Трансмиссия танка. Часть четвёртая: трёхвальные КПП
Я немного отошёл от шока, вызванного визуальным осмотром схемы механизма включения передач на КПП Pz.III ausf.E-G, посему настало время продолжить цикл. В прошлый раз речь шла о постоянном зацеплении шестерён и подвижных муфтах, то бишь о тех строительных блоках, из которых составляются коробки передач. Теперь настало время построить из них что-то более интересное.
Диапазон КПП и бортовые редукторы.
Важнейшая характеристика КПП - это диапазон скоростей. Для того, чтобы его найти нужно разделить скорость на последней передаче на скорость первой передачи при тех же оборотах. То есть это тот диапазон скоростей, который обеспечивает коробка передач. Для примера посчитаем диапазон скоростей уже упоминавшегося Pz.III ausf.E. Минимальная расчётная скорость при 3000 об/мин составляет 4,94 км/ч, а максимальная при тех же оборотах - 71,86 км/ч. Диапазон скоростей равен: d = 71,86/4,94 = 14,55. Много это или мало? На самом деле, это отличный показатель, ведь даже диапазон в районе 8...11 считается более чем достаточным. Отмечу, что скорости прямо пропорциональны передаточным числам, поэтому если мы разделим наибольшее передаточное число на наименьшее, мы получим то же самое число (с учётом округления, погрешностей в расчётах скоростей и т.д.): d = 8/0,55 = 14,55. Поэтому впредь я буду использовать словосочетание диапазон коробки передач для её характеристики. Чем он выше, тем он лучше. Давайте разберёмся, почему.
Итак, важнейшей характеристикой КПП является диапазон передаточных чисел, а не сами по себе передаточные числа. Предположим, что у нас есть две воображаемые четырёхскоростные КПП. Передаточные числа первой коробки таковы: 1, 2, 3, 5. Передаточные числа второй коробки: 10, 20, 30, 50. Хотя передаточные числа второй коробки в 10 раз больше, диапазон у них одинаков и равен 5. Что касается разницы в 10 раз, то этот вопрос решается элементарно. Помните, в первом посте я говорил о том, что при передаче потока мощности через две пары шестерён их передаточные числа перемножаются? Так вот, достаточно к первой коробке передач приделать редуктор с i = 10. Итоговые передаточные числа будут точно такими же, но при этом вторая КПП составлена из огромных шестерён, а потому разместить её в машине невозможно. Первая же КПП даже с учётом редуктора будет весьма компактной, разместить её в тесном бронекорпусе получится без проблем. Вывод: размеры и вес коробки передач можно уменьшить добавив редукторы. Так как оные редукторы располагаются у самых ведущих колёс танка по бортам, они называются бортовыми.
Редукторы на схеме выделены красным. Если их убрать, то КПП придётся увеличивать в несколько раз.
Теперь посмотрим, как от диапазона КПП зависит скорость. Предположим, минимальная скорость движения, которую обеспечивает упоминаемая четырёхскоростная коробка передач, составляет 4 км/ч, а максимальная скорость на пятой передаче 4*5 = 20 км/ч. Как увеличить максимальную скорость при неизменном диапазоне? Для этого нужно уменьшить передаточное число бортовых редукторов, из-за чего увеличатся все скорости. Предположим, скорость на первой передаче возросла до 8 км/ч. Стало быть, максимальная скорость теперь 8*5 = 40 км/ч. Хорошо это или плохо? На первый взгляд всё просто замечательно, ведь максимальная скорость возрасла в 2 раза. Но только на первый, ведь при этом увеличилась в два раза минимальная скорость, а это значит, что сила тяги уменьшилась в два раза! А ведь первая передача и нужна ради тяги, а не ради скорости. Вывод: при неизменном диапазоне увеличить максимальную скорость можно лишь за счёт ухудшения проходимости, что совершенно недопустимо. Увеличить максимальную скорость при неизменной проходимости можно только за счёт увеличения диапазона.
Трёхвальные КПП (на примере трёхвальной КПП компактной структуры).
Для увеличения диапазона нужно увеличить самое большое передаточное число, соответствующее первой передаче или уменьшить передаточное число последней передачи. Как это сделать? Если просто увеличивать размеры шестерён, то очень скоро КПП станет недопустимо большой и тяжёлой. И снова нужно вспомнить о том, что при передаче потока мощности через несколько пар шестерён итоговое передаточное число будет произведением передаточных чисел каждой пары. То есть для значительного увеличения передаточного числа поток мощности в КПП нужно передавать не через одну пару шестерён, а через две и больше.
Это реализовано в трёхвальных коробках передач, в которых помимо ведущего и ведомого валов есть также промежуточный вал, на котором вращаются шестерни. Давайте соорудим что-нибудь эдакое с тремя валами:
Что мы видим на схеме? Под ведомым валом находится промежуточный вал, который реализует первую передачу. Для её включения сдвигается муфта m3, а муфты m1 и m2 включают 2-5 передачи.
Включим вторую передачу. Вращение передаётся через одну пару шестерён, то есть КПП работает аналогично двухвальной:
Теперь включим, к примеру, четвёртую передачу:
То есть передачи 2-5 работают точно так же, как и на двухвальной КПП. Вся мякотка заключена в первой передаче. Включим её и посмотрим, как пойдёт поток мощности:
Вот это уже интересно. Поток мощности последовательно передаётся не через одну пару шестерён, а через три. Как следствие, итоговое передаточное число будет произведением трёх передаточных чисел.
Итак, передаточное число первой скорости возросло, как следствие, увеличился диапазон коробки передач по сравнению с двухвальной схемой и возросла максимальная скорость без уменьшения тяги. За это пришлось заплатить увеличением сложности конструкции.
Обычные трёхвальные КПП.
Вообще, трёхвальные КПП делятся на четыре типа: обычные, компактной структуры, автомобильного типа (соосные) и КПП с последовательным редуцированием.
КПП компактной структуры мы только что рассмотрели выше. Обычные трёхвальные КПП отличаются от КПП компактной структуры только тем, что для связи промежуточного вала с ведомым используется отдельная шестерня на ведомом валу. В нашей же КПП промежуточный вал связан с ведомым через шестерню, которая также используется на четвёртой передаче. В этом и заключено всё отличие данных типов: КПП компактной структуры состоят из меньшего числа шестерней, потому они легче и компактнее, но передаточные числа первой и в данном случае четвёртой передач связаны между собой зависимостью. В обычных трёхвальных КПП шестерней больше, зато все передаточные числа не зависят друг от друга и их проще подобрать оптимальным образом.
Добавим ещё одну шестерню к нашей КПП и иначе соединим промежуточный вал с ведомым. Получится обычная трёхвальная КПП:
Соосные трёхвальные КПП (автомобильного типа).
Данная схема называется автомобильной потому, что наибольшее распространение она получила на автомобилях. Устройство трёхвальных КПП автомобильного типа схоже с устройством двухвальных КПП:
Как мы видим, ведущий вал расположен соосно ведомому, отсюда и название - соосные. Ведущий вал вращает через пару шестерён промежуточный вал. Первые три передачи включаются так, словно мы имеем дело с двухвальной КПП, только поток мощности передаётся через две пары шестерён, а не через одну. Включим вторую передачу:
Весь смысл данной схемы заключается в том, что есть так называемая прямая передача, то есть ведущий и ведомый валы сцепляются муфтой и начинают вращаться как одно целое, а поток мощности передаётся в обход шестерён:
КПД данной передачи очень высокий (обычно пишут, что КДП равен 1, поскольку потери мощности через нагрев и трение в подшипниках не учитывается). Однако, на остальных передачах КПД понижается, поскольку поток мощности передаётся через две пары шестерён. КПД одной пары шестерён 0,98. Следовательно, КПД всех передач двухвальных КПП равен 0,98. В коробке передач автомобильного типа на всех передачах кроме прямой КПД уменьшается до 0,98*0,98 = 0,96. В КПП компактной структуры КПД первой передачи тоже пониженный, но это окупается большей тягой и увеличением диапазона.
Трёхвальные КПП с последовательным редуцированием.
Для увеличения числа скоростей можно соединить две коробки передач последовательно. Возьмём четырёхскоростную трёхвальную КПП автомобильного типа с подвижными каретками и соединим её с двухскоростной КПП, называемой демультипликатором:
Трёхвальная КПП обеспечивает четыре скорости, а демультипликатор - две. В итоге получится 4*2 = 8 скоростей вперёд. Результат, конечно, хороший, но вся конструкция получилась очень длинной, компоновать её в корпусе танка неудобно. Почему бы не объединить демультипликатор с КПП в одном картере? Так и сделаем, а заодно уберём лишний вал, оставив только три:
Подвижные шестерни 2 и 4 и сцепляются с шестернями 1 и 3 промежуточного вала. Как следствие, промежуточный вал относительно ведущего может вращаться в двух разных скоростях. Ведомый вал относительно промежуточного может вращаться с четырьмя скоростями, всего же получается 8 скоростей. КПП стала компактнее и легче, в ней меньше деталей. Но это уж очень архаичная конструкция с надвижными шестернями. Давайте переделаем её и добавим муфты:
Что даёт такая схема? Если мы захотим сделать КПП с восемью скоростями по двухвальной схеме, то нам понядобятся оооочень длинные валы и 16 шестерён, объединённых в 8 пар. В трёхвальной КПП с последовательным редуцированием мы обошлись только 10 шестернями, то есть схема дала выигрыш в массе, простоте изготовления и габаритах. Более того, такая схема позволяет достичь достаточного диапазона и, как следствие, хороших скоростей движения. Например, на танках ИС-1, ИС-2 и ИС-3 стоит КПП именно такой схемы. Базовая КПП с четырьмя скоростями вперёд и одной назад соединена с валом демультипликатора, который удваивает число скоростей. Отличная скорость заднего хода достигается включением повышающей передачи демультипликатора.
Недостаток заключается в том, что передаточные числа выстраиваются в геометрической прогрессии. Если мы хотим скорректировать какое-либо передаточное число, то изменятся и другие связанные передаточные числа. Поэтому такая восьмискоростная КПП аналогична по своим качествам семискоростной обычной трёхвальной КПП, в которой все передаточные числа подобраны оптимальным образом.
Впрочем, для этого раза информации более чем достаточно. В следующий раз речь пойдёт о других частях трансмиссии - о главном фрикционе и простейших механизмах поворота гусеничной техники.
Диапазон КПП и бортовые редукторы.
Важнейшая характеристика КПП - это диапазон скоростей. Для того, чтобы его найти нужно разделить скорость на последней передаче на скорость первой передачи при тех же оборотах. То есть это тот диапазон скоростей, который обеспечивает коробка передач. Для примера посчитаем диапазон скоростей уже упоминавшегося Pz.III ausf.E. Минимальная расчётная скорость при 3000 об/мин составляет 4,94 км/ч, а максимальная при тех же оборотах - 71,86 км/ч. Диапазон скоростей равен: d = 71,86/4,94 = 14,55. Много это или мало? На самом деле, это отличный показатель, ведь даже диапазон в районе 8...11 считается более чем достаточным. Отмечу, что скорости прямо пропорциональны передаточным числам, поэтому если мы разделим наибольшее передаточное число на наименьшее, мы получим то же самое число (с учётом округления, погрешностей в расчётах скоростей и т.д.): d = 8/0,55 = 14,55. Поэтому впредь я буду использовать словосочетание диапазон коробки передач для её характеристики. Чем он выше, тем он лучше. Давайте разберёмся, почему.
Итак, важнейшей характеристикой КПП является диапазон передаточных чисел, а не сами по себе передаточные числа. Предположим, что у нас есть две воображаемые четырёхскоростные КПП. Передаточные числа первой коробки таковы: 1, 2, 3, 5. Передаточные числа второй коробки: 10, 20, 30, 50. Хотя передаточные числа второй коробки в 10 раз больше, диапазон у них одинаков и равен 5. Что касается разницы в 10 раз, то этот вопрос решается элементарно. Помните, в первом посте я говорил о том, что при передаче потока мощности через две пары шестерён их передаточные числа перемножаются? Так вот, достаточно к первой коробке передач приделать редуктор с i = 10. Итоговые передаточные числа будут точно такими же, но при этом вторая КПП составлена из огромных шестерён, а потому разместить её в машине невозможно. Первая же КПП даже с учётом редуктора будет весьма компактной, разместить её в тесном бронекорпусе получится без проблем. Вывод: размеры и вес коробки передач можно уменьшить добавив редукторы. Так как оные редукторы располагаются у самых ведущих колёс танка по бортам, они называются бортовыми.
Редукторы на схеме выделены красным. Если их убрать, то КПП придётся увеличивать в несколько раз.
Теперь посмотрим, как от диапазона КПП зависит скорость. Предположим, минимальная скорость движения, которую обеспечивает упоминаемая четырёхскоростная коробка передач, составляет 4 км/ч, а максимальная скорость на пятой передаче 4*5 = 20 км/ч. Как увеличить максимальную скорость при неизменном диапазоне? Для этого нужно уменьшить передаточное число бортовых редукторов, из-за чего увеличатся все скорости. Предположим, скорость на первой передаче возросла до 8 км/ч. Стало быть, максимальная скорость теперь 8*5 = 40 км/ч. Хорошо это или плохо? На первый взгляд всё просто замечательно, ведь максимальная скорость возрасла в 2 раза. Но только на первый, ведь при этом увеличилась в два раза минимальная скорость, а это значит, что сила тяги уменьшилась в два раза! А ведь первая передача и нужна ради тяги, а не ради скорости. Вывод: при неизменном диапазоне увеличить максимальную скорость можно лишь за счёт ухудшения проходимости, что совершенно недопустимо. Увеличить максимальную скорость при неизменной проходимости можно только за счёт увеличения диапазона.
Трёхвальные КПП (на примере трёхвальной КПП компактной структуры).
Для увеличения диапазона нужно увеличить самое большое передаточное число, соответствующее первой передаче или уменьшить передаточное число последней передачи. Как это сделать? Если просто увеличивать размеры шестерён, то очень скоро КПП станет недопустимо большой и тяжёлой. И снова нужно вспомнить о том, что при передаче потока мощности через несколько пар шестерён итоговое передаточное число будет произведением передаточных чисел каждой пары. То есть для значительного увеличения передаточного числа поток мощности в КПП нужно передавать не через одну пару шестерён, а через две и больше.
Это реализовано в трёхвальных коробках передач, в которых помимо ведущего и ведомого валов есть также промежуточный вал, на котором вращаются шестерни. Давайте соорудим что-нибудь эдакое с тремя валами:
Что мы видим на схеме? Под ведомым валом находится промежуточный вал, который реализует первую передачу. Для её включения сдвигается муфта m3, а муфты m1 и m2 включают 2-5 передачи.
Включим вторую передачу. Вращение передаётся через одну пару шестерён, то есть КПП работает аналогично двухвальной:
Теперь включим, к примеру, четвёртую передачу:
То есть передачи 2-5 работают точно так же, как и на двухвальной КПП. Вся мякотка заключена в первой передаче. Включим её и посмотрим, как пойдёт поток мощности:
Вот это уже интересно. Поток мощности последовательно передаётся не через одну пару шестерён, а через три. Как следствие, итоговое передаточное число будет произведением трёх передаточных чисел.
Итак, передаточное число первой скорости возросло, как следствие, увеличился диапазон коробки передач по сравнению с двухвальной схемой и возросла максимальная скорость без уменьшения тяги. За это пришлось заплатить увеличением сложности конструкции.
Обычные трёхвальные КПП.
Вообще, трёхвальные КПП делятся на четыре типа: обычные, компактной структуры, автомобильного типа (соосные) и КПП с последовательным редуцированием.
КПП компактной структуры мы только что рассмотрели выше. Обычные трёхвальные КПП отличаются от КПП компактной структуры только тем, что для связи промежуточного вала с ведомым используется отдельная шестерня на ведомом валу. В нашей же КПП промежуточный вал связан с ведомым через шестерню, которая также используется на четвёртой передаче. В этом и заключено всё отличие данных типов: КПП компактной структуры состоят из меньшего числа шестерней, потому они легче и компактнее, но передаточные числа первой и в данном случае четвёртой передач связаны между собой зависимостью. В обычных трёхвальных КПП шестерней больше, зато все передаточные числа не зависят друг от друга и их проще подобрать оптимальным образом.
Добавим ещё одну шестерню к нашей КПП и иначе соединим промежуточный вал с ведомым. Получится обычная трёхвальная КПП:
Соосные трёхвальные КПП (автомобильного типа).
Данная схема называется автомобильной потому, что наибольшее распространение она получила на автомобилях. Устройство трёхвальных КПП автомобильного типа схоже с устройством двухвальных КПП:
Как мы видим, ведущий вал расположен соосно ведомому, отсюда и название - соосные. Ведущий вал вращает через пару шестерён промежуточный вал. Первые три передачи включаются так, словно мы имеем дело с двухвальной КПП, только поток мощности передаётся через две пары шестерён, а не через одну. Включим вторую передачу:
Весь смысл данной схемы заключается в том, что есть так называемая прямая передача, то есть ведущий и ведомый валы сцепляются муфтой и начинают вращаться как одно целое, а поток мощности передаётся в обход шестерён:
КПД данной передачи очень высокий (обычно пишут, что КДП равен 1, поскольку потери мощности через нагрев и трение в подшипниках не учитывается). Однако, на остальных передачах КПД понижается, поскольку поток мощности передаётся через две пары шестерён. КПД одной пары шестерён 0,98. Следовательно, КПД всех передач двухвальных КПП равен 0,98. В коробке передач автомобильного типа на всех передачах кроме прямой КПД уменьшается до 0,98*0,98 = 0,96. В КПП компактной структуры КПД первой передачи тоже пониженный, но это окупается большей тягой и увеличением диапазона.
Трёхвальные КПП с последовательным редуцированием.
Для увеличения числа скоростей можно соединить две коробки передач последовательно. Возьмём четырёхскоростную трёхвальную КПП автомобильного типа с подвижными каретками и соединим её с двухскоростной КПП, называемой демультипликатором:
Трёхвальная КПП обеспечивает четыре скорости, а демультипликатор - две. В итоге получится 4*2 = 8 скоростей вперёд. Результат, конечно, хороший, но вся конструкция получилась очень длинной, компоновать её в корпусе танка неудобно. Почему бы не объединить демультипликатор с КПП в одном картере? Так и сделаем, а заодно уберём лишний вал, оставив только три:
Подвижные шестерни 2 и 4 и сцепляются с шестернями 1 и 3 промежуточного вала. Как следствие, промежуточный вал относительно ведущего может вращаться в двух разных скоростях. Ведомый вал относительно промежуточного может вращаться с четырьмя скоростями, всего же получается 8 скоростей. КПП стала компактнее и легче, в ней меньше деталей. Но это уж очень архаичная конструкция с надвижными шестернями. Давайте переделаем её и добавим муфты:
Что даёт такая схема? Если мы захотим сделать КПП с восемью скоростями по двухвальной схеме, то нам понядобятся оооочень длинные валы и 16 шестерён, объединённых в 8 пар. В трёхвальной КПП с последовательным редуцированием мы обошлись только 10 шестернями, то есть схема дала выигрыш в массе, простоте изготовления и габаритах. Более того, такая схема позволяет достичь достаточного диапазона и, как следствие, хороших скоростей движения. Например, на танках ИС-1, ИС-2 и ИС-3 стоит КПП именно такой схемы. Базовая КПП с четырьмя скоростями вперёд и одной назад соединена с валом демультипликатора, который удваивает число скоростей. Отличная скорость заднего хода достигается включением повышающей передачи демультипликатора.
Недостаток заключается в том, что передаточные числа выстраиваются в геометрической прогрессии. Если мы хотим скорректировать какое-либо передаточное число, то изменятся и другие связанные передаточные числа. Поэтому такая восьмискоростная КПП аналогична по своим качествам семискоростной обычной трёхвальной КПП, в которой все передаточные числа подобраны оптимальным образом.
Впрочем, для этого раза информации более чем достаточно. В следующий раз речь пойдёт о других частях трансмиссии - о главном фрикционе и простейших механизмах поворота гусеничной техники.