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苏联战后早期的双流传动装置

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发表于 2018-10-15 14:50:15 | 显示全部楼层 |阅读模式
苏联战后早期的双流传动装置
   АТ-Л牵引车(1947)
   770工程重型坦克(1957)
   195工程轻型坦克(1959)
   906工程水陆坦克(1961)
   914Б工程步兵战车(1964)
卫国战争中,由СУ-76М自行火炮底盘和传动系统发展了И-12、И-13牵引车,战后又发展了М-12A、М-1和М-2等型号,由此得以解决自行火炮的修理备件供应问题。本来在战后也预定要基于新的自行火炮底盘系统发展对应的新型炮兵牵引车,但传统设计业已落后,并不能完全满足军队对于新一代炮兵武器系统的需求。主要问题出在复杂地形上的速度较低、操纵迟缓、恶劣环境下耐久性差、载重不足、维护繁琐等。尤其是,有的牵引车就连牵引绞盘都没有。
1946年底,哈尔科夫拖拉机厂的工程师们在N. G. Zubarev领导下开展研发工作,旨在发展一种全新的轻型炮兵牵引车。该车将能拖曳重达6吨的拖车,使用和M-2牵引车相同的发动机,但在传动和车体部件方面将使用更先进、更高效的技术,以满足军方提出的更高要求。1947年下达了正式命令,在哈尔科夫拖拉机厂组建了14人的研制团队,负责研制AT-Л高速牵引车。
由于ЯАЗ-204柴油发动机(110马力)是唯一备选的发动机型号,所以研发项目的主要精力放在配套传动装置的研制:一种多半径转向装置,具备双动力流传输和动力再生功能,以此减少转向动力损失,提升复杂地形上的行驶速度。
这类多半径转向装置苏联人已经在根据租借法案提供的丘吉尔步兵坦克和缴获的黑豹坦克上有所接触,而现在设计师们要做的就是使设计更加紧凑以腾出足够的承载空间。传动装置与发动机整体前置,这样可以降低后部车厢的装载面高度。传动装置的设计也倾向于提供尽可能多的前进挡位,同样有助于减轻车身重量,使发动机重量占车重的比例进一步提高(发动机重800kg,车重6800kg)。
该车的传动装置十分有特点,这应该是在苏联自研的履带车辆上首次采用双流传动装置。

AT-Л牵引车传动简图

动力从ЯАЗ-204发动机向前通过离合器传输到前部的变速转向机。变速转向机内主要有两根传动轴:变速-转向齿轮轴和变速箱主轴。两根轴上的元件布置方式相似,在轴两端布置转向装置(转向齿轮、汇流行星排),在轴中段布置变速装置(变速齿轮、选挡机构)。

动力经过锥齿轮将动力传输到变速-转向齿轮轴上。变速-转向齿轮轴的两端有离合器与制动器,离合器常时结合并传输动力,制动器只在需要的时候结合,制动转向齿轮。拉动转向操纵杆,会分离离合器并进行转向元件的制动。
在变速-转向齿轮轴和变速箱主轴上,有四组常时齿合的齿轮,对应到四个主要的前进挡,通过两个滑动齿套进行挡位选择。而在变速箱主轴上还有一个滑动齿套,用于连接惰轮换向的倒挡和应急前进挡。
所谓应急前进挡,是通过锁止变速箱主轴,仅由转向齿轮驱动汇流行星排来实现低速行驶的,这与英国坦克上梅里特-布朗变速箱的应急倒挡原理十分类似。但梅里特-布朗变速箱的应急倒挡是单差速制动转向,而АТ-Л的应急前进挡则是离合制动转向。
在四个主要的前进挡位上,变速齿轮驱动汇流行星排的齿圈以不同速度正转,而转向齿轮驱动太阳轮也进行正转,但转速不受挡位影响。转向时,制动器在制动一侧转向齿轮的同时,也制动了与其相连的汇流排太阳轮,这就导致一侧汇流排的行星架减速运行,同时另一侧则不受影响,这就构成了内侧履带减速的转向。由于前进时太阳轮和齿圈同向运行,且在转向时两侧输出速度相对独立,所以将这种转向机命名为正独立式转向机。
不过在倒挡上,太阳轮和齿圈反向运行,构成负独立式转向机,如果制动一侧转向齿轮,会造成这一侧的行星架加速运行,也就是外侧履带加速的转向。这种反向操纵特性与英国梅里特-布朗变速箱在倒挡的反向操纵特性相似,需要对驾驶员进行专门的适应性训练。
此外,对于四个主要的前进挡位,可以通过拉动双侧操纵杆对左右转向齿轮同步制动,使行星架减速运行。这样的操作相当于一种加力行驶工况,可在不操纵主离合器、不换挡的情况下临时增大减速比,有助于车辆越野行驶克服障碍。这一特点为变速箱又增加了4个中间减速比,相当于具备9个前进挡。这样的设计使得АТ-Л的最大减速比达到9.295,高于M-2牵引车的7.918。同时由于采用了双流传动而获得了多半径转向能力,共5个规定转向半径,最小1.9m最大17.66m,且转向半径随挡位增大而增大。
最为突出的是,该传动装置具备中心转向功能,空挡转向时可反向驱动两侧履带。当车辆挂空挡并停在平坦坚实路面上时,转向齿轮驱动太阳轮正转,行星架静止,变速箱主轴反转。当制动一侧转向齿轮时,这一侧的太阳轮停转,行星架在反转的变速箱主轴和齿圈带动下反向运行,驱动履带倒转;而输出了动力的变速箱主轴和齿圈转速低于另一侧太阳轮,故行星架在转速高于齿圈的太阳轮带动下正向运行,驱动履带正转。


СУ-100П/СУ-105ПМ(105/105M工程,1947)的新底盘与传动系统
在战后,为了替换已落伍的СУ-76自行火炮,开发了新的轻型自行火炮系统,也就是СУ-100П。一些说法认为,该车借鉴了德国武器运载车的概念,将大威力的火炮以轻装甲的开放战斗室方式安装在轻量化的底盘上。虽然该车的开放战斗室并不受苏军青睐,但其极具革新性的传动系统使其得以发展出一个庞大的变型车家族。
根据不完全统计,截至60年代前半,基于СУ-100П底盘发展的车型有:
СУ-152П(116工程,1948)/СУ-152Г(108工程,1948)
112工程装甲运输车(1949)
ГМЗ/ГМЗ-2布雷车(118/118-2工程,1956)
СУ-152“撞锤”(120工程,1957)
2K11“圆圈”防空导弹发射车/1С32雷达车(1958)
117工程探照灯车(1959)
ЗСУ-37-2“叶尼塞河”(119工程,1959)
130工程自行高炮(1960)
123/124工程通用底盘(1963)
关于СУ-100П的传动装置具体构造,现有资料比较贫乏。根据库宾卡坦克博物馆官网页面的描述(http://tankmuseum.ru/su-100p/),该车采用双流传动系统,变速箱与行星齿轮转向系统结合成一整体,与发动机一起布置在车体右前部。通过查阅相关变型车辆(ГМЗ-2布雷车)的信息,可以拼凑出这种传动装置的大致特征:该传动装置设有6个前进挡与2个倒挡,并有一个可供中心转向的中立挡;除前进一挡、倒一挡采用制动转向以外,其余挡位采用单半径转向,各挡位规定转向半径是随挡位增大而上升的;前进一挡、二挡的转向半径等于倒一挡、二挡的转向半径;倒一挡与前进一挡、倒二挡与前进二挡的减速比比值均为1.08。
从上述特征来看,该传动装置的一挡应当类似于正独立传动装置的应急前进挡,并且使用了独立的正倒切换机构(倒挡与前进挡的减速比比值是1.08),理论上可将全部挡位用于车辆进退。
这种传动装置的具体结构,会在后续内容中进行介绍。



独立式双流传动的另一种设计,零独立式双流传动装置,后来在苏联的第三代重型坦克上得到了应用。根据1955年8月12日的苏联部长会议相关决议,由伊萨科夫总设计师领导的车里雅宾斯克基洛夫厂第二特种设计局进行770工程重型坦克的研发,并将在1957年第四季度生产一台原型车。
最早的770工程设计(1955年)沿用了苏联重型坦克传统的发动机纵置布局,并根据这一布局进行配套传动装置的设计。1955年设计方案采用的是全苏科学研究100院设计的ГМТ-4043双流机械传动样机,该传动装置安装有ГТК-II液力变矩器,动力在变矩器后分为直驶流和转向流,直驶部分的行星变速箱具备三个前进挡和一个倒挡,转向部分为行星齿轮转向机,双功率流经汇流行星排输出到侧减速器和主动轮。虽然ГМТ-4043通过了台架试验,证明了其设计的可行性,但随着1956年770工程的发动机被改为横置布局,ГМТ-4043的进一步研究也随之停止。(以上简述引自@Объект 477《770工程试验重型坦克》一文)
经过修改,1958年的770工程安装上了新型双流液力机械传动。新的传动装置仍具备三个前进挡和一个倒挡,但转向流改为在液力变矩器前分流。变速机构分为前变速机构和后变速机构,前变速机构包括液力变矩器、变矩器制动器T₁、变速汇流行星排,后变速机构则是一个带制动机构的二速行星变速器。



770工程(1958)传动简图
液力变矩器可通过结合离合器φ₄向泵轮输入动力,涡轮输出的动力连接到变速汇流行星排的齿圈,而输入动力也直接连接到变速汇流行星排的太阳轮,这样从变速汇流行星排的行星架输出的速度即为太阳轮与齿圈转速的平均值。这种设计最早出现在266工程重型坦克上,仅通过液力变矩器传递一部分动力,其余部分通过机械结构传递,可以提高动力传输的效率。但266工程重型坦克的变矩器结构较为落后,是导轮固定的类型,变矩器内始终有油液搅动,导致机械效率的降低。770工程除了采用功能更为合理的四元件多工况变矩器,还增加了变矩器闭锁功能。如果解除离合器φ₄,结合变矩器制动器T₁,此时动力不输入变矩器泵轮,而变矩器涡轮处于制动状态,那么动力就全部通过机械结构传递,变速汇流行星排起到减速增矩的作用。这一功能也用于构成车辆的前进一挡,利用变矩器闭锁的汇流排减速工况(T₁)搭配行星变速箱的低速挡(T₂),扩大了变速机构的减速比范围,最大为12.726,有利于克服障碍行驶。
变矩器不闭锁时,行星变速箱的低速挡就相当于车辆的前进二挡,高速挡就相当于前进三挡。二挡和三挡之间的切换可以通过发动机转速的变化自动进行,降低了驾驶员的操作负担。
前面说到,正独立转向机有一个低速前进挡,是通过同时驱动两侧转向齿轮实现的,而倒挡需要另外设立相应的倒挡齿轮。对于770工程来讲,低速前进挡的需求已经满足了,但还需要一个倒挡。如果能够在制动变速系统的同时,驱动两侧转向齿轮倒转,就可以构成倒挡。由此,770工程的双流传动装置采用了零独立式转向机的形式。通过制动变速器(T₁、T₂、T₃),并同时结合左右转向齿轮(φ₂、φ₃)倒转构成倒挡,也有助于传动装置结构的简化,因为不需在变速系统里设置专门的倒挡。
在直驶时,变速箱驱动汇流行星排的齿圈正转。转向齿轮通过制动器T₄和T₅进行制动,太阳轮保持静止,行星架减速正转。在转向时分离一侧制动器,结合驱动离合器φ₂或φ₃就可以反向驱动转向齿轮,行星架进一步减速,就构成了单侧降速的独立式转向。零独立式转向设计在黑豹坦克上已有所应用,可以做到各挡转向半径随挡位升高而增大,符合履带车辆高速行驶时的转向需求。按照一些说法,黑豹也可以进行空挡中心转向,但可能损坏传动装置,不是很实用。770工程在此基础上更进一步,可以实现空挡中心转向。

苏联的双流传动装置较少用于重型坦克,770工程之后就没有更多尝试了。
在195工程轻型坦克(1959年)上,采用了与其类似的零独立式转向机,而906工程水陆坦克(1961)则采用了正独立式转向机。
195工程(旧195工程)
195工程采用定轴变速箱,通过结合离合器选择对应的变速齿轮组。实际上195的变速箱有两种设计,一种是液力变矩器+3进1退变速箱,另一种是液力耦合器+5进1退变速箱。第一种设计实际上只有两个前进挡的齿轮组,但可以同步地结合左右转向离合器,形成加力行驶工况,构成额外的低挡,合起来就是三个前进挡。倒挡同样是通过同步结合左右转向离合器,同时制动变速箱来实现,这种设计和770工程是十分相似的。车辆在二、三挡进行单半径转向,转向半径随挡位升高而增大;在一挡和倒挡进行制动转向,适用于狭小路面上的操纵;空挡下可进行中心转向。至于第二种设计,实际上大同小异,只是通过两个二速定轴变速箱低-低、高-低、低-高、高-高的组合构成四个前进挡,而额外低挡、倒挡的原理仍是相同的。
906工程
前面说过,正独立式转向机可通过单独驱动左右转向齿轮,可以构成额外低挡,增大减速比范围,但其倒挡需要设立专门的倒挡。906工程上,在动力输入部分,就设有锥齿轮换向机构,可通过同步器选取前进挡或倒挡,使得全部挡位均可用于车辆进退,不需另设倒挡齿轮。
914Б工程步兵战车

(未完待续)

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