0 
До последнего времени, подавляющее большинство наших соотечественников, пользовались в основном транспортными средствами отечественного производства, оборудованными механическими коробками передач. Ситуация изменилась тогда, когда в нашу страну начали массово поступать иномарки, мгновенно завоевав популярность потребителей. Многие из импортированных моделей машин, были оборудованы автоматической КПП – своеобразной новинкой для отечественных автолюбителей. Однако, мировая автомобильная промышленность не стоит на месте и хоть сегодня уже никого не удивишь коробкой автомат, но вопрос выбора по прежнему остается. Дело в том, что в современном автомире существует несколько вариантов трансмиссии, а их выбор зависит от индивидуальных требований потенциального покупателя.
Обычно, отдав свое предпочтение транспортному средству со встроенной АКПП, автовладелец начинает задумываться какой ее тип лучше выбрать: классический или вариаторный. Если с классическим типом более-менее все понятно, то вариаторная коробка передач еще не так сильно распространена и многие автолюбители не ориентируются в вопросе ее устройства, рабочих принципах или функциональных особенностях. Поэтому, мы посчитали, что соответствующая информация данной статьи может быть весьма полезной.
1. Как появился вариатор?
В самом первом варианте, данный механизм имел вид двух конусов, части которого сужались и были направлены в разные стороны, а между ними натягивался ремень. Такая конструкция позволила назвать устройство первым видом бесступенчатой трансмиссии. Конечно, в те времена вариатор не имел ни какого отношения к автомобилям и использовался средневековыми мельниками для изменения скорости вращения своих жёрнов (передвигая по конусам ремень они плавно меняли передаточное число, а значит и скорость). Чуть позже, конусный вариатор был заменен на другой его вид – клиноременный, который все прошлое столетие активно использовался в промышленности. С его помощью выполнялся привод индустриального оборудования, такого как швейные машинки или жатки-сенокосилки.
Прошло еще немного времени и подобным открытием заинтересовались производители мопедов, однако, автомобильные компании, почему-то, долго не проявляли к нему заслуженного интереса (правда встречались исключения).
Впервые мысль о возможности применения клиноременного механизма на автомобиле пришла в голову голландскому инженеру Хуберту Ван Дорну – вдохновителю и генеральному директору компании DAF. Именно он в 1958 году создал бесступенчатую трансмиссию Variomatic, которую, в последствии, и предложил своей компании. В результате, на автомобильном рынке была представлена модель DAF 600с, обладавшая 590 кубовым мотором и вариатором. По большому счету, своей популярностью, данный автомобиль во многом обязан описываемому устройству. Естественно, конструкция того времени была еще очень далека до совершенства из-за чего проект бесступенчатой передачи пришлось свернуть.
Спустя десять лет, компания Volvo выкупила DAF и стала оборудовать подобными механизмами уже свои автомобили третей серии (Volvo 353). Однако, из-за возросшей мощности силового агрегата, все узнали о недостатках, присущих вариатору: низкой надежности и невозможности передавать серьёзный крутящий момент. Так, работоспособности устройства хватало от силы на 50000 километров, поэтому о надежности автомобилей, имеющих бесступенчатую трансмиссию не могло быть и речи.
Этот факт стал причиной того, что в середине 80-х годов ХХ века, вариатор перестал использоваться на автомобилях «Volvo», появившись через пару лет в Японии. Концерн Fuji Heavy Indastries нашел ему применение на модели Subaru Jasty, оборудованной несколько иной конструкцией бесступенчатой трансмиссии. Вот как раз с этого момента вариатор, устройство которого было известно еще в средневековье, обрел свое заслуженное место в мире автомобилей, заинтересовав такие известные фирмы как Nissan, Honda, Fiat, Ford и Audi. Такому интересу поспособствовало сразу два фактора: с одной стороны – резкий скачок технологий, а с другой – упрямство голландцев.
Первым вариатором получившим патент, стал тороидный вариатор, разработанный Чарльзом Хантом в 1886 году. В данном устройстве, между двумя колесами (ведущим и ведомым), обладающими сферической рабочей поверхностью, был зажат ролик, а передача крутящего момента выполнялась за счет трения, возникающего при взаимодействии рабочих поверхностей колес и ролика.
Современный вариант трансмиссии, устанавливаемый на многие выпускающиеся в наше время транспортные средства, возник еще в начале 70-х годов ХХ века путем стараний все того же Хуба Ван Дорна, которого первые неудачи хоть и огорчили, но не заставили отказаться от идеи создания качественной бесступенчатой трансмиссии. После продажи DAF он открыл еще одну компанию под оригинальным названием «Van Doorne Transmissie», где и был изобретен, а затем поставлен на серийное производство стальной ремень, приблизительно такой же, какой сегодня применяется почти на всех автомобилях с бесступенчатой трансмиссией.
2. Принцип работы вариатора
И так, исходя из всего вышесказанного, вариатор (или как его еще называют, «вариаторная коробка») – это бесступенчатая коробка передач, тоесть один из видов КПП, в котором передаточное число может медленно меняться в пределах заданного диапазона. В технике, применяются устройства разного типа, но что касается автомобиля, то здесь распространение получили только два из них: клиноременный и тороидный, поэтому, логично будет рассмотреть принцип работы вариатора учитывая особенности их конструкции.
Составляющими частями тороидного вариатора являются ролики и соосные диски, передающие крутящий момент от первого до второго. Что бы добиться изменения передаточного числа, необходимо поменять положение и радиус роликов, которые напрямую задействованы в обкатке диска. Принимая во внимание тот факт, что основное усилие приходится на место контакта, понятно, что для выполнение поворота ролика, придется использовать специальное устройство, способное преодолеть прижимную силу, задействованную для соединения диска и ролика. К примеру, механизм некоторых вариаторов относится к гидравлически – прецизионному типу и управляется электроникой, перемещающей ролики на небольшое расстояние вверх или вниз. Благодаря данному сдвигу ролик поворачивается самостоятельно.
Клиноременной вариатор устроен несколько иначе. Обычно, он состоит из нескольких (чаще всего, двух) ременных передач, при которых шкивы образовываются за счет конических дисков. Когда диски сдвигаются (или раздвигается) диаметр шкива, а соответственно и передаточное число, меняют свое значение. Разные производители вносят свои коррективы в стандартную конструкцию вариатора этого типа: вместо обычного ремня устанавливают цепь или ремень, состоящий из металлических пластин. Такие конструктивные решения никак не влияют на принцип работы вариаторов и он остается одинаковым для всех.
Что бы автомобиль начал движение, используют небольшой гидротрансформатор, блокирующий обычное сцепление в процессе движения. Управление дисками шкивов осуществляется при помощи электронной системы, состоящей из блока управления, сервопривода и разных датчиков. Так почему же в таких вариаторах применяется клиновидный ремень? Если его разрезать, то он будет иметь форму трапеции и вклиниваться в шкив боковыми поверхностями. После сильного износа поверхностей ремня, он начинает глубже врезаться в шкив и сцепка остается такой же.
В сравнении с автоматической КПП стандартного типа, рабочий принцип вариативной коробки, считается более совершенным типом трансмиссии, что отображается в большей топливной экономичности, плавной езде и улучшенной динамике разгона. Более того, с конструктивной точки зрения, устройство вариатора намного проще, чем аналогичные механизмы традиционной автоматики, поэтому, с большой долей вероятности, можно предположить, что в самое ближайшее время укомплектованные вариаторами транспортные средства, смогут составить серьезную конкуренцию автомобилям с АКПП, оттеснив назад «механические» машины.
3. Из чего состоит вариатор?
Вне зависимости от типа(тороидная или клиноременная), все вариаторные коробки состоят из следующих общих элементов:
- механизма, который обеспечивает передачу крутящего момента и отвечает за отсоединение КПП от двигателя (нейтральная передача);
- самого вариатора (вариаторная передача);
- механизма, обеспечивающего движение задним ходом;
- системы управления.
С целью передачи крутящего момента и отсоединения вариатора от силового агрегата могут использоваться такие механизмы:
- автоматическое центробежное сцепление (применяется в вариаторах Transmatic);
- мокрое многодисковое сцепление, имеющее электронное управление (используется в вариаторах Multitronic, Multimatic);
- сцепление электромагнитного вида с электронным управлением (вариатор Hyper);
- гидротрансформатор (применяется в вариаторах Extroid, Multidrive, Autotronic, Lineartronic, Ecotronic, Xtronic).
Наиболее популярным способом соединения вариатора с двигателем есть использование гидротрансформатора, обеспечивающего высокую степень плавности передачи крутящего момента, а значит и долговечности самой передаточной коробки.
Клиноременный вариатор включает в свою конструкцию одну (реже две) ременные передачи, которые в свою очередь, состоят из двух шкивов, соединенных ремнем. Шкив – это два диска конической формы, способные сдвигаться/раздвигаться, что обеспечивает изменение диаметра шкива. Что бы заставить конусы сблизиться используют гидравлическое давление, центробежную силу или усилие пружин. Угол наклона конических дисков составляет 20°, что является оптимальным значением для обеспечения перемещения ремня по шкиву с наименьшим сопротивлением.
Как мы уже отмечали, в первых конструкциях клиноременных вариаторов устанавливались резиновые ремни, отличающиеся низким эксплуатационным сроком (от 30000 до 50000 км. пробега), недостаточной гибкостью (минимальный радиус изгиба 90 мм.) и связанной с ней узким диапазоном регулировки. В большинстве современных вариаторных коробках, вместо резинового ремня применяется гибкий металлический ремень, изготовленный из 10-12 стальных полос, а передача крутящего момента выполняется при помощи сил трения, образующихся между боковой поверхностью ремня и шкивами. Такая конструкция позволила вариатору обрести необходимый высокий уровень прочности, долговечности, гибкости (минимальный радиус изгиба теперь 30 мм), а заодно и низкий уровень шума. Начало применения металлического клиновидного ремня, открыло путь к широкому использованию вариаторов на транспортных средствах.
В вариаторных коробках Lineartronic и Multitronic, ремень вообще отсутствует, а все его функции положены на металлическую цепь. Такой вид бесступенчатых передаточных коробок получил название клиноцепного вариатора. Пластины цепи соединены между собой при помощи осей, что обеспечивает более высокую гибкость (радиус изгиба 25 мм). В отличии от клиноременного вида, здесь вращение передается торцевой поверхностью цепи, когда происходит ее точечный контакт с коническими дисками.
В местах таких «столкновений» появляется высокое напряжение, компенсирующееся путем применения высокопрочной стали для изготовления конических дисков. Клиноцепная вариаторная коробка отличается наименьшими потерями при передаче крутящего момента и наиболее высоким коэффициентом полезного действия.
Из-за особенности своей конструкции, вариаторная передача не способна обеспечивать реверсивного движения. Как правило, для управления вариаторами, применяется электронная система в задачу которой входит осуществление синхронного изменения диаметра шкивов вариатора, в соответствии с рабочим режимом двигателя, управление сцеплением и обеспечение работы планетарного редуктора. Непосредственное влияние на работу описанного устройства, оказывает рычаг селектора. Режимы управления такие же как и в автоматической коробке передач.
При использовании вариаторной коробки передач, можно реализовать функцию выбора фиксированных передаточных отношений, которая поможет решить проблему негативного восприятия водителем постоянной частоты вращения мотора при разгоне автомобиля. В некоторых конструкциях вариаторов такая функция может иметь свое название, например: Autostick у Chrysler или Sportronic у Mitsubishi.
