Максимальная скорость танка
Тем временем в Тундре наконец-то пофиксили скорости переднего (мой репорт от 14.02.2017) и заднего (репорт Fu_Manchu от 18.06.2016) хода Pz.Kpfw.III:
Прежде всего нужно отметить, что у каждого танка есть целых две максимальных скорости: расчётная и практически достижимая. Если непрофессионала различные указываемые максимальные скорости сбивают с толку, то наличие аж двух максимальных скоростей и вовсе добивает. В самом деле, не может же танк одновременно двигаться с двумя разными максимальными скоростями! В действительности, конечно, танк может двигаться по ровной дороге без уклонов с вполне конкретной максимальной скоростью. Посмотрим, как она определяется.
Вычисление скоростей
Начнём с максимальной расчётной скорости для танков с простыми механическими трансмиссиями, которые преобладали во время Второй мировой войны, а именно этот период нас и интересует, к нему же относится и Pz.III, который мы взяли для примера.
Вал двигателя вращается на определённых оборотах. От него мощность передаётся к трансмиссии, которая на выходе уменьшает скорость вращения вала. От трансмиссии мощность идёт к ведущим колёсам. Таким образом, скорость вращения ведущих колёс и скорость вращения вала двигателя связаны друг с другом. Если обороты двигателя снизятся, то и колёса танка будут вращаться медленнее. Предположим, вал двигателя вращается с частотой 2000 об/мин, а трансмиссия уменьшает частоту вращения в 30 раз. Это значит, что колёса будут вращаться со скоростью 2000/30 = 67 оборотов в минуту. Если мы увеличим обороты двигателя до 2500 в минуту, то ведущие колёса начнут вращаться на 2500/30 = 83 оборотах в минуту.
Схема механизма поворота, томозов и бортовых редукторов
Теперь давайте посмотрим, где именно в трансмиссии Pz.III ausf.G изменяется частота вращения:
На каждой передаче коробка передач изменяет скорость вращения по-разному. Значит на одних и тех же оборотах двигателя скорость танка зависит от включённой передачи. Мы можем составить таблицу скоростей танка на разных передачах при определённых оборотах:
Передача
Скорость при 2600 об/мин, км/ч
Скорость при 2800 об/мин, км/ч
Скорость при 3000 об/мин, км/ч
1
4,28
4,61
4,94
2
5,82
6,27
6,72
3
7,79
8,39
8,99
4
10,37
11,17
11,97
5
14,08
15,16
16,24
6
18,91
20,36
21,81
7
25,73
27,71
29,69
8
34,22
36,85
39,48
9
45,85
49,38
52,91
10
62,28
67,07
71,86
Теперь, разобравшись в зависимости скорости танка от оборотов двигателя, мы можем установить максимальную скорость. Представим себе, как Pz.III ausf.G её набирает. Руководство говорит, что первые три передачи используются при движении по говнам, мы же стартуем на хорошей дороге, поэтому сразу включим 4 передачу. Обороты двигателя повышаются и доходят до 3000 об/мин, а скорость составляет 12 км/ч. Всё, дальше мы обороты увеличивать не можем, поэтому мы включаем пятую передачу. Скорость возрастает до 16 км/ч на 3000 об/мин. Мы включаем шестую передачу и так далее. Наконец, мы включаем 10 передачу. Обороты достигают 3000 в минуту, а скорость 70 км/ч. Всё, быстрее танк ехать не может, поскольку обороты двигателя максимальные, а более высокой передачи нет.
Разобранная 10-скоростная КПП Pz.III
Итак, максимальная расчётная скорость танка - это скорость на последней передаче при максимальных оборотах двигателя. Мы взяли максимальные обороты двигателя, взяли передаточные числа, перемножили и в результате математического расчёта определили скорость танка. Для Pz.III ausf.E-G максимальная расчётная скорость - примерно 70 км/ч.
Вот только есть одно но: совершенно не факт, что танк вообще сможет поехать по ровной дороге без уклона с такой скоростью. Почему?
Запас тяги
В механике есть простой, но весьма важный и полезный принцип. Если мы при помощи шестерён уменьшим скорость вращения в 2 раза, то сила тяги на ведущих колёсах возрастёт в 2 раза. Если мы уменьшим скорость в 4 раза, то сила тяги возрастёт в 4 раза и так далее. И наоборот, если мы повысим скорость в n раз, то и сила тяги уменьшится в n раз.
Во время движения танк преодолевает внешнее сопротивление. На ровной хорошей дороге оно одно, а в лютых говнах оно другое, куда большее. Если танку не хватает силы тяги, то он не может двигаться и застревает. Именно для разрешения этой проблемы и нужна коробка передач.
Предположим, что мы едем на 8 передаче со скоростью 38 км/ч по хорошей дороге. Вдруг нам понадобилось свернуть на рыхлое поле. Сопротивление движению возросло и танк уже не может ехать с такой скоростью, силы тяги недостаточно. Тогда мы включаем 4 передачу. По сравнению с 8 передачей на 4 передаче трансмиссия уменьшает скорость в 4 раза больше, поэтому и сила тяги возрастает в 4 раза. Да, скорость танка тоже снизилась, но лучше ехать медленно, чем вообще никак не ехать.
Если мы после поля заедем в лютые говна, то силы тяги снова не будет хватать. Включим первую передачу, которая по сравнению с восьмой уменьшает скорость в 8 раз. Сила тяги возрастает и мы можем продолжить движение, пусть и со скоростью 4 км/ч.
К чему мы привели этот пример с силой тяги? А к тому, что для достижения максимальной расчётной скорости танку может хватить силы тяги и тогда он действительно будет ехать с такой скоростью, но её может и не хватить.
Расчётная максимальная скорость БТ-7 на гусеницах - 53 км/ч. Благодаря очень высокой удельной мощности запас тяги без труда позволяет достичь этой скорости. Максимальная скорость на хорошей дороге совпадает с расчётной. А вот Pz.III ausf.G на хорошей дороге без уклона может разогнаться примерно до 60 км/ч. Отметки в 70 км/ч он достигнуть не может, так как не хватит силы тяги.
Мы можем рассчитать две максимальные скорости с учётом массы танка и мощности двигателя: это максимальная расчётная скорость исходя из оборотов двигателя и изменения оборотов в трансмиссии и максимальная скорость по силе тяги.
Реальная максимальная скорость - это наименьшая из этих двух скоростей.
БТ-7 по запасу тяги может ехать и быстрее 53 км/ч, но для этого отсутствует подходящая передача в КПП. Pz.III может ехать быстрее 60 км/ч, но для этого нужен более мощный двигатель, то есть передача есть, а тяги не хватает.
Теперь понятно, откуда взялись разные скорости. 70 км/ч - это расчётная скорость на 10 передаче при 3000 об/мин. 67 км/ч - это расчётная скорость на 10 передаче при 2800 об/мин. То есть оба числа совершенно правильные и никакого противоречия в них нет. наконец, 55-60 км/ч - это примерно та скорость, которую Pz.III ausf.E-G может достигнуть в реальных условиях по запасу тяги. На разных танках было разное бронирование (30-мм лоб корпуса или 60-мм лоб корпуса) и вооружение (37-мм пушка или 50-мм пушка), поэтому их масса отличалась, отличалась и скорость с удельной мощностью, но не сильно, а в районе 55-60 км/ч.
Но откуда взялась скорость в 40 км/ч? Она существенно отличается от 60 км/ч и небольшим увеличением массы её не объяснить. Для того, чтобы это понять, нужно обратить внимание на третье условие достижения максимальной скорости (после нужной передачи и запаса по тяге).
Ходовая часть
Для достижения высокой скорости мало иметь подходящую трансмиссию и достаточно мощный двигатель, дающий нужную тягу. Необходима ещё и ходовая часть, которая бы выдержала такую скорость. Тут мы сталкиваемся с двумя проблемами. Во-первых, подвеска должна адекватно работать на высокой скорости. Во-вторых, гусеницы и катки должны выдерживать возрастающие нагрузки. Только тогда мы сможем уверенно и долго ехать на максимальной скорости, а не разваливаться на ходу.
Рассмотрим советский средний танк Т-28. Серийные машины могли разгоняться на 5 передаче до 40-42 км/ч по шоссе. Опытный танк Т-28А с переделанными бортовыми редукторами имел расчётную скорость до 68 км/ч. Оно и понятно: двигатель М-17 мощный, запас тяги есть, можно и скорость увеличить. Но в серию он не пошёл и нетрудно понять, почему. Подвеска танка Т-28, выполненная по схеме Grosstraktor фирмы Krupp, давала равномерное распределение нагрузки на гусеницу и очень хорошую плавность хода. Что и говорить, Т-28 был хорошей, устойчивой артиллерийской платформой.
Но для больших скоростей такая подвеска не подходила совершенно. Ход катка (то есть его перемещение вверх-вниз относительно танка) был всего лишь 113,5 мм. Для сравнения, у Pz.III ausf.G ход был почти 250 мм, у Т-34 215-250 мм. А если прибавить к этому низкую энергоёмкость рессор, то мы получаем жёсткие удары при быстрой езде по неровностям. Удары не только утомляют экипаж танка, но и перегружают подвеску, приводя к её поломкам. Да, Т-28 мог разгоняться до 42 км/ч, а Т-28А до 68 км/ч, только вот подвеска начинала разрушаться на скорости от 25 км/ч при наезде на неровности высотой 250-300 мм. Именно поэтому в серию вместо Т-28А хотели пустить Т-29 с индивидуальной пружинной подвеской по типу Кристи с ходом катка 170 мм. Она позволяла преодолевать неровности до 0,6 м на скоростях 30-35 км/ч без риска поломок.
У Pz.III ausf.E-G таких проблем не было, так как его шасси изначально проектировалось под достижение 70 км/ч. Мягкая подвеска с большим ходом катков позволяла сглаживать неровности, амортизаторы гасили раскачку, а специальные направляющие разгружали рычаги подвески. Но во время испытаний и войсковой эксплуатации возникла другая проблема: на скоростях свыше 40 км/ч разрушались и отслаивались резиновые бандажи опорных катков. Иными словами, трансмиссия и двигатель позволяли разгоняться и до 60 км/ч, подвеска работала как надо, но катки не могли выдержать такой скорости.
Это привело к тому, что мехводам дали инструкции не разгонять танки свыше 40 км/ч. То есть если танки ехали на 1-8 передачах, то всё было в порядке. А на 9 и 10 передачах мехводам указывали так давить на педаль газа, регулируя обороты двигателя, чтобы скорость не превышала 40 км/ч. По хорошим дорогам можно было развивать 40 км/ч не на восьмой, а на девятой передаче при меньших оборотах двигателя, что позволяло экономить топливо и не насиловать двигатель.
Некоторые говорят о введении некого ограничителя в коробке передач, но в действительности это был лишь бюрократический запрет. Таким образом в ТТХ Pz.III ausf.E-G появилась максимальная скорость в 40 км/ч. В таблице скоростей так и написано - by regulation, то есть с контролем подачи топлива:
Итог
Максимальная скорость танка зависит от
- Pz.III Ausf. E/Ausf F - исправлены ошибки в трансмиссии. Откорректированы передаточные числа и добавлены три дополнительных передачи заднего хода. Скорости выставлены согласно режиму двигателя 3000 об/мин. Максимальная скорость увеличена с 67 до 71 км/ч, скорость заднего хода увеличена до 12 км/ч. Источник: Maybach - Variorex gearbox as fitted to Pz.Kpfw III, 1945. Panzer Tracts 3-2 - Panzerkampfwagen III Ausf E-F-G-H 1938-41. Таблица скоростей с кинематическими расчётами - альманах Ромб, выпуск №2. Статья "коробка передач для автострадного танка".
Прежде всего нужно отметить, что у каждого танка есть целых две максимальных скорости: расчётная и практически достижимая. Если непрофессионала различные указываемые максимальные скорости сбивают с толку, то наличие аж двух максимальных скоростей и вовсе добивает. В самом деле, не может же танк одновременно двигаться с двумя разными максимальными скоростями! В действительности, конечно, танк может двигаться по ровной дороге без уклонов с вполне конкретной максимальной скоростью. Посмотрим, как она определяется.
Вычисление скоростей
Начнём с максимальной расчётной скорости для танков с простыми механическими трансмиссиями, которые преобладали во время Второй мировой войны, а именно этот период нас и интересует, к нему же относится и Pz.III, который мы взяли для примера.
Вал двигателя вращается на определённых оборотах. От него мощность передаётся к трансмиссии, которая на выходе уменьшает скорость вращения вала. От трансмиссии мощность идёт к ведущим колёсам. Таким образом, скорость вращения ведущих колёс и скорость вращения вала двигателя связаны друг с другом. Если обороты двигателя снизятся, то и колёса танка будут вращаться медленнее. Предположим, вал двигателя вращается с частотой 2000 об/мин, а трансмиссия уменьшает частоту вращения в 30 раз. Это значит, что колёса будут вращаться со скоростью 2000/30 = 67 оборотов в минуту. Если мы увеличим обороты двигателя до 2500 в минуту, то ведущие колёса начнут вращаться на 2500/30 = 83 оборотах в минуту.
Схема механизма поворота, томозов и бортовых редукторов
Теперь давайте посмотрим, где именно в трансмиссии Pz.III ausf.G изменяется частота вращения:
- Пусть двигатель Maybach HL 120 TRM работает на 2800 об/мин
- Пусть включена 4 передача в КПП. Она уменьшает обороты в 3,9 раз, поэтому на выходе вал КПП вращается на 2800/3,9 = 718 об/мин
- Затем выходной вал КПП вращает пару конических шестерён, которые увеличивают скорость вращения в 1,21 раз. Получаем 718*1,21 = 869 об/мин
- Затем мощность идёт в механизмы поворота, которые уменьшают скорость вращения в 1,291 раз: 869/1,291 = 673 об/мин
- После этого пара шестерён ещё раз уменьшает скорость вращения в 1,832 раза: 673/1,832 = 367 об/мин
- Наконец, мощность поступает в бортовые редукторы, уменьшающие скорость вращения в 4 раза: 367/4 = 92 оборота в минуту
На каждой передаче коробка передач изменяет скорость вращения по-разному. Значит на одних и тех же оборотах двигателя скорость танка зависит от включённой передачи. Мы можем составить таблицу скоростей танка на разных передачах при определённых оборотах:
Передача
Скорость при 2600 об/мин, км/ч
Скорость при 2800 об/мин, км/ч
Скорость при 3000 об/мин, км/ч
1
4,28
4,61
4,94
2
5,82
6,27
6,72
3
7,79
8,39
8,99
4
10,37
11,17
11,97
5
14,08
15,16
16,24
6
18,91
20,36
21,81
7
25,73
27,71
29,69
8
34,22
36,85
39,48
9
45,85
49,38
52,91
10
62,28
67,07
71,86
Теперь, разобравшись в зависимости скорости танка от оборотов двигателя, мы можем установить максимальную скорость. Представим себе, как Pz.III ausf.G её набирает. Руководство говорит, что первые три передачи используются при движении по говнам, мы же стартуем на хорошей дороге, поэтому сразу включим 4 передачу. Обороты двигателя повышаются и доходят до 3000 об/мин, а скорость составляет 12 км/ч. Всё, дальше мы обороты увеличивать не можем, поэтому мы включаем пятую передачу. Скорость возрастает до 16 км/ч на 3000 об/мин. Мы включаем шестую передачу и так далее. Наконец, мы включаем 10 передачу. Обороты достигают 3000 в минуту, а скорость 70 км/ч. Всё, быстрее танк ехать не может, поскольку обороты двигателя максимальные, а более высокой передачи нет.
Разобранная 10-скоростная КПП Pz.III
Итак, максимальная расчётная скорость танка - это скорость на последней передаче при максимальных оборотах двигателя. Мы взяли максимальные обороты двигателя, взяли передаточные числа, перемножили и в результате математического расчёта определили скорость танка. Для Pz.III ausf.E-G максимальная расчётная скорость - примерно 70 км/ч.
Вот только есть одно но: совершенно не факт, что танк вообще сможет поехать по ровной дороге без уклона с такой скоростью. Почему?
Запас тяги
В механике есть простой, но весьма важный и полезный принцип. Если мы при помощи шестерён уменьшим скорость вращения в 2 раза, то сила тяги на ведущих колёсах возрастёт в 2 раза. Если мы уменьшим скорость в 4 раза, то сила тяги возрастёт в 4 раза и так далее. И наоборот, если мы повысим скорость в n раз, то и сила тяги уменьшится в n раз.
Во время движения танк преодолевает внешнее сопротивление. На ровной хорошей дороге оно одно, а в лютых говнах оно другое, куда большее. Если танку не хватает силы тяги, то он не может двигаться и застревает. Именно для разрешения этой проблемы и нужна коробка передач.
Предположим, что мы едем на 8 передаче со скоростью 38 км/ч по хорошей дороге. Вдруг нам понадобилось свернуть на рыхлое поле. Сопротивление движению возросло и танк уже не может ехать с такой скоростью, силы тяги недостаточно. Тогда мы включаем 4 передачу. По сравнению с 8 передачей на 4 передаче трансмиссия уменьшает скорость в 4 раза больше, поэтому и сила тяги возрастает в 4 раза. Да, скорость танка тоже снизилась, но лучше ехать медленно, чем вообще никак не ехать.
Если мы после поля заедем в лютые говна, то силы тяги снова не будет хватать. Включим первую передачу, которая по сравнению с восьмой уменьшает скорость в 8 раз. Сила тяги возрастает и мы можем продолжить движение, пусть и со скоростью 4 км/ч.
К чему мы привели этот пример с силой тяги? А к тому, что для достижения максимальной расчётной скорости танку может хватить силы тяги и тогда он действительно будет ехать с такой скоростью, но её может и не хватить.
Расчётная максимальная скорость БТ-7 на гусеницах - 53 км/ч. Благодаря очень высокой удельной мощности запас тяги без труда позволяет достичь этой скорости. Максимальная скорость на хорошей дороге совпадает с расчётной. А вот Pz.III ausf.G на хорошей дороге без уклона может разогнаться примерно до 60 км/ч. Отметки в 70 км/ч он достигнуть не может, так как не хватит силы тяги.
Мы можем рассчитать две максимальные скорости с учётом массы танка и мощности двигателя: это максимальная расчётная скорость исходя из оборотов двигателя и изменения оборотов в трансмиссии и максимальная скорость по силе тяги.
Реальная максимальная скорость - это наименьшая из этих двух скоростей.
БТ-7 по запасу тяги может ехать и быстрее 53 км/ч, но для этого отсутствует подходящая передача в КПП. Pz.III может ехать быстрее 60 км/ч, но для этого нужен более мощный двигатель, то есть передача есть, а тяги не хватает.
Теперь понятно, откуда взялись разные скорости. 70 км/ч - это расчётная скорость на 10 передаче при 3000 об/мин. 67 км/ч - это расчётная скорость на 10 передаче при 2800 об/мин. То есть оба числа совершенно правильные и никакого противоречия в них нет. наконец, 55-60 км/ч - это примерно та скорость, которую Pz.III ausf.E-G может достигнуть в реальных условиях по запасу тяги. На разных танках было разное бронирование (30-мм лоб корпуса или 60-мм лоб корпуса) и вооружение (37-мм пушка или 50-мм пушка), поэтому их масса отличалась, отличалась и скорость с удельной мощностью, но не сильно, а в районе 55-60 км/ч.
Но откуда взялась скорость в 40 км/ч? Она существенно отличается от 60 км/ч и небольшим увеличением массы её не объяснить. Для того, чтобы это понять, нужно обратить внимание на третье условие достижения максимальной скорости (после нужной передачи и запаса по тяге).
Ходовая часть
Для достижения высокой скорости мало иметь подходящую трансмиссию и достаточно мощный двигатель, дающий нужную тягу. Необходима ещё и ходовая часть, которая бы выдержала такую скорость. Тут мы сталкиваемся с двумя проблемами. Во-первых, подвеска должна адекватно работать на высокой скорости. Во-вторых, гусеницы и катки должны выдерживать возрастающие нагрузки. Только тогда мы сможем уверенно и долго ехать на максимальной скорости, а не разваливаться на ходу.
Рассмотрим советский средний танк Т-28. Серийные машины могли разгоняться на 5 передаче до 40-42 км/ч по шоссе. Опытный танк Т-28А с переделанными бортовыми редукторами имел расчётную скорость до 68 км/ч. Оно и понятно: двигатель М-17 мощный, запас тяги есть, можно и скорость увеличить. Но в серию он не пошёл и нетрудно понять, почему. Подвеска танка Т-28, выполненная по схеме Grosstraktor фирмы Krupp, давала равномерное распределение нагрузки на гусеницу и очень хорошую плавность хода. Что и говорить, Т-28 был хорошей, устойчивой артиллерийской платформой.
Но для больших скоростей такая подвеска не подходила совершенно. Ход катка (то есть его перемещение вверх-вниз относительно танка) был всего лишь 113,5 мм. Для сравнения, у Pz.III ausf.G ход был почти 250 мм, у Т-34 215-250 мм. А если прибавить к этому низкую энергоёмкость рессор, то мы получаем жёсткие удары при быстрой езде по неровностям. Удары не только утомляют экипаж танка, но и перегружают подвеску, приводя к её поломкам. Да, Т-28 мог разгоняться до 42 км/ч, а Т-28А до 68 км/ч, только вот подвеска начинала разрушаться на скорости от 25 км/ч при наезде на неровности высотой 250-300 мм. Именно поэтому в серию вместо Т-28А хотели пустить Т-29 с индивидуальной пружинной подвеской по типу Кристи с ходом катка 170 мм. Она позволяла преодолевать неровности до 0,6 м на скоростях 30-35 км/ч без риска поломок.
У Pz.III ausf.E-G таких проблем не было, так как его шасси изначально проектировалось под достижение 70 км/ч. Мягкая подвеска с большим ходом катков позволяла сглаживать неровности, амортизаторы гасили раскачку, а специальные направляющие разгружали рычаги подвески. Но во время испытаний и войсковой эксплуатации возникла другая проблема: на скоростях свыше 40 км/ч разрушались и отслаивались резиновые бандажи опорных катков. Иными словами, трансмиссия и двигатель позволяли разгоняться и до 60 км/ч, подвеска работала как надо, но катки не могли выдержать такой скорости.
Это привело к тому, что мехводам дали инструкции не разгонять танки свыше 40 км/ч. То есть если танки ехали на 1-8 передачах, то всё было в порядке. А на 9 и 10 передачах мехводам указывали так давить на педаль газа, регулируя обороты двигателя, чтобы скорость не превышала 40 км/ч. По хорошим дорогам можно было развивать 40 км/ч не на восьмой, а на девятой передаче при меньших оборотах двигателя, что позволяло экономить топливо и не насиловать двигатель.
Некоторые говорят о введении некого ограничителя в коробке передач, но в действительности это был лишь бюрократический запрет. Таким образом в ТТХ Pz.III ausf.E-G появилась максимальная скорость в 40 км/ч. В таблице скоростей так и написано - by regulation, то есть с контролем подачи топлива:
Итог
Максимальная скорость танка зависит от
- оборотов двигателя и трансмиссии (расчётная скорость)
- запаса тяги
- конструкции подвески
- прочности деталей ходовой части
- На Pz.III ausf.A-D стояла пятискоростная КПП, которая давала 35 км/ч на последней передаче. По тяге танк мог достичь такой скорости
- На Pz.III ausf.E-G стояла десятискоростная КПП, которая давала 70 км/ч на последней передаче. По тяге танк мог достичь 55-60 км/ч, с учётом разрушения катков 40 км/ч на марше
- На Pz.III ausf.H-N стояла шестискоростная КПП, которая давала около 43 км/ч на последней передаче. По тяге танки могли достигать такую скорость, но с учётом разрушения катков допускалась скорость до 40 км/ч на марше