CVT wyjaśnione: Czym jest wariator i jak działa?

Przeglądając katalogi samochodowe lub karty techniczne, pewnie natknąłeś się już na sformułowanie „samochód wyposażony w bezstopniową skrzynię biegów”. Każdy wie, czym jest manualna skrzynia biegów, a większość kierowców dawno pogodziła się z klasycznym automatem. Jednak wariator — znany też jako CVT (continuously variable transmission, czyli bezstopniowa skrzynia biegów) — wciąż budzi zdziwienie. Tym bardziej zaskakujące, że nie jest to żadna nowość.

Krótka historia przekładni CVT

Oto fakt, który zwykle zaskakuje: wariator nie został wynaleziony przez Hondę, Toyotę ani nawet Mercedesa-Benza. Pierwszy patent na bezstopniową skrzynię biegów został przyznany pod koniec XIX wieku — a sama idea sięga jeszcze wcześniej. Leonardo da Vinci naszkicował tę zasadę już w 1490 roku.

Jednak pierwszy seryjny samochód wyposażony w CVT nie pojawił się w epoce Renesansu. Trzeba było poczekać kolejne pięć stuleci. W latach 50. XX wieku marka DAF — holenderski producent ciężarówek i samochodów osobowych — jako pierwsza zastosowała wariator w produkcji seryjnej. Volvo poszło w jej ślady z własną wersją, a technologia CVT nieprzerwanie zyskuje na popularności.

Czym jest wariator? CVT a klasyczna automatyczna skrzynia biegów

Mówiąc prosto, wariator to rodzaj automatycznej skrzyni biegów — działający jednak na zupełnie innej zasadzie. Z perspektywy kierowcy samochód z CVT wygląda identycznie jak ten z tradycyjnym automatem:

Dwa pedały — gazu i hamulca
Dźwignia wyboru biegu z tradycyjnymi pozycjami P, R, N, D
Brak pedału sprzęgła, brak konieczności ręcznego zmieniania biegów

Pod maską jednak historia wygląda zupełnie inaczej. Tradycyjny automat dysponuje stałym zestawem przełożeń — pierwszy, drugi, trzeci bieg i tak dalej. CVT nie ma żadnych stałych biegów. Zamiast tego płynnie i nieprzerwanie dostosowuje przełożenie w miarę przyspieszania lub zwalniania auta. Efekt? Żadnych szarpnięć, żadnych wstrząsów, żadnych wyczuwalnych zmian biegów — tylko płynne, nieprzerywane przeniesienie napędu.

Rodzaje przekładni CVT

Nie wszystkie wariatory są zbudowane tak samo. Wyróżniamy kilka głównych rozwiązań:

Pasek klinowy z regulowanymi kołami pasowymi — typ najczęściej spotykany, stosowany w zdecydowanej większości samochodów z CVT
CVT łańcuchowy — używany przez Audi, zapewniający wysoką sprawność i zdolność przenoszenia momentu obrotowego
CVT toroidalny — rzadziej stosowane, lecz eleganckie mechanicznie rozwiązanie wykorzystujące rolki między dyskami toroidalnymi

Układ z paskiem klinowym i kołami pasowymi jest tym, z którym zetknie się większość kierowców — przyjrzyjmy się więc bliżej jego działaniu.

Jak działa CVT z paskiem klinowym? Proste wyjaśnienie

Wyobraź sobie dwa ołówki leżące równolegle, połączone naciągniętą gumką. Zakręć jednym — drugi obraca się z tą samą prędkością. Teraz wyobraź sobie, że ołówki mają różne średnice — jeden obrót większego wymusza dwa obroty mniejszego. To właśnie podstawowa zasada działania wariatora paskowo-klinowego.

W prawdziwym CVT osiąga się to za pomocą dwóch regulowanych kół pasowych:

Każde koło składa się z dwóch stożkowych połówek zwróconych ku sobie wierzchołkami
Między kołami biegnie pasek w kształcie litery V, który chwyta je bocznymi krawędziami
Gdy połówki stożka rozsuwają się, pasek opada ku środkowi i przebiega po mniejszym promieniu
Gdy stożki zbliżają się do siebie, pasek biegnie po większym promieniu

Układ hydrauliczny (lub inny serwomechanizm) przesuwa oba koła synchronicznie — gdy jedno się otwiera, drugie zamyka. Jedno koło osadzone jest na wale napędowym (od silnika), drugie na wale napędzanym (do kół). Dzięki ciągłej zmianie efektywnej średnicy każdego koła pasowego przekładnia zmienia przełożenie w bardzo szerokim zakresie — bez przerw i bez skokowych zmian.

Do skompletowania układu potrzebny jest jeszcze mechanizm biegu wstecznego — zazwyczaj prosta przekładnia planetarna — i skrzynia CVT jest gotowa do pracy.

Jaki pasek stosuje się w CVT?

Zwykły gumowy pasek napędowy rozpadłby się po kilku tysiącach kilometrów w warunkach pracy wariatora. Paski stosowane w CVT to komponenty zaprojektowane specjalnie do tego celu. Wyróżniamy dwa główne typy:

Stalowy pasek pchający — zestaw warstwowych stalowych taśm, na których osadzone są setki cienkich, trapezoidalnych stalowych płytek. Płytki odpychają się od siebie, umożliwiając pasku przenoszenie siły nawet po stronie ściskanej — coś, czego zwykły gumowy pasek nie jest w stanie zrobić
Stalowy łańcuch — szeroki, płaski łańcuch, który styka się ze stożkowymi kołami pasowymi swoimi krawędziami, a nie powierzchnią. Takie rozwiązanie zastosowano w układach CVT marki Audi (sprzedawanych pod nazwą Multitronic)

Łańcuchowe CVT Audi wykorzystuje specjalny płyn przekładniowy, który zmienia swoją lepkość pod wpływem ekstremalnego ciśnienia w punktach styku, umożliwiając łańcuchowi przenoszenie znacznych sił przy minimalnym poślizgu — nawet na bardzo małej powierzchni kontaktu.

Jak jeździ się z CVT?

Wrażenia z jazdy zależą od sposobu nastrojenia programu sterującego CVT, jednak najczęstsze zachowanie podczas dynamicznego przyspieszania wygląda tak: wciskasz pedał gazu do podłogi, silnik wchodzi w zakres obrotów maksymalnego momentu obrotowego — i pozostaje tam przez cały czas przyspieszania, utrzymując jednostajny, równy dźwięk, podczas gdy samochód nabiera prędkości.

Niektórych kierowców początkowo to zaskakuje. Dźwięk silnika nie narasta i nie opada tak jak przy skrzyni stopniowej — utrzymuje się na jednym poziomie, gdy auto przyspiesza. Porównuje się to do warczenia odkurzacza — skuteczne, lecz odmienne od tego, do czego przywykła większość kierowców.

Niemniej wielu producentów strojuje swoje CVT tak, by imitowały zachowanie tradycyjnej skrzyni biegów — obroty silnika rosną stopniowo wraz z prędkością. Niektóre modele idą jeszcze dalej i oferują:

Wirtualne biegi — zazwyczaj 6 lub 8 elektronicznie zdefiniowanych przełożeń, między którymi CVT przełącza wyraźnie, naśladując klasyczny automat
Ręczny tryb sekwencyjny — umożliwiający kierowcy wybór wirtualnych biegów za pomocą łopatek przy kierownicy lub dźwigni
Automatyczne zejście na niższy bieg — podczas wjazdu pod górę lub zwalniania CVT inteligentnie dobiera niższe przełożenie, by utrzymać moment obrotowy, niezależnie od pozycji pedału gazu

Audi A4 allroad quattro — wyposażone w łańcuchowy Multitronic CVT firmy Audi

Zalety przekładni CVT

Nieskończona liczba przełożeń — silnik zawsze pracuje w najbardziej ekonomicznym lub najmocniejszym zakresie, zależnie od zapotrzebowania
Płynne przyspieszanie — brak zmian biegów oznacza brak przerw w przenoszeniu momentu obrotowego i brak szarpnięć
Niższe zużycie paliwa — utrzymując silnik w optymalnym zakresie pracy, CVT może obniżyć spalanie w porównaniu z tradycyjnymi automatami
Dobra wydajność przy niskich prędkościach — szczególnie przydatna w miejskich korkach
Niższy koszt niż w przypadku zaawansowanych automatów — jednostki CVT są zazwyczaj tańsze w produkcji niż wysokiej klasy automaty ze sprzęgłem hydraulicznym

Wady przekładni CVT

Ograniczenia mocowe — tradycyjne CVT nie były projektowane do zastosowań wysokomomentowych i wysokomocowych, dlatego samochody sportowe i duże limuzyny luksusowe historycznie pozostają przy konwencjonalnych skrzyniach
Wyższe koszty obsługi — specjalny płyn do CVT jest droższy od zwykłego oleju ATF, a wymiana paska (co 100 000–150 000 km) stanowi dodatkową pozycję serwisową
Nietypowe odczucia z jazdy — przyspieszanie przy stałych obrotach silnika wymaga czasu, by si do niego przyzwyczaić
Interwały wymiany oleju — płyn CVT wymaga wymiany zazwyczaj co 40 000–50 000 km, w zależności od modelu

Jak mocne może być CVT?

CVT zaczynało od małych samochodów miejskich — i przez długi czas tam pozostawało. Mechaniczne wymagania przekładni pasowej utrudniały stosowanie jej przy wysokich mocach. Inżynieria znacznie jednak posunęła się naprzód.

Łańcuchowe CVT Multitronic Audi, montowane w modelu A4 2.0 TFSI, bez problemu radzi sobie z 200 KM. Nissan poszedł jeszcze dalej, stosując X-Tronic CVT w Murano — pełnowymiarowym crossoverze z silnikiem V6 3.5 l produkującym 234 KM. To już nie są niszowe, niskomomentowe zastosowania.

CVT a automatyczna skrzynia biegów: co jest lepsze?

Klasyczne automaty walczą o swoje, oferując coraz więcej biegów — jednostki 8-biegowe są już standardem w wielu samochodach klasy executive i premium, dążąc do tego samego balansu między oszczędnością a osiągami, który CVT oferuje z założenia. W ciężarówkach i samochodach sportowych pojawiły się automaty 10- i 12-biegowe.

CVT dysponuje jednak strukturalną przewagą, której żadna stopniowa skrzynia nie jest w stanie dorównać: liczba przełożeń jest nieskończona. Bez względu na to, ile biegów inżynierowie dodadzą do tradycyjnego automatu, zawsze pozostanie przerwa między kolejnymi. CVT przerw nie ma. W codziennej jeździe — dojazdach do pracy, oszczędzaniu paliwa, spokojnym poruszaniu się po mieście — pozostaje jednym z najbardziej praktycznych i niedocenianych rozwiązań napędowych dostępnych na rynku.