Автомобильный вариатор. Как устроен и работает бесступенчатый вариатор. Вариатор или бесступенчатая акпп – что это такое

Максим Маркин

Визуально различить по селектору КП тип трансмиссии не всегда возможно. Одна из подсказок - наличие на CVT режимов S и/или L вместо цифровых обозначений первых двух-трех передач в обычной АКПП. Однако если коробка имеет отдельный «ручной» режим, внешние различия сводятся к нулю

Еще лет 15 назад казалось - вот он, идеальный трансмиссионный агрегат. При одинаковых с механическими и автоматическими коробками габаритах вариаторы обладают неоспоримыми преимуществами. Плюсы скрыты в самом названии - CVT: Continuously Variable Transmission. То есть - непрерывно варьируемое передаточное отношение, которое обеспечивает максимальную эффективность работы двигателя в любой момент времени. В плюсе лучшая динамика и топливная экономичность, чем у МКП, при том же комфорте передвижения, что и у АКП. Заманчивое сочетание, которое, по логике вещей, должно было поставить под вопрос само существование «механики» и «автомата». По крайней мере, на основной массе автомобилей. Но сейчас мы видим, что автомобильный мир по отношению к CVT раскололся. Есть фирмы, которые к вариаторам «прикипели», однако большинство производителей бесступенчатые коробки игнорируют. Что готовят подобные трансмиссии при эксплуатации? Какова их надежность, ресурс и перспективы развития?

Принцип работы клиноременного вариатора (говорить мы будем в основном о нем) прост. Недаром считается, что первые его прототипы были изобретены еще в XV веке самим Леонардо да Винчи. Ключевой узел - два шкива, состоящих из пары конусов, обращенных узкими сторонами друг к другу. Один из шкивов посажен на вал, связанный с двигателем, то есть ведущий. Второй - на ведомый вал, соединенный с колесами. Между шкивами натянут ремень, передающий крутящий момент от ДВС. Изменение передаточного отношения получается путем сдвижения или раздвижения конусов. При этом ремень либо «проваливается» ближе к оси шкивов, либо отдаляется от нее. К примеру, если ремень вращается на ведущем шкиве по малому радиусу, а на ведомом по большому, то подобное сочетание соответствует низшей передаче. Обратная ситуация - это уже высшая передача. А между ними - уйма вариантов передаточных чисел. Причем силовой диапазон, то есть отношение высшей и низшей передач, у вариаторов ограничен только диаметром шкивов. Теоретически можно получит значение в 12, в то время как у современных 9-ступенчатых АКП силовой диапазон не дотягивает и до десяти.

С точки зрения голой механики, изменение передаточных отношений в вариаторе, пожалуй, даже проще, чем в МКП, и тем более в «автомате». Но до 80-х годов прошлого века не было «прочностной» технологий обработки металлов, необходимой в пятне контакта. И масла, которое бы под давлением могло не уменьшать, а увеличивать коэффициент трения

Набранный из металлических сегментов ремень имеет в своей основе стальные ленты. Для первых, толкающих шкивы своими боковыми поверхностями, критична свежесть масла и тем более его отсутствие. Вторые повреждаются при ударных нагрузках и «устают» от работы по малому радиусу. Продолжительная езда в пробках и на максимальных скоростях снижает ресурс ремня

Переварить момент

Сравнительная простота конструкции вкупе с таким преимуществом заинтересовала инженеров еще в конце XIX века - патент на вариатор был выдан в 1886 году. На рубеже столетий бесступенчатую передачу момента использовали в промышленности, на ткацких производствах. Правда, не обязательно, что это были именно клиноременные механизмы. Конструкций вариатора наберется с десяток. Ну а известный нам агрегат обрел популярность ближе к 50-м годам прошлого века - на мопедах и мотороллерах. Первое же использование клиноременной CVT на автомобилях относится к 1958 году. Тогда подобную трансмиссию получил седанчик DAF 600 с мотором в 590 «кубиков» и 22 л.с. Но ремень использовался еще резиновый. К стальному, набранному из пластин, пришли только во второй половине 80-х годов. Благодаря этому внимание на вариатор обратили Ford и Fiat. Чуть позже то же сделали японские компании. Точнее, те из них, которые выпускали кей-кары.

Два десятилетия назад произошел некий технологический прорыв. У Honda CVT соседствовала уже с полуторалитровым мотором и передавала момент в 133 Нм. Бесступенчатая трансмиссия на Nissan Primera была способна «обработать» еще больше - почти 200 Нм. А десять лет назад вариатор примерил 3,5-литровый ниссановский же VQ35DE, развивавший 333 Нм. Сейчас для агрегата с клиновым ремнем это рекорд. Впрочем, в конце 90-х годов к этой гонке вооружений подключилась Audi. Имея аналогичную конструкцию, немецкая CVT, названная Multitronic, несет в себе одно принципиальное отличие. Вместо наборного металлического ремня в ней используется стальная многорядная цепь. Контакт со шкивами у нее происходит не всей боковой поверхностью, как у ремня, а только осями звеньев. Тем не менее, передаваемый момент достигает 330 Нм. Что любопытно, у Subaru цепной вариатор Lineartronic, работающий в паре с турбомоторами, способен на большие подвиги - 400 Нм.

DAF 600 стал первым автомобилем, примерившим клиноременный вариатор. Его использование - заслуга владельца фирмы Хуба Ван Доорна. Чуть позже, ради продолжения работ над CVT, он продал DAF Volvo и создал компанию VDT. Стальной ремень родился именно в ней

Дырка от бублика

Пока одни инженеры были всецело поглощены усовершенствованием клиноременного вариатора, другие думали над тем, как к автомобилю приспособить вариатор иной конструкции - торовый или тороидальный. В его основе два диска, профиль рабочих поверхностей которых напоминает геометрическую фигуру тор, проще говоря, бублик. Один расположен на ведущем валу, второй на ведомом. Между ними - ролики, вращающие в горизонтальной плоскости и поворачиваемые в вертикальной. Именно они передают момент от одного диска к другому. Если ведущий диск обкатывается роликами по минимальному радиусу, а ведомый по максимальному, получается пониженная передача. В противоположном случае - повышенная.

Запатентовано торовое устройство было даже раньше ременного, в 1877 году. В XX веке его не раз пытались скрестить с автомобилем. Но дальше опытных образцов дело не шло (разве что до Второй мировой войны подобный агрегат устанавливался на британские малолитражки Austin 7). Пока за работу не взялась трансмиссионная фирма Jatco и компания NSK, выпускающая подшипники. Более двух десятилетий экспериментов дали качественный результат. В 1999 году вариатор Extroid появился на Nissan Cedric/Gloria и через пару лет на Skyline. Самые заряженные из моторов развивали до 400 Нм. Одновременно Mazda представила концепт кроссовера Nextourer с трехлитровым V6 и тороидальным вариатором Jatco. В то же время британская фирма Torotrak испытывала торовую CVT, установленную на Ford Expedition с 5,4-литровой «восьмеркой», момент которой достигал почти 450 Нм.

Известно, что эксперименты англичане продолжают, поговаривают даже о кооперации с Aisin. А вот Mazda свой концепт до конвейера не довела. О торовых вариаторах от нее больше не слышно. С Nissan такая же ситуация. После окончания выпуска указанных седанов в середине 2000-х по поводу дальнейших разработок - тишина. На моделях с продольным расположением двигателя используется 7-ступенчатый «автомат». Перспективнее? Скорее всего, дешевле. Ведь по материалам основной узел торового вариатора очень сложен. Давление в пятне контакта дисков с роликами может доходить до 10 тонн. Поэтому для изготовления тех и других используют особую подшипниковую сталь с большим процентом углерода, чтобы сделать рабочие поверхности тверже. Плюс дорогое масло, под такой нагрузкой превращающееся в тончайшую пленку, способную передавать момент. Но в других условиях выполняющее обычные функции - смазывающее или обеспечивающее работу фрикционов. Готовы ли за это платить потребители? А производители, которым нужно уложиться в определенную себестоимость? Характерно, что по Extroid в России нет даже внятного эксплуатационного опыта - настолько он редок.

Основной узел торового вариатора тоже прост. Сложно было получить нормальный зацеп в пятне контакта и добиться целостности металла. Для этого материал насыщали углеродом, однако конструкция на автомобилях все-таки не прижилась

Mazda Nextourer должна была стать еще одним автомобилем, оснащенным торовым вариатором. Концепт в серию не пошел, а работы над такой трансмиссией в Mazda, судя по всему, прекратили

Ниссановский Extroid переваривал без малого 400 Нм. В том числе благодаря тому, что вариаторных узла было два. Однако на конвейере агрегат просуществовал менее пяти лет

Современнее и сложнее

Давление в месте контакта ремня или осей цепи и шкивов меньше, чем в торовом вариаторе. И все-таки именно этот узел - основное слабое звено CVT. Впрочем, стоит отметить, что за годы развития над ним работали. Поэтому всего лишь как страшный сон вспоминаются порванные беспричинно и при небольших пробегах ремни на Nissan Cube первого поколения. Закончившимся кошмаром кажутся вставшие на прикол из-за пробуксовок в узле пяти-, шестилетние Honda Civic середины 90-х. А современный сервис вполне способен бороться со сложными ремонтными случаями. Вариатор, если так можно выразиться, стал человечнее, превратился из некой «страшилки» в обычный агрегат, подобный «автомату» или «механике». Причина, конечно, и в том, что последнее десятилетие потребитель имел дело, в основном, с дилерскими машинами. А это гарантия и запас ресурса по пробегу.

И вместе с тем нынешние CVT стали сложнее. Подобно современным автоматическим трансмиссиям, у вариаторов, например, датчики давления работают по другому принципу. В клапанных механизмах теперь располагаются дополнительные блоки управления. Гидротрансформаторы блокируются едва ли не с первой передачи. Пакеты «мокрых» фрикционов, иногда их заменяющие (скажем, на Multitronic в Audi), работают с постоянными пробуксовками. Именно такой алгоритм позволяет экономить топливо и по динамическим характеристикам делать вариаторы лучше механических коробок. На другой чаше весов жесткие температурные режимы работы и активно загрязняющаяся жидкость. Результаты подобного воздействия - изношенная отходами фрикционов «клапанка», соленоиды, втулки. При забитом фильтре и масляном голодании худший вариант - вышедшие из строя подшипники, «планетарка», масляный насос. Но иногда к тому времени автомобиль уже перестанет ехать либо ремень будет дико буксовать. Старение жидкости для вариатора, пожалуй, еще более критично, чем для «автомата». Все же ATF в АКП передает момент по фрикционным дискам, и так имеющим хороший коэффициент сцепления. А всякие вариаторные HMMF и NS-1 должны «спаивать» металл с металлом, что определяет несколько иные требования. Это общий диагноз, касающийся всех CVT. Но есть и фирменные сюрпризы.

Как и «автомат», вариатор не обходится без клапанного механизма. Последний, в свою очередь, также страдает от грязной жидкости, которая уничтожает соленоиды и «прогрызает» алюминиевую плиту

Несмотря на то что Nissan отказался от Extroid и испытывал на рубеже веков определенные проблемы с клиноременными вариаторами, эта фирма стала первой в мире, серьезно поставившей на бесступенчатые трансмиссии. Сейчас половина моделей из тех, что официально предлагаются на российском рынке, агрегатируются CVT или, как она называется у марки, Xtronic. Фактически это три вариатора, созданные давним партнером компании фирмой Jatco. Первый (RE0F09A/B или JF010E) появился еще в 2002 году на Murano и далее устанавливался на модели с 3,5-литровыми V6. После модернизации его продолжают использовать на кроссовере последнего поколения. Своеобразная коробка. С одной стороны, ее ремень вполне может отходить до 150 тыс. км, что ранее было недоступно. С другой, она обладает рядом врожденных недостатков. Так, ремень, а точнее, его ленты, очень чувствительны к постоянному изгибу по малому радиусу - такой получается при продолжительной езде на низких скоростях, например, в пробках. От загрязнения жидкости и перегрева часто заклинивает клапан контроля давления, отчего последнее падает и повышенному износу подвергается ремень со шкивами (клапан меняется вместе с крышкой насоса - 12 000-17 000 руб.). До 100 тыс. км, если не обновлять масло, придется менять гидроблок (14 000 руб.). Горит пакет фрикционов, отвечающий за движение вперед. При любом ремонте приходится резать и восстанавливать гидротрансформатор.

Вторая коробка - RE0F10A или JF011E - пришла в 2005 году на смену агрегату, который устанавливался еще на Primera, R`nessa или Avenir конца 90-х начала 2000-х. Сейчас это основная CVT Nissan, которая агрегатируется с двигателями от 1,6 до 2,5 л и существует, например, на Qashqai и Teana последнего поколения. Еще недавно эту трансмиссию имела троица Mitsubishi Outlander/Citroen C-Crosser/Peugeot 4007, Jeep Compass и Patriot. Сейчас ею продолжают оборудовать новый Outlander, ASX, Lancer, Suzuki Kizashi. Такая популярность обусловлена неплохой надежностью вариатора. При аккуратной эксплуатации и регулярной замене масла он способен отходить до 200 тыс. км. За чистоту последнего, кстати, отвечают два фильтра - один расположен за поддоном, второй находится снаружи. Ну а обращать внимание придется на шаговый двигатель, меняющий положение конусов, стоящий недорого (около 6 000 руб.) и меняющийся без демонтажа коробки. На масляный насос (порядка 15 000 руб.) и датчик скорости (1 500-2 000 руб.). Реже, чем на CVT Murano, заклинивает клапан давления. Подшипники валов тоже слабое место, однако зачастую они всего лишь воют и терпят до полного капитального ремонта.

По третьему вариатору, используемому на данный момент, почти ничего не известно. Разве только то, что это цепная КП, пришедшая на смену клиноременной CVT на 3,5-литровой Teana нынешней генерации. Слишком молода.

Вариатор, который устанавливается на Qashqai и другие Nissan, наверное, самый популярный в мире, поскольку Jatco предлагала его многим другим автопроизводителям. Что любопытно, на дизельном Qashqai последнего поколения его модернизированная версия способна имитировать АКП даже в автоматическом режиме. Впрочем, для современных CVT это уже становится нормой

Похоже, до поры в Toyota к вариатору относились осторожно. Если и ставили эксперименты, то на машинах небольших, B-класса или даже кей-карах. А примерно десять лет назад в компании все-таки пришли к выводу, что от CVT никуда не деться. Сейчас только из официально российских автомобилей вариатор устанавливается на C-классовые модели и RAV4. На других рынках к ним можно добавить Vitz/Yaris, Avensis, Wish и т.д. На всех один агрегат - K311. В общем-то, неплохой. На некоторых экземплярах отходивший более 150 тыс. км. Тем не менее, неприятности бывают. Известно о сгоревших фрикционах и проблемах с электроникой. На RAV4 элементы, передающие момент (те же фрикционы и ремень со шкивами), испытывают повышенную нагрузку. Двигатель-то двухлитровый, и полный привод присутствует со всеми вытекающими из этого обстоятельствами. Но выход из строя подшипников валов объемом мотора и внедорожными упражнениями не объяснить. Очевидно, колебания качества.

По сравнению с другими производителями Toyota, можно сказать, лишь начинает осваивать бесступенчатую трансмиссию. Речь идет только о клиноременных вариаторах, которые компании поставляет Aisin. Проблемы есть, но с таковыми, например, при первых экспериментах Nissan, их не сравнить

Audi и Subaru

Немцы первыми использовали многозвенную цепь в коробке 01J, разработанной совместно с фирмой Luk. И это дало определенные результаты. В отличие от ремня, цепь может работать по меньшему радиусу, что позволило получить больший силовой диапазон и теоретически сделать коробку компактнее. По «железу» коробка способна ходить до 150-200 тыс. км, хотя уже после 100 тысяч, вероятней всего, цепь придется менять - растянется (14 000 руб.). Но еще до этой отметки попросит замены блок управления, расположенный внутри агрегата (около 30 000 руб.; восстановленный вдвое дешевле). Он работает в жестких температурных условиях даже при обычной езде, не говоря уже о максимальных скоростях или интенсивных разгонах. В 2005 году процессор доработали, однако полностью проблема решена не была. Также в группе риска дифференциал и масляный насос.

В 2007 году у Audi появился новый вариатор с индексом 0AW. С прежним по конструкции ничего общего, «безопасный» момент доведен до 400 Нм, сложный демонтаж и ремонт. Комплектующие есть пока не все, блок управления, судя по всему, выполнен невосстанавливаемым. Между тем, случаи перегрева ЭБУ и выхода его из строя уже есть.

По пути Audi пошла Subaru. Когда-то маленькая и гордая фирма в числе первых начала оснащать свои модели вариаторами - клиноременными. Теперь все CVT, которые с 2009 года вытесняли автоматические коробки и на данный момент почти это сделали, - цепные. Увы, о конструктивных недостатках субаровских Lineartronic пока говорить рано, пробеги небольшие. Хотя Murano или Audi в возрасте пяти лет, бывало, уже показывали свой характер. За Subaru это не замечено.

Цепь, впервые использованная Audi, контактирует со шкивами не боковыми поверхностями звеньев, а их осями. Несмотря на, казалось бы, меньшее пятно контакта, такая конструкция способна передавать момент не меньший, чем клиноременные CVT. В несомненных плюсах - возможность работы на шкивах меньшего диаметра. Звенья же имеют большую гибкость, нежели стальные ленты

Multitronic первого поколения в сервисах уже хорошо изучен, поскольку в ремонте гость частый. Изучение нового агрегата началось, хотя кое-какие неприятные выводы уже есть. Похоже, блок управления, находящийся внутри коробки, по-прежнему работает в жестких температурных условиях

Субаровские Lineartronic уже успели модернизировать, но это все еще очень свежие агрегаты, изучение которых в СТО только начинается

Модельный ряд этой марки в России сейчас остался без вариаторов. Но еще недавно у нас официально продавался Jazz, а на рынке second hand до сих пор присутствует построенный на его базе универсал Airwave. На них и еще на ряд моделей устанавливалась коробка с индексом SLYA или ее версия M4VA. Эту CVT не раз модернизировали и в итоге получили достаточно надежный агрегат, который способен прожить более 150 тыс. км. Правда, в капитальный ремонт войдет не только замена ремня, но и шкивов и фрикционных пакетов. На фоне стоимости самого автомобиля получится довольно значительная сумма в 60 000-70 000 руб.

Другой вариатор вообще устанавливался только на автомобили для внутреннего рынка Японии. MLPA появился в 2003 году на Odyssey третьего поколения, потом на Stream и Sterpwgn. Несмотря на такой возраст, загадочен, поскольку в первых поколениях модели с ним завозились штучно, а в последних генерациях редки все праворульные «японцы». Одно известно - фильтр в MLPA расположен внутри корпуса, и для его замены необходима полная разборка коробки.

Вариатор Fit/Jazz зарекомендовал себя, в общем-то, неплохо. На иных хэтчбеках первого поколения пробеги уже перевалили за 150 тыс. км. Вот только экономическая целесообразность восстановления агрегата под вопросом. Б/у коробка обойдется вдвое дешевле

Как жить с вариатором в мире, покое и согласии

Нюансы конструкций от разных производителей вовсе не мешают всем без исключения вариаторам одинаково страдать от ряда воздействий. Передача момента ремнем или цепью в принципе ставит под вопрос некоторые устоявшиеся аспекты эксплуатации. Так, жидкость нужно менять даже чаще, чем в «автомате». Через 30-40 тыс. км - оптимальная периодичность, а вот 60 тыс. км, как рекомендуют некоторые компании, слишком смелая оценка ее возможностей. Причем менять жидкость лучше с фильтром, благо, стоит он сравнительно недорого (от 300 до 2 000 руб. в зависимости от расположения).

Неприемлем агрессивный стиль езды. Резкие старты, пробуксовки, особенно в случаях, когда после них следует жесткий «фрикционный» контакт с сухим покрытием, сокращают ресурс основного узла вариатора. К тому же CVT очень зависима от температуры. Продолжительная езда на высокой скорости приводит к перегреву агрегата. Как, впрочем, и жизнь в пробках. Если то и другое - неотъемлемые условия эксплуатации, лучше предусмотреть дополнительный теплообменник. И обязательно следить за чистотой основного радиатора двигателя, в который включен контур охлаждения трансмиссии. При морозах вариатору нужен мягкий прогрев без интенсивных ускорений. В пятне контакта жидкость начинает работать только при температуре, близкой к рабочей, а до этого ремень и цепь при быстрых разгонах будут проскальзывать, изнашивая шкивы.

Более того, приговорить вариатор могут неожиданные воздействия, на которые при эксплуатации «механики» или «автомата» просто не обратишь внимания. CVT противопоказана буксировка на «галстуке» с неработающим двигателем. И никакой долив жидкости, как в АКП, в такой ситуации не поможет. Ведомый вал со шкивом будет вращаться от колес, а цепь или ремень станут «фрезеровать» шкив на заторможенном ведущем валу.

Ремень, напротив, боится ударных нагрузок, которые могут возникнуть, если при движении удариться колесами о препятствие. Или если блок управления потеряет сигнал от вышедшего из строя датчика скорости. Это спровоцирует резкий переход конусов в среднее передаточное отношение, в аварийный режим. Для ремня - тоже нагрузка на разрыв.

Словом, покупая автомобиль с вариатором, стоит себя психологически подготовить. Хотя нужно понимать, что аналогичной адаптации сознания требуют и современные автоматические трансмиссии. CVT по эксплуатационным «заморочкам» не далеко от них ушли. Вместе с тем, от них зачастую можно ожидать несколько большего ресурса - если, конечно, соблюдать все условия. Жаль только, что в ряде случаев трансмиссионного выбора нет - предлагается исключительно вариатор.