Роботизированная коробка переключения передач

Как и на других видах автоматических трансмиссий, у водителя всего две педали: тормоз и газ. Поведение РКПП на минимальной скорости отличается от АКПП, и РКПП может как эмулировать гидроавтомат[3] (на малых скоростях гидротрансформатор превращается в понижающую передачу и перебарывает тормозное усилие, отсюда — управление педалью тормоза), так и работать совершенно по-другому (например, ехать от лёгкого нажатия газа)[2]. Известен случай: первые версии однодискового робота ВАЗ ехали от лёгкого нажатия газа, но в дальнейших модификациях добавили в прошивку частичную эмуляцию гидро-АКПП[4].

Селектор РКПП имеет режимы:

• Reverse — задний ход.
• Neutral — нейтральная передача (например, для буксировки).
• Drive или Auto — движение вперёд.
• ± или Manual — режим «типтроник» с полуавтоматическим переключением.

Режим стоянки Parking есть в коробке DSG производства Volkswagen и отсутствует в РКПП производства ВАЗ. Водитель ВАЗа оставляет машину в режиме N (на нейтральной передаче) или D/R (на первой/задней). Как и с АКПП, режим P дополняет, а не заменяет стояночный тормоз и не удержит автомобиль на склоне.

Механическая коробка передач требует тонкой работы педалью сцепления, и для решения этого вопроса конструкторская мысль пошла разными путями. Один из них — сделать совершенно другой механизм, в котором скорость переключается защемлением той или иной части многоступенчатой передачи, а толчки, возникающие при этом, гасятся жидкой средой — так работает традиционная гидромеханическая АКПП. Второй более прямолинейный — заставить автоматику выжимать сцепление. Первый действующий вариант такой коробки — Saxomat — выпущен в 1957 году. Эта коробка только выжимала сцепление, передачи приходилось переключать вручную[5].

Ещё до войны знаменитый Адольф Кегресс описал принципиальную схему коробки с двумя сцеплениями. Неизвестно, воплотил ли кто-то тогда её в металле. В 1980-е годы идею подхватили гоночные инженеры Porsche, сделав первый действующий вариант РКПП с двумя сцеплениями на аналоговой элементной базе[6]. Коробка вышла тяжёлой и ненадёжной, для старта требовалось ножное сцепление, однако начало было положено, Porsche 956 выступал и показывал неплохие результаты, и система продолжала совершенствоваться в гоночных автомобилях[7]. Оказалось, впрочем, что конструкции с одним сцеплением, сделанные из современных материалов, тоже достаточно быстро переключают. Современная коробка гоночных болидов высоких серий, в том числе «Формулы-1» — полуавтомат с одним сцеплением (для простоты последовательный кулачковый, что вполне приемлемо в гонках).

В 2003 году Volkswagen AG выпустил первый двухдисковый «робот» для дорожных машин. И сегодня Volkswagen DSG — самый известный и распространённый из роботов с двумя сцеплениями, а мехатроник — прозвище исполнительного механизма любого робота (так он называется у Volkswagen). Если робот с двумя масляными сцеплениями Volkswagen DSG6 DQ250 мало отличался по статистике отказов от других коробок, то «младший брат» Volkswagen DSG7 DQ200 с двумя сухими сцеплениями оказался довольно неудачным[8]. Производитель сказал: это очень перспективная коробка и он не будет от неё отказываться, взамен он даёт гарантию на 5 лет или 150 тыс. км пробега. С 2014 года коробку признали достаточно надёжной и отказались от такой гарантии.

Одновременно с двухдисковыми появлялись и однодисковые роботы — ничего общего с гоночными конструкциями они не имели, это была проверенная механика, к которой приделали исполнительные механизмы. Маркетинговый и инженерный эксперимент не удался: первые «роботы» переключались как выпускники автошкол, с рывками и толчками[2]. К концу 2010-х жёсткие экологические нормы[6] вынудили европейских производителей массово принять РКПП.

Помимо двух традиционных схем — с одним и двумя сцеплениями — существуют и экзотические схемы. Запатентована коробка с тремя сцеплениями[6]. Редко встречается «автомат без гидротрансформатора»[9] — помесь «автомата» и «робота», гидравлическая планетарная коробка со сцеплением. Один из фрикционов («сцепление») используется для трогания, его делают прочнее, прописывают особые алгоритмы управления. Дальнейшее переключение — как на АКПП. Встречаются и вариаторы без гидротрансформатора[10]. Koenigsegg Jesko оснащён 9-скоростной трёхвальной коробкой без муфт переключения, но с 7-ю фрикционами[11].

Однодисковая РКПП представляет собой механическую коробку передач со сцеплением, на которой установлены два привода (актуатора): один отвечает за выжим сцепления, второй за выбор и переключения передач. Приводы могут быть как электрическими (управляются моторами) Toyota Corolla, так и гидравлическими (управляются соленоидами) Citroen Picasso.

Если коробка гидравлическая (обычно применяется в дорогих автомобилях), есть также насос, поддерживающий давление в гидросистеме, и гидроплита (пути для масла и посадочные места для клапанов, сделанные в большой металлической плите). Интересно поступили в двухдисковой коробке DSG7 DQ200, устанавливаемой в маломощных авто Volkswagen: она электрогидравлическая, с маломощным электрическим насосом, не способным поддерживать давление, если начнётся расход жидкости.Гидравлический насос работает по принципу шестерёнчатого насоса. Он всасывает гидравлическое масло и подаёт его в масляный контур с давлением 70 бар. Давление поддерживает гидроаккумулятор (ресивер). Если в автомате селектор — несколько клапанов на общем штоке, то селектор робота — чисто электрический выключатель, обработкой режимов занимается процессор.

Важное ноу-хау автопроизводителей — алгоритмы переключения: робот должен приспосабливаться к естественному износу диска сцепления[12], не мешать водителю неудачными переключениями, исполнять различные приёмы езды на ручном автомобиле. Робот Opel Easytronic принимает информацию с датчиков АБС и не переключается, если автомобиль поворачивает — а отпускание газа, наоборот, сигнал к переключению[12]. В Lada Vesta реализованы такие народные приёмы вождения, как стоянка на передаче, зимнее трогание со 2-й передачи, запуск двигателя «с толкача», вытаскивание из грязи «враскачку»[13]. В Lamborghini Aventador стоит робот с одним сцеплением, но вилками управляют четыре независимых гидропривода, а соседние передачи (кроме последней пары, 6-7) стоят на разных вилках, что и даёт спорткару время переключения в солидные 50 мс[14]. Грузовая коробка Volvo I-Shift несинхронизированная, синхронность вращения валов достигается программно.

Практически все автомобили с роботами снабжаются автоматическими противооткатными системами (hill assist)[15][3]. Несрабатывание этой функции может вызвать неудобство, а то и аварию[10].

Для переключения робот берёт информацию из самых разных систем автомобиля, и при отказе этих датчиков возможны ошибки. Очень многие роботы перестают нормально работать при отказе стоп-сигнала[12].

Примерное устройство двухдисковой РКПП для переднеприводных автомобилей. Чёрная паразитная шестерня — корзина дифференциала. Не показаны задняя передача, вилки и муфты переключения.

Разрезанная коробка Volkswagen DSG6 с двумя масляными многодисковыми сцеплениями. Видны концентрические диски сцеплений.

Двухдисковая РКПП представляет собой две параллельные МКПП с двумя сцеплениями в одной, одна для чётных передач, другая — для нечётных. Когда автомобиль едет на 1-й передаче, на нечётной коробке включены 1-я передача и сцепление, на чётной — только 2-я передача и сцепление разомкнуто.

Когда возникает потребность переключиться на 2-ю передачу, одно сцепление выключается, другое — включается. Когда компьютер видит, что водитель продолжает разгоняться, он подготавливает на нечётной коробке 3-ю передачу, и когда настанет пора переключиться, он снова разомкнёт одно сцепление и сомкнёт другое.

Потому коробка называется преселективной («с предварительным выбором») — пока автомобиль едет на 2-й передаче, коробка заранее готовит 3-ю, чтобы потом быстро переключиться на неё. Двухдисковые РКПП переключаются за 0,2 с и даже быстрее[6], не разрывая поток мощности, но только на ту передачу, которая подготовлена заранее[3]. Ошибки в предсказании (например, резкое ускорение из экономичного режима, а значит, срочный спуск на две-три передачи) приводят к задержке[3].

Главные достоинства двухдисковых роботов — плавное переключение и экономия топлива. Недостатки — та самая задержка при разгоне[3], цена на уровне автомата, не лучшее поведение на низких скоростях и плохо отработанный (на 2018) ремонт[16] — так, Volkswagen AG при большинстве проблем просто меняет блок сцеплений или мехатроник[8].

Примечание. Преселективными также назывались механические коробки, в которых указание следующей передачи происходит до включения: при сдвиге селектора взводятся пружины или переключаются пневмоклапаны, при нажатии педали сцепления они срабатывают и автоматически устанавливают передачу. Это никак не связано с РКПП.

• Коробка передач
• Механическая коробка передач
• Автоматическая коробка передач
• Вариатор
• Бесступенчатая трансмиссия
• Преселективная коробка передач

На 2019 год двухдисковая РКПП применяется в самых разных классах автомобилей. На автомобилях недорогого и среднего класса она хвастается сравнимой с «автоматом» ценой и расходом как на МКПП. Так, заявленный расход 122-сильного турбированного Volkswagen Golf — 5,9 л/100 км на «роботе» и 6,3 на ручной[17].

На спортивных автомобилях двухдисковые «роботы» любят за быстрое переключение, а значит, динамичный разгон. Так, 1200-сильный Bugatti Veyron оснащён 7-скоростным «роботом» и разгоняется до 100 км/ч за 2,5 с[18]. 425-сильный BMW M3 с ручной коробкой разгоняется до 100 км/ч за 4,1 с, с «роботом» — за 3,9[19].

Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corporation первой оснастила грузовик двухдисковым роботом в 2011 году[20]. Впоследствии идею подхватили другие производители (John Deere — 2012, Volvo — 2014), но на 2019 такие грузовики остаются экзотикой: сложные конструкции не прибавляют грузовику рентабельности[15].

Робот неприменим во внедорожниках, строительной технике: на минимальной скорости с большой тягой гидротрансформатор работает лучше[21][10][15].

Автомат без гидротрансформатора встречается крайне редко, в основном в дорогих представительских машинах (Aurus Senat, спортивные комплектации Mercedes-Benz S-класса[22]). Хотя были предложения оснастить таким автоматом и ВАЗы[9]. Вариатор без гидротрансформатора встречается, например, в кроссовере Subaru Forester.

Однодисковая РКПП в легковых автомобилях на 2019 год из-за дешевизны и принципиальных недостатков (требует времени на переключение, и эти переключения происходят в неконтролируемые моменты) применяется только в недорогих автомобилях (например, Lada Vesta). В модельных рядах крупных марок (Volkswagen, Hyundai, KIA, Ford) на 2019 год нет однодисковых роботов — хотя ранее встречались (например, Citroën C3).

В грузовом транспорте однодисковые роботы продолжают применяться (Eaton Autoshift, Eaton Ultrashift, Volvo I-Shift, Renault Optidriver). У грузовика бывает более десятка передач со сложными схемами переключения (один рычаг выбирает ряд передач, второй — собственно передачу, зачастую один из рычагов является преселектором — переводит передачу, когда водитель выжмет сцепление[23]), и даже полуавтоматическое переключение удобнее, чем полностью ручное. К тому же многие такие роботы частично унифицированы с ручными коробками. Известный недостаток РКПП, унаследованный от ручных коробок — на минимальных скоростях приходится ездить с проскальзыванием сцепления, и водитель лучше робота видит дорожные условия — решается введением понижающих передач, дающих устойчивое движение на скоростях меньше 1 км/ч[24][25]. Считается[15], что из всей грузовой техники лучше всех выигрывает от робота магистральный тягач — а не мусоровоз или развозной грузовик.

Однодисковые полуавтоматы часто применяются в автогонках. Иногда наработки гоночных инженеров проникают в спорткары, превращаясь в полноценные роботы (Lamborghini Aventador).