CC BY
71
УДК 621.354.341
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ГИДРОТРАНСФОРМАТОРА НА ПАРАМЕТРЫ РАЗГОНА БОЕВОЙ ГУСЕНИЧНОЙ МАШИНЫ
Р.А. Топольник, С.Н. Котельников
Показаны особенности разгона боевых гусеничных машин с различными типами трансмиссий. Проведена оценка характеристик гидротрансформатора на параметры разгона, в том числе с учетом блокирования.
Ключевые слова: разгон боевых гусеничных машин, гидромеханическая трансмиссия, гидротрансформатор, блокирование гидротрансформатора.
В связи с тем, что разгон боевой гусеничной машины (БГМ) на марше составляет 20...30 % всего времени движения, повышение интенсивности разгона является актуальной задачей. Кроме того, актуальность изучения путей повышения разгонных качеств БГМ с гидромеханической трансмиссией (ГМТ) подчеркивается как преимуществами, так и недостатками трансмиссии данного типа перед механической трансмиссией (МТ) особенно при блокировании гидротрансформатора (ГДТ) [1].
В статье в качестве объектов для сравнительного анализа разгона БГМ с различными типами трансмиссий использовались БМД-4М с ГМТ и артиллерийский тягач легкой категории АТ-Л с МТ.
Трансмиссия современной машины (рис. 1) состоит из одноступенчатого комплексного гидротрансформатора типа ГТК-ХУ-380 и последовательно установленной за ним четырёхступенчатой планетарной коробки.
В табл.1 приведены основные характеристики гидромеханической трансмиссии БМД-4М.
Из характеристики совместной работы двигателя УТД-29 и гидротрансформатора ГТК-ХУ-380 (табл. 2) определены зависимость угловой скорости коленчатого вала двигателя от угловой скорости вала турбинного колеса, а также зависимость скорости БГМ uгм = f (®г) на различных передачах.
Таблица 1
Основные характеристики ГМТ БМД-4М
Механизм Значения
Согласующий редуктор:
Передаточное число/К.П.Д. 0,98/0,985
Гидротрансформатор ГТК - XV-380:
Активный диаметр, мм 380
Окончание таблицы 1
Коэффициент трансформации 1,91
Передаточное число / К.П.Д. 0,95 / 0,916
Параметры конструкции механизма блокирования:
Число пар трения 4
Наружный / внутренний / средний радиус фрикционного диска, мм 175 / 125 / 150
Ширина фрикционного диска, мм 50
Коробка передач:
Передаточное число 1 передачи / К.П.Д. 1 передачи 3,31 / 0,954
Передаточное число 2 передачи / К.П.Д. 2 передачи 1,934 / 0,954
Передаточное число 3 передачи / К.П.Д. 3 передачи 1,132 / 0,97
Передаточное число 4 передачи / К.П.Д. 4 передачи 0,662 / 0,97
Главная передача:
Передаточное число / К.П.Д. 0,837 / 0,985
Бортовой редуктор:
Передаточное число / К.П.Д. 5,455 / 0,98
Характеристика совместной работы строилась расчетным путем и проверена экспериментально с уровнем доверительной вероятности р > 0,95 при г = 2,03.
На основании этих данных построен график зависимости изменения передаточного отношения угловых ускорений валов насосного и турбинного колес ¡г (рис. 2), из которого следует, что в диапазоне угловой скорости вала турбинного колеса от 0 до 130 с-1 угловая скорость коленчатого вала двигателя остается практически постоянной в переделах 180 с-1. После преодоления турбинным колесом рубежа 160 с-1 отмечается тенденция к пропорциональности изменения угловой скорости коленчатого вала двигателя и вала турбинного колеса [2].
Кроме того, построена тяговая характеристика БГМ с различными типами трансмиссии (рис. 3). От идеальной она отличается наличием потерь, неполным использованием мощности на передачах, а также ступенчатостью передач, что особенно сказывается на характеристике машины с механической трансмиссией.
Рис. 1. Кинематическая схема трансмиссии БМД-4М: 1 - карданный вал привода водометного движителя; 2 - шестерни привода водометного движителя; 3 - карданный вал; 4 - движитель
водометный правый; 5 - двигатель; 6 - блок маслонасосов;
7 - гидронасос; 8 - вал отбора мощности; 9 - насос ГОП;
10 - вентилятор пылеудаления; 11 - датчик спидометра; 12 - редуктор бортовой правый; 13 - остановочный тормоз; 14 - насос бортовой; 15 - мотор ГОП; 16 - суммирующий ряд; 17 - остановочный тормоз; 18 - редуктор бортовой левый; 19 - коробка передач;
20 - промежуточный вал коробки передач; 21 - ГДТ; 22 - механизм реверса; 23 - входной вал; 24 - муфта включения водометного движителя; 25 - движитель водометный левый; 26 - карданный вал; 27 - шестерня редуктора водометного движителя; 28 - карданный вал
привода водометного движителя
На рис. 3 представлены кривые значений коэффициента использования мощности ^ N, который равен отношению текущего значения мощности двигателя Nдв = /(им ) при заданной скорости движения гусеничной машины к ее максимальному значению Nдвмах .
Средние значения коэффициента ^ N на различных передачах приведены в табл. 3, откуда следует, что на всем диапазоне скоростей движения гусеничной машины с ГМТ обеспечивается лучшее использование мощности двигателя. У БГМ с ГМТ от передачи к передаче значения ^ N возрастают на 6...8 %. У БГМ с МТ возрастание значения ^N наблюдается только на 4-й и 5-й передачах. Среднее значение коэффициента ^N для ГМТ 0,91; для МТ 0,85.
Таблица 2
Характеристика совместной работы двигателя УТД-29 и гидротрансформатора ГТК-ХУ-380
№дв, с-1 n дв, кВт мдв, Нм №тк, с-1 nтк, кВт м тк, Нм
185,6 258,5 1391,77 0,0 0 2564,96
187,1 260,2 1389,92 19,1 46,90 2454,27
189,4 262,6 1386,02 38,7 91,06 2353,77
192,2 265,3 1379,62 58,9 131,71 2236,40
196,1 269,0 1370,71 80,1 169,57 2116,15
202,8 275,1 1355,62 103,5 200,49 1935,89
212,5 283,4 1332,70 130,2 231,10 1774,57
226,5 293,9 1296,93 161,9 255,34 1576,77
235,3 299,7 1273,16 180,1 266,12 1476,62
242,5 303,9 1252,78 198,0 273,98 1382,87
248,9 307,5 1234,47 213,5 277,30 1298,34
261,5 312,7 1194,81 240,3 278,55 1158,64
265,0 313,8 1183,75 246,2 278,20 1129,64
269,5 315,3 1169,24 253,1 281,11 1110,14
276,8 244,0 881,01 268,4 223,96 833,93
Рис. 2. Зависимость изменения коэффициента ¡г, угловой скорости коленчатого вала двигателя №дв и скорости движения гусеничной
машины Ъгм от угловой скорости вала турбинного колеса №тк
289
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 V, КМ/Ч
Рис. 3. Тяговые характеристики гусеничных машин: АТ-Л с механической ступенчатой трансмиссией и БМД-4М с гидромеханической трансмиссией
Таблица 3
Показатели средних значений коэффициента Л N
на передачах
Тип трансмиссии Средние значения Л}^ на передачах
МТ ГМТ
I II III IV V I II III IV
Л N 0,84 2 0,83 5 0,80 9 0,83 4 0,92 8 0,89 0 0,89 8 0,91 4 0,92 0
При блокировании ГТ на IV передаче Л N = 0,940
Исходя из данных, представленных в табл. 3, значения Л N БГМ с ГМТ схожи с БГМ с МТ только на 5-й передаче. Таким образом, необходимость блокирования ГДТ возникает на высших передачах. На низших передачах для выбора момента блокирования следует учитывать тренд значения /е. В случае положительного тренда в момент, когда енк » &ТК, для повышения интенсивности разгона необходимо блокировать ГДТ [2].
В условиях равномерного движения БГМ коэффициент Л К
может служить параметром сравнительной оценки типа трансмиссии:
290
Лк = А Лу Лп , (1)
где А - коэффициент учета потерь мощности двигателя на привод вспомогательных агрегатов и потери в глушителе; Л N - коэффициент использования мощности; Л п - потери в агрегатах трансмиссии.
Значения коэффициентов л кМт = А • Л N • ЛМТ и
Л кгш = А • Л N Л ГМТ для двух типов трансмиссий в зависимости от скорости гусеничной машины приведены на рис. 4. Данная зависимость построена из условия обеспечения переключения передач в максимальных точках характеристики. Средние значения коэффициентов лкМт и ЛКтш
в диапазоне скорости от 1 до 65 км/ч составляют Лк— = 0,783 и
^мтср
ЛК
гмтср
= 0,768. Таким образом, несмотря на значительно большие потери в ГМТ по сравнению с потерями в МТ к ведущим колесам БГМ приходит в среднем приблизительно равная величина мощности за счет более полного использования мощности двигателя ввиду наличия в ГМП ГДТ.
Рис. 4. Зависимость отношения линейных ускорений ^ГМ ГМТ и КПД
3 ГМмт
моторно-трансмиссионной установки Лк от скорости движения
гусеничной машины игм
291
Кроме того, на рис. 4 показано отношение линейных ускорений
] гмгмт
■ БГМ с двумя типами трансмиссий: МТ и ГМТ. В диапазоне ско-
]ГМмт
ростей от 18 до 25 и от 36 до 48 км/ч линейные ускорения БГМ с МТ превосходят линейные ускорения БГМ с ГМТ. Это объясняется наличием в ГМТ ГДТ, КПД которого на определенных режимах значительно снижается. Для исключения этого явления именно в этих диапазонах предлагается блокировать ГДТ [2].
В отличие от известных в предлагаемой методике расчета разгонных качеств БГМ учитываются инерционные моменты вращающихся масс моторно-трансмиссионной установки и коэффициент полезного действия в каждом отдельно взятом узле трансмиссии с учетом его расположения в силовом потоке, что значительно повышает точность расчетов.
Преобразуя угловое ускорение ведущего колеса евкмт в линейное ускорение БГМ с МТ 1ГММТ , путем умножения на радиус ведущего колеса ГВК получаем
(М ДВ 'иТР1,2 - МС ) • ГВК
1 гммт =-2-2-,(2)
11 иТР1,2 Л ТР1,2 + (/2 +13)•иТР2 •ЛТР2 +14 •ЛГУС +1ГМ где Мдв - крутящий момент двигателя, Н- м; £/тр1 2 - передаточное число
элементов трансмиссии от двигателя до насосного колеса ГДТ и от турбинного колеса ГДТ до ведущих колес с учетом включенной передачи в ПКП; Мс - суммарный момент сопротивления движению, Н- м; 11 - момент инерции вращающихся масс первого звена, включающего суммарный момент инерции элементов двигателя, согласующего редуктора, насосного колеса ГДТ, корпуса блокировочного фрикциона ГДТ и вращающихся деталей масляного насоса питания ГДТ, кг- м2; ЛТР12 - КПД элементов
трансмиссии от двигателя до насосного колеса ГДТ и от турбинного колеса ГДТ до ведущих колес, с учетом включенной передачи в ПКП; 12 - момент инерции вращающихся масс второго звена, включающего момент инерции турбинного колеса ГДТ, диска блокировочного фрикциона ГДТ, планетарной коробки передач, кг- м2; 13 - момент инерции вращающихся масс третьего звена, включающего момент инерции бортовых передач и
ведущих колес, кг-м2; /4 - момент инерции вращающихся масс четвертого
2
звена, включающего момент инерции гусеничного движителя, кг- м ; л ГУС - КПД гусеничного движителя; /гм - момент инерции поступательно разгоняющейся массы БГМ, кг- м2.
Для расчета линейного ускорения БГМ с ГМТ, ввиду наличия в силовом потоке ГДТ необходимо учитывать преобразующие и нагружающие свойства последнего. Для этого необходимо при выполнении расчетов учитывать:
- передаточное отношение угловых ускорений валов насосного и турбинного колес ГДТ, /£;
- коэффициент трансформации ГДТ, кт ;
- передаточное отношение ГДТ, /тн ;
- КПД ГДТ, л ГДТ.
Линейное ускорение БГМ с ГМТ
3 гм ГМТ = (мдв • кт • итр 1,2 - мс ) • гвк
. (3)
22 (¡1 • ) • (ТН • кт •Лгдт ) • иТР1,2ЛТР1,2 + (12 + ¡3) • итр2лтр2 + ¡4Лгус + 1 гм
Формула (3) является принципиально новой, так как позволяет найти линейное ускорение БГМ с ГМТ с учетом введенных параметров. Особое внимание следует обратить на данные коэффициенты в момент блокирования ГДТ, когда последний исключается из силового потока.
Значения передаточного отношения угловых ускорений валов насосного и турбинного колес /£, определённые с помощью данных представленных в характеристике совместной работы двигателя и гидротрансформатора (табл. 2), приведены на рис. 2. В связи с тем, что в начальной фазе разгона /£ < 1, а в диапазоне угловой скорости вала турбинного колеса от 45 до 100 /£ @ 1,15 расход мощности на увеличение кинетической энергии вращающихся масс первого звена с моментом инерции ¡1 значительно уменьшается наблюдается значительное превосходство линейных ускорений БГМ с ГМТ 3гмГМТ (рис. 5) на следующих передачах при скоростях движения машины: на первой передаче - от 0 до 7 км/ч и от 10 до 12 км/ч; на второй передаче - от 12 до 15 км/ч и от 20 до 24 км/ч; на третьей передаче - от 23 до 30 км/ч и от 37 до 45 км/ч; на четвертой передаче -от 43 до 50 км/ч и от 63 до 68 км/ч.
Данный факт также подтверждается при сравнении баланса мощности при разгоне гусеничных машин с механической трансмиссией и ГМТ на низших передачах [3].
Мощность, необходимая для разгона БГМ с ГМТ, характеризуется динамическим КПД
Л ^3ГМ ^ЗГМ (4)
ДИНГМТ А^Р1,2 +А^1...4 +АМ]гм +А^ NдвСВ ' ^
293
где АМ- мощность, расходуемая на ускорение поступательно движущихся масс БГМ, кВт; АМс - мощность, расходуемая на преодоление сил сопротивления движению, кВт; АМтр\ 2 - потери мощности в ГДТ и механической части ГМТ, кВт; АМ/1 4 - потери мощности на увеличение кинетической энергии вращающихся масс двигателя и элементов трансмиссии, кВт; Мдвсв - мощность двигателя, сообщаемая насосному колесу
ГДТ, кВт.
./гм
\/ Iмт
т \
1п 1т ' /i 1 МТ iii
"7 Нгш \ 7~ / мт ч. — iv 1 ' м1
iii, мт ч л гмт \
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 у КМ/Ч
Рис. 5. Зависимость линейных ускорений автомобиля с механической и гидромеханической трансмиссиями от скорости движения гусеничной машины на различных передачах
и
Из перечисленных видов мощностей, как видно, только аМ j ГМ
амс расходуется на разгон гусеничной машины и преодоление внешних сопротивлений.
Проведенные Л.В. Григоренко исследования показывают, что потери мощности в механической ступенчатой трансмиссии АМмт значительно меньше потерь в ГМТ амгмт , а расход мощности на преодоление внешних сопротивлений в обоих случаях одинаков и зависит в основном только от скорости движения БГМ. В то же время мощность, которая может быть использована на ускорение БГМ с механической трансмиссией,
амj мт
значительно ниже, чем при наличии ГМТ. Причем преимущество
гусеничной машины с ГМТ, определяемое отношением динамических
Кпд Лдингмт , особенно заметно при малых скоростях движения гусе-
Л динМТ
ничной машины и уменьшается с увеличением скорости движения.
Следует отметить, как показывает исследование, динамика гусеничной машины на низших передачах, оказывает незначительное влияние на средние скорости движения. Однако рассмотрение неустановившихся режимов МТУ на минимальной устойчивой скорости движения гусеничной машины является необходимым при определении диапазона регулирования (силового и скоростного) силовой передачи, который должен выбираться из условия трогания и разгона машины до минимально устойчивой скорости в наиболее тяжелых условиях движения.
Исходя из заявленных предположений, динамический КПД Л динмт гусеничной машины с механической ступенчатой трансмиссией
определяется выражением
= А^„т +АN С = АХ МТ + АN с
Лдинмт -АNмт +А^1...4 + +АNс " Nдвсв ' (5)
Из анализа формул (2) - (5) следует, что динамический КПД л дин и линейное ускорение гусеничной машины мгм определяются, как правило, функцией мощности АN3 ^, расходуемой на разгон гусеничной машины. Поэтому отношение линейных ускорений гусеничных машин с
т^л л^т " " М ГМ гмт
ГМТ и механической трансмиссией -, зависимость которой от
м ГМмт
скорости гусеничной машины представлена на рис. 4, наглядно иллюстрирует сравнительные динамические качества гусеничных машин с двумя типами трансмиссий. На графике (рис. 4) отчётливо проявляются пять характерных интервалов скоростей, в двух из которых (при игм = 0 - 21 км/ч и и гм = 21 - 28 км/ч) наблюдается значительное превышение ускорений гусеничной машины с ГМТ. В других (при и гм = 28 - 38 км/ч и и гм = 38 - 50 км/ч) ускорения гусеничной машины с механической трансмиссией имеют более высокие значения. В интервале скорости и гм ^ 50 км/ч, когда гидротрансформатор заблокирован, ускорения примерно равны [4].
В интервалах скоростей и гм = 28 - 38 км/ч и и гм = 38 - 50 км/ч ммт > Мгмт в связи с тем, что гидротрансформатор работает в режиме гидромуфты, значение коэффициента /£ приближается к единице. При
295
этом очевидно, что уменьшить интервалы ускорений, когда у мт > УГМТ, возможно путем увеличения числа ступеней в ГМТ, а также за счет применения ГДТ с непрозрачной характеристикой.
Однако анализ пробеговых испытаний современных БГМ показывает, что применяемый на них ГДТ ГТК-ХУ-380 в паре с четырехступенчатой коробкой передач обеспечивает достаточно хорошие динамические качества, что проявляется в меньших времени и пути разгона гусеничной машины до максимальной скорости в сравнении с гусеничной машиной с механической трансмиссией.
Таким образом, задачу повышения подвижности гусеничной машины возможно решать путем некоторой корректировки существующего алгоритма блокирования ГДТ, когда блокирование будет осуществляться только на двух высших передачах с учетом ряда параметров при формировании сигнала на блокирование ГДТ.
На графике (рис. 6) приведена зависимость отношений времени
1мт _________________ £ мт
и пути разгона
от скорости движения гусеничной машины.
гГМТ ' £ГМТ
Эти зависимости свидетельствуют о том, что, несмотря на большие потери в ГМТ по сравнению с потерями в механической трансмиссии, гусеничная машина с ГМТ обладает лучшими динамическими качествами, особенно при скорости движения игм £ 40 км/ч.
Л/7 Змт
iгмт &гмт
5,0
4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0
/ / \
/1 / /' 1
/ /' ' / / /л 7 1
/ /' /' / // / | 1мт 1гмт
/ \\ // / / / /
/ \ ч / а
мт С гмт / 1 \\ \\
\ ч. \ 4 \ \ \
\ \ \ ч у ----- / ч. ч ч ч ч.
—
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 V, Км/ч
^ мт £ мт Рис. 6. Зависимость отношений времени-и пути разгона
1 ГМТ
от скорости движения гусеничной машины
296
£
ГМТ
Такой характер соотношения линейных ускорений и скоростей гусеничных машин с рассматриваемыми типами трансмиссий объясняется различными величинами суммарного передаточного отношения трансмиссии, квадрат величины которых входит в формулы (2) - (3), а также отсутствием прямой зависимости между ускорением ведущих колес гусеничной машины с ГМТ и угловым ускорением коленчатого вала двигателя.
На рис. 7 приведена зависимость отношения максимальных вели-
„ ] ГМГМТ
чин линейных ускорений -ГМТ-
от общего передаточного числа сило] ГМмт
вой передачи иобщ . Она свидетельствует о значительном выигрыше в линейных ускорениях машины с ГМТ. При работе в трудных дорожных условиях на неустановившихся режимах, с частыми притормаживаниями и разгонами машина с ГМТ, как показали сравнительные испытания, обеспечивает более высокие скорости движения (на 5...18 %) в сравнении с гусеничной машиной с механической трансмиссией.
]гмгм
]'гммт 2,6
2,4
2,2
2,0
1,6
1,4
1,2
/ /'
/ / /
—. у у у
у у у 4 }гмгмт ./гммт
./гмгмт . ]гммт тн
^ общ 18
16
14
12
10
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 v, км/ч
Рис. 7. Зависимость отношения ускорений ^ГМгмт
] ГМмт
от общего передаточного числа трансмиссии ¡о^щ
Торможение БГМ с ГМП возможно как в режиме, когда угловая скорость вала турбинного колеса превышает угловую скорость вала насосного колеса ( &тк > ®НК), так и за счет противовращения рабочих
колес ГДТ (ЮТК < 0). В первом режиме для замедления БГМ ® НК
используется мощность, затрачиваемая на вращение коленчатого вала двигателя. При этом ГДТ переходит в режим гидромуфты, и эффективность торможения даже при одинаковых отношениях
угловой скорости коленчатого вала двигателя и скорости движения БГМ уменьшается. На режиме с противовращением рабочих колес ГДТ путем включения передачи заднего хода можно обеспечить высокую эффективность торможения БГМ, но при этом возникает серьезная проблема отвода тепла, выделяемого в ГДТ. То есть рекомендовать использовать данный способ торможения можно только в экстренных случаях, когда другим способом остановить движущуюся машину невозможно.
Таким образом, проведенный анализ работы МТУ на неустановившихся режимах свидетельствует о существенном преимуществе тягово-динамических и экономических показателей гусеничной машины, оборудованной ГМТ. Следовательно, эти режимы должны учитываться при выборе параметров МТУ проектируемых машин.
Список литературы
1. Григоренко Л.В., Арсеньев Е.С. Исследование работы моторно-трансмиссионных установок транспортных машин на неустановившихся режимах // Труды института НИИ-21. 1968. Сб. 3. С. 77-98.
2. Васильченков В.Ф. Автомобили и гусеничные машины. Теория эксплуатационных свойств: учебник. Рязань: АРП, 1996. 430 с.
3. Васильченков В.Ф. Военные автомобили и гусеничные машины. Основы конструкции шасси: учебник. Рязань: АРП, 1996. 489 с.
4. Котельников С.Н. Метод снижения динамической нагруженности гидромеханических трансмиссий высокомобильных транспортных средств: дис. ... канд. техн. наук. Рязань, 2007. 159 с.
Топольник Роман Андреевич, адъюнкт, 1оро1гоа,таИ.ги, Россия, Рязань, Рязанское высшее воздушно-десантное командное училище,
Котельников Сергей Николаевич, канд. техн. наук, доц., 1оро1гоа,таИ.ги, Россия, Рязань, Рязанское высшее воздушно-десантное командное училище
ASSESSMENT OF THE IMPACT OF THE CHARACTERISTICS OF THE TORQUE CONVERTER TO THE PARAMETERS OF THE DISPERSAL OF MILITARY TRACKED VEHICLES
R.A. Topolnik, S.N. Kotelnikov
In the article the features of the acceleration BGM with various types of TRANSmissions are shown. The estimation of performance of the torque Converter parameters again-gon, including the given block, was given.
Key words: acceleration BGM, hydromechanical transmission, gidrotrans formator, locking torque Converter.
Topolnik Roman Andreevich, adjunct, topolro@,mail. ru, Russia, Ryazan, Ryazan Higher Airborne Command School,
Kotelnikov Sergey Nikolaevich, candidate of technical sciences, docent, topo-lro@,mail.ru, Russia, Ryazan, Ryazan Higher Airborne Command School
