Как работает вариатор: устройство и принцип работы
Подвижные половины конических шкивов меняют рабочий радиус стального ремня. Передаточное число изменяется непрерывно.
Как вариатор меняет передаточное число без шестерён
Два раздвижных шкива. Каждый шкив — два конуса. Когда конусы сходятся, ремень выдавливается на больший радиус; когда расходятся — опускается к валу.
Длина ремня постоянна. Если ремень поднялся на ведущем шкиве, он обязан опуститься на ведомом. Число равно отношению радиусов: от 2,4 до 0,42.
Зажим и смещение — два разных давления. Ведомый шкив сжимает ремень так, чтобы он не скользил. Ведущий шкив, чуть сильнее или слабее, двигает ремень вверх или вниз — так меняется число.
Обороты держатся там, где выгодно. Блок выбирает число так, чтобы двигатель работал на нужных оборотах: экономичных при спокойной езде и мощных при полном газе.
Детали в модели «Вариатор (клиноременный CVT)»
Ведущий шкив. Два конуса с углом 11° на первичном валу: неподвижный и подвижный. Масло под давлением сдвигает подвижный конус, и ремень поднимается от радиуса 31 до 74,5 мм.
Ведомый шкив с пружиной. Конусы на вторичном валу. Пружина около 3 кН и давление масла до 50 бар зажимают ремень так, чтобы он не проскальзывал при моменте до 500 Н·м.
Толкающий ремень. Около 374 стальных элементов толщиной 1,8 мм нанизаны на два пакета по 12 тонких стальных лент. Момент передают элементы: они толкают друг друга, а ленты удерживают их вместе.
Муфта переднего хода и реверс. Многодисковая муфта в масле соединяет двигатель с ведущим шкивом при включении D. Задний ход даёт планетарный ряд с отдельным тормозом: ремень всегда крутится в одну сторону.
Гидротрансформатор. Передаёт момент при трогании и увеличивает его до 1,8 раза. Примерно с 15–20 км/ч блокируется муфтой, чтобы не терять энергию.
Гидроцилиндры шкивов. Полости за подвижными конусами. Двойной поршень ведущего шкива имеет площадь около 200 см², ведомого — 125 см²: каждые 10 бар дают 20 и 12,5 кН.
Гидроблок и соленоиды. Блок управления по сигналам датчиков задаёт соленоидами два давления: зажим ремня на ведомом шкиве и смещение ведущего конуса. Отсюда же масло идёт на смазку и муфты.
Масляный насос. Приводится от корпуса гидротрансформатора, то есть от двигателя. На холостом ходу даёт 10–15 л/мин и давление до 60 бар.
Датчики оборотов шкивов. Стоят в стенке картера напротив зубчатого венца на ободе неподвижного конуса и считают его зубья. По отношению оборотов двух шкивов блок управления знает фактическое передаточное число и проскальзывание.
Главная передача. Шестерня 17 зубьев на вторичном валу и венец дифференциала 80 зубьев: число 4,71. Вместе с вариатором общее передаточное от 11,3 до 2,0.
Масло CVT. Специальная жидкость с присадками, дающими трение 0,09 между сталью ремня и конусов. С обычным ATF ремень начинает проскальзывать.
Показ по шагам
Трогание: большое число. Ремень на ведущем шкиве на малом радиусе, на ведомом на большом. Число около 2,4 — как первая передача, момент на колёсах максимальный.
Разрез шкивов. Конусы с углом 11° сжимают ремень с боков. Масло давит на подвижный конус ведущего шкива, он сдвигается — ремень поднимается выше.
Разгон без ступеней. Скорость растёт, а обороты двигателя держатся почти постоянными: блок плавно меняет число. Смотрите, как подвижные конусы едут навстречу друг другу.
Ремень толкает, а не тянет. Элементы ремня упираются друг в друга и передают момент сжатием. Ленты держат их вместе и задают длину. В вырезе виден элемент в клине: боковины прижаты к конусам (жёлтые линии контакта), пакеты лент лежат в пазах под головкой.
Зажим по моменту. Давление зажима на ведомом шкиве растёт с моментом: при полном газе оно в 3–4 раза выше, чем при спокойной езде. Иначе ремень проскользнёт.
Трасса: малое число. На 120 км/ч ремень на ведущем шкиве на большом радиусе, число около 0,42 — самое малое. Двигатель отдыхает около 2000 об/мин.
Что ломается и как это проявляется
Не хватает зажима — ремень проскальзывает. Признаки: при резком разгоне обороты подпрыгивают на 300–800 без прироста скорости, чувствуются рывки и вибрация. Часто горит индикатор неисправности, коробка уходит в аварийный режим. Что проверить: считать ошибки, проверить давление зажима манометром, уровень и состояние масла. После проскальзывания осматривают конусы: при задирах меняют ремень вместе со шкивами.
Передаточное число не уменьшается. Признаки: машина разгоняется только до 75–85 км/ч: уже на 60 км/ч двигатель крутится около 4500 об/мин и гудит, а к 80 км/ч упирается в ограничитель оборотов (около 6300). Расход топлива растёт. Что проверить: ошибки блока, сравнение заданного и фактического передаточного числа на сканере, давление ведущего шкива, чистота масла и сетки фильтра.
Отказ датчика оборотов. Признаки: горит индикатор, машина трогается тяжело, как с третьей передачи, а на трассе обороты выше обычного. Ручной режим не работает. Что проверить: код ошибки, разъём и проводка датчика, зазор до зубчатого венца шкива и чистота наконечника от металлической стружки.
Изношена муфта переднего хода. Признаки: после включения D машина трогается с задержкой 1–2 с и толчком. При разгоне обороты растут быстрее скорости, позже появляется запах горелого масла. Что проверить: время включения D и R по сканеру или на слух, давление муфты, частицы фрикционного материала в поддоне.
Старое масло. Признаки: машину потряхивает при трогании и на малой скорости, коробка греется в пробках, переключения в ручном режиме вялые. Что проверить: цвет и запах масла (норма — прозрачное, без гари), пробег с последней замены, состояние фильтров. Менять только на жидкость для CVT нужного допуска.
Износ подшипника шкива. Признаки: монотонный гул или вой появляется с 60 км/ч и растёт со скоростью. От нагрузки почти не зависит, поэтому его путают с колёсными подшипниками. Что проверить: прослушать корпус стетоскопом, исключить колёсные подшипники и шины, проверить масло на металлическую стружку.
Упрощения модели
Скорость машины считается: момент двигателя через ремень и главную пару минус сопротивление качению и воздуха (машина 1400 кг). Ползунком можно сразу задать скорость, дальше машина разгоняется или замедляется сама. Тормоза и уклоны не моделируются.
Ремень нарисован целиком и не режется плоскостью разреза, чтобы было видно, на каком радиусе он бежит по каждому шкиву. Только когда камера смотрит на ведущий шкив снаружи (вид «Ремень в шкиве»), часть ремня над плоскостью у шкива вырезана, чтобы было видно сечение элемента в клине. Оранжевые элементы — только метки, чтобы было видно движение ремня. Вращение замедлено примерно в 80 раз.
Ремень показан с уменьшенным числом мелких деталей: у элементов нет качающейся кромки, ленты слиты в два пакета.
Планетарный ряд реверса и гидротрансформатор показаны упрощённо, без внутренних колёс.
Давления, проскальзывание и нагрев посчитаны по упрощённым формулам и не являются заводской характеристикой конкретной коробки.
Перекос ремня при смене числа есть и в модели (доли миллиметра), но на глаз он незаметен.
Зелёные импульсы на проводах датчиков, стружка на датчике, жёлтые линии контакта боковин элемента с конусами в вырезе и голубой пунктир заданного пути ремня — учебные метки, а не детали; стружка показана крупнее настоящей. Венец датчика — 40 зубьев.
Связанные узлы и детали
Модель показывает принцип работы. Геометрия и режимы упрощены для обучения.