Бесступенчатый механизм поворота быстроходной гусеничной машины

 

Изобретение относится к наземной транспортной технике, а конкретно к механизмам поворота быстроходных гусеничных машин. Механизм поворота включает в себя гидрообъемную передачу, состоящую из регулируемого насоса, нерегулируемого мотора и соединяющих их двух гидролиний, два суммирующих планетарных механизма, водила которых соединены с ведущими колесами машины и снабжены остановочными тормозами, эпициклические зубчатые колеса через две отключаемые соединительные фрикционные муфты соединены с выходным валом коробки передач. Кроме того, водила и эпициклические колеса суммирующих планетарных механизмов попарно соединены между собой, солнечные зубчатые колеса соединены дополнительным приводом с мотором гидрообъемной передачи таким образом, что при вращении мотора солнечные колеса вращаются с одинаковыми по величине и направлению угловыми скоростями. Дополнительный привод снабжен двумя фрикционными управляемыми муфтами для поочередного или одновременного отключения солнечных зубчатых колес суммирующих планетарных механизмов от мотора гидрообъемной передачи, а солнечные колеса снабжены двумя индивидуальными управляемыми тормозами. Технический результат заключается в улучшении показателей подвижности машины в прямолинейном движении и повороте, уменьшении массогабаритных параметров механизма поворота, а также повышении его надежности и долговечности. 1 ил.

Изобретение относится к наземной транспортной технике, а конкретно к механизмам поворота быстроходных гусеничных машин.

Известен наиболее распространенный в современной бронетанковой технике бесступенчатый механизм поворота с гидрообъемной передачей и двумя одинаковыми суммирующими планетарными механизмами, см., например, Чобиток В.А. Конструкция и расчет танков и БМП.- М.: Военное издательство, 1984, с.256, рис.100 (механизм поворота основного танка США М-1 "Абрамc"). Принципиально такое же устройство имеют механизмы поворота современных танков и боевых машин пехоты Франции, Великобритании, Швеции, Швейцарии, Японии, Южной Кореи, ЮАР и России.

Недостатками аналога являются затрудненность входа в поворот из-за необходимости создания в гидрообъемной передаче большого пускового (страгивающего) момента и перегрузка гидрообъемной передачи на переходных режимах входа машины в поворот и выхода из поворота вследствие возникновения динамических (инерционных) нагрузок, вызывающих срабатывание предохранительного клапана гидрообъемной передачи и в результате потерю управляемости машиной, то есть неадекватность изменения величины радиуса поворота углу поворота штурвала, особенно при резких поворотах штурвала. Кроме того, недостатком является необходимость использования в механизме поворота гидрообъемной передачи с большой установочной мощностью - не меньше чем номинальная мощность двигателя машины для получения высоких показателей подвижности машины при повороте из-за передачи всей мощности, вырабатываемой двигателем, к движителю при вращении машины на месте только через гидрообъемную передачу.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности признаков и достигаемому эффекту является механизм поворота основного танка "Леопард-2" (Германия), см., например, Чобиток В.А. и др. Конструкция танков и БМП.- М.: Военное издательство, 1984, с.265, рис.104.

В прототипе параллельно гидрообъемной передаче установлена сдвоенная гидродинамическая муфта, насосное колесо которой кинематически связано с валом насоса гидрообъемной передачи, а два турбинных колеса связаны с валом мотора гидрообъемной передачи таким образом, что эти турбинные колеса могут одновременно вращаться только в противоположных направлениях. Вал мотора и турбинные колеса сдвоенной гидромуфты в свою очередь связаны с солнечными зубчатыми колесами суммирующих планетарных механизмов двумя зубчатыми передачами, обеспечивающими возможность вращения солнечных колес только с одинаковыми по величине и противоположно направленными угловыми скоростями. Механизм поворота снабжен автоматической системой избирательного дозированного заполнения и опорожнения гидромуфт рабочей жидкостью. Эта автоматическая система работает по скорости нарастания давления в напорной магистрали гидрообъемной передачи, заполняя рабочей жидкостью ту гидромуфту, в которой при повороте машины направление вращения насосного и турбинного колес совпадает, обеспечивая передачу мощности от двигателя машины к суммирующим планетарным механизмам не одним потоком, как в аналоге, а двумя параллельными - через гидрообъемную передачу и через гидромуфту, обеспечивая, тем самым, снижение мощностной нагрузки гидрообъемной передачи.

Такое техническое решение позволяет обеспечить легкий запуск вращения вала гидромотора при входе машины в поворот благодаря разгоняющему крутящему моменту гидромуфты и защиту гидрообъемной передачи от динамических перегрузок в переходных процессах входа в поворот и выхода из него, а также при резком изменении величины радиуса в процессе поворота машины. Таким образом, в прототипе устраняются недостатки аналога, правда, ценой значительного усложнения конструкции механизма поворота при очевидном и неизбежном увеличении его массогабаритных и стоимостных показателей.

Недостатками прототипа являются неустойчивость прямолинейного движения машины при разных сопротивлениях качению по бортам из-за податливости гидрообъемной передачи, то есть машина склонна к самопроизвольному уводу в сторону того борта, где сопротивление качению выше; недостаточная смазка подвижных частей насоса гидрообъемной передачи при длительном прямолинейном движении машины с одинаковыми сопротивлениями качению по бортам и, следовательно, с нулевой разностью давлений в гидролиниях гидрообъемной передачи, что снижает надежность и долговечность насоса гидрообъемной передачи - одного из самых сложных и дорогостоящих узлов трансмиссии машины. Существенным недостатком прототипа является вход машины в поворот без снижения скорости поступательного движения ее геометрического центра, что или провоцирует занос машины, или вызывает необходимость заблаговременного (до входа в поворот) переключения коробки передач на одну, а при высоких скоростях движения на две передачи в нисходящем порядке для снижения скорости машины, что усложняет управление машиной. Недостатком является и неустойчивость вращения машины на месте из-за нейтрали коробки передач на этом режиме движения и появления, вследствие этого лишней степени свободы в механизме поворота, в результате при вращении машины с разными по величине сопротивлениями качению по бортам, это вращение вырождается в поворот вокруг того борта, где сопротивление качению больше. При этом невозможно имеющимися средствами управления машиной скомпенсировать это явление.

Наконец, к недостаткам прототипа можно отнести и то обстоятельство, что при выходе из строя гидрообъемной передачи управляемое движение машины возможно только при механическом отсоединении гидромотора от суммирующих планетарных механизмов, а оставшаяся работоспособной часть механизма поворота представляет собой, по сути, простой симметричный дифференциал с двумя степенями свободы и, вследствие этого, прямолинейное движение машины становится совершенно неустойчивым, а поворот машины можно осуществлять только включением остановочного тормоза на отстающем борту, снижая скорость машины практически до нулевой.

Предлагаемое изобретение позволяет устранить все отмеченные недостатки прототипа.

Цель изобретения - улучшение показателей подвижности машин при одновременном уменьшении массогабаритных параметров механизма поворота, а также повышении его надежности и долговечности.

Указанная задача решается тем, что бесступенчатый механизм поворота быстроходной гусеничной машины, содержащий гидрообъемную передачу с регулируемым насосом и нерегулируемым мотором, два суммирующих планетарных механизма, состоящие каждый из эпициклического зубчатого колеса, соединенного с выходным валом коробки передач, водила, соединенного с ведущим колесом, и солнечного зубчатого колеса, соединенного дополнительным приводом с мотором гидрообъемной передачи, причем передаточные числа дополнительного привода от мотора до каждого из двух солнечных колес одинаковы по абсолютной величине, в котором согласно изобретению дополнительный привод выполнен в виде двух зубчатых передач с одинаковым числом внешних цилиндрических зубчатых зацеплений между мотором и каждым из солнечных колес суммирующих планетарных механизмов снабжен двумя соединительными отключаемыми фрикционными муфтами и двумя управляемыми тормозами, эпициклические колеса суммирующих планетарных механизмов соединены с выходным валом коробки передач посредством двух отключаемых фрикционных муфт, а водило каждого суммирующего планетарного механизма соединено с эпициклическим колесом другого суммирующего планетарного механизма.

Благодаря наличию двух включенных соединительных фрикционных муфт между выходом коробки передач и каждой из двух выходных полуосей механизма поворота обеспечивается устойчивое прямолинейное движение машины.

Благодаря работе гидрообъемной передачи с ненулевыми разностями давлений в гидролиниях на всех режимах движения машины осуществляется постоянная надежная смазка ходовых частей насоса и мотора гидрообъемной передачи.

Из-за наличия постоянной (с неизменным передаточным числом) кинематической связи выхода коробки передач с ведущим колесом забегающего борта посредством включенной фрикционной муфты обеспечивается автоматическое, без переключения в коробке передач, снижение скорости машины при входе в поворот и увеличение ее скорости при выходе из поворота.

Так как в предложенном механизме поворота мотор гидрообъемной передачи уже вращается при прямолинейном движении машины и при входе в поворот его вращение следует замедлять, отпадает необходимость создания пускового крутящего момента в моторе при входе машины в поворот.

Благодаря наличию в дополнительном приводе фрикционных управляющих элементов - муфт и тормозов, помогающих гидрообъемной передаче в переходных процессах, осуществляется защита гидрообъемной передачи от динамических перегрузок при входе машины в поворот и выходе из него.

Из-за обеспечения передачи мощности от двигателя машины к ее движителю двумя потоками - через гидрообъемную передачу и через коробку передач на всех режимах поворота, включая вращение машины на месте, возможно использование в механизме поворота гидрообъемной передачи с относительно невысокой установочной мощностью.

Благодаря отсутствию на режиме вращения машины на месте лишней степени свободы в механизме поворота из-за того, что в коробке передач включена низшая передача, а не нейтраль, обеспечивается вполне устойчивое и управляемое вращения машины.

При возможном выходе из строя гидрообъемной передачи штатный бесступенчатый механизм поворота легко превращается в полноценный двухступенчатый планетарный механизм поворота, обеспечивающий машине вполне удовлетворительные показатели подвижности прямолинейного движения и поворота.

Возможность использования гидрообъемной передачи механизма поворота для обеспечения максимально эффективного торможения машины двигателем и для запуска двигателя машины с помощью буксира существенно расширяет круг функциональных возможностей механизма поворота.

Кинематическая схема заявляемого механизма поворота быстроходной гусеничной машины представлена на чертеже.

Механизм поворота содержит реверсивную гидрообъемную передачу 1, образованную регулируемым насосом 2, нерегулируемым мотором 3 и гидролиниями, соединяющими насос и мотор. Вал насоса 2 связан с двигателем машины, а вал мотора 3 посредством дополнительного привода 4, содержащего две одинаковые зубчатые передачи 5 и 6 и снабженного двумя соединительными отключаемыми фрикционными муфтами 7 и 8, а также двумя включаемыми тормозами 9 и 10, - с солнечными зубчатыми колесами двух суммирующих планетарных механизмов 11 и 12. Водило планетарного механизма 11 соединено с эпициклическим зубчатым колесом планетарного механизма 12 и с выходной полуосью 13 механизма поворота. Водило планетарного механизма 12 соединено с эпициклическим зубчатым колесом планетарного механизма 11 и с выходной полуосью 14 механизма поворота. Полуоси 13 и 14 снабжены остановочными тормозами 15 и 16 и через бортовые редукторы 17 и 18 связаны с ведущими колесами 19 и 20 бортов машины. Выходные полуоси 13 и 14 посредством двух соединительных отключаемых фрикционных муфт 21 и 22 также связаны с коробкой передач машины через согласующий редуктор 23.

Механизм поворота работает следующим образом.

Перед началом движения машины насос 2 гидрообъемной передачи 1 установлен на нулевую производительность, вследствие этого вал мотора 3 не вращается несмотря на работающий двигатель машины. В гидромеханической коробке передач - нейтраль. После прогрева двигателя включается передача и увеличивается производительность насоса 2. Вал мотора 3 начинает вращаться и через дополнительный привод 4 с включенными соединительными фрикционными муфтами 7 и 8 вращает солнечные колеса суммирующих планетарных механизмов 11 и 12 с одинаковыми по величине и направлению угловыми скоростями благодаря одинаковым зубчатым передачам 5 и 6. Точно с такими же угловыми скоростями вращаются водила и эпициклические колеса обоих суммирующих планетарных механизмов 11 и 12. По мере разгона машины необходимо синхронно увеличивать производительность насоса 2, что проще всего осуществлять посредством элементарной автоматической системы, работающей по отклонению давления в напорной гидролинии гидрообъемной передачи. Настройка автоматической системы управления производительностью насоса 2 должна поддерживать уровень давления, обеспечивающий надежную смазку ходовых частей насоса 2 и мотора 3. По завершении разгона машины на первой передаче произойдет скачок давления в напорной гидролинии гидрообъемной передачи из-за падения величины мощности, подводимой к механизму поворота от гидромеханической коробки передач. Этот скачок давления целесообразно использовать в качестве управляющего сигнала для автоматического переключения на вторую и последующие передачи.

Прямолинейное движение машины вполне устойчиво, что обеспечивается прямым соединением полуосей 13 и 14 через включенные и имеющие необходимый запас по моменту соединительные фрикционные муфты 21 и 22 с согласующим редуктором 23 на выходе коробки передач.

Торможение машины при ее прямолинейном движении может осуществляться двигателем машины путем передачи тормозной мощности от ведущих колес 19 и 20 через суммирующие планетарные механизмы 11 и 12, дополнительный привод 4 и гидрообъемную передачу 1 к двигателю машины, причем бесступенчатой регулировкой производительности насоса 2 можно обеспечивать максимальную допустимую угловую скорость вала двигателя при любой скорости движения машины. Торможение двигателем можно осуществлять при нейтрали коробки передач, что недостижимо ни в аналоге, ни в прототипе.

Для более интенсивного торможения можно включать тормоза 9 и 10, а также штатные остановочные тормоза 15 и 16. При этом тормозная мощность распределяется между четырьмя тормозами и двигателем машины, что существенно снижает нагрев и износ тормозов и повышает устойчивость движения машины при торможении.

Используя возможность передачи мощности с ведущих колес на вал двигателя машины через гидрообъемную передачу 1, можно осуществлять запуск двигателя с буксира, что невозможно ни в аналоге, ни в прототипе в случае применения автоматической коробки передач с гидравлическим управлением.

Переход к криволинейному движению (повороту) машины осуществляют поворотом штурвала в сторону отстающего борта. Рассмотрим, например, поворот машины при отстающем ведущем колесе 19 и забегающем ведущем колесе 20. При повороте штурвала на угол, превышающий его люфт, одновременно полностью выключаются фрикционные муфты 8 и 21, а управление производительностью насоса 2 переключается непосредственно на штурвал, причем производительность насоса уменьшается с увеличением угла поворота штурвала. Угловая скорость вала мотора 3 при этом снижается и через дополнительный привод 4 и включенную фрикционную муфту 7 обеспечивает уменьшение угловой скорости солнечного колеса суммирующего планетарного механизма 11. Угловая скорость эпициклического колеса планетарного механизма 11, водила планетарного механизма 12 и связанной с ними полуоси 14 остается той же, что и до входа машины в поворот благодаря включенной фрикционной муфте 22, то есть на забегающем борту машины в повороте сохраняется скорость прямолинейного движения, которая была до входа машины в поворот. Угловая скорость водила планетарного механизма 11, эпициклического колеса планетарного механизма 12 и связанной с ними полуоси 13 снижается, а угловая скорость солнечного колеса планетарного механизма 12 увеличивается, чему не препятствует выключенная фрикционная муфта 8. Машина входит в так называемый бортовой поворот с автоматическим, без переключения коробки передач, уменьшением скорости геометрического центра машины. Скорость центра машины уменьшается пропорционально уменьшению величины радиуса поворота, что практически исключает необходимость переключения передачи на одну в нисходящем порядке перед входом машины в поворот и совершенно исключает переключение на две передачи.

При входе в поворот машины с предлагаемым механизмом поворота полностью отпадает проблема создания пускового момента для страгивания вала гидромотора 3 с места, так как он, в отличие от прототипа, перед входом в поворот уже вращался и в повороте его надо не разгонять, а замедлять.

Для защиты гидрообъемной передачи от динамической перегрузки в переходном процессе входа в поворот следует дозированно включить тормоз 9, помогающий гидрообъемной передаче 1 замедлить вращение солнечного колеса планетарного механизма 11. Проще и надежнее всего это делать с помощью элементарной автоматической системы управления включением тормозов 9 или 10 по скорости нарастания давления в гидролиниях гидрообъемной передачи 1. По сути, тормоза 9 и 10 выполняют ту же функцию, что и регулируемые заполнением гидромуфты прототипа, будучи при этом намного проще, компактнее и дешевле и, совершенно очевидно, обладая существенно большим быстродействием, чем регулируемая гидромуфта.

При повороте машины величину радиуса поворота регулируют изменением производительности насоса 2 гидрообъемной передачи 1. После входа машины в поворот можно уменьшать радиус поворота, уменьшая производительность насоса 2, вплоть до его нулевой производительности. На этом режиме произойдет остановка вала мотора 3 и связанного с ним солнечного колеса планетарного механизма 11. Машина будет поворачивать с фиксированным радиусом, величина которого определяется размером колеи машины и величиной кинематической характеристики суммирующих планетарных механизмов 11 и 12. Вся мощность, вырабатываемая двигателем машины, будет передаваться к ведущему колесу 20 только через коробку передач с минимальными потерями, а тормозная мощность с ведущего колеса 19 будет передаваться (рекуперироваться) на ведущее колесо 20 через суммирующие планетарные механизмы 11 и 12. Энергетически это наиболее выгодный режим поворота с нулевой мощностной загрузкой гидрообъемной передачи и, следует заметить, такой режим принципиально недостижим ни в аналоге, ни в прототипе.

Для получения радиусов поворота, меньших, чем промежуточный фиксированный, следует, используя гидравлический реверс, начать увеличивать производительность насоса 2, продолжая поворачивать штурвал машины в сторону отстающего борта. Вал мотора 3 начинает вращаться в противоположном по сравнению с тем, что было до фиксированного радиуса, направлении, обеспечивая через дополнительный привод 4 противовращение солнечного колеса в планетарном механизме 11, тем самым продолжая уменьшать угловую скорость водила этого планетарного механизма и, соответственно, угловую скорость отстающего ведущего колеса 19. В случае динамической перегрузки гидрообъемной передачи 1 в этом диапазоне следует, воспользовавшись автоматической системой управления, подключить с необходимой пробуксовкой остановочный тормоз 15 отстающего борта машины для недопущения превышения максимально допустимого давления в напорной гидролинии гидрообъемной передачи.

При достижении определенной производительности насоса 2 и угловой скорости мотора 3, скорость вращения полуоси 13 и ведущего колеса 19 уменьшится до нулевого значения и машина будет поворачивать вокруг остановленного отстающего борта с радиусом, равным колее машины.

Если после этого продолжать поворачивать штурвал, увеличение отрицательной угловой скорости солнечного колеса суммирующего планетарного механизма 11 обеспечит вращение полуоси 13 и ведущего колеса 19 в направлении заднего хода (реверс отстающего борта). При достижении ведущим колесом 19 угловой скорости, равной по абсолютной величине угловой скорости ведущего колеса 20, вращающегося в направлении переднего хода, машина будет поворачивать на месте, вокруг вертикальной оси, с радиусом поворота, равным половине колеи машины. Вращение машины устойчиво и при необходимости легко корректируется доворотом или отворотом штурвала.

Отметим, что предлагаемый механизм поворота позволяет поворачивать с любым радиусом в диапазоне от равного колее до половины колеи, что принципиально недостижимо ни в аналоге, ни в прототипе, где переход к вращению машины на месте осуществляется скачком, дискретно, только после полной остановки машины.

Очевидно также, что в диапазоне радиусов поворота меньше колеи и до вращения на месте, включительно, мощность от двигателя через механизм поворота передается к ведущим колесам 19 и 20 двумя потоками: через гидрообъемную передачу и коробку передач с согласующим редуктором 23 и включенной фрикционной муфтой 22. Коробка передач при этом, в отличие от аналога и прототипа, не переключается на нейтраль, а остается на первой (низшей) передаче. Это обстоятельство позволяет использовать в механизме поворота гидрообъемную передачу 1 с меньшей установочной мощностью, как раз на величину мощности, передаваемой через коробку передач при вращении машины на месте.

При выводе машины из поворота возвращают штурвал в исходное положение, при этом автоматически включатся фрикционные муфты 8 и 21, уравнивая угловые скорости всех основных звеньев планетарных механизмов 11 и 12, безусловно защищая при этом гидрообъемную передачу 1 от возможной динамической перегрузки в переходном процессе. Возврат штурвала в исходное положение также восстанавливает производительность насоса 2 до величины, соответствующей прямолинейному движению машины после ее выхода из поворота.

В случае выхода из строя гидрообъемной передачи 1 следует отсоединить ее от дополнительного привода 4, выключив одновременно две фрикционные муфты 7 и 8. Оставшаяся часть штатного механизма поворота превратится при этом в полноценный резервный однопоточный зубчато-фрикционный механизм поворота - двухступенчатый планетарный, образованный двумя суммирующими планетарными механизмами 11 и 12, двумя фрикционными муфтами 21 и 22, двумя тормозами 9 и 10 дополнительного привода и двумя остановочными тормозами 15 и 16. Устойчивое прямолинейное движение машины обеспечивается включенными фрикционными муфтами 21 и 22, блокирующими планетарные механизмы 11 и 12. Поворот машины начинается с выключения фрикционной муфты 21 отстающего борта. Мощность, вырабатываемая двигателем машины, через коробку передач, согласующий редуктор 23, включенную фрикционную муфту 22, полуось 14 и бортовой редуктор 18 передается на ведущее колесо 20 забегающего борта. Из-за одновременного отключения фрикционных муфт 7 и 21 ведущее колесо 19 вращается вхолостую, не создавая на отстающем борту ни тягового, ни тормозного усилия. Машина вводится в режим свободного неуправляемого поворота. Для получения регулируемых радиусов поворота следует включить с дозированной пробуксовкой тормоз 9, который создаст на отстающем борту необходимое тормозное усилие. Тормозная мощность отстающего борта будет частично рассеиваться в буксующем тормозе 9, частично рекуперироваться на забегающий борт через планетарные механизмы 11 и 12. При полном включении тормоза 9 машина будет поворачивать с фиксированным радиусом и полной рекуперацией тормозной мощности. Для получения радиусов поворота меньших, чем фиксированный, следует отключить тормоз 9 и включить с дозированной пробуксовкой остановочный тормоз 15 отстающего борта. При этом вся тормозная мощность будет рассеиваться в буксующем тормозе 15. Полное включение тормоза 15 остановит ведущее колесо 19 и обеспечит поворот машины с минимальным радиусом, равным колее машины.

Резервный механизм поворота, каждый элемент которого выполняет на разных режимах движения машины, как с исправной, так и с вышедшей из строя гидрообъемной передачей 1, несколько различных функций, обеспечивают машине вполне удовлетворительные показатели подвижности в прямолинейном движении и в повороте, поэтому может использоваться не только в аварийной ситуации, чтобы экипаж мог самостоятельно, без буксира, добраться до сборного пункта поврежденных машин, но и при движении исправной машины в несложных условиях, например, при совершении марша вне населенных пунктов по дорогам и подготовленным колонным путям, для сбережения ресурса гидрообъемной передачи.

Формула изобретения

Бесступенчатый механизм поворота быстроходной гусеничной машины, содержащий гидрообъемную передачу с регулируемым насосом и нерегулируемым мотором, два суммирующих планетарных механизма, состоящие каждый из эпициклического зубчатого колеса, соединенного с выходным валом коробки передач, водила, соединенного с ведущим колесом, и солнечного зубчатого колеса, соединенного дополнительным приводом с мотором гидрообъемной передачи, причем передаточные числа дополнительного привода от мотора до каждого из двух солнечных колес одинаковы по абсолютной величине, отличающийся тем, что дополнительный привод выполнен в виде двух зубчатых передач с одинаковым числом внешних цилиндрических зубчатых зацеплений между мотором и каждым из солнечных колес суммирующих планетарных механизмов, снабжен двумя соединительными отключаемыми фрикционными муфтами и двумя управляемыми тормозами, эпициклические колеса суммирующих планетарных механизмов соединены с выходным валом коробки передач посредством двух отключаемых фрикционных муфт, а водило каждого суммирующего планетарного механизма соединено с эпициклическим колесом другого суммирующего планетарного механизма.

РИСУНКИ

Рисунок 1