Вариа́тор (лат. variator, буквально – изменитель) механизм для плавного, бесступенчатого изменения крутящего момента и угловой скорости ведомого вала в машинах. Обычно в качестве вариатора используют фрикционный механизм, в котором регулирование осуществляется за счёт изменения радиусов взаимодействующих поверхностей твёрдых тел качения (Крайнев. 1987. С. 40). Такие вариаторы принято называть фрикционными (Гулиа. 2004. С. 84).

По форме тел качения различают фрикционные вариаторы дисковые или лобовые, конусные, шаровые и торовые (Новый политехнический словарь. 2003. С. 47). Диапазон регулирования одноступенчатых вариаторов составляет 2,5–8, чаще 4–6,3 (Гузенков. 1986. С. 90); двухступенчатые вариаторы позволяют обеспечить диапазон регулирования более 10. Кпд одноступенчатых вариаторов фрикционного типа лежит в пределах 0,85–0,95 (Крайнев. 1987. С. 41).

Общая теория и схемы построения бесступенчатых передач нефрикционного типа приведены в работе (Матасов. 1977).

В автомобилестроении тип трансмиссии, в которой используются вариаторы, обозначают аббревиатурой CVT (от англ. Continuously Variable Transmission). Передача вращающего момента в используемых вариаторах происходит за счёт сил трения независимо от типа их конструкции. Регулирование передаточного отношения осуществляется путем переноса точек контакта элементов механической передачи.

Автомобильный вариатор способен плавно изменять коэффициент передачи во всём диапазоне скоростей и тяговых усилий, поэтому в процессе работы трансмиссии с вариатором не наблюдается характерных толчков, свойственных другим видам трансмиссии при переключении передач автомобиля.

Вариаторы с раздвижными конусами

На современных автомобилях самым распространённым является вариатор с раздвижными конусами. В нём крутящий момент передаётся от ведущего шкива, соединённого с мотором, к ведомому, связанному с приводами колёс через промежуточный элемент – широкий клиновой ремень в клиноременной передаче или специальную цепь – в клиноцепной передаче.

(Плавное изменение угловой скорости ведомого вала достигается раздвижением ведущего и синхронным сближением ведомого конусных катков, т. е. изменением расчётных радиусов катков R1 и R2.)

Принцип работы вариатора данного типа основан на изменении диаметров ведомого и ведущего шкивов в сочетании с уменьшением или увеличением частоты оборотов двигателя. При трогании автомобиля, когда необходимо максимальное тяговое усилие, диаметр ведущего шкива минимален, ведомого максимален, что повышает коэффициент передачи. С набором скорости и увеличением оборотов силового агрегата диаметр ведущего шкива увеличивают, а ведомого – уменьшают, что уменьшает коэффициент передачи. Таким образом регулируется тяговое усилие, передаваемое на приводы колёс. Как на любых современных автомобилях, за регулирование диаметров шкивов вариатора отвечают электронные механизмы, получающие команды от электронного блока управления.

Клиноременные вариаторы просты и надёжны в эксплуатации, их узлы стандартизированы. При использовании широких ремней передаваемая мощность достигает 50 кВт при кпд до 0,9 (Гузенков. 1986).

Клиноцепные вариаторы сложнее и дороже клиноременных, но они компактнее, надёжнее и долговечнее. Они обеспечивают постоянство передаточного числа из-за отсутствия проскальзывания. Цепные вариаторы могут передавать мощность до 100 кВт при кпд до 0,9.

Клиноременные и клиноцепные вариаторы не способны осуществлять реверсивное движение ведомого вала.

Вариаторы этого типа получили широкое применение в трансмиссиях легковых автомобилей, мотоциклов, станков.

Двухступенчатые вариаторы с раздвижными конусами

Для регулирования передаточного отношения в диапазоне выше 10 рекомендуется применять двухступенчатые вариаторы, содержащие две фрикционные передачи. Разработаны конструкции с регулированием двух и четырех шкивов. В зависимости от способа перемещения дисков различают:

• вариаторы с принудительным перемещением двух дисков на ведущем и ведомом валах или на промежуточном валу и с двумя плавающими дисками;

• с принудительным перемещением двух дисков и с двумя подгруженными дисками;

• с принудительным перемещением четырех дисков.

Кпд двухступенчатых вариаторов с плавающими дисками не превышает 60–85 %. Применение схемы с четырьмя принудительно перемещаемыми дисками позволяет повысить кпд вариатора.

Торовый вариатор

Следующий вид бесступенчатой передачи – торовый вариатор, встречается на практике гораздо реже клиноременной схемы.

Простейший торовый вариатор состоит из двух соосных катков с тороидальной (сферической) рабочей поверхностью и двух или трех промежуточных роликов.

Один каток вариатора является ведущим, а другой – ведомым. Передача крутящего момента обеспечивается силами трения между рабочими поверхностями катков и роликов. Изменение положения оси роликов в поперечной плоскости приводит к изменению передаточного числа вариатора, равного отношению радиусов окружностей, проходящих через точки контакта катков с роликами.

Частоту вращения ведомого вала регулируют поворотом промежуточных роликов с помощью рычажного механизма, в результате чего изменяются радиусы поверхностей контакта R1 и R2. Особенностью простейших тороидных вариаторов являются противоположные направления вращения ведущего и ведомого валов.

Торовый вариатор был изобретен Ч. У. Хантом (США) и запатентован им 27 ноября 1877 г. На основе этого вариатора был разработан ряд трансмиссий, выпущенных в небольшом количестве. Так, в 1930 г. фирмой Austin было произведено и продано 600 автомобилей York с торовым вариатором Austin-Hayes.

При использовании торового вариатора в трансмиссии автомобиля так же, как и в случае клиноременного, необходимо обеспечить возможность получения заднего хода и отключения вариатора от двигателя с помощью механизма сцепления.

До настоящего времени торовые вариаторы не получили широкого распространения в автомобильных трансмиссиях. Препятствием для распространения торовых вариаторов до последнего времени был недостаточный уровень некоторых технологий.

С появлением фрикционных масел и совершенствованием электронных систем управления многие проблемы, свойственные этим вариаторам, в опытных образцах были решены – скольжение в них сведено к минимуму, а кпд достигает 0,95 (Крайнев. 1987. С. 468). Торовые вариаторы имеют наиболее совершенную и компактную конструкцию в сравнении с вариаторами других типов.

Основные недостатки тороидных вариаторов – сложность конструкции, высокие требования к точности изготовления узлов и их монтажа.

Вариатор с постоянными конусами и промежуточным диском

На ведомом и ведущем валу вариатора закреплены конические барабаны, между которыми на оси расположен каток. С помощью винта каток может перемещаться вдоль своей оси. Пружина позволяет обеспечить надёжное прижатие барабанов и катка.

Многодисковые вариаторы

Многодисковые вариаторы состоят из пакетов ведущих и ведомых раздвижных конических дисков, прижимаемых пружинами. Изменение частоты вращения ведомого вала в таких вариаторах осуществляется за счёт перемещения ведущего вала относительно ведомого в направлениях. При этом изменяется межосевое расстояние и расчётный радиус R1 ведущих дисков. При работе дисков в масляной ванне долговечность и надежность многодисковых вариаторов существенно повышается.

Применение многодисковых вариаторов позволяет уменьшить габариты конструкции при значениях передаваемой мощности до 250 кВт (Гулиа. 2004. С. 94), однако многодисковые вариаторы также не способны осуществлять реверсивное движение ведомого вала.

Лобовой вариатор

Данный тип вариаторов применяется в винтовых прессах и различных приборах. Рабочие поверхности катков лобовых вариаторов подвержены интенсивному износу вследствие существенной разницы скоростей на площадке контакта. По этой же причине лобовые вариаторы имеют невысокий кпд. К преимуществам лобового вариатора относится возможность осуществлять реверс вращения ведомого вала.