Роботизированные (автоматизированные механические) коробки передач в тяжёлых грузовиках

Закажите сегодня в Европе тяжёлый седельный тягач — и решение по коробке передач за вас, по сути, уже приняли. Volvo устанавливает I-Shift в стандартной комплектации на всей линейке FH, FM и FMX. Actros L поставляется с собственной несинхронизированной автоматизированной механической коробкой передач Mercedes, TGX — с TipMatic, DAF XG+ — с ZF TraXon, Scania S-series — с Opticruise. Механическую коробку передач никто не запрещал — её просто вытеснили с рынка. То, что пришло ей на смену, стоит называть точно, потому что «автомат» описывает совсем другой агрегат с другой экономикой.

Что такое автоматизированная механическая коробка передач на самом деле

Автоматизированная механическая коробка передач (АМТ) — это механическая коробка передач, из контура управления которой исключён водитель. Зубчатые пары, валы и кулачковые муфты в ней те же, что и в обычной механической коробке. Здесь нет ни гидротрансформатора, ни планетарного ряда, ни гидравлического силового тракта. Добавлены исполнительные механизмы — пневматические или электрические приводы вилок переключения и сцепления — плюс блок управления, который решает, когда переключать передачу.

Само переключение — не одномоментное механическое событие, а согласованная последовательность действий: блок управления снижает крутящий момент двигателя, привод выключает текущую передачу, тормоз на входном валу коробки подтормаживает вал до синхронной скорости следующей передачи, после чего передача включается. Главное сцепление используется для трогания с места и манёвров; на ходу большинство переключений происходит без его участия.

Именно эта архитектура объясняет, почему на дальних магистральных перевозках АМТ обошла гидромеханический автомат с гидротрансформатором, а не наоборот. ZF заявляет для TraXon — своей 12-ступенчатой тяжёлой АМТ — КПД трансмиссии 99,7 % при удельном крутящем моменте 12,83 Н·м на килограмм; в 2023 году компания преодолела отметку в один миллион выпущенных агрегатов. Гидротрансформатор не может сравниться с прямым механическим трактом, а для грузовика, который всю рабочую жизнь проводит на высшей передаче, эффективность именно на высшей передаче — это весь аргумент целиком. Гидромеханические автоматы сохраняют позиции там, где поведение при трогании с места и контроль на низких скоростях важнее расхода топлива: мусоровозы, пожарные автомобили, аэродромная техника. Они могут составлять и всю гамму, и самый наглядный пример — Iveco Eurocargo: его нынешние проспекты предлагают механические коробки, восьмиступенчатый автомат ZF и шестиступенчатый автомат Allison и не называют ни одной автоматизированной коробки. Автобус может продаваться с обоими ответами одновременно: MAN предлагает Lion’s Coach с 12-ступенчатой автоматизированной TipMatic Coach или шестиступенчатым автоматом EcoLife, а проспект ограничивает автомат ступенью мощности 480 л.с. на двух трёхосных моделях.

Почему механическая коробка проиграла — и дело не в комфорте

Три аргумента, примерно в порядке того, сколько денег затрагивает каждый из них.

Первый — стабильность результата. Механическая коробка передач даёт тот расход топлива, на который способен водитель, сидящий за рулём в этот конкретный день, а разброс между лучшим и худшим водителем в парке шире, чем разница характеристик между любыми двумя грузовиками этого класса. АМТ переключается одинаково что в дождливый понедельник, что в удачный день.

Второй — защита трансмиссии. Блок управления не выберет передачу, на которой двигатель превысит допустимые обороты или трансмиссия получит ударную нагрузку, и не станет пробуксовывать сцеплением, удерживая грузовик на уклоне. Для тяжёлого автопоезда то, как проходит трогание на подъёме, влияет на срок службы трансмиссии сильнее, чем общий пробег.

Третий — кадры. Грузовик, не требующий навыка переключения передач, расширяет круг людей, которые могут законно и грамотно им управлять, и сокращает время выхода нового водителя на продуктивную работу. Там, где предложение водителей сдерживает рост парка — а это большая часть Европы, если судить по цифрам вакансий и выхода на пенсию, приведённым в статье дефицит водителей грузовиков в Европе, — это не опция для комфорта.

Число передач, и почему двенадцать

Двенадцать передач переднего хода — европейский стандарт по умолчанию: небольшое число ступеней в основной коробке, умноженное на делитель и диапазонную группу. Двенадцать близко расположенных ступеней позволяют современному дизелю с узкой экономичной зоной оборотов оставаться в её пределах на холмистом рельефе, вместо того чтобы натужно тянуть или раскручиваться сверх меры между широко разнесёнными передачами. Ниже тяжёлых классов число передач следует за двигателем, а не за производителем: MAN TGL получает шестиступенчатую TipMatic за четырёхцилиндровым двигателем и двенадцатиступенчатую — за шестицилиндровым, и это самая наглядная иллюстрация того, для чего на самом деле нужны дополнительные передачи.

Свыше двенадцати ступеней дополнительные передачи обычно дают способность трогаться с места, а не экономичность. Тяжёлые коробки передач Scania Opticruise — G25, G33 и G38 — предлагают диапазон из 14 передач, включая пониженную «супер-ползучую» передачу и до восьми передач заднего хода, охватывают двигатели мощностью до 770 л.с. и весят всего на пять килограммов больше стандартной версии. I-Shift с ползучими передачами от Volvo решает ту же задачу другим путём. Эти дополнительные ступени нужны, чтобы тронуть с места очень тяжёлый автопоезд на уклоне и контролируемо ползти на площадке — а не для экономии топлива на автомагистрали. На магистральных перевозках при 40 тоннах это вес, который перевозится и никогда не используется. На Scania S-series, специфицированной для очень тяжёлых автопоездов, эти передачи оправдывают своё место: Scania описывает тяжёлый диапазон как оптимизированный для сложных условий эксплуатации с большой полной массой автопоезда, а главные передачи заднего моста, которые она перечисляет для S-series, способны выдержать полную массу транспортного средства и автопоезда до 78 тонн с одной ведущей осью с одинарной главной передачей и до 210 тонн с тандемной ведущей тележкой со ступичным редуктором — это показатели главной передачи, а не разрешённая масса для грузовика, которую даёт только его табличка.

Второй выбор, скрытый в числе передач, — это повышающая передача против прямой на высшей ступени. Прямая передача — более эффективный путь на высшей ступени; повышающая же сочетает численно более высокое передаточное число главной передачи с коробкой передач, чтобы получить то же суммарное передаточное отношение, — это наша арифметика, по тому же соотношению суммарных передаточных чисел, которое изложено на этой странице. Британские листы технических характеристик шасси MAN для TGS содержат не один, а два отдельных набора из двенадцати передаточных чисел: повышающий набор, от 12,92 до 0,77, — на обоих самосвалах 8x4, тридемном 8x4 и жёстком шасси 6x4, и набор с прямой высшей передачей, от 16,69 до 1,00, — на жёстких шасси 4x2 и 6x2 и на листах для тягачей. Ford Trucks показывает тот же контраст в пределах одной модели: F-MAX оснащается собственной шестнадцатиступенчатой коробкой Ford с повышающей высшей передачей, а его руководство по эксплуатации всё ещё печатает таблицу передаточных чисел шестнадцатиступенчатой коробки с прямой высшей передачей, которую она заменила.

Оставшийся резерв — в прогнозировании

Механический вопрос по большей части решён. Осталось знать, что ждёт впереди на дороге.

Система Predictive Powertrain Control от Mercedes-Benz объединяет данные GPS-позиционирования с хранящимися трёхмерными картами дорог, выстраивая электронный горизонт, а затем корректирует скорость движения и выбор передачи с учётом уклонов, перевалов, радиусов поворотов, ограничений скорости и приоритетов на перекрёстках впереди. По данным Mercedes, система охватывает более 95 % европейских загородных и магистральных дорог, позволяет экономить до пяти процентов топлива по сравнению с автомобилем без неё и непрерывно оптимизирует режим наката трансмиссии EcoRoll, благодаря чему грузовик использует набранную инерцию вместо того чтобы разгоняться на спуске. На Actros L это сочетается с трансмиссией, изначально построенной вокруг удержания высокой передачи: пиковый крутящий момент у всех трёх семейств его двигателей достигается уже при 1100 об/мин. Система I-See от Volvo достигает того же результата, изучая рельеф местности по повторяющимся рейсам, а не считывая карту.

Ни одна из этих функций не работает с механической коробкой передач по одной причине: прогноз бесполезен, если на его основе что-то не действует каждый раз. Удержание двенадцатой передачи на перевале вместо понижения передачи или начало наката за триста метров до спуска должно происходить на каждом перевале и на каждом спуске — а не только на тех, что заметил водитель.

Двойное сцепление и разрыв тяги

Volvo представила I-Shift Dual Clutch в 2014 году — первую коробку передач с двойным сцеплением для тяжёлого грузовика. Два входных вала и два сцепления позволяют заранее включить следующую передачу, пока текущая ещё передаёт тягу, поэтому переход происходит без разрыва потока мощности или крутящего момента. Она предлагается как опция на Volvo FH наряду со стандартной I-Shift.

Разрыв тяги обходится дороже всего в тяжёлых автопоездах на холмистой местности, в лесовозных и автоцистерновых перевозках на затяжных подъёмах и на развозных маршрутах с постоянной сменой скорости. На равнинных магистральных перевозках при 40 тоннах современная АМТ с одним сцеплением переключается достаточно быстро, чтобы разница в разрыве тяги была невелика.

Скорость переключения стала другим направлением развития — это скорее пошаговое инженерное совершенствование, чем новая архитектура. Обновление I-Shift 2022 года, по заявлению Volvo, ускорило переключения до 30 %; этого добились за счёт более точных датчиков, нового программного обеспечения на более быстром микропроцессоре, дополнительного диска в тормозе коробки передач, который теперь срабатывает раньше перед переключением, и уменьшенного объёма воздуха в приводах вилки переключения, сцепления и тормоза коробки передач.

Почему коробка передач стала предметом сертификации

На то, что производители спорят о потерях в трансмиссии вплоть до третьего знака после запятой, есть регуляторная причина. Выбросы CO2 тяжёлых транспортных средств в ЕС не измеряются на шасси-динамометрическом стенде — они рассчитываются с помощью VECTO, инструмента Еврокомиссии для расчёта энергопотребления транспортных средств, применение которого обязательно согласно Регламенту (ЕС) 2017/2400. Трение в коробке передач — один из входных параметров этого расчёта наряду с сопротивлением качению, аэродинамическим сопротивлением, массами и моментами инерции, мощностью, потребляемой вспомогательными агрегатами, и характеристиками двигателя, при этом потери крутящего момента задаются отдельно для каждой передачи.

Из-за этого КПД трансмиссии превращается в показатель, с которым сверяется заявленный производителем показатель по парку, а не просто рекламное утверждение. Именно поэтому коробка передач перестала быть узлом, который производители грузовиков покупали по цене.

Такие прогнозирующие функции, как PPC и I-See, работают поверх того же оборудования как программное обеспечение — заказанное или не заказанное на момент постройки грузовика; сама коробка передач при этом выглядит одинаково в обоих случаях, поэтому аргумент в пользу трансмиссии всё больше опирается на то, что работает внутри блока управления, а не на то, что закреплено на шасси.