Как устроен вариатор: устройство и принцип работы CVT

Вариатор, или бесступенчатая трансмиссия (CVT, от английского continuously variable transmission), — коробка передач, в которой нет набора шестерён с фиксированными передачами. Передаточное число меняется плавно, в любом месте диапазона. Работает это на простой идее. Есть два шкива, каждый собран из двух конусов, обращённых друг к другу. Между ними натянут стальной ремень или цепь. Если конусы сдвинуть, ремень выдавливается наружу и идёт по большому радиусу; если раздвинуть — проваливается внутрь, к оси. Меняя радиусы на двух шкивах одновременно, коробка превращает быстрое вращение мотора в медленное и сильное или наоборот. Такие коробки широко ставят, например, на многие модели Nissan, Subaru и Toyota. Ниже — из чего состоит вариатор, как он работает от трогания до трассы, чем отличается от автомата и механики и почему ломается.

Из чего состоит вариатор

Пройдём по пути крутящего момента от двигателя к колёсам.

Часть	Что делает
Гидротрансформатор или сцепление	Мягко соединяет двигатель с коробкой при трогании; на ходу блокируется, чтобы не было потерь
Планетарный механизм с фрикционами	Выбирает направление: вперёд или задний ход, и отключает передачу в нейтрали и на парковке
Ведущий шкив	Сидит на входном валу, связанном с двигателем; из двух конусов, один подвижный
Толкающий ремень или цепь	Передаёт вращение с ведущего шкива на ведомый
Ведомый шкив	Сидит на выходном валу; тоже из двух конусов, один подвижный, поджат пружиной и давлением масла
Масляный насос	Создаёт давление, которым сдвигаются конусы и включаются фрикционы
Гидроблок	Плита с каналами и электромагнитными клапанами; распределяет давление масла по командам электроники
Блок управления	По скорости, оборотам и положению педали газа решает, какое передаточное число нужно сейчас
Главная передача и дифференциал	Снижают обороты и делят вращение между колёсами
Радиатор масла	Охлаждает жидкость, которая в работе сильно нагревается

Ремень вариатора не похож на резиновый ремень генератора. Это пакет стальных лент, на которые надеты сотни тонких стальных пластин-сегментов. Такой ремень не тянет, а толкает: сегменты упираются друг в друга и передают усилие сжатием. В некоторых вариаторах вместо ремня стоит цепь из пластин с поперечными осями, торцы которых опираются на конусы.

Как работает вариатор

1. Трогание. Водитель переводит селектор в D и отпускает тормоз. Гидротрансформатор передаёт вращение мотора коробке мягко, с проскальзыванием, как у автомата.
2. Самое «короткое» передаточное число. Ведущий шкив раздвинут — ремень на нём идёт по маленькому радиусу. Ведомый сжат — ремень на нём по большому радиусу. Маленькое колесо крутит большое: машина трогается легко и с большой силой, как на первой передаче.
3. Разгон. По мере роста скорости гидроблок подаёт масло к подвижному конусу ведущего шкива, и тот сдвигается. Ремень выдавливается наружу, на больший радиус. Длина ремня постоянна, поэтому на ведомом шкиве он одновременно проваливается внутрь, раздвигая конусы. Передаточное число плавно уменьшается.
4. Ровная езда. На трассе ведущий шкив сжат, ведомый раздвинут: большое колесо крутит маленькое, как на высшей передаче. Мотор работает на невысоких оборотах, экономя топливо.
5. Резкое ускорение. Водитель нажимает газ в пол. Коробка мгновенно делает передаточное число «короче», двигатель раскручивается до оборотов наибольшей мощности и держится на них, пока машина разгоняется.
6. Задний ход. Шкивы вращаться назад не умеют, поэтому направление меняет планетарный механизм перед ними, включая нужные фрикционы.

Всё время, пока машина едет, ремень должен быть зажат конусами с достаточной силой: иначе он проскользнёт, а проскальзывание стали по стали быстро оставляет на конусах задиры.

Чем вариатор отличается от автомата и механики

	Механика	Классический автомат (АКПП)	Вариатор	Робот
Передачи	Ступенчатые, 5–6	Ступенчатые, от 4 до 8–10	Бесступенчато	Ступенчатые
Чем выбираются	Рычагом, руками водителя	Планетарными рядами и фрикционами	Раздвижными шкивами	Электроприводами в механической коробке
Сцепление	Педаль и диск	Гидротрансформатор	Гидротрансформатор или пакет сцеплений	Один или два диска с приводом
Ощущение	Водитель всё решает сам	Мягкие переключения	Ровный звук мотора, плавный разгон	Как механика, но без педали

Где вариатор хорош, а где нет. Сильная сторона вариатора — город и спокойная трасса: нет толчков при переключениях, мотор всё время работает на выгодных оборотах, расход топлива обычно ниже, чем у классического автомата. Слабая сторона — большой крутящий момент и тяжёлая работа. Всё усилие передаётся трением ремня о конусы, и чем больше момент, тем сильнее их приходится сжимать. Поэтому вариаторы ставят в основном на легковые машины и кроссоверы с моторами небольшой и средней мощности, а на тяжёлые внедорожники и грузовики — классические автоматы. Для водителя из этого следует простое правило: вариатор не любит долгой пробуксовки и тяжёлого прицепа.

Подробнее о соседях — в статьях об устройстве АКПП и об устройстве сцепления, а место коробки в общей цепочке узлов показано в обзоре устройства автомобиля.

Вариатор скутера и снегохода. Тоже два раздвижных шкива, но ремень резиновый, а подвижные конусы сдвигают не масло и электроника, а центробежные грузики: чем быстрее вращение, тем дальше их отбрасывает и тем сильнее сжимается шкив. Автомобильный вариатор той же идеи впервые массово поставила на свои машины голландская фирма DAF в конце 1950-х, тогда ещё с резиновыми ремнями.

Электронный вариатор гибридов. У многих гибридов бесступенчатость достигается не ремнём, а планетарной передачей и двумя электромоторами — об этом в статье о том, как работает гибридный автомобиль.

Интересные факты

• «Эффект резинки». Нажимаешь газ — обороты подскакивают, а машина ускоряется чуть позже и равномерно. Звук не совпадает с привычным «переключением», и мозгу кажется, что сцепление буксует. Производители добавляют в программы виртуальные «передачи», чтобы вариатор звучал привычнее.
• Почему у вариатора свой радиатор. Вся мощность проходит через трение металла о металл и через масло под высоким давлением. Жидкость нагревается сильнее, чем в механической коробке, и её охлаждают отдельно.

Почему вариатор ломается и на что смотреть

• Перегрев. Долгие пробуксовки в снегу и грязи, буксировка прицепа тяжелее разрешённого, частые резкие старты. Масло теряет свойства, ремень хуже держится на конусах.
• Износ ремня и шкивов. Если ремень проскальзывает, на конусах появляются задиры, а стальная пыль разносится с маслом по гидроблоку. Признаки — вой, растущий со скоростью, рывки, толчки при разгоне.
• Старое масло. Со временем жидкость теряет свойства и загрязняется продуктами износа. Жидкость для вариатора особая: она должна одновременно смазывать детали и обеспечивать сцепление ремня с конусами. Замена по регламенту дешевле ремонта.
• Гидроблок и датчики. Засорённые клапаны и неисправные датчики дают толчки, задержку при включении D и R, аварийный режим с ограничением скорости.
• Гидротрансформатор. Изнашивается его блокировочная муфта: появляется вибрация на небольшой скорости.

Вариатор — сложный и точный узел, его вскрывают только в специализированном сервисе. Задача водителя — вовремя менять жидкость, не перегревать коробку и сразу ехать на диагностику при первых толчках и вое.