В современных автомобильных трансмиссиях с плавным изменением передаточного отношения используются вариаторные передачи с гибкой связью. Вариаторы такого типа привлекательны своей компактностью, относительно простой конструкцией и несложным способом регулирования передаточного отношения, хорошо поддающимся автоматизации. Благодаря применению в их конструкции металлических гибких элементов вариаторы позволяют передавать большой крутящий момент с достаточно высоким КПД, обладают большим ресурсом и неплохо приспособлены для массового изготовления.
Сегодня выпускаются два типа вариаторных БСТ, которые принципиально отличаются только конструкцией гибкого элемента. В одних используется так называемый «толкающий ремень». Технология его производства была разработана голландской фирмой Van Doorne Transmissie (VDT). «Ремень» сформирован из тонких стальных пластин трапециевидной формы, прочно стянутых в замкнутый пакет двумя многослойными металлическими лентами. Судьба изобретения фирмы VDT пока складывается удачно. Его используют в своих разработках практически все известные производители автоматических трансмиссий: ZF и Mercedes - в Европе, Aisin Warner, JATCO и Honda - в Японии.
Альтернативой толкающему ремню является многорядная металлическая цепь с малым шагом. Такой гибкий элемент на протяжении многих лет применяла в своих вариаторных передачах немецкая фирма PIV Drives, выпускающая промышленные редукторы. Несмотря на то что по ряду параметров (КПД, технологичность и др.) цепные вариаторы PIV выглядят несколько предпочтительнее голландских конкурентов, они не получили широкого распространения в автомобилестроении. Пока ставку на них делает лишь концерн VAG. Совместно с фирмой LUK он разработал серию БСТ Multitronic, предназначенную для оснащения моделей семейства Audi с продольным расположением двигателя.
Ранее при рассмотрении бесступенчатых трансмиссий, ситуация в этой области автотехники складывалась так. Различные модели БСТ с вариатором VDT в небольших количествах применялись в основном на автомобилях малого класса. Они работали в паре с двигателями, мощность которых была чуть выше сотни лошадиных сил. Сказывалось ограничение по максимальному крутящему моменту, который на то время были способны передавать вариаторы с металлическим ремнем. Трансмиссия Multitronic и вовсе существовала в единственном экземпляре. Правда, она агрегатировалась с 6-цилиндровым мотором мощностью без малого двести «лошадок» и крутящим моментом 280 Ном! Помимо этого уже были озвучены ближайшие планы концерна VAG по выпуску аналогичных трансмиссий для моторов как меньшего, так и большего объема. Как изменилась картина за прошедшие три года?
Изучение действующих каталогов продукции автопроизводителей однозначно показывает, что изменения произошли, причем как количественные, так и качественные. В программе многих автоконцернов расширился перечень моделей, в обозначении которых фигурирует аббревиатура CVT (Continuously Variable Transmission), то есть трансмиссия с плавным изменением передаточного отношения. По-прежнему в борьбе за «плавную автоматизацию» легковых автомобилей лидируют БСТ с толкающим ремнем VDT. Одна из причин лидерства, по-видимому, заключается в том, что промышленность уже сегодня готова предложить производителям БСТ такую специфическую деталь вариатора, как толкающий ремень в достаточно большом ассортименте и количестве. Его производство монополизировано концерном Bosch, который несколько лет тому назад приобрел завод VDT в Голландии и провел его модернизацию. По неофициальным сведениям теперь его годовая программа может составлять до 3 млн. металлических ремней. Большую часть продукции Bosch потребляют «коробкостроители» Японии. Прежде всего, это два японских «кита» - JATCO, трансмиссионное подразделение Nissan, и Aisin Warner, входящая в состав концерна Toyota. Существенная доля производимых ими БСТ предназначается для автоматизации продукции, идущей на внутренний рынок (известно, что 95% всех автомобилей в Японии оборудуется коробками-автоматами). Но и внешнему достается немало. Известно, что Nissan планирует к
2007 г. увеличить выпуск автомобилей с CVT примерно в четыре раза, что составит цифру более миллиона. Помимо прочего это означает, что в настоящее время порядка четверти миллиона автомобилей этой марки оборудуются бесступенчатыми трансмиссиями, получившими фирменное обозначение XTRONIC.
Nissan является лидером «CVT-зации» не только с количественной точки зрения. Это пока единственный автопроизводитель, который выпускает широкую гамму автомобилей, оснащаемых БСТ с металлическим ремнем - от компактных до полноразмерных. В 1992 году Nissan представил модель Micra (March) с силовой установкой в составе CVT и двигателя с рабочим объемом один литр. Она применялась на этих моделях вплоть до недавнего времени. В настоящее время в списке моделей Nissan, которые оснащаются CVT XTRONIC, присутствуют: универсал Cube, седан и хэтчбек Tiida с 1,5-литровыми моторами, хэтчбек и вагон Primera, минивэн Lafesta с двигателями объемом 2,0 л.
В 2003 г. JATCO приступила к производству БСТ, которая предназначена для трансформации крутящего момента двигателя VQ 35 DE. Это V-образный 6-цилиндровый мотор объемом 3,5 л с максимальными выходными параметрами 234 л.с./318 Ном. Такими моторами комплектуются кроссовер Murano, полноразмерный седан Теаnа и семиместный минивэн Presage. Трансмиссия, получившая название XTRONIC-M6, на сегодняшний день является рекордсменом среди БСТ с толкающим ремнем по части максимального передаваемого крутящего момента. Ее разработчики отмечают, что основной проблемой, с которой они столкнулись, было обеспечение большого усилия сжатия конических дисков. Для этого потребовалось создать мощный насос высокого давления.
Довольно активно внедряет бесступенчатые автоматы Toyota. Сегодня в ее программе несколько CVT-моделей передне- и полноприводных автомобилей с двигателями объемом 1,0, 1,5 и 2,0 литра. Названия моделей известны лишь ценителям автомобилей с правым рулем, поскольку они предназначены для внутреннего рынка: компактный хэтчбек Vitz, минивэны Sienta, Wish, Isis, вагон Ора и седан Premio.
Японским «грандам» не уступает Honda. На своем заводе она производит БСТ, которыми автоматизируются: хэтчбеки Jazz и Civic, SUV HRV, минивэны Mobilo и Odyssey. Последний имеет наиболее мощный двигатель (200 л.с/232 Ном), что также хорошо демонстрирует возможности вариаторных трансмиссий. Опыт Honda интересен тем, что она агрегатирует БСТ с гибридными силовыми установками. Такие силовые агрегаты применяются на моделях Civic IMA и небольшом трехдверном купе Insight. CVT-зированные автомобили также есть и у Mitsubishi, и у Subaru. Интересно, что Subaru установила своеобразный «рекорд наоборот», оснастив БСТ «микрохэтчбеки» R1 и R2 с двигателем объемом 0,658 литра.
Так обстоят дела в Японии, известной своей восприимчивостью в отношении технических новаций. Что происходит в консервативной Европе? Здесь выпуск автоматов с гибким элементом VDT освоен двумя немецкими производителями. Известное предприятие ZF разработало серию таких трансмиссий, получивших название Ecotronic. Семейство Ecotronic включает три базовые модели в исполнении для переднеприводных автомобилей с поперечным расположением двигателя. Модели отличаются величиной передаваемого крутящего момента. В «младшей» она может доходить до 175 Ном, в «старшей» - до 310 Ном. Специалисты ZF готовы адаптировать их конструкцию для использования в автомобилях с любым типом привода и любой компоновкой силового агрегата.
Завод ZF, производящий CVT Ecotronic, расположен в Бельгии. Он имеет довольно скромный производственный потенциал (несколько десятков тысяч БСТ в год). На сегодняшний день основными потребителями продукции завода являются островитяне: «натуральный британец» MG Rover и «баварский британец» Mini. Rover устанавливает CVT Ecotronic на переднеприводные модели с двигателями объемом 1,6 и 1,8 л: Rover 25 (ZR 120, Streetwise) и Rover 45, а также на родстер TF 120 с центрально расположенным силовым агрегатом и приводом на задние колеса. Mini применяет БСТ на всех своих моделях. Как известно, их всего две -One и Cooper. CVT Ecotronic устанавливается на модификации с двигателем 1,6 литра.
Европейское отделение концерна Ford использует трансмиссию Ecotronic для оснащения модели Focus С-Мах, где она работает в паре с 1,6-литровым турбодизелем. Одна из разработок ZF шагнула через океан. Тот же Ford, но уже американский предлагает свои новые автомобили, седан Ford 500 (Five Hundred) и кроссовер Freestyle с бесступенчатыми автоматами. В этих моделях они агрегатируются с мощной V-образной 3-литровой «шестеркой» (203 л.с./271 Ном). Правда, эти трансмиссии изготавливаются не в Европе, а на американском заводе ZF-Batavia.
Как это ни странно, вторым европейским производителем БСТ с металлическим ремнем является концерн Mercedes-Benz. Странно потому, что MB имеет репутацию традиционалиста и даже консерватора и известен своим сдержанным отношением к техническим новациям. Тем не менее, специалисты концерна разработали собственную конструкцию БСТ все с тем же толкающим ремнем. Трансмиссия, получившая название Autotronic, производится заводом MB для собственных нужд - оснащения моделей класса А: А 150, А 170, А 180 CDIHA200CDI.
Что касается БСТ с цепным вариатором (Multitronic), ее единственным приверженцем, по-прежнему, остается VAG. За прошедшее время, как и планировалось, линейка «мультитроников» расширилось. Правда, она все так же включает коробки для использования только в переднеприводных автомобилях с продольным расположением двигателя. Соответственно, областью их применения остается плодовитое семейство Audi. В каталоге автомобилей этой марки можно обнаружить большое количество моделей, в обозначении которых фигурирует название Multitronic. Это автомобили серий А4 и А4 Avant, A6 и А6 Avant, а также А8 с моторами объемом от 1,8 до 3,2 литра. О способности цепного вариатора передавать большой крутящий момент свидетельствуют впечатляющие предельные характеристики нового двигателя 3,2 V6 24V FSI -255 л.с./330 Ном. Еще одно подтверждение этому - уже озвученные намерения немецких инженеров разработать коробку для двигателя 4,2 V8. А это значит, что «мультитро-никам» скоро покорится рубеж в 430 Ном! Так что и на этом бесступенчатом направлении успехи впечатляющие.
Если говорить об «облике» современных БСТ, то он практически не изменился. Конструкция трансмиссии включает: вариаторную передачу, механизм заднего хода в виде простого планетарного ряда, главную передачу (дифференциал) и устройства управления. В качестве узла сцепления с двигателем в большинстве случаев используется гидротрансформатор. Реже для этой цели применяется многодисковое «мокрое» сцепление. Такой механизм более компактен, но с задачей плавного троганья автомобиля справляется значительно хуже. Поэтому его чаще можно увидеть в БСТ, предназначенных для автоматизации автомобилей малого класса. Мокрым сцеплением также традиционно оснащаются БСТ Multitronic.
Суммарный силовой диапазон вариаторных передач в своем большинстве равен идеальному значению - 6. Если посмотреть на крайние значения передаточных отношений трансмиссии, то можно увидеть, что они принципиально отличаются от аналогичных параметров ступенчатых редукторов. Наглядный пример - трансмиссии, применяемые на автомобиле Ford 500. В 6-ступенчатой гидромеханической АКПП производства Aisin Warner передаточные числа изменяются от 4,15 (первая передача) до 0,69 (шестая передача). В отличие от нее CVT ZF-Batavia обеспечивает диапазон изменения передаточных чисел от 2,47 до 0,41. Такие цифры характерны для обоих типов трансмиссий. Чем вызвано различие?
Чтобы это понять, нужно вспомнить устройство и принцип работы вариатора. В нем текущее передаточное число определяется отношением рабочих радиусов ремня на ведущем и ведомом дисках. Прямой «передаче» соответствует ситуация, когда рабочие радиусы там и здесь равны и составляют примерно половину радиуса конических дисков. «Крайние» значения диапазона получаются, когда ремень на одном из дисков работает по наименьшему радиусу, а на другом - по наибольшему. Вследствие этого минимальное и максимальное передаточные числа вариатора всегда оказываются примерно «симметричными» относительно единицы Такая особенность диапазона передаточных отношений БСТ приводит к тому, что он оказывается вынужденно «сдвинутым» в область меньших передаточных чисел относительно диапазона ступенчатых редукторов. Чтобы компенсировать недостаток коэффициента трансформации крутящего момента, увеличивают передаточное число главной передачи. Так, в рассматриваемом случае у CVT оно равно величине 4,98 против 3,46 у АКПП-6.
«Мозги» современной БСТ обычно находятся внутри корпуса и «прошиты» с учетом ее индивидуальных особенностей. Как упоминалось, регулирование вариаторов легко поддается автоматизации. Это позволяет наделять систему управления различными специальными возможностями как полезными, так и излишними. К полезным можно отнести способность алгоритма управления адаптироваться к стилю вождения. Анализируя темп нажатия на педаль акселератора, система управления модифицирует режим работы трансмиссии. В зависимости от «пожеланий» водителя, которые он «высказывает» правой ногой, коробка подстраивается под динамичную, либо экономичную езду.
Следующую особенность системы управления едва ли можно оценить как полезную. Впрочем, судите сами. Практически все модели БСТ умеют работать в режиме «симуляции» ступенчатого изменения передаточного отношения с ручным переключением ступеней («передач»). Например, в обозначении упоминавшейся рекордсменки от Nissan(XTRОNIC-M6) два последних знака как раз обозначают, что коробка может «косить» под 6-ступенчатую «механику». Есть CVT, способные «симулировать» даже 7-ступенчатый режим. Тут впору задать вопрос: за что, собственно, боролись? Боролись, помнится, за идеальную бесступенчатость и - на тебе! Ведь мы уже выяснили, что ступенчатый режим работы трансмиссии не может обеспечить ни лучшей динамики, ни лучшей экономичности. Впрочем, что это мы раскипятились? Никто насильно не заставляет пользоваться «квазиступенчатым» режимом. Просто он есть. Возможно, на тот случай, когда вспомнится «босоногое детство» и захочется беззаботно поиграть в дороге.
Еще одна «примочка», применяемая в системах управления БСТ, также не относится к числу объективно необходимых, а является следствием «тараканов в голове». В голове автовладельцев, которые не привыкли к особенностям работы силового агрегата с БСТ. Речь идет о коррекции работы двигателя при ускорении автомобиля в мощностном режиме (с полностью открытой дроссельной заслонкой). В таком случае в идеале силовая установка работает следующим образом. Обороты двигателя быстро достигают значения, соответствующего максимальной мощности, и далее поддерживаются практически неизменными. Активный разгон автомобиля достигается плавным изменением передаточного отношения трансмиссии. При этом основное приращение скорости происходит в начальной фазе движения, после чего она изменяется плавно.
Но из-за того, что двигатель привычно не набирает обороты, а работает «на одной ноте», возникает субъективное ощущение, что машина «туповата», мотор «не тянет». Оказалось, что прочих субъективных и объективных факторов (силы вжатия в кресло, свиста ветра, мелькания объектов за окном и, наконец, показаний спидометра и тахометра) недостаточно, чтобы компенсировать слуховую иллюзию. Проблему решили, введя корректировку в алгоритм управления двигателем. На этапе повышения оборотов его «придушивают» с тем, чтобы растянуть выход на режим предельных оборотов по времени. Утверждается, что динамика автомобиля от этого не страдает.
Опыт ремонта БСТ показывает, что причина большинства обращений владельцев CVT-мобилей в сервис - нарушение плавности работы трансмиссии, появление рывков. Чаще в этом оказываются виноваты электроника или исполнительные механизмы системы управления. При больших пробегах автомобилей (порядка 150-200 тыс. км) в вариаторах VDT отмечается износ гибкого элемента. Ленты, стягивающие пакет пластин, растягиваются, набор начинает «люфтить», появляется пробуксовка, приводящая к образованию задиров на поверхности дисков. В таком случае лечение заключается в замене металлического ремня, восстановительном ремонте или замене дисков и перенастройке системы управления. Такая неисправность, как обрыв ремня - явление уникальное и встречается крайне редко.
При ремонте БСТ одна из основных проблем заключается в недоступности запчастей к изделиям ряда производителей. Яркий пример - Nissan и Honda. Кстати, то же касается и новых ступенчатых АКПП. В трансмиссионных каталогах чаще, чем какую-либо запчасть, можно встретить пометку «not for service». Типа: «господа, у вас два пути -купить новую коробку или отправить неисправную в ремонт на завод-изготовитель и получить взамен восстановленную». Вот так. Не исключено, что в недалеком будущем ремонт автомобилей будет сведен к замене расходных компонентов и вышедших из строя комплектных агрегатов.
За три года случился достаточный прирост количества автомобилей с вариаторными трансмиссиями. В этом сделанные ранее прогнозы полностью оправдались. Так же, как оказались верны предположения о расширении области применения БСТ за счет автомобилей с более мощными двигателями. В то же время очевидно, что мы недооценили темпы экспансии «бесступенчатых». В самых смелых мечтах нельзя было представить, что уже через три года появятся не одна, а несколько моделей БСТ, способных составить пару двигателям мощностью 250 «лошадей». Что вариатор можно будет увидеть не только на среднеразмерном автомобиле, но и на внедорожнике и даже на представительском лимузине! Тем не менее, это уже свершившиеся факты. Поначалу они внушили такой оптимизм, что повествование так и подмывало завершить «языком плаката». Фразами вроде «уверенной поступью БСТ идут на смену ...» или «вариатор - светлое будущее мирового автопрома». Однако более внимательный анализ ситуации показал, что «бить в барабаны» преждевременно.
То, что происходит, пока больше напоминает не расширение области применения БСТ, а ее смещение. Насколько быстро растет число CVT-автомобилей с двигателями средней мощности, настолько незначителен их прирост в секторе автомобилей малого класса с моторами, мощность которых не превышает 90 л.с. То есть там, где их применение недавно казалось наиболее обоснованным. Если судить по европейским автопроизводителям, можно даже говорить о сокращении количества таких моделей. Помимо того, что их по-прежнему нет, например, у Opel, Smart (Daimler/Chrysler) и ни у одного из французских автозаводов, они исчезли из программы концернов Fiat и Ford. В этом секторе автопрома их место занимают 4-ступенчатые автоматы и механические коробки с автоматизированным переключением передач.
Тому может быть несколько причин. Во-первых, есть сведения, что пока производство БСТ обходится достаточно дорого. Дороже, чем давно отлаженное изготовление традиционных АКПП и, тем более, дороже автоматизированных КПП. Фактор стоимости агрегатов особенно важен для автомобилей малого класса, где на фоне невысокой цены автомобиля «лишние десять баксов» могут и «помешать». Во-вторых, далеко не всегда БСТ могут конкурировать с противниками по массогабаритным показателям. Например, известно, что упоминавшийся «малыш» Subaru R1/R2 в версии с CVT-трансмиссией весит аж на 30 кг больше аналога с «механикой». Уменьшение габаритов БСТ ограничено как минимум диаметром конических дисков, который определяет силовой диапазон вариатора.
