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傳動演義之三—轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展
轉(zhuǎn)向技術(shù)的發(fā)展

    前面已經(jīng)提到過,履帶車輛與輪式最大的不同之處在于轉(zhuǎn)向方式,為了實現(xiàn)主動轉(zhuǎn)向,履帶車輛的傳動系統(tǒng)中就設(shè)置了相應的轉(zhuǎn)向機構(gòu)。因為控制直駛的變速機構(gòu)不論履帶車輛還是輪式車輛都沒有什么太大差別,所以在區(qū)分各種履帶車輛傳動系統(tǒng)時,轉(zhuǎn)向機構(gòu)就成了主要特征。上文提到的各種轉(zhuǎn)向機構(gòu)早期是與變速機構(gòu)分開安裝的,安裝、維護都很麻煩?,F(xiàn)在很多坦克已經(jīng)實現(xiàn)在傳動系統(tǒng)內(nèi)集成變速、轉(zhuǎn)向和制動機構(gòu),整個傳動系統(tǒng)成為一個總成,稱為綜合傳動裝置,后來進一步發(fā)展為整個動力艙都可以整體吊裝的動力傳動一體化技術(shù)。

    為了便于大家理解,我還是按照從易到難的順序來講解。在開始介紹各種傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)向機構(gòu)的特點之前,先讓大家了解一下坦克轉(zhuǎn)向時功率流向的相關(guān)問題。下面如果不作特別的說明,則假設(shè)坦克都是向前行駛的。首先簡單說說是什么使坦克轉(zhuǎn)向的,根據(jù)牛頓第二定律,任何物體如果想改變運動狀態(tài)必須要有力的作用。坦克的轉(zhuǎn)向改變了原來的運動狀態(tài),顯然需要有力作用在坦克上才行。我們知道,這個“力”就是兩側(cè)牽引力關(guān)于坦克運動中心產(chǎn)生的力矩。在直駛時,左右兩側(cè)的牽引力是相等的,所以不會產(chǎn)生力矩,當需要轉(zhuǎn)向時,轉(zhuǎn)向機構(gòu)改變了兩側(cè)牽引力的大小,從而產(chǎn)生了使坦克旋轉(zhuǎn)的力矩。應該注意,當坦克在行駛中產(chǎn)生明顯的轉(zhuǎn)向時,坦克兩側(cè)牽引力的關(guān)系不僅僅是一大一小,更重要的是它們的方向是相反的!轉(zhuǎn)向時外側(cè)(高速側(cè))履帶的牽引力方向永遠是和坦克的運動方向是一致的(倒車時也是如此);而內(nèi)側(cè)(低速側(cè))履帶,只有在直駛、中心轉(zhuǎn)向或是以很大的半徑轉(zhuǎn)向時(至少半徑要100米以上),才與坦克運動方向一致,一般在轉(zhuǎn)向時都是和運動方向相反的。

    這樣就產(chǎn)生了一個有趣的現(xiàn)象:在轉(zhuǎn)向時坦克外側(cè)履帶向地面輸出功率,而內(nèi)側(cè)履帶從地面吸收功率。前者還好理解,因為憑感覺也知道在路上走肯定是要消耗車上功率的,但是從地面吸收功率怎么講呢?簡單地說,這可以看作是外側(cè)履帶帶動車體拖著內(nèi)側(cè)履帶在地上走,由于內(nèi)側(cè)受力方向與前進方向相反,所以是吸收功率,不僅不對外做功,還要從地面吸收功率進來。內(nèi)側(cè)履帶吸收的這個功率是坦克的外側(cè)履帶傳給地面的。那么現(xiàn)在的問題是,功率吸收進來跑到哪里去了?一般只有兩種出路,一是被轉(zhuǎn)向機構(gòu)消耗掉,二是通過傳動系統(tǒng)重新輸出到外側(cè)履帶。如果轉(zhuǎn)向機構(gòu)內(nèi)部存在滑動摩擦,那么就會功率在這里被消耗;如果內(nèi)外側(cè)履帶在轉(zhuǎn)向時通過傳動系統(tǒng)相互連接,功率就會被傳到外側(cè)重新輸出。這兩種情況并不矛盾,實際中經(jīng)常是同時出現(xiàn)的:內(nèi)側(cè)履帶吸收的一部分功率由于轉(zhuǎn)向機構(gòu)內(nèi)部滑摩損失掉,剩余的一部分重新由外側(cè)輸出。一個極端的例子是離合器分離轉(zhuǎn)向,這時內(nèi)外側(cè)履帶在傳動系統(tǒng)中的聯(lián)系會被斷開,所以沒有功率回流到外側(cè)履帶上,而是全部被轉(zhuǎn)向機構(gòu)的制動件、離合器吸收。要知道,坦克轉(zhuǎn)向時需要輸出的功率是與傳動系統(tǒng)的形式無關(guān)的,不論內(nèi)外側(cè)履帶在傳動系統(tǒng)中是否存在聯(lián)系,需要輸出的功率大小都一樣,小于這個數(shù)值坦克就不能完成轉(zhuǎn)向。如果存在聯(lián)系,外側(cè)輸出的就不僅僅是發(fā)動機提供的,還包括內(nèi)側(cè)回流的,所以發(fā)動機提供的功率可以小一些;如果不存在聯(lián)系,那么外側(cè)輸出的功率必須全部由發(fā)動機提供,這就需要發(fā)動機提供比前一種情況更多的功率。顯然,前一種情況對發(fā)動機的利用更合理。如果坦克裝用了兩臺發(fā)動機分別驅(qū)動兩側(cè)履帶,其實也相當于兩側(cè)履帶之間沒有聯(lián)系,轉(zhuǎn)向時內(nèi)側(cè)吸收的功率不能回流,外側(cè)的發(fā)動機需要比直駛大的多的功率才能實現(xiàn)轉(zhuǎn)向,這也是為什么一般坦克只用一臺發(fā)動機的原因。有人說了:“把兩臺發(fā)動機連在一起不就可以了嗎?”一點沒錯,不過這樣和一臺發(fā)動機又有什么區(qū)別呢?無非就是缸數(shù)變成兩倍了。在這里再踩一下雙側(cè)變速箱,它還有一個不大不小的缺點:在轉(zhuǎn)向時外側(cè)的變速箱要承擔全部發(fā)動機功率和內(nèi)側(cè)的回流功率,所以結(jié)構(gòu)必須專門加強?;氐介_頭對霍爾特拖拉機的評價,正因為它有了將內(nèi)外側(cè)履帶連到一起的結(jié)構(gòu),它才具有了劃時代的意義。這個結(jié)構(gòu)給予坦克裝甲車輛的好處,不亞于陸地行走時,我們的兩條腿對于海豚尾鰭的優(yōu)勢。


軸系斷開則功率無法回流,功率只能浪費



軸系存在聯(lián)系,功率可回收利用



外部視圖


    言歸正傳,前面的帖子已經(jīng)討論了幾種單流傳動轉(zhuǎn)向的特點,所以下面討論的主要是五種雙流傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)向機構(gòu)。

    首先是零獨立式,“零”的意思是:在直駛時匯流行星排的太陽輪轉(zhuǎn)速為零,處于制動狀態(tài)。使用這種傳動形式最著名的要數(shù)Pzkpfw V中型坦克——二戰(zhàn)德國的豹式。獨立式傳動在轉(zhuǎn)向時需要降低內(nèi)側(cè)履帶速度,根據(jù)行星排三元件(太陽輪、齒圈、行星輪架)的運動學關(guān)系,就要讓內(nèi)側(cè)匯流排的太陽輪(與轉(zhuǎn)向機構(gòu)相連)與齒圈(與變速機構(gòu)相連)反向旋轉(zhuǎn)。


使用零獨立式傳動的豹式坦克

    和零獨立式類似,正獨立式只不過是在直駛時太陽輪和齒圈旋轉(zhuǎn)的方向相同。轉(zhuǎn)向時,需要制動內(nèi)側(cè)的太陽輪,使它轉(zhuǎn)速降為零,達到降低內(nèi)側(cè)履帶速度的目的。蘇聯(lián)АТ-Л牽引車用的就是這種傳動形式。與零獨立式不同的是,由于太陽輪的轉(zhuǎn)動方向始終是一個方向,所以在倒擋時太陽輪和齒圈就變成了相互反向旋轉(zhuǎn)的工況。如果太陽輪與齒圈反向旋轉(zhuǎn),就會使變速機構(gòu)齒圈輸出的一部分功率從太陽輪回流到轉(zhuǎn)向機構(gòu),進而回流到分流機構(gòu)和變速機構(gòu),之后再輸出到齒圈上。這樣構(gòu)成的功率循環(huán),與轉(zhuǎn)向時內(nèi)外履帶和地面之間的功率循環(huán)不同。這個循環(huán)是有害的,因為它會一直在傳動系統(tǒng)中循環(huán)而不輸出,最終以熱的形式散發(fā)掉,造成浪費;更主要的是,它使得傳動機構(gòu)需要承受比輸出功率更大的功率,影響系統(tǒng)的可靠性和壽命。這種循環(huán)功率被稱為“寄生功率”,在設(shè)計傳動系統(tǒng)時是應該盡量避免的。不過,因為車輛使用倒擋的時間一般不是很長,所以對于正獨立式傳動來說,這種影響還不是很大。


使用正獨立式傳動的AT-L牽引車

    這兩種獨立式傳動在空擋時都可以實現(xiàn)中心轉(zhuǎn)向。應該注意的是,這種中心轉(zhuǎn)向是不穩(wěn)定的:只有兩側(cè)阻力相等時,旋轉(zhuǎn)中心才與坦克中心重合;如果阻力一側(cè)大一側(cè)小,那么旋轉(zhuǎn)中心將偏向阻力大的一側(cè)。當?shù)孛孀枇Σ缓霉烙嫊r,可以人為地制動某一側(cè)履帶,使旋轉(zhuǎn)中心落在這條履帶上,也就是形成制動轉(zhuǎn)向,實現(xiàn)控制轉(zhuǎn)向狀態(tài)的目的。

    獨立式轉(zhuǎn)向機構(gòu)轉(zhuǎn)向時所需的功率較小,主要應用于早期雙流傳動系統(tǒng)。當發(fā)動機功率得到提升后,坦克裝甲車輛傳動系統(tǒng)開始偏向綜合性能更好的差速式轉(zhuǎn)向機構(gòu)。


零差速式傳動示意動畫,借用自衙內(nèi),在此表示感謝
上面是轉(zhuǎn)向分路,下面是直駛分路,左右兩側(cè)紅色的是輸出軸,和輸出軸相連的大齒輪機構(gòu)是匯流行星排
動畫先后顯示了直駛、行進間轉(zhuǎn)向和中心轉(zhuǎn)向三種工況

    首先從零差速式說起。零差速式傳動就是指在直駛時匯流行星排的太陽輪轉(zhuǎn)速為零的一種差速式傳動。這種傳動廣泛應用于各種坦克裝甲車輛,是綜合性能最好一種雙流傳動形式,大家所熟知的豹2、M1、勒克萊爾、K1、90式等主戰(zhàn)坦克以及PZH2000自行火炮、“美洲獅”步兵戰(zhàn)車都使用的是零差速式雙流傳動。在轉(zhuǎn)向時,轉(zhuǎn)向機構(gòu)使內(nèi)側(cè)匯流行星排的太陽輪相對齒圈反向旋轉(zhuǎn)、外側(cè)太陽輪正向旋轉(zhuǎn),從而使內(nèi)側(cè)履帶減速而外側(cè)履帶增速。由于轉(zhuǎn)向時兩側(cè)太陽輪轉(zhuǎn)速相同方向相反,所以可以設(shè)置一根在直駛時不轉(zhuǎn)動的零軸,零軸一側(cè)直接與太陽輪嚙合,另一側(cè)通過一個惰輪與太陽輪相連,轉(zhuǎn)向時驅(qū)動零軸旋轉(zhuǎn)就可以使兩側(cè)太陽輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)速相等、方向相反的轉(zhuǎn)動。因為直駛時零軸不旋轉(zhuǎn),可以通過液壓泵和液壓馬達控制零軸,也可以使用液力偶合器給零軸助力,而不用擔心直駛時會驅(qū)動它們而造成功率損失(因為直駛時它們根本不會轉(zhuǎn))。這樣,各種新技術(shù)都很適于應用在零差速傳動上,新研制的坦克裝甲車輛很多都傾向于使用零差速傳動系統(tǒng)。其中,使用液壓泵和液壓馬達控制零軸的稱為液壓機械復合轉(zhuǎn)向(法國EMS500),在此基礎(chǔ)上使用液力偶合器給零軸助力的稱為液壓液力復合轉(zhuǎn)向(德國HSWL354),不使用液壓液力元件的,稱作機械轉(zhuǎn)向(德國LSG3000)。


豹2等多種現(xiàn)代坦克裝甲車輛使用零差速式傳動

    比較常見的還有正差速式,正差速系統(tǒng)在直駛時匯流行星排的太陽輪轉(zhuǎn)速與齒圈轉(zhuǎn)速相同。在需要轉(zhuǎn)向時,制動內(nèi)側(cè)匯流排的太陽輪即可完成轉(zhuǎn)向。前面提到的應用于M48、M60和梅卡瓦的CD-850傳動就是正差速式系統(tǒng)。與零差速系統(tǒng)相比,正差速系統(tǒng)在倒擋時存在太陽輪與齒圈反轉(zhuǎn)的工況,所以會產(chǎn)生寄生功率;而且,在直駛時需要一直驅(qū)動太陽輪旋轉(zhuǎn),不便于在轉(zhuǎn)向分路布置液壓泵和液壓馬達,也不適合使用液力偶合器給轉(zhuǎn)向助力(因為會使轉(zhuǎn)向分路效率降低很多)。因此,它的應用范圍不如零差速系統(tǒng)。


使用正差速式傳動的M48

    相比前兩種差速式系統(tǒng),負差速式只有在英國坦克裝甲車輛上應用,原因在于這種系統(tǒng)和雙側(cè)變速兼轉(zhuǎn)向系統(tǒng)一樣存在先天不足。顧名思義,負差速式在直駛時太陽輪和齒圈的旋轉(zhuǎn)方向相反。剛才已經(jīng)說了,這樣會產(chǎn)生寄生功率,使傳動效率降低。和正差速式不同的是,負差速系統(tǒng)在直駛時就有寄生功率,而直駛又是車輛的主要工作狀態(tài),所以說負差速式的功率利用相對不合理。英國的征服者(Conqueror)、百人隊長(Centurion)和酋長(Chieftain)使用的都是這種傳動形式,但是最新的挑戰(zhàn)者(Challenger)卻改成了零差速式,這從一個側(cè)面反映出負差速式已經(jīng)不能適應坦克裝甲車輛對傳動系統(tǒng)的要求。


使用負差速式傳動的百人隊長

    這里順便談一下關(guān)于雙流傳動系統(tǒng)的反轉(zhuǎn)向問題。雙流傳動系統(tǒng)的倒擋是通過改變變速機構(gòu)旋向來實現(xiàn)的,所以在后退時,轉(zhuǎn)向機構(gòu)對太陽輪的操作和前進時是一樣的。換句話說,如果駕駛員向右打方向盤,實際上得到的并不是車頭向右轉(zhuǎn),而是車頭繞著坦克中心順時針轉(zhuǎn)。前進時肯定沒問題,順時針轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)是一樣的;但是倒退時卻不同,順時針轉(zhuǎn)就成了車尾向左轉(zhuǎn)。這正好和輪式車輛相反,也與單流傳動系統(tǒng)相反。這種現(xiàn)象就稱作雙流傳動系統(tǒng)的反轉(zhuǎn)向。有的雙流傳動系統(tǒng)對轉(zhuǎn)向機構(gòu)采用反向的措施(如英國的T-300傳動) ,與正、倒擋的換擋機構(gòu)操縱相聯(lián)系,轉(zhuǎn)向功率流由不同正、倒轉(zhuǎn)傘齒輪工作,使轉(zhuǎn)向特性符合習慣。也有的坦克使用了一個換向器,讓車輛在掛倒擋時可以獲得和輪式車輛相似的操縱特性。但是這也增加了系統(tǒng)的復雜程度,多數(shù)雙流系統(tǒng)并沒有采用,而是通過對駕駛員進行專門訓練的方法解決這個問題。

    在掛空擋時,差速式雙流傳動可以實現(xiàn)中心轉(zhuǎn)向。不過,只有變速機構(gòu)在空擋時可以閉鎖的零差速系統(tǒng)才能實現(xiàn)真正的轉(zhuǎn)向半徑固定為零的中心轉(zhuǎn)向。另外兩種,由于變速機構(gòu)在空擋時不可能閉鎖(如果閉鎖了,正差速的會向前走,負差速的會向后退),所以不能實現(xiàn)這種功能。實際上,除了個別專門設(shè)計了閉鎖機構(gòu)的車輛外,大部分裝用差速式雙流系統(tǒng)的坦克實現(xiàn)的中心轉(zhuǎn)向都是相對轉(zhuǎn)向半徑(坦克轉(zhuǎn)向半徑和履帶中心距的比值)為0—0.5的半徑不定的轉(zhuǎn)向,特殊情況下也可能大于0.5,但是對作戰(zhàn)和使用并沒有太大影響,仍然有實用價值。有趣的是,俄羅斯有一種五擋雙側(cè)變速兼轉(zhuǎn)向傳動系統(tǒng),如果該傳動系統(tǒng)一側(cè)掛1擋、一側(cè)掛倒1擋,那么它的運動狀態(tài)將是相對轉(zhuǎn)向半徑固定,且僅僅為0.091的中心轉(zhuǎn)向,這個轉(zhuǎn)向半徑比很多雙流傳動的都要小很多。所以說,中心轉(zhuǎn)向不是雙流傳動的專利,單流系統(tǒng)也可以實現(xiàn),甚至能實現(xiàn)得更好。雙流系統(tǒng)真正的優(yōu)勢在于它各擋的規(guī)定轉(zhuǎn)向半徑是可以隨著擋位升高而增大,并且是易于控制的。

    除了以上這些傳動形式,近年來又發(fā)展出了一些新型傳動,比較有代表性的是液壓機械復合傳動和電傳動。最早應用液壓機械復合傳動的是瑞典Strv 103,美德聯(lián)合研制的MBT-70坦克使用的XHM-1500也是液壓機械復合傳動。這些都屬于液壓機械的早期形式,工作效率偏低。后來美國M2步兵戰(zhàn)車上使用的HMPT-500已經(jīng)是一種較為成熟的形式,實際使用效果不錯,日本最新的TK-X坦克使用的也是這種類型的傳動,限于篇幅,在此不作更多詳細的介紹。電傳動其實出現(xiàn)得很早,一戰(zhàn)法國的圣沙蒙突擊坦克、二戰(zhàn)德國的斐迪南自行火炮就已經(jīng)開始使用電傳動。電傳動的優(yōu)點是傳動效率高、爆發(fā)力大,可以實現(xiàn)無級變速、任意半徑轉(zhuǎn)向,沒有機械傳動換檔的沖擊振動,傳動部件布置靈活并且可以采用電力再生制動等等;不足之處是體積、重量較大。新一代坦克的發(fā)展需要大量的電能滿足定向能武器、電磁炮、電熱炮、電磁裝甲以及雷達所需,在機械傳動條件下的車輛無法滿足這個需要,而在電傳動坦克中發(fā)電機發(fā)出數(shù)百千瓦的電能,提供這個能量需求是有可能的。加之電力電子技術(shù)的發(fā)展使大功率器件不斷涌現(xiàn),因此電傳動技術(shù)從相對靈活的汽車步入重型履帶車輛也就順理成章了。經(jīng)過長時間的論證,美軍未來作戰(zhàn)系統(tǒng)(FCS)的有人作戰(zhàn)系統(tǒng)(MCS)決定使用電傳動底盤,雖然目前該項目已被取消,但是美軍電傳動車輛的發(fā)展并沒有陷入停滯,未來的發(fā)展前景仍然非常廣闊。


注:前分流與后分流

    并不是所有的零差速雙流傳動系統(tǒng)都能實現(xiàn)中心轉(zhuǎn)向,這和傳動系統(tǒng)的分流機構(gòu)的布置有直接關(guān)系。雙流傳動中的分流機構(gòu)一般安裝在液力變矩器前后,布置在變矩器前的稱為“前分流”;在后面的稱為“后分流”。

    比較典型的使用前分流零差速傳動的履帶車輛有德國的豹式和英國的挑戰(zhàn)者。另外,RENK公司出品的所有雙流傳動裝置都采用了前分流形式。這種形式的零差速傳動的變速分路由于存在液力變矩器的柔性環(huán)節(jié),可以在空擋時掛雙擋進行閉鎖,保證變速分路轉(zhuǎn)速為零。這樣就可以實現(xiàn)相對轉(zhuǎn)向半徑嚴格為零的中心轉(zhuǎn)向。同樣是由于變速分路存在柔性環(huán)節(jié),在行駛中進行轉(zhuǎn)向時,變速分路轉(zhuǎn)速不是非常穩(wěn)定,遇到阻力會自動降低,會引起轉(zhuǎn)向半徑自動減小。但是在實際使用中,這個問題表現(xiàn)不很突出,這是由于駕駛員會自發(fā)調(diào)節(jié)方向盤來適應轉(zhuǎn)向半徑的變化。

    采用后分流機構(gòu)的主要有美國M1、日本90式、法國勒克萊爾等。和前分流不同,由于傳動系統(tǒng)中的液力變矩器在變速與轉(zhuǎn)向分路之前,因此變速分路不存在柔性環(huán)節(jié),除非在液力變矩器和變速機構(gòu)之間增加一個離合器,否則這種類型的傳動裝置在空擋時將不能實現(xiàn)閉鎖,只能讓變速機構(gòu)自由轉(zhuǎn)動。這樣如果兩側(cè)履帶受到的阻力不同,阻力大的一側(cè)的轉(zhuǎn)速就會變慢,同時阻力小的一側(cè)會變快,這就造成了“中心轉(zhuǎn)向”的轉(zhuǎn)向中心位置不固定。實際中地面阻力都不是相等的,在很多時候,使用這一類傳動的履帶車輛只能實現(xiàn)相對半徑0.5左右的“中心轉(zhuǎn)向”,這和單流系統(tǒng)的制動轉(zhuǎn)向沒什么區(qū)別。后分流的優(yōu)勢是在行駛中進行轉(zhuǎn)向時,變速分路和轉(zhuǎn)向分路的轉(zhuǎn)速關(guān)系是一定的,不會引起轉(zhuǎn)向半徑自動減小,行駛中轉(zhuǎn)向半徑的可控性更好。

    從目前來看,前分流與后分流并沒有高下之分,只是設(shè)計思路上的差異。勒克萊爾使用了后分流,但是其改進型號換裝的歐洲動力機組(EPP)卻是前分流的;日本90式、韓國K1雖然被認為師從豹2和M1,但是傳動系統(tǒng)和老師恰恰相反,分別使用了后分流和前分流系統(tǒng)。可以預見,分流機構(gòu)的前后之爭還要繼續(xù)下去。
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