Вариаторная АКП (Continuously Variable Transmission, CVT, постоянно изменяющаяся трансмиссия) – это механический бесступенчатый агрегат трансмиссии с внешним управлением, которое позволяет автоматически плавно изменять передаточное число, выбирая наиболее оптимальное согласно внешней нагрузке и оборотам двигателя, тем самым, давая возможность максимально эффективно использовать его мощность.

Бес­сту­пен­ча­тое ре­гу­ли­ро­ва­ние ско­ро­сти дви­же­ния по срав­не­нию со сту­пен­ча­тым по­вы­ша­ет про­из­во­ди­тель­ность, об­лег­ча­ет вве­де­ние ав­то­ма­ти­за­ции и по­зво­ля­ет осу­ще­ст­в­лять управ­ле­ние на хо­ду. Бесступенчатые передачи пе­ре­да­ют мощ­но­сти от ни­чтож­но ма­лых до не­сколь­ких де­сят­ков кВт и при срав­ни­тель­но про­стом уст­рой­ст­ве име­ют не­боль­шие га­ба­ри­ты, дос­та­точ­но вы­со­кий КПД и ши­ро­кий диа­па­зон ре­гу­ли­ро­ва­ния (от­но­ше­ние наи­боль­ше­го пе­ре­да­точ­но­го чис­ла к наи­мень­ше­му от 6 до 12). Вариаторы при­ме­ня­ют­ся в не­боль­ших ме­ха­низ­мах руч­но­го ре­гу­ли­ро­ва­ния (при­бо­рах и из­ме­рительных уст­ройствах), в при­во­дах прес­сов, об­ра­ба­ты­ваю­щих стан­ков, а также в транс­порт­ных средствах.

Существует множество конструкций вариаторов, которые можно разделить по характеру и принципу работу, а также по виду контакта рабочих тел передачи, на следующие группы и типы:
1. Передачи непрерывного действия:
1.1 Работающие трением:
- с непосредственным контактом (фрикционные) – тороидальные, конусные;
- с гибкой связью – клиноременные;
1.2. Работающие зацеплением:
- с непосредственным контактом – зубчатые;
- с гибкой связью – цепные.
2. Передачи переодического действия (импульсные):
2.1 Рычажные;
2.2 Инерционные.

В автомобильных коробках передач применяются клиноременные вариаторы (Belt CVT), цепные и тороидальные (Toroidal CVT).

Ведущие автомобильные производители наладили выпуск моделей вариаторных АКП и соответственно дали им свое название: «Lineartronic» была разработана Subaru, «Multimatic» – Honda, «Autotronic» – Mercedes-Benz, «Multitronic» – Audi, «Multidrive» – Toyota, «X-Tronic» и «Hyper» – Nissan; «Ecotronic» и «Durashift CVT» – Ford.

Вариаторная клиноременная автоматическая коробка передач чаще всего устанавливается на переднеприводные автомобили. Цепные вариаторы используют, в частности, Audi («Multitronic»), Subaru («Lineartronic»). Тороидальные АКП устанавливаются на задне- и полноприводных автомобилях с продольным расположением двигателя. Помимо этого аналоги бесступенчатой трансмиссии «Variomatic» используются в современных мотороллерах (скутерах), являясь их стандартным элементом примерно с 80-х годов XX века. Вариатор ставят на скутеры с наиболее ходовыми объемами двигателей (50, 70 и 125 см³) таких компаний, как «Malossi», «Polini», «Doppler» и др.

В основе конструкции автоматической вариаторной клиноременной коробки передач лежит клиноременной вариатор, состоящий из двух пар конических (клиновидных) дисков, которые, по сути, являются шкивами, и металлического ремня.

Ремень, изготавливается из двух металлических лент, на которые нанизываются металлические пластины специальной формы. Ремень включает до 400 стальных элементов.

Принцип работы клиноременного вариатора следующий. При малой частоте вращения коленчатого вала (начало трогания автомобиля) ремень на ведомом шкиве вращается на большем радиусе, а ведущий шкив вращается с малым радиусом.Передаточное число наибольшее. По мере разгона автомобиля и увеличения частоты вращения коленчатого вала увеличивается рабочий диаметр ведущего шкива, а ведомого – уменьшается.Корректировка скоростного режима обеспечивается за счет согласованных изменений диаметров двух шкивов. В таких условиях количество передач практически неограниченно.

Конструктивно клиноременная вариаторная коробка передач состоит из следующих элементов:

- клиноременная передача, состоящая из раздвижных шкивов и ремня.

- пакет фрикционных муфт или гидротрансформатора, предназначенных для отсоединения трансмиссии от двигателя и обеспечения нейтральной передачи (наличие зависит от конкретной модели).

- планетарный механизм, который предназначен для изменения направления вращения входного вала (режим заднего хода).

- дифференциал, который служит для распределения крутящего момента на ведущие колеса автомобиля.

- блок управления трансмиссией, который считывает данные с датчиков и передает соответствующие сигналы, меняющие режим работы вариатора. Ряд моделей CVT предусматривают возможность ручного переключения скорости при помощи настроек электронного управления. Также могут быть предусмотрены функции экономичного или спортивного режима.

- храповик для блокировки движения во время стоянки (P-паркинг).

- гидравлическая система, включающая гидравлический насос, который приводится в действие гидротрансформатором и предназначен для создания давления рабочей жидкости. Давлением приводятся в действие исполнительные устройства (гидроцилиндры).

- датчики (скорости входного и выходного валов, температуры рабочей жидкости, положения селектора).

Для трогания автомобиля с места используются обычное сцепление или небольшой гидротрансформатор, который вскоре после начала движения блокируется. Крутящий момент передается от первичного вала к ведущему шкиву посредством гидротрансформатора. В гидротрансформаторе момент силы передается после подачи масла приводным насосным колесом на турбинный диск, связанный с первичным валом.

Гидротрансформатор передает крутящий момент на первичный вал. На первичном валу установлен ведущий шкив, за счет сил трения между ним и клиновидным ремнем крутящий момент передается на ведущий шкив, который установлен на вторичной валу. Управление дисками шкивов осуществляет с помощью гидроцилиндра, который сжимает диски в зависимости от оборотов, или управление осуществляется электрогидравлической системой состоящей из сервоприводов, блока управления и датчиков.

На первой передаче, при трогании автомобиля с места, диски ведущего шва максимально разъединены, то есть ремень вращается по большому радиусы, а диски ведомого шкиваведомого шкива в этот момент максимально сведены, то есть ремень вращается по маленькому радиусу, таким образом, получается низшая передача. Далее при развитии оборотов происходит смена диаметров ведущего и ведомого шкивов. Передаточное число увеличивается максимально.

Ведомый вал вращает дифференциал, к которому присоединены полуоси ведущих колес.

Задняя передача обеспечивается подсоединением к ведомому валу планетарного механизма, который и обеспечивает реверсивное движение ведомого вала.

Управление диаметрами шкивом может осуществляться с помощью электронной системы управления.

При использовании вариатора нет резких рывков при переключении, обеспечивается более плавный ход и экономия топлива, так как электроника выбирает оптимальный режим оборотов двигателя и передаточное число шкивов.

На ряду с клиновыми ремнями для передачи крутящего момента используются специальные цепи с пластинами очень высокой прочности, расположенными поперек оси цепи. На вариаторных трансмиссиях «Multitronic» и «Lineartronic» применяется многорядная стальная цепь.

Устройство цепного вариатора аналогично устройству клиноременного вариатора, цепной вариатор также состоит из ведущего и ведомого конических шкивов с аксиально перемещаемыми дисками, но крутящий момент передает специальной цепи.

Вариаторная цепь состоит из пластин, соединенных клиновидными осями звеньев. Когда диски шкива сближаются они зажимают между собой выступающие по бокам оси. Крутящий момент передается за счет сил трения между торцами осей и рабочими поверхностями дисков. Каждая из двух составных осей неподвижно соединена с одним рядом пластин. Составная ось образует качающийся шарнир. Когда цепь описывает радиус на шкиве сегменты составной оси как бы качаются друг на друге, то есть трение между ними почти полностью отсутствует. Поэтому, несмотря на высокие значения крутящего момента и угол изгиба, потери мощности и износ сводятся к минимуму.
Чтобы цепь работала бесшумно, она состоит из пластин двух размеров. Если бы пластины имели одну длину, то соединяющие их оси входили бы в контакт со шкивами через равные промежутки времени и вызывали бы колебания, чреватые неприятным шумом. Использование пластин разной длины позволило ликвидировать резонансные явления и свести к минимуму уровень шума.

Цепь передает усилие тянущее, а не толкательное как ремень, а также обеспечивает не только передачу значительной нагрузки, но еще и изменение передаточного отношения в диапазоне от 1:2,1 до 1:12,7, что позволило отказаться от гидротрансформатора, а значит, и от дополнительных потерь мощности.

Общее устройство АКП с цепным вариатором показана на рисункениже. Основными элементами коробки передач являются: механизм включения для начала движения (фрикционы с дисками в масле), ведущий и ведомый шкивы с аксиально перемещаемыми дисками и сталь­ной ремень, предназначенный для пере­дачи мощности; система электронно-гидравлического управления коробкой передач; узел движения задним ходом; главная передача и дифференциал.

На ведущий привод передается вращения от двигателя через промежуточный передаточный механизм, ведомый привод передает крутящий момент на дифференциал. При передачи движения цепь всегда натянута.

Цепь приводит ведомый шкива, при этом со шкивами контактируют скошенные торцы соединительных осей звеньев. Чтобы исключить проскальзывание, прижим скошенных торцов осуществляется сложной следящей гидравлической системой, которая создает в каждый момент необходимое давление от 20 до 60 кгс/см². В результате износ штифтов составляет лишь 0,2 мм за весь срок службы.

Для плавного трогания с места при включения передачи переднего и заднего хода служит многодисковое сцепления включаемое с помощью гидравлики. Изменение направления вращения производится с помощью шестерен планетарного механизма.

Управление коробкой передач осуществляется с помощью электронно-гидравлической системы. Для принятия определенного решения в блок управления поступает информация от различных датчиков: частоты вращения коленчатого вала двигателя, частоты вращения входного передаточного механизма, положения педали подачи топлива, крутящего момента двигателя, температуры масла в коробке передач.

Подробно устройство и принцип работы вариативной цепной АКП Multitronic 09J описано ниже.

Тороидальные вариаторные коробки передач меньше распространены, чем клиноременные и цепные.

Тороидальный вариатор состоит из соосных дисков, имеющих сферические рабочие поверхности, и промежуточных роликов. Один диск насажен на ведущий вал, второй на ведомый. Промежуточные ролики свободно сидят на осях и за счет сил трения передают крутящий момент от одного диска к другому. Для изменения передаточного числа меняются положение роликов и их радиусы, по которым ролики обкатывают диски. Ролик может перемещаться в вертикальном направлении и вращаться горизонтально вокруг своей оси. Таким образом, ролик может соприкасаться с разными радиусами дисков. В зависимости от угла поворота ролика ведомый диск может вращаться с той же скоростью, что и ведущее (если ролик горизонтален), с большей или меньшей (если ролик поворачивается). При соединении ролика с малым радиусом ведущего диска и с большим ведомого, получается низшая передача. Если наоборот – высшая. Прямая передача – это момент соприкосновения ролика с одинаковыми радиусами дисков.

Поскольку все усилие сосредоточено в пятне контакта, то для поворота роликов должны использоваться особые устройства, способные преодолевать силу прижатия ролика к диску (до 3000 Нм). Возможность передачи таких усилий обеспечивается применением высококачественных сталей, особых масел и специальной системой, в которой управляемый электронным блоком управления прецизионный гидравлический механизм перемещает обоймы с роликами вверх или вниз на микроскопическую величину, а далее, из-за возникшего сдвига относительно оси дисков, ролик поворачивается сам. Кроме того, чтобы раз­грузить детали и уменьшить размеры тороидной коробки передач, в ней работают два вари­атора. При использовании тороидного вариатора в трансмиссии автомобиля так же, как и в случае клиноременного, необходимо обеспечить возможность получения заднего хода и отключения вариатора от двигателя с помощью сцепления. Задний ход обеспечива­ет планетарная передача, а для нейтральной передачи используется гидро­трансформатор.

Ауди с бесступенчатой коробкой передач расходует на 0,9 л/100 км меньше топлива, чем с традиционной автоматической коробкой, и на 0,2 л меньше, чем с механической пятиступенчатой коробкой передач. При этом разгон до 100 км/час занимает соответственно на 1,3 с и на 0,1 с меньше времени. При этом бесступенчатые коробки передач до сих пор не нашли широкого применения из-за некоторых имеющихся в них су­щественных недостатков по сравнению с механическими ступенчатыми короб­ками (размер, масса, диапазон преобра­зования, производственные расходы, КПД коробки передач, компоновочные ограничения, применения специальных смазывающих материалов).