Вариаторы и их устройство

Содержание

1. Введение...............................................................................................................3

2. Клиноременный  вариатор...................................................................................5

3. Конструкция вариатора.......................................................................................8

4. Тороидный вариатор.........................................................................................11

5. Гидростатический вариатор.............................................................................11

6. Преимущества и недостатки вариатора, советы по эксплуатации...............17

7. Список использованной литературы...............................................................20

 

1. ваывуапвыпывпвып
 

1. Введение

В последние годы всё чаще слышно про автомобили оснащённые клиноременными вариаторами (CVT). Аббревиатура расшифровывается следующим образом — CVT (Continuously Variable Transmission), что можно перевести как трансмиссия с плавно изменяемым передаточным числом. Этот новый тип трансмиссии устанавливают на автомобили различных марок, включая и все ведущие японские компании по производству автомобилей. Рассмотрим принцип работы и те преимущества, которые даёт новая трансмиссия на примере разработок в этой области у компании NISSAN.

NISSAN лидирует в мире по разработке коробок передач с непрерывно изменяющимся передаточным числом — CVT (фирменное название — Hyper CVT). На выпускаемую в Англии модель MICRA коробка передач CVT устанавливается с 1992 года. Однако CVT, устанавливаемая на автомобили сегмента D c 1997 года — открытие совершенно нового поля деятельности. Этой трансмиссией начали оснащать модели PRIMERA, BLUEBIRD, AVENIR с 1.8 и 2-х литровыми двигателями. Эти машины — не только первые авто из сегмента D, на которые устанавливается CVT, но и первые в мире автомобили с двухлитровым двигателем и такой коробкой передач.

Вариатор CVT предоставляет  водителю возможность выбора режимов  движения, аналогичных обыкновенным автоматическим коробкам: P-R-N-D-L. В новой коробке CVT М-6 с возможностью выбора фиксированных передаточных отношений, справа от традиционной прорези находится еще одна, по которой рычаг селектора может перемещаться к знакам «плюс» или «минус», означающих повышение или понижение передачи.

При рычаге селектора, находящемся  в этой прорези, водитель может пользоваться одним из шести зафиксированных передаточных чисел. Этот рычаг можно просто двигать вперед — назад для переключения на повышающую или понижающую передачу. Новая коробка передач CVT М-6 предлагает водителю больше возможностей при выборе режима движения: спокойное, расслабленное при автоматическом режиме или более динамичное при ручном.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Клиноременный вариатор CVT

Количество возможных  режимов при движении автомобиля бесконечно велико. Поэтому оптимальную  работу двигателя можно обеспечить, если бесконечным будет и количество ступеней в коробке передач. Вариатор – единственный из существующих на сегодняшний день видов КПП позволяет  бесступенчато изменять передаточное отношение между двигателем и  трансмиссией. А это значит, что  для каждого режима работы автомобиля (т.е. скорости и сопротивления движению) удается подобрать наиболее эффективное  значение передаточного отношения, а не усредненное, как в любой  другой коробке передач.

Следствием постоянной работы двигателя в зоне оптимальных  оборотов является высокая экономичность, снижение токсичности выхлопных  газов и лучшая динамика разгона  автомобилей с вариаторами. А  так как передаточное отношение  изменяется плавно, а не ступенчато, то такие автомобили отличаются и  плавностью хода. Отсутствие рывков при  переключениях увеличивает срок службы узлов трансмиссии. Вариаторы  имеют небольшой вес, простую  конструкцию (по сравнению с АКПП) и достаточно надежны. Так же, как  и «автоматы» они избавляют водителя от «ручного» труда.

Так что, имеем идеальную  коробку передач? Увы, нет. Главный недостаток вариаторов состоит в том, что они фрикционные (работают за счет трения, а не зубчатого зацепления), и поэтому могут передавать ограниченный крутящий момент, при превышении которого рабочие поверхности начинают проскальзывать и интенсивно изнашиваться. А это означает, что их нельзя использовать в паре с мощными двигателями.

Вариатор не любит  долгой работы в режиме максимальных нагрузок. "Спортивный" стиль вождения, резкие рывки и торможения приводят к его быстрому износу. Стихия вариатора - спокойное, плавное движение.

Рисунок 1. Принцип действия вариатора.

Рисунок 2. Металлический ремень

В настоящее время на автомобилях  применяют два типа вариатора: клиноременной  и торовый. Клиноременной состоит из двух раздвижных шкивов и натянутого между ними ремня. Один шкив соединен с двигателем, и является ведущим, второй, ведомый, - с ведущими колесами. Шкивы, как уже говорилось, раздвижные, то есть, состоят из двух половинок. Если половинки шкива сближаются, ремень выталкивается наружу, если раздвигаются, ремень проваливается внутрь. Изменение радиусов, по которым вращается ремень, происходит синхронно - когда один шкив увеличивает радиус, другой его уменьшает. В итоге плавно изменяется передаточное отношение: пока радиус ведущего шкива меньше, чем ведомого, имеем пониженную передачу; если радиусы равны - передача прямая; если же ремень на ведущем шкиве вращается по большему радиусу, чем на ведомом — получаем повышенную передачу.

Почему же при такой  простоте и прочих своих достоинствах вариатор стали применять на автомобилях  сравнительно недавно? Проблема заключалась  в резиновом ремне, который не позволял передавать большой крутящий момент. Только с изобретением металлического наборного ремня стала возможной  установка вариатора на легковых автомобилях (о грузовых даже и речи не идет). Такой ремень представляет собой две металлические ленты  с нанизанными на них металлическими пластинками специальной формы. Он передает усилие путём прижима  звеньев друг к другу и толкания их ведущим шкивом. Ведущий шкив толкает зажатые между его  дисков звенья, те толкают соседние, и так далее к звеньям, зажатым  в ведомый шкив. То есть такой  ремень является толкающим, а не тянущим, что позволяет передавать значительно  большее усилие.

В некоторых вариаторах вместо ремня применяется цепь. Принципиальных различий с ремнем нет, есть некоторые  отличия. Первое - цепь передает тянущее  усилие, а не толкающее. Второе –  мощность передается скошенными торцами  осей звеньев цепи.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Конструкция  вариатора CVT

Практические конструкции  вариаторов включают в себя устройства для обеспечения плавного трогания с места, движения задним ходом, систему управления, гидронасос.

В роли сцепления могут  выступать либо пакет фрикционов, либо гидротрансформатор. Пакет фрикционов проще, компактнее, но по плавности  включения и долговечности уступает гидротрансформатору. Поэтому такая  конструкция применяется на недорогих  автомобилях. Гидротрансформатор имеет  большие габариты и массу, зато обеспечивает более плавное трогание, сглаживание рывков, что увеличивает ресурс работы вариатора. Кроме того, вариатор с гидротрансформатором быстрее переходит с низших передач на высшие при резком разгоне.

Для обеспечения движения задним ходом применяется простая  планетарная передача.

Система управления состоит  из блока управления, датчиков, гидросистемы управления шкивами. Получая данные об оборотах двигателя, скорости автомобиля и положении педали акселератора, блок управления определяет оптимальное для данного режима движения передаточное число. По показаниям датчиков скорости вращения первичного и вторичного валов определяется реальное передаточное отношение. При их несовпадении блок управления выдает команду гидросистеме на изменение диаметра шкивов.

Рабочее давление в гидросистеме и смазку деталей вариатора обеспечивает насос, приводимый от первичного вала. Причем давление в системе зависит не от оборотов двигателя, а поддерживается пропорциональным развиваемому крутящему моменту. Чем больше момент, тем сильнее сжимаются диски, предотвращая проскальзывание ремня. От давления, создаваемого насосом, зависит быстродействие вариатора – чем оно выше, тем быстрее изменяется передаточное отношение. Масло в системе применяется специальное, с маркировкой CVT. В качестве напоминания такая же надпись ставится на маляном щупе вариатора.

Электронная система управления позволяет наделить вариатор большим  перечнем дополнительных функций: адаптация  к стилю вождения, экономичный  или спортивный режим, «ручное» переключение передач.

Последняя опция введена  больше в связи с субъективным восприятием некоторыми водителями особенностей работы вариатора, чем  с технической необходимостью. При  резком нажатии на педаль акселератора двигатель вначале выводится  на обороты, соответствующие максимальной мощности, и далее разгон происходит за счет изменения передаточного  отношения вариатора. При этом мотор  все время работает «на одной  ноте». Водителей «с музыкальным  слухом» это раздражает. Поэтому  и вводится «ручной» режим с 6-8 фиксированными передачами, и тогда звук двигателя  с вариатором приобретает ласкающую  слух переменную тональность.

Еще один нюанс конструкции  вариаторных трансмиссий связан с диапазоном передаточных чисел. Прямой передаче соответствует положение, когда диаметры дисков одинаковы. Поэтому низшее и высшее передаточные числа симметричны относительно единицы. А значит, высших передач получается слишком много, а низших, наоборот, недостаточно. Чтобы компенсировать этот недостаток, увеличивают передаточное число главной передачи.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3. Вариатор в разрезе. Конструкция вариатора

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Тороидный вариатор CVT

Рисунок 4. Тороидный вариатор.

Другой вариант  вариатора CVT – тороидная система вариатор CVT – заменяет ремни и шкивы на колеса и ролики. 
 Эта система на первый взгляд кажется отличной от клиноременного вариатора, но все ее компоненты выполняют аналогичные функции и приводят к одному результату – к постоянно изменяющейся трансмиссии.  Вот как она работает: 
- Один диск соединяется с двигателем. Это эквивалент ведущего шкива 
-Другой диск соединен с карданным валом. Это эквивалент ведомого шкива. 
-Ролики или колеса, расположенные между дисками, выполняют задачу ремней, передавая мощность с одного диска на другой.

 

Рисунок 5. Принципиальная схема работы тороидного вариатора.

В торовых вариаторах вместо раздвижных шкивов применяются конусовидные диски, а ремень заменяют ролики. Один диск (ведущий) соединяется с коленвалом двигателя, другой (ведомый) — с трансмиссией. К дискам прижимаются ролики, которые могут вращаться вокруг горизонтальной оси, передавая крутящий момент, и смещаться относительно вертикальной, соприкасаясь с дисками в разных точках. Изменяя положение роликов, меняем передаточное отношение. Если ролик соприкасается с ведущим диском по малому радиусу, то с ведомым он контактирует по большому — получаем понижающую передачу. При вращении по одинаковым радиусам передача будет прямой, а если ролик прижат к ведущему диску по большему радиусу — повышающей.

Торовые вариаторы способны передавать больший крутящий момент, чем клиноременные. При этом им присущи недостатки клиноременных, так как усилие передается также за счет трения. Торовый вариатор дороже, ввиду того, что для изготовления его деталей требуется высокопрочная сталь, а для смазки — специальное фрикционное масло.

 

 

 

5. Гидростатический вариатор CVT

Рисунок 6. Принципиальная схема работы гидростатического вариатора.

Клиноременный вариатор CVT и тороидный вариатор CVT – примеры фрикционных вариаторов CVT, которые работают за счет изменения радиуса контактных точек между двумя вращающимися объектами. Но есть еще один тип вариатора CVT, известный как гидростатический вариатор CVT, который использует насосы переменного объема для варьирования потока жидкости в гидростатические моторы. В данном устройстве вращательное движение коленвала двигателя приводит в действие гидростатический насос. Этот насос преобразует вращательное движение в поток жидкости. В свою очередь ведомый гидростатический двигатель на выходе преобразует поток жидкости обратно во вращательное движение. 
 Часто гидростатическую трансмиссию сочетают с планетарной передачей и сцеплением для создания гибридной системы, называемой гидромеханической трансмиссией. Гидромеханическая трансмиссия передает крутящий момент от двигателя к колесам тремя разными способами. На малых скоростях мощность передается гидравлически, а на больших - механически. Между этими крайними положениями трансмиссия использует и гидравлику, и механику для передачи крутящего момента. Гидромеханическая передача идеальна для спецтехники в тяжелых условиях работы, например, в сельскохозяйственных тракторах.

 

CVT предпочтительней обычной  автоматической трансмиссии, так  как проще, экономичнее и совершеннее. Как и обыкновенная автоматическая коробка, CVT позволяет водителю не напрягаться выбирая передачи. Но вместо ее фиксированных передаточных чисел, CVT самостоятельно выбирает передачу из бесконечного их количества в соответствии с условиями движения и режимом, выбранным водителем.

Использование традиционной автоматической коробки ведет к повышенному расходу топлива вследствие потерь на внутреннее трение и скольжение в постоянно вращающихся частях планетарных редукторов, к тому же включение и выключение передач может вызывать такие же рывки, как при неудачном переключении передач в ручной трансмиссии.

В CVT планетарные редукторы и связывающие их элементы заменены двумя шкивами переменного диаметра, связанными сегментированным стальным ремнем. Один из шкивов является ведущим (приводимым во вращение двигателем), а другой — ведомым, от которого идёт привод на колёса.. Привод включается через электромагнитное сцепление. Система настроена на оптимальное использование режима работы двигателя и обеспечивает идеальную плавность при изменении передаточного числа.

Чтобы использовать больший  крутящий момент двухлитрового двигателя, в новой CVT использован более широкий и крепкий стальной ремень, а система управления шкивами работает под более высоким давлением жидкости в магистрали. Привод ведущего шкива регулируется гидротрансформатором, сходным с обычными автоматическими трансмиссиями, вместо электромагнитного сцепления. Этот гидротрансформатор позволяет автомобилю, оснащенному новой CVT, медленно двигаться при отпущенной тормозной педали, что облегчает парковку и троганье на подъемах.

Чтобы предотвратить традиционный для гидротрансформатора повышенный расход топлива, NISSAN разработал изолирующий  его блокирующий механизм. Благодаря  ему, разница в расходе топлива автомобилей с ручной трансмиссией и CVT или CVT М-6 очень мала. Поэтому водитель, остановивший выбор на любой из этих трансмиссий, может пользоваться всеми преимуществами обыкновенной автоматической коробки передач, совмещая их с совершенством и низким расходом топлива CVT.

Как и все системы новой трансмиссии, блокировка гидротрансформатора, выполняющего роль сцепления, контролируется электроникой. Контрольный блок CVT управляет всеми ее функциями и узлами: гидротрансформатором, гидравлическим масляным насосом, собственно переключением передач, включая заднюю, а также ручным режимом работы CVT М-6.

Активизированный селектором, ручной режим CVT М-6 выбирает одно из шести заранее запрограммированных передаточных чисел. Пять из них близки к передаточным числам обыкновенной ручной коробки передач, шестая — оптимально подобрана для экономичного движения на высокой скорости. Далее водитель переключает передачи простыми движениями селектора вперед — назад. Например, при включенной пятой передаче, что высвечивается на специальной шкале панели приборов, два движения селектора назад означают переход на третью передачу, одно вперед — на шестую.

Система разрабатывалась  вместе с новыми двигателями и шасси автомобиля на огромном количестве дорог Великобритании, Европы и Японии. Время переключения передач оптимизировано и значительно быстрее времени переключения на ручной коробке. На автомобиле, оборудованном CVT М-6, водитель столь быстро и плавно переключает передачи, особенно понижающие, потому что ему не нужно подстраиваться под обороты двигателя и нажимать педаль сцепления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Преимущества и недостатки вариатора

Всем автомобилистам хорошо известно, что коробка передач  легкового автомобиля имеет пять скоростей, а автоматическая может  иметь и до восьми. Вариатор скоростей  имеет неограниченную массу скоростей. Что же это такое вариатор и  насколько он выгоднее механики и  автоматики?

Вариатор — это передаточный механизм, соединяющий двигатель  и колёса. Он может иметь также  иную разновидность привода, которая  состоит из гусеницы и винта. При  таком вариаторе скорость может  плавно изменяться, передавая вращение с ведущего на ведомый диск. Такие  механизмы давно используются в  различных видах транспортных и  спортивно-развлекательных средств: снегоходы, водные мотоциклы, скутера, мопеды, мотоциклы.

 

В автомобилях вариаторы  начали применять с половины двадцатого века, но в серийном производстве передовые  компании стали их использовать только в настоящее время. Автомобиль с  вариатором увеличивает скорость плавно, беспрерывно, напоминая разгон оборотов электродвигателя большой мощности. По мере разгона машины слышится постепенно нарастающий шум. Такой автомобиль зачастую обгоняет другие, более мощные машины, из-за того, что не затрачивается  время на переключение скоростей. Естественно, если взять два автомобиля с одинаковыми  по мощности моторами, то быстрее будет  машина с вариатором.

При дальнейшем сравнении  преимущества автомобиля с вариатором только нарастают. Такие автомобили не откатываются назад при подъёме, не глохнут на светофорах, мягко  стартуют, не перегружая деталей трансмиссии, а также ими очень удобно управлять, ведь у них всего одна педаль вместо двух. Такие автомобили настолько  удобны в управлении, что бытует мнение: «Авто с вариатором —  это автомобиль для женщин-домохозяек», хотя многие профессионалы уже оценили его преимущества при эксплуатации на шоссе и в городе.

Двигатель такого автомобиля работает всегда с равномерным звуком, даже при быстром ускорении. Это  достигается специальной электроникой, уравнивающей нагрузку на двигатель. Для  тех, кто хочет обойтись без стабилизации нагрузки, можно использовать «тип-тронию» — эмулятор переключения фиксированных скоростей. Сигналом водителя подаётся команда вариатору и он переходит к введенному режиму. Для быстрого старта предусмотрена возможность типа «кик-дауна» в автомобиле с автоматической коробкой. Суть ее в том, что передаточное число быстро меняется до наибольшего ускорения на последней позиции педали газа.

Из всего вышеперечисленного очевидны все преимущества автомобилей  с вариаторами перед авто с  другими передаточными механизмами. К этим преимуществам относятся  также: экономия горючего, быстрый старт, большая маневренность движения, механизмы привода, распределяющие равномерно нагрузку на двигатель, а  также главное преимущество —  двигатель работает постоянно в  щадящем режиме, что значительно  увеличивает его межремонтный срок службы и уменьшает время технического обслуживания. Есть ещё одно преимущество — загрязнение окружающей среды  выхлопными газами у авто с вариатором намного ниже, чем у машин с  такими же характеристиками.

Но надо сказать и о  недостатках автомобилей с вариаторами. Как это всегда бывает, всё новое  выявляет, к сожалению, и свои недостатки. Вариатор пока не ставят на автомобили с большой мощностью двигателя, хотя несколько экспериментальных  образцов и запущено в серийное производство. В его наполнителе действует  особая специфическая жидкость, по стоимости дороже масла. За уровнем  жидкости необходимо постоянно следить, а заменить её подобной с другого  автомобиля невозможно.

В работе вариатор использует сигналы многих датчиков: скорость, давление, АВС, положение коленвала и т. п. Если теряется сигнал или датчик выходит из строя, то трансмиссия работает неправильно, и это приводит к аварийному движению. Есть и ограничения по буксировке автомобилей с вариаторами, и по буксировке им других автомобилей. Когда аккумулятор выключен, вариатор производит калибровку по особому алгоритму. Ремонт такой коробки будет стоить тоже не дёшево. Однако, по мнению большинства экспертов, вариатор в будущем займет превалирующее положение, потеснив другие коробки передач.

В заключение остается дать несколько советов автолюбителям  для длительной работы вариатора:

1. контролировать чаще жидкость и менять ее вовремя;

2. в зимнее время не нагружать сильно трансмиссию в начале пути, при буксировке и по бездорожью. Всем деталям механизма Необходимо прогреться при медленном движении;

3. следить за работой датчиков, проверять провода и разъемы на обрыв;

4. если обнаружены неполадки при движении, следует немедленно остановиться и осмотрите двигатель, систему питания, свечи и электрику. А лучше довериться специалистам и пройти диагностику с использованием кодов неисправности, а не заниматься ремонтом коробки самому.

 

Список использованной литературы

1.  "Трансмиссия.ру ", http://www.transmissia.ru/variator/

2. "Вариатор - Википедия",  http://ru.wikipedia.org/wiki/CVT

3.  "Теоретические основы зубчатой  бесступенчатой регулируемой передачи",  С. К. Иванов, Теория Механизмов  и Машин, 2010.,№2. Том 8, стр 36-42