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英国梅里特-布朗式传动装置发展简介

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发表于 2018-7-6 18:02:46 | 显示全部楼层 |阅读模式

题图:百夫长坦克Z51R变速箱
英国在二战和冷战期间,广泛使用一系列结构相似的坦克传动装置。这种传动最初由H.E.梅里特博士设计,由大卫布朗齿轮公司生产,因而得名梅里特-布朗式传动装置。今天的文章意在简单介绍这种传动装置的设计特点,梳理其技术发展脉络(断代主要依据结构特征来判断)。

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代前言:为什么叫梅里特三差速式?
亨利·爱德华·梅里特(Henry Edward Merritt, 1899-1974)是个十分高产的齿轮箱设计师,以他名字命名的履带车辆转向机据不完全统计有如下四种。

1. 梅里特齿轮转向机:通过结合齿轮,降低内侧履带速度的转向机构。属于独立式转向,各挡转向半径相同。
2. 梅里特齿轮差速转向机:通过结合齿轮降低内侧履带速度,同时经差速器增大外侧履带转速的转向机构。属于差速式转向,各挡转向半径相同。

3. 梅里特双差速转向机:通过动力分流,分别驱动主差速器和转向差速器,通过控制转向差速器进行转向的机构,双差速式因此得名。根据上面的原理图看,动力分流装置可以有多种布置方案:可布置在发动机和变速系统之间(前分流),如有液力变速环节也可布置在液力变速机构与机械变速机构之间(后分流),还可布置在变速系统之后(等效于Cletrac式)。这三种设计都属于差速式转向,但前两种在不同挡位转向半径不同,最后一种布置则是各挡转向半径相同。H·E·梅里特于1937年起,在坦克设计局的机械设计部门担任副部长,在此期间逐步完善了这一设计,将变速与转向系统结合,发展得更为紧凑。这种传动系统于1938年安装于A16E1巡洋坦克,但在英国没有进一步发展。由于这种传动装置的变速部分采用了迈巴赫的真空阀预选挡技术,因此也叫梅里特-迈巴赫式。




↑可能是应用于A16巡洋坦克的传动装置原理简图,图中省略了倒挡齿轮。
4. 梅里特三差速转向机:通过动力分流,分别驱动转向差速器和变速系统,在左右转向行星排进行汇流。如果把汇流行星排也等效为差速器,也就是具备转向差速器、左汇流差速器、右汇流差速器这样三个差速器,三差速式也因此得名。通过制动行星排太阳轮产生转向差速,经转向差速器传递到另一侧,实现转向动力的再生传输。属于差速式转向,不同挡位的转向半径相同。

↑将左右转向行星排等效替代为差速器,可看出“三差速”的名称来历。不过锥齿轮加工显然比圆柱齿轮来得困难,实际应用时并不会使用锥齿轮差速器。


第一代梅里特-布朗三差速传动装置的设计成形于1940年,主要应用于英国二战期间坦克。在这之前的英国坦克,大多采用威尔逊行星转向、离合制动转向、差速制动转向。英国人对新型传动装置提出的设计要求是,结构简单,便于生产制造,并具有较好的动力传输特性。
简单总结一下第一代梅里特-布朗三差速传动装置的特征:采用定轴常齿合变速箱,通过同步器选挡。最显著的特点是不设专用倒挡,变速箱主轴上只设有前进挡和制动挡。

↑一种典型的梅里特-布朗5速变速箱结构简图
A. 动力输入轴 B. 锥齿轮 C. 差速器 D₁. 差速器左半轴 D₂. 差速器右半轴 E. 变速箱主轴 F₁. 左侧汇流排 F₂. 右侧汇流排
G₁. 左侧输出轴 G₂. 右侧输出轴 H₁. 左差速齿轮 H₂. 右差速齿轮 J₁. 左侧制动器 J₂. 右侧制动器

在车辆前进时,汇流行星排的太阳轮与齿圈反向运行,且齿圈转速较快,故齿圈正转,太阳轮反转,行星架以慢于齿圈的速度正转。若对太阳轮进行制动,行星架就会加速运行。左右两个汇流行星排的太阳轮是经由转向差速器连接的,对一侧的制动会造成另一侧以两倍的转速反转,就使另一侧行星架减速运行。由此我们可以概括出梅里特-布朗三差速传动装置的转向特性:向前行驶时,左侧制动则向右转,右侧制动则向左转。要注意这种转向特性,因为其违反从一战菱形坦克以来的操纵规律:左侧制动则左转,右侧制动则右转。为了避免这种特性造成的不利影响,在实际安装转向系统控制管线时,要故意“左右反接”,也就是将左转控制件接到右侧制动器上,右转控制件接到左侧制动器上。(后面还会提到这种规律)像这样,向前直驶时齿圈与太阳轮反向运行的转向机构一般就归类为负差速转向机。
如果连接制动挡,锁止变速箱主轴,此时动力经转向机输送至两侧汇流排太阳轮。由于太阳轮倒转,齿圈静止,此时行星架以较低速度倒转,相当于一个倒挡。若制动转向机构的一侧,另一侧就会以两倍速反转,此时转向机构的工作方式相当于单差速转向机。在倒挡时进行转向就会变成左侧制动则车尾向左转,右侧制动则车尾向右转。结合前面说到的左右反接安装方式,实际上在倒挡会出现反向操纵特性,即拉左杆车尾向右转,拉右杆车尾向左转。虽然这种特性违背操纵习惯,但倒挡行驶毕竟不是常见工况,结合训练总还是有办法加以克服。

↑克伦威尔坦克的转向规律,注意倒挡转向规律
梅里特-布朗三差速传动装置可自然地进行中心转向。当车辆停在平坦坚实的地面上,变速箱挂空挡时,变速箱主轴不连接变速齿轮组,转向机经两侧汇流排带动变速箱主轴空转。此时在两侧汇流排的太阳轮与齿圈以相同速度反向运转,行星架保持不动。若制动转向机其中一侧半轴,则这一侧行星排太阳轮减速,行星架正转,履带前进;另一侧半轴两倍速运转,带动另一侧行星排太阳轮增速,行星架反转,履带后退。不过在地面稍有不平或两侧履带受到的阻力不同时,就容易造成转向中心偏向阻力较大一侧,也就是不能保持转向半径为0。

↑克伦威尔巡洋坦克的Z5变速箱
综合说来,梅里特-布朗三差速传动装置的优势在于其成本低廉,结构紧凑,易于制造,且可以进行动力再生转向和中心转向。所有变速齿轮组均为常齿合同步器换挡,操作简单可靠。不需设置专用倒挡的特点也进一步简化了结构。
而梅里特-布朗三差速传动装置的劣势也比较明显,一个是转向制动器发热显著,不得不设置在变速箱壳体外,油污与灰尘在高温下形成油泥,容易卡死制动器造成故障。另一个是其制动侧与转向侧相反,如左侧制动时车辆向右转向,就要求设计和生产时事先做好控制机构换向设计。虽然不需设置专用倒挡,但这个低速倒挡的减速比很大,例如22.894:1,导致倒挡车速缓慢,且倒挡转向为简单差速制动转向,转向机构负荷较大。
主要应用:A22丘吉尔步兵坦克H4变速箱、A27L半人马/A27M克伦威尔巡洋坦克Z5变速箱

↑丘吉尔步兵坦克的H4变速箱,图中未画出转向机构的换向惰轮

↑克伦威尔巡洋坦克的Z5变速箱(后视图)

此外,比较有意思的一点在于变速箱的命名方式:目前推测变速箱名称前的字母H和Z是用来表示变速箱内传动轴布置和动力流向的,有可能H指horizontal,Z指zenithal,也就是在H系列变速箱里动力沿水平方向(向后)传到变速箱主轴,Z系列变速箱里动力沿竖直方向(向上)传到变速箱主轴。


第一代梅里特-布朗三差速传动装置改进型如字面意思,是以第一代为基础进行改进,主要应用于英国二战后期与战后早期的巡洋坦克与重型坦克。
由于第一代梅里特-布朗传动装置仅有一个低速倒挡,在倒车时的速度和动力特性都不理想,因此有必要引入高速倒挡。
最直接的想法自然是在变速箱内增加一组常齿合的倒挡齿轮,最早尝试这个概念的应该是A43黑王子重型坦克。按照博文顿官坦克博物馆方网站提供的信息,黑王子采用了一种不同于丘吉尔的变速箱,具备5个前进挡、2个倒挡。这里的两个倒挡,应该就是一个默认的低速倒挡,再加上一个新设的高速倒挡。这种设计原理上完全可行,但实际使用就出现一些问题。在丘吉尔坦克上,变速箱只具备4组变速齿轮(1、2、3、4),还有一个默认倒挡。黑王子基于丘吉尔的设计改进,要新增一对5挡齿轮,新增一个高速倒挡,这样就是6组变速齿轮(1、2、3、4、5、倒2),与一个默认倒挡。即使黑王子在丘吉尔底盘基础上加宽车体以容纳更大的座圈,但横置的变速箱仍然缺少足够空间来布置这么多组齿轮。如果齿轮的齿合宽度保持不变,那么齿轮组的间距就不得不变窄,这样容易影响换挡操作品质。根据实际测试看,A43黑王子在换挡操作时必须足够快,每次换挡最好在1.5秒内完成,以免换到高挡位时车速下降太多导致坦克熄火。

↑这可能就是A43的变速箱。图中可见五个前进挡与一个高速倒挡,共计6组齿轮。而且这种变速箱的传动轴采取前后布置的形式,和丘吉尔的H4变速箱属于同一类型。
另一种改进方案吸取了A43上的经验教训,在不修改现有齿轮组的前提下,在空挡状态下以滑动齿合的方式将一个惰轮接入变速齿轮和变速箱主轴之间构成高速倒挡。Z5变速箱的三挡齿轮位于变速箱左端,与左侧汇流行星排的齿圈相邻,而行星排齿圈恰好就与变速箱主轴直接相连。于是可以在三挡齿轮附近加装一个换向惰轮轴,工作时通过换挡叉推入,与三挡齿轮啮合;左侧汇流排的齿圈外侧也加上了传动齿,与换向惰轮轴啮合。这样一个高速倒挡的减速比约为3.859,介于前进二挡和三挡之间,且转向时具有动力再生的特性,有较高实用价值。由于不像A43那样修改了齿轮组设计,在各前进挡仍然能保留原有变速箱的操纵品质,是十分有益的。


↑百夫长坦克的Z51R变速箱,红框内文字及箭头所指即为倒挡齿轮与滑动齿合机构

在高速倒挡下,行星排齿圈和太阳轮同样反转运行,实际上相当于一种正差速转向机。此时仍遵循拉左杆车尾向右,拉右杆车尾向左的反向操纵规律。

↑征服者重型坦克的进退转向特性
经过改进后的变速箱在名称后加上字母R,如Z5变为Z5R。
主要应用:百夫长巡洋坦克Z51R变速箱、征服者重型坦克使用的Z52变速箱也具有专用高速倒挡。
百夫长的变速箱齿轮比与克伦威尔基本相同,应该是直接沿用了变速部分的齿数设置。


还有一种改进方案是重新设计,在变速箱的输入部分增加专门的换向机构,使得变速箱的全部挡位均可用于进、退行驶。这样一来固然是可以实现高速倒挡,但相应的就要牺牲掉低速倒挡,特别是这个低速倒挡具有制动转向的原地转向能力,还是应该尽可能保留的。
解决方法是将低速倒挡变为低速前进挡,这样可以在不增加变速齿轮组的前提下,增多挡位,扩大减速比范围。同时,能够保留低速下制动转向的特性,也有利于一些复杂地形或狭小空间的原地转向。不过这种改进需要让变速箱连接制动挡时太阳轮正转,所以实际上就变成一种正差速转向机。这么一改,转向特性上出现了一些重要的变化:对于正差速转向机,左侧制动就会左转,右侧制动就会右转,这一点是和负差速转向机截然相反的。当然,并不是说这种设计本身有什么问题,而是说如果安装转向控制系统的技工依旧按先前“左右反接”的诀窍施工,那么很显然会出大麻烦。
就以A39土龟突击坦克为例。土龟突击坦克的H51D变速箱就如上面所说,将低速倒挡转为低速前进挡,达到6个前进挡;又通过专门的换向机构,使得6个挡位均可用于进退行驶。

结合2011年博文顿坦克节土龟实车视频来看,当土龟进行低挡转向,在内侧履带制动的同时,外侧履带会突然加速,以两倍速运行。这显然是一种典型的单差速器制动转向工况,符合低速倒挡/低速前进挡的运动特征。土龟突击坦克的第一辆原型车在试车时就出现了反向操作问题,差点撞塌库房大门。事后调查果然发现控制机构左右接反,导致拉左杆车却往右转。土龟突击坦克的设计和制造基本是由纳菲尔德厂负责进行,但纳菲尔德厂的技工大概是根据先前组装生产半人马巡洋坦克的经验进行了“左右反接”。一些资料也提及土龟P1原型车出厂之后很快就对传动装置做了修改,估计正是因为这件事的影响。


根据操作手册,土龟突击坦克的低挡转向采用制动转向的方式。


虽然土龟突击坦克因为重量过大不利于运输、油耗过高不适合机动等原因未被采用,但其传动装置依然赢得了可靠性良好的赞誉。相比于故障频繁的猎虎、不能中心转向也不能原地转向的T28/T95,具备中心转向能力的土龟甚至可说是十分敏捷灵巧了。



(视频来自Tank Chats #15 Tortoise,中文字幕由TSR水箱组制作)


第二代梅里特-布朗三差速传动装置从战后开始设计,主要应用于英国1950年代到1960年代的坦克。
二战末期,英国开始发展一种轻型坦克:A46,意在代替斯图亚特、霞飞等轻型坦克,重量约16吨。虽然该车的研制进度缓慢,但还是逐渐搭好了木质模型,并准备好了相应的发动机和传动。到1946年,英国战争部建议发展三种基础装甲车辆系列:FV200系列重型巡洋坦克、FV4000系列中型巡洋坦克、FV300系列轻型装甲车辆,其中FV300正是基于A46设计改进而来。前两种系列分别发展出了FV214征服者和FV4200百夫长,这两种车辆都使用Z51R变速箱(征服者后来改用Z52),但对于FV300系列的轻型车辆,需要的是尺寸、重量更小,更为紧凑的传动装置。
以此前使用定轴变速齿轮组的梅里特-布朗三差速传动装置来说,其变速箱一般有两根横向传动轴:差速器轴,同时也作为变速箱输入齿轮轴使用;变速箱主轴,其上有可滑动的同步器齿套,用于选取各个挡位,该传动轴向两端延伸,又与汇流行星排呈现同轴的构造。定轴变速箱一般需要较大的空间以容纳两根横向传动轴以及轴上的变速齿轮组,两根传动轴前后布置则变速箱长度较大,上下布置则变速箱高度较大。变速箱的长度和高度会影响动力舱的长度和高度,对总体布局设计有较大影响。
FV300车族中,动力舱后置的FV301轻型坦克倒是不太在乎变速箱的高度,但动力舱前置的FV303、FV304、FV305等自行火炮则对变速箱的高度提出了要求,特别是到1949年,决定优先发展动力前置的FV310装甲运输车,而动力后置的FV301轻型坦克则予以保留。于是FV300车族安装的是应用全新设计的TN10变速箱以紧凑的行星变速齿轮组代替定轴变速齿轮组,这样就可以取消差速器轴上的齿轮,做得更加紧凑。在TN10上还首次实现了发动机和传动系统的一体化,V8版流星发动机和TN10变速箱、散热系统等结合为一个整体,可以通过滑轨进行整体拆装。虽然FV300车族最终未能服役,但为其设计的TN10变速箱发展出的TN12变速箱应用到了酋长主战坦克上。


↑酋长坦克TN12变速箱传动简图
在酋长坦克的TN12变速箱上,行星变速器分为两部分:变速挡位选择和高、低、倒挡选择。变速挡位选择是通过制动行星变速器齿圈来选择合适齿轮组变速,提供三个不同的减速比。高、低、倒挡选择是通过分别制动高挡太阳轮、低挡齿圈、倒挡行星架来输出两个不同的前进减速比和一个倒退减速比。两部分合起来,理论上可形成六个前进挡位、三个后退挡位。由于酋长坦克并未使用液力变矩器,而是沿用离心式离合器,所以需要多设前进挡位以在较大的速度范围内匹配发动机转速与主动轮转速。在三个后退挡位中取消了减速比最大的一个倒挡,只保留两个高速倒挡。前述通过锁住变速箱主轴实现的倒挡仍然保留了下来,作为一个应急倒挡使用。




↑酋长坦克驾驶舱简图,红箭头所指即为变速踏板。
为了简化换挡操作,TN12变速箱具有“热换挡”(Hot-shift)功能。在驾驶员脚下有三个踏板:中央是制动踏板,右侧是油门踏板,左侧是变速踏板。变速踏板是实现“热换挡”功能的关键,其操作与常见的摩托车换挡踏板类似:脚尖将变速踏板向上挑起即可逐级升挡,最高升到六挡,此后不可继续上升,将变速踏板向下踩即可逐级降挡。如果从空挡开始向下踩,即可选择倒挡,最低降至倒二挡,此后不可继续下降。这样的设计符合酋长坦克在总体布局上的改变:将驾驶员座席设计为半躺式以控制车体高度。在整个换挡过程中,驾驶员只需使用左脚脚尖控制,不需脚踏离合器手握排挡杆,可以双手握在转向操纵杆上,眼睛则持续通过潜望镜观察路面情况,可以说大幅减小了驾驶员的操作负担,免去了频繁切换视野的不便,驾驶员能更专注于驾驶。作为备份,保留了手动二挡和应急倒挡,用于“热换挡”功能失灵时的车辆驾驶。
主要应用:FV300车族TN10变速箱、酋长主战坦克TN12变速箱、维克斯Mk.4勇士主战坦克TN12-1000变速箱


第三代梅里特-布朗三差速传动装置的设计从60年代开始,主要应用于英国1960-70年代的轻型坦克。
1960年代,英国仍在寻求一种适合快速反应、全球部署的轻型车辆,以替换老迈的萨拉丁和撒拉逊人装甲车。1964年,英国提出了轻型高机动履带车族概念(LHMTV),这一系列设计逐渐发展为装甲侦察车族(AVR),后来改名为战斗侦察车族(CVR),也就是FV100车族。根据车辆布局设计来看,CVR车族采用动力和传动前置布局,驾驶员居车体左侧,发动机纵置于驾驶员右侧,整个动力系统呈“L”型布置。关于发动机的选择,很早就决定使用捷豹(Jaguar)的XKJ60 4.2升6缸汽油机(200马力),而传动系统的备选方案则有两种:一种是使用变速箱与控差速转向机的分离式传动系统,类似FV432和M113装甲运输车;另一种是使用结合变速箱与转向机的整体式传动系统,类似百夫长或酋长。实际上还有第三种,是使用液压转向机构的方案,但考虑到机械效率与有限空间内的可靠性,并且基于紧张的开发进度而未纳入选择。最终选定的是整体式传动系统,某种意义上可说是酋长坦克TN12的缩小版,也就是TN15变速箱。

↑TN15变速箱实物局部,可见换向锥齿轮、差速器、变速行星排外壳和汇流排齿圈

↑TN15变速箱传动简图,红圈内即为实物照片中的部分
TN15区分于TN12的一个特征在于,进退选择机构从变速机构中分离出来,变速机构只用于挡位的选择,进退选择机构提前到输入的换向锥齿轮部分,通过切换输入齿轮的同步齿套,可以实现前进与后退挡位数相同,有利于增强车辆的机动性。其实这类设计在前述A39土龟的H51D变速箱就有体现,无非是用更现代的技术再做一遍。有所不同的是,TN15仍然是负差速转向机,只是通过电液选挡技术把应急倒挡当成前进挡来用罢了:在换向锥齿轮选择倒挡时,再选定应急倒挡,这个“倒挡的倒挡”也就成了一个低速前进挡。加上变速机构的三速行星变速器和高低挡选择构成的六个前进挡,一共有七个前进挡。至于低速前进挡和其他前进挡向同一方向转向时制动方向相反的问题,由于转向制动器也是电液机构控制的,这一反向操纵特性可以直接通过控制信号层面的设计来解决。



主要应用:FV100车族TN15系列变速箱、外贸T300、T320系列变速箱


梅里特-布朗三差速传动装置的国外发展:瑞典EMIL/KRV坦克的传动装置
瑞典在战后早期需要装备一款新型坦克,以替换技术水平仍停留在二战前的Strv m/42。原本计划直接购买英国百夫长Mk.3,而英国表示短期内无法交付。1951年瑞典转而向法国求购AMX 13轻型坦克,学习摇摆炮塔技术,并开始进行国产坦克的设计,也就是EMIL。起初瑞典预想到获得国外大功率坦克发动机的难度,仅将EMIL作为中型坦克展开设计,不过随着瑞典进口了美制大功率坦克发动机,也开始强调对抗苏联ИС-3重型坦克、T-34/85中型坦克等威胁,整个方案更多地向重型坦克方向倾斜。后来英国于1952年变卦,同意出口百夫长,EMIL的研制也就此中断,仅有的两台原型车停留在安装炮塔配重块的阶段。为了保密防谍,EMIL更名为KRV,虽然不再作为坦克发展,但仍然作为技术试验平台发挥余热,两个底盘分别成为Akv 151试验型自行火炮和无炮塔坦克的试验车。
在EMIL/KRV的早期设计中,考虑了多种发动机和传动系统。在传动系统方案中主要有以下两种选择:
方案1:变速部分为带液力耦合器的自动变速箱,行星变速器具备2个前进挡和2个倒挡,可全自动换挡;转向部分独立,具备2个或3个转向半径,并可中心转向。
方案2:半自动机械变速转向机,有多个挡位和多个转向半径,如5到6个。发动机和变速箱结合为一个整体,安装在车体后部。
在设计资料中特别提到,将会使用梅里特-布朗变速箱,也就是三差速传动装置中的负差速转向机。从实际装车情况和后续研发档案来看,获得采用的是方案2。瑞典自主设计了一款三差速式坦克变速箱,采用定轴齿轮变速和负差速转向原理应用了液力耦合器,属于一种液力机械变速转向机。

↑1952年一份报告中绘出的EMIL传动简图
下面简单概括一下结构特点。
该变速箱通过弹性联轴器连接发动机,在输入部分安装有液力耦合器,可使动力传递平稳连续。
变速部分,采用正倒齿轮与变速齿轮分立的设计,通过分开选择进退和不同挡位,可使全部七个挡位用于前进和后退。
由于该车没有机械离合器,而液力耦合器总会传递一定扭矩,在发动机转速较高时不易进行进退切换。为此在正倒齿轮轴上设有制动器,可使传动轴减速后再操作同步齿圈换至倒挡。
七个挡位中,1挡为低速挡,实际上就是梅里特-布朗变速箱的应急驱动挡,属于单差速工况,绕开变速箱仅由差速器轴驱动双侧汇流排,采用差速制动转向;其余挡位通过结合对应的同步齿套联轴器或旋转离合器选择对应的变速齿轮,运行时为三差速工况,汇流排齿圈与太阳轮反向运行,结合转向制动器可进行单半径转向。
经典梅里特-布朗变速箱的转向制动器设置在变速箱壳体外侧,与转向行星排同轴,而EMIL/KRV的转向制动器设置在变速箱壳体内,与转向差速器同轴,为湿式多片离合器式。
总的说来,这种传动装置赋予了设计重量50吨的战车良好机动性,基本达到了设计要求,但变速箱的尺寸实在太大了,变速装置的结构也较复杂。加之后来瑞典转为发展外形低矮的无炮塔坦克,这种传动装置没有更进一步的发展。

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梅里特-布朗三差速传动装置的讨论
一、为什么说梅里特-布朗三差速传动装置有成本低廉、易于制造的特点?
在二战时期,较复杂的行星变速箱尚未普及(仅捷克较多运用行星变速箱),当时的主流还是定轴变速箱,或者滑动齿合变速箱。二战期间梅里特-布朗三差速传动装置采用定轴变速,是与当时的生产能力相符合的。
对于常见的定轴变速箱+威尔逊式双侧行星转向机来说,需要精加工的部件主要有:
1. 变速箱定轴齿轮(视进退挡位决定齿轮数量,倒挡一般独立设置滑动齿合的齿轮组)
2. 转向机输入锥齿轮(用来将纵向输入的动力转为横向输出)
3. 转向行星排(左右各一)
终传动齿轮组在此省略不计。这里说的主要是T型传动,如果是类似T-44/T-54那样的U型传动,那就把转向机输入锥齿轮改为变速箱输入齿轮组。
对于基础型梅里特-布朗三差速传动装置来说,需要精加工的部件主要有:
1. 变速箱输入锥齿轮(将纵向输入的动力转为横向输出)
2. 变速箱定轴齿轮(只需设置前进挡,不需专门倒挡)
3. 转向差速器齿轮(圆柱齿轮差速器,主要加工难点在柱形小齿轮)
4. 转向换向惰轮(位于转向行星排和转向差速器两半轴之间)
5. 转向行星排(左右各一)
可以看出,梅里特-布朗三差速传动装置比起当时常见的变速转向装置,只需新增少量精加工件,即可构成紧凑的一体化变速转向装置,成本和制造难度不会显著上升。在动力特性方面,除了具备中心转向能力外,各挡具备不同的转向半径,且按规定半径转向时可以实现转向功率再生,动力分配较为合理,适用于更重、更快的履带装甲车辆。


二、梅里特-布朗三差速传动装置与二战中的其他双流传动装置相比,有哪些优缺点?
要比较二战中的双流传动,就要大致列出二战中各国使用的双流传动主要种类。下面大致按时间排序,分别进行说明。
法国:B1重型坦克,带尼德尔装置的施耐德转向机;S35骑兵坦克,SOMUA转向机
英国:各车型广泛运用梅里特-布朗三差速转向机
德国:虎式Argus转向机;黑豹迈巴赫转向机


法国是较早认识到双流传动实用价值的国家,在双差速转向机方面有较多技术积累,也是最早将双流传动技术实用化的国家。但就其构造来看,属于较为原始的双差速转向机:发动机经变速箱驱动主差速器,发动机经转向机驱动转向差速器,直驶流和转向流通过定轴齿轮组汇流。从布局上来看,呈现明显的“背负式”结构,变速箱和主差速器在下方,转向机和转向差速器在上方,使得整个传动系统太过高大。虽然尼德尔装置带来了优越的无级转向功能,但生产这种液压转向机需要复杂的青铜铸造工艺,且体积庞大,不适合用于更轻型的车辆。在S35上就改为体积、重量更小的转向离合器,但相应牺牲了转向性能,每个挡位只有一个规定转向半径,随挡位增大而增大。


德国的Argus转向机是典型的双差速转向机,设计上较法国更为进步,每挡具备两个规定转向半径,且采用行星齿轮汇流机构,转向机与变速箱结合后呈一T型,高度比较紧凑,适合传动前置的安装方式。缺点在于传动更换不便,需要拆除炮塔后再从座圈吊出。黑豹的迈巴赫转向机属于较独特的零独立式转向机,可视为基于威尔逊式的改进型。传统威尔逊式在转向时对内侧行星排的太阳轮进行制动,而黑豹的迈巴赫式在转向时对内侧行星排的太阳轮进行反向驱动。前进速度随发动机转速和挡位变化,而反向驱动速度只随发动机转速变化,所以这种转向机体现出各挡规定转向半径不同的运行特点,速度高转向半径大,速度低转向半径小。黑豹改进了传动装置的更换方式,可从驾驶员-机电员甲板实施吊出,不需拆除炮塔,一定程度上简化了野战修理。但黑豹的转向机与虎式不同,不具备中心转向能力,且终传动部分的侧减速器结构太脆弱,需要频繁更换。

英国的三差速传动装置设计在结构上是二战各国双流传动中最为紧凑的,也是这些设计中唯一实现变速转向一体化的综合传动装置,具备较优秀的可靠性。说到缺点,一般认为英国的三差速传动装置采用负差速转向机,前进时存在寄生功率,会对机件造成较大负担,但更关键的问题还是三差速式比起双差速式,在结构上难以设计为每挡具有多个转向半径乃至无级转向。战后西方各国发展的坦克传动主要属于双差速式,即使是坚持三差速式的英国,到挑战者1主战坦克的TN37传动装置也不得不回到双差速式上来。

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参考文献
1. The Evolution of a Tank Transmission, Dr. H. E. Merritt
2. Cromwell Tank: Vehicle History and Specification, The Tank Museum
3. Technical Handbook for the Centurion Mks. 1, 2 and 3, The Director of Mechanical Engineering, The War Office
4. The Universal Tank: British Armour In The Second World War Part 2, David Fletcher
5. The Tank Factory: British Military Vehicle Development And The Chobham Establishment, William Suttie
6. Chieftain Main Battle Tank: Development And Active Service From Prototype To Mk.11, Robert Griffin
7. AFV Weapon Profile No.19: Chieftain and Leopard (Description), Lt. Col. Michael Norman (RTR)
8. Modern Combat Vehicles 05: The Scorpion Family, George Forty
9. Janes Technology of Tanks, Richard M. Ogorkiewcz





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发表于 2018-7-7 18:40:34 | 显示全部楼层
英国搞这么个太阳轮倒转的设计有啥考虑么,值得付出产生寄生功率,操纵机构反转的代价?
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 楼主| 发表于 2018-7-10 17:22:31 | 显示全部楼层
DSHK38 发表于 2018-7-7 18:40
英国搞这么个太阳轮倒转的设计有啥考虑么,值得付出产生寄生功率,操纵机构反转的代价? ...

这个设计最大的好处就是自带低速倒挡,不需设置专门的倒挡机构
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发表于 2018-7-11 10:17:15 | 显示全部楼层
monochromelody 发表于 2018-7-10 17:22
这个设计最大的好处就是自带低速倒挡,不需设置专门的倒挡机构

英国人真的是脑回路清奇
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发表于 2018-8-9 20:42:47 | 显示全部楼层
还是不能理解为什么叫三差速,这个和单双差速有什么区别?梅里特拍脑袋想的命名吗
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发表于 2018-8-10 00:08:00 | 显示全部楼层
Lightning 发表于 2018-8-9 20:42
还是不能理解为什么叫三差速,这个和单双差速有什么区别?梅里特拍脑袋想的命名吗 ...

加了前言就清楚了))
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