Двойной комплект шкивов и ремней в трансмиссии «Variomatic» одновременно исполнял функции автоматической бесступенчатой коробки и дифференциала:
Гениально простые вариаторы появились еще на заре автомобилестроения. Например, немецкая фирма «Maurer» выпустила в 1908-1909 годах несколько сотен машин с бесступенчатой фрикционной трансмиссией — в ней два перпендикулярно расположенных диска прижимались друг к другу сильной пружиной.
Водитель изменял передаточное число, передвигая рычагом малый диск по радиусу большого. Увы, это устройство не было автоматическим и не отличалось надежностью. Тем не менее идея фрикционной передачи крутящего момента (трением, а не зацеплением) еще долгое время казалась заманчивой многим изобретателям. Для осуществления своей концепции они использовали диски с тороидальной поверхностью, конические ролики и т. д., но так и не добились успеха.
Родом из… мотоцикла
В 60-е годы ХХ века трансмиссию «Vario-matic» испытывали даже на гоночном автомобиле тогдашней «Формулы-3» (мотор объемом до 1000 куб. см):
Между тем клиноременные бесступенчатые передачи уже применялись в конструкциях мотоциклов 1910-1915 годов. Например, на «Rudge-Multi» с 500-кубовым мотором кожаный клиновой ремень перемещался по конусным поверхностям двух шкивов, состоявших из раздвигающихся половинок. Водитель рычагом «разводил» половинки ведущего шкива, увеличивая его рабочий диаметр, а чтобы ремень постоянно находился в натянутом состоянии, специальный механизм одновременно сдвигал половинки шкива ведомого.
Рычаг перемещался в кулисе с зарубками, которые обеспечивали этому вариатору 15 фиксированных передаточных чисел.
Трансмиссия работала надежно, если величина максимального крутящего момента движка не превышала 20-30 Нм. Однако клиноременный вариатор «Rudge» тоже не был автоматическим — передачи выбирал водитель, причем механизм сцепления отсутствовал. Во второй половине 40-х годов ХХ века подобные вариаторы получили широкое распространение на мотороллерах и мопедах, у которых рабочий объем моторов и соответственно выдаваемый ими крутящий момент были невелики.
Голландцы лидируют
Первой вариатор в автомобиле применила голландская фирма «DAF». В 1958 году она разработала CVT, получившую название «Variomatic».
Новая трансмиссия была автоматической и исполняла одновременно функции бесступенчатой коробки передач и дифференциала, поэтому в ней использовались две пары шкивов и два клиновых ремня. Каждый передавал лишь половину крутящего момента, развиваемого маломощным оппозитным моторчиком машины (590 куб. см, 19 л. с.), что также помогло увеличить долговечность ремней. Перемещениями конических шкивов в трансмиссии «Variomatic» управляли два регулятора: центробежный и вакуумный.
Первый реагировал на изменение скорости вращения коленчатого вала, второй — на давление во впускном коллекторе (то есть на изменение нагрузки). В дальнейшем конструкцию «Variomatic» голландцы периодически улучшали, но ее врожденный недостаток изжить так и не удалось: ремни пробуксовывали на конических поверхностях, в результате чего оборудованные такой CVT автомобили отличались повышенным расходом бензина, да и их разгонные характеристики оставляли желать лучшего.
Завод «DAF» выпускал машины с вариаторами различных конструкций с 1958-го по 1990 год, в том числе и широко известную модель «Volvo 340» (в начале 70-х годов фирма «DAF» вошла в состав компании «Volvo»). В 340-й модели появился традиционный дифференциал, и вариатор «расстался» с дополнительной парой шкивов и вторым ремнем.
Настоящая революция
Минивэн «Nissan Cube» — одна из новейших японских моделей с вариатором «Hyper-CVT»:
В середине 90-х годов исследовательский центр «DAF» создал вариатор усовершенствованной конструкции, который произвел настоящую революцию. «Изюмина» новой CVT заключалась в том, что ремень в ней был заменен цепью, набранной из металлических звеньев трапециевидного сечения.
Она практически не изнашивается и прекрасно работает по конусной поверхности шкивов. Такая цепь получила название «многозвенный металлический клиновый ремень».
Лицензию на производство нового вариатора приобрели многие автомобильные фирмы, в том числе «Ford», «Fiat», «Daihatsu», «Nissan», «Honda», «Subaru», «Suzuki». Дальнейшее совершенствование CVT пошло по пути электронного управления перемещением шкивов, в результате чего оборудованные вариаторами автомобили стали расходовать меньше бензина.
Широкие возможности
Вариатор «VT1-Ecotronic» фирмы «ZF» с многозвенным ремнем и электронным управлением, способный передавать высокий крутящий момент в 170 Нм. В роли сцепления — многодисковая масляная муфта:
На перспективность вариаторов новейшего поколения в первую очередь обратили внимание японцы. Они устанавливают такие трансмиссии уже на многие модели легковых машин. Например, «Daihatsu» («Cuore», «Mira», «Opti»), «Honda» («Capa», «Logo», НR-V), «Nissan» («Micra», «Cube», «Primera»), «Subaru» («Pleo»), «Suzuki» («Alto»). Из них «Honda HR-V» — первая в мире серийная полноприводная модель с трансмиссией CVT.
О возможностях современного вариатора можно судить, сравнивая показатели автомобилей «Nissan Micra» c 1,4-литровым мотором (82 л. с., 108 Нм), один из которых оснащен пятиступенчатой механической коробкой передач, а другой — бесступенчатым вариатором. Машины развивают максимальную скорость соответственно 170 и 164 км/ч, затрачивают на разгон с места до «сотни» 11,9 и 12,5 секунды, а расход топлива на 100 километров в трех режимах (90 км/ч-120 км/ч-город) составляет у них 5,2-6,1-7,7 и 5,2-6,4-8,5 литра.
Тяговый диапазон (передаточное число низшей передачи, поделенное на передаточное число высшей) у «Nissan Micra» с «механикой» составляет 4,56, у модификации с CVT — 5,52. За последнее время конструкторам удалось настолько усовершенствовать вариаторы нового типа, что открылась возможность комплектовать ими даже мощные многолитровые моторы.
На модернизированной модели А6 вариатором впервые комплектуется версия с турбодизельным двигателем, развивающим крутящий момент в 310 Нм:
Первый шаг в этом направлении сделала компания «Nissan», снабдив трансмиссией «Hypertronic CVT M-6» модель «Primera» 2002 модельного года с бензиновыми двигателями объемом 2,0 (150 л. с., 200 Нм) и 2,5 литра (170 л. с., 245 Нм). Однако эстафету лидерства у японцев недавно перехватили немцы. Компания «Audi» комплектует CVT «Multitronic» (производства немецкой компании «ZF») пять различных силовых агрегатов модернизированной модели А6.
Среди них трехлитровый бензиновый мотор V6 мощностью 220 л. с. и… 2,5-литровый турбодизель V6 TDI, развивающий максимальный крутящий момент в 310 Нм!
Все это свидетельствует о громадном прогрессе CVT с многозвенным металлическим клиновым ремнем и электронным управлением, и дальнейшие перспективы этой трансмиссии представляются поистине безграничными
