Однако на малый диск действовало большое давление, и он быстро изнашивался.
Простейший фрикционный вариатор. Ведомый диск перемещается при помощи внешнего управляющего механизма.
Автоматический вариатор. При возрастании крутящего момента на валу ведомого диска пружина раскручивается и перемещает ведущий диск.
Дисковый вариатор заменили клиноременным — из двух шкивов (ведомого и ведущего), связанных клиновым ремнем. Ведущий шкив состоит из двух частей.
Одна из них соединена с валом жестко, а другая сидит на нем свободно и связана с ним пружиной. Когда сопротивление вращению возрастает, пружина закручивается и раздвигает половинки ведущего шкива. Ремень опускается вглубь и начинает вращаться на меньшем диаметре. За счет этого увеличивается крутящий момент, и скорость вращения возрастает.
Такие автоматические клиноременные вариаторы прекрасно вписываются в колесо скутера, мотоцикла, небольшого трактора. Но для автомобиля, где мощность достигает десятков и сотен киловатт, они недостаточно надежны (пробег около 20 тыс. км) и, главное, неэкономичны: потери на трение у них раз в пять больше.
Поэтому от клиноременных вариаторов отказались еще 70 лет назад. Однако изобретатели продолжали над ними думать. Самый главный их недостаток — потери на трение, — как показывает теория, сильно уменьшить нельзя. Каждый, даже самый малый, участок клинового ремня в процессе работы немного поворачивается, проскальзывает относительно шкива. На это расходуется мощность. Она не может быть меньше 10 % от передаваемой, а из-за несовершенства материалов и формы ремня дополнительно возрастает еще в 2–3 раза. Казалось бы, путь тупиковый. Но…
Голландские инженеры, братья Хубер и Вим ван Дорны, понимая, что причина проскальзывания кроется в натяжении и изгибе ремня, предложили вариатор, в котором заменили тянущий ремень толкающим. В нем проскальзывания нет, а значит, и нет связанных с ним потерь.
Ремень, изобретенный братьями Ван Дорн, состоит из гибкой ленты, на которую нанизаны фигурные стальные пластины. От ведущего шкива до ведомого пластины движутся плотной сплошной стопой. Затем, дойдя до ведомого шкива, пластины рассыпаются по ленте и свободно возвращаются назад.
Проскальзывания у пластин почти нет. КПД вариатора братьев Ван Дорн может достигать 99 %. Потери в 10 раз меньше, чем у клиноременного вариатора, и втрое меньше, чем у коробок передач. Ресурс нового вариатора равен сроку службы автомобиля.
Все ведущие автомобильные фирмы уже приобрели у наследников братьев патенты и развернули массовый выпуск легковых автомобилей с бесступенчатыми автоматическими вариаторами. Их ставят за отдельную плату, составляющую около 10 % стоимости автомобиля, на модели, обычно оснащаемые автоматическими коробками передач.
Автоматический вариатор братьев Ван Дорн. Толкающий ремень собран из стальных пластин, нанизанных на тончайшие металлические кольца.
Простейший дисковый вариатор можно собрать из деталей конструктора «Юниор». На ведущий диск наденьте резиновое кольцо, отрезав колечко от соски. Вращая ведущий вал рукой и двигая его вдоль, можно увидеть, как вариатор сначала увеличивает свою скорость, затем, дойдя до середины, перестает ее передавать, а далее начинает вращаться в обратную сторону.
Казалось бы, все примитивно просто, но попробуйте представить себе любое другое устройство, способное делать то же самое при таких же размерах. Насколько оно будет сложнее!
Теперь сделаем вариатор автоматический. Все элементы его располагаются на жестяной станине. В этом вариаторе в качестве ведущего диска использован старый лазерный диск. В центре его вклеим шайбу и через нее гайкой привернем его к рукоятке. Роль ведомого диска выполнит колесо от игрушечного автомобиля. Он должен легко, но без зазора скользить по ведомому валу. На том же валу поставим опорную шайбу и закрепим ее двухсторонним скотчем. Опорную шайбу и ведомый диск соединим пружиной.
Покрутите рукоятку, и ведомый вал начнет быстро вращаться. Попробуйте затормозить его — он замедлит вращение, но ведомый диск передвинется к центру диска ведущего, и крутящий момент возрастет. Это свойство очень важно. На таком принципе можно сделать, например, «умную» дрель.