坦克传动装置研究

http://www.nmgyj.com/tank/onews.asp?id=126


坦克作为战斗车辆，既不同于火车行驶在轨道上，也不同于汽车行驶在公路上。它在十分复杂的路面行驶时，遇到沟壑土丘、残垣断壁、水渠田垄等都要跨越而过。因此，坦克遇到的阻力变化很大，必须在坦克的发动机之后，配上一套增力变速机构，以扩大发动机输出牵引力的变化范围和转速的变化范围。
　　坦克传动装置安置在发动机与履带推进装置之间，可以说是坦克的“动脉”，它将坦克“心脏”——发动机的动力按传动路线传给主动轮，使坦克前进、倒驶、转向、制动和停车；在发动机扭矩、转速不变时，增大主动轮的扭矩和转速的变化范围，以改变坦克运动时的牵引力。
　　传动装置由传动箱、主离合器或液力变矩器、变速箱、转向机构、制动器及侧减速器等部件组成。传动箱用来将发动机的动力传给主离合器或液力变矩器，并增高转速；用电起动发动机时，通过传动箱可增大起动扭矩，使发动机容易起动。主离合器位于发动机与变速箱之间，通过主、被动摩擦片的摩擦力来传递动力，分离时便于起动发动机和换档，结合时传递发动机扭矩，并借助结合摩滑使坦克平稳起动加速。液力变矩器是主要以液体动能传递能量的液力式传动部件，可使坦克传动装置有良好的自动适应性。变速箱用以在较大范围内改变坦克主动轮上的扭矩和转速，实现坦克倒退行驶和切断动力。转向机构是控制坦克行驶方向的部件。制动器是利用摩擦来吸收坦克动能的部件，通过控制摩擦力矩使坦克减速或停车。侧减速器是直接与主动轮相联的末端减速机构，用以增大主动轮上的扭矩和降低其转速，以增大推动坦克前进的牵引力。
　　传动装置按传递动力的介质，可分为机械、液体和电力传动装置三大类。目前世界各国主战坦克采用的传动装置有两大类，第一种类型是机械传动装置，它是依靠机械元件传递动力的传动装置。如俄罗斯T-72和T-80系列主战坦克等就采用了这种传动装置。其中，T-72坦克的机械传动装置有7个前进档和1个倒档，一档的最大车速为7.32千米/小时，二档为13.59千米/小时，三档为17.16千米/小时。四档为21.47千米/小时，五档为29.51千米/小时，六档为40.81千米/小时，七档为60千米/小时；倒档为4.18千米/小时。

德国“豹”2坦克传动原理图




德国“豹”2坦克传动装置


　第二种类型是液体传动装置，它又分为两种类型，依靠液体的动能元件传递动力的，称为液力或动液传动装置；依靠液压元件传递动能的，称为液压或静液传动装置。美国M1和德国“豹”1和“豹”2、法国MAX-32和“勒克莱尔”、英国“挑战者”1/2、日本90式等主战坦克都采用液力机械传动装置，其中，M1主战坦克的X-1100型传动装置有4个前进档和2个倒档，前进一档最大车速为15.9千米/小时，二档为31.2千米/小时，三档为49.3千米/小时，四档为72千米/小时，倒一档最大车速为11.3千米/小时，倒二档约为41千米/小时，为高速倒档。在野战条件下，坦克利用反斜面掩护进行战斗，射击后，使用高速倒档，迅速后撤，以反斜面隐蔽自己，免遭敌坦克炮火还击。因此，具有高速倒档的坦克，在起伏地和丘陵地形作战，就会更加灵活机动。
　　关于坦克速度的变化范围，机械传动装置是有级的，如不切断发动机动力，车速就不能降到零。液体传动装置由于有液体元件，液体元件的主、被动部分是由液体来传递能量，所以可使坦克速度能连续变化，能降低速度到零而保持足够的牵引力。
　　关于发动机的功率利用状况，在机械传动中，发动机功率的利用程度受档数的限制，档数越多，功率利用越好，当然一般不如液体传动。液体传动可使发动机在其最大功率范围内工作，从而可充分利用发动机的功率。
　　虽然机械传动装置传动效率高，且结构简单，但坦克行驶时，驾驶员要根据地面阻力的变化，不断地换档。为减少换档次数，减小驾驶员操作的疲劳强度，西方多数主战坦克采用液力机械传动装置，这类传动装置就是在发动机与变速箱之间安装了一个液力变矩器，以增强适应地面阻力变化的能力，提高坦克的起步加速性和在松软地面的通过性。
　　从坦克的发展趋势看，未来坦克传动装置的基本类型将仍是液力机械传动装置。美国从20世纪40年代开始，装在M46中型坦克上的传动装置就是液力传动式的，这是考虑了液力传动的优良性能和美国有发达的汽车工业，利用汽车液力传动的技术和现成的零部件，生产坦克的液力传动装置较为方便。最初装在M46坦克上的CD-850传动装置的液力变矩器不是带闭锁离合器的，无论坦克在复杂地面上的低速行驶，还是在公路上的高速行驶，发动机动力都要经过液力变矩器，因此传动效率低，燃油消耗量大。M47、M48和M60坦克的CD-850系列传动装置，虽然经过几次改进，液力变矩器还是不带闭锁离合器。为提高传动效率和降低发动机油耗，M1、 “豹”1和“豹”2、AMX-32和“勒克莱尔”、“挑战者”1/2、日本90式等主战坦克采用的液力机械传动装置，其变矩器都带闭锁离合器。液力变矩器将根据不同功率要求来参加功率传递，为此在液力变矩器上安装有闭锁离合器。当坦克在起伏地上高速行驶时，闭锁离合器分离，为液力传动工况。这时虽然最大车速有些下降，但牵引力有所增大，有利于提高爬坡能力。例如，“豹”1主战坦克的4HP-250型传动装置，在三档时，变矩器闭锁时的牵引力为44.1千牛，坦克最大爬坡度为6度；变矩器工作时的牵引力为137.3千牛，坦克最大爬坡度为19度。在一档时，变矩器工作时的牵引力为382.5千牛，在相应的地面附着条件下，坦克可爬38.6度的坡，当开动风扇后，可在19秒内越过40米长的30度坡。当坦克在公路上高速行驶时，闭锁离合器闭锁，为机械运动工况，从而提高传动效率。因此，较高的公路车速时，闭锁离合器必须闭锁，以免传动装置内过多的功率消耗。这样在长途行军中可节省燃油，“豹”1坦克的最大行程可达600千米。
　　由于液力机械传动装置是有级变速传动，不能提供连续变化的扭矩，人们希望传动装置能无级变速，且传动效率高。如果把能连续提供扭矩的液压元件和传动效率高的液压元件有机地结合起来，组成静液机械传动装置，就可以达到希望的目的。静液机械传动装置是一种很有前途的传动装置，20世纪60年代，美国曾经为当时发展的MBT-70主战坦克设计过XHN-1500型静液机械传动装置，1971年制成。但因该传动装置在重量、效率和易损性方面的原因而未被采用。目前只有美国M2/M3“布雷德利”战车使用，有可能成为美国陆军坦克下一代传动装置的主要形式。日本也在为第四代坦克研制这种传动装置，以实现无级变速和无级变化坦克转向半径，从而提高坦克的平均行驶速度，改善机动性能。
　　坦克无级变速是半自动或全自动进行，可减轻驾驶员操纵的疲劳强度，提高持续作战能力。坦克的无级转向是通过无级静液转向机构来实现的，目前西方国家的坦克大多数采用静液转向机构，它仍是未来坦克转向机构的主要类型。这种转向机构，在坦克直线行驶工作状态时，可液压闭锁，保证车辆行驶的平稳性，并且低档转向半径小，高档转向半径大。从最小转向半径到无限大的转向半径的范围内，转向半径都是连续无级变化的。这样，坦克可在复杂的地形上顺利运动，克服天然和人工障碍。
　　由于静液转向机构要采用大功率的转向元件，所以体积较大。如果采用小功率的静液元件，虽体积小，但功率又不足，为此人们用转向耦合器来弥补转向功率的不足，从而产生了静液动液复合式转向机构。德国“豹”2主战坦克采用了静液动液复合式转向机构，在转向时，液力助力耦合器和静液机构联合传递转向功率，因此用较小功率的静液元件可以实现重型车辆的无级静液转向。其最小规定转向半径：一档为7米，二档为13米，三档为18米，四档为27米。在空档时，可实现中心转向，转一周需时10秒。
　　随着坦克重量的增加和速度的提高，制动越来越困难。坦克仅依靠机械制动器已不能满足使用要求，为此未来坦克必须采用新型的液力制动器。它的性能适合坦克的使用要求：速度越高，制动力矩越大；车速越低，制动力矩越小。液力制动器和机械制动器合起来使用，可以显著提高坦克的制动性能。目前，“豹”2坦克已采用了液力和机械的综合制动器，具有制动力矩大、反应灵敏和无磨损的持续制动等特点。其制动器由脚制动器和手制动器组成，脚制动器为工作制动器，有1个液力制动器和2个机械制动器。液力制动器消耗大部分功率，在车辆高速行驶的过程中起主要作用，可持续制动。机械制动器是油冷片式摩擦制动器，。在坦克低速行驶过程中，当液力制动器的制动力矩随着转速的降低而减小时，机械制动器便自动地辅助增大力矩。驾驶员通过脚踏板和液压系统来控制这两种制动器。手制动器由驾驶员用手操纵杆操纵，既可用作停车制动器，也可用作辅助制动器。例如，当坦克需要在31度的坡上停车时，它作为停车制动器使用。当坦克以高速行驶进行一次紧急制动和以中速行驶在一定时间内进行多次紧急制动时，它作为辅助制动器使用。
　　总之，机械传动装置的结构简单、价廉和传动效率高，一些国家仍不断改进其性能，并继续使用。静液机械和电力传动装置有较理想的牵引特性，能最佳利用发动机功率，但静液传动装置效率较低，目前在坦克上尚未采用；电力传动装置的重量和体积都比较大，且需要复杂的电气控制设备，所以发展比较缓慢。http://www.nmgyj.com/tank/onews.asp?id=126


坦克作为战斗车辆，既不同于火车行驶在轨道上，也不同于汽车行驶在公路上。它在十分复杂的路面行驶时，遇到沟壑土丘、残垣断壁、水渠田垄等都要跨越而过。因此，坦克遇到的阻力变化很大，必须在坦克的发动机之后，配上一套增力变速机构，以扩大发动机输出牵引力的变化范围和转速的变化范围。
　　坦克传动装置安置在发动机与履带推进装置之间，可以说是坦克的“动脉”，它将坦克“心脏”——发动机的动力按传动路线传给主动轮，使坦克前进、倒驶、转向、制动和停车；在发动机扭矩、转速不变时，增大主动轮的扭矩和转速的变化范围，以改变坦克运动时的牵引力。
　　传动装置由传动箱、主离合器或液力变矩器、变速箱、转向机构、制动器及侧减速器等部件组成。传动箱用来将发动机的动力传给主离合器或液力变矩器，并增高转速；用电起动发动机时，通过传动箱可增大起动扭矩，使发动机容易起动。主离合器位于发动机与变速箱之间，通过主、被动摩擦片的摩擦力来传递动力，分离时便于起动发动机和换档，结合时传递发动机扭矩，并借助结合摩滑使坦克平稳起动加速。液力变矩器是主要以液体动能传递能量的液力式传动部件，可使坦克传动装置有良好的自动适应性。变速箱用以在较大范围内改变坦克主动轮上的扭矩和转速，实现坦克倒退行驶和切断动力。转向机构是控制坦克行驶方向的部件。制动器是利用摩擦来吸收坦克动能的部件，通过控制摩擦力矩使坦克减速或停车。侧减速器是直接与主动轮相联的末端减速机构，用以增大主动轮上的扭矩和降低其转速，以增大推动坦克前进的牵引力。
　　传动装置按传递动力的介质，可分为机械、液体和电力传动装置三大类。目前世界各国主战坦克采用的传动装置有两大类，第一种类型是机械传动装置，它是依靠机械元件传递动力的传动装置。如俄罗斯T-72和T-80系列主战坦克等就采用了这种传动装置。其中，T-72坦克的机械传动装置有7个前进档和1个倒档，一档的最大车速为7.32千米/小时，二档为13.59千米/小时，三档为17.16千米/小时。四档为21.47千米/小时，五档为29.51千米/小时，六档为40.81千米/小时，七档为60千米/小时；倒档为4.18千米/小时。

德国“豹”2坦克传动原理图




德国“豹”2坦克传动装置


　第二种类型是液体传动装置，它又分为两种类型，依靠液体的动能元件传递动力的，称为液力或动液传动装置；依靠液压元件传递动能的，称为液压或静液传动装置。美国M1和德国“豹”1和“豹”2、法国MAX-32和“勒克莱尔”、英国“挑战者”1/2、日本90式等主战坦克都采用液力机械传动装置，其中，M1主战坦克的X-1100型传动装置有4个前进档和2个倒档，前进一档最大车速为15.9千米/小时，二档为31.2千米/小时，三档为49.3千米/小时，四档为72千米/小时，倒一档最大车速为11.3千米/小时，倒二档约为41千米/小时，为高速倒档。在野战条件下，坦克利用反斜面掩护进行战斗，射击后，使用高速倒档，迅速后撤，以反斜面隐蔽自己，免遭敌坦克炮火还击。因此，具有高速倒档的坦克，在起伏地和丘陵地形作战，就会更加灵活机动。
　　关于坦克速度的变化范围，机械传动装置是有级的，如不切断发动机动力，车速就不能降到零。液体传动装置由于有液体元件，液体元件的主、被动部分是由液体来传递能量，所以可使坦克速度能连续变化，能降低速度到零而保持足够的牵引力。
　　关于发动机的功率利用状况，在机械传动中，发动机功率的利用程度受档数的限制，档数越多，功率利用越好，当然一般不如液体传动。液体传动可使发动机在其最大功率范围内工作，从而可充分利用发动机的功率。
　　虽然机械传动装置传动效率高，且结构简单，但坦克行驶时，驾驶员要根据地面阻力的变化，不断地换档。为减少换档次数，减小驾驶员操作的疲劳强度，西方多数主战坦克采用液力机械传动装置，这类传动装置就是在发动机与变速箱之间安装了一个液力变矩器，以增强适应地面阻力变化的能力，提高坦克的起步加速性和在松软地面的通过性。
　　从坦克的发展趋势看，未来坦克传动装置的基本类型将仍是液力机械传动装置。美国从20世纪40年代开始，装在M46中型坦克上的传动装置就是液力传动式的，这是考虑了液力传动的优良性能和美国有发达的汽车工业，利用汽车液力传动的技术和现成的零部件，生产坦克的液力传动装置较为方便。最初装在M46坦克上的CD-850传动装置的液力变矩器不是带闭锁离合器的，无论坦克在复杂地面上的低速行驶，还是在公路上的高速行驶，发动机动力都要经过液力变矩器，因此传动效率低，燃油消耗量大。M47、M48和M60坦克的CD-850系列传动装置，虽然经过几次改进，液力变矩器还是不带闭锁离合器。为提高传动效率和降低发动机油耗，M1、 “豹”1和“豹”2、AMX-32和“勒克莱尔”、“挑战者”1/2、日本90式等主战坦克采用的液力机械传动装置，其变矩器都带闭锁离合器。液力变矩器将根据不同功率要求来参加功率传递，为此在液力变矩器上安装有闭锁离合器。当坦克在起伏地上高速行驶时，闭锁离合器分离，为液力传动工况。这时虽然最大车速有些下降，但牵引力有所增大，有利于提高爬坡能力。例如，“豹”1主战坦克的4HP-250型传动装置，在三档时，变矩器闭锁时的牵引力为44.1千牛，坦克最大爬坡度为6度；变矩器工作时的牵引力为137.3千牛，坦克最大爬坡度为19度。在一档时，变矩器工作时的牵引力为382.5千牛，在相应的地面附着条件下，坦克可爬38.6度的坡，当开动风扇后，可在19秒内越过40米长的30度坡。当坦克在公路上高速行驶时，闭锁离合器闭锁，为机械运动工况，从而提高传动效率。因此，较高的公路车速时，闭锁离合器必须闭锁，以免传动装置内过多的功率消耗。这样在长途行军中可节省燃油，“豹”1坦克的最大行程可达600千米。
　　由于液力机械传动装置是有级变速传动，不能提供连续变化的扭矩，人们希望传动装置能无级变速，且传动效率高。如果把能连续提供扭矩的液压元件和传动效率高的液压元件有机地结合起来，组成静液机械传动装置，就可以达到希望的目的。静液机械传动装置是一种很有前途的传动装置，20世纪60年代，美国曾经为当时发展的MBT-70主战坦克设计过XHN-1500型静液机械传动装置，1971年制成。但因该传动装置在重量、效率和易损性方面的原因而未被采用。目前只有美国M2/M3“布雷德利”战车使用，有可能成为美国陆军坦克下一代传动装置的主要形式。日本也在为第四代坦克研制这种传动装置，以实现无级变速和无级变化坦克转向半径，从而提高坦克的平均行驶速度，改善机动性能。
　　坦克无级变速是半自动或全自动进行，可减轻驾驶员操纵的疲劳强度，提高持续作战能力。坦克的无级转向是通过无级静液转向机构来实现的，目前西方国家的坦克大多数采用静液转向机构，它仍是未来坦克转向机构的主要类型。这种转向机构，在坦克直线行驶工作状态时，可液压闭锁，保证车辆行驶的平稳性，并且低档转向半径小，高档转向半径大。从最小转向半径到无限大的转向半径的范围内，转向半径都是连续无级变化的。这样，坦克可在复杂的地形上顺利运动，克服天然和人工障碍。
　　由于静液转向机构要采用大功率的转向元件，所以体积较大。如果采用小功率的静液元件，虽体积小，但功率又不足，为此人们用转向耦合器来弥补转向功率的不足，从而产生了静液动液复合式转向机构。德国“豹”2主战坦克采用了静液动液复合式转向机构，在转向时，液力助力耦合器和静液机构联合传递转向功率，因此用较小功率的静液元件可以实现重型车辆的无级静液转向。其最小规定转向半径：一档为7米，二档为13米，三档为18米，四档为27米。在空档时，可实现中心转向，转一周需时10秒。
　　随着坦克重量的增加和速度的提高，制动越来越困难。坦克仅依靠机械制动器已不能满足使用要求，为此未来坦克必须采用新型的液力制动器。它的性能适合坦克的使用要求：速度越高，制动力矩越大；车速越低，制动力矩越小。液力制动器和机械制动器合起来使用，可以显著提高坦克的制动性能。目前，“豹”2坦克已采用了液力和机械的综合制动器，具有制动力矩大、反应灵敏和无磨损的持续制动等特点。其制动器由脚制动器和手制动器组成，脚制动器为工作制动器，有1个液力制动器和2个机械制动器。液力制动器消耗大部分功率，在车辆高速行驶的过程中起主要作用，可持续制动。机械制动器是油冷片式摩擦制动器，。在坦克低速行驶过程中，当液力制动器的制动力矩随着转速的降低而减小时，机械制动器便自动地辅助增大力矩。驾驶员通过脚踏板和液压系统来控制这两种制动器。手制动器由驾驶员用手操纵杆操纵，既可用作停车制动器，也可用作辅助制动器。例如，当坦克需要在31度的坡上停车时，它作为停车制动器使用。当坦克以高速行驶进行一次紧急制动和以中速行驶在一定时间内进行多次紧急制动时，它作为辅助制动器使用。
　　总之，机械传动装置的结构简单、价廉和传动效率高，一些国家仍不断改进其性能，并继续使用。静液机械和电力传动装置有较理想的牵引特性，能最佳利用发动机功率，但静液传动装置效率较低，目前在坦克上尚未采用；电力传动装置的重量和体积都比较大，且需要复杂的电气控制设备，所以发展比较缓慢。