Наряду с роботизированными коробками передач, о которых мы говорили в прошлый раз, альтернативой классическому «автомату» являются бесступенчатые трансмиссии или, проще говоря, вариаторы. Для обозначения устройств этого типа существует общепринятая аббревиатура CVT – Continuously Variable Transmission, постоянно изменяемая трансмиссия. Она отражает ключевой принцип работы устройства: непрерывное и плавное изменение передаточного числа.
Как же удается добиться такого эффекта? Дело в том, что устройство вариаторов и устройство прочих типов автомобильных КПП кардинально различаются. Основные элементы бесступенчатой трансмиссии таковы: система управления, механизм, обеспечивающий передачу крутящего момента от двигателя, собственно вариаторная передача и механизм заднего хода.
Начнем с главного, то есть с вариаторной передачи. Ее принципиальная схема далеко не нова, «наброски» на тему вариатора можно обнаружить уже в чертежах Леонардо да Винчи. В исходном варианте передача включает два шкива, соединенных ремнем. Каждый шкив – это два конических диска, которые могут сдвигаться или раздвигаться, обеспечивая таким образом изменение диаметра шкива. Конусы имеют двадцатиградусный угол наклона, при котором сопротивление движению ремня минимально. Движение конусов в рамках шкива в современных условиях осуществляется за счет гидравлического давления до 60 атмосфер, что в разы больше, чем в привычной гидромеханической коробке. Сигналы на сближение и разведение конусов подаются системой управления. Она, как и в автоматических, и в роботизированных коробках, представляет собой электронное управляющее устройство, иными словами, специализированный компьютер.
Большинство современных вариаторных КПП относят к клиноременному типу, потому что для передачи крутящего момента они используют гибкий металлический ремень. Он изготовлен примерно из десятка тончайших стальных полос, сложенных вместе. Полученная лента плотно усажена фасонными деталями, имеющими с одной стороны (той, что обращена к шкивам) форму клина. Передача вращения осуществляется за счет трения между шкивами и поверхностью ремня. Контактное напряжение очень высоко и является причиной довольно серьезных потерь мощности – порядка 5%.
Ведущий шкив соединен с двигателем, как правило, через гидротрансформатор, что обеспечивает плавную передачу момента, но добавляет потери. Некоторые производители, чтобы этого избежать, связывают вариаторную передачу с мотором через обычное сцепление, контролируемое электроникой, как это было в «роботах» первого поколения. Когда машина стоит, рабочий диаметр ведущего шкива минимален, а диаметр ведомого, наоборот, максимален. В процессе «раскрутки» двигателя ситуация постепенно меняется на полностью противоположную, а при сбросе оборотов рабочий диаметр ведущего шкива снова сокращается, ведомого – растет. Таким образом, в любой момент времени тяга двигателя используется наиболее эффективно и изменение тяги происходит исключительно плавно. За счет оптимального подбора передаточного числа в каждый конкретный момент расход горючего немного сокращается, если сравнивать с трансмиссиями, основанными на фиксированных передаточных числах.
К сожалению, конструкция вариаторной передачи не предполагает возможность включения реверса. По этой причине задний ход осуществляется посредством отдельной планетарной передачи. Фактически, вместо одной коробки передач, на машине с CVT стоит две – вариатор для прямого хода и «автомат» с одной ступенью для заднего хода.
И другие недостатки у бесступенчатых трансмиссий тоже есть. Во-первых, надежность клиновидного ремня оказывается возможной только при сравнительно невысоких значениях крутящего момента и мощности. Долгое время пределом надежной работы вариаторов считались показатели, равные 190 л. с. и 205 Нм, которые в современных реалиях часто превышаются даже машинами среднего класса.
Сейчас известны два решения, позволившие сдвинуть обозначенные пределы «вверх». Трансмиссия Multitronic фирмы «Ауди» отличается от типовых CVT тем, что вместо ремня в ней используется металлическая цепь, состоящая из соединенных осями пластин. Крутящий момент передается торцевой поверхностью цепи при ее точечном контакте с коническими дисками. Такой вариатор имеет наименьшие потери при передаче крутящего момента и наивысший коэффициент полезного действия.
Другой вариант – тороидальный вариатор, используемый на некоторых моделях Nissan. У него нет ни цепи, ни ремня. Роль шкивов играют два установленных параллельно вала. Внешний диаметр каждого больше внутреннего, и в поперечном сечении поверхность, образуемая парой валов, имеет форму, близкую к полукругу. Между валами зажаты специальные ролики, которые и осуществляют передачу вращающего момента, обкатывая поверхности валов. На низких передачах ролик «забирается выше» на ведомый вал, то есть диаметр обкатки ведущего вала минимален, а на высоких передачах – наоборот.
Еще один недостаток вариаторов, логично вытекающий из описания их возможных конструкций, – сложность изготовления, требующая высокой точности. А это, как вы понимаете, тождественно дороговизне ремонта. Однако сократить срок службы вариатора очень просто, нужно только помнить, что частые пробуксовки и резкие старты ведут к ускоренному износу ремня. Также необходимо постоянно следить за уровнем и состоянием масла, поскольку, как уже отмечалось, рабочее давление масла в нем намного выше, чем у иных типов трансмиссий.
Многие водители отмечают проблему и чисто психологического свойства. Поскольку вариаторы «заточены» на максимальную эффективность передачи момента, силовой агрегат неизменно работает на одной высокой ноте. Это создает определенный дискомфорт для водителей с большим стажем езды, знакомых с более традиционными коробками передач. По этой причине у многих вариаторов предусмотрен режим принудительной фиксации определенного набора передаточных отношений. Сделана такая имитация исключительно ради того, чтобы вернуть консервативным водителям привычные ощущения, и никаких реальных преимуществ функция не дает.
Может показаться, что недостатки вариаторов слишком весомы, чтобы у данного типа трансмиссий было будущее. Но давайте вспомним, насколько «сырыми» были первые CVT массового производства и как мало времени отделяет их от нынешних, уже довольно совершенных бесступенчатых коробок. Фактически вся эволюция вариаторов проходит на глазах нынешнего поколения автомобилистов. Такие темпы вселяют надежду на то, что основные недостатки CVT будут преодолены уже в обозримом будущем.
Текст: Серик Туленов
Фотоматериал производителей