Гидрообъёмные передачи: курим понятие
Оригинал взят у kedoki в Гидрообъёмные передачи: курим понятие
В одной из недавних статей на примере Tiger (P) Typ 102 я уже описывал принципы работы гидродинамических передач, то есть гидромуфт и гидротрансформаторов. Кроме того, в танкостроении и в гусеничной технике вообще используются и гидростатические передачи, нередко их называют гидрообъёмными (сокращённо ГОП). У них другой принцип действия, свои области применения и так далее. Проблема в том, что в английской терминологии все они называются hydraulic transmission. Из-за этого некоторые темы в танкостроении обросли выдумками и откровенной ерундой. Например, в некоторых статьях авторы на полном серьёзе пишут, что Tiger (P) Typ 102 был оснащён гидрообъёмным приводом для каждой гусеницы. А тут уж есть где фантазии разгуляться. Мол, на экспериментальном Pz.Kpfw.IV гидрообъёмная трансмиссия работала ненадёжно, так что и Тигр с аналогичной конструкцией был обречён.
В этой статье я расскажу о принципах работы гидрообъёмных передач, об их достоинствах и недостатках, а в следующий раз рассмотрю конкретные реализации в танковых трансмиссиях.
ГОППБДПВ:
Но сперва дурацкая аналогия, поясняющая суть. Представьте себе стоящий на полу шкаф, вам нужно его сдвинуть с помощью бревна. Вы можете сделать это двумя способами. Первый - кидать в него бревно, ведь с каждым ударом шкаф будет сдвигаться. Вы поднимаете бревно, кидаете его в шкаф, затем снова поднимаете, кидаете и так далее. Второй способ - упереться бревном в шкаф и толкать его силой давления. Первый способ - это гидродинамическая передача: насосное колесо своими лопастями "кидает" молекулы жидкости на турбинное колесо. Второй способ - гидростатическая (она же гидрообъёмная) передача. С двигателем соединён гидравлический насос, который создаёт давление в контуре и вращает вал гидравлического мотора. Очевидно, хотя все они называются hydraulic transmission, это совершенно разные способы передачи мощности, каждый со своими особенностями и областями применения.
Типы насосов и моторов
Прежде всего разберёмся с тем, как работает гидронасос. Первое, что приходит в голову - это поршень с кривошипно-шатунным механизмом:
Работать такая штука, конечно, будет, но совсем не так, как нам нужно. Во-первых, давление в контуре пульсирует, то уменьшаясь, то возрастая, потому что в мёртвых точках поршень не прокачивает жидкость. Во-вторых, нужно ещё придумать, как регулировать насос, изменяя скорость. Для решения этих проблем были созданы аксиально-поршневые насосы. В них есть вращающийся барабан с несколькими поршнями, параллельными оси вращения, отсюда и название.
Штоки поршней крепятся на вращающейся с ними шайбе. Когда шайба находится под прямым углом, то поршни не совершают ход, объёмы жидкости в цилиндрах не изменяются и насос не работает. Если шайбу наклонить, то при вращении барабана поршни будут совершать ход, изменяя объёмы цилиндров, а жидкость в контуре начнёт протекать под давлением. Таким образом, от угла наклона шайбы зависит объём перекачиваемой жидкости и, соответственно, скорость вала гидромотора.
В реальной конструкции поршней и цилиндров намного больше. Посмотреть, как это работает, можно на довольно наглядном видео:
Кроме аксиально-поршневых есть радиально-поршневые насосы. В них поршни (или плунжеры на радиально-плунжерных насосах) располагаются не параллельно, а перпендикулярно к оси вращения вала. Реализаций у радиальных насосов множество, поэтому приведём несколько примеров.
Вот схема радиального насоса с неподвижными цилиндрами и эксцентриком:
Ось эксцентрика смещена от ос оси вала, поэтому при вращении эксцентрик вжимает одни поршни и отжимает другие. За счёт этого и происходит прокачка жидкости.
Другой вариант с вращающимися поршнями:
Ротор представляет собой барабан с поршнями, в центральной части которого есть две камеры высокого и низкого давления. Картер статора по оси смещён относительно ротора, поэтому при вращении вала поршни то сжимают, то отжимают пружины, соответственно изменяя объём цилиндров. За счёт этого и создаётся давление в контуре. Более наглядная схема:
Есть и другой вариант:
Наглядное видео с объяснением работы радиально-поршневых насосов:
Для регулировки объёма прокачиваемой жидкости и скорости вращения гидромотора нам нужно изменять положение оси эксцентрика относительно оси вращения вала. Это можно сделать смещением статора, как на схеме ниже, или смещения самого эксцентрика в радиальных насосах с неподвижными цилиндрами. В дальнейшем мы разберём такую конструкцию на реальном примере.
Что касается гидравлических моторов, то многие схемы насосов обратимы, то есть могут использоваться и как насосы, и как моторы. Вот пример объединения аксиально-поршневых мотора и насоса в один компактный блок для бесступенчатого изменения скорости:
Другой пример: с двигателем соединён аксиально-поршневой насос, а с ведущими колёсами пластинчатый гидромотор. В нём ось вращения ротора смещена от оси статора, а лопатки-пластины прижимаются к его стенке под действитем пружин или центробежной силы:
Достоинства и недостатки гидрообъёмных передач
Самое главное достоинство гидропередачи, ради которого её обычно и применяют, это возможность бесступенчатой регулировки. Наклоном шайбы или смещением эксцентрика можно изменять скорость вращения ведомого вала, причём крутящий момент тоже будет соответственно уменьшаться или увеличиваться. Нет никаких ступеней, как в коробке передач, передаточное число изменяется вслед за движением рычага или штурвала. Что касается диапазона скоростей, то и с ним всё, как правило, хорошо. Казалось бы, идеальная трансмиссия: гидромотор соединяется с двигателем, а гидронасосы с ведущими колёсами танка. Для каждой гусеницы отдельно можно задавать какую угодно скорость, плавно входя в повороты. Если танк заехал в говны и сопротивление движению увеличилось, то достаточно снизить обороты гидромотора, подняв крутящий момент.
Но не всё так просто. У гидрообъёмных передач есть, скажем, так, один существенный недостаток и одна важная особенность. Эту особенность нельзя однозначно назвать недостатком, потому что в некоторых случаях она является как раз достоинством. Гидрообъёмные передачи требуют качественного изготовления, ведь они работают с большим давлением и быстро движущимися деталями. При работе с большой мощностью требуется обеспечить адекватное охлаждение масла. Как следствие, использовать гидрообъёмный привод в качестве полноценной танковой трансмиссии крайне затруднительно. Вернее, сделать-то его можно, но сразу возникнут вопросы к цене, сложности изготовления, охлаждению и, самое главное, к надёжности. Кроме того, гидрообъёмные трансмиссии хоть и позволяют бесступенчато изменять крутящий момент и скорость в широком диапазоне, но они не делают этого автоматически, без участия человека. Наоборот, гидротрансформаторы сами приспосабливаются к условиям движения, используя мощность оптимальным образом.
Именно поэтому в настоящее время стандартом в танкостроении стала связка гидротрансформатора с планетарной коробкой передач. Но и для гидрообъёмных передач нашлись свои области применения. Они давно и с успехом используются в приводах поворота башни. Вот простая для понимания схема:
Пластинчатый гидромотор регулируется смещением статора вверх или вниз. Наводчик наклоняет рукоятку поворота и этим смещает гайку вперёд или назад. От её смещения, в свою очередь, зависит и смещение статора. Направлениям вверх или вниз соответствует движение башни по часовой или против часовой стрелки, а скорость поворота зависит от величины смещения. Гидромотор устроен сходным образом, только у него статор зафиксирован неподвижно.
Другая важная область - это двухпоточные механизмы поворота с гидрообъёмным приводом. Они позволяют поворачивать настолько точно, что в танках Char B1 и Strv 103 по горизонтали орудие наводится только с помощью механизма поворота. В настоящее время это лучший тип танковой трансмиссии по управляемости. Но об использовании гидрообъёмных приводов в танковых трансмиссиях мы с конкретными примерами поговорим в следующий раз.
В одной из недавних статей на примере Tiger (P) Typ 102 я уже описывал принципы работы гидродинамических передач, то есть гидромуфт и гидротрансформаторов. Кроме того, в танкостроении и в гусеничной технике вообще используются и гидростатические передачи, нередко их называют гидрообъёмными (сокращённо ГОП). У них другой принцип действия, свои области применения и так далее. Проблема в том, что в английской терминологии все они называются hydraulic transmission. Из-за этого некоторые темы в танкостроении обросли выдумками и откровенной ерундой. Например, в некоторых статьях авторы на полном серьёзе пишут, что Tiger (P) Typ 102 был оснащён гидрообъёмным приводом для каждой гусеницы. А тут уж есть где фантазии разгуляться. Мол, на экспериментальном Pz.Kpfw.IV гидрообъёмная трансмиссия работала ненадёжно, так что и Тигр с аналогичной конструкцией был обречён.
В этой статье я расскажу о принципах работы гидрообъёмных передач, об их достоинствах и недостатках, а в следующий раз рассмотрю конкретные реализации в танковых трансмиссиях.
ГОППБДПВ:
Но сперва дурацкая аналогия, поясняющая суть. Представьте себе стоящий на полу шкаф, вам нужно его сдвинуть с помощью бревна. Вы можете сделать это двумя способами. Первый - кидать в него бревно, ведь с каждым ударом шкаф будет сдвигаться. Вы поднимаете бревно, кидаете его в шкаф, затем снова поднимаете, кидаете и так далее. Второй способ - упереться бревном в шкаф и толкать его силой давления. Первый способ - это гидродинамическая передача: насосное колесо своими лопастями "кидает" молекулы жидкости на турбинное колесо. Второй способ - гидростатическая (она же гидрообъёмная) передача. С двигателем соединён гидравлический насос, который создаёт давление в контуре и вращает вал гидравлического мотора. Очевидно, хотя все они называются hydraulic transmission, это совершенно разные способы передачи мощности, каждый со своими особенностями и областями применения.
Типы насосов и моторов
Прежде всего разберёмся с тем, как работает гидронасос. Первое, что приходит в голову - это поршень с кривошипно-шатунным механизмом:
Работать такая штука, конечно, будет, но совсем не так, как нам нужно. Во-первых, давление в контуре пульсирует, то уменьшаясь, то возрастая, потому что в мёртвых точках поршень не прокачивает жидкость. Во-вторых, нужно ещё придумать, как регулировать насос, изменяя скорость. Для решения этих проблем были созданы аксиально-поршневые насосы. В них есть вращающийся барабан с несколькими поршнями, параллельными оси вращения, отсюда и название.
Штоки поршней крепятся на вращающейся с ними шайбе. Когда шайба находится под прямым углом, то поршни не совершают ход, объёмы жидкости в цилиндрах не изменяются и насос не работает. Если шайбу наклонить, то при вращении барабана поршни будут совершать ход, изменяя объёмы цилиндров, а жидкость в контуре начнёт протекать под давлением. Таким образом, от угла наклона шайбы зависит объём перекачиваемой жидкости и, соответственно, скорость вала гидромотора.
В реальной конструкции поршней и цилиндров намного больше. Посмотреть, как это работает, можно на довольно наглядном видео:
Click to viewКроме аксиально-поршневых есть радиально-поршневые насосы. В них поршни (или плунжеры на радиально-плунжерных насосах) располагаются не параллельно, а перпендикулярно к оси вращения вала. Реализаций у радиальных насосов множество, поэтому приведём несколько примеров.
Вот схема радиального насоса с неподвижными цилиндрами и эксцентриком:
Ось эксцентрика смещена от ос оси вала, поэтому при вращении эксцентрик вжимает одни поршни и отжимает другие. За счёт этого и происходит прокачка жидкости.
Другой вариант с вращающимися поршнями:
Ротор представляет собой барабан с поршнями, в центральной части которого есть две камеры высокого и низкого давления. Картер статора по оси смещён относительно ротора, поэтому при вращении вала поршни то сжимают, то отжимают пружины, соответственно изменяя объём цилиндров. За счёт этого и создаётся давление в контуре. Более наглядная схема:
Есть и другой вариант:
Наглядное видео с объяснением работы радиально-поршневых насосов:
Для регулировки объёма прокачиваемой жидкости и скорости вращения гидромотора нам нужно изменять положение оси эксцентрика относительно оси вращения вала. Это можно сделать смещением статора, как на схеме ниже, или смещения самого эксцентрика в радиальных насосах с неподвижными цилиндрами. В дальнейшем мы разберём такую конструкцию на реальном примере.
Что касается гидравлических моторов, то многие схемы насосов обратимы, то есть могут использоваться и как насосы, и как моторы. Вот пример объединения аксиально-поршневых мотора и насоса в один компактный блок для бесступенчатого изменения скорости:
Другой пример: с двигателем соединён аксиально-поршневой насос, а с ведущими колёсами пластинчатый гидромотор. В нём ось вращения ротора смещена от оси статора, а лопатки-пластины прижимаются к его стенке под действитем пружин или центробежной силы:
Достоинства и недостатки гидрообъёмных передач
Самое главное достоинство гидропередачи, ради которого её обычно и применяют, это возможность бесступенчатой регулировки. Наклоном шайбы или смещением эксцентрика можно изменять скорость вращения ведомого вала, причём крутящий момент тоже будет соответственно уменьшаться или увеличиваться. Нет никаких ступеней, как в коробке передач, передаточное число изменяется вслед за движением рычага или штурвала. Что касается диапазона скоростей, то и с ним всё, как правило, хорошо. Казалось бы, идеальная трансмиссия: гидромотор соединяется с двигателем, а гидронасосы с ведущими колёсами танка. Для каждой гусеницы отдельно можно задавать какую угодно скорость, плавно входя в повороты. Если танк заехал в говны и сопротивление движению увеличилось, то достаточно снизить обороты гидромотора, подняв крутящий момент.
Но не всё так просто. У гидрообъёмных передач есть, скажем, так, один существенный недостаток и одна важная особенность. Эту особенность нельзя однозначно назвать недостатком, потому что в некоторых случаях она является как раз достоинством. Гидрообъёмные передачи требуют качественного изготовления, ведь они работают с большим давлением и быстро движущимися деталями. При работе с большой мощностью требуется обеспечить адекватное охлаждение масла. Как следствие, использовать гидрообъёмный привод в качестве полноценной танковой трансмиссии крайне затруднительно. Вернее, сделать-то его можно, но сразу возникнут вопросы к цене, сложности изготовления, охлаждению и, самое главное, к надёжности. Кроме того, гидрообъёмные трансмиссии хоть и позволяют бесступенчато изменять крутящий момент и скорость в широком диапазоне, но они не делают этого автоматически, без участия человека. Наоборот, гидротрансформаторы сами приспосабливаются к условиям движения, используя мощность оптимальным образом.
Именно поэтому в настоящее время стандартом в танкостроении стала связка гидротрансформатора с планетарной коробкой передач. Но и для гидрообъёмных передач нашлись свои области применения. Они давно и с успехом используются в приводах поворота башни. Вот простая для понимания схема:
Пластинчатый гидромотор регулируется смещением статора вверх или вниз. Наводчик наклоняет рукоятку поворота и этим смещает гайку вперёд или назад. От её смещения, в свою очередь, зависит и смещение статора. Направлениям вверх или вниз соответствует движение башни по часовой или против часовой стрелки, а скорость поворота зависит от величины смещения. Гидромотор устроен сходным образом, только у него статор зафиксирован неподвижно.
Другая важная область - это двухпоточные механизмы поворота с гидрообъёмным приводом. Они позволяют поворачивать настолько точно, что в танках Char B1 и Strv 103 по горизонтали орудие наводится только с помощью механизма поворота. В настоящее время это лучший тип танковой трансмиссии по управляемости. Но об использовании гидрообъёмных приводов в танковых трансмиссиях мы с конкретными примерами поговорим в следующий раз.