что такое бесступенчатая трансмиссия
Бесступенчатая трансмиссия
Бесступенчатая трансмиссия (англ. Continuously Variable Transmission, CVT ) — вид трансмиссии (передаточного устройства между двигателем и движителем (колёсами, гребным винтом и т. п.)), которая способна плавно изменять коэффициент передачи (отношение скоростей вращения и вращающих моментов двигателя и движителя) во всём рабочем диапазоне скоростей и тяговых усилий.
Содержание
Типы бесступенчатых трансмиссий
Бесступенчатые трансмиссии, как правило, классифицируются (называются) по типу передачи, обеспечивающей бесступенчатое изменение коэффициента передачи:
История вариаторных трансмиссий
Первая бесступенчатая трансмиссия была запатентована в 1886. С 1950-х гг., 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 DAF (DAF 600), а после продажи отделения DAF, выпускавшего пассажирские автомобили, патент унаследовала Volvo. В 1987 клиновые вариаторы, на этот раз с цепным приводом, были запущены в массовое производство Ford и FIAT (Ford Fiesta, FIAT Uno). В то же время Subaru наладило производство своей CVT, которую поставляло и поставляет другим автопроизводителям. В конце 1990-х гг. вариаторы начали устанавливать и на машины среднего класса, взамен традиционных гидромеханических АКПП.
Вариатор
В основе CVT DAF и большинства современных автомобильных вариаторов — клиноременная передача. Один, или оба шкива (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 мопедов и автомобилей особо малого класса; для более тяжёлых машин применяется цепная передача на том же конструктивном принципе.
Комбинированная трансмиссия
CVT, установленная на автомобиле Toyota Prius, разработчики назвали PSD (Power Split Device, устройство распределения мощности — а по-японски оно называется «трёхходовая муфта»). Построено PSD на основе хорошо известной планетарной передачи, 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 (ДВС) 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 +6000об/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 ДВС, приводит в движение автомобиль. Такой гибридный привод в целом называется HSD (Hybrid Synergy Drive — гибридный синергический привод).
Что такое бесступенчатая трансмиссия
Бесступенчатые трансмиссии CVT и особенности их устройства
Современные автомобили проектируются с учетом множества факторов. Если отброс ить выражение : что «автомобиль – это средство передвижения из пункта А в пункт Б», то комплектация, дизайн, характеристики и т.д. настолько важны для современного покупателя, что порой об изначальном назначении автомобиля можно и забыть.
Невозможно одной фразой обозначить все то, что сконцентрировано в автомобиле сегодня. Остановимся на одной – комфорт движения применительно к трансмиссии:
а именно – как бесступенчатая трансмиссия повышает комфорт при движении автомобиля.
Перед изготовителями стоят непростые задачи:
— как сделать комфортный и недорогой автомобиль в определенном сегменте (классе)
— как снизить расход топлива и добиться экономичности
— как снизить токсичность выхлопа и улучшить экологию производства
Ответом для многих изготовителей стало использование новых типов трансмиссий, так называемых бесступенчатых трансмиссий или CVT. Внедрение этих трансмиссий позволило улучшить и экологический вопрос – снижение токсичности выхлопа.
Изначально эти трансмиссии были созданы для улучшения плавности движения, так как в них не было фиксированных передач. В дальнейшем использование этих трансмиссий позволило решить задачи по топливной экономичности и экологичности.
Нынешние тенденции автомобилестроения связаны с экологией в большей мере. Это прослеживается не только в применяемых материалах при изготовлении автомобилей, но и во внедрении разработок комплексного характера, призванных уменьшить расход топлива. Иными словами – недостаточно поставить современный мотор в кузов 30 летней давности – это решит только часть проблем.
Например: если технология безсвинцовой пайки компонентов электронных блоков автомобилей носит только экологический характер, а материал, из которого изготовлены узлы, подлежит переработке – то это решение экологических вопросов, связанных с загрязнением окружающей среды. А снижение расхода топлива – это, в дополнении к экологическому, и экономический эффект. Однако суммируются все составляющие.
Как добиться экологии и экономии, не изменяя всю конструкцию автомобиля?
Инженеры модернизируют узлы, заменяя в них те компоненты, которые не соответствуют требованиям сегодняшнего дня. Один из таких узлов – трансмиссия, а именно – коробка передач. Первоначально коробки передач были механические, где выбор передачи был возложен на водителя. В соответствии с режимом движения, водитель обязан был включить ту или иную передачу (изменить передаточное число). Как показала практика, далеко не все водители могли это сделать вовремя. Часть водителей так и не научились в принципе управлять ручной коробкой передач. Это приводило к потере внимания и аварийности, особенно городах с интенсивным движением. Машина “управляла” водителем, так как “заставляла” выбирать передаточное число каждый раз при изменении режим движения. Кроме этого, неправильный выбор передаточного числа перегружал двигатель, чрезмерно изнашивая его и резко повышая токсичность выхлопа.
С внедрением автоматических коробок передач ситуация резко улучшилась. Теперь не машина управляла водителем – а водитель одной педалью выбирал режимы движения. Произошло снижение аварийности и за руль смогли сесть люди, которым не дано было освоить переключения ручной коробки на таком уровне, что бы их вождение не предоставляло опасности для окружающих. Токсичность выхлопа была снижена, так как водитель уже не мог совершить грубых ошибок выбора передаточного числа. Мотор мог работать в оптимальном режиме с точки зрения его ресурса и эмиссии выхлопа. Комфорт движения и легкость управления сделали автомобиль массовым.
Автоматическая трансмиссия работает таким образом, что все элементы находятся в постоянном зацеплении и в любой момент времени всегда включена определенная передача. Момент выбора передач был автоматизирован от условий движения.
Рассмотрим скоростные и тяговые характеристики автоматической трансмиссии.
 Рис 1. Скоростная характеристика трансмиссии |
Как видно из графика, при разгоне автомобиля ступенчатые АТ и РКП имеют “ пилообразную” характеристику. Иными словами они приближаются в какой-то момент к оптимальной характеристике двигателя, но полностью повторить ее не могут. Частичная аппроксимация кривой достигается в многоскоростных АТ (известны 7-ми ступенчатые АКПП), но все равно в определенные моменты работа двигателя будет неэффективна с точки зрения оптимизации отбора максимального крутящего момента. Многоскоростные АКПП намного сложнее и дороже, кроме того, они обладают большей массой. Это не вписывается в экономику производства автомобиля – при стремлении сделать более дешевый экземпляр, который должен быть экономичным, в том числе и из-за снижения общего веса. Кроме всего моменты переключения в MT и AT можно назвать “перегазовками “ – резким скачком оборотов двигателя. В этих переходных моментах работа двигателя не оптимальна с точки зрения эмиссии, толчки и удары приводят к дополнительному износу механизмов. Комфорта эти рывки тоже не добавляют.
Тяговая характеристика крутящего момента на выходном валу трансмиссии CVT лишена провалов, так как передаточные числа меняются линейно, а не ступенчато. Тем самым обеспечивается плавность движения при разгоне. Неравномерность крутящего момента двигателя от оборотов в АТ только умножается на передаточное число каждой передачи. Этим объясняется рывки и толчки при наборе скорости с АТ.
Высокий крутящий момент при нулевой скорости (Рис.2) обусловлен работой гидротрансформатора (ГТ), который из-за особенности конструкции в режиме ГТ, (трансформации крутящего момента) способен увеличить его теоретически в 2 раза, по сравнению с входным моментом от двигателя.
Решение данных проблем возможно только бесступенчатой АКПП (или CVT). Повторить кривую крутящего момента с максимальным приближением может только CVT. Так как изначально такая трансмиссия не имеет фиксированных передаточных чисел, а диапазон изменения очень большой и линейный, то в принципе, посредством электронного управления, можно получить любое передаточное число в заданном диапазоне.
Какие преимущества имеет CVT перед ступенчатыми трансмиссиями:
— плавность хода, особенно в области малых скоростей
— топливная экономичность за счет оптимизации работы двигателя
— снижение токсичности выхлопа
— оптимизация скоростных и тяговых характеристик
Рис. 3 Топливо – экономическая характеристика
трансмиссии
Первые CVT на серийные автомобили стала устанавливать фирма NISSAN, и этим автомобилем была MICRA в Европе, или MARCH в Японии.
Модель этой трансмиссии была RE0F05A. В дальнейшем все остальные модели трансмиссий были усовершенствованием предыдущей. В начале 90-х годов не было технологий, позволяющих сделать дешевую CVT для автомобилей с большой мощностью мотора, и такие трансмиссии в основном ставились на маломощные моторы до 1300 см³. Трансмиссия первого поколения не способна была “переварить” большой крутящий момент. На сегодняшний момент эти машины почти не встретить на дороге из-за возраста. Но технологии не стояли на месте и фирме удалось разработать CVT, способную передавать крутящий момент от 2-х литрового двигателя мощностью 150 – 190 сил. Таким мотором в базовой линейке NISSAN был SR20. И вот в конце 97 года NISSAN выпускает серийно легковой седан с CVT трансмиссией. Это был NISSAN BLUEBIRD (синяя птица) c трансмиссией REOFO6A. Инженерные разработки этой трансмиссии используются как базовые для остального модельного ряда 2000х годов. Основу всех модификаций составляет стальной клиновый ремень и два конусных шкива с раздвижными половинами. Шкивы сжимают ремень, и за счет силы трения, ремень передает крутящий момент с одного шкива на другой.
Схематично это выглядит так:
Пластины набраны в пакет, этот пакет от рассыпания удерживают стальные ленты, набранные в пакет. На звеньях цепи есть направляющие приливы, они предназначены для укладывания звеньев в пакет при перегибе ремня. Так как крутящий момент передается нижней ветвью ремня, то стягивающие пластины не несут нагрузки растяжения – сжатия. Это позволяет увеличить передаваемый момент без разрушения коробки – нагрузку воспринимают звенья нижней ветви, как бы толкая ведомый шкив.
Почему более правильно назвать эту конструкцию ремнем, а не цепью? Скорее всего, потому, что у цепи должны быть звенья, а у звеньев зацепы для соединения со звездочками. Если рассматривать велосипедную цепь или цепь привода ГРМ современных моторов – то в зацеплении участвуют зацепы, как со стороны цепи, так и со стороны приводимого ей вала. Здесь нет зацепов, так как основной критерий – это трение, за счет которого происходит передача момента со шкива на ремень и обратно. Но не все CVT выполнены по такой схеме. Например, на CVT AUDI используется совсем другая конструкция ремня от компании Luk – там звенья нанизаны на оси и имеют большую подвижность и радиус перегиба. Но в этом случае именно штоки и сегменты ремня Несут нагрузку, так как рабочей является верхняя часть – эта конструкция работает как велосипедная цепь – тянет верхней ветвью.
Преимущества ремня LUK – больший радиус перегиба – тем самым можно получить больший диапазон изменения передаточных чисел. Недостаток – более сложная конструкция, нагрузка на сегменты и штоки за счет перегибов приводит к износу и появлению зазора в сегментах цепи, так как штоки являются как шарнирами, так и фиксаторами.
Преимущества ремня NISSAN – более дешевая конструкция, отсутствие зазоров от времени. Недостаток – нельзя сделать малый радиус перегиба, так как снижается ресурс стальных лент, вследствие этого диапазон передаточных чисел ограничен.
Рис.5 Конструкция ремня CVT компании Luk
Несмотря на то, что подвижная и неподвижная половинка шкива вращаются синхронно, за счет люфта в подвижном соединении возникает угловое смещение одной половины шкива относительно другой. Каждый ремень сконструирован так, чтобы компенсировать эти смещения. Если в LUK – это сферические торцы и вращение звеньев, то NISSAN оставляет зазор в пакете пластин, который выбирается в нижней части ветви при формировании радиуса дорожки.
В процессе работы любой трансмиссии возникают потери, которые снижают ее КПД.
О том, как разработчики снижают потери, улучшают динамические характеристики, снижают токсичность выхлопа и повышают топливную экономичность, вы узнаете в следующей статье.
ГАДЖИЕВ А.О
© Легион-Автодата
Что такое вариатор на автомобиле – самое простое объяснение устройства, принципа работы и его недостатков
Добрый день, дорогие друзья. Сегодня подробно разберем еще одну автоматическую коробку передач – вариатор. Объясню, из чего он состоит, как работает и почему многие бояться этой коробки. Начнем с самого главного – что это за «зверь».
Что такое вариатор в машине
Вариатор в автомобиле – это автоматическая, бесступенчатая коробка передач. Простыми словами – КПП, которая не имеет фиксированных передач. То есть, в ней нет шестеренок, которые отвечают за передачу крутящего момента от мотора к колесам.
Если в классической АКПП есть определенный набор шестерёнок, которые включаются и выключаются на определенных скоростях и оборотах двигателя, то здесь подобной конструкции нет. Все передачи виртуальные. Они запрограммированы в ЭБУ и в зависимости от определенных условий, происходит «магия» изменения передаточного числа. На приборке вы можете видеть цифры «1», «2», «3» – это индикаторы выдуманных передач, чтобы вам было спокойно, и вы знали, что как бы включена какая-то скорость.
Хотя нет, обманул, есть планетарная передача. Она отвечает за движение автомобиля задним ходом – это задняя скорость. А передача крутящего момента от силового агрегата к колесам происходит через ремень или ролики.
В первом случае – используется ременная или цепная передача. Во втором случае – вместо ремня применяются ролики, он называется тороидальный. Конструктивно такой вариатор немного отличается от клиноцепного или клиноременного (первого варианта).
Роликовая или тороидальная бесступенчатая КПП отличается от классической ременной наличием роликов в механизме передачи момента. Они используются вместо ремня или цепи. В ней конусообразные пластины неподвижные. Изменение передаточного числа осуществляется за счет изменения положения роликов относительно конусных пластин шкивов.
Для общего сведения. Вариаторные коробки первыми стали использовать на мопедах и скутерах. Позже они появились на снегоходах, легковых и грузовых автомобилях DAF.
Как устроен вариатор
Вариаторная коробка в своей конструкции имеет основные элементы:
Это основные части вариатора, которые отвечают за передачу крутящего момента от двигателя до колес, «нетралку» и заднюю скорость.
Кроме этого, есть рычаги и винт. К рычагам присоединены противоположные диски шкивов. Они могут двигаться в осевом направлении, изменяя диаметр каждого шкива, изменяя передаточное соотношение.
Шкивы
Каждый из них состоит из двух конусообразных пластин. Одна из них подвижная, двигается в осевом направлении по шлицам на валу.
Обычно подвижными делаются противоположные пластины двух шкивов. Двигая их, меняется расстояние между пластинами, изменяя диаметр шкива. Разный диаметр – разное передаточное число между ними.
Ремень и цепь
Бывает двух видов:
Клиновидный или клиноременной
Принцип работы вариатора не допускает применение резиновых или тканевых ремней. При прижатии конусообразного диска он может сложиться, переломиться. КПП начнет «буксовать», прервется передача момента от ведущего к ведомому валу. Все закончиться дорогостоящим ремонтом коробки.
Клиновидный ремень бесступенчатой трансмиссии состоит из одной или двух лент. На них нанизаны металлические сегменты в виде «бабочек» (форма может отличаться от производителя коробки передач). Эти сегменты контактируют с пластинам шкивов. От их формы зависит эффективность передачи момента и износостойкость, долговечность ремня.
Решили разобрать ремень вариатора, чтобы показать его устройство (если видео у вас не воспроизводится, напишите об в комментариях)
Клиноцепной
Она состоит из множества пластинок, соединенные цилиндрическими осями. Подобный тип цепи обеспечивает наименьший угол излома, долговечность. При контакте с поверхностями конусообразных дисков, возникает высокая температура. Поэтому цепь омывается дополнительно смазкой, чтобы продлить срок службы её и всему вариатору.
В отличие от клиновидного ремня, цепь обеспечивает высокий КПД коробке, большой диапазон передаточных чисел. Но стоимость его выше, что увеличивает цену вариаторной КПП.
Тороидальный или роликовый вариатор
Здесь вместо ременного механизма используются ролики. Шкивов нет, вместо них два конусообразных диска, расположенных друг против друга. Один закреплен на ведущем валу, второй на ведомом.
В отличие от ремня, диски неподвижные. Между ними находятся подвижные ролики, которые могут двигаться в сторону ведомого или ведущего вала. Изменение передаточного числа происходит за счет уменьшения или увеличения плоскости касания роликов конусообразных дисков. Крутящий момент передается только за счет силы трения роликов и поверхности конусов дисков.
Как работает бесступенчатая CVT коробка передач
Рассмотрим принцип работы двух типов вариаторов – клиноременного и тороидального (роликового) вариатора.
Ременной или цепной
В этом случае принцип работы одинаковый. Отличие только в применении в качестве передачи крутящего момента ременного или цепного привода. Устройство вариаторной коробки не изменяется.
При помощи подвижного механизма, закрепленного на одном из конусов ведущего и ведомого шкива, происходит изменение эффективного диаметра ремня. То есть, на каждом из шкивов меняется внутренний диаметр. Соответственно, изменяется передаточное число между ведущим и ведомым валами.
При возрастании оборотов двигателя, противоположные конусообразные пластины сдвигаются или раздвигаются, каждая на своем шкиве. Они либо выталкивают ремень наружу при их схождении, либо опускают его вниз, при раздвижении. На картинке показано, как меняется передаточное соотношение при разном положении ремня на шкивах коробки.
Как видно, здесь нет фиксированных передач, потому что нет набора звездочек. Поэтому, вариатор может иметь неограниченное число передач, а значит, широкий диапазон передачи крутящего момента.
В современных вариативных коробках все же есть две звездочки или дополнительный планетарный механизм. Он предназначен для фиксации пониженной передачи или первой скорости, чтобы момент передавался не через ремень, а через шестерни. Это бережёт ремень от проскальзывания и шкивы от царапин при старте автомобиля под нагрузкой. Например, при заезде с места на бордюр, подъем в гору с минимальной скорости или буксование в грязи.
Задняя и нейтральная передача
Когда рассматривали устройство вариатора, то говорили, что в его конструкции есть планетарная передача и набор фрикционов. Так вот, все это хозяйство отвечает за «нейтралку» и заднюю скорость.
Ведущий шкив жестко соединен с водилом планетарной передачи. На ведущем валу установлена солнечная шестерня, которая двумя рядами сателлитов связана с коронной шестернёй. Они своими осями соединены с водилом.
Чтобы обеспечить движение автомобиля прямо, нужно зафиксировать коронную шестерню с солнечной шестернёй. За это отвечает первый пакет фрикционов. Он представляет собой набор пластин. Один ряд которых имеет зубья на внешней части,они соединены с коронной шестерней. На втором ряду зубья расположены на внутренней стороне пластины, они жестко связаны с солнечной шестерней. Весь набор пластин может двигаться в осевом направлении по шлицам.
Как выглядят фрикционные диски и как они работают на планетарном механизме
Таких рядов несколько, пластины чередуются между собой. Между ними есть определенный зазор и они свободно вращаются каждый со своей шестернёй. В этот момент включена нейтральная передача. Под действием гидропривода они смыкаются. За счет силы трения между ними, они фиксируя солнечную шестерню с коронной. Теперь вся конструкция движется как одно целое, обеспечивая движения авто вперед.
При включении задней скорости активируется второй пакет фрикционов и ослабляется первый. Второй набор пластин отвечает за фиксацию солнечной шестерни с корпусом коробки.
Таким образом в работу вступают сателлиты. Коронная шестерня вращается в одном направлении, сателлиты в другом. Так как они жестко связаны с водилом, то оно вращается в противоположном направлении относительно входного вала. Это обеспечивает движение автомобиля задней скоростью.
Видео: Как работает задняя и нейтральная передача в вариаторе
Тороидальный вариатор
Как известно из его устройства, он имеет два неподвижных конуса, направленных друг против друга. Между ними вращаются ролики, которые изменяют свое положение относительно этих конусов.
Механизм изменения положения роликов у каждого производители свой. В некоторых моделях происходит поворот роликов относительно оси конусов. В других вариаторах ролики смещаются вдоль оси вала, а их поворот относительно конусов происходит за счет прижатия к ним. Ролики самостоятельно изменяют свое положение в плоскости за счет центробежной силы.
Недостатки вариаторов
Достоинства CVT
Подведем итог
Многие автолюбители боятся подобных трансмиссий. Зная устройство и принцип работы вариатора, можно легко понять автовладельцев, так как вы знаете, почему у него так много противников. Плюс ко всему, подобная коробка имеет достаточно недостатков. Все они носят финансовый характер, то есть, все что связано с ней, несет затраты больше, чем другие типы КПП.
Например, обрыв ремня приведет к капитальному ремонту вариатора. Чаще её нет смысла ремонтировать, слишком дорого. Многие после этого ищут коробки на разборках, где никто не дает гарантию на них.
Вы являетесь счастливым обладателем вариатора? Напишите в комментариях, как вы с ней живете. Всем будет полезно узнать об этом.
Добавить комментарий Отменить ответ
Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.