других типах автоматов, включая даже новейшие преселективные РКПП с двумя сцеплениями. 

Также среди плюсов стоит выделить топливную экономичность CVT по сравнению с АКПП, лучшее распределение нагрузки на ДВС и на трансмиссию, что позволяет не перегружать силовой агрегат и увеличить его срок службы.

Казалось бы, с учетом всех плюсов вариатор можно считать более комфортной заменой для классического автомата, однако это не так. Дело в том, что многие водители отмечают заметно меньший ресурс CVT по сравнению с АКПП, низкую ремонтопригодность вариаторов, высокую стоимость обслуживания и целый ряд ограничений во время эксплуатации. Давайте разбираться.

На первый взгляд, эксплуатация вариатора не отличается от АКПП. Доступные режимы одинаковые, P – парковка, D – движение вперед,  N – нейтральная передача, R – задний ход и т.д.

Также может быть реализована функция ручного управления КПП, которая имитирует понижение и повышение передачи самим водителем (аналогично Типтроник на АКПП).  Дополнительно может присутствовать спортрежим, экономичный режим и т.д.

При этом важно понимать, что вариатор среди всех видов АКПП  хуже всего «переваривает» крутящий момент и наименее подготовлен к высоким нагрузкам. Простыми словами, резко стартовать на вариаторе крайне нежелательно

На такой КПП разгоняться нужно плавно, постепенно поднимая обороты двигателя. В противном случае поломки не заставят себя долго ждать. На практике не единичны случаи, когда у любителей светофорных гонок на новых авто вариаторы выходили из строя уже к 50-60 тыс. км. пробега.  

Также вариатор нужно в обязательном порядке прогревать в холода. Вариаторы предельно чувствительны к смазке, при этом трансмиссионное масло при понижении температуры хуже распределяется по коробке.

Более того, прогрев вариатора CVT на месте по аналогии с АКПП (включение режимов P-R-N-D с задержкой на несколько секунд) для данного типа трансмиссии не подойдет, так как конструктивно вариатор отличается от гидромеханического автомата.

В случае с CVT  нужно прогреть ДВС и включить режим N на несколько сек., что позволит прогреть гидромуфту. Далее нужно начинать движение, сводя нагрузки на коробку к минимуму первые 3-5 км.

Если же температура понизилась до -30 и ниже, от поездок на автомобиле с вариаторной коробкой лучше отказаться. Если ехать нужно, тогда машину потребуется долго греть на холостых, затем допускается езда исключительно в щадящем режиме.

Также вариатор «боится» пробуксовок и повышенных нагрузок. Это значит, что любой кроссовер с вариаторной коробкой никак нельзя считать внедорожником, специально подготовленным к условиям бездорожья и рассчитанным на эксплуатацию в тяжелых условиях.

Еще нужно помнить, что легковые авто и паркетники с CVT плохо приспособлены к буксировке прицепов, не рассчитаны на перевозку тяжелых грузов и т.п. По этой причине владельцам бесступенчатой коробки передач нужно избегать излишних нагрузок на КПП.

Простыми словами, использовать автомобиль с CVT для буксировки другого авто настоятельно не рекомендуется

Что касается автоприцепа, важно, чтобы вес не превышал допустимых показателей. Также могут быть и ограничения по скорости и расстоянию в случае использования прицепа

Если же автомобиль с вариатором застрял в грязи или снегу, лучше отказаться от попыток выехать своим ходом. Переключения селектора между режимами при «раскачивании» авто приведет к быстрому износу шлицевых соединений, ресурс деталей КПП заметно сокращается.

Кстати, если возникает необходимость отбуксировать неисправную машину с вариатором, оптимально воспользоваться услугами эвакуатора. Если же такой возможности нет, тогда нужно придерживаться правил, указанных в мануале касательно буксировки вариатора.

В ряде случаев машину с вариатором, как и с АКПП, буксируют на небольшие расстояния с заведенным двигателем. Если же ДВС не заводится, тогда следует отказаться от попыток отбуксировать машину без вывешивания ведущих колес.

История вариаторной коробки передач CVT

Само название вариатор произошло от латинского слова, означающего в переводе «изменитель». В среде специалистов этот механизм принято называть аббревиатурой CVT, что расшифровывается в английском языке как continuously variable transmission или по-русски «постоянно изменяющаяся трансмиссия». Другие наименования данного механизма: вариаторная коробка, АКПП вариатор или клиноременный вариатор.

Обозначений много, пусть и не все точные, но устройство и принцип действия конструкции при этом не меняется.

По сути, название клиноременный вариатор относится только к одному из видов, который впервые был применен на транспорте. Уже в 1910 году мотоцикл марки Zenith с трансмиссией Gradua-Gear такой конструкции участвовал в гонках и показал хорошие результаты.

После этого участие машин с вариаторами в соревнованиях было запрещено ввиду явного превосходства последних над традиционными коробками передач.

История данного типа трансмиссии в автомобилестроении начинается в 1928 году, когда британская Clyno Engineering Company впервые применила эту схему.

Следующей был голландский автопроизводитель, выпустивший легковую машину DAF 600, оснащенную клиноременным вариатором собственной конструкции Variomatic. Именно эта модель и является первой серийной моделью с данным типом трансмиссии.

На DAF 600 был использован вариатор Variomatic

В последующем вариатор клиноременного типа стал доминирующей, но отнюдь не единственной применяемой в автомобилестроении схемой. Ведущие мировые производители разработали собственные конструкции:

• Fiat устанавливали на свои машины Transmatic;
• Mercedes-Benz – Autotronic;
• Subaru – Lineartronic;
• Honda- Multimatic;
• Audi – Multitronic.

Компания Ford пошла еще дальше и запустила в производство два вариатора: Ecotronic и Durashift CVT, ее примеру последовали и японская Nissan с Xtronic и Hyper.

Перечень можно продолжать и дальше. О больших возможностях такой трансмиссии говорит и запрет на ее использование в гонках болидов Формула-1 просуществовавший вплоть до 1994 года.

Типы вариаторов

Передача вращающего момента в вариаторах происходит за счет сил трения — независимо от типа конструкции, регулирование передаточного отношения, как правило осуществляется путем переноса точек контакта элементов передачи.

Рассмотрим несколько основных конструктивных схем вариаторов.

Лобовой вариатор

Принципиальная схема вариатора с перекрещивающимися валами (или лобового) показана на рисунке.

Ось ведомого вала перпендикулярна оси ведущего. На ведущем валу закреплен диск. Каток с фрикционными накладками установлен на шлицах ведомого вала. Получается, что каток может линейно перемещаться вдоль оси ведомого вала. Если каток вариатора прижат диску то вращение будет передаваться от ведущего вала к ведомому. Причем соотношение скоростей в вращающих моментов будет зависеть от расположения точки касания.

Чем ближе эта точка к центру тем медленнее будет вращаться выходной вал, и тем выше будет вращающий момент на нем.

n1*X=n2r

• где n1 — частота вращения ведущего вала
• n2 — частота вращения ведомого вала
• X — расстояния от центра ведущего диска до точки касания
• r — радиус ведомого катка

Передаточное отношение вариатора (отношение, угловых скоростей, частот вращения, моментов) можно вычислить по формуле:

i=n1/n2=r/x

Диапазон регулирования лобового вариатора определяется минимальным и максимальным значением Х:

D=imax/imin=Xmax/Xmin

Представленная конструкция вариатора позволяет реализовать изменять и направление вращения ведомого вала. Если точку касания диска переместить в противоположную сторону от центра ведущего диска, то направление вращения ведомого вала изменится.

Вариатор с раздвижными конусами

Вариаторы этого типа получили широкое применяют в трансмиссиях автомобилей, мотоциклов, станков. Устройство вариатора с раздвижными конусами показано на рисунке.

Валы установлены в корпусе на подшипниках. Оси вращения ведущего и ведомого валов расположены параллельно.

На ведомом и ведущем валу расположены конические диски, которые могут перемещаться вдоль осей вращения.

Между дисками зажат стальное или армированное резиновый ремень. При вращении ведущего вала, вращение через ремень передается ведущему валу.

Получается, что диски образуют два шкива, между которыми расположен ремень, благодаря конструкции рабочий диаметр шкивов может изменяться, а значит будет меняться и передаточное отношение.

Отношение частот вращения валов вариатора будет зависеть от расположения точек касания дисков и конуса.

Чем дальше точка касания от оси вращения ведущего вала, и чем ближе к оси вращения ведомого, тем выше будет частота вращения ведомого вала.

Передаточное отношения вариатора с раздвижными конусам можно вычислить по формуле:

i=n1/n2=X2/X1

Диапазон регулирования можно вычислить, используя зависимость:

D=imax/imin=(Xmax/Xmin)2

Вариатор с постоянными конусами и промежуточным диском

Устройство вариатора показано на рисунке.

На ведомом и ведущем валу вариатора закреплены конические барабаны, между которыми, на оси расположен каток. С помощью винта каток может перемещаться по оси. Пружина позволяет обеспечить надежное прижатие барабанов и катка.

Передаточное отношение вариатора будет зависеть от расположения точки касания катка и барабанов:

i=n1/n2=X2/X1

Диапазон регулирования будут определяться как:

D=imax/imin=(Xmax/Xmin)2

Торовый вариатор

Конструкция торового вариатора показана на рисунке.

На валах расположены торовые чашки со сферическими поверхностями. Между чашечками установлены ролики, через которые вращающий момент передается от ведомого вала к ведущему.

Регулирование передаточного отношения осуществляется за счет изменения угла наклона роликов. Если ролики перпендикулярны дискам, то передаточное число будет равно 1.

Двухступенчатые вариаторы

Для диапазонов регулирования выше 10 рекомендуется применять двухступенчатые вариаторы, содержащие две фрикционные передачи. Разработаны конструкции с регулированием двух и четырех шкивов. В зависимости от способа перемещения дисков различают:

• вариаторы с принудительным перемещением двух дисков на ведущем и ведомом валах или на промежуточном валу и с двумя плавающими дисками;
• с принудительным перемещением двух дисков и с двумя подгруженными дисками;
• с принудительным перемещением четырех дисков.

КПД двухступенчатых вариаторов с плавающими дисками не составляет 60-85%. Применение схемы с четырьмя принудительно перемещаемыми дисками позволяет повысить КПД вариатора.

Диагностика АКПП

Как и любое устройство, автоматическая коробка требует регулярной диагностики, чтобы проверить нормальное функционирование, и составить дальнейший план действий при обнаружении поломок. Диагностику оборудования должен проводить механик, который может определить наличие неисправности, и дать разумное решение для проблемы.

В ходе диагностических работ механик может провести два варианта проверки. Вначале производится первичная диагностика. Первичный осмотр способен определить крупные неисправности. При необходимости дальнейших манипуляций, необходимо провести углубленную модель работ.

Первичная диагностика:

• Электронный вариант. Диагностика проводится при помощи сканера, который присоединяют к диагностическому разъему. В памяти блока управления необходимо проверить наличие ошибок, чтобы определить место поломки.
• Тест-драйв. Мастер вместе с водителем проводит пробную езду, в ходе движения которой происходит проверка функционирования в специфических режимах. Мастер использует различные стили вождения, чтобы оценить работу машины.

Углубленная диагностическая работа нацелена на проверку каждого элемента. Процедура проведения углубленной проверки:

• Оценивание уровня масла. Если мастер обнаружил следы от протечки масла, то следует найти место, где течет масло. Проверка производится при помощи заливной пробки, которая расположена в поддонной области автоматической коробки. Если масло переливается через края, то уровень нормальный для функционирования.
• Анализ качества масла. Нормальное масло не может иметь запах гари, а цвет должен быть желтым или красным с учетом типа ATF. Если взять масло в руки, не должно образовываться примесей, пены или разводов.
• Наличие отложений в поддоне. Механик демонтирует поддон, и смотрит содержимое. Если элементы оборудования износились, или испорчены, в поддон могут выходить продукты от процессов. Если на поддоне обнаружилась стальная стружка крупного размера, то гидротрансформатор имеет повреждения. Если стружка бронзовая или медная, то подшипники скольжения вышли из строя, и требует замены. Если на поддоне пудра из алюминия, то корзины сцепления испортились.
• Диагностирование давления. Измерять давление можно при помощи манометра.
• Проверка в форме STOP-STALL. Коробка передач может прибуксировать, поэтому тест позволяет проследить подобный момент. Механик держит тормоз, при этом, сильно надавливает на газ. Если нет проблем, то нагрузка на двигатель дает команду не увеличивать обороты. Проводить тест может механик, поскольку неопытный мастер может испортить оборудование.