Geraet4501 (kedoki) wrote,
Geraet4501
kedoki

Categories:

Трансмиссия танка. Часть восьмая: теория безвальных коробок передач

Оригинал взят у kedoki в Трансмиссия танка. Часть восьмая: теория безвальных коробок передач
Предыдущий пост. Больше постов серии по тегу.

Механические коробки передач можно разделить на три больших семейства:

  1. Вальные КПП. На двух или более валах посажены шестерни, которые или входят в зацепление друг с другом, или включаются и выключаются муфтами. Двухвальные и трёхвальные КПП данного семейства мы уже рассмотрели.

  2. Планетарные КПП. Их мы ещё успеем разобрать, это отдельный разговор.

  3. Безвальные КПП. В безвальных КПП отсутствуют общие валы, которые бы соединяли две или более шестерни. Каждая шестерня или посажена на свой индивидуальный вал, или вовсе посажена на подшипники и с валами жёстко не связана.

Третий тип самый омский, очень интересный и редко используемый, он очень плохо описан в литературе. Им мы и займёмся, благо, иллюстрации из архива нам помогут. Я разобью повествование на три логические части: теория работы, примеры реализации и механизмы включения передач и синхронизации. Если по первым двум пунктам сведения достать ещё можно, то с третьим прямо беда. Скажу прямо: я и сам до конца не понимаю устройство полуавтоматического синхронизатора таких КПП.






Возьмём две постоянно сцепленные между собой шестерни, одна из которых соединена с ведущим валом. К каждой шестерне сверх этого приделан вал с муфтой:

Пока всё просто, не так ли? Ведущий вал вращает шестерню z1, которая вращает шестерню z2 с определённым передаточным отношением.

Продолжим строить нашу безвальную КПП. Добавим ещё одну пару шестерён, каждая из которых тоже связана со своим валом:

Если мы не включим муфту m1 или m2, то вращение с ведущего вала на ведомый передаваться не будет, то есть это нейтральная передача.

Теперь давайте включим муфту m1:

Ведущий вал вращает пару шестерён z1 и z2. Вал шестерни z1 с муфтой m1 вращает шестерню z3, то есть нижние валы благодаря муфте m1 соединяются в одно целое и вращаются как один вал обычной двухвальной КПП. Шестерня z3 постоянно сцеплена и вращает шестерню z4, которая вращает ведомый вал с муфтой m4. Передаточное отношение равно i = z4/z3.

Теперь давайте включим муфту m2:

Нижняя муфта расцеплена, поэтому составной вал разъединён (за эту особенность безвальные КПП нередко называют КПП с разрезными валами, которые "разрезаются" и "склеиваются" в одно целое при помощи муфт). Верхние же валы за счёт муфты m2 вращаются как одно целое, то есть "склеиваются", посему передаточное отношение равно i = z2/z1.

Пока всё просто. У нас есть две пары шестерён постоянного зацепления. За счёт определённых положений муфт включается нужная нам передача. Каждая шестерня соединена со своим индивидуальным валом. Отсутствуют общие валы, то есть такие валы, которые бы постоянно соединяли две и более шестерни, отсюда название "безвальные". Во время включения передач индивидуальные валы соединяются в составные, соединяя ведомый вал с определёнными парами шестерён.

Данная КПП очень проста и столь же бесполезна: две пары шестерён, две передачи. У обычных двухвальных КПП всё было бы так же, но проще по устройству. Чтобы в безвальной схеме появился смысл, продолжим стоить нашу КПП и добавим ещё одну пару шестерён:

Третья пара шестерён z5 и z6 сцепляется с парой шестерён z3 и z4 точно так же, как пара шестерён z3 и z4 сцепляется с парой z1 и z2. В дальнейшем для краткости я так и буду писать: первая пара шестерён, вторая пара шестерён и т.д.

Число передач.
Сколько передач у нас получилось? Давайте посчитаем, а заодно приведём формулу. Шестерни второй пары вращаются относительно шестерён первой пары с двумя разными скоростями в зависимости от того, включена ли муфта m1 или m2. Точно так же шестерни третьей пары могут вращаться с двумя разными скоростями относительно второй пары. Таким образом, три пары шестерён в безвальной КПП дают 2*2 = 4 скорости.

Если мы добавим четвёртую пару шестерён, то она будет вращаться с двумя разными скоростями относительно третьей пары, то есть передач будет 2*4 = 8. Сформулируем закон максимального числа передач в КПП данного типа: m = 2^(p-1), то есть два в степени число пар шестерён - 1. Если у нас четыре пары шестерён, то передач 2 в степени 4-1, то есть 2^3 = 8. Число совпадает с нашими рассуждениями.

И тут видно главное достоинство безвальных коробок передач: максимальное число передач при минимальном числе шестерён. Если у нас есть три пары шестерён, то двухвальная схема даст три скорости, по одной скорости на каждую пару. А безвальная схема даёт не три передачи, а четыре. Если мы добавим четвёртую пару шестерён, то в двухвальной КПП будет четыре передачи, а в безвальной уже восемь.

Отсюда главное достоинство безвальных КПП по сравнению с двухвальными и многими трёхвальными: при добавлении пары шестерён число передач не увеличивается на единицу, а УДВАИВАЕТСЯ. Чем больше передач нужно получить, тем более значительный разрыв получается в итоге. В случае с тремя парами безвальная схема даёт на одну передачу больше. В случае с пятью парами безвальная схема даёт 16 передач, то есть на 11 передач больше. Вдумайтесь в эти слова. Мы можем получить коробку передач с 16 скоростями, а её габариты и число шестерён точно такие же, как у двухвальной пятискоростной! Выигрыш может получиться огромным.

Посмотрите на иллюстрацию ниже. Верхняя схема - шасси с безвальной 10-скоростной КПП и соединённым с ней главным фрикционом. А ниже схема с трёхвальной 6-скоростной КПП автомобильного типа. Безвальная КПП с намного большим диапазоном скоростей и большим числом скоростей + главный фрикцион + сложнейшая система управления занимают столько же места, сколько одна 6-скоростная КПП. Именно поэтому конструкторам на поздних Pz.III пришлось переносить главный фрикцион к двигателю и тянуть рядом с карданом тягу от педали сцепления. Так то!


Занимательная комбинаторика.
Итак, если говорить очень кратко, то безвальные КПП устроены следующим образом. Редукторная часть состоит из пар шестерён постоянного зацепления. Верхние шестерни вращаются на одной геометрической оси, нижние - на другой оси. Каждая или практически каждая шестерня соединена с индивидуальным валом, которые соединяются друг с другом при помощи муфт. При этом пары шестерён вращаются с разными скоростями, что и даёт разные скорости.

Теперь посмотрим, как составляются разные передачи на примере нашей простой трёхвальной КПП. Для удобства чтения статьи я ещё раз вставлю её схему в немного изменённом виде. Я убрал муфты m6, m5 и её вал, они нам были нужны только для иллюстрации того, как пары шестерён могут нанизываться друг на друга в неограниченных количествах. Так было:
Теория 1.png
А так стало:


Давайте приступим. Передачи в двухвальных КПП делятся на простые и сложные. В простых передачах используется только одна пара шестерён (про неё говорят: нагружена одна пара), остальные вращаются для красоты. В сложных передачах используется несколько пар шестерён. Разумеется, максимальное число простых передач равно числу пар шестерён, в этом безвальные КПП схожи с двухвальными.

Самая маленькая шестерня - z1, а самая большая - z2, следовательно, первая пара шестерён имеет самое большое передаточное число и работает как понижающий редуктор, а потому мы будем использовать первую пару шестерён для первой простой передачи. Вот её схема:

Верхние валы "склеиваются" в один, а нижние вхолостую вращаются раздельно. Данная передача аналогична по сути передаче двухвальной КПП.

Вторая простая передача состоит из третьей пары:

Теперь уже нижние валы вращаются как одно целое, а верхние просто так для красоты. И снова данная схема удивительно напоминает двухвальную КПП.

Третья передача реализуется второй парой. Так как шестерня z3 больше, чем z4, то это не понижающая, а повышающая передача:


Вот мы и составили три передачи. Согласно формуле данная схема может дать четыре передачи. Ещё одна передача - сложная, она реализуется не одной, а тремя парами шестерён:


Сложная передача реализована последовательным редуцированием: сперва пара z1-z2 снижает обороты, а затем пара z4-z3, работая в режиме не повышающего, как на третьей простой передаче, а понижающего редуктора ещё более снижает обороны. Наконец, пара z5-z6 работает как повышающий редуктор, увеличивая итоговые обороты. Если передаточное число пары z3-z4 больше, чем у пары z5-z6, то сложная передача отличается наибольшим передаточным числом и выполняет роль первой передачи для езды в особо трудных условиях. В противном случае получается промежуточная передача, которая несколько увеличивает среднюю скорость движения танка. В любом случае профит очевиден.

Если рассматривать безвальную КПП с четырьмя парами шестерён, то получатся четыре простые скорости + 4 сложные с большими передаточными числами.

Возрастание диапазона скоростей и передаточные числа.
Исходя из вышенаписанного очевидно ещё одно достоинство безвальных КПП - значительный диапазон скоростей. В сложных передачах можно получить очень большие передаточные числа, поскольку передаточные числа отдельных пар перемножаются между собой. Мало того, что безвальные КПП очень компактны из-за минимального числа шестерён, так ещё и сами шестерни можно сделать компактными. Пусть каждая пара и будет иметь небольшое передаточное число, нужного диапазона можно добиться сложными передачами. Вывод: безвальные КПП не только короче за счёт меньшего числа пар шестерён, так ещё и картер у них очень компактен по ширине и высоте. По данному пункту двухвальные КПП сливают безвальным без шансов на реванш.

Однако, за это нужно платить. Во-первых, сложные передачи отличаются пониженным КПД и большими потерями мощности. Во-вторых, в безвальных КПП из-за сложных передач невозможно достичь совершенно рационального подбора скоростей, о чём я расскажу ниже. Кто-то обязательно спросит: если сложные передачи приводят к таким недостаткам, может, от них стоит отказаться и использовать только простые? Конечно, можно сделать и так, но только в этом случае безвальная КПП превратится... в обыкновенную двухвальную КПП, а от весомых достоинств не останется и следа! Сложные передачи - это то, что отличает безвальную КПП от двухвальной и даёт ей как отличные показатели, так и существенные недостатки. За всё нужно платить.

Окей, с этим всё ясно, посему перейдём к передаточным числам. Передаточные числа простых передач очевидны:
i1 = z2/z1
i2 = z6/z5
i3 = z4/z3

Передаточное число сложной передачи:
i(понижающая) = (z2/z1) * (z3/z4) * (z6/z5)

Постойте! z2/z1 - это первая передача, а z6/z5 - вторая! Давайте подставим их в формулу:
i(понижающая) = i1 * (z3/z4) * i2

Хорошо, а что такое z3/z4? Да ведь это же 1/(z4/z3), то есть 1/i3! Снова подставим в формулу:
i(понижающая) = i1 * (1/i3) * i2

Вывод: сложная передача зависит от простых. Если мы изменим передаточные числа простых передач, то неизбежно изменится передаточное число понижающей сложной передачи, а это совсем не то, что нам нужно. Если мы рационально подберём i1, i2 и i3, то совершенно не обязательно, что мы получим рациональную сложную передачу, тут уж как получится. Вот и получается, что передаточные числа непреднамеренно образуют прогрессию, а некоторые передачи не совсем такие, как нам бы хотелось.

С другой стороны, если передач много и диапазон скоростей отменный, то лучшее использование мощности двигателя скомпенсирует пониженный КПД сложных передач и нерациональную разбивку. Именно поэтому безвальную схему имеет смысл использовать только при большом числе передач со значительным диапазоном скоростей, в других случаях двухвальные и трёхвальные схемы лучше. Чем больше передач и чем больше диапазон передаточных чисел, тем весомее профит.

Промежуточные итоги.
Пока что мы рассмотрели лишь суть редукторной части безвальных КПП. В следующих постах я расскажу, как реализуются скорости заднего хода и устроены механизмы переключения передач и синхронизации. Но из того, что мы рассмотрели, вырисовывается следующая картина.

Достоинства безвальных КПП:

  • максимальное число передач при минимальном числе шестерён

  • минимальные размеры шестерён и, как следствие, картера КПП

  • значительный диапазон скоростей, больше число передач

  • постоянное зацепление шестерён

Недостатки:

  • более сложная конструкция со многими валами, требующая большее число подшипников и расточек в картере для их установки

  • невозможность рационального подбора передач

  • пониженный КПД сложных передач

Как видно, достоинства очень весомые, а недостатки вполне сглаживаемые. Почему же безвальные КПП не получили распространения? Всё дело в том, что их основные недостатки заключаются в крайне сложных механизмах включения передач и синхронизации. Но об этом в следующий раз.
Tags: танкач, трансмиссии
Subscribe

  • Обзор двухтактных дизелей, часть 2

    В первой части статьи мы говорили о принципах двухтактных двигателей и разобрали схему двухтактного двигателя со встречно-движущимися поршнями на…

  • Обзор двухтактных дизелей, часть 1

    Просматривая материалы по Е-серии я заинтересовался упоминаниями двухтактного танкового дизельного двигателя TM118 фирмы…

  • Дайджест из ВК #2

    Очередная подборка небольших постов из ВК о бронетехнике: Богатый внутренний мир ARL 44 И снова обозначения немецкой бронетехники (всё никак не…

  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 0 comments