Вариаторная коробка передач

Что такое вариатор?

Вариатор – это механический узел, предназначенный для передачи усилия двигателя бесступенчато к ведущим колесам. В некотором смысле его можно назвать автоматической коробкой передач, но с совершенно другим принципом передачи крутящего момента.

Классический вариатор - это два раздвижных шкива, соединённых клиновидным ремнем. Вариатор, применяемый в автомобилях, является более сложным устройством, потому что существует необходимость введения «задней скорости» и пониженных передач. В состав вариатора марки CVT (клиноременный вариатор) входят следующие устройства:
➡ Раздвижные шкивы – представляют собой две клиновидные «щеки» на одном валу. Приводятся в действие гидроцилиндром, который сжимает диски в зависимости от оборотов, или по управляющему сигналу от блока управления.
➡ Клиновидный ремень – изготовлен из двух металлических лент, на которые нанизываются металлические пластинки специальной формы. Элементы располагаются плотно друг к другу, верх пластинки выполнен в виде конуса, а в основании имеются пазы, куда вставляются металлические ленты (для клиноременных вариаторов).
➡ Гидротрансформатор – устройство преобразования и передачи крутящего момента, а также плавного начала движения. Более подробное описание в разделе АКПП.
➡ Дифференциал – устройство распределения крутящего момента на ведущие колеса.
➡ Планетарный механизм задней передачи – устройство, для обеспечения вращения вторичного вала в обратном порядке.
➡ Гидравлический насос – устройство, которое приводится в действие гидротрансформатором и предназначено для создания давления рабочей жидкости. Давлением приводятся в действие исполнительные устройства (гидроцилиндры).
➡ Блок управления – микропроцессорное устройство для управления исполнительными устройствами вариатора, в зависимости от сигналов, подаваемых с датчиков (местоположения коленвала, контроля расхода топлива, ABS, ESP и др.).

Существуют вариаторы не только с ременным приводом (вариатор CVT), но и цепным. В основном применяется в автомобилях Audi. Крутящий момент передается, так же как и в CVT, только диски сжимают цепь, которая имеет клиновидные оси звеньев. Цепь передает усилие тянущее, а не толкательное как ремень.

Следующий тип вариатора – торовый.
В состав такого вариатора входят два клиновидных диска. Один диск является ведущим, второй – ведомым. Между дисками находится ролик, который может перемещаться в вертикальном направлении и вращаться горизонтально вокруг своей оси. Таким образом, ролик может соприкасаться с разными радиусами дисков. При соединении ролика с малым радиусом ведущего диска и с большим ведомого, получается низшая передача. Если наоборот – высшая. Прямая передача – это момент соприкосновения ролика с одинаковыми радиусами дисков. Но такой вариант вариатора не получил большого распространения из-за дороговизны и применения специальных смазывающих материалов. Мы же рассмотрим работу самого популярного у автопроизводителей клиноременного вариатора.

При увеличении оборотов двигателя приводится в действие гидротрансформатор, который передает крутящий момент на первичный вал. На первичном валу установлен ведущий шкив и при воздействии на него гидроцилиндра, «щеки» начинают сходиться, что приводит к увеличению трения между ними и клиновидным ремнем. Далее под действием трения усилие передается на ведомый шкив, который соединен с вторичным валом. «Щеки» ведомого шкива в этот момент максимально сведены, то есть получается низшая передача. Далее при развитии оборотов происходит смена диаметров ведущего и ведомого шкивов. Передаточное число увеличивается максимально. Ведомый вал вращает дифференциал, к которому присоединены полуоси ведущих колес. Задняя передача обеспечивается подсоединением к ведомому валу планетарного механизма, который и обеспечивает реверсивное движение ведомого вала. Обеспечивает управление диаметрами шкивом электронная система управления, она же включает, по средствам актуаторов заднюю и пониженную передачу. Как видим, при использовании вариатора нет резких рывков при переключении, обеспечивается более плавный ход и экономия топлива, так как электроника выбирает оптимальный режим оборотов двигателя и передаточное число шкивов. Но уже и не полихачишь!

Но нарекания водителей, у которых появились автомобили с вариатором, были в отсутствии характерного урчания двигателя при смене передач как в механической коробке передач. Конструкторы нашли выход – применили псевдо ступенчатое переключение передач, применив селектор выбора передач. Так, при трогании с места водитель включает первую передачу движения вперед и нажимает на акселератор, затем после достижения определенных оборотов, двигая селектор, включает вторую передачу и т.д. Достигается такое переключение программированием блока управления на фиксированные передаточные числа шкивов. Но возможен переход в полный автоматический режим, в этом случае электроника все выполнит сама. Для включения пониженной передачи селектор переводиться в определенное положение и блок управления не включает повышенные передачи, независимо от оборотов работы двигателя.

Итак, что такое роботизированная коробка передач и какое ее назначение? Роботизированная КПП, как и МКПП и АКПП, имеет следующее предназначение: прием, передача, преобразование крутящего момента с последующей передачей его к ведущим колесам автомобиля. Для человека несведущего, слово «роботизированная» вносит некую неясность, а именно – как робот переключает передачи.

Если ответить с юмором, то в коробке не сидит «дядя робот» и не переключает своими железными руками рычаг управления передачами. Вместо «дяди робота» есть «умная» автоматика управления и необходимое количество исполнительных устройств. Но обо всем по порядку… Условно РКПП (роботизированная коробка передач) состоит из «простой» механической коробки передач, устройств выжима сцепления и переключения передач (актуаторов), микропроцессорной системы управления и внешних датчиков. Можно ли считать РКПП неким вариантом АКПП? Сразу отметим – нет! Принцип построения «робота» ближе к «механике», с автоматическим управлением. Единственное сходство с автоматической коробкой передач это наличие сцепления в корпусе коробки, а не на маховике как в «механике». И в современных коробках находится два сцепления, для чего это нужно расскажем ниже.

Теперь о компонентах и узлах:

1 РКПП – узел, собранный по принципу МКПП, но имеющий два ведущих вала, которые находятся друг в друге, т.е. внешний вал имеет внутреннюю полость, в который вставляется внутренний первичный вал. На внешнем валу находятся шестерни привода второй, четвертой и шестой передачи, для шести ступенчатой коробки. Соответственно на внутреннем валу имеются шестерни пары первой, третьей, пятой и задней передачи. Каждый из валов имеет свое сцепление.

2 Актуаторы – это электрические или гидравлические сервоприводы, которые предназначены для механического передвижения синхронизаторов коробки передач и включения\выключения сцеплений. Электрический актуатор представляет собой электродвигатель с редуктором, а гидравлический - это простой гидроцилиндр, у которого шток связан с нужным синхронизатором.

3 Микропроцессорный блок управления (МБУ) – основной узел «сердцем», которого является довольно мощный процессор. К процессору через буферные порты подключены внешние датчики от двигателя внутреннего сгорания, систем ESP, ABS и др. Обычно блок управления коробкой совмещен с бортовым компьютером. Для хранения данных о том, что должна выполнять коробка передач при поступлении той или иной информации от датчиков, применяется ПЗУ, в которое и «заливается» алгоритм работы, в народе именуемой «прошивкой».

Рассмотрим принцип работы.

В начале движения, как и у МКПП, должно плавно включиться сцепление. За это «отвечает» актуатор сцепления, который по команде МБУ медленно вращает редуктор. Сигнал на начало движения дает водитель, включив рычажок переключателя. Включается первое сцепление внутреннего первичного вала, одновременно актуатор синхронизатора подводит его к шестерне первой передачи, далее идет блокировка шестерни на валу, которая приводит в действие шестерню вторичного вала. Автомобиль тронулся с места, но водитель продолжает нажимать педаль акселератора... Сколько нужно времени, что бы включилась вторая передача, не повредив шестерни, синхронизаторы и прочее? Наверное, продолжительное. Именно первые «роботы» и «страдали» провалами между переключениями, потому, что электронике так же надо подумать, что бы ни сломать себя. Вот именно для сокращения времени переключения и было введено в конструкцию коробки второе сцепление и второй вал. Весь алгоритм работы сводится к тому, что пока работает первая передача, уже ждет включения вторая и как только МБУ даст команду, включается второе сцепление, внешний первичный вал и вторая передача. Далее по накатанной, – ждет сигнал третья передача и т.д. Время переключения сокращается до минимума, даже водитель не сможет так быстро переключить МКПП.

МБУ выдает сигналы, анализируя поступившие данные с внешних датчиков. При уменьшении скорости движения или увеличении нагрузки, например, подъем в гору, МБУ переключает в обратной последовательности передачи. А как же быть, если нужна только пониженная передача, например, для преодоления препятствий? Для этого на МБУ водитель подает сигнал к отмене дальнейших передач после первой. Для езды задним ходом, так же в блок управления подается команда, при которой актуатор приводит в действие внутренний первичный вал и шестерню заднего хода.

Современные «коробки-роботы» это концепция, разработанная в 80-х, но с применением новейших разработок улучшающих работу коробки. Каждый производитель старается внести что-то новое и зарегистрировать свой товарный знак. Например «Ricardo» на свой «Eаsytronic» начала устанавливать один многофункциональный актуатор, что поспособствовало уменьшению габаритных размеров «робота». Volkswagen начал массово устанавливать на свои автомобили КПП робот под аббревиатурой S-tronic, (коробка прямого включения), что характерно, были разработаны варианты и для заднеприводных авто. Свои разработки улучшающие работу коробок-роботов имеются во многих компаниях (Ford, Fiat, Mitsubishi, BMW).

В непрофессиональных кругах, да и частенько в профессиональных, существует очень много заблуждений по поводу переключения передач. Цель этой статьи — рассказать, как это делается правильно. Мы не ставим перед собой задачу покрыть все аспекты и рассказать про все тонкости переключения передач, например, как и в каких случаях можно переключать, не используя сцепление. Мы хотим объяснить правильную базовую технику. Это ответит на практически все Ваши вопросы и развеет неясности, позволит уверенно и правильно переключать передачи как на трэке, так и на улице.

Статья пишется с учетом ручной коробки передач с синхронизаторами, т.е. обыкновенной "ручки", которую ставят на практически все автомобили от Девятки до Зонды. Материалы для этой статьи собраны из многих источников профессионального уровня.

Итак, мы надеемся, что все, читающие эту статью, понимают, зачем нужно переключать передачи — чтобы удерживать машину в желаемом диапазоне мощности двигателя.

Работа со сцеплением и газом
При правильной технике переключения передач работа с педалью сцепления всегда выглядит так — нажали, отпустили. За исключением трогания с места, педаль никогда не отпускается (и, разумеется, не нажимается) медленно. Она быстро выжимается (желательно в пол, особенно при переключении вниз) и быстро отпускается. При этом не надо бить по педали или бросать ее. Все делается плавно, но быстро, как, впрочем, и со всеми другими элементами управления автомобилем. Педаль газа при переключении передач отпускается, чтобы снять нагрузку с коробки передач.

Переключение на пониженную передачу
Для "продвинутых" водителей сразу разъясним, что переключение на пониженную передачу происходит только для того, чтобы поддерживать мощность. Для торможения используются тормоза, а не двигатель. Колодки стоят копейки и обойдутся дешевле, чем бензин и сцепление. Особенно актуально не заниматься ерундой на скользкой/оледеневшей дороге — невыполненная (или неправильно выполненная) подгазовка может привести к заносу (сносу на переднеприводных автомобилях) и последующему кювету, и никакой abs не спасет.

Сначала мы объясним, что такое подгазовка и зачем она нужна. Представьте, что Вы едете 60 км/час… Вдруг к Вам слева "подлетает" навороченный Скай с неоновой подсветкой и начинает сигналить, газовать. Разумеется, Ваши действие — дальше еду и никуда не тороплюсь. Но предположим, Вы все же решили ответить на "вызов". Вам нужно переключиться с 5-ой передачи на 2-ую. Если Вы просто выжмете сцепление, включите 2-ую передачу и отпустите сцепление, то машину очень сильно дернет, да и сцеплению с коробкой передач придется не сладко. Почему так происходит?

Отпускаете газ, нажимаете на педаль сцепления и переключаете передачу. Обороты двигателя падают до холостых, а скорость вращения сцепления увеличивается, т.к. скорость вращения колес осталась прежней, а передаточное число увеличилось.

Теперь разница между скоростью двигателя и коробки передач 4000 об/м. Если Вы отпустите сцепление, то двигателю и колесам придется сравняться в скоростях очень быстро. Двигатель резко раскрутится до 5000 об/м и передаст большой стресс на колеса (равносильно резкому кратковременному нажатию на тормоз), которые в этом случае могут потерять сцепление с дорогой, если на них действуют сильные боковые силы или же если дорога просто скользкая. Если сцепление отпускать медленно, то стресс будет намного меньше, но тогда подпалится сцепление.

Чтобы этого избежать, необходимо сделать подгазовку, т.е. немного нажать на газ перед тем, как отпустить сцепление. Делается это очень быстро: нога ударяет по педали газа, в нашем случае довольно глубоко, почти до пола, и мгновенно его отпускает. Тут же отпускается сцепление, и правая нога опять втапливает газ, но на этот раз уже для ускорения. Цель подгазовки в данном случае — поднять обороты двигателя до 5000 об/м или чуточку выше. Если все выполнить правильно, а потом быстро отпустить сцепление, то Вы вообще ничего не почувствуете, и машина начнет плавно ускоряться с повторным нажатием на газ.

Легко и просто. Не тут-то было. Почти всегда включать пониженную передачу нужно перед поворотом, т.е. тогда, когда тормозишь. А когда тормозишь,то нога не на газе, а на тормозе…

Конечно, можно предположить, что в этом случае нужно оттормозиться заранее, потом прям перед поворотом переключить передачу с перегазовкой и в поворот… Думаем, не надо объяснять, что речи о какой-либо конкуренции в этом случае не идет вообще. Чтобы ехать действительно быстро, надо оттормаживаться вплотную перед поворотом и в начале поворота. А потом уже должна быть включена нужная передача, чтобы начать ускорение перед апексом.

Теперь задача — включить пониженную передачу во время торможения, не меняя усилие на педаль тормоза и не вызывая стресс. По сути, все происходит также, как описано выше, только подгазовка выполняется по-другому. Давайте пошагово рассмотрим, как это делается на примере стандартного поворота…

1. Когда передачу нужно переключить так, чтобы не попасть за красную линию оборотов двигателя, но перед тем как начнется ускорение. Переключать передачу можно в любом месте между А и В, но, естественно, на прямом участке это делать менее рискованно.

*Под "началом ускорения" подразумевается не начало ускорения автомобиля, а начало нажатия на газ.

2. Перед поворотом. Полный газ или по желанию.

Когда приближаемся к тормозной точке, правая нога плавно отпускает газ и плавно нажимает на тормоз.

3. Во время поворота. Правая нога продолжает держать педаль тормоза и поддерживает постоянное давление. Выжимаете сцепление и начинаете переключать передачу. Ступня немного поворачивается вокруг педали тормоза и пятка касается педали газа. Делается подгазовка так же, как описывалось выше.

Сцепление отпускается, и нога убирается с педали газа.

Плавно ослабляете тормозное усилие и нажимаете на газ.

Так делается heal and toe. Прием совершенно необходим на трэке и при быстрой уличной езде. Сразу хотим отметить: чтобы неплохо его освоить, нужно очень много практиковаться. За день-два, даже неделю, вряд ли сможет получаться что-то толковое. Это сложно, но результат бесспорно того стоит. Не стоит заниматься практикой на дорогах, особенно на начальном уровне, особенно если сзади кто-нибудь едет. Рекомендуем найти пустой паркинг и начинать там. Сначала все проделывать на месте. Когда начнет что-то получаться, можно начать двигаться…

Переключение на более высокую передачу.

Отпуская газ, выжимаете сцепление (необязательно до пола), переключаете передачу, отпускаете сцепление, нажимаете на газ. Все делается быстро, но плавно. Обороты падают сами, поэтому никаких специальных приемов здесь не надо.