ГИДРОУПРАВЛЯЕМЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛ С ПНЕВМОПОДЖИМНЫМИ ФРИКЦИОННЫМИ МУФТАМИ ДЛЯ ГУСЕНИЧНОЙ ТЕХНИКИ

Полезная модель относится к транспортному машиностроению и позволяет для гусеничной техники применить механизм поворота гусениц, содержащий в себе положительные качества механизмов поворота с отключением гусеницы (фрикционных муфт танк Т 34, планетарных редукторов танк Т 62, трактор Т 4, ДТ 75, схемы с двумя коробками передач танки Т 90, Т 95, тракторы Т 150), и безступенчатых механизмов поворота (танки АБРАМС М 1 и ЛЕОПАРД 2, АРМАТА 14, БМП 3, тракторы Т 200, АГРОМАШ ГТ 315).
Механизм поворота гусеничной техники должен быть дешевым и технологичным в производстве, в то же время управление техникой должно быть удобным и легким (как на технике с безступенчатыми механизмами поворота), в то же время механизм поворота должен иметь возможность для резкого маневра в сторону (как техника с отключением гусеницы для маневрирования во время боя), быть ремонтнопригоден и иметь большой ресурс.
На основе планетарных редукторов, дифференциалов и гидрообъемных передач можно спроектировать довольно много безступенчатых механизмов поворота гусеничной машины, где можно до минимума опустить паразитную мощность во время поворота, применить схемы рекуперации мощности, снизить мощность гидрообъемного контура. На практике схем, применяемых в безступенчатых механизмах поворота не так и много. На фиг.1 схема механизма поворота БМП-3, трактора Т-200, Челленджер-65 и пр. Крутящий момент от двигателя 1 поступает на коробку переключения передач 2 и через шестерню 11 вторичного вала коробки передач поступает на наружные шестерни 4 планетарных редукторов, расположенных параллельно оси движения машины. Затем крутящий момент поступает на коронные шестерни 5 и через сателлит 10, водило 7, поворотный редуктор 9, планетарную конечную передачу 8 поступает на ведущие звездочки 16, которые приводят в действие гусеницы машины Остановочные тормоза 17 применяются только для остановки машины. Солнечные шестерни 6 через прмежуточные шестерни 3 соединены между собой и соединены с шестерней 12 гидродвигателя 13. Гидродвигатель 13 соединен с аксиально поршневым,реверсивным, регулируемым масляным насосом 14 гидролиниями 15. Наклонный блок масляного насоса сервомеханизмом соединен со штурвалом управления. При нейтральном положении штурвала управления, масляный насос 14 блокирует подачу масла в гидродвигатель 13. Солнечные шестерни 6 планетарных редукторов неподвижны. Скорости вращения водил 7 планетарных редукторов одинаковы, скорости движения гусениц одинаковы, машина движется прямо. При повороте штурвала управления в ту или другую стороны, через сервомеханизм наклоняется блок масляного насоса в ту или другую стороны, вызывая движение масла и вращение гидродвигателя в ту или другую стороны. Солнечные шестерни 6 начинают вращение, причем в одном планетарном редукторе водило 7 начинает вращаться быстрее, в другом медленнее, вызывая в итоге поворот гусеничной машины в ту или другую стороны. При нейтральной передаче коробки передач, при повороте штурвала управления одна гусеница будет двигаться в одну сторону, другая в другую, вызывая поворот машины вокруг точки, полученной при пересечении диагоналей крайних точек касания гусениц земли.
На фиг. 2 схема механизма поворота танка Т-VI В, где вместо механической коробки передач для осуществления поворотов с фиксированными радиусами поворотов применен гидрообъемный контур, позволяющий получать безступенчатый механизм поворота. С доработками, усложнениями и дополнениями такая схема применяется на многих зарубежных боевых гусеничных машинах. Крутящий момент от двигателя 1 через коробку передач 2, идет на корпуса планетарных редукторов 3, которые расположены перпендикулярно оси движения машины, с разных сторон коробки переключения передач 2. Через коронную шестерню 16, сателлит 4, водило 20 поступает на планетарную конечную передачу 6, где коронная шестерня 5 нарезана в корпусе конечной передачи 6. Далее крутящий момент передается на ведущие звездочки 17, которые приводят в действие гусеницы. Тормоза остановочные 7 работают только для остановки машины. Солнечные шестерни 18 через зубчатые колеса 15, шестерни 14, промежуточную шестерню с валом 8 соединены между собой, и через шестерню 11 соединены с гидродвигателем 12, соединенным гидролиниями 10 и аксиально-поршневым реверсивным, регулируемым масляным насосом 9. Наклонный блок масляного насоса соединен сервомеханизмом со штурвалом управления. При нейтральном положении штурвала, при включенной передаче в коробке переключения передач 2, масляный насос 9 блокирует подачу масла в гидродвигатель 12. Солнечные шестерни 18 планетарных редукторов неподвижны. Водила 20 вращаются с одинаковыми скоростями, в итоге гусеничная машина движется прямо. При повороте штурвала управления в ту или другую стороны, через сервомеханизм наклоняется блок маслянного насоса 9 в ту или другую стороны, вызывая движение масла и вращение гидродвигателя 12 в ту или другую стороны. Солнечные шестерни 18 начинают вращение в разные стороны, вызывая в одном планетарном редукторе увеличение скорости вращения водила 20, в другом уменьшение. Это в конечном итоге вызывает поворот гусеничной машины в ту или другую стороны. При нейтральной передаче в коробке переключения передач 2, при повороте штурвала, одна гусеница будет двигаться в одну сторону, другая в другую, вызывая поворот машины вокруг точки, лежащей на пересечении диагоналей крайних точек касания гусениц земли.
Разница в этих механизмов поворота в расположении планетарных редукторов, на фиг.1 они расположены параллельно оси движения машины. На фиг.2 планетарные редукторы расположены перпендикулярно, по бокам коробки переключения передач. Это дорогие и сложные механизмы, позволяющие получать безступенчатый поворот гусеничной машины. Преимущества перед механизмами поворота с отключением гусеницы:
1. Увеличивается тяговое усилие машины.
2. Легкость управления на низких и высоких скоростях.
3. Тормоза используются только для остановки.
4. Возможность поворота машины на нейтральной передаче.
Наряду с положительными качествами, безступенчатый механизм поворота обладает и серьезными недостатками:
1. Низкая способность к резкому маеврированию.
2. При снижении КПД гидромашин на малом угле поворота штурвала управления гидродвигатель не может запуститься и поворот машины не происходит.
3. При резком повороте основной двигатель может заглохнуть из-за перегрузок вследствии появляющихся при крутом повороте паразитных мощностей.
4. Высокая цена и сложность трансмиссий.
5. Механизм поворота требует дорогого высококачественного масла, и очень тонкой его очистки.
6. При выходе из строя гидросистемы машина становится неуправляемой.
Системы поворота с отключением гусеницы при невысокой стоимости и технологичности производства, высоких способностей к резкому маневрированию имеют недостатки управления на высоких скоростях. При отключении гусеницы поворота не происходит вследствии сцепления гусениц с дорогой. Гусеницу нужно подтормозить ровно столько, сколько нужно для поворота. Гусеничную машину на больших скоростях тяжело удержать в рамках полосы движения для транспорта. (При движении колонн боевых гусеничных машин были случаи, когда гусеничная машина в прямом смысле переезжала встречный легковой автомобиль. Во избежании проблем, при движении по дорогам общего пользования колонн гусеничного транспорта встречный поток транспорта ликвидируется.) В то же время современные боевые машины должны быть способны двигаться на больших скоростях по дорогам общего пользования, не создавая проблем встречному потоку транспорта. Разработка перспективного танка Т 95 имела в начальном варианте две коробки передач, но военные выразили желание иметь механизм поворота, не уступающий по техническим характеристикам танкам Абраме и Леопард. Новый танк АРМАТА 14 имеет такой механизм поворота гусениц, который сейчас строго засекречен. Скорее всего проблемы будут те-же. Гидромашины после наработки какого- то ресурса требуют замены. В мирное время, пока техника основное время стоит в ангарах, иногда выезжая на учения, проблемы нет своевременно заменить гидромашины, дорогое масло гидросистемы и пр. А если война? На первом месте по снабжению войск боеприпасы и продовольствие. Опыт Афганской и Чеченских войн показывает, что как только во время войны ослабевает контроль за материальными ценностями, у солдат и офицеров появляется мысль, а нельзя ли продать? Для того чтобы продать боеприпасы и продовольствие противнику, нужно преодолеть серьезный психологический барьер (на это способны единицы). А вот если продать своим что-то второстепенное, запчасти, комплектующие и прочее, что легко списать, то желающих находится довольно много даже в мирное время. Гидромашины и масло вполне подходят в эту категорию товаров.
Предлагаемый механизм поворота содержит в себе как бы два механизма поворота, работающие параллельно, и в зависимости от ситуации для управления гусеничной машиной применяется тот или другой вариант. При выходе из строя гидрообъемного контура, возможна работа механизма поворота с отключением гусеницы, при выходе из строя механизма отключения гусениц, пневмоподжимные фрикционные муфты блокируются механически, возможна работа только безступенчатого механизма поворота, при выходе из строя и того и другого механизма, есть возможность на гусеничной машине применить простой фифференциальный механизм поворота, как на танке Т-37А. Управлять очень тяжело, неудобно, но гусеничная машина может двигаться и даже воевать.
За основу берется трансмиссия с механизмом отключения гусениц на основе одноступенчатого планетарного редуктора с тормозом солнечной шестерни фиг. 3. Тормозные барабаны солнечных шестерен заменяются на зубчатые колеса 4. Тормозные барабаны конечной передачи заменяются на тормозные диски 30, устанавливаются дисковые тормоза 31. Крутящий момент, от двигателя 1, через коробку передач 2 поступает на сдвоенный планетарный редуктор, где через коронные шестерни 3, сателлиты 5, водила 10, силовые полуоси 6 поступает на планетарные конечные передачи 7, или на обычные конечные передачи 29, затем на звездочки 9 и гусеницы. Солнечные шестерни 28 жестко соединены с зубчатыми колесами 4, которые через шестерни 12, с пневмоподжимными фрикционными муфтами 13, валы 27, конические шестерни 14, коническую вал шестерню 15 соединены между собой. Коническая вал-шестерня 15 соединена с гидродвигателем 16 гидрорбъемного контура ГОП. Возможен вариант, когда гидродвигатель 16 соединяется с распределителем 18 маслопроводами 22 и управляется им, приводимым в действие штурвалом управления 17. Масляный насос 20 забирает масло с масляного бака 19 и подает его на распределитель 18. При нейтральном положении штурвала управления масло через перепускной клапан сливается в бак. Пневмоподжимные фрикционы 13 приводятся в действие давлением воздуха 6-8 атмосфер. Компрессор 21 забирает воздух и подает его в рессивер 23 через распределители 25, которые приводятся в действие ручками управления 26, подает его в пневмоподжимные фрикционные муфты 13 с упорными подшипниками. Тормоза остановочные 8 конечных передач, ленточные или колодочные при планетарной конечной передаче 7, или дисковые 31 при классической конечной передаче 29.
При нейтральном положении штурвала управления 17, распределитель 18 находится в нейтральном положении. Ход маслу заблокирован. Гидродвигатель 16 заблокирован, его вал неподвижен. При нейтральном положении пневмораспределителей 25, воздух под давлением поступает в пневмоподжимные муфты 13 и они находятся во включенном состоянии. Солнечные шестерни 28 заблокированы гидродвигателем и неподвижны. Крутящий момент от двигателя 1, через коробку передач 2 поступает на коронные шестерни 3 планетарных редукторов, и через сателлиты 5, водила 10, силовые полуоси 6 поступает на конечные передачи 7 и 29, затем на звездочки 9 и гусеницы. Гусеничная машина идет прямо. При повороте штурвала управления 17 в ту или другую сторону, распределитель подает масло той или иной направленности, и гидродвигатель 16 начинает вращаться в ту или иную стороны. В итоге начинают вращаться солнечные шестерни 28 планетарных редукторов, в одно водило 10 добавляя скорости, из скорости другого вычитая. Конечные передачи и звездочки 9 вращаются с разными скоростями, вызывая поворот гусеничной машины. При повороте штурвала управления при нейтральной передаче коробки передач, одна гусеница будет вращаться в одну сторону, другая в другую, вызывая поворот техники вокруг точки, полученной при пересечении диагоналей крайних точек касания гусениц земли.
При нейтральном положении штурвала управления 17, при переводе пневмораспределителя 25 из нейтрального положения в положение отключения гусеницы, пневмомагистраль, идущая от пневмоподжимной муфты 13 соединяется с атмосферой, пневмомуфта 13 отключается, позволяя свободно вращаться валу 27 и шестерне 12, связанной через зубчатое колесо 4 с солнечной шестерней 28. Крутящий момент от двигателя 1, через коробку передач 2, поступает на сдвоенный планетарный редуктор. В той стороне, где пневмомуфта включена, гидродвигателем 16 заторможена солнечная шестерня 28, и крутящий момент через водило 10 поступает на конечную передачу, звездочку 9 на гусеницу. Во втором планетарном редукторе солнечная шестерня может свободно вращаться, и крутящий момент уходит на нее. Водило 10 может стоять на месте. Гусеница отключена. Если отключенную гусеницу затормозить остановочным тормозом, то машина совершит поворот на месте вокруг точки, находящейся посередине заторможенной гусеницы. Если отпустить тормоз, и распределителем 25 подать воздух в пневмомуфту с упорным подшипником 13, включится пневмомуфта 13 соединив шестерню 12 с валом 27. Солнечная шестерня 28 остановится, и крутящий момент пойдет через водило 10, конечную передачу, звездочку 9 на гусеницу. Гусеничная машина пойдет прямо.
Возможна установка фрикционных муфт и в схемах механизмов поворота, показанных на фиг. 1, фиг. 2. Фрикционные муфты на фиг.1 устанавливаются на шестерне 3, и будут во включенном состоянии блокировать солнечную шестерню 6 с шестерней 12 гидродвигателя 13. Фрикционные муфты на фиг. 2 устанавливаются в шестернях 14 и будут блокировать во включенном состоянии солнечную шестерню 18 с шестерней 11 гидродвигателя 12
Преимущества безступенчатого механизма поворота безспорны, но есть проблемы, это высокая стоимость гидрообъемного контура и его ограниченный ресурс. Описанный механизм при сравнивании с классическим безступенчатым механизмом поворота, фиг. 1, фиг. 2, имеет следующие преимущества:
1. При эксплуатации техники, применяя в одних случаях безступенчатый механизм поворота, в других механизм отключения гусеницы, при том же ресурсе гидрообъемного контура, наработка гусеничной машины будет намного больше.
2. При снижении технических характеристик гидрообъемного контура, механизм отключения гусеницы в одних случаях будет помогать запуску гидродвигателя, в других заменять его. (При движении гусеничной машины на больших скоростях, на хорошей дороге, если гидродвигатель не запускается, достаточно на доли секунды отключить гусеницу, сопротивление запуску двигателя уменьшится вдвое, и гидродвигатель запустится, поворот будет выполнен, в ряде случаев для поворота достаточно будет отключить гусеницу).
3. При выходе из строя гидрообъемного контура, гусеничная машина может довольно успешно эксплуатироваться с механизмом отключения гусениц.
4. При выходе из строя механизма отключения гусениц, гусеничная машина может довольно успешно эксплуатироваться с механизмом безступенчатого поворота. Для этого нужно механически заблокировать фрикционные муфты.
5. При выходе из строя и того, и другого механизма, возможен вариант применения обычного дифференциального механизма. Демонтируется гидродвигатель, механически блокируются фрикционные муфты и поворот осуществляется остановочными тормозами, как на танке Т 37 А. Управление очень тяжелое, неудобное, но для решения краткосрочных, неотложных задач вполне приемлемо.
6. Возможно применение гидропривода меньшей мощности.
7. Конструкция сдвоенных планетарных редукторов применяется на большом количестве гусеничной техники с механизмом поворота с отключением гусеницы с помощью одноступенчатого планетарного редуктора с тормозом солнечной шестерни. Это очень дешевые и технологичные в производстве механизмы, очень ремонтнопригодные, возможна модернизация техники, находящейся в эксплуатации.
8. Замена тормозных элементов пневмофрикционных муфт выполняется очень быстро. Замена тормозных элементов дисковых тормозов тоже не займет много времени. Замена всех тормозных элементов может быть проведена в рамках ежедневного технического обслуживания (замена одной тормозной ленты на технике с тормозом солнечной шестерни может занять как минимум рабочую смену).
При сравнении с механизмом отключения гусеницы предлагаемый механизм имеет следующие преимущества (Харьковский тракторный завод проводил сравнительные испытания трактора Т 150 с безступенчатым механизмом поворота с трактором Т 150 с фрикционным механизмом поворота. С.Л. Абдулла, С.П. Гудзь, 3.Э. Забельшин, В.Б. Самородов “Безступенчатый механизм поворота гусеничных тракторов ХТЗ”. Вести Академии инженерных наук Украины №1 (28) 2006 г.):
1. Значительное увеличение тяги с 4.5 т.до 6 т.
2. Повышение производительности на 30%, снижение расхода топлива на 17%.
3. Снижение нагрузок на детали трансмиссии, увеличение ресурса.
4. Улучшение условий труда механизатора, снижение с напряженных и очень напряженных до нормальных.
Конструктивно фрикционная муфта может быть пневмоподжимной, гидроподжимной, электроподжимной, пружинноподжимной с приводом пневмо, гидро, электро или механическим. Для гусеничной техники, имеющей пневмоситему, вполне может подойти вариант пневмоподжимной муфты с упорным подшипником, с закреплением пневмокамеры на корпусе, усилие штока камеры через упорный подшипник передается на нажимной диск. Ведущие фрикционные диски на шлицах могут перемещаться в корпусе, соединенном с шестерней. Ведомые диски шлицами соединены с валом и могут по нему перемещаться. При демонтаже пневмокамеры, фрикционные диски очень быстро можно заменить. Это дешевый вариант с возможностью быстрой замены фрикционных дисков. Имеет увеличенный габарит и несколько увеличенный вес. Компактные и более легкие варианты будут иметь большую стоимость, увеличенное время на замену фрикционных дисков вследствии более сложной сборки-разборки. Механическая блокировка пневмоподжимной фрикционной муфты может быть выполнена установкой вместо ведущих и ведомых дисков, стальных дисков, имеющих наружные и внутренние шлицы, с помощью которых шестерня и вал жестко стопорятся независимо от усилия на нажимной диск. Для сельскохозяйственной и промышленной гусеничной техники на первом плане будет цена и время замены тормозных элементов. Для военной гусеничной техники на первом месте будет надежность, ресурс, габариты. Цена для военной техники не стоит на первом месте, но играет существенную роль. Фрикционные муфты не являются уникальными деталями, имеют простое устройство; технологичны в производстве, имеют низкую цену, и для каждого конкретного случая можно подобрать что-то подходящее, либо доработать, либо спроектировать что-то новое.
При взятии за основу сдвоенного планетарного редуктора механизма отключения гусениц с помощью одноступенчатого планетарного редуктора с тормозом солнечной шестерни получается механизм поворота, имеющий положительные качества, как безступенчатого механизма поворота, так и механизма поворота с отключением гусеницы. Для некоторых типов гусеничной техники возможна модернизация вне условий завода.
После появления безступенчатых механизмов поворота встал вопрос, какой механизм лучше? Плюсы и минусы есть в обоих механизмах поворота. Идея совместить в одном механизме поворота и механизм с отключением гусеницы, и безступенчатый механизм поворота дает ответ на этот вопрос. Они должны работать параллельно, а тракторист или механик водитель будет выбирать для решения конкретной задачи тот или другой вариант, в зависимости от условия задачи, состояния техники, и личных предпочтений каждого конкретного тракториста или механика водителя.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение заключается в расширении арсенала технических средств в данной области.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков является возможность модернизации гусеничной сельскохозяйственной, промышленной, транспортной военной техники с целью повышения технических характеристик, включающих в себя положительные качества безступенчатого механизма поворота и механизма отключения гусеницы.