Трансмиссии Tiger (P)
Какое-то время назад я написал статью с описанием двух вариантов трансмиссий Tiger P и Tiger P2. Из-за технических ограничений вики-страниц Вмыла пришлось разделить статью на две части, что неудобно. Я решил сделать её копию, объединив части в одну статью. Тем более и повод подходящий - день рождения Фердинанда Порше. Посмотрим на начинку его детища.
КДПВ - первый построенный Tiger (P) везут на показ к 20 апреля 1942 года:
Революция?
Первое, с чем сталкиваешься в процессе изучения истории VK 30.01 (P) и VK 45.01 (P) - это утверждения о якобы их революционности и уникальности. Вот каноничный пример:
Порше придумал революционную конструкцию. совершенно не типичную для танка. На VK3001(P) стояла электромеханическая трансмиссия, никогда ранее не использовавшаяся на сухопутной технике, зато обычная для подводных лодок.
Источник
Автора данной статьи придётся огорчить. То, что VK 30.01 (P) и VK 45.01 (P) существенно отличались от других немецких танков ещё не делает их революционными. Точно также они не становятся революционными от того, что автор безграмотен и не знает о других более ранних танках с электромеханическими трансмиссиями.
В действительности Фердинанд Порше создал автомобиль с электромеханической трансмиссией ещё в 1900 году. Что касается танков, то первыми электромеханчиескую трансмиссию на танке Сен-Шамон (Char Saint-Chamond) применили в годы Первой Мировой войны французы. Они же создали первый в мире танк Char 2C с двумя двигателями внутреннего сгорания, каждый из которых работал на свой генератор. Одним словом, с точки зрения устройства трансмиссии VK 30.01 (P) и VK 45.01 (P) не были революцией для мирового танкостроения.
Фердинанд Порше и Отто Цадник (справа)
Если углубиться в эту тему, то всплывают не менее интересные подробности. Вместе с Фердинандом Порше работал талантливый инженер Отто Цадник (Otto Zadnik), перешедший к нему в конструкторское бюро из фирмы Siemens. Именно Цадник разработал схемы трансмиссий для Tiger (P) и Maus. Так вот, Цадник запатентовал свою реализацию электромеханической трансмиссии ещё в 1926 году!
Смысл в применении
Если не верить авторам бредовых статей на слово и оглянуться вокруг, то вырисовывается совершенно другая картина. Во Франции работы над танками с электромеханическими трансмиссиями начались ещё в Первую Мировую войну и продолжались в межвоенное время. В США электромеханические трансмиссии опробовали на лёгком танке M2A3, среднем T23 и тяжёлом T1E1. В Англии построили, прости господи, TOG II. В СССР электромеханические трансмиссии неоднократно пытались ставить в тяжёлые танки. Даже в Чехословакии построили шасси лёгкого танка с радиальным двигателем и электромеханической трансмиссией.
Отсюда неизбежный вопрос: если электромеханические трансмиссии такие тяжёлые и требовательные к тоннам цветных металлов, почему в разных странах неоднократно возвращались к попыткам создания танков с их использованием?
Ответ заключён в уникальном сочетании характеристик.
Непрерывность и плавность изменения передаточного отношения
В обычных механических трансмиссиях вал двигателя механически связан с ведущими колёсами. Это не только нагружает двигатель и трансмиссию, но и приводит к тому, что для плавного изменения скорости приходится регулировать обороты двигателя, из-за чего он далеко не всегда работает в оптимальном режиме. Существенно изменить силу тяги и скорость можно лишь при помощи коробки передач, но это весьма грубый метод, с которым, однако, приходится мириться.
Электродвигатели обладают важным свойством: при увеличении сопротивления окружающей среды (например, танк съехал с хорошей дороги на вспаханное поле) скорость танка снижается, как и обороты вала электродвигателя, но при этом увеличивается сила тяги. А так как наибольшая сила тяги развивается при наименьших оборотах, танк получает хорошую проходимость и отличные тяговые характеристики. Например, Maus может тянуть за собой такой же танк, а это почти 380 тонн! Да, медленно и очень неспешно, но может.
Довольный Отто Цадник после вождения Мауса
Раз при использовании электромеханической трансмиссии первичные двигатели никак не связаны механически с ведущими колёсами, то они могут постоянно работать в оптимальном режиме, а тяговые электродвигатели позволяют плавно менять силу тяги и скорость при неизменной скорости вращения вала первичного двигателя внутреннего сгорания. Коробка передач позволяет менять скорость и силу тяги лишь ступенчато, что нередко приводит к неэффективному использованию мощности.
Чем тяжелее машина и чем мощнее его двигатель, тем большие нагрузки испытывают двигатель и трансмиссия и тем менее применимой становится обычная механическая трансмиссия. Именно поэтому на современных танках, а также грузовиках (БелАЗ-75710) и тракторах (ДЭТ-250) специального назначения используют электро- и гидромеханические трансмиссии.
Самоприспосабливаемость
Самоприспосабливаемость к дорожным условиям - другое важнейшее свойство электромеханической трансмиссии, которое гармонично сочетается с непрерывностью изменения скорости и тяги.
Во время движения танка электромеханическая трансмиссия не только плавно изменяет силу тяги и скорость, но и делает это автоматически. Когда танк съезжает с хорошей дороги на говна, то тяговые электродвигатели сами без участия водителя увеличат силу тяги и снизят скорость танка до оптимального уровня.
Это чрезвычайно облегчает управление танком. Водитель при помощи реостатов задаёт примерный диапазон скоростей, а точную подстройку под конкретные дорожные условия сделает сама трансмиссия.
Простота устройства
Немаловажное достоинство схемы электромеханической трансмиссии с двумя тяговыми электродвигателями, каждый из который работает на свою гусеницу, заключается в том, что отпадает необходимость в главном фрикционе, коробке передач и механизме поворота. Водитель может задавать электродвигателям разные скорости вращения и танк совершит плавный поворот. Никакого специального механизма поворота не требуется.
Это приводит к значительному упрощению редукторной части (то есть валов и шестерней). В Tiger (P) вся редукторная часть трансмиссии состоит из соединения генераторов с бензиновыми двигателями и из двух планетарных передач, соединяющих электродвигатели с ведущими колёсами:
А вот для сравнения редукторная часть трансмиссии Tiger (H):
В этом и проблема обычных механических трансмиссий: хочешь выдающихся характеристик - городи огород из валов и шестерён.
Ложка дёгтя
Электромеханические трансмиссии обладают целым рядом весомых достоинств, поэтому в самых разных странах их неоднократно пытались применить на танках. И всё таки стандартом в танкостроении они не стали. Виной всему два существенных недостатка. Да, всего два, но очень существенных.
Во-первых, генераторы и электродвигатели очень много весят. Например, на Tiger (P) каждый блок из двигателя и спаренного с ним генератора весил полторы тонны, из которых тонна приходилась на генератор. Таким образом только генераторы в сумме весили 2 тонны, то есть как вся механическая танковая трансмиссия, а ведь есть ещё электродвигатели... Всего это около 4,6 тонн, так-то!
Во-вторых, генераторы и электродвигатели требуют много цветных металлов, которые могут стать дефицитными в военное время.
Так что электромеханическая трансмиссия от Tiger (P) очень интересна, ведь она стояла на Фердинандах, воевавших в годы Второй Мировой войны. Это не просто концепт, очередной эксперимент. В конце войны только у немцев и американцев были действительно практичные с точки зрения войсковой эксплуатации бронетанковые шасси с электромеханическими трансмиссиями. Многие пытались, но не у многих получилось.
Трансмиссия Typ 101
После рассуждений о предшественниках, достоинствах и недостатках посмотрим на конкретную реализацию.
Устройство
Tiger (P) задумывался в двух вариантах: Typ 101 с электромеханической и Typ 102 с гидромеханической трансмиссией. В этом разделе мы поговорим об электромеханике, а в следующем о трансмиссии фирмы Voith.
Двигатели и трансмиссия Tiger (P) располагались в кормовой части корпуса под съёмными бронелистами крыши, что значительно упрощало их демонтаж без необходимости снимать башню. Два бензиновых V-образных 10-цилиндровых 15-литровых двигателя воздушного охлаждения Porsche Typ 101 мощностью 320 л.с. при 2500 об/мин соединялись с генераторами, причём роторы генераторов служили одновременно маховиками. Каждый генератор Typ aGV 275/24 снимал до 374 л.с.
Двигатель Typ 101/2 со спаренным генератором и системой охлаждения:
Позади двигателей находились два тяговых электродвигателя Typ D1495a фирмы Siemens мощностью 313 л.с. каждый. Они соединялись бортовыми двухступенчатыми редукторами (передаточное число 15) с ведущими колёсами.
Тяговые электродвигатели в Фердинанде:
Под сиденьем механика-водителя находилась система управления. Она состояла из педалей подачи топлива (газа), тормоза, а также рычагов управления трансмиссией, при помощи которых мехвод задавал скорость и направление движения. Система управления тормозов была гидропневматической и не требовала больших физических усилий.
Работа при прямолинейном движении
Трансмиссия Tiger (P) рассчитана под максимальную скорость в 35 км/ч. Во время испытаний в СССР Фердинанд развил 35 км/ч по шоссе, при этом мощность бензиновых двигателей использовалась не полностью. Более лёгкий Tiger (P) тем более мог развивать максимальную скорость на хороших дорогах.
Во время прямолинейного движения оба генератора работают как генераторы, а электродвигатели как моторы. Электродвигатели соединялись последовательно, благодаря чему Tiger (P) был очень удобен в управлении и хорошо держал направление при езде по прямой: если одна гусеница крутилась быстрее другой, то напряжение на соответствующем электромоторе поднималось. Шунтовая обмотка ослабляла магнитное поле этого мотора, что приводило к уменьшению вращающегося момента и выравниванию движения всего танка.
Левая схема - работа трансмиссии при прямолинейном движении.
Работа при повороте
Теперь совершим поворот почти без потери скорости. Забегающая гусеница ускоряется, вместе с ней увеличивается скорость вращения соответствующего электромотора. Так как он требует больше мощности, оба генератора питают его энергией. Кроме того, второй электромотор тоже начинает работать как генератор (см. правую схему на иллюстрации выше).
На первый взгляд непрофессионалу это может показаться странным. С чего бы электродвигателю отстающей гусеницы работать в режиме генератора? На самом деле это совершенно естественно. Предположим, что поворот танка осуществляется путём отключения электродвигателя отстающей гусеницы. Генераторы питают только один электродвигатель, который вращает свою гусеницу. Но если вторую гусеницу не затормозить, то она тоже будет вращаться, пусть и медленнее (именно поэтому для крутых поворотов отстающую гусеницу не только отключают от двигателя, но и принудительно тормозят). Это значит, что электродвигатель вращает не одну гусеницу, а две, просто на одну гусеницу мощность идёт через бортовой редуктор, а на другую через землю. Если мы включим в сеть электродвигатель отстающей гусеницы как генератор, то он будет возвращать мощность от отстающей гусеницы обратно. Это явление называется циркуляцией мощности. Если подходить к нему с умом, то во время поворота можно экономить мощность. Это значит, что для совершения поворота нужно меньше мощности.
Оценка
Я принципиально не буду давать свою оценку, а ограничусь цитированием немецких и советских документов об испытаниях и применении Фердинандов. Надо сказать, что электромеханическая трансмиссия Фердинандов точно такая же, как у Tiger (P), поэтому нижесказанное во многом касается и Тигра Порше.
Из письма унтер-офицера Боэма из 653-го батальона генералу Хартманну от 19 июля 1943 года о боевом применении Фердинандов:
Электрический мотор работал безупречно, и водители и экипажи были приятно удивлены. Бензиновые двигатели имели незначительные повреждения, они признаны слабыми из-за большого тоннажа машины, а гусеницы немного узковаты.
Из доклада офицера 653-го батальона Хайнца Грёшила об эксплуатации Фердинандов, направленного 25 июля 1943 года Фердинанду Порше:
Генераторы и электромоторы. В Нойзейдле у нас было последнее повреждение генератора. Это опять было короткое замыкание в рубящем контакте. С тех пор устройства работают без дефектов. Все же нужно подчеркнуть, что сейчас преобладает сухая погода и эти агрегаты редко полностью охлаждаются.
Контроллер механика-водителя. Тоже не имел достойных упоминания поломок. У трёх машин заменены поворотные реостаты цепи возбуждения
Не менее интересен отчёт по результатам испытаний трофейного Фердинанда. Надо сказать, сам Фердинанд достался потрёпанным:
Испытанный экземпляр самоходной артустановки «Фердинанд» поступил с фронта в рабочем состоянии с сильным загрязнением всей силовой установки. При этом отсутствовали многие агрегаты и приборы, например, щиток со всеми контрольными приборами, один из двух генераторов зарядки батарей, компрессор пневмогидравлической системы торможения. Один из двигателей был полуразрушен, электропроводка низковольтная и силовая частично нарушена, два катка ходовой части подбиты и т. п.
Так что испытателям пришлось сперва отремонтировать Фердинанд при отсутствии документов и запчастей, а затем провести испытания:
В дальнейшем вся система в целом работала бесперебойно и надёжно. За время испытаний не было ни одного случая отказа или дефектов в работе каких-либо агрегатов по причине их несовершенства. Испытания электрической трансмиссии «Фердинанд» проводил совместно с заводом № 627 НКЭП при участии инженеров-специалистов по электротяге НИИ НКПО.
Движение по прямой:
Устойчивость движения по прямой.
Испытания на устойчивость прямолинейного движения СУ производились на 100-метровом участке просёлочной дороги.
Рычаги контроллеров находились при испытаниях в крайнем переднем положении.
При всех проведённых заездах на 100 метров машину практически не уводило в сторону. Во время пробега на 50 км при движении СУ по прямой на любых грунтах и скоростях до 25 км/ч электротрансмиссия обеспечивала устойчивость прямолинейного движения.
Устойчивость движения по прямой, несмотря на последовательное соединение тяговых электромоторов и сериосное их возбуждение, объясняется наличием на электромоторах шунтовой противовключенной обмотки. При случайном повышении скорости одной из гусениц и соответствующего повышения напряжения на электромоторе этой гусеницы, шунтовая обмотка ослабляет магнитное поле данного мотора, снижая тем самым его вращающий момент и соответственно его скорость и напряжение на клеммах.
Скорости движения.
Максимальная скорость движения СУ на горизонтальном участке сухой грунтовой дороги была получена 22 км/ч, при этом мощность, развиваемая первичными двигателями, была близкой к максимальной (полное открытие дроссельных заслонок при 2800-3000 об/мин).
Максимальная скорость движения на горизонтальном участке асфальтированной дороги (Можайское шоссе) достигла 35 км/час при неполном использовании мощности первичных двигателей.
Однако немцы, избегая перегрузки тяговых электромоторов по оборотам, имеющим номинальное число оборотов 1300 об/мин, рекомендуют механику-водителю (в спецтабличке-памятке) не допускать скорости движения более 20 км/ч.
Установленная немцами максимальная скорость движения СУ соответствует максимальной скорости движения по сухой грунтовой дороге при полном использовании мощности первичных двигателей. Получение больших скоростей движения в этих условиях лимитируется мощностью первичных двигателей.
На основании данных полного использования мощности первичных двигателей при движении СУ по просёлочной дороге со скоростью 20 км/ч и возможности полуторакратной перегрузки электромоторов по оборотам немцами принято передаточное число бортовой передачи 15.
Максимальная скорость движения СУ по шоссе лимитируется исключительно предельно-допустимыми оборотами тяговых электромоторов (2000 об/мин). Мощность первичных двигателей при этом используется не более 50 % от максимальной
Так как Tiger (P) очень любят ругать за якобы ненадёжную работу электромеханической трансмиссии (разумеется, не прилагая к этому никаких документов), особенно интересна часть отчёта о надёжности. Напомню, на Tiger (P) с электромеханической трансмиссией стояли те же генераторы и электродвигатели, что и на Фердинандах.
8. По надёжности работы.
а) Все агрегаты силовой установки, особенно электротрансмиссия, во время испытаний работали надёжно.
б) Все элементы ходовой части работали надёжно.
Оценка электромеханической трансмиссии советскими специалистами:
9. По электрической трансмиссии.
Электрическая схема трансмиссии имеет следующие положительные данные:
а) Принципиальная простота и высокая надёжность в работе.
б) Обеспечение наиболее полного использования мощности первичных двигателей.
в) Возможность работы первичных двигателей в наиболее благоприятных режимах при различных условиях движения машины.
г) Возможность рекуперации энергии при поворотах. (имеется ввиду использование электромотора отстающей гусеницы как генератора - прим.ав.)
д) Бесступенчатость изменения движения машины, автоматичность изменения её зависимости от положения дроссельной заслонки и изменения сопротивления движению.
е) Устойчивость движения по прямой при ходе вперёд.
10. По удобству управления движением.
а) СУ «Фердинанд» вследствие применения в ней электрической трансмиссии по управлению является самой лёгкой по сравнению со всеми существующими ныне гусеничными машинами. Всё управление сводится к лёгкому нажатию ногой водителя на педаль акселератора и, в такой же степени, лёгкому перемещению водителем рычагов контроллеров.
б) Лёгкость управления не утомляет механика-водителя при длительном движении и позволяет ему больше уделять внимания наблюдению за местностью и полем боя.
11. По манёвренности.
СУ «Фердинанд», несмотря на сравнительно хорошую поворачиваемость, вследствие малых скоростей движения имеет плохую манёвренность, уступая в этом современным танкам, что делает её легко уязвимой от прицельного огня артиллерии.
Наконец, заключение:
1. Несмотря на лёгкость управления и удовлетворительную поворачиваемость, машина, в общем, имеет плохую манёвренность вследствие низких скоростей движения, что в значительной степени снижает её боевые качества, обусловленные её мощной пушкой и толстой бронёй.
2. Для отечественной промышленности представляет интерес тип подвески ходовой части, обеспечивающий надёжную амортизацию такой тяжёлой машины.
3. Осуществлённая в машине электротрансмиссия ввиду принципиальной простоты её схемы, высокой надёжности в работе и целому ряду других положительных качеств, выявленных испытаниями, представляет для нашей промышленности непосредственный интерес с точки зрения прямой целесообразности осуществления подобной схемы на отечественных тяжёлых танках
Полный текст отчёта можно найти в книге Максима Коломийца о Фердинанде.
Typ 102
Планы производства
С самого начала Tiger (P) планировался в двух вариантах: Typ 101 с электромеханической трансмиссией и Typ 102 с гидромеханической трансмиссией. Электромеханическую трансмиссию по схеме Цадника реализовала фирма Siemens, а гидромеханическую трансмиссию разработала и изготовила фирма Voith.
Первоначально планировалось, что в серии из 100 Tiger (P) 50 танков будут выпущены в варианте Typ 101, а остальная половина в варианте Typ 102. Позже программа по выпуску танков была пересмотрена: в варианте Typ 102 с гидромеханической трансмиссией планировалось изготовить только 10 танков, а лишние заготовленные корпуса переделывались под установку электромеханической трансмиссии. Закончилось же дело тем, что выпустили всего лишь один прототип Typ 102. К сожалению, пока не удалось найти документы, которые бы проливали свет на эти факты. Нет никакой достоверной информации по испытаниям Typ 102, равно как и нет ответа на вопрос о том, почему выпуск танков Tiger (P) с гидромеханической трансмиссией был фактически отменён.
Ситуация с трансмиссиями вообще очень загадочна. Всё было бы понятно, если бы собрали Typ 102, он бы провалил испытания и выпуск таких танков свернули. Но выпуск Typ 102 решили сократить до 10 танков в мае 1942 года, в октябре того же года в документах гидромеханическая трансмиссия фигурирует как альтернатива электромеханической трансмиссии на Typ 181, он же VK 45.02 (P) с задним расположением башни. Сообщение о построенном прототипе Typ 102 относится и вовсе к 1943 году...
Устройство гидромеханической трансмиссии
По конструкции танки VK 45.01 (P) Typ 102 были подобны базовому варианту Typ 101, отличаясь только другой трансмиссией и вентиляционными жалюзи.
Каждый двигатель Porsche Typ 101 соединялся с гидротрансформатором «NITA» фирмы Voith. Мощность от гидротрансформаторов поступала на карданный вал, который проходил между двигателей к коробке передач с двумя скоростями вперёд и одной назад. Коробка передач соединялась с механизмом поворота, от которого мощность шла к ведущим колёсам. Подобная необычная компоновка позволяла разместить двигатели в том же месте, что и при использовании электромеханической трансмиссии.
Управление танком осуществлялось с помощью рычагов, механических тяг и гидропневматической системы. Как и Typ 101, максимальная скорость Typ 102 рассчитывалась в 35 км/ч.
Нередко подчёркивают, что Фердинанд Порше предлагал для использования на танках электромеханические трансмиссии. При этом в тени оказывается тот факт, что не менее активно он предлагал и гидромеханические трансмиссии. У них есть целый ряд общих достоинств, делающих их применение на танках естественным:
При этом гидромеханическая трансмиссия имеет два весомых преимущества перед электромеханической: она меньше весит и не требует значительного количества цветных металлов. Именно поэтому версия об отмене серийного производства Tiger (P) из-за дефицита меди несостоятельна: Порше предлагал для него альтернативный вариант с гидромеханической трансмиссией, не требующий тонн цветных металлов.
В то же время гидротрансформатор в отличие от электродвигателей не может работать как механизм поворота, поэтому в дополнение к коробке передач приходится вводить механизм поворота, конструкция которого ограничивает поворотливость танка. Я не удивлюсь, если VK 45.01 (P) Typ 102 не мог поворачиваться строго на месте в отличие от своего электромеханического собрата. Правда, по имеющимся данным подтвердить или опровергнуть это невозможно, поскольку в свободном доступе нет чертежей и схем механической части трансмиссии от Typ 102.
В танкостроении гидромеханические трансмиссии в настоящий момент занимают золотую середину между дешёвыми и лёгкими, но малоэффективными механическими трансмиссиями и тяжёлыми и дорогими, но эффективными электромеханическими трансмиссиями. Так что можно без всякой натяжки сказать, что Фердинанд Порше был прав по поводу целесообразности применения гидромеханических трансмиссий на танках. Уже в конце Второй Мировой войны американцы применили M26 Pershing с гидромеханическими трансмиссиями, а в настоящее время это одно из типичных решений для тяжёлой гусеничной техники.
Источники
КДПВ - первый построенный Tiger (P) везут на показ к 20 апреля 1942 года:
Революция?
Первое, с чем сталкиваешься в процессе изучения истории VK 30.01 (P) и VK 45.01 (P) - это утверждения о якобы их революционности и уникальности. Вот каноничный пример:
Порше придумал революционную конструкцию. совершенно не типичную для танка. На VK3001(P) стояла электромеханическая трансмиссия, никогда ранее не использовавшаяся на сухопутной технике, зато обычная для подводных лодок.
Источник
Автора данной статьи придётся огорчить. То, что VK 30.01 (P) и VK 45.01 (P) существенно отличались от других немецких танков ещё не делает их революционными. Точно также они не становятся революционными от того, что автор безграмотен и не знает о других более ранних танках с электромеханическими трансмиссиями.
В действительности Фердинанд Порше создал автомобиль с электромеханической трансмиссией ещё в 1900 году. Что касается танков, то первыми электромеханчиескую трансмиссию на танке Сен-Шамон (Char Saint-Chamond) применили в годы Первой Мировой войны французы. Они же создали первый в мире танк Char 2C с двумя двигателями внутреннего сгорания, каждый из которых работал на свой генератор. Одним словом, с точки зрения устройства трансмиссии VK 30.01 (P) и VK 45.01 (P) не были революцией для мирового танкостроения.
Фердинанд Порше и Отто Цадник (справа)
Если углубиться в эту тему, то всплывают не менее интересные подробности. Вместе с Фердинандом Порше работал талантливый инженер Отто Цадник (Otto Zadnik), перешедший к нему в конструкторское бюро из фирмы Siemens. Именно Цадник разработал схемы трансмиссий для Tiger (P) и Maus. Так вот, Цадник запатентовал свою реализацию электромеханической трансмиссии ещё в 1926 году!
Смысл в применении
Если не верить авторам бредовых статей на слово и оглянуться вокруг, то вырисовывается совершенно другая картина. Во Франции работы над танками с электромеханическими трансмиссиями начались ещё в Первую Мировую войну и продолжались в межвоенное время. В США электромеханические трансмиссии опробовали на лёгком танке M2A3, среднем T23 и тяжёлом T1E1. В Англии построили, прости господи, TOG II. В СССР электромеханические трансмиссии неоднократно пытались ставить в тяжёлые танки. Даже в Чехословакии построили шасси лёгкого танка с радиальным двигателем и электромеханической трансмиссией.
Отсюда неизбежный вопрос: если электромеханические трансмиссии такие тяжёлые и требовательные к тоннам цветных металлов, почему в разных странах неоднократно возвращались к попыткам создания танков с их использованием?
Ответ заключён в уникальном сочетании характеристик.
Непрерывность и плавность изменения передаточного отношения
В обычных механических трансмиссиях вал двигателя механически связан с ведущими колёсами. Это не только нагружает двигатель и трансмиссию, но и приводит к тому, что для плавного изменения скорости приходится регулировать обороты двигателя, из-за чего он далеко не всегда работает в оптимальном режиме. Существенно изменить силу тяги и скорость можно лишь при помощи коробки передач, но это весьма грубый метод, с которым, однако, приходится мириться.
Электродвигатели обладают важным свойством: при увеличении сопротивления окружающей среды (например, танк съехал с хорошей дороги на вспаханное поле) скорость танка снижается, как и обороты вала электродвигателя, но при этом увеличивается сила тяги. А так как наибольшая сила тяги развивается при наименьших оборотах, танк получает хорошую проходимость и отличные тяговые характеристики. Например, Maus может тянуть за собой такой же танк, а это почти 380 тонн! Да, медленно и очень неспешно, но может.
Довольный Отто Цадник после вождения Мауса
Раз при использовании электромеханической трансмиссии первичные двигатели никак не связаны механически с ведущими колёсами, то они могут постоянно работать в оптимальном режиме, а тяговые электродвигатели позволяют плавно менять силу тяги и скорость при неизменной скорости вращения вала первичного двигателя внутреннего сгорания. Коробка передач позволяет менять скорость и силу тяги лишь ступенчато, что нередко приводит к неэффективному использованию мощности.
Чем тяжелее машина и чем мощнее его двигатель, тем большие нагрузки испытывают двигатель и трансмиссия и тем менее применимой становится обычная механическая трансмиссия. Именно поэтому на современных танках, а также грузовиках (БелАЗ-75710) и тракторах (ДЭТ-250) специального назначения используют электро- и гидромеханические трансмиссии.
Самоприспосабливаемость
Самоприспосабливаемость к дорожным условиям - другое важнейшее свойство электромеханической трансмиссии, которое гармонично сочетается с непрерывностью изменения скорости и тяги.
Во время движения танка электромеханическая трансмиссия не только плавно изменяет силу тяги и скорость, но и делает это автоматически. Когда танк съезжает с хорошей дороги на говна, то тяговые электродвигатели сами без участия водителя увеличат силу тяги и снизят скорость танка до оптимального уровня.
Это чрезвычайно облегчает управление танком. Водитель при помощи реостатов задаёт примерный диапазон скоростей, а точную подстройку под конкретные дорожные условия сделает сама трансмиссия.
Простота устройства
Немаловажное достоинство схемы электромеханической трансмиссии с двумя тяговыми электродвигателями, каждый из который работает на свою гусеницу, заключается в том, что отпадает необходимость в главном фрикционе, коробке передач и механизме поворота. Водитель может задавать электродвигателям разные скорости вращения и танк совершит плавный поворот. Никакого специального механизма поворота не требуется.
Это приводит к значительному упрощению редукторной части (то есть валов и шестерней). В Tiger (P) вся редукторная часть трансмиссии состоит из соединения генераторов с бензиновыми двигателями и из двух планетарных передач, соединяющих электродвигатели с ведущими колёсами:
А вот для сравнения редукторная часть трансмиссии Tiger (H):
В этом и проблема обычных механических трансмиссий: хочешь выдающихся характеристик - городи огород из валов и шестерён.
Ложка дёгтя
Электромеханические трансмиссии обладают целым рядом весомых достоинств, поэтому в самых разных странах их неоднократно пытались применить на танках. И всё таки стандартом в танкостроении они не стали. Виной всему два существенных недостатка. Да, всего два, но очень существенных.
Во-первых, генераторы и электродвигатели очень много весят. Например, на Tiger (P) каждый блок из двигателя и спаренного с ним генератора весил полторы тонны, из которых тонна приходилась на генератор. Таким образом только генераторы в сумме весили 2 тонны, то есть как вся механическая танковая трансмиссия, а ведь есть ещё электродвигатели... Всего это около 4,6 тонн, так-то!
Во-вторых, генераторы и электродвигатели требуют много цветных металлов, которые могут стать дефицитными в военное время.
Так что электромеханическая трансмиссия от Tiger (P) очень интересна, ведь она стояла на Фердинандах, воевавших в годы Второй Мировой войны. Это не просто концепт, очередной эксперимент. В конце войны только у немцев и американцев были действительно практичные с точки зрения войсковой эксплуатации бронетанковые шасси с электромеханическими трансмиссиями. Многие пытались, но не у многих получилось.
Трансмиссия Typ 101
После рассуждений о предшественниках, достоинствах и недостатках посмотрим на конкретную реализацию.
Устройство
Tiger (P) задумывался в двух вариантах: Typ 101 с электромеханической и Typ 102 с гидромеханической трансмиссией. В этом разделе мы поговорим об электромеханике, а в следующем о трансмиссии фирмы Voith.
Двигатели и трансмиссия Tiger (P) располагались в кормовой части корпуса под съёмными бронелистами крыши, что значительно упрощало их демонтаж без необходимости снимать башню. Два бензиновых V-образных 10-цилиндровых 15-литровых двигателя воздушного охлаждения Porsche Typ 101 мощностью 320 л.с. при 2500 об/мин соединялись с генераторами, причём роторы генераторов служили одновременно маховиками. Каждый генератор Typ aGV 275/24 снимал до 374 л.с.
Двигатель Typ 101/2 со спаренным генератором и системой охлаждения:
Позади двигателей находились два тяговых электродвигателя Typ D1495a фирмы Siemens мощностью 313 л.с. каждый. Они соединялись бортовыми двухступенчатыми редукторами (передаточное число 15) с ведущими колёсами.
Тяговые электродвигатели в Фердинанде:
Под сиденьем механика-водителя находилась система управления. Она состояла из педалей подачи топлива (газа), тормоза, а также рычагов управления трансмиссией, при помощи которых мехвод задавал скорость и направление движения. Система управления тормозов была гидропневматической и не требовала больших физических усилий.
Работа при прямолинейном движении
Трансмиссия Tiger (P) рассчитана под максимальную скорость в 35 км/ч. Во время испытаний в СССР Фердинанд развил 35 км/ч по шоссе, при этом мощность бензиновых двигателей использовалась не полностью. Более лёгкий Tiger (P) тем более мог развивать максимальную скорость на хороших дорогах.
Во время прямолинейного движения оба генератора работают как генераторы, а электродвигатели как моторы. Электродвигатели соединялись последовательно, благодаря чему Tiger (P) был очень удобен в управлении и хорошо держал направление при езде по прямой: если одна гусеница крутилась быстрее другой, то напряжение на соответствующем электромоторе поднималось. Шунтовая обмотка ослабляла магнитное поле этого мотора, что приводило к уменьшению вращающегося момента и выравниванию движения всего танка.
Левая схема - работа трансмиссии при прямолинейном движении.
Работа при повороте
Теперь совершим поворот почти без потери скорости. Забегающая гусеница ускоряется, вместе с ней увеличивается скорость вращения соответствующего электромотора. Так как он требует больше мощности, оба генератора питают его энергией. Кроме того, второй электромотор тоже начинает работать как генератор (см. правую схему на иллюстрации выше).
На первый взгляд непрофессионалу это может показаться странным. С чего бы электродвигателю отстающей гусеницы работать в режиме генератора? На самом деле это совершенно естественно. Предположим, что поворот танка осуществляется путём отключения электродвигателя отстающей гусеницы. Генераторы питают только один электродвигатель, который вращает свою гусеницу. Но если вторую гусеницу не затормозить, то она тоже будет вращаться, пусть и медленнее (именно поэтому для крутых поворотов отстающую гусеницу не только отключают от двигателя, но и принудительно тормозят). Это значит, что электродвигатель вращает не одну гусеницу, а две, просто на одну гусеницу мощность идёт через бортовой редуктор, а на другую через землю. Если мы включим в сеть электродвигатель отстающей гусеницы как генератор, то он будет возвращать мощность от отстающей гусеницы обратно. Это явление называется циркуляцией мощности. Если подходить к нему с умом, то во время поворота можно экономить мощность. Это значит, что для совершения поворота нужно меньше мощности.
Оценка
Я принципиально не буду давать свою оценку, а ограничусь цитированием немецких и советских документов об испытаниях и применении Фердинандов. Надо сказать, что электромеханическая трансмиссия Фердинандов точно такая же, как у Tiger (P), поэтому нижесказанное во многом касается и Тигра Порше.
Из письма унтер-офицера Боэма из 653-го батальона генералу Хартманну от 19 июля 1943 года о боевом применении Фердинандов:
Электрический мотор работал безупречно, и водители и экипажи были приятно удивлены. Бензиновые двигатели имели незначительные повреждения, они признаны слабыми из-за большого тоннажа машины, а гусеницы немного узковаты.
Из доклада офицера 653-го батальона Хайнца Грёшила об эксплуатации Фердинандов, направленного 25 июля 1943 года Фердинанду Порше:
Генераторы и электромоторы. В Нойзейдле у нас было последнее повреждение генератора. Это опять было короткое замыкание в рубящем контакте. С тех пор устройства работают без дефектов. Все же нужно подчеркнуть, что сейчас преобладает сухая погода и эти агрегаты редко полностью охлаждаются.
Контроллер механика-водителя. Тоже не имел достойных упоминания поломок. У трёх машин заменены поворотные реостаты цепи возбуждения
Не менее интересен отчёт по результатам испытаний трофейного Фердинанда. Надо сказать, сам Фердинанд достался потрёпанным:
Испытанный экземпляр самоходной артустановки «Фердинанд» поступил с фронта в рабочем состоянии с сильным загрязнением всей силовой установки. При этом отсутствовали многие агрегаты и приборы, например, щиток со всеми контрольными приборами, один из двух генераторов зарядки батарей, компрессор пневмогидравлической системы торможения. Один из двигателей был полуразрушен, электропроводка низковольтная и силовая частично нарушена, два катка ходовой части подбиты и т. п.
Так что испытателям пришлось сперва отремонтировать Фердинанд при отсутствии документов и запчастей, а затем провести испытания:
В дальнейшем вся система в целом работала бесперебойно и надёжно. За время испытаний не было ни одного случая отказа или дефектов в работе каких-либо агрегатов по причине их несовершенства. Испытания электрической трансмиссии «Фердинанд» проводил совместно с заводом № 627 НКЭП при участии инженеров-специалистов по электротяге НИИ НКПО.
Движение по прямой:
Устойчивость движения по прямой.
Испытания на устойчивость прямолинейного движения СУ производились на 100-метровом участке просёлочной дороги.
Рычаги контроллеров находились при испытаниях в крайнем переднем положении.
При всех проведённых заездах на 100 метров машину практически не уводило в сторону. Во время пробега на 50 км при движении СУ по прямой на любых грунтах и скоростях до 25 км/ч электротрансмиссия обеспечивала устойчивость прямолинейного движения.
Устойчивость движения по прямой, несмотря на последовательное соединение тяговых электромоторов и сериосное их возбуждение, объясняется наличием на электромоторах шунтовой противовключенной обмотки. При случайном повышении скорости одной из гусениц и соответствующего повышения напряжения на электромоторе этой гусеницы, шунтовая обмотка ослабляет магнитное поле данного мотора, снижая тем самым его вращающий момент и соответственно его скорость и напряжение на клеммах.
Скорости движения.
Максимальная скорость движения СУ на горизонтальном участке сухой грунтовой дороги была получена 22 км/ч, при этом мощность, развиваемая первичными двигателями, была близкой к максимальной (полное открытие дроссельных заслонок при 2800-3000 об/мин).
Максимальная скорость движения на горизонтальном участке асфальтированной дороги (Можайское шоссе) достигла 35 км/час при неполном использовании мощности первичных двигателей.
Однако немцы, избегая перегрузки тяговых электромоторов по оборотам, имеющим номинальное число оборотов 1300 об/мин, рекомендуют механику-водителю (в спецтабличке-памятке) не допускать скорости движения более 20 км/ч.
Установленная немцами максимальная скорость движения СУ соответствует максимальной скорости движения по сухой грунтовой дороге при полном использовании мощности первичных двигателей. Получение больших скоростей движения в этих условиях лимитируется мощностью первичных двигателей.
На основании данных полного использования мощности первичных двигателей при движении СУ по просёлочной дороге со скоростью 20 км/ч и возможности полуторакратной перегрузки электромоторов по оборотам немцами принято передаточное число бортовой передачи 15.
Максимальная скорость движения СУ по шоссе лимитируется исключительно предельно-допустимыми оборотами тяговых электромоторов (2000 об/мин). Мощность первичных двигателей при этом используется не более 50 % от максимальной
Так как Tiger (P) очень любят ругать за якобы ненадёжную работу электромеханической трансмиссии (разумеется, не прилагая к этому никаких документов), особенно интересна часть отчёта о надёжности. Напомню, на Tiger (P) с электромеханической трансмиссией стояли те же генераторы и электродвигатели, что и на Фердинандах.
8. По надёжности работы.
а) Все агрегаты силовой установки, особенно электротрансмиссия, во время испытаний работали надёжно.
б) Все элементы ходовой части работали надёжно.
Оценка электромеханической трансмиссии советскими специалистами:
9. По электрической трансмиссии.
Электрическая схема трансмиссии имеет следующие положительные данные:
а) Принципиальная простота и высокая надёжность в работе.
б) Обеспечение наиболее полного использования мощности первичных двигателей.
в) Возможность работы первичных двигателей в наиболее благоприятных режимах при различных условиях движения машины.
г) Возможность рекуперации энергии при поворотах. (имеется ввиду использование электромотора отстающей гусеницы как генератора - прим.ав.)
д) Бесступенчатость изменения движения машины, автоматичность изменения её зависимости от положения дроссельной заслонки и изменения сопротивления движению.
е) Устойчивость движения по прямой при ходе вперёд.
10. По удобству управления движением.
а) СУ «Фердинанд» вследствие применения в ней электрической трансмиссии по управлению является самой лёгкой по сравнению со всеми существующими ныне гусеничными машинами. Всё управление сводится к лёгкому нажатию ногой водителя на педаль акселератора и, в такой же степени, лёгкому перемещению водителем рычагов контроллеров.
б) Лёгкость управления не утомляет механика-водителя при длительном движении и позволяет ему больше уделять внимания наблюдению за местностью и полем боя.
11. По манёвренности.
СУ «Фердинанд», несмотря на сравнительно хорошую поворачиваемость, вследствие малых скоростей движения имеет плохую манёвренность, уступая в этом современным танкам, что делает её легко уязвимой от прицельного огня артиллерии.
Наконец, заключение:
1. Несмотря на лёгкость управления и удовлетворительную поворачиваемость, машина, в общем, имеет плохую манёвренность вследствие низких скоростей движения, что в значительной степени снижает её боевые качества, обусловленные её мощной пушкой и толстой бронёй.
2. Для отечественной промышленности представляет интерес тип подвески ходовой части, обеспечивающий надёжную амортизацию такой тяжёлой машины.
3. Осуществлённая в машине электротрансмиссия ввиду принципиальной простоты её схемы, высокой надёжности в работе и целому ряду других положительных качеств, выявленных испытаниями, представляет для нашей промышленности непосредственный интерес с точки зрения прямой целесообразности осуществления подобной схемы на отечественных тяжёлых танках
Полный текст отчёта можно найти в книге Максима Коломийца о Фердинанде.
Typ 102
Планы производства
С самого начала Tiger (P) планировался в двух вариантах: Typ 101 с электромеханической трансмиссией и Typ 102 с гидромеханической трансмиссией. Электромеханическую трансмиссию по схеме Цадника реализовала фирма Siemens, а гидромеханическую трансмиссию разработала и изготовила фирма Voith.
Первоначально планировалось, что в серии из 100 Tiger (P) 50 танков будут выпущены в варианте Typ 101, а остальная половина в варианте Typ 102. Позже программа по выпуску танков была пересмотрена: в варианте Typ 102 с гидромеханической трансмиссией планировалось изготовить только 10 танков, а лишние заготовленные корпуса переделывались под установку электромеханической трансмиссии. Закончилось же дело тем, что выпустили всего лишь один прототип Typ 102. К сожалению, пока не удалось найти документы, которые бы проливали свет на эти факты. Нет никакой достоверной информации по испытаниям Typ 102, равно как и нет ответа на вопрос о том, почему выпуск танков Tiger (P) с гидромеханической трансмиссией был фактически отменён.
Ситуация с трансмиссиями вообще очень загадочна. Всё было бы понятно, если бы собрали Typ 102, он бы провалил испытания и выпуск таких танков свернули. Но выпуск Typ 102 решили сократить до 10 танков в мае 1942 года, в октябре того же года в документах гидромеханическая трансмиссия фигурирует как альтернатива электромеханической трансмиссии на Typ 181, он же VK 45.02 (P) с задним расположением башни. Сообщение о построенном прототипе Typ 102 относится и вовсе к 1943 году...
Устройство гидромеханической трансмиссии
По конструкции танки VK 45.01 (P) Typ 102 были подобны базовому варианту Typ 101, отличаясь только другой трансмиссией и вентиляционными жалюзи.
Каждый двигатель Porsche Typ 101 соединялся с гидротрансформатором «NITA» фирмы Voith. Мощность от гидротрансформаторов поступала на карданный вал, который проходил между двигателей к коробке передач с двумя скоростями вперёд и одной назад. Коробка передач соединялась с механизмом поворота, от которого мощность шла к ведущим колёсам. Подобная необычная компоновка позволяла разместить двигатели в том же месте, что и при использовании электромеханической трансмиссии.
Управление танком осуществлялось с помощью рычагов, механических тяг и гидропневматической системы. Как и Typ 101, максимальная скорость Typ 102 рассчитывалась в 35 км/ч.
Нередко подчёркивают, что Фердинанд Порше предлагал для использования на танках электромеханические трансмиссии. При этом в тени оказывается тот факт, что не менее активно он предлагал и гидромеханические трансмиссии. У них есть целый ряд общих достоинств, делающих их применение на танках естественным:
- Двигатель механически не связан с ведущими колёсами, гидротрансформатор разгружает двигатель и трансмиссию, увеличивая их срок службы.
- Гидротрансформатор позволяет плавно и бесступенчато изменять скорость и силу тяги танка. Так как диапазон скоростей у него недостаточный, в состав трансмиссии включают коробку передач на 2-3 скорости.
- Как и электродвигатель, гидротрансформатор без участия водителя самоподстраивается под условия окружающей среды, то есть трансмиссия работает как автоматическая.
При этом гидромеханическая трансмиссия имеет два весомых преимущества перед электромеханической: она меньше весит и не требует значительного количества цветных металлов. Именно поэтому версия об отмене серийного производства Tiger (P) из-за дефицита меди несостоятельна: Порше предлагал для него альтернативный вариант с гидромеханической трансмиссией, не требующий тонн цветных металлов.
В то же время гидротрансформатор в отличие от электродвигателей не может работать как механизм поворота, поэтому в дополнение к коробке передач приходится вводить механизм поворота, конструкция которого ограничивает поворотливость танка. Я не удивлюсь, если VK 45.01 (P) Typ 102 не мог поворачиваться строго на месте в отличие от своего электромеханического собрата. Правда, по имеющимся данным подтвердить или опровергнуть это невозможно, поскольку в свободном доступе нет чертежей и схем механической части трансмиссии от Typ 102.
В танкостроении гидромеханические трансмиссии в настоящий момент занимают золотую середину между дешёвыми и лёгкими, но малоэффективными механическими трансмиссиями и тяжёлыми и дорогими, но эффективными электромеханическими трансмиссиями. Так что можно без всякой натяжки сказать, что Фердинанд Порше был прав по поводу целесообразности применения гидромеханических трансмиссий на танках. Уже в конце Второй Мировой войны американцы применили M26 Pershing с гидромеханическими трансмиссиями, а в настоящее время это одно из типичных решений для тяжёлой гусеничной техники.
Источники
- Thomas L. Jentz, Hilary L. Doyle - Panzerkampfwagen VI P (Sd.Kfz.181)
- D 656/3 Panzerjaeger Tiger (P) vom 1.5.43
- Karl Ludvigsen - Professor Porsche’s Wars: The Secret Life of Legendary Engineer Ferdinand Porsche Who Armed Two Belligerents Through Four Decades
- Walter J. Spielberger - Der Panzer-Kampfwagen Tiger und seine Abarten (Band 7 der Reihe «Militarfahrzeuge»)
- Walter J. Spielberger, Thomas L. Jentz, Hilary L. Doyle - Heavy Jagdpanzer: Development - Production - Operations
- Максим Коломиец - «Элефант». Тяжелое штурмовое орудие Фердинанда Порше
- Желтов И., Пашолок Ю. - Panzerkampfwagen Maus (Конструирование и производство)