Хорошо водителю троллейбуса. Знай себе меняй обороты электродвигателя, который крутит колеса. А эффективная работа двигателя внутреннего сгорания ограничена узким диапазоном оборотов. Поэтому нужен посредник между двигателем и ведущими колесами автомобиля — коробка перемены передач.

Ее главная задача — менять тяговое усилие на колесах при изменении условий движения. Своевременный переход с одной передачи на другую позволяет двигателю работать в приемлемом диапазоне оборотов.

Самые известные типы коробок передач — механическая и автоматическая. С недавних пор в продаже появились автомобили с вариаторными трансмиссиями. Именно трансмиссиями, ведь тут отсутствует привычное ступенчатое переключение. Что такое вариатор, чем он лучше традиционных коробок и как же он работает?

Без разрыва

Механические коробки перемены передач хорошо знакомы всем отечественным автомобилистам, привыкшим орудовать рычагом и педалью сцепления, вручную перемешивая их шестеренчатое нутро. Для тех, кто не желает совершать лишние телодвижения и решать проблему несоответствия количества ног числу педалей, существуют автоматические коробки перемены передач, умеющие переключаться самостоятельно.

Однако, кто бы ни выбирал момент переключения передачи, человек или электроника, любой переход с одной ступени на другую — это кратковременный разрыв потока мощности от мотора к колесам. Он отнимает бесценные мгновения при разгоне и ведет к ухудшению стабильности поведения автомобиля на скользкой дороге.

Иное дело — бесступенчатая вариаторная трансмиссия (ВТ). Ее история насчитывает более века. Долгое время конструкторы пытались заставить работать тянущий клиновой ремень, натянутый между двух шкивов. Каждый шкив состоял из двух конусовидных тарелок, способных сближаться или отдаляться друг от друга по оси вращения. При их сближении ремень выдавливается на большой радиус, а при расхождении спускается на малую орбиту. Играя рабочими диаметрами двух шкивов, можно в широком диапазоне менять их передаточное соотношение. Ранние вариаторы управлялись вручную, затем процесс был автоматизирован. Образцом изящности можно считать механику вариатора крохотного 22-сильного голландского автомобильчика DAF 600, выпуск которого был начат в 1958 году.

Каждое из двух его задних колес имело свой собственный вариатор, что позволяло уменьшить нагрузку на ремни, к тому же при этом дифференциал становился ненужным излишеством. С увеличением скорости автомобиля центробежный регулятор сдвигал тарелки ведущего шкива, а исполнительный вакуумный цилиндр, соединенный шлангом с всасывающим коллектором, корректировал рабочий диаметр того же шкива в зависимости от разрежения на впуске, то есть от положения дроссельной заслонки и нагрузки на двигатель. Одновременно на шкив оказывал воздействие и сам клиновой ремень — тем большее, чем выше нагрузка на ведущие колеса. Таким образом вариатор реагировал на изменение дорожных условий.

Можно с удовольствием вспомнить и самодельный автомобиль «Весна» Владимира Миронова из Подмосковья и воскликнуть: «Знай наших!» Клиноременный вариатор «Весны» напоминал голландский. Построенная в 70-х годах машина долгие годы радовала своего хозяина безотказной работой.

Все здорово, да уж больно недолговечны были клиновые ремни. Кроме того, они не могли работать с двигателями большой мощности. Поэтому долгое время всем казалось, что вариатор сам по себе хорош, но его удел — мотороллеры, а в автомобилестроении он не может иметь серьезного будущего. Однако все изменилось после создания конструкторами голландской компании Van Doorn Transmission пластинчатого металлического ремня.

Не тянуть, а толкать

Это изобретение означало настоящий ренессанс вариаторов. В отличие от традиционного эластичного ремня, работающего на растяжение, пластинчатый передает усилие в толкающем режиме. Он состоит из пакета трапециевидных пластинок 1,5-миллиметровой толщины, уложенных друг на друга и стянутых в кольцо гибкими стальными лентами.

Компания Honda одной из первых стала оснащать свои автомобили вариаторами нового типа. Над своей коробкой Multi Matic для Honda Civic японцы работали около десяти лет. Получившийся агрегат способен передавать крутящий момент величиной до 140 Нм и менять передаточное отношение в диапазоне 2,47−0,457, что вполне приемлемо для современного легкового автомобиля. Примечательно, что металлический ремень работает прямо по металлической поверхности шкивов, поэтому коэффициент трения невелик. Чтобы повысить силу трения, ремень и тарелки шкивов искусственно «поджимаются» гидравликой. Давление в гидросистеме создается маслонасосом. Пробуксовка ремня практически исключена, отсюда крайне незначительный износ механизма. В течение первых 200 тыс. км пробега в вариаторе рекомендуется через каждые 40 тыс. км только менять рабочую жидкость.

Интересная деталь конструкции — многодисковая фрикционная муфта, расположенная на вторичном валу и способная длительно работать в режиме скольжения. Она выполняет функции сцепления и управляется давлением рабочей жидкости. Клапанами, регулирующими давление рабочей жидкости, командует компьютер, который отслеживает положение педали газа. При нажатии на акселератор давление в системе возрастает, и диски муфты плотно смыкаются. Фрикционная муфта, словно гидротрансформатор автоматической коробки, позволяет плавно трогаться и плестись в пробке на холостых оборотах, регулируя скорость педалью тормоза. Еще одна фрикционная муфта работает в паре с планетарным редуктором, обеспечивая реверс.

Как троллейбус

Автоматика вариаторных коробок постоянно усложняется. Разветвленная система гидравлических клапанов и управляющая ими электроника довели внутренние процессы в трансмиссии почти до идеала. Управление автомобилем с ВТ не вызовет проблем у тех, кто знаком с «автоматом» — те же две педали и рычаг, позволяющий выбирать режим работы трансмиссии: «P» (парковка), «R» (задний ход), «N» (нейтраль), «D» (движение), «S» (спорт), «L» (пониженная). Передвигать рычаг можно на ходу, ведь он, словно джойстик, изменяет только алгоритм работы компьютера.

Управляется автомобиль с ВТ словно троллейбус — как жмешь на педаль, так и едешь, никаких внутренних переключений! Стрелка тахометра живет своей непривычной жизнью. Она путешествует по шкале до тех пор, пока двигатель не выйдет в заданный режим. Затем в игру вступают тарелки шкивов, и дальнейший разгон происходит за счет изменения передаточного отношения вариатора, при неподвижной стрелке тахометра. Впрочем, если вдавить педаль газа в пол до отказа, можно загнать стрелку и в красный сектор. Вариатор также позволяет тормозить двигателем, что способствует безопасному вождению зимой.

От автоматической коробки вариатор перенял удобство управления. В то же время он позволяет использовать тяговые возможности двигателя так продуктивно, как не под силу даже самому профессиональному гонщику, работающему с рычагом механической коробки. Удивительно, но получается, что почти по всем параметрам вариатор на голову превзошел оба типа трансмиссий! Тогда почему же он до сих пор не вытеснил конкурентов?

Разумный предел

Одна из причин — большие внутренние потери, которые возникают при трении ремня о шкивы и во время пробуксовки фрикционных муфт. Это не мешает автомобилю с вариатором опережать собратьев, укомплектованных механической коробкой, при разгоне до 100 км/ч, но далее преимущества теряются.

Причина вторая состоит в том, что тяжело быть первопроходцем. Выставляя на рынок принципиально новый товар, производитель рискует имиджем и деньгами. Компания Honda была не единственной, решившейся на внедрение вариаторов. В списке особо смелых фигурируют Subaru, Nissan, Fiat и Ford. Можно было бы упомянуть еще и Audi, но немцы использовали тянущую цепь, а это серьезное отличие. Имея самые большие наработки, Honda комплектует некоторые свои модели тремя упоминавшимися видами трансмиссий, а Logo и Jazz — только двумя: вариатором и «механикой». Объем хондовских моторов, работающих в паре с ВТ, ограничен 1600 куб. см, а их мощность не превышает 135 л.с. Видимо, это и есть разумный предел вариатора.

Вариаторная трансмиссия признана оптимальной для транспортных средств с двигателем небольшого объема, таких как скутеры или снегоходы. А вот на автомобилях она пока еще не стала привычной. Однако конструкторы продолжают совершенствовать вариатор. И ни один здравомыслящий человек не возьмется сейчас предсказывать, какая трансмиссия будет у его машины лет через пять-десять.

Благодарим ЗАО «АОЯМА МОТОРС» за помощь в подготовке материала

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№12, Декабрь 2003).