CVT трансмиссии. Технологии развития

CVT – технологии развития

В продолжении статьи
http://www.autodata.ru/efisakh/2008/cvt_characteristic.pdf

С момента выпуска первой CVT (или CVT 1) для моторов объемом 2-2,5 литра в в1997 году, разработки этих типов трансмиссий продолжались. Линейка разновидностей CVT 1 или Hyper CVT, Hyper CVT M6 которая базировалась на модификации RE0F06A – RE0F06V была заменена на CVT2 или RE0F10A /11A. CVT 2 обозначение дали изготовители как второму поколению midsize front wheel drive автомобилей.

Преследовалось несколько задач :
- улучшение экономии топлива
- улучшение динамики разгона
- уменьшение веса
- уменьшение габаритов

Рассмотрим таблицу 1, в которой перечислены общие характеристики CVT 1 и CVT 2.

Прежде всего заметно в строке Pully ratio – расширен диапазон передаточных чисел.
Иными словами – с виртуальных 6 передач CVT 1 до виртуальных 7. Чем больше диапазон RATIO – тем ниже обороты на крейсерской скорости, выше топливная экономичность, снижается токсичность выхлопа и уровень шума.

В ручном режиме оставлено 6 передач – но за счет расширенного диапазона передаточных чисел. Основная доработка для расширения ratio coverage коснулась ведущего шкива – его внутренний диаметр рабочей поверхности конуса вблизи вала уменьшен на 5 процентов.

Если рассматривать CVT 2 подробно – то можно сказать, что это не доработанная CVT 1, а полностью спроектированная заново трансмиссия, так как изменения коснулись абсолютно всего. Оставлен только принцип передачи.

Так как работа CVT трансмиссии основана на эффекте трения, то функционирование последней приводит к большому выделению тепла – а следовательно к потерям.

Разработчики решили серьезно снизить потери в CVT 2, для этого :
- применены новые материалы при изготовлении шкивов, более высокопрочная сталь, которая позволила снизить толщину стенок шкивов. Шкивы стали легче, меньше момент инерции.
- существенно повышена чистота поверхности шкивов, в т.ч и внутренних полостей, это позволило уменьшить зазоры в подвижных соединениях шкива. Для этого на рабочую поверхность в вакуумной камере напыляют тонкий высокопрочный слой покрытия.
- подобраны новые пары трения в уплотнительных кольцах и муфтах, совместно с повышенной точностью сопряжения деталей. Это привело к созданию однопоршневого ведущего шкива.

Фото1. Ведущий шкив CVT-1 двухпоршневой.

В RE0F06A ведущий шкив имел двух поршневую конструкцию. На фото 1 видно внутренний поршень и уплотнительное кольцо. Внешний поршень был реализован в наружном барабане шкива. Учитывая не высокую точность обработки поверхностей существовали большие потери из-за негерметичности поршней. Приходилось
увеличивать производительность насоса, хотя площадь двух поршней была больше и при одинаковом внутреннем давлении на двухпоршневом шкиве выше усилие сжатия сегментов ремня в сравнении с однопоршневым шкивом.

- полностью изменена конструкция масляного насоса ( Рис.2 )– он стал лопастным и вместе с редукционным клапаном перенесен в поддон. Это позволило снизить его размеры, а размещение в поддоне – снизить насосные потери тем самым увеличив его эффективность. Для этого канал редукционного клапана совмещен с приемным каналом.

Такая конструкция снижает шум насоса, увеличивает эффективность на высоких скоростях. Уменьшается общая длина трансмиссии. Для привода насоса используется отдельная цепь. Фото.3

Фото 2. Насос CVT-1

Фото 3. насос CVT-2

Рис.2 Слева насос CVT-1, справа CVT-2

При работе CVT большие объемы рабочей жидкости закачиваются в шкив очень быстро и также быстро должны стечь из полостей. В процессе частого разгона – торможения это лишние насосные и кинетические потери. Большая производительность на низких оборотах, необходимая для быстрого наполнения шкивов не нужна на больших оборотах или статическом режиме движения, когда объемы уравновешены. Следовательно, высокопроизводительный насос большую часть времени просто работает в холостую, создавая лишние потери и нагревая рабочую жидкость, но низкопроизводительный насос не обеспечит начальной динамики набора давления на малых оборотах. Конструкция насоса CVT 2 выбрана с оптимальной производительностью.

Рис.3 Размещение и привод насоса цепью CVT-2

- заменены подшипники на шариковые как менее шумные и минимизации трения
- для улучшения работы пары ремень – шкив и уменьшения шума подшипники валов разнесены : один на шкиве, один в корпусе. ( в Hyper CVT – оба подшипника были на шкиве )

Фото 4. Размещение подшипника вала в корпусе

- уменьшен механизм планетарной передачи forward – reverse, и за счет переноса насоса уменьшена общая длина трансмиссии
- установлен сепаратор масла в полости шестерни дифференциала. Уменьшаются потери на трение, нагрев масла и его вспенивание на высоких скоростях. Сечении сепаратора подобрано таким образом, что с ростом оборотов уровень масла понижается в районе рабочей поверхности шестерни дифференциала, но не ниже заданного минимального.
- в целом, примененные меры позволили, по заявлению разработчиков, снизить потери на трение на 30 % в сравнении с CVT 1.

ОПТИМИЗАЦИЯ ДАВЛЕНИЯ

В связи с переходом на однопоршневой ведущий шкив пришлось повысить давление в нем, а это привело к увеличению потерь. Так как в RE0F06A линейное давление никак не контролировалось, что приводило к лишним кинетическим потерям, в CVT 2 введена жесткая обратная связь по давлению, кроме этого давление в шкивах стало регулироваться независимо. Для реализации этого добавили линейный соленоид в канал вторичного шкива, давление в котором контролируется независимо от линейного. Электронные датчики давления высокой точности позволяют независимо отслеживать давление в шкивах и понижать его до минимально требуемого без опасности проскальзывания ремня на шкивах. Снижение давления приводит к снижению потерь в CVT. Многочисленные стендовые и дорожные испытания на основе анализа различных условий движения позволили снизить давление до оптимальных величин.

Фото 5. Гидравлический блок управления.

РАСШИРЕНИЕ ДИАПАЗОНА БЛОКИРОВКИ ГИДРОТРАНСФОРМАТОРА

Одним из эффективных способов экономии топлива является блокировка гидротрансформатора. Как говорилось раньше – в режиме гидротрансформатора КПД его не превышает 80 %, когда гидротрансформатор ( ГТ ) переходит в режим гидромуфты - то КПД стремится к 95 %, только при полной блокировке ГТ его КПД будет близко к 99
%. Разница – это кинетические, насосные и тепловые потери. Блокировка ГТ позволяет существенно снизить их, особенно если она происходит как можно раньше. Но на малых скоростях блокировка ГТ может привести к толчкам и шумам из-за неравномерной работы двигателя на малых оборотах. На это, в основном, жаловались владельцы CVT 1 с моторами SR20 c механическим приводом дросселя и QR20 с электронным дросселем, у кого не адаптированы обороты. В CVT 2 введена двухступенчатая блокировка ГТ – скольжения и полная. Два соленоида управляют этими режимами. Давление блокировки контролируется по уровню минимально необходимого проскальзывания в соответствии с крутящим моментом от двигателя. Это улучшает реагирование блокировкой на тот случай, когда водитель резко тормозит, так как расширяет диапазон блокировки и диапазон топливной отсечки двигателя. Одноступенчатая полная блокировка CVT 1 приводила к ощутимому толчку при размыкании ГТ на скорости 20 км.ч и неравномерному замедлению. На моторе с механическим дросселем это усугублялось ранней отсечкой и реакцией системы холостого хода двигателя.

УЛУЧШЕНИЕ РАЗГОННОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ

За счет уменьшения объема масла в шкивах ( внутренних камерах ) и повышении эффективности насоса, а также переделки схемы гидравлики, управления итд, общая реакция существенно улучшена. Точность поддержания давления и его стабильность позволяют переключаться быстро и стабильно без потери момента двигателя.

Улучшение времени отклика сделало возможным улучшить характеристику ускорения и повысить чувство ускорения. Эти, как казалось бы, два одинаковых момента рассматриваются разработчиками по разному. Опрос водителей показал, что они необъективно оценивают ускорение машины, так как в CVT 1 в начальный момент
движения обороты двигателя были низкими. В процессе разгона обороты двигателя фиксируются на определенном уровне, а скорость набирается за счет изменения передаточных чисел CVT. У владельцев возникало чувство недостаточного ускорения в силу привычки со ступенчатыми АКПП, где обороты двигателя пропорционально растут скорости авто. Иными словами владельцам не хватало шума двигателя на разгоне, но не фиксированного а пропорционального скорости. Но изначально разработка CVT преследует другие цели, и на первом месте стоит экология, экономичность, снижение шума. Это никак не вяжется с высокими оборотами двигателя. Поэтому было проведено большое количество тестовых поездок и настроен алгоритм переключения таким образом, чтобы у водителя сохранилось чувство высокого ускорения. Это достигнуто снижением задержки реакции автомобиля на педаль акселератора с низких скоростей изменением программы управления. Более резкое изменение передаточных чисел потребовало изменить сечение каналов и плунжеров, например на CVT -1 форма плунжера была выбрана для плавного сброса-набора давления в ведущем шкиве за счет конусных краев.

Форма плунжера CVT-2 не допускает утечки в канале и при сбросе- наборе давления мгновенно открывает канал.

Фото 6. Серволинки изменения передаточных чисел CVT -2 и CVT – 1

Фото 7. CVT -1 сечение плунжера

Фото 8. CVT-2 сечение плунжера.

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ

В новом типе СVT применен более мощный процессор обработки данных. Блок управления трансмиссией выделен в отдельный блок, который обрабатывает данные, обмениваясь информацией с другими блоками по высокоскоростной шине CAN.

Так называемые переходы ( виртуальные передаточные числа ), по которым происходит расчет траектории ремня на шкивах, существенно расширены. Количество переходов увеличено, а расчет траектории намного ускорен. Блок хранит больше точек переходов, что позволяет рассчитывать и выбирать более оптимальные передаточные числа в
большем диапазоне скоростей и нагрузок. Для этого типа трансмиссии разработан новый тип двигателя – MR20DE. В сочетании с электронный дросселем и системой изменения фаз газораспределения при меньшей мощности он обладает более высоким крутящим моментом на низких и средних оборотах. Такое управление дросселем позволяет
избежать ударных нагрузок на трансмиссию и ввести электронную защиту от перегрузки, за счет ограничения момента двигателя по сигналам от блока управления CVT. Блок гидравлического управления для точного управления содержит энергонезависимую память ROM в отдельном блоке, в котором хранятся калибровочные характеристики механических узлов гидроблока – такие как жесткость пружин итд, характерные для каждого блока индивидуально. При настройке блока эти корректирующие величины записываются в ROM каждого блока и подлежат загрузке в электронный блок управления при замене CVT или ее ремонте.

Фото 9. блок ROM

КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ

Много внимания уделено улучшению крепления трансмиссии и ударопрочности.
В креплении уделено внимание новому подвесу, подушкам CVT, подушкам двигателя, их вибростойкости и передаче вибраций на кузов. Изменен подрамник, теперь силовой агрегат и трансмиссия закреплены на подрамнике, который в свою очередь крепиться к кузову. За счет уменьшения длины агрегата удалось уменьшить радиус поворота автомобиля.

Все конструктивные изменения предназначены для получения максимальных характеристик в комфорте движения, экономичности, снижению шума и улучшению токсичности выхлопа. Снижение норм выбросов – одна из самых первоочередных задач современных автомобилестроителей. Внедрение CVT трансмиссий – одна из таких
возможностей. Но какие бы новшества не разрабатывались и внедрялись – основной проблемой остается водитель, управляющий этим автомобилем. Не грамотность и не понимание работы систем современного авто водителем – самая главная проблема, против которой бессильна любая электроника. Поэтому, для реализации возможностей
современного автомобиля, та же компания NISSAN разработала программу повышения квалификации водителя. Для этого отобраны на начальном этапе водители и тестовые машины, оборудованные дополнительными информационными дисплеями, на которых выводится информация в процессе движения, указывающая водителю на его ошибки.

Конечно – это не дорожные знаки и разметка. Это именно стиль или манера вождения, и влияние этого на расход топлива и токсичность выхлопа. По результатам будет разработана школа обучения водительскому мастерству – для тех, у кого состояние педали газа не ограничивается только одним положением – полностью нажата. Таких там быстро высаживают пользоваться общественным транспортом без права управления в дальнейшем. Остальные водители будут управлять современными авто, учитывая
безопасность и экологические нормы.

Слово “ ВАРИАТОР “ или CVT у российских автовладельцев получило некоторую негативную характеристику, наверное также как и по началу ступенчатая автоматическая трансмиссия перед ручной коробкой передач. Теперь, спустя десяток лет, машина на “механике” почти не продаваемая в крупных городах из-за сложности и нудности
управления в пробках – а это неизбежный спутник современного движения в городах. Все хотят автоматическую коробку передач. Наверно нужно еще столько же лет, чтобы водители поняли преимущество CVT перед ступенчатым автоматом и научились ей пользоваться правильно, а не как попало. На это рассчитывают изготовители авто, разрабатывая программы обучения водителей. На это они рассчитывают – внедряя CVT в
свой модельный ряд, например только CVT -2 как базовая модель поставляется на следующих авто:

NISSAN LAFESTA, SERENA, BLUEBIRD SYLPHY, DUALIS, X-TRAIL
MITSUBISHI OUTLANDER, DELICA D:5 GARANT FORTIS, RVR
SUZUKI KIZASHI, LANDY
RENAULT KOLEOS
CHRYSLER DODGE CALIBER, JEEP COMPASS, JEEP PATRIOT

И это далеко не полный перечень фирм и моделей, у любого изготовителя на сегодня уже есть несколько моделей с CVT трансмиссией. Это значит, что в ближайшем будущем их ассортимент только вырастет.

ГАДЖИЕВ АРИД ОМАРОВИЧ
г. Москва,тел. 8-926-525-6300, е-mail: arid77@mail.ru, Союз автомобильных диагностов