ENGБез ступеней и переключений: вариатору 60 лет
Журналист. г. Москва
Многое в технике считалось фантастикой или голой теорией, пока не приходило время новых технологий и
революционных решений. Яркий пример – бесступенчатая трансмиссия, ядром которой является вариатор. Его
главное достоинство – плавное, бесступенчатое изменение передаточного числа.
Хорошо забытое старое
Вариатор сегодня многим представляется новым решением. Однако это совсем не так, принцип его конструкции придуман еще в 1490 году гением эпохи Возрождения Леонардо да Винчи. Среди его эскизов – изображение конструкции из двух конусных валов, расположенных вершинами навстречу друг другу на параллельных осях.
Первые патенты на вариаторы были выданы в США в XIX веке.
Обозначилось два основных вида вариаторов, пригодных для практического использования, – клиноременный и торовый. При том, что у них различаются способы передачи и изменения крутящего момента, имеются и общие сходные компоненты – устройство соединения с двигателем (многодисковая муфта, гидротрансформатор) и реверсивный блок (планетарный редуктор заднего хода).
Так получилось, что серийно клиноременный вариатор начали устанавливать в первую очередь на мотоциклы, а не на автомобили. Пример – 500-кубовый Rudge-Multi 1910 года с кожаным клиновым ремнем. Правда, его вариатор был с ручным управлением. Позже, со второй половины 40-х годов XX века, мотоциклы и мопеды оснащали усовершенствованными вариаторами. А в настоящее время почти вся легкая мототехника типа скутеров, как и снегоходы, ездит на клиноременных вариаторах.
Ставить вариаторы на автомобили попробовали в 30-е годы XX века, но широкого распространения они не получили.
Двойной эффект
Довести клиноременный вариатор до технического уровня, позволяющего установить его на серийный автомобиль,
удалось Хуберту ван Дорну – основателю компании DAF. В 1958 году состоялся официальный дебют малолитражного DAF-600, в котором было реализовано несколько передовых для того времени решений. Главное из них – клиноременный вариатор Variomatic, причем двойной: каждая пара шкивов обслуживала свое ведущее колесо. Так что агрегат выполнял и роль дифференциала. Изменение передаточного числа вариатора, то есть синхронное сдвигание-раздвигание половинок конических шкивов в зависимости от оборотов двигателя и нагрузки, обеспечивали центробежный и вакуумный регуляторы. Диапазон передаточных чисел у вариатора получился 4,5, что позволяло 19-сильному DAF-600 разгоняться до 90 км/ч, при этом средний расход топлива не превышал 6 л/100км.
Толкающий ремень
Все бы хорошо, но резиновый ремень не мог передавать большую мощность и к тому же быстро изнашивался. В 1980-е годы стало понятно, что для конкуренции с обычными АКП требуются новые решения. Вскоре исследовательский центр DAF создал металлический многозвенный клиновый ремень. Своими наборными пластинами он цепко держал сцепление с коническими шкивами и по сравнению с резиновым «предком» практически не изнашивался, а также передавал значительно больший крутящий момент. По такому пути пошли многие фирмы.
Попутно внедрялось электронное управление перемещением шкивов, появлялись новые устройства для плавного трогания, устанавливаемые между двигателем и вариатором. Например, фирма ZF в вариаторе VT-1 Ecotronic использовала для этого многодисковую муфту в масле. Передаваемый этой трансмиссией момент достигал 170 Нм. Сейчас в качестве соединительного звена чаще всего применяют гидротрансформатор.
Как же удалось обеспечить надежное сцепление многозвенного ремня со шкивами и долговечность? Конечно, выбор материалов и термообработка поверхностей имели большое значение. Но все-таки ключевую роль здесь сыграла рабочая жидкость, которая заливается в вариатор. Это не просто смазка. Был изобретен рецепт специального высокотягового масла, так называемого трактанта, со сложными свойствами. Скользящие пары трения и качения (пластины между собой, подшипники) оно смазывает, а парам с высокими контактными давлениями (ребра пластин ремня) не дает проскальзывать. Важно, чтобы масло было нагрето до нужной температуры (70–100о С), иначе есть риск срыва в скольжение и «фрезерование» конусных поверхностей шкивов. Для быстрого выхода на нормальный тепловой режим на начальном этапе движения применяются специальные подогреватели масла.
Связанные одной цепью
Вариаторы с многозвенным пластинчатым толкающим ремнем получили широкое распространение, позволили передавать крутящий момент до 300 Нм, а их ресурс достиг 100–150 тыс. км. Для того чтобы поднять планку допустимого крутящего момента и увеличить ресурс, требовалось внедрение в конструкцию кардинальной инновации. Это произошло, когда в гонку технологий включилась компания Audi, использовавшая наработки фирмы PIV. В 1999 году вместо ремня, набранного из пластин, начали применять стальную многорядную цепь – вариатор назвали клиноцепным. Принципиальное отличие – в контакт с коническими поверхностями шкивов теперь вступали не торцы пластин, а оси звеньев цепи. Давление в местах контакта возросло – повысились возможности по передаче большого крутящего момента, у вариатора Multitronic фирмы Audi он достигал 330 Нм! К тому же цепь способна сгибаться по меньшим радиусам (от 25 мм), чем ремень (от 30 мм), таким образом удалось расширить диапазон передаточных чисел, а также снизить внутренние потери и, следовательно, поднять КПД, приблизившись по уровню потерь к механическим коробкам.
Позже клиноцепную конструкцию использовали и инженеры Subaru в вариаторе Lineartronic, который способен передавать крутящий момент до 400 Нм.
Роликом по бублику
Еще один тип вариаторов, все-таки получивший практическое применение в серийных автомобилях, – торовый. Он состоит из двух соосных дисков – ведущего и ведомого, рабочие поверхности которых имеют торообразную форму. По ним перекатываются ролики, передающие крутящий момент. Когда ведущий диск обкатывается роликами по меньшему радиусу, а ведомый – по большему, получается высокое передаточное число (аналог первой передачи), и наоборот. Плавное изменение передаточного числа производится за счет наклона роликов в ту или другую сторону. Еще одна особенность – ведущий и ведомый валы вращаются в противоположные стороны. За разработки всерьез взялась японская фирма JATCO в кооперации с подшипниковой компанией NSK. Тороидные вариаторы выбрал Nissan: в 1999 году вариатор Extroid установили на модели Cedric/Gloria, а несколько позже – на Skyline. Торовый вариатор примерно на 10% экономичнее традиционного «автомата» и способен на передачу больших крутящих моментов. Однако он сложен, чрезмерно требователен к точности геометрии и твердости рабочих поверхностей, а потому оказался дорогим в производстве и широкого распространения не получил.
Все для человека
Когда конструкции вариаторов на серийных автомобилях довели до регулярного применения, вдруг выяснилось, что многих водителей беспокоит психологическая неувязка. При разгоне автомобиля с вариатором обороты двигателя практически не меняются. Ведь вариатор выбирает самый выгодный режим работы мотора, и менять его становится незачем. Водителям это создавало дискомфорт. Ну что поделаешь, для производителя желание потребителя – руководство к действию. Вариаторы стали снабжать фиксированными ступенями – виртуальными передачами, которые водитель может выбирать самостоятельно. Впервые ручное переключение между фиксированными передаточными отношениями вариатора внедрила компания Nissan в 1997 году. Тему продолжили другие производители. Эта функция имеет и практический смысл – ручное включение фиксированных передач помогает эффективно тормозить двигателем – на скользких спусках, например.
Прогресс технологий способствовал и увеличению ресурса вариаторов. При щадящей эксплуатации и правильном обслуживании пробег вариаторов достигает 200 тыс. км и более, однако добиться такого же ресурса, как у традиционных АКП, пока не удалось. Зато есть преимущества по КПД – и, соответственно, по динамике и экономичности. Вариаторы с металлическим толкающим ремнем и клиноцепные обладают КПД 0,8–0,9, а у торовых он достигает 0,95.
Только эксперименты
В СССР тоже вели работы по проектированию и исследованию автомобильных вариаторов. Известный популяризатор науки и техники доктора технических наук профессор Нурбей Гулиа в середине 1960-х годов придумал свою бесступенчатую трансмиссию, включающую вариатор и маховичный рекуператор механической энергии. Дело дошло даже до ее установки на опытный образец УАЗ-450. Но советский автопром не был готов освоить производство перспективных силовых агрегатов.
Позднее профессор Гулиа вместе с учениками разработал планетарный многодисковый вариатор, а затем планетарный супервариатор с очень широким диапазоном передаточных чисел (до 20!) и фантастическим КПД, достигающим 98%. Однако схема получилась сложной и громоздкой и вряд ли дойдет до производства.
Доля растет
В 2012 году доля автомобилей с вариаторами в мировом производстве превысила 10%, а в 2017 году составила уже 11,7%. По прогнозам, к 2020 году весьма вероятно возрастание количества таких машин до 14%. Вариатор, как и трансмиссии с двумя сцеплениями, постепенно отвоевывают рынок у традиционных механических трансмиссий.