Бесступенчатая трансмиссия

Комбинированная бесступенчатая трансмиссия Toyota CVT-i на основе клиноременного вариатора

Трансмиссия собрана в едином блоке (Transaxle), под поперечно расположенные силовые агрегаты легковых автомобилей B-класса и C-класса.

Элементы по нижней оси:
слева — гидротрансформатор с блокировкой (подписан) и маслонасос (подписан);
центр — планетарный ряд (для включения передней, нейтральной и задней передачи);
справа — ведущие конические шкивы вариатора.

Элементы по верхней оси:
справа — ведомые конические шкивы вариатора;
слева — ведущая шестерня главной передачи.

Бесступенчатая трансмиссия — трансмиссия автомобиля с бесступенчатым изменением передаточного отношения.[1] Позволяет плавно изменять передаваемый от двигателя по трансмиссии крутящий момент и частоту вращения в большей части своего силового диапазона (или во всём силовом диапазоне).

Типы бесступенчатых трансмиссий

Фрикционная бесступенчатая трансмиссия

Трансмиссия, в которой преобразование крутящего момента и частоты вращения осуществляется фрикционными передачами.[2]

Под таковыми в первую очередь подразумеваются вариаторы различных конструкций.

Гидродинамическая бесступенчатая трансмиссия

Трансмиссия, в которой преобразование крутящего момента и частоты вращения осуществляется гидродинамическими передачами.[3]

Под таковыми в первую очередь подразумеваются гидротрансформаторы различных конструкций.

Гидрообъёмная бесступенчатая трансмиссия

Трансмиссия, в которой преобразование крутящего момента и частоты вращения осуществляется гидрообъёмными преобразователями.[4]

Конструкция такой трансмиссии предполагает связанные общей линией как минимум один объёмный гидронасос и как минимум один объёмный гидромотор, при этом один из них должен быть управляемый.

Электромеханическая бесступенчатая трансмиссия

Трансмиссия, в которой преобразование крутящего момента и частоты вращения осуществляется механическими и электрическими передачами.[5]

Конструкция такой трансмиссии предполагает некую комбинацию из электрических вращающихся машин, способных работать в качестве электрического генератора и электрического двигателя, при этом одна из электрических машин всегда связана с двигателем внутреннего сгорания автомобиля.

Комбинированная бесступенчатая трансмиссия

Любая произвольная комбинация вышеупомянутых типов трансмиссий.

Фрикционная бесступенчатая трансмиссия

Основная статья: Вариатор

Принцип действия бесступенчатой трансмиссии с клиновой цепью.

Тороидная вариаторная трансмиссия системы Хейса, устанавливалась на автомобили марки Austin. Середина 1930-х.

В основе большинства современных автомобильных вариаторов — клиноременная передача. Левая боковина на ведущем шкиве и правая на ведомом подвижные. Зазор между боковинами в простейшем случае определяется центробежным регулятором, также могут применяться нагрузочные муфты. При повышении частоты вращения двигателя и ведущего вала боковины ведущего вала сдвигаются, тем самым посадочный диаметр шкива увеличивается, а коэффициент передачи — уменьшается.

Ременная передача целесообразна для мопедов и автомобилей особо малого класса; для более тяжёлых машин применяется цепная передача на том же конструктивном принципе.

Такая трансмиссия сама по себе не может ни стоять на месте, ни двигаться задним ходом — потому в большинстве автомобилей с вариаторами имеются гидротрансформатор и один планетарный ряд. Существует гибрид вариатора и робота — вариатор со сцеплением. В мопедах — автоматическое (центробежное) сцепление.

Вариатор не может работать с огромными крутящими моментами — на «низких передачах», используемых для резкого старта и форсирования препятствий[6], ведущий шкив имеет минимальный размер, и весь крутящий момент передаётся через минимальную площадь ремня. Возможна прокрутка ремня, что очень вредно — царапается шкив, что ускоряет износ всего вариатора. На плохих дорогах бывает и такое: машина буксует на льду, добуксовывает до дороги и цепляется за неё, что тоже может привести к прокрутке. Этому есть несколько решений[6]:

• Электроника ограничивает мощность мотора в рискованных режимах.
• Планетарный ряд, расположенный после вариатора, преобразует скорость в силу и этим частично разгружает вариатор (линейка трансмиссий Subaru Lineartronic).
• Всю нагрузку берёт на себя стартовая передача, действующая в обход вариатора (Toyota Direct-Shift CVT, появившаяся в 2018 — некоторые модели Toyota Corolla, Lexus UX200[7]).

Применение

Вариатор в качестве трансмиссии на колёса применяется широко:

• В автомобилях класса до малого: (DAF 600 и последующие до DAF 66, 1959—1975; Ford Fiesta, 1983—2002; Fiat Uno, 1983—89). Именно на них проявляются преимущества вариатора и не важны недостатки.
• В мотороллерах.

Вариатор применяется нечасто:

• В автомобилях классов до семейного (Toyota Corolla, Subaru Legacy), лёгкий и средний кроссовер (Nissan Qashqai, Subaru Forester). Существуют производители (в основном японские), специализирующиеся именно на вариаторных авто.

Вариатор не применяется:

• В крупных и внедорожных автомобилях. Вариатор на такие нагрузки не способен.
• В гоночных и спортивных автомобилях. Разработки по гоночным вариаторам, начавшиеся в конце 1980-х, были пресечены правилами гонок. Спорткар повторяет некоторые черты гоночного, и потому вариатора (даже механико-вариаторного гибрида на манер Toyota Direct-Shift CVT) иметь в принципе не может.

История вариаторных трансмиссий

Первая бесступенчатая трансмиссия была запатентована в 1886 году. С 1950-х годов бесступенчатые трансмиссии широко применялись для бортовых авиационных электрогенераторов, приводимых в действие вспомогательными двигателями.

Первая автомобильная бесступенчатая трансмиссия c резиновыми клиновыми ремнями была применена в малогабаритных голландских автомобилях DAF (DAF 600), а после продажи отделения DAF, выпускавшего пассажирские автомобили, патент унаследовала Volvo.

В 1987 году клиновые вариаторы с цепным приводом были запущены в массовое производство Ford и FIAT (Ford Fiesta, FIAT Uno). В то же время Subaru наладило производство своей CVT, которую поставляло и поставляет другим автопроизводителям.

В конце 1990-х годов вариаторы начали устанавливать и на машины среднего класса, взамен традиционных гидромеханических АКПП.

Комбинированная трансмиссия

Toyota Direct-Shift CVT

Механико-вариаторный гибрид, призванный побороть главный недостаток вариатора — проблемы со стартом. Состоит из вариатора и стартовой зубчатой передачи, действующей в обход вариатора. Последняя работает в самых сложных для вариатора режимах — старте и вытаскивании из грязи.

e-CVT (планетарно-электрический «вариатор» гибридных автомобилей)

CVT, установленная на автомобиле Toyota Prius, разработчики назвали PSD (Power Split Device, устройство распределения мощности, «трёхходовая муфта»). Построено PSD на основе планетарной передачи, где с «солнцем» соединён генератор, «водило сателлитов» соединено с двигателем, а «коронная шестерня» — с электромотором и колёсами. Поскольку соотношение диаметров (числа зубьев) шестерён планетарной передачи постоянное, планетарная передача делит крутящий момент двигателя внутреннего сгорания в постоянном отношении. Однако мотор-генератор, соединённый с «солнцем» планетарной передачи, может быть больше или меньше нагружен электрическим током.

Управляет этим процессом контроллер гибридной системы автомобиля. Момент торможения и, соответственно, обороты генератора могут изменяться в широких пределах (от −6000 об/мин до +6000 об/мин), то есть генератор может работать и как электромотор. Поэтому скорость вращения колёс автомобиля изменяется плавно, бесступенчато. При этом мощность, получаемая генератором, не пропадает — в виде электрической энергии она поступает на «тяговый» электромотор и, объединяя усилия с моментом двигателя, приводит в движение автомобиль. Такой гибридный привод в целом называется гибридный синергетический привод.

См. также

• Коробка передач
• Механическая коробка передач
• Автоматическая коробка передач
• Роботизированная коробка переключения передач
• Преселективная коробка передач
• Вариатор

Ссылки

• Как устроен вариатор // drive.ru
• Устройство и особенности автомобильных вариаторов // icarbio.ru
• Вариатор. Бесступенчатая трансмиссия // motorpage.ru
• Вариатор (вариаторная коробка передач). Подробно — что это такое и как вы его можете убить. // Avto blogger.ru, 2017

Литература

• ГОСТ 18667-73. «Автомобили, основные агрегаты и механизмы. Термины и определения». — Москва: ИПК Издательство стандартов, 2005. — 12 с.
• Гришкевич А.И., Вавуло В.А., Карпов А.В., Молибожко Л.А., Руктешель О.С. — Автомобили. Конструкция, конструирование и расчёт. Трансмиссия. — Минск: Вышэйшая школа, 1985. — 240 с.
• Львовский К. Я., Черпак Ф.А., Серебряков И.Н., Щельцын Н.А. — Трансмиссии тракторов. — Москва: Машиностроение, 1976. — 280 с.
• Квагинидзе В.С., Козовой Г.И., Чакветадзе Ф.А., Антонов Ю.А., Корецкий В.Б. — Автомобильный транспорт на карьерах. Конструкция, эксплуатация, расчёт. — Москва: Горная книга, 2012. — 408 с. — ISBN 978-5-98672-231-3.

Примечания

1. ГОСТ 18667-73 . — С. 2. П.1 «Виды трансмиссий», термин 7 «Бесступенчатая трансмиссия».
2. ГОСТ 18667-73 . — С. 3. П.3 «Виды коробок передач», термин 24 «Фрикционная коробка передач».
3. ГОСТ 18667-73 . — С. 3. П.3 «Виды коробок передач», термин 25 «Гидродинамическая коробка передач».
4. ГОСТ 18667-73 . — С. 2. П.1 «Виды трансмиссий», термин 4 «Гидрообъёмная трансмиссия».
5. ГОСТ 18667-73 . — С. 2. П.1 «Виды трансмиссий», термин 5 «Электромеханическая трансмиссия».
6. Как работает вариатор (CVT) — YouTube  (неопр.). Дата обращения: 23 ноября 2019. Архивировано 13 февраля 2020 года.
7. Новый вариатор Toyota Direct Shift-CVT  (неопр.). Дата обращения: 22 ноября 2019. Архивировано 14 декабря 2019 года.