Не раз сталкивался с непониманием собеседниками принципа действия и роли гидродинамических передач в трансмиссиях бронетанковой техники. А с выходом в 2017 году статьи «Автострадный истребитель» на Варспоте, где автор, фактически цитируя наличный отчет советских специалистов об испытаниях американской САУ M18 (T70) в Кубинке, из-за непонимания работы гидротрансформатора умудрился написать прямо противоположное действительному положению вещей, у меня возникло желание просто и понятно неподготовленному читателю описать работу гидродинамических передач. Но нет ничего более сложного, чем писать просто и понятно, поэтому к теме я вернулся только сейчас, когда на канале «Гидравлика и пневматика» вышел замечательный ролик, показывающий принцип работы гидродинамических передач.
Здесь, на канале «Танки. Работа над ошибками», рассматриваются ошибки и заблуждения по бронетанковой тематике. Поэтому далее мы не только рассмотрим принцип работы гидродинамических передач, но и разберём ошибки: 1) автора статьи «Автострадный истребитель», исказившего смысл отчета советских испытателей; 2) советских испытателей, незаслуженно возложивших на гидротрансформатор всю ответственность за недостаточную тяговую проходимость САУ T70 (М18); 3) американских конструкторов, не обеспечивших высокие тяговые свойства для машины с хорошей удельной мощностью.
И, прежде чем разбирать эти ошибки, следует вникнуть и понять как работают гидродинамические передачи — гидромуфты (ГМ) и гидротрасформаторы (ГТ).
Работа гидродинамических передач
Написанное ниже категорически требует ознакомиться с данным роликом, просмотр которого лучше всяких слов для понимания работы гидродинамических передач:
Далее для простоты изложения соединённый с двигателем вал насосного колеса гидродинамической передачи будем называть входным валом, а вал турбины — выходным.
В ролике показаны следующие важные свойства гидродинамических передач:
- В отличие от механических с жёсткой связью входного и выходного валов, в гидродинамических передачах крутящий момент передается за счет циркуляции потока жидкости, что позволяет даже при остановке выходного вала исключить поломку или остановку двигателя.
- Гидромуфта не преобразует крутящий момент, на её ведущем и ведомом валах моменты равны, а обороты на ведомом валу всегда ниже, что ведет к потерям мощности. И чем больше разница скоростей валов, тем выше потери (очевидно, что при остановке выходного вала КПД ГМ равен нулю).
- В отличие от ГМ гидротрансформатор преобразует крутящий момент, повышая его (не во всём диапазоне частот вращения выходного вала). Чем больше разница скоростей входного и выходного валов, тем выше крутящий момент на выходном валу ГТ. При полном торможении выходного вала крутящий момент на нём максимальный, а КПД ГТ равен нулю.
В качестве дополнения к ролику приведу примерные графики внешних характеристик гидродинамических передач из курса «конструкции и расчета танков» [1].
Здесь: Mн — момент на валу насосного колеса (входного вала); Mт — момент на валу турбины (выходного вала); ηг — КПД гидропередачи. На оси абсцисс частоты выходного вала (турбины), на оси ординат — крутящие моменты входного и выходного валов и КПД гидропередачи. Частота входного вала принята постоянной и наиболее оптимальной для работы гидропередачи.
Приведенные графики вполне подтверждают сказанное в ролике для ГМ (график а) и ГТ (график б).
Гидромуфты за редким исключением (например, американские лёгкие танки семейства M5) для передачи мощности двигателя в танкостроении не используются. Гидротрансформаторы и их развитие — комплексные гидропередачи, сочетающие в себе положительные свойства ГТ и ГМ, — получили широкое распространение.
В гидромеханической коробке передач 900-T САУ M18, в отличие от лёгкого танка M5, используется гидротрансформатор, отличающийся от ГМ наличием реактивного аппарата (в ролике — реакторное колесо). Конструктивное исполнение реактивного аппарата ГТ коробки передач 900-T отличается от показанного в ролике, но принцип действия аналогичный.
Кроме выше указанных свойств ГТ из графика его внешних характеристик можно выделить следующее.
Кривая момента выходного вала имеет почти линейную зависимость. Максимальный момент выходного вала в несколько раз выше момента входного вала, с увеличением оборотов выходного вала момент на нём падает вплоть до нуля на максимальной частоте выходного вала.
КПД изменяется примерно по параболическому закону, принимая нулевые значения на нулевой и максимальной частотах вращения выходного вала. Нулевой КПД означает, что полезная работа не совершается и практически вся мощность двигателя преобразуется в тепло. Поэтому в зависимости от производительности системы охлаждения для ГТ принимается значение удовлетворительного КПД, при котором обеспечивается требуемое охлаждение рабочей жидкости. Удовлетворительный КПД определяет рабочую зону — диапазоны рабочих частот и моментов гидротрансформатора (показаны на графике). Если машина вынуждена долгое время двигаться в тяжелых условиях (низкая частота выходного вала и высокий крутящий момент) то это ведет к перегреву рабочей жидкости и значительному расходу топлива из-за низкого КПД.
Например, как видно из приведенного графика тяговой характеристики T70, совмещённого с графиком КПД трансмиссии на различных передачах, максимальный КПД трансмиссии составляет 0,8. Иными словами, от 20% мощности двигателя и более уходит на потери в трансмиссии, большая часть из которых относится к потерям в ГТ. При мощности двигателя Continental R 975-C1 в условиях объекта 350 hp (355 л.с.) потери в трансмиссии составляют от 71 л.с. и более.
Резюмируя можно сказать, что принцип работы гидротрансформатора заключается в размене падения скорости на увеличение крутящего момента. При увеличении внешних сопротивлений на выходном валу ГТ автоматически снижается скорость и увеличивается крутящий момент, и наоборот.
Полученных сведений вполне достаточно, чтобы разобрать следующие ошибки.
Ошибки в статье «Автострадный истребитель»
При публикации статьи в ней присутствовали следующие утверждения автора Юрия Пашолока.
Ехать приходилось на 2-й передаче, поскольку гидротрансформатор снижал на проселке передаваемый крутящий момент.
Наибольшие же проблемы возникли у «автострадного» истребителя танков при езде по заснеженной целине. Выше первой передачи гидротрансформатор подниматься не позволял, при этом еще сильнее терялся крутящий момент.
Снежный покров высотой более полуметра оказался для машины непреодолимым, виной тому был все тот же гидротрансформатор.
Итак, ГТ у автора статьи снижал крутящий момент, в нем терялся крутящий момент.
Это очевидная чушь, поскольку, как следует из изложенного выше принципа работы ГТ, он с падением оборотов на выходном валу призван автоматически повышать крутящий момент, а «потерять» крутящий момент тем более не может, поскольку даже при остановке выходного вала крутящий момент станет максимальным.
На законные недоумения читателей по указанному поводу Юрий сослался на авторов отчета по результатам испытаний, перенаправив на них свои ошибки:
Для подтверждения своей правоты в ЖЖ он выложил часть страниц отчета с выводами комиссии.
В отчете во всех случаях упоминания ГТ говорится о «недостаточном крутящем моменте». Вполне очевидно, что Пашолок, ошибочно интерпретируя текст отчета, не только не понимал принцип действия ГТ, но и слабо владеет русским языком, т. к. между понятиями недостаточный и снижать весьма существенная разница. Например, нечто можно увеличить вдвое, но это увеличенное будет недостаточным, поскольку требуется увеличение втрое.
После этого статья была исправлена с комментарием автора: «Поправил для большего понимания проблемы работы гидротрасформатора». В том смысле, что это не свои ошибки исправляются, а чтобы читатели лучше понимали...
Ошибки в оценках советских специалистов, писавших отчет об испытаниях T70
Из выложенных Ю. Пашолоком фрагментов отчета выделим следующие пункты, в которых говорится про гидротрансформатор:
Ограничения скорости на проселке и снежной целине, невозможность преодоления придорожных канав, глубоких выбоин и буксировки однотипных машин в тяжелых условиях объясняются в документе недостаточным крутящим моментом, развиваемым ГТ. Кроме того, указано, что в тяжелых грунтовых условиях ГТ не передает полностью крутящий момент.
Итак, в тяжелых условиях движения T70 на испытаниях не продемонстрировали высоких тяговых свойств. «Виновным» в отчете назначен ГТ. Но между двигателем и гусеничной лентой находятся входная передача, ГТ, планетарная КП, дифференциальный механизм поворота, бортовые редукторы, ведущие колеса. ГТ один из шести в этой цепочке преобразующих крутящий момент узлов.
Даже на ведущем колесе, например, если в 1,5 раза уменьшить число зубьев (без изменения шага траков гусениц), то в итоге скорость упадет в полтора раза, а тяговое усилие во столько же возрастет. Тогда ГТ перестанет быть виновным, а «виноватость» припишем ведущему колесу?
Или возьмем планетарную коробку передач. Передаточные числа коробки передач M18 с первой по третью передачу составляют: 1,0; 0,428; 0,244 [4, с. 278].
Кинематическое передаточное число показывает во сколько раз уменьшается скорость на выходном (ведомом) валу механизма в сравнении с входным (ведущим). Если оно меньше единицы, значит скорость на выходном валу возрастает. Иными словами, на первой (низшей) передаче в ПКП M18 прямая передача, а на третьей (высшей) скорость выходного вала в 4,1 раз выше чем входного. При этом, в подавляющем большинстве конструкций танков в коробках передач скорость понижается (в том же M5 передаточные числа ПКП на низшей передаче 3,26 и 1,0 на высшей).
Отсюда вопросы. Это ГТ выдает недостаточный момент или, например, ПКП? Или тот же двигатель, если бы давал крутящий момент повыше, то и T70 преодолевала бы препятствия резвее? И так далее.
Сила тяги, которая через гусеничный движитель подводится к грунту, есть результат комплексной работы двигателя, трансмиссии, ходовой части, их агрегатов и систем. Поэтому когда сила тяги недостаточная, то и причину следует искать комплексно. Привыкшие в основном к механическим трансмиссиям, советские испытатели указали на ГТ, развивающий якобы недостаточный крутящий момент, хотя следовало бы указать на недостаточные тяговые свойства машины в целом.
В последнем из процитированных пунктов отчета написано, что ГТ «не передаёт полностью крутящий момент от двигателя к трансмиссии».
Это ошибочное утверждение. ГТ не передает полностью мощность двигателя (потери от 20% и более), а не момент. Предлагаю снова посмотреть на график внешней характеристики ГТ — на низких оборотах выходного вала момент в несколько раз выше момента двигателя (для ГТ трансмиссии 900-T силовое передаточное число 4,8 — во столько раз на выходном валу ГТ изменяется момент в его рабочем диапазоне). Момент не просто передается, но и увеличивается. А если машина упрется в препятствие и остановится, то на остановленном выходном валу ГТ момент станет максимальным. Момент передается, а частота нет! Т. е. ГТ не передаёт полностью мощность двигателя, а не момент.
Ошибки американских конструкторов T70
На САУ T70 первых выпусков устанавливался двигатель Continental R975-C1 мощностью 400 hp (406 л.с.), что обеспечивало машине очень хорошую удельную мощность 22,9 л.с./т. Даже если учесть потери около 20% в неблокируемом ГТ (потери на ГТ в механических трансмиссиях отсутствуют), то удельная мощность будет примерно 18,4 л.с./т, что тоже неплохо (на уровне ранних Т-34 и заметно лучше, чем у Т-34-85).
Таким образом, двигатель, как виновник недостаточных тяговых свойств машины, можно исключить.
Для T70 (машины ранних выпусков) заявлялись максимальная скорость на третьей передаче 55 mph (88,5 км/ч) или, даже, 60 mph (96,5 км/ч) [3, с. 5] и 16 mph (26 км/ч) на первой передаче [3, c. 7; 6, с. 71]. Даже для машин с повышенной приспособляемостью за счет применения ГТ 26 км/ч на первой передаче существенный перебор. Для сравнения, M1A1 Abrams с ГТД (имеющим большую приспособляемость в сравнении с бензиновым двигателем) и ГМТ с комплексной гидропередачей (рабочий диапазон выше, чем у обычного ГТ) при удельной мощности почти 25,8 л.с./т имеет максимальную скорость на первой передаче 14,5 км/ч — в 1,86 раз ниже чем у T70.
Уже для принятых на вооружение M18 максимальная скорость снизилась в 1,33 раза и составляла 45 mph (72,4 км/ч) [4, с. 10; 7, с. 39] или в некоторых источниках 50 mph (80,5 км/ч) [5, с. 49], скорость на первой передаче снизилась до 12 mph (19,3 км/ч). Пропорционально снижению скорости поднялись и тяговые характеристики. Кроме того, M18, начиная с машины с серийным номером 1351, оснащались двигателем Continental R975-C4 мощностью 460 hp (466 л.с.) [4, с. 177], что еще на 15% повысило тяговые характеристики машины.
В итоге, при первоначальном проектировании T70 американские конструкторы завысили скоростные характеристики (26 км/ч для первой передачи с любой точки зрения перебор) во вред тяговым свойствам машины. В первую очередь это выражается в нерациональной разбивке передаточных чисел механической части трансмиссии.
Вина гидротрансформатора может быть только в том, что, не имея ещё достаточного опыта в проектировании ГМТ, американские конструкторы понадеялись на его высокий динамический диапазон.
Отсутствие механической блокировки ГТ и выход за рабочую зону работы ГТ в тяжелых условиях движения, что влекло существенное снижение КПД трансмиссии, приводили к значительному перерасходу топлива. Да, в этом можно обвинить ГТ с его низким КПД, но все же предусмотреть блокировку ГТ и сделать рациональную, учитывающую тяжёлые условия движения, разбивку по передачам — работа конструктора.
Автор: В. Чобиток
Источники информации
- Чобиток В. А., Данков Е. В., Брижинев Ю. Н. и др. Конструкция и расчет танков и БМП. Учебник. — М. : Воениздат, 1984. — 376 с.
- TM 9-1727C. Ordnance maintenance : Hydra-matic transmission and propeller shafts for Light Tanks M5, M5A1, and 75-mm Howitzer Motor Carriage M8. — Washington : War Department, Feb. 5,1943.
- The Torqmatic Transmission Model 900-T. — Detroit, Michigan : Detroit Transmission Div., General Motor Corp., [n. a.]
- TM 9-755. 76-mm Gun Motor Carriage M18 and Armored Utility Vehicle M39. Technical manual. — Washington, D. C. : War Dep., Apr. 25, 1945.
- Catalogue of Standard Ordnance Items. Vol. 1. Tank and Automotive. 2nd edition. — Washington, D. C. : Office of the Chief of Ordnance Technical Division, 1944.
- TM 9-2800. Standard Military Motor Vehicles. Technical manual. — Washington, D. C. : War Dep., Sept. 1, 1943.
- TM 9-2800-1 / TO 19-75 A-89. Military Vehicles (Ordnance Corps Responsibility). — Washington, D. C. : Dep. of the Army and the Air Force, Feb. 13, 1953.
