«Автомат» или «робот»? (Часть 1)
Преимущества и недостатки автоматических и роботизированных КП

Автоматическая коробка передач

Классическая автоматическая коробка передач (АКП) состоит из гидродинамического трансформатора (ГДТ), механической части, в которую входят фрикционные муфты, тормоза и планетарные механизмы, и электронной системы управления, которая переключает передачи без участия водителя. Напомним, что гидротрансформатор состоит из насосного колеса, соединенного с коленчатым валом двигателя, турбинного колеса, соединенного с входным валом механической части коробки передач, и реактора, лопасти которого направляют рабочую жидкость с насосного колеса на турбинное. Форма лопастей реактора подбирается в зависимости от того, какой нужен коэффициент трансформации (увеличения крутящего момента).

Достоинства. Одно из основных преимуществ АКП – это отсутствие разрыва потока мощности при переключении передач. Благодаря этому передачи переключаются очень плавно, поэтому существенно снижаются нагрузки на узлы трансмиссии, т. е. сокращается их износ. Повышается и проходимость машины – при прохождении сложного участка бездорожья на автомобиле с механической КП (МКП) или роботизированной КП заранее выбирается передача, и переключаться на другую в движении не рекомендуется – передача мощности на колеса прервется, а значит, автомобиль может застрять. В такой ситуации автомобиль порой долгое время идет на пониженной передаче, что вызывает перерасход топлива. На автомобиле с АКП на таком же бездорожье передачи переключаются по мере необходимости, так как поток мощности на колеса при этом не прерывается.

В гидротрансформаторе крутящий момент, который подводится от двигателя, может увеличиваться пропорционально разнице между частотой вращения насосного колеса и частотой вращения турбинного, причем плавно и бесступенчато, без механических ударов, поскольку передача крутящего момента происходит через жидкость. Детали самого ГДТ в процессе работы практически не изнашиваются.

Наибольшее увеличение крутящего момента имеет место при неподвижном турбинном колесе, т. е. в момент начала движения машины. Наличие планетарных передач в конструкции обеспечивает большое количество ступеней и больший диапазон передаточных отношений по сравнению с механической КП. Один пакет планетарных шестерен, например, в АКП Allison теоретически может обеспечить до семи передаточных отношений. В конструкцию АКП может входить три пакета планетарных передач (а в АКП серии OffRoad даже четыре!).

Эти особенности обусловливают одно из важных преимуществ машин с АКП: возможность плавно начинать движение на крутом подъеме или с большой нагрузкой на слабонесущем грунте (пример – начало движения груженого самосвала из-под экскаватора в глиняном или песчаном карьере, вечная проблема карьерного транспорта). Кроме того, благодаря улучшенной динамической характеристике можно использовать двигатель меньшей мощности, а это означает экономию на стоимости машины и расходе топлива.

При переключении переднего/ заднего хода водителю не надо полностью останавливать автомобиль (но, конечно, только на небольшой скорости, иначе быстрый рост давления выведет из строя гидравлическую систему), он заблаговременно включает клавишу, и автомобиль останавливается и меняет направление движения автоматически. Это особенно удобно при сложном маневрировании, например, при подъезде к экскаватору. Благодаря такой способности возрастает производительность пары экскаватор–самосвал: цикл погрузки идет быстрее, по некоторым оценкам, на 10…15%.

Еще одно преимущество планетарных механизмов в том, что в них не создается моментов, изгибающих валы, поэтому размеры подшипников валов меньше. В сочетании с небольшими размерами самих планетарных механизмов вся конструкция механической части АКП получается очень компактной.

Автоматической КП благодаря наличию ГДТ не требуются сцепление и связанные с ним узлы – пневмогидроусилитель и др., а следовательно, АКП избавлена от пробуксовывания, подгорания сцепления при начале движения и переключении передач и прочих неприятностей.

Не так просто научиться управлять, например, 16-ступенчатой механической КП, а при неумелом и неправильном включении передач сцепление «сгорает» быстро, и это хорошо известно руководителям автотранспортных компаний. Зато автомобили с АКП «предъявляют» менее жесткие требования к квалификации водителя (расхожая фраза: «АКП исправляет ошибки водителя»), и это решает проблему кадров.

В электронной системе управления АКП небольшое число датчиков – частоты вращения насосного, турбинного колес и выходного вала КП, давления масла, положения селектора и несколько электромагнитных клапанов. Чем меньше датчиков, тем меньше вероятность их поломки, но даже при полном выходе из строя электронной системы управления есть возможность продолжить движение хотя бы на одной передаче.

Недостатки. Некоторые специалисты считают, что АКП сложнее и дороже в обслуживании и ремонте, чем механические или роботизированные КП. Недостаток автоматических КП – изначально обусловленное конструкцией «проскальзывание» насосного и турбинного колес в ГДТ, что приводит к снижению к.п.д. и увеличению расхода топлива. В АКП грузовых автомобилей этот недостаток устранен за счет введения в конструкцию ГДТ блокировочной муфты, которая на передачах выше второй жестко соединяет насосное и турбинное колеса, исключая пробуксовывание и повышая к.п.д.

Для эксплуатации АКП требуется большее количество высококачественного масла по сравнению с роботизированными КП, и это масло необходимо охлаждать, т. е. на машине требуется разместить и радиатор охлаждения масла, который тоже увеличивает массу машины и занимает место и который надо защитить от неблагоприятных воздействий и механических повреждений. Масло необходимо периодически заменять, а это увеличивает эксплуатационные затраты. Следует отметить и затруднения в работе ГДТ при низких температурах окружающей среды из-за загустения масла, хотя современные синтетические масла избавлены от этого недостатка.

Для передачи больших крутящих моментов нужны фрикционы и планетарные механизмы больших размеров, что не позволяет создавать компактные АКП для тяжелых машин.

Порой отпугивает потребителей и высокая стоимость АКП по сравнению с «механикой» и роботизированными КП, но, например, себестоимость АКП Allison при массовом выпуске агрегатов (до кризиса – около 250 тыс. в год) снижается (по некоторым сведениям, $10 000) и приближается к себестоимости роботизированных КП. Средняя продолжительность службы АКП Allison равна сроку службы двигателя, т. е. затраченные на нее средства окупаются.

АМТ

Обычные механические КП с автоматической системой переключения передач в технической литературе называют и автоматическими (automatic), и роботизированными (robotic), и полуавтоматическими (semi-automatic), но больше распространено название «автоматизированные» от англ. Automated Manual Transmission. Аббревиатура АМТ от этого англоязычного названия широко употребляется в технической литературе. Так мы и будем обозначать роботизированные КП, чтобы не вводить новых, незнакомых читателю аббревиатур.

Вот примеры современных КП этого типа: AS-Tronic от ZF (грузовики), I-Shift от Volvo (грузовики и автобусы), AutoShift от Eaton (тяжелые грузовики), AGS от Detroit Diesel, Zeroshift от Zeroshift, Ltd.

По замыслу, АМТ должна была воплотить все преимущества механических и автоматических КП, исключив недостатки, присущие последним. Впрочем, по мнению некоторых специалистов, получилось наоборот – «роботы» вобрали в себя недостатки механических КП и даже усугубили их. Так ли это? Попробуем разобраться.

Достоинства. Преимуществом АМТ по сравнению с автоматическими КП является более высокий к.п.д. благодаря отсутствию гидротрансформатора. По некоторым данным, автомобили с АМТ экономичнее (по топливу) модификаций с АКП на 10% и более. Однако производители АКП оспаривают эти данные и приводят противоположные результаты. В дальнейшем наш журнал планирует опубликовать результаты различных сравнительных испытаний, в которых будет оцениваться экономичность транспортных средств с КП разного типа.

В конструкции некоторых роботизированных КП не используются синхронизаторы, но переключение происходит быстро и плавно за счет качественного программного управления. Благодаря этому АМТ получается компактной даже для передачи высоких крутящих моментов. Для заправки такого агрегата требуется гораздо меньше масла, что удешевляет эксплуатацию. Масса и цена АМТ существенно ниже, чем «автомата» (на это утверждение производители АКП возражают, что к массе самой АМТ следует прибавить сцепление с картером и маховик, которые не нужны при использовании АКП).

На основе одной конструкции создают роботизированные и обычные механические варианты КП, что позволяет унифицировать агрегатную базу и сократить затраты на эксплуатацию.

Недостатки. В АМТ есть сцепление со всеми присущими ему недостатками (подгорание, пробуксовка, обслуживание, замена), хотя по сравнению с механической КП роботизированная имеет явное преимущество: ресурс сцепления в основном зависит от манеры вождения водителя, а в АМТ автоматика не позволяет перегружать сцепление и исправляет ошибки человека.

Наличие сцепления обусловливает и следующий серьезнейший недостаток АМТ: разрыв потока мощности при переключении передач. В момент выключения сцепления обороты двигателя падают, грузовик идет накатом, и скорость его несколько замедляется. Дело в том, что, для того чтобы избежать рывков и повышенного износа сцепления, «робот» выключает сцепление на сравнительно «долгий» период. После включения более высокой передачи обороты двигателя надо увеличить до рабочего уровня (это выполняет электронное управление) и вновь разогнать тяжелый грузовик. Такие замедления-разгоны увеличивают расход топлива, а провалы при разгоне создают дискомфорт.

Также и при начале движения тяжело груженного грузовика, особенно на подъеме, пробуксовка и повышенный износ сцепления неизбежны, как и рывки, т. е. пиковые нагрузки в трансмиссии, что тоже ускоряет износ узлов двигателя и трансмиссии.

Еще один недостаток АМТ – при выключении сцепления на подъеме автомобиль будет скатываться назад. Чтобы предотвратить это, в систему управления вводят дополнительную функцию автоматического включения тормозов (система управления усложняется, чего не требуется для АКП).

АМТ, чтобы заменить человека и правильно выбрать алгоритм при включении-выключении сцепления, требуется довольно сложная система управления, в составе которой должно быть множество датчиков: порядка 99, обеспечивающих электронику необходимыми для управления параметрами. Чем сложнее система, тем ниже ее надежность, и выход из строя датчика, а в тяжелых условиях работы спецтехники это вполне возможно, приводит к сбоям в работе АМТ – переходу на аварийный, неэкономичный и нерабочий режим, выходу из строя системы переключения передач.

АМТ переключаются не так плавно, как автоматические КП, из-за чего быстрее изнашиваются компоненты трансмиссии.

В конструкции АМТ не используют планетарные механизмы (механический привод переключения передач сложно совместить с управлением планетарными передачами, такая конструкция получится существенно дороже).

Позже мы рассмотрим, какие технические решения предлагаются для исправления недостатков АМТ, и другие важные вопросы.

Вячеслав Топунов, инженер Volvo Trucks (комментарий к таблице):

«Я попробовал провести подобные сравнения масс для автомобиля Volvo. Начнем с того, что роботизированная КП I-shift эксплуатируется как обычная механическая, и охладитель обычно ставится только при тяжелых условиях эксплуатации – это большая масса автопоезда, эксплуатация в горах, длительное движение в сложных дорожных условиях (грязь, снег ). При эксплуатации на обычных дорогах устанавливать охладитель не требуется.

Для сравнения я взял тягач Volvo FH 6х4 с двигателем D13A мощностью 480 л.с. и крутящим моментом 2400 Н.м. На более мощные двигатели у Volvo пока не создан вариант автоматической КП. Рассчитал массу грузовика и затраты на замену масла при оснащении грузовика автоматической КП Volvo РТ2606 и роботизированной I-shift. I-shift оснастил охладителем TC-MAOH2. Рассчитал сервисные интервалы для тягача, перевозящего строительный трал с полной массой автопоезда 60 т преимущественно по грунтовым дорогам. Вот что получилось. Тягач с автоматической «коробкой» тяжелее на 110 кг (учтена полная заправка эксплуатационных жидкостей).

Межсервисные интервалы для КП: I-shift – замена масла каждые 200 тыс. км или раз в 2 года, сервис списывает на каждую замену 19 л масла. Автоматическая «коробка» РТ2606: первое обслуживание – замена фильтра после обкатки в 10 тыс. км и доливка масла, последующая замена – каждые 90 тыс. км или раз в год; сервис выделяет на замену 35 л. Конечно, используются различные сорта масла, но я думаю, что цифры показательные.

Справедливости ради надо отметить, что при сравнении машин в движении все водители отмечают плавность хода машины с автоматической КП, специалисты по сервису любят «автомат» за удобство обслуживания: по сравнению с очень компактной I-shift в «автомате» все агрегаты более доступны».