Как работают вариаторы

Apr 27 2005

В обычной трансмиссии шестерни — это буквально шестерни — блокирующиеся зубчатые колеса. С другой стороны, бесступенчатые трансмиссии не имеют блокирующих шестерен. Наиболее распространенный тип работает на системе шкивов. Узнайте все о плавно работающем сверхэффективном вариаторе.

Фотогалерея трансмиссии

Фото предоставлено Nissan Global
Двигатель Nissan HR15DE с вариатором Xtronic. Смотрите больше фотографий передачи .

Некоторые говорят, что нельзя научить старую собаку новым трюкам. Но бесступенчатая трансмиссия (CVT), которую Леонардо да Винчи разработал более 500 лет назад и которая сейчас заменяет планетарные автоматические трансмиссии в некоторых автомобилях, — это старая собака, которая определенно научилась нескольким новым приемам. Действительно, с тех пор, как в 1886 году был подан первый патент на тороидальный вариатор , технология совершенствовалась и совершенствовалась. Сегодня несколько производителей автомобилей, в том числе General Motors, Audi, Honda и Nissan, разрабатывают свои трансмиссии на базе вариаторов.

В этой статье мы рассмотрим, как работает вариатор в типичном заднеприводном автомобиле, попутно ответив на несколько вопросов:

Чем вариатор отличается от обычной планетарной автоматической коробки передач?
Какие части у него есть и как эти части работают?
Какие преимущества у вариаторов по сравнению с обычными автоматическими коробками передач? А недостатки?
Каковы ощущения от вождения автомобиля с вариатором?
Какие марки и модели оснащены вариаторами?
Существуют ли какие-либо другие приложения для вариаторов, кроме автомобилей?

Во-первых, мы посмотрим, как вариатор сравнивается с традиционной автоматической коробкой передач.

Содержание

Основы передачи
Шкивные вариаторы
Тороидальные вариаторы
Гидростатические вариаторы
Тест-драйв вариатора

Основы передачи

Нет больше передач

Хронология инноваций CVT

1490 - да Винчи делает набросок бесступенчатой бесступенчатой трансмиссии.
1886 г. - подан первый патент на тороидальный вариатор.
1935 - Adiel Dodge получает патент США на тороидальный вариатор.
1939 г. - введена полностью автоматическая коробка передач на основе планетарной системы передач.
1958 - Daf (Нидерланды) производит вариатор для автомобиля.
1989 - Subaru Justy GL становится первым проданным в США серийным автомобилем с вариатором.
2002 - Дебют Saturn Vue с вариатором; первый Saturn, предлагающий технологию CVT
2004 - Ford начинает предлагать вариатор.

Если вы читали о структуре и функциях автоматических трансмиссий в книге « Как работают автоматические трансмиссии» , то знаете, что работа трансмиссии заключается в изменении соотношения скоростей между двигателем и колесами автомобиля. Другими словами, без трансмиссии у автомобилей была бы только одна передача — передача, которая позволяла бы автомобилю двигаться с желаемой максимальной скоростью. Представьте на мгновение, что вы ведете машину, у которой есть только первая передача, или машину, у которой есть только третья передача. Прежний автомобиль будет хорошо разгоняться с полной остановки и сможет подняться на крутой холм, но его максимальная скорость будет ограничена всего несколькими милями в час. Последний автомобиль, с другой стороны, будет лететь со скоростью 80 миль в час по шоссе, но у него почти не будет ускорения при трогании с места, и он не сможет взбираться на холмы.

Таким образом, трансмиссия использует ряд передач — от низких до высоких — для более эффективного использования крутящего момента двигателя при изменении условий движения. Передачи могут включаться вручную или автоматически.

Фото предоставлено DaimlerChrysler
Mercedes-Benz CLK с автоматической коробкой передач.

В традиционной автоматической трансмиссии шестерни — это буквально шестерни — взаимосвязанные зубчатые колеса, которые помогают передавать и изменять вращательное движение и крутящий момент. Комбинация планетарных передач создает все различные передаточные числа , которые может создавать трансмиссия, обычно четыре передачи переднего хода и одна передача заднего хода. Когда этот тип трансмиссии переключает передачи, водитель может чувствовать толчки при включении каждой передачи.

CVT Basics
Unlike traditional automatic transmissions, continuously variable transmissions don't have a gearbox with a set number of gears, which means they don't have interlocking toothed wheels. The most common type of CVT operates on an ingenious pulley system that allows an infinite variability between highest and lowest gears with no discrete steps or shifts.

Photo courtesy Ford Motor Company
Ford Freestyle Duratec engine with CVT

If you're wondering why the word "gear" still appears in the explanation of a CVT, remember that, broadly speaking, a gear refers to a ratio of engine shaft speed to driveshaft speed. Although CVTs change this ratio without using a set of planetary gears, they are still described as having low and high "gears" for the sake of convention.

Next, we'll look at the different types of CVTs: pulley-based, toroidal and hydrostatic.

Pulley-based CVTs

Photo courtesy Nissan Global
Pulley-based CVT

Peer into a planetary automatic transmission, and you'll see a complex world of gears, brakes, clutches and governing devices. By comparison, a continuously variable transmission is a study in simplicity. Most CVTs only have three basic components:

A high-power metal or rubber belt
A variable-input "driving" pulley
An output "driven" pulley

CVTs also have various microprocessors and sensors, but the three components described above are the key elements that enable the technology to work.

The variable-diameter pulleys are the heart of a CVT. Each pulley is made of two 20-degree cones facing each other. A belt rides in the groove between the two cones. V-belts are preferred if the belt is made of rubber. V-belts get their name from the fact that the belts bear a V-shaped cross section, which increases the frictional grip of the belt.

When the two cones of the pulley are far apart (when the diameter increases), the belt rides lower in the groove, and the radius of the belt loop going around the pulley gets smaller. When the cones are close together (when the diameter decreases), the belt rides higher in the groove, and the radius of the belt loop going around the pulley gets larger. CVTs may use hydraulic pressure, centrifugal force or spring tension to create the force necessary to adjust the pulley halves.

Variable-diameter pulleys must always come in pairs. One of the pulleys, known as the drive pulley (or driving pulley), is connected to the crankshaft of the engine. The driving pulley is also called the input pulley because it's where the energy from the engine enters the transmission. The second pulley is called the driven pulley because the first pulley is turning it. As an output pulley, the driven pulley transfers energy to the driveshaft.

The distance between the center of the pulleys to where the belt makes contact in the groove is known as the pitch radius. When the pulleys are far apart, the belt rides lower and the pitch radius decreases. When the pulleys are close together, the belt rides higher and the pitch radius increases. The ratio of the pitch radius on the driving pulley to the pitch radius on the driven pulley determines the gear.

When one pulley increases its radius, the other decreases its radius to keep the belt tight. As the two pulleys change their radii relative to one another, they create an infinite number of gear ratios -- from low to high and everything in between. For example, when the pitch radius is small on the driving pulley and large on the driven pulley, then the rotational speed of the driven pulley decreases, resulting in a lower “gear.” When the pitch radius is large on the driving pulley and small on the driven pulley, then the rotational speed of the driven pulley increases, resulting in a higher “gear.” Thus, in theory, a CVT has an infinite number of "gears" that it can run through at any time, at any engine or vehicle speed.

The simplicity and stepless nature of CVTs make them an ideal transmission for a variety of machines and devices, not just cars. CVTs have been used for years in power tools and drill presses. They've also been used in a variety of vehicles, including tractors, snowmobiles and motor scooters. In all of these applications, the transmissions have relied on high-density rubber belts, which can slip and stretch, thereby reducing their efficiency.

The introduction of new materials makes CVTs even more reliable and efficient. One of the most important advances has been the design and development of metal belts to connect the pulleys. These flexible belts are composed of several (typically nine or 12) thin bands of steel that hold together high-strength, bow-tie-shaped pieces of metal.

Metal belt design

Metal belts don't slip and are highly durable, enabling CVTs to handle more engine torque. They are also quieter than rubber-belt-driven CVTs.

Toroidal CVTs

Another version of the CVT -- the toroidal CVT system -- replaces the belts and pulleys with discs and power rollers.

Photo courtesy Nissan Global
Nissan Extroid toroidal CVT

Although such a system seems drastically different, all of the components are analogous to a belt-and-pulley system and lead to the same results -- a continuously variable transmission. Here's how it works:

One disc connects to the engine. This is equivalent to the driving pulley.
Another disc connects to the drive shaft. This is equivalent to the driven pulley.
Rollers, or wheels, located between the discs act like the belt, transmitting power from one disc to the other.

The wheels can rotate along two axes. They spin around the horizontal axis and tilt in or out around the vertical axis, which allows the wheels to touch the discs in different areas. When the wheels are in contact with the driving disc near the center, they must contact the driven disc near the rim, resulting in a reduction in speed and an increase in torque (i.e., low gear). When the wheels touch the driving disc near the rim, they must contact the driven disc near the center, resulting in an increase in speed and a decrease in torque (i.e., overdrive gear). A simple tilt of the wheels, then, incrementally changes the gear ratio, providing for smooth, nearly instantaneous ratio changes.

Hydrostatic CVTs

Both the pulley-and-V-belt CVT and the toroidal CVT are examples of frictional CVTs, which work by varying the radius of the contact point between two rotating objects. There is another type of CVT, known as a hydrostatic CVT, that uses variable-displacement pumps to vary the fluid flow into hydrostatic motors. In this type of transmission, the rotational motion of the engine operates a hydrostatic pump on the driving side. The pump converts rotational motion into fluid flow. Then, with a hydrostatic motor located on the driven side, the fluid flow is converted back into rotational motion.

Often, a hydrostatic transmission is combined with a planetary gearset and clutches to create a hybrid system known as a hydromechanical transmission. Hydromechanical transmissions transfer power from the engine to the wheels in three different modes. At a low speed, power is transmitted hydraulically, and at a high speed, power is transmitted mechanically. Between these extremes, the transmission uses both hydraulic and mechanical means to transfer power. Hydromechanical transmissions are ideal for heavy-duty applications, which is why they are common in agricultural tractors and all-terrain vehicles.

CVT Benefits

Continuously variable transmissions are becoming more popular for good reason. They boast several advantages that make them appealing both to drivers and to environmentalists. The table below describes some of the key features and benefits of CVTs.

Advantages of CVTs
Feature	Benefit
Constant, stepless acceleration from a complete stop to cruising speed	Eliminates "shift shock" -- makes for a smoother ride
Works to keep the car in its optimum power range regardless of how fast the car is traveling	Improved fuel efficiency
Responds better to changing conditions, such as changes in throttle and speed	Eliminates gear hunting as a car decelerates, especially going up a hill
Less power loss in a CVT than a typical automatic transmission	Better acceleration
Лучшее управление диапазоном оборотов бензинового двигателя	Улучшенный контроль над выбросами
Может включать автоматизированные версии механических муфт	Замените неэффективные гидротрансформаторы

В следующем разделе мы рассмотрим, каково это — управлять автомобилем с вариатором.

Тест-драйв вариатора

Автомобили с вариаторами были распространены в Европе в течение многих лет. Но потребовалось некоторое время, чтобы технология закрепилась в Соединенных Штатах. Первым серийным автомобилем с вариатором в США был Subaru Justy.

Фото предоставлено Subaru Франция
Subaru Justy

Sold between 1989 and 1993, the Justy never attracted the attention of American drivers. So what's different about newer CVT-based cars -- cars like the Saturn Vue, the Audi A4 and A6, the Nissan Murano and the Honda Insight? The best way to answer that question is to take one of these cars for a "test drive." The animation below, which compares the acceleration of a car with a CVT to one without, gives you a good feel for the experience.

Когда вы нажимаете на педаль газа автомобиля с бесступенчатой трансмиссией, вы сразу замечаете разницу. Двигатель набирает обороты до тех оборотов, при которых он производит наибольшую мощность, а затем остается на этом уровне. Но машина реагирует не сразу. Затем, мгновение спустя, включается коробка передач, которая разгоняет машину медленно, равномерно и без каких-либо переключений. Теоретически автомобиль с вариатором должен разгоняться до 100 км/ч на 25% быстрее, чем такой же автомобиль с тем же двигателем и механической коробкой передач [ ссылка ]. Это потому, что вариатор преобразует каждую точку на рабочей кривой двигателя в соответствующую точку на своей собственной рабочей кривой.

Если вы посмотрите на кривую выходной мощности автомобиля без вариатора, вы увидите, что это правда. Обратите внимание, что тахометр в этой ситуации показывает обороты двигателя вверх и вниз при каждом переключении передач, что записывается как всплеск на кривой выходной мощности (и который водитель ощущает как толчок).

Вариаторы одинаково эффективны на холмах. Нет «рыскания по передаче», потому что вариатор бесступенчато переключается на передаточное число, соответствующее условиям движения. Обычная автоматическая коробка передач переключается вперед и назад, пытаясь найти нужную передачу, что гораздо менее эффективно.

При всех своих преимуществах вариаторы имеют некоторые недостатки. В США до сих пор пытаются решить проблему имиджа. Subaru Justy, например, был известен как безвольный микроавтомобиль. Традиционно вариаторы с ременным приводом были ограничены по крутящему моменту, с которым они могли справиться, и были больше и тяжелее, чем их автоматические и механические аналоги. Технологический прогресс поставил вариаторы на первое место среди конкурентов — вариатор Nissan Murano может работать с его 3,5-литровым двигателем V6 мощностью 245 лошадиных сил — но первое впечатление трудно изменить.

Для получения дополнительной информации о бесступенчатых трансмиссиях и смежных темах перейдите по ссылкам на следующей странице.