Острецов А.В., Бернацкий В.В., Есаков А.Е. Роботизированные коробки передач. Конструкция

52

Вариатор обеспечивает плавное изменение передаточного числа в заданном диапазоне и давно применяется на квадрициклах, скутерах, снегоходах и водных мотоциклах.

Впервые вариатор был установлен на автомобиль в 1958 г. голландским инженером Хубом Ван Доорном, впоследствии основав-

шим компанию VDT («Van Doorn Transmissie»). Он оснастил трансмиссией Variomatic [19] автомобиль DAF-600.

Трансмиссия Variomatic (рис. 31) одновременно выполняла функции КП и главной передачи. Она представляла собой две пары раздвижных шкивов, соединенных клиновыми ремнями из армированной синтетическим кордом резины.

Рис. 31. Трансмиссия Variomatic на автомобиле DAF-55

Ведущие шкивы были устроены таким образом, что в зависимости от частоты вращения их боковые плоскости «выдавливали» клиновые ремни к внешнему радиусу. Ведомые шкивы были сконструированы по зеркальному принципу: чем больше центробежная сила, тем меньше радиусы вращения ремней.

Когда половинки ведущего шкива расходились, а ведомого – сближались (при неизменной длине ремня) (рис. 32), их активные радиусы изменялись так, что передаточное число увеличивалось, и передача понижалась. Если же половинки ведущего шкива сближались,

53

а ведомого – расходились, то передаточное число уменьшалось, и передача повышалась.

Рис. 32. Схема работы клиноременного вариатора:

1 – ведущий шкив; 2 – ведомый шкив

Передаточное число трансмиссии (вместе с главной передачей и колесными редукторами) изменялось от 4,4 до 20, диапазон составлял

– 4,545.

Вариатор комплектовался простым по конструкции автоматическим сцеплением. Гибкие клиновые ремни позволяли при независимой задней подвеске обходиться без карданных шарниров.

Две пары шкивов работали как самоблокирующийся дифференциал, что предопределило низкую ходимость шин ведущих колёс.

Такая конструкция трансмиссии имела низкий КПД, узкий диапазон регулирования вследствие недостаточной гибкости клиновых ремней (минимальный радиус изгиба составлял 90 мм). Кроме того, резиновые ремни по мере возрастания крутящего момента начинали проскальзывать и интенсивно изнашиваться, поэтому имели ограниченный ресурс (не более 50 тыс. км).

После того, как братья Ван Доорн запатентовали ремень из стальных наборных пластин, нанизанных на две стальные ленты специаль-

54

ного профиля, который не тянул ведомый шкив, а толкал, ресурс ремня значительно повысился, и он стал способен передавать крутящий момент до 180 Н·м.

Специалисты компаний LuK и ZF вместо ремня соединили шкивы металлической цепью, обеспечившей долговечность соединительного звена. Кроме того, цепь оказалась более гибкой, что позволило уменьшить размеры шкивов и увеличить диапазон изменения передаточного числа. Однако вариатор стал сильно нагреваться из-за проскальзывания цепи по ведомому шкиву. Проблема была решена в результате применения специальной смазывающей и охлаждающей жидкости (CVT-F) для увеличения силы трения.

Разработанные в дальнейшем: двухконтурная гидравлическая система управления шкивами, снизившая давление масла в системе и мощность масляного насоса; прижимные муфты на ведущем и ведомом шкивах, сжимавшие шкивы с необходимой силой для исключения проскальзывания ремня, и электронная система управления позволили получить вариатор, способный передавать мощность до 147 кВт (200 л.с.) и крутящий момент двигателя до 300 Н·м.

3.1. Преимущества трансмиссий с вариаторами

Преимущества трансмиссий с вариаторами состоят в следующем.

1.Вариатор обеспечивает наиболее эффективное использование мощности двигателя за счет наиболее рационального согласования нагрузки на автомобиль с частотой вращения коленчатого вала двигателя в различных режимах движения. Для максимально быстрого разгона автомобиля двигатель может быть переведен в режим максимальной мощности, и автомобиль ускоряется при постоянной частоте вращения коленчатого вала двигателя. Для движения в гору – в режим максимального крутящего момента. Для движения с минимальным расходом топлива – в наиболее экономичный режим.

2.Крутящий момент двигателя передаётся к ведущим колёсам автомобиля без разрыва потока мощности, что обеспечивает высокие динамические свойства при разгоне и уровень комфорта при движении, так как переключения передач как таковые отсутствуют.

3.Регулирование вариатора легко поддается автоматизации. Чтобы его передаточное число в любой ситуации было наиболее рациональным, система управления КП адаптируется к стилю вождения автомобиля (оценка желания водителя), учитывает скорость и ускорение

55

автомобиля (режим движения и профиль дороги) и подстраивается под динамичный, либо экономичный режим движения.

4.Функционированием двигателя управляет электронный блок, поэтому он работает в наиболее рациональном («щадящем») режиме

иимеет большую наработку между обслуживаниями и ресурс работы. При этом уровень вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу гораздо ниже, а шум – меньше.

5.Наличие режимов работы: «Маневрирование с малой скоростью»; «kick down» для получения максимального ускорения движения автомобиля; имитация управления автомобилем в полуавтоматическом (ручном) режиме переключения передач с 6-й или 7-ю фиксированными передаточными числами (реализация функции

«Тiptronic»).

6.Клиноремённый вариатор удачно вписывается в трансмиссию автомобиля с комбинированной энергетической установкой. Например, вариатор является элементом системы Hybrid Synergy Drive, используемой в автомобиле Toyota Prius.

3.2.Недостатки трансмиссий с вариаторами

1.При ускорении (разгоне) автомобиля с резким нажатием на педаль подачи топлива частота вращения коленчатого вала двигателя быстро достигает величины, соответствующей частоте вращения при максимальной мощности, и затем поддерживаются практически неизменной.

Втаком режиме основное нарастание скорости автомобиля происходит в начальной фазе разгона, что достигается наиболее рациональным изменением передаточного числа вариатора. Далее скорость движения изменяется плавно, в результате чего возникает однообразный рокот при работе двигателя и вариатора и слуховая иллюзия того, что автомобиль не разгоняется.

Всвязи с этим, либо вариатор настраивается на режим «разгонпереключение», из-за чего его работа напоминает работу классической АКП, либо корректируется алгоритм управления двигателем путём увеличения времени начальной фазы разгона автомобиля. Это в определённой степени нивелирует преимущества вариатора в обеспечении автомобилю более высоких динамических свойств по сравнению с автомобилем с МКП.

56

2.Для трогания автомобиля с места требуется гидротрансформатор, многодисковая фрикционная муфта с электронным управлением или электромагнитное сцепление с электронным управлением.

3.Для движения задним ходом необходим реверсивный механизм.

4.Конструкция вариатора (особенно, система управления) достаточно сложна технически и технологически.

5.Ввиду имеющихся в настоящее время ограничений по передаваемой мощности /не более 206 кВт (280 л.с.)/ и крутящему моменту двигателя (не более 370 Н·м) [18], связанных с особенностями конструкций вариаторов, они применяются только на легковых автомобилях и реже – на кроссоверах.

6.В системе управления трансмиссий с вариатором используется дорогостоящее синтетическое масло для автоматических трансмиссий. Объём заправляемого масла составляет примерно 5,0...7,5 л, что

в2,5...3,0 раза больше чем в МКП.

7.Буксирование автомобиля с вариатором возможно на расстояние не более 50 км со скоростью не более 50 км/ч. Пуск двигателя буксированием невозможен. Также имеются ограничения (по полной массе) на буксирование автомобилем с вариатором прицепа и другого автомобиля.

8.Ремонт вариатора довольно проблематичен в связи отсутствием

впродаже запасных частей (например, для вариаторов японских автомобилей) и дорог. Например, при изнашивании металлического ремня требуется не только его замена, но и восстановительный ремонт (или замена) шкивов и настройка системы управления вариатором. В процессе эксплуатации автомобилей вышедшие из строя вариаторы заменяются новыми или восстановленными на производящих их заводах.

3.3.Конструкция и принцип работы трансмиссии с клиноремённым вариатором

Всовременном автомобилестроении нашли применение два типа вариаторов – клиноремённый и тороидный. Наибольшее распространение получили клиноремённые вариаторы.

Внастоящее время собственные названия имеют следующие конструкции клиноремённых вариаторов:

- Autotronic (Mercedes-Benz A-klasse); - Lineartronic (Subaru);

- Multidrive (Toyota), производитель Aisin Warner.

57

-Multimatic (Honda);

-Multitronic (Audi);

-Xtronic и Hyper (Nissan), производитель Jatco.

Наиболее известным тороидным вариатором является вариатор

Extroid, ранее устанавливавшийся на автомобили Nissan.

В данном учебном пособии конструкция клиноремённого вариатора и порядок её работы рассмотрены на примере вариатора Multitronic [1] (рис. 33), устанавливаемого на переднеприводные автомобили фирмы Audi.

трансмиссии с клиноремённым вариатором включает следующие элементы конструкции:

-картер КП;

-маховик с демпфером крутильных колебаний или двухмассовый маховик;

-механизм, обеспечивающий движение задним ходом;

-механизм, обеспечивающий передачу крутящего момента и разъединение вариатора с двигателем (нейтральное положение трансмиссии);

-собственно вариатор;

-главную передачу с дифференциалом;

-систему управления трансмиссией.

Для передачи крутящего момента и разъединения вариатора с двигателем используются:

-гидротрансформатор (вариаторы Autotronic, Extroid, Lineartronic, Multidrive, Xtronic);

-многодисковые фрикционные муфты с электронным управлением

(вариаторы Multitronic, Multimatic);

-электромагнитное сцепление с электронным управлением (вариатор Hyper). В зависимости от неравномерности работы двигателя его крутящий момент передается на вариатор через маховик с демпфером крутильных колебаний (двигатели V6) или через двухмассовый маховик (двигатели P4).

58

Рис. 33. Схема бесступенчатой трансмиссии Multitronic:

1 – двигатель; 2 – входной вал КП; 3 – двухмассовый маховик; 4 – фрикцион переднего хода; 5 – промежуточная передача; 6 – ведущий шкив вариатора; 7 – цепь; 8 – масляный насос; 9 – электрогидравлический блок управления; 10 – электронный блок управления; 11 – селектор; 12 – ведомый шкив вариатора; 13 – планетарный механизм (планетарная КП); 14 – главная передача; 15 – фрикцион (тормоз) заднего хода

3.3.1. Фрикционы переднего и заднего хода

Функции сцепления при трогании с места выполняют два мокрые многодисковые фрикционные устройства: фрикцион переднего хода и фрикцион (многодисковый тормоз) заднего хода. Фрикционы служат для плавного трогания автомобиля с места и дальнейшей передачи крутящего момента к промежуточной передаче.

59

Многодисковая фрикционная муфта имеет следующие преимущества перед гидротрансформатором:

-меньшую массу;

-компактность;

-приспособленность характеристики трогания автомобиля с места

кдорожным условиям и намерениям (действиям) водителя;

-защиту от перегрузок.

Включение фрикционов осуществляется при воздействии давления масла (синтетическое масло ATF для автоматических трансмиссий) на поршни 4 и 13 (рис. 34). Масло в камеры давления 3 и 12 фрикционов поступает по каналам 10 и 8, соответственно.

С целью защиты от чрезмерного нагревания (например, при трогании с места на подъёме с прицепом) фрикционы охлаждаются отдельным потоком масла.

Чтобы на охлаждение фрикционов затрачивалась меньшая часть мощности масляного насоса, охлаждающий поток масла направляется системой управления по необходимости и только на тот фрикцион, который участвует в передаче крутящего момента. Еще большему снижению нагрузки на масляный насос способствует подпитка охлаждающего контура эжекционным насосом (см. рис. 52).

Масло для охлаждения фрикциона переднего хода подаётся внутри полого входного вала 9 КП, где его потоки разделены внутренней стальной трубой 10. На выходе из входного вала 9 масло проходит через маслораспределитель, состоящий из распределительной шайбы 6 и разрезной тарельчатой пружины 5 с упорным кольцом 7 с отверстиями. Маслораспределитель подает охлаждающее масло либо к фрикциону переднего 1, либо к фрикциону (тормозу) заднего хода 2.

Когда фрикцион переднего хода 1 замкнут, его поршень 4 воздействует на упорное кольцо 7 диафрагменной пружины 5, которое отжимает распределительную шайбу 6 назад. Этим обеспечивается подача охлаждающего потока масла к фрикциону переднего хода.

При работе двигателя с частотой вращения коленчатого вала, соответствующей частоте холостого хода, или при замкнутом фрикционе (тормозу) заднего хода 2 фрикцион переднего хода 1 разомкнут. При этом распределительная шайба 6 находится в исходном положении, и охлаждающий поток масла с её тыльной стороны направляется к фрикциону (тормозу) заднего хода 2. Кроме того, часть масла с помощью распределительной шайбы 11 направляется к планетарному механизму для его смазывания.

60

Рис. 34. Включение и охлаждение фрикционов:

а – включен фрикцион переднего хода; б – включен фрикцион (тормоз) заднего хода; 1 – фрикцион переднего хода; 2 – фрикцион заднего хода; 3, 12 – камеры давления фрикционов переднего и заднего хода; 4, 13 – поршни фрикционов переднего и заднего хода; 5 – разрезная тарельчатая пружина; 6, 11 – распределительные шайбы; 7 – упорное кольцо; 8 – масляный канал к поршню фрикциона заднего хода; 9 – входной вал КП; 10 – разделительная труба (масляный канал к поршню фрикциона переднего хода)

Температура работающего фрикциона рассчитывается ЭБУ трансмиссии на основе величин его проскальзывания, передаваемого крутящего момента и температуры масла в картере КП.

Если рассчитанная температура фрикциона превышает допустимую, крутящий момент двигателя снижается до значения, соответствующего повышенной частоте вращения коленчатого вала на холостом ходу. Двигатель кратковременно перестаёт реагировать на изменение положения педали подачи топлива.