Двухпоточные трансмиссии: идея и типы
В технических описаниях гусеничных машин постоянно встречаются упоминания двухпоточных трансмиссий и двухпоточных механизмов поворота. Причём в современных основных танках они фактически стали стандартом. А раз так, пройти мимо этой темы мы никак не можем. В своём цикле о трансмиссиях гусеничной техники я неоднократно упоминал двухпоточные механизмы поворота, но каждый раз говорил о конкретных принципах или конструкциях. Настало время разобрать эту тему основательно, тем более, она не сложная.
ИДПМППS35ДПВ:
Проблема управляемости и бортовые коробки передач
Начну издалека. Одна из главных проблем в любой гусеничной технике - это поворотливость. В привычных автомобилях водитель с помощью руля отклоняет колёса на определённый угол и может совершать точные повороты даже на очень высокой скорости. При этом рулевое управление ещё и не требует какой-то запредельно сложной конструкции. Танк - совсем другое дело. Да, гусеницы в теории позволяют поворачивать с какими угодно радиусами и даже на месте, что колёсный движитель не способен в принципе. Но на практике нам нужен специальный механизм, задающий гусеницам разные скорости вращения для поворота - механизм поворота. И от его конструкции во многом зависит подвижность танка. Например, на испытаниях в СССР M18 Hellcat не смог достичь расчётной максимальной скорости, поскольку его механизм поворота не обеспечивал устойчивое движение по прямой: самоходку попросту заносило.
Простейший независимый механизм поворота вроде бортовых фрикционов Т-34 или аналогичных планетарных механизмов Pz.Kpfw.IV устойчиво работает только в двух режимах: движение по прямой или поворот с полностью заблокированной гусеницей. Во время прямолинейного движения оба бортовых сцепления полностью включены (затянуты опорные тормоза у Pz.Kpfw.IV), потерь мощности практически нет, а само движение устойчиво и танк держит курс. При повороте с расчётным радиусом бортовой фрикцион полностью выключен, а тормоз отстающей гусеницы затянут до полной её блокировки, танк устойчиво и совершенно предсказуемо совершает поворот. Проблема в том, что далеко не всегда нужно совершать такие крутые повороты. Но для поворота с любым другим радиусом бортовой фрикцион выключается не полностью, а диски пробуксовывают, изнашиваются и выделяют много тепла. Часть мощности впустую уходит на износ и нагрев механизма, а танк совершает неустойчивый поворот, то есть радиус поворота зависит от дорожных условий. Иными словами, водитель наклоняет рычаг до одного и того же положения, но в зависимости от сопротивления окружающей среды радиус поворота будет разным.
Действительно хороший механизм поворота должен обеспечивать как можно большее число расчётных радиусов (в идеале бесконечное) для лучшей управляемости и уменьшения потерь мощности. Более того, радиусы поворота должны возрастать с увеличением скорости: чем выше скорость, тем больше радиус. Это логично: если на высокой скорости попробовать резко повернуть с небольшим радиусом, то можно запросто улететь в канаву на многотонной машине, и хорошо если не кверху дном.
Конечно, можно заменить бортовые фрикционы на планетарные коробки передач. Например, на Pz.Kpfw.38(t) и на Т-54 использовался двухступенчатый механизм поворота, иначе говоря двухскоростные планетарные КПП с тормозами. Если развить эту идею до предела, то мы придём к бортовым коробкам передач. По этому пути пошло советское танкостроение, наглядно показав, почему это тупик. Правда, у бортовых коробок передач до сих пор находятся свои защитники, но этой теме лучше отвести отдельную статью. А остальной мир пошёл по другому пути.
Двухпоточный механизм поворота
В одной из предыдущих статей мы разобрали простейший планетарный механизм, состоящий из эпицикла, солнечной шестерни и водила с сателлитами. Скорость вращения каждой из этих частей зависит от скоростей остальных двух. Свяжем эпицикл с двигателем, а водило с ведущим колесом. Скорость его вращения будет зависеть от оборотов солнечной шестерни. В таких танках, как упомянутый Pz.Kpfw.IV, возможности этого механизма использовались далеко не полностью. Солнечная шестерня грубо блокировалась тормозом, поэтому такой механизм недалеко ушёл от бортовых фрикционов. Но мы можем управлять ей иначе.
Представим, что мощность от двигателя передаётся двумя валами. Первый идёт от коробки передач, а второй напрямую от двигателя. Отношение скоростей вращения этих валов зависит от того, какая скорость включена в коробке. Например, на первой передаче один вал вращается в десять раз медленнее, чем другой, а на второй передаче в пять раз медленнее. А ведь это то, что нам нужно. Чем выше передача - тем выше скорость, а чем выше скорость, тем больший радиус мы хотим получить. Если привязать радиусы к отношению скоростей вращения этих двух валов, то проблема будет решена просто и изящно.
Мы соединили водила бортовых планетарных механизмов с ведущими колесами. Значит, их скорости задаются двумя оставшимися частями - солнечными шестернями и эпициклами. Но ведь у нас от двигателя как раз и идут два потока мощности. Соединив эпициклы с валом от коробки передач и солнечные шестерни с валом напрямую от двигателя мы получаем концепт двухпоточного механизма поворота.
Расчёты планетарных механизмов - занятие сложное, им занимаются особого рода техножрецы. Для простых смертных и, конечно, для себя самого я предлагаю предельно дубовое объяснение. Предположим, второй поток мощности через солнечные шестерни замедляет гусеницу на 5 км/ч. Танк на второй передаче едет со скоростью 10 км/ч. Если мы подведём второй поток мощности к одному планетарному механизму, то забегающая гусеница продолжит вращаться со скоростью 10 км/ч, а отстающая замедлится: 10-5=5 км/ч. Отношение скоростей вращения 10/5=2. Теперь танк едет на пятой передаче со скоростью 40 км/ч. Снова замедлим одну гусеницу на 5 км/ч. Отношение скоростей вращения 40/35=1,14. Чем выше скорость, тем больше радиус поворота, и без всяких бортовых коробок передач.
Итак, в простейшем случае число радиусов поворота равно числу скоростей в коробке передач. А если мы добавим коробку передач и для второго потока мощности, то сможем с её помощью изменять радиусы. Например, двухскоростная коробка передач позволяет замедлять отстающую гусеницу на 3 км/ч или на 8 км/ч. Водитель отклонил штурвал на один угол и включилась одна передача. Наклонил на другой - включилась вторая, танк поворачивает с меньшим радиусом. В такой коробке передач переключение скоростей должно выполняться с помощью тормозов или сцеплений, тогда переход с одного радиуса на другой будет плавным. Итоговое число радиусов в двухступенчатом двухпоточном механизме поворота будет вдвое больше скоростей коробки передач, а в трёхступенчатом - втрое. Например, на Тигре двухрадиусный двухпоточный механизм поворота с восьмискоростной КПП даёт 16 радиусов против одного у Pz.Kpfw.IV.
Хотя идея двухпоточного механизма поворота очень проста, реализовать её можно многими способами. Как и однопоточные, двухпоточные механизмы делятся на независимые и дифференциальные. В независимых механизмах поворота второй поток мощности замедляет или ускоряет гусеницы независимо. Для поворота одна гусеница замедляется или ускоряется при неизменной скорости другой, а при замедлении двух гусениц сразу механизм поворота работает как понижающая передача. В дифференциальных механизмах поворота второй поток мощности ускоряет одну гусеницу и на столько же замедляет другую.
Кроме того, подводить мощность можно тоже по-разному. В механизмах поворота первой группы при движении по прямой задействован только первый поток, а солнечные шестерни заблокированы. Мощность к ним идёт вторым потоком только во время поворота. В механизмах поворота второй группы при прямолинейном движении мощность идёт по двум потокам, а солнечные шестерни вращаются в том же направлении, что и эпициклы. Иными словами, и первый поток, и второй поток вращают гусеницы в одном направлении. Для поворота мы или отключаем от двигателя и тормозим одну из солнечных шестерней, замедляя гусеницу, или замедляем одну солнечную шестерню пропорционально ускоряя другую. Наконец, в механизмах поворота третьей группы при прямолинейном движении мощность тоже идёт по двум потокам, но солнечные шестерни вращаются в противоположном направлении от эпициклов. То есть второй поток мощности замедляет гусеницы. Для поворота достаточно перестать замедлять одну из гусениц, ускорив другую.
Другая важная особенность двухпоточных механизмов поворота - возможность поворота на месте. Реализуется он в разных схемах по-разному, поэтому детали мы рассмотрим по ходу дела.
Таким образом, у нас есть три группы механизмов поворота, поскольку при движении по прямой мы можем блокировать солнечные шестерни, вращать их с эпициклом в одном направлении или же в противоположном. И в каждой группе есть два типа - независимый и дифференциальный, что даёт нам шесть классов двухпоточных механизмов поворота. Однако механизмы поворота третьей группы бывают только дифференциальными, поэтому реально классов только пять. Рассмотрим их по порядку.
Первая группа с заблокированными солнечными шестернями
1. Дифференциальный тип
Механизмы поворота этой группы довольно часто встречаются на танках в самых разных исполнениях, поэтому я подготовил схему некого усреднённого варианта. Я уже описывал подобную конструкцию на примере Тигров. Здесь и далее вал В1 идёт от коробки передач, а вал В2 от двигателя к солнечным шестерням.
Солнечные шестерни планетарных механизмов связаны с промежуточным валом, причём одна непосредственно, а другая через паразитную шестерню. Во время прямолинейного движения солнечные шестерни пытаются вращать вал, но в противоположных направлениях. В результате вал заклинивается, а солнечные шестерни не вращаются. Поэтому механизмы поворота этой группы описываются как механизмы с заблокированными солнечными шестернями. Если сопротивление на гусеницах будет разное, то промежуточный вал начнёт вращаться. Гусеница, для перемотки которой нужно меньше мощности, будет вращаться быстрее, а другая гусеница пропорционально медленнее, поэтому этот механизм поворота не обеспечивает устойчивое движение по прямой. С другой стороны, мы можем принудительно блокировать промежуточный вал, как это сделано на Tiger II, и тогда движение будет устойчивым.
Для поворота включаются фрикционы Фл или Фп. В зависимости от того, какой фрикцион мы включим, промежуточный вал будет вращаться по часовой или против часовой стрелки. Так как он связан с одной из солнечных шестерней через паразитную шестерню, гусеница одного борта будет ускоряться, а другого замедляться. Это механизм поворота дифференциального типа - чем быстрее вращается левая гусеница, тем медленнее правая, и наоборот. Для поворота достаточно лишь двух элементов управления (фрикционов Фл и Фп), а если они выйдут из строя, то водитель сможет управлять танком блокируя одну из гусениц тормозами Тл и Тп, которые обычно используются для остановки танка.
Для поворота на месте мощность идёт только по второму потоку, то есть рычаг коробки передач стоит на нейтрали. Происходит это следующим образом. Поворотом штурвала влево или вправо водитель включает левый или правый фрикцион. Промежуточный вал начинается вращаться, вместе с ним вращаются в противоположных направлениях и солнечные шестерни. Что легче, вращать водила с ведущими колёсами или вращать эпициклы? Конечно, эпициклы, связанные валом. Но солнечные шестерни пытаются вращать вал эпициклов в противоположных направлениях, поэтому его заклинивает. Эпициклы неподвижны, а вращаются водила и ведущие колёса с равной скоростью, но в противоположных направлениях. Танк поворачивается на месте. Отметим, что этот поворот неустойчивый, то есть при разных сопротивлениях одна гусеница станет вращаться быстрее, а другая пропорционально медленнее, поскольку вал эпициклов разблокируется.
Эта простая и надёжная схема в разных вариациях используется на многих танках. Если фрикционы заменить на гидрообъёмный привод, то мы можем совершать поворот с бесконечным числом радиусов при рациональном использовании мощности. Сегодня это мейнстрим, хотя первый танк с механизмом поворота этого типа, прототип Char B1, был создан почти сто лет назад.
Примеры реализаций: Char B1, SOMUA S 35, Tiger H1, Tiger II, AMX-30, Leopard, Strv 103, M41 Walker Bulldog. В этой схеме пионерами были французы и немцы.
2. Независимый тип
Независимые механизмы поворота этой группы не получили такого развития. Если говорить о примерах использования, то кроме знаменитой Пантеры на ум ничего не приходит, поэтому рассмотрим схему её механизма поворота.
При движении по прямой солнечные шестерни принудительно блокируются тормозами Т3 и Т4, а фрикционы ФЛ и ФП выключены. В таком режиме схема работает аналогично механизму поворота Pz.Kpfw.IV, обеспечивая устойчивое движение. Представим, что нужно повернуть налево. Мы отпускаем тормоз Т3 и включаем фрикцион ФЛ. Мощность вторым потоком замедляет солнечную шестерню, значит, гусеница начинает вращаться медленнее. Для поворота с меньшим радиусом фрикцион ФЛ выключается и затягивается тормоз Т1, гусеница полностью блокируется. Таким образом, кроме радиусов по количеству скоростей КПП есть ещё один радиус. Данный механизм поворота независимого типа, так как изменение скорости вращения одной гусеницы никак не влияет на скорость другой.
Если выключить тормоза Т3 и Т4 и включить сцепления ФЛ и ФП, то обе гусеницы будут вращаться медленнее. Раз замедление происходит за счёт изменения передаточного числа в планетарных рядах, то сила тяги на ведущих колёсах возрастает. Поэтому данный механизм поворота может работать как демультипликатор. Но за это приходится платить большим числом управляющих элементов - шесть против четырёх у предыдущей схемы.
Механизм поворота позволяет совершить разворот на месте. Для этого на нейтрали на одном из бортов отпускается тормоз солнечной шестерни и включается фрикцион. Солнечная шестерня вращает одно ведущее колесо через водило, а другое через вал эпициклов: раз на другом борту заблокирована солнечная шестерня и вращается эпицикл, то и водило с ведущим колесом тоже будет вращаться.
Пример реализации: Pz.Kpfw. Panther.
Вторая группа с разветвлением потока мощности
3. Дифференциальный тип
В механизмах поворота этой группы при прямолинейном движении мощность всегда идёт по двум потокам, поэтому они называются механизмами с разветвлением потока мощности.
Второй поток мощности идёт на дифференциал. Полуоси дифференциала вращают солнечные шестерни в том же направлении, в котором вращаются эпициклы. То есть второй поток мощности при движении вперёд по прямой ускоряет гусеницы. Прямолинейное движение не устойчиво: если на одной гусенице возрастёт сопротивление, то она будет вращаться медленнее. Вторая гусеница пропорционально ускорится, соответственно изменят скорости и полуоси дифференциала.
Для того, чтобы, например, повернуть направо, нам нужно затянуть тормоз П. Правая полуось дифференциала заблокируется вместе с соответствующей солнечной шестерней, поэтому правая гусеница начнёт вращаться медленнее. Левая полуось же станет вращаться быстрее, ускоряя левую гусеницу. Для разворота на месте нужно включить тормоз одной из полуосей и пустить мощность только по второму потоку. Вся мощность пойдёт через одну солнечную шестерню, а другая будет заблокирована, далее всё по аналогии с Пантерой.
С точки зрения системы управления это сравнительно простой механизм поворота. Если трансмиссия механическая, то мы можем реализовать первую скорость блокировкой вала эпициклов, сэкономив пару шестерней. Если трансмиссия гидромеханическая, а через гидротрансформатор идёт только первый поток мощности, то мы можем получить более высокий КПД. Но за это приходится платить сужением диапазона трансмиссии. Предположим, коробка передач при заблокированных солнечных шестернях даёт 36 км/ч на последней передаче и 4,5 км/ч на первой, диапазон равен 8. Второй поток мощности при выключенных тормозах ускоряет каждую гусеницу на 2 км/ч. Значит, скорость на последней передаче будет 38 км/ч, а на первой 6,5 км/ч. Диапазон уменьшится до 38/6,5 = 5,9.
Примеры использования: M46, M47, M48, M60, T32, M103. В целом эта схема характерна для американской школы.
Выходит, при использовании двухпоточного механизма поворота диапазон трансмиссии может быть равным диапазону коробки передач, а может и отличаться. В механизмах поворота первой группы диапазон трансмиссии равен диапазону коробки передач (не считая режима демультипликатора у Пантеры), в механизмах второй группы он уменьшается, а в механизмах третьей группы увеличивается.
4. Независимый тип
В механизмах поворота этого типа мощность при прямолинейном движении поступает двумя потоками, но скорость вращения каждой гусеницы управляется независимо.
При движении по прямой включены оба фрикциона Фл и Фп, второй поток вращает солнечные шестерни в том же направлении, что первый поток мощности вращает эпициклы. Движение устойчиво. Предположим, нам нужно повернуть влево. Мы выключаем фрикцион Фл и затягиваем тормоз Л. Левая солнечная шестерня заблокируется, а левая гусеница станет вращаться медленнее. Скорость правой гусеницы при этом никак не изменится. А если отпустить тормоз Л и при выключенном фрикционе Фл затянуть тормоз Тл, то мы начнём поворот с полностью заблокированной гусеницей. Таком образом, как и на Пантере, у нас есть ещё один радиус поворота.
Первая передача реализована блокировкой вала эпициклов, мощность к гусеницам идёт только по второму потоку. Мы экономим пару шестерней в коробке передач, но за это платим сужением диапазона трансмиссии. Зато механизм поворота может работать как демультипликатор, компенсируя сужение: оба фрикциона выключены, а тормоза Л и П затянуты. Поворот на месте реализован аналогично Пантере: мощность идёт через одну солнечную шестерню, а вторая заблокирована.
Пример использования: гусеничные тягачи АТ-Л и МТЛБ.
Третья группа с циркуляцией мощности
5. Дифференциальный тип
Эта схема похожа на механизм поворота второй группы дифференциального типа. При прямолинейном движении мощность тоже идёт сразу двумя потоками. Однако полуоси дифференциала связаны с солнечными шестернями не напрямую, а через паразитные шестерни. Поэтому солнечные шестерни вращаются в противоположном от эпициклов направлении. Если первый поток ускоряет гусеницы, то второй замедляет.
Во время прямолинейного движения мощность идёт двумя потоками, а тормоза Л и П выключены. Разумеется, раз солнечные шестерни связаны с дифференциалом, то движение неустойчиво. Второй поток мощности замедляет гусеницы, поэтому для поворота нам нужно одну гусеницу замедлить меньше, а другую ещё больше. Предположим, нужно повернуть направо. Для этого мы затягиваем левый тормоз. При полностью затянутом левом тормозе левая солнечная шестерня заблокирована, гусеница не замедляется вообще, а вся мощность к ней идёт через эпицикл первым потоком. Правая полуось пропорционально ускоряется, поэтому правая солнечная шестерня замедляется ещё больше и танк поворачивает вправо. Это называется перекрёстным управлением: для поворота влево затягивается правый тормоз, и наоборот. Разворот на месте реализуется аналогично дифференциальному механизму поворота второй группы за исключением перекрёстного управления.
При движении вперёд в механизме поворота происходит циркуляция мощности: часть мощности первого потока идёт на второй через солнечные шестерни, дополнительно нагружая его. Это требует более прочной конструкции. Зато диапазон скоростей коробки передач не сужается, как было было во второй группе, а увеличивается. Предположим, при заблокированных солнечных шестернях коробка передач даёт скорость 37 км/ч на последней передаче и 4,6 км/ч на первой, диапазон равен 8. Второй поток мощности замедляет гусеницы на 2 км/ч. Выходит, скорость на последней передаче 35 км/ч, а на первой 2,6 км/ч, диапазон трансмиссии 35/2,6=13,5.
Другая особенность связана с тем, что скорость заднего хода можно реализовать блокировкой вала эпициклов, сэкономив три шестерни. Именно поэтому у целого ряда британских танков такая низкая скорость заднего хода. Например, у Черчилля второй поток мощности замедляет гусеницы на 2 км/ч, отсюда печальная скорость заднего хода. Увеличить его нельзя, иначе поползут радиусы поворота и ухудшится управляемость танком. Зато на Центурионе добавили вторую передачу заднего хода. У него и задний ход приличный, и две скорости по цене одной.
В целом, благодаря простоте управления механизмом поворота, расширению диапазона и бонусной скорости заднего хода трансмиссия по данной схеме получается довольно компактной при хороших характеристиках. Ранний переход на трансмиссии этого типа - одно из главных достижений британского танкостроения.
Примеры реализации: Churchill, Cromwell, Comet, Centurion, Chieftain.
6. А что с независимым типом?
Как уже говорилось, хотя в теории схем шесть, реально используются только пять. Проблема механизма поворота третьей группы независимого типа заключается в неудобной переусложнённой схеме управления. Представим, как она работает на Пантере или АТ-Л. Водитель управляет механизмом поворота с помощью двух рычагов. Каждый рычаг связан с тормозами и фрикционом своего борта. Предположим, водитель Пантеры тянет за левый рычаг. Выключается левый тормоз солнечной шестерни и включается левый фрикцион, гусеница замедляется. Водитель продолжает тянуть рычаг до упора, фрикцион выключается и затягивается левый тормоз, блокирующий левую гусеницу.
Но у механизмов поворота третьей группы управление перекрёстное. То есть сперва левым рычагом нужно выключить правое сцепление и заблокировать правую солнечную шестерню, а затем в крайнем положении рычага разблокировать правую солнечную шестерню и затянуть левый тормоз для блокировки левой гусеницы. Это и есть неудобство, ведущее к переусложнению системы управления: у одних тормозов управление обычное, а у других перекрёстное. И зачем так мудрить, когда есть механизм поворота второй группы независимого типа.
ИДПМППS35ДПВ:
Проблема управляемости и бортовые коробки передач
Начну издалека. Одна из главных проблем в любой гусеничной технике - это поворотливость. В привычных автомобилях водитель с помощью руля отклоняет колёса на определённый угол и может совершать точные повороты даже на очень высокой скорости. При этом рулевое управление ещё и не требует какой-то запредельно сложной конструкции. Танк - совсем другое дело. Да, гусеницы в теории позволяют поворачивать с какими угодно радиусами и даже на месте, что колёсный движитель не способен в принципе. Но на практике нам нужен специальный механизм, задающий гусеницам разные скорости вращения для поворота - механизм поворота. И от его конструкции во многом зависит подвижность танка. Например, на испытаниях в СССР M18 Hellcat не смог достичь расчётной максимальной скорости, поскольку его механизм поворота не обеспечивал устойчивое движение по прямой: самоходку попросту заносило.
Простейший независимый механизм поворота вроде бортовых фрикционов Т-34 или аналогичных планетарных механизмов Pz.Kpfw.IV устойчиво работает только в двух режимах: движение по прямой или поворот с полностью заблокированной гусеницей. Во время прямолинейного движения оба бортовых сцепления полностью включены (затянуты опорные тормоза у Pz.Kpfw.IV), потерь мощности практически нет, а само движение устойчиво и танк держит курс. При повороте с расчётным радиусом бортовой фрикцион полностью выключен, а тормоз отстающей гусеницы затянут до полной её блокировки, танк устойчиво и совершенно предсказуемо совершает поворот. Проблема в том, что далеко не всегда нужно совершать такие крутые повороты. Но для поворота с любым другим радиусом бортовой фрикцион выключается не полностью, а диски пробуксовывают, изнашиваются и выделяют много тепла. Часть мощности впустую уходит на износ и нагрев механизма, а танк совершает неустойчивый поворот, то есть радиус поворота зависит от дорожных условий. Иными словами, водитель наклоняет рычаг до одного и того же положения, но в зависимости от сопротивления окружающей среды радиус поворота будет разным.
Действительно хороший механизм поворота должен обеспечивать как можно большее число расчётных радиусов (в идеале бесконечное) для лучшей управляемости и уменьшения потерь мощности. Более того, радиусы поворота должны возрастать с увеличением скорости: чем выше скорость, тем больше радиус. Это логично: если на высокой скорости попробовать резко повернуть с небольшим радиусом, то можно запросто улететь в канаву на многотонной машине, и хорошо если не кверху дном.
Конечно, можно заменить бортовые фрикционы на планетарные коробки передач. Например, на Pz.Kpfw.38(t) и на Т-54 использовался двухступенчатый механизм поворота, иначе говоря двухскоростные планетарные КПП с тормозами. Если развить эту идею до предела, то мы придём к бортовым коробкам передач. По этому пути пошло советское танкостроение, наглядно показав, почему это тупик. Правда, у бортовых коробок передач до сих пор находятся свои защитники, но этой теме лучше отвести отдельную статью. А остальной мир пошёл по другому пути.
Двухпоточный механизм поворота
В одной из предыдущих статей мы разобрали простейший планетарный механизм, состоящий из эпицикла, солнечной шестерни и водила с сателлитами. Скорость вращения каждой из этих частей зависит от скоростей остальных двух. Свяжем эпицикл с двигателем, а водило с ведущим колесом. Скорость его вращения будет зависеть от оборотов солнечной шестерни. В таких танках, как упомянутый Pz.Kpfw.IV, возможности этого механизма использовались далеко не полностью. Солнечная шестерня грубо блокировалась тормозом, поэтому такой механизм недалеко ушёл от бортовых фрикционов. Но мы можем управлять ей иначе.
Представим, что мощность от двигателя передаётся двумя валами. Первый идёт от коробки передач, а второй напрямую от двигателя. Отношение скоростей вращения этих валов зависит от того, какая скорость включена в коробке. Например, на первой передаче один вал вращается в десять раз медленнее, чем другой, а на второй передаче в пять раз медленнее. А ведь это то, что нам нужно. Чем выше передача - тем выше скорость, а чем выше скорость, тем больший радиус мы хотим получить. Если привязать радиусы к отношению скоростей вращения этих двух валов, то проблема будет решена просто и изящно.
Мы соединили водила бортовых планетарных механизмов с ведущими колесами. Значит, их скорости задаются двумя оставшимися частями - солнечными шестернями и эпициклами. Но ведь у нас от двигателя как раз и идут два потока мощности. Соединив эпициклы с валом от коробки передач и солнечные шестерни с валом напрямую от двигателя мы получаем концепт двухпоточного механизма поворота.
Расчёты планетарных механизмов - занятие сложное, им занимаются особого рода техножрецы. Для простых смертных и, конечно, для себя самого я предлагаю предельно дубовое объяснение. Предположим, второй поток мощности через солнечные шестерни замедляет гусеницу на 5 км/ч. Танк на второй передаче едет со скоростью 10 км/ч. Если мы подведём второй поток мощности к одному планетарному механизму, то забегающая гусеница продолжит вращаться со скоростью 10 км/ч, а отстающая замедлится: 10-5=5 км/ч. Отношение скоростей вращения 10/5=2. Теперь танк едет на пятой передаче со скоростью 40 км/ч. Снова замедлим одну гусеницу на 5 км/ч. Отношение скоростей вращения 40/35=1,14. Чем выше скорость, тем больше радиус поворота, и без всяких бортовых коробок передач.
Итак, в простейшем случае число радиусов поворота равно числу скоростей в коробке передач. А если мы добавим коробку передач и для второго потока мощности, то сможем с её помощью изменять радиусы. Например, двухскоростная коробка передач позволяет замедлять отстающую гусеницу на 3 км/ч или на 8 км/ч. Водитель отклонил штурвал на один угол и включилась одна передача. Наклонил на другой - включилась вторая, танк поворачивает с меньшим радиусом. В такой коробке передач переключение скоростей должно выполняться с помощью тормозов или сцеплений, тогда переход с одного радиуса на другой будет плавным. Итоговое число радиусов в двухступенчатом двухпоточном механизме поворота будет вдвое больше скоростей коробки передач, а в трёхступенчатом - втрое. Например, на Тигре двухрадиусный двухпоточный механизм поворота с восьмискоростной КПП даёт 16 радиусов против одного у Pz.Kpfw.IV.
Хотя идея двухпоточного механизма поворота очень проста, реализовать её можно многими способами. Как и однопоточные, двухпоточные механизмы делятся на независимые и дифференциальные. В независимых механизмах поворота второй поток мощности замедляет или ускоряет гусеницы независимо. Для поворота одна гусеница замедляется или ускоряется при неизменной скорости другой, а при замедлении двух гусениц сразу механизм поворота работает как понижающая передача. В дифференциальных механизмах поворота второй поток мощности ускоряет одну гусеницу и на столько же замедляет другую.
Кроме того, подводить мощность можно тоже по-разному. В механизмах поворота первой группы при движении по прямой задействован только первый поток, а солнечные шестерни заблокированы. Мощность к ним идёт вторым потоком только во время поворота. В механизмах поворота второй группы при прямолинейном движении мощность идёт по двум потокам, а солнечные шестерни вращаются в том же направлении, что и эпициклы. Иными словами, и первый поток, и второй поток вращают гусеницы в одном направлении. Для поворота мы или отключаем от двигателя и тормозим одну из солнечных шестерней, замедляя гусеницу, или замедляем одну солнечную шестерню пропорционально ускоряя другую. Наконец, в механизмах поворота третьей группы при прямолинейном движении мощность тоже идёт по двум потокам, но солнечные шестерни вращаются в противоположном направлении от эпициклов. То есть второй поток мощности замедляет гусеницы. Для поворота достаточно перестать замедлять одну из гусениц, ускорив другую.
Другая важная особенность двухпоточных механизмов поворота - возможность поворота на месте. Реализуется он в разных схемах по-разному, поэтому детали мы рассмотрим по ходу дела.
Таким образом, у нас есть три группы механизмов поворота, поскольку при движении по прямой мы можем блокировать солнечные шестерни, вращать их с эпициклом в одном направлении или же в противоположном. И в каждой группе есть два типа - независимый и дифференциальный, что даёт нам шесть классов двухпоточных механизмов поворота. Однако механизмы поворота третьей группы бывают только дифференциальными, поэтому реально классов только пять. Рассмотрим их по порядку.
Первая группа с заблокированными солнечными шестернями
1. Дифференциальный тип
Механизмы поворота этой группы довольно часто встречаются на танках в самых разных исполнениях, поэтому я подготовил схему некого усреднённого варианта. Я уже описывал подобную конструкцию на примере Тигров. Здесь и далее вал В1 идёт от коробки передач, а вал В2 от двигателя к солнечным шестерням.
Солнечные шестерни планетарных механизмов связаны с промежуточным валом, причём одна непосредственно, а другая через паразитную шестерню. Во время прямолинейного движения солнечные шестерни пытаются вращать вал, но в противоположных направлениях. В результате вал заклинивается, а солнечные шестерни не вращаются. Поэтому механизмы поворота этой группы описываются как механизмы с заблокированными солнечными шестернями. Если сопротивление на гусеницах будет разное, то промежуточный вал начнёт вращаться. Гусеница, для перемотки которой нужно меньше мощности, будет вращаться быстрее, а другая гусеница пропорционально медленнее, поэтому этот механизм поворота не обеспечивает устойчивое движение по прямой. С другой стороны, мы можем принудительно блокировать промежуточный вал, как это сделано на Tiger II, и тогда движение будет устойчивым.
Для поворота включаются фрикционы Фл или Фп. В зависимости от того, какой фрикцион мы включим, промежуточный вал будет вращаться по часовой или против часовой стрелки. Так как он связан с одной из солнечных шестерней через паразитную шестерню, гусеница одного борта будет ускоряться, а другого замедляться. Это механизм поворота дифференциального типа - чем быстрее вращается левая гусеница, тем медленнее правая, и наоборот. Для поворота достаточно лишь двух элементов управления (фрикционов Фл и Фп), а если они выйдут из строя, то водитель сможет управлять танком блокируя одну из гусениц тормозами Тл и Тп, которые обычно используются для остановки танка.
Для поворота на месте мощность идёт только по второму потоку, то есть рычаг коробки передач стоит на нейтрали. Происходит это следующим образом. Поворотом штурвала влево или вправо водитель включает левый или правый фрикцион. Промежуточный вал начинается вращаться, вместе с ним вращаются в противоположных направлениях и солнечные шестерни. Что легче, вращать водила с ведущими колёсами или вращать эпициклы? Конечно, эпициклы, связанные валом. Но солнечные шестерни пытаются вращать вал эпициклов в противоположных направлениях, поэтому его заклинивает. Эпициклы неподвижны, а вращаются водила и ведущие колёса с равной скоростью, но в противоположных направлениях. Танк поворачивается на месте. Отметим, что этот поворот неустойчивый, то есть при разных сопротивлениях одна гусеница станет вращаться быстрее, а другая пропорционально медленнее, поскольку вал эпициклов разблокируется.
Эта простая и надёжная схема в разных вариациях используется на многих танках. Если фрикционы заменить на гидрообъёмный привод, то мы можем совершать поворот с бесконечным числом радиусов при рациональном использовании мощности. Сегодня это мейнстрим, хотя первый танк с механизмом поворота этого типа, прототип Char B1, был создан почти сто лет назад.
Примеры реализаций: Char B1, SOMUA S 35, Tiger H1, Tiger II, AMX-30, Leopard, Strv 103, M41 Walker Bulldog. В этой схеме пионерами были французы и немцы.
2. Независимый тип
Независимые механизмы поворота этой группы не получили такого развития. Если говорить о примерах использования, то кроме знаменитой Пантеры на ум ничего не приходит, поэтому рассмотрим схему её механизма поворота.
При движении по прямой солнечные шестерни принудительно блокируются тормозами Т3 и Т4, а фрикционы ФЛ и ФП выключены. В таком режиме схема работает аналогично механизму поворота Pz.Kpfw.IV, обеспечивая устойчивое движение. Представим, что нужно повернуть налево. Мы отпускаем тормоз Т3 и включаем фрикцион ФЛ. Мощность вторым потоком замедляет солнечную шестерню, значит, гусеница начинает вращаться медленнее. Для поворота с меньшим радиусом фрикцион ФЛ выключается и затягивается тормоз Т1, гусеница полностью блокируется. Таким образом, кроме радиусов по количеству скоростей КПП есть ещё один радиус. Данный механизм поворота независимого типа, так как изменение скорости вращения одной гусеницы никак не влияет на скорость другой.
Если выключить тормоза Т3 и Т4 и включить сцепления ФЛ и ФП, то обе гусеницы будут вращаться медленнее. Раз замедление происходит за счёт изменения передаточного числа в планетарных рядах, то сила тяги на ведущих колёсах возрастает. Поэтому данный механизм поворота может работать как демультипликатор. Но за это приходится платить большим числом управляющих элементов - шесть против четырёх у предыдущей схемы.
Механизм поворота позволяет совершить разворот на месте. Для этого на нейтрали на одном из бортов отпускается тормоз солнечной шестерни и включается фрикцион. Солнечная шестерня вращает одно ведущее колесо через водило, а другое через вал эпициклов: раз на другом борту заблокирована солнечная шестерня и вращается эпицикл, то и водило с ведущим колесом тоже будет вращаться.
Пример реализации: Pz.Kpfw. Panther.
Вторая группа с разветвлением потока мощности
3. Дифференциальный тип
В механизмах поворота этой группы при прямолинейном движении мощность всегда идёт по двум потокам, поэтому они называются механизмами с разветвлением потока мощности.
Второй поток мощности идёт на дифференциал. Полуоси дифференциала вращают солнечные шестерни в том же направлении, в котором вращаются эпициклы. То есть второй поток мощности при движении вперёд по прямой ускоряет гусеницы. Прямолинейное движение не устойчиво: если на одной гусенице возрастёт сопротивление, то она будет вращаться медленнее. Вторая гусеница пропорционально ускорится, соответственно изменят скорости и полуоси дифференциала.
Для того, чтобы, например, повернуть направо, нам нужно затянуть тормоз П. Правая полуось дифференциала заблокируется вместе с соответствующей солнечной шестерней, поэтому правая гусеница начнёт вращаться медленнее. Левая полуось же станет вращаться быстрее, ускоряя левую гусеницу. Для разворота на месте нужно включить тормоз одной из полуосей и пустить мощность только по второму потоку. Вся мощность пойдёт через одну солнечную шестерню, а другая будет заблокирована, далее всё по аналогии с Пантерой.
С точки зрения системы управления это сравнительно простой механизм поворота. Если трансмиссия механическая, то мы можем реализовать первую скорость блокировкой вала эпициклов, сэкономив пару шестерней. Если трансмиссия гидромеханическая, а через гидротрансформатор идёт только первый поток мощности, то мы можем получить более высокий КПД. Но за это приходится платить сужением диапазона трансмиссии. Предположим, коробка передач при заблокированных солнечных шестернях даёт 36 км/ч на последней передаче и 4,5 км/ч на первой, диапазон равен 8. Второй поток мощности при выключенных тормозах ускоряет каждую гусеницу на 2 км/ч. Значит, скорость на последней передаче будет 38 км/ч, а на первой 6,5 км/ч. Диапазон уменьшится до 38/6,5 = 5,9.
Примеры использования: M46, M47, M48, M60, T32, M103. В целом эта схема характерна для американской школы.
Выходит, при использовании двухпоточного механизма поворота диапазон трансмиссии может быть равным диапазону коробки передач, а может и отличаться. В механизмах поворота первой группы диапазон трансмиссии равен диапазону коробки передач (не считая режима демультипликатора у Пантеры), в механизмах второй группы он уменьшается, а в механизмах третьей группы увеличивается.
4. Независимый тип
В механизмах поворота этого типа мощность при прямолинейном движении поступает двумя потоками, но скорость вращения каждой гусеницы управляется независимо.
При движении по прямой включены оба фрикциона Фл и Фп, второй поток вращает солнечные шестерни в том же направлении, что первый поток мощности вращает эпициклы. Движение устойчиво. Предположим, нам нужно повернуть влево. Мы выключаем фрикцион Фл и затягиваем тормоз Л. Левая солнечная шестерня заблокируется, а левая гусеница станет вращаться медленнее. Скорость правой гусеницы при этом никак не изменится. А если отпустить тормоз Л и при выключенном фрикционе Фл затянуть тормоз Тл, то мы начнём поворот с полностью заблокированной гусеницей. Таком образом, как и на Пантере, у нас есть ещё один радиус поворота.
Первая передача реализована блокировкой вала эпициклов, мощность к гусеницам идёт только по второму потоку. Мы экономим пару шестерней в коробке передач, но за это платим сужением диапазона трансмиссии. Зато механизм поворота может работать как демультипликатор, компенсируя сужение: оба фрикциона выключены, а тормоза Л и П затянуты. Поворот на месте реализован аналогично Пантере: мощность идёт через одну солнечную шестерню, а вторая заблокирована.
Пример использования: гусеничные тягачи АТ-Л и МТЛБ.
Третья группа с циркуляцией мощности
5. Дифференциальный тип
Эта схема похожа на механизм поворота второй группы дифференциального типа. При прямолинейном движении мощность тоже идёт сразу двумя потоками. Однако полуоси дифференциала связаны с солнечными шестернями не напрямую, а через паразитные шестерни. Поэтому солнечные шестерни вращаются в противоположном от эпициклов направлении. Если первый поток ускоряет гусеницы, то второй замедляет.
Во время прямолинейного движения мощность идёт двумя потоками, а тормоза Л и П выключены. Разумеется, раз солнечные шестерни связаны с дифференциалом, то движение неустойчиво. Второй поток мощности замедляет гусеницы, поэтому для поворота нам нужно одну гусеницу замедлить меньше, а другую ещё больше. Предположим, нужно повернуть направо. Для этого мы затягиваем левый тормоз. При полностью затянутом левом тормозе левая солнечная шестерня заблокирована, гусеница не замедляется вообще, а вся мощность к ней идёт через эпицикл первым потоком. Правая полуось пропорционально ускоряется, поэтому правая солнечная шестерня замедляется ещё больше и танк поворачивает вправо. Это называется перекрёстным управлением: для поворота влево затягивается правый тормоз, и наоборот. Разворот на месте реализуется аналогично дифференциальному механизму поворота второй группы за исключением перекрёстного управления.
При движении вперёд в механизме поворота происходит циркуляция мощности: часть мощности первого потока идёт на второй через солнечные шестерни, дополнительно нагружая его. Это требует более прочной конструкции. Зато диапазон скоростей коробки передач не сужается, как было было во второй группе, а увеличивается. Предположим, при заблокированных солнечных шестернях коробка передач даёт скорость 37 км/ч на последней передаче и 4,6 км/ч на первой, диапазон равен 8. Второй поток мощности замедляет гусеницы на 2 км/ч. Выходит, скорость на последней передаче 35 км/ч, а на первой 2,6 км/ч, диапазон трансмиссии 35/2,6=13,5.
Другая особенность связана с тем, что скорость заднего хода можно реализовать блокировкой вала эпициклов, сэкономив три шестерни. Именно поэтому у целого ряда британских танков такая низкая скорость заднего хода. Например, у Черчилля второй поток мощности замедляет гусеницы на 2 км/ч, отсюда печальная скорость заднего хода. Увеличить его нельзя, иначе поползут радиусы поворота и ухудшится управляемость танком. Зато на Центурионе добавили вторую передачу заднего хода. У него и задний ход приличный, и две скорости по цене одной.
В целом, благодаря простоте управления механизмом поворота, расширению диапазона и бонусной скорости заднего хода трансмиссия по данной схеме получается довольно компактной при хороших характеристиках. Ранний переход на трансмиссии этого типа - одно из главных достижений британского танкостроения.
Примеры реализации: Churchill, Cromwell, Comet, Centurion, Chieftain.
6. А что с независимым типом?
Как уже говорилось, хотя в теории схем шесть, реально используются только пять. Проблема механизма поворота третьей группы независимого типа заключается в неудобной переусложнённой схеме управления. Представим, как она работает на Пантере или АТ-Л. Водитель управляет механизмом поворота с помощью двух рычагов. Каждый рычаг связан с тормозами и фрикционом своего борта. Предположим, водитель Пантеры тянет за левый рычаг. Выключается левый тормоз солнечной шестерни и включается левый фрикцион, гусеница замедляется. Водитель продолжает тянуть рычаг до упора, фрикцион выключается и затягивается левый тормоз, блокирующий левую гусеницу.
Но у механизмов поворота третьей группы управление перекрёстное. То есть сперва левым рычагом нужно выключить правое сцепление и заблокировать правую солнечную шестерню, а затем в крайнем положении рычага разблокировать правую солнечную шестерню и затянуть левый тормоз для блокировки левой гусеницы. Это и есть неудобство, ведущее к переусложнению системы управления: у одних тормозов управление обычное, а у других перекрёстное. И зачем так мудрить, когда есть механизм поворота второй группы независимого типа.