CVT útskýrt: Hvað er stiglaus gírkassi (variator) og hvernig virkar hann?

Þú hefur sennilega rekist á setningu eins og „bíllinn er búinn stiglausum sjálfskiptingu” þegar þú vafrar um bílasöfn eða lest tæknilýsingar. Allir vita hvað beinskiptur gírkassi er, og flestir ökumenn hafa fyrir löngu sætt sig við hina klassísku sjálfskiptingu. En stiglaus gírkassi — einnig þekktur sem CVT (continuously variable transmission, stiglaus sjálfskipting) — vekur enn furðusvip. Það kemur á óvart, því hann er langt frá því að vera nýr af nálinni.

Stutt saga CVT-gírkassans

Hér er staðreynd sem kemur fólki gjarnan á óvart: stiglausi gírkassinn var ekki fundinn upp af Honda, Toyota eða jafnvel Mercedes-Benz. Fyrsta einkaleyfið fyrir stiglausa sjálfskiptingu var veitt undir lok 19. aldar — og upprunalega hugmyndin nær enn lengra aftur. Leonardo da Vinci teiknaði upp meginregluna þegar árið 1490.

Fyrsti raunverulegi bíllinn búinn CVT kom hins vegar ekki fram á endurreisnartímanum. Það tók aðrar fimm aldir. Á sjötta áratugnum varð DAF — hollenskt vörumerki sem þá framleiddi bæði vörubíla og fólksbíla — fyrsti framleiðandinn til að setja stiglausan gírkassa í sölu. Volvo fylgdi á eftir með eigin útgáfu, og CVT-tæknin hefur unnið á síðan þá.

Hvað er stiglaus gírkassi? CVT á móti sjálfskiptingu

Einfaldlega sagt er stiglaus gírkassi tegund sjálfskiptingar — en hann vinnur eftir gjörólíkri meginreglu. Úr ökumannssætinu lítur bíll með CVT eins út og bíll með hefðbundinni sjálfskiptingu:

Tveir fótstigar — bensín og bremsa
Gírvalsstöng með hinum kunnuglegu stöðum P, R, N, D
Engin kúplingsfótstig, engar handvirkar gírskiptingar nauðsynlegar

En undir vélarhlífinni er sagan allt önnur. Hefðbundin sjálfskipting hefur fastan fjölda gíra — fyrsta, annan, þriðja og svo framvegis. CVT hefur enga fasta gíra yfirhöfuð. Þess í stað aðlagar hann gírhlutfallið stöðugt og óaðfinnanlega eftir því sem bíllinn eykur eða dregur úr hraða. Niðurstaðan? Engir kippir, engin högg, engar merkjanlegar gírskiptingar — bara mjúk og óslitin aflflutningur.

Tegundir CVT-gírkassa

Ekki eru allir stiglausir gírkassar smíðaðir eins. Nokkrar megingerðir eru í notkun:

V-belti með stillanlegum trissum — algengasta tegundin, sem finnst í meirihluta bíla með CVT
Keðju-CVT — notað af Audi, með mikla skilvirkni og snúningsvægisgetu
Hringlaga (toroidal) CVT — sjaldgæfari en vélfræðilega glæsileg hönnun sem notar rúllur milli hringlaga skífa

V-beltistrissukerfið er það sem flestir ökumenn munu kynnast, svo við skulum skoða nánar hvernig það virkar.

Hvernig virkar V-beltis CVT? Einföld útskýring

Ímyndaðu þér tvo blýanta sem liggja samsíða hvor öðrum, tengda með strekktu teygjubandi. Snúðu öðrum blýantinum, og hinn fylgir á sama hraða. Ímyndaðu þér nú að blýantarnir hafi mismunandi þvermál — einn snúningur þess stærri neyðir þann minni til að snúast tvisvar. Það er grunnhugmyndin að baki V-beltis stiglausum gírkassa.

Í raunverulegum CVT er þessu náð með tveimur stillanlegum trissum:

Hver trissa samanstendur af tveimur keilulaga helmingum sem snúa hvor að öðrum, oddur á móti oddi
V-laga belti liggur milli trissanna og grípur í þær eftir rifflóttum brúnum sínum
Þegar keiluhelmingarnir fjarlægjast hvor annan fellur beltið í átt að miðjunni og liggur eftir minni radíus
Þegar keilurnar lokast saman liggur beltið eftir stærri radíus

Vökvakerfi (eða annar þjónsbúnaður) færir báðar trissurnar samstillt — þegar önnur opnast, lokast hin. Önnur trissan situr á drifásnum (frá vélinni) og hin á drifna ásnum (að hjólunum). Með því að breyta stöðugt virku þvermáli hverrar trissu breytir gírkassinn gírhlutfalli sínu yfir mjög breitt svið, án þrepa og án truflana.

Allt sem þarf til að fullgera pakkann er eining fyrir bakkgír — yfirleitt einfalt reikistjörnugírasett — og þá er CVT-gírkassinn tilbúinn til notkunar.

Hvers konar belti notar CVT?

Venjulegt gúmmídrifbelti myndi sundrast innan fárra þúsunda kílómetra við starfsskilyrði CVT. Beltin sem notuð eru í stiglausum gírkössum eru sérhönnuð íhlutir. Til eru tvær megingerðir:

Stálþrýstibelti — sett af lagskiptum stálböndum sem hundruð þunnra, trapisulaga stálplatna eru festar á. Plöturnar ýta hver á aðra og gera beltinu kleift að flytja kraft jafnvel á þrýstihliðinni — eitthvað sem gúmmíbelti getur einfaldlega ekki gert
Stálkeðja — breið, flöt keðja sem snertir trissukeilurnar eftir brúnum sínum frekar en flötunum. Þetta er hönnunin sem notuð er í CVT-kerfum Audi (markaðssett sem Multitronic)

Keðju-CVT Audi notar sérstakan gírkassavökva sem breytir seigju sinni undir miklum þrýstingi á snertipunktunum, sem gerir keðjunni kleift að flytja umtalsverðan kraft með lágmarks renningi — jafnvel yfir mjög lítinn snertiflöt.

Hvernig er tilfinningin að keyra með CVT?

Akstursupplifunin fer eftir því hvernig stýriforrit CVT er stillt, en algengasta hegðunin við harða hröðun er á þessa leið: þú þrýstir bensíngjöfinni í botn, vélin klífur upp í snúningssvið hámarkssnúningsvægis — og helst þar alla hröðunarrásina, viðheldur stöðugum, jöfnum tóni á meðan bíllinn byggir upp hraða.

Sumum ökumönnum finnst þetta framandi í fyrstu. Vélarhljóðið hækkar og lækkar ekki eins og það gerir með þrepaskiptum gírkassa; þess í stað helst það á einni tónhæð á meðan bíllinn hraðar á sér. Því hefur verið líkt við suðið í ryksugu — áhrifaríkt, en frábrugðið því sem flestir ökumenn eru vanir.

Sem sagt, margir framleiðendur stilla CVT-kerfi sín til að líkja eftir tilfinningu hefðbundins gírkassa, þar sem vélarsnúningur hækkar smám saman eftir því sem hraðinn eykst. Sumar gerðir ganga lengra og bjóða upp á:

Sýndargírþrep — yfirleitt 6 eða 8 rafrænt skilgreind hlutföll, sem CVT skiptir snögglega á milli og líkir þannig eftir klassískri sjálfskiptingu
Handvirka raðskiptingu — sem gerir ökumanni kleift að velja sýndargíra með skiptifjöðrum (paddle shifters) eða stöng
Sjálfvirka niðurskiptingu — þegar ekið er upp brekku eða dregið úr hraða skiptir CVT skynsamlega í lægra hlutfall til að viðhalda snúningsvægi, óháð stöðu bensíngjafar

Audi A4 allroad quattro — búinn keðju-Multitronic CVT frá Audi

Kostir CVT-gírkassa

Óendanleg gírhlutföll — vélin starfar alltaf á sínu skilvirkasta eða öflugasta sviði, eftir eftirspurn
Mjúk hröðun — engar gírskiptingar þýða enga truflun á snúningsvægi og engin högg
Betri eldsneytisnýting — með því að halda vélinni á sínu ákjósanlega starfssviði geta CVT-kerfi dregið úr eldsneytisnotkun samanborið við hefðbundnar sjálfskiptingar
Góð frammistaða á litlum hraða — sérstaklega gagnleg í stopp-og-fara borgarumferð
Lægri kostnaður en hjá hágæða sjálfskiptingum — CVT-einingar eru almennt ódýrari í framleiðslu en hágæða sjálfskiptingar með snúningsvægisbreyti

Ókostir CVT-gírkassa

Aflmörk — hefðbundnir CVT-gírkassar voru ekki hannaðir fyrir notkun með háu snúningsvægi og miklu afli, sem er ástæðan fyrir því að sport- og stórir lúxusbílar hafa sögulega haldið sig við hefðbundna gírkassa
Hærri viðhaldskostnaður — CVT-sértækur gírkassavökvi er dýrari en venjulegt ATF, og beltisskipti (á 100.000–150.000 km fresti) eru viðbótarþjónustuliður
Framandi aksturstilfinning — tilfinningin af hröðun við stöðugan snúning þarf að venjast
Olíuskiptabil — CVT-vökva þarf yfirleitt að skipta um á 40.000–50.000 km fresti eftir gerð

Hversu öflugur getur CVT orðið?

CVT-gírkassar hófu feril sinn í litlum borgarbílum — og lengi vel héldu þeir sig þar. Vélfræðilegar kröfur beltisbyggðs gírkassa gerðu hátt aflafköst að áskorun. En verkfræðin hefur fleygt fram til muna.

Keðju-Multitronic CVT frá Audi, sem komið er fyrir í A4 2.0 TFSI, ræður við 200 hestöfl án vandræða. Nissan gekk lengra með X-Tronic CVT í Murano — fullvöxnum jepplingi með 3,5 lítra V6-vél sem skilar 234 hestöflum. Þetta eru ekki lengur sérhæfð, aflítil not.

CVT á móti sjálfskiptingu: Hvor er betri?

Klassískar sjálfskiptingar hafa svarað fyrir sig með fleiri gírum — 8 þrepa einingar eru nú staðalbúnaður í mörgum stjórnenda- og lúxusbílum, í leit að sömu jafnvægi skilvirkni og frammistöðu sem CVT bjóða upp á sjálfgefið. Tíu og tólf þrepa sjálfskiptingar hafa birst í vörubílum og sportbílum.

En CVT hefur byggingarlegan yfirburð sem enginn þrepaskiptur gírkassi getur líkt eftir: fjöldi hlutfalla er óendanlegur. Sama hversu marga gíra verkfræðingar bæta við hefðbundna sjálfskiptingu, þá verður alltaf bil á milli hvers og eins. CVT hefur engin bil. Fyrir daglegan akstur — ferðir til og frá vinnu, eldsneytisnýtingu, mjúka borgarumferð — er hann áfram einn hagkvæmasti og vanmetnasti gírkassakostur á markaðnum.