Concepts of modernization of the motion control systems of tracked vehicles with track drive gearboxes

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Бортовые коробки передач (БКП) используются в составе трансмиссий отечественных основных танков (ОТ) Т-64, Т-72¹, Т-80² и Т-90 [1, 2] различных модификаций, а также на гусеничных машинах, произведенных на их базе (самоходные артиллерийские установки 2С7 «Пион» и 2С19 «Мста-С», самоходное гусеничное шасси «Объект 830» и др.). Структурные схемы трансмиссий отечественных ОТ весьма схожи друг с другом (рис. 1–3).

 

Рис. 1. Структурная схема трансмиссии Т-64: 1 — бортовая коробка передач; 2 — бортовой редуктор.

Fig. 1. Block diagram of the transmission of the T-64 tank: 1, track drive gearbox; 2, final drive.

 

Рис. 2. Структурная схема трансмиссий Т-72 и Т-90: 1 — бортовая коробка передач; 2 — бортовой редуктор; 3 — гитара.

Fig. 2. Block diagram of the transmissions of the T-72 and T-90 tanks: 1, track drive gearbox; 2, final drive; 3, reduction gear.

 

Рис. 3. Структурная схема трансмиссии Т-80: 1 — бортовая коробка передач; 2 — бортовой редуктор; 3 — выходной редуктор.

Fig. 3. Block diagram of the transmission of the T-80 tank: 1, track drive gearbox; 2, final drive; 3, output gearbox.

 

Ключевой особенностью БКП является совмещение функций коробки передач, механизма поворота (МП) и остановочных тормозов. Использование БКП обеспечивает такие преимущества, как высокие массогабаритные показатели, более высокий по сравнению с гидромеханической трансмиссией (ГМТ) коэффициент полезного действия [3].

Многолетний опыт эксплуатации гусеничных машин с БКП показывает, что на высоких скоростях движения они имеют низкое качество управления поворотом. Система управления движением (СУД) с БКП обеспечивает кинематическое управление только на расчетных радиусах. Получение промежуточных радиусов требует силового регулирования и буксования фрикционных элементов управления (ФЭУ). Это приводит к снижению ресурса узлов и агрегатов и повышению утомляемости механика-водителя, вынужденного использовать сложные приёмы управления [4]. К недостаткам СУД с БКП можно отнести отсутствие автоматического переключения передач и бесступенчатого регулирования радиуса поворота, низкое быстродействие механогидравлической системы управления [5]. Особенности разбивки передаточных чисел в БКП привели к наличию всего лишь одной передачи заднего хода, что обеспечивает для ОТ Т-72 и Т-90 скорость назад всего 4,2 км/ч и 10,8 км/ч для Т-80. Такой скорости заднего хода явно недостаточно в условиях современного боя. Также необходимо отметить, что разбивка является компромиссной: схема БКП должна обеспечивать, как устойчивое прямолинейное движение, так и поворот. Совместить эти два режима движения оказалось проблематично, что сказывается на качестве СУД.

Несмотря на существенные недостатки СУД с БКП, их достоинства, отлаженность в производстве и распространенность не позволяют отказаться от их использования. Вследствие этого существует необходимость проведения модернизации гусеничных машин, оснащенных БКП. Известны следующие концепции модернизации:

• применение МП с гидрообъемной передачей (ГОП) или фрикционным механизмом поворота (ФМП) во втором потоке мощности;
• автоматизация переключения передач;
• применение СУД с широтно-импульсной модуляцией давления (ШИМД) в гидравлических магистралях;
• использование реверс-редукторов.

При проведении модернизации следует добиваться максимального повышения качества управления поворотом, под которым подразумеваются такие параметры, как поворотливость, устойчивость режима движения, быстродействие реакции машины, лёгкость и удобство управления [6]. Количественно данные параметры можно оценить по значениям следующих величин:

• ошибка слежения (отношение отклонения регулируемого параметра к заданному значению);
• время запаздывания реакции машины на управляющее воздействие;
• усилия на органах управления (ОУ) поворотом.

Также необходимо отметить, что важным параметром для танков является ремонтопригодность, показатели которой определяют продолжительность и трудоёмкость поиска причины потери работоспособности и замены сборочных единиц [7]. Количественно оценить ремонтопригодность сложно, т. к. для этого требуется наличие эксплуатационных данных и комплекта документации. В данном научном обзоре ремонтопригодность будет оцениваться только качественно по имеющемуся описанию концепций модернизации.

ОПИСАНИЕ КОНЦЕПЦИЙ МОДЕРНИЗАЦИИ

При внедрении ГОП в трансмиссию отечественных танков суммирующие планетарные ряды (СПР) устанавливаются перед входами в БКП (рис. 4). Другие решения при существующей компоновке невозможны без существенного изменения конструкции моторно-трансмиссионной установки (МТУ). Подобная схема была испытана на танке Т-80 с газотурбинным двигателем ГТД-1250Г. Испытания выявили улучшение управляемости и быстроходности на 25–30 %, кроме того, число переключений передач в БКП снизилось в 30–50 раз, что увеличило долговечность БКП в 1,5–2 раза [8].

 

Рис. 4. Структурная схема двухпоточной трансмиссии Т-80: 1 — бортовая коробка передач; 2 — бортовой редуктор; 3 — выходной редуктор; 4 — суммирующий планетарный ряд; 5 — межбортовая связь; 6 — гидрообъёмная передача или фрикционный механизм поворота.

Fig. 4. Block diagram of the two-flow transmission of the T-80 tank: 1, track drive gearbox; 2, final drive; 3, output reduction gear; 4, summing planetary gear set; 5, inter-track link; 6, hydrostatic transmission or frictional steering device.

 

Для танков Т-72 и Т-90 была разработана другая оригинальная схема трансмиссии с ГОП, ключевой особенностью которой является передаточное отношение МП равное 1 при прямолинейном движении, что позволяет не только сохранить имеющуюся БКП, но и гитару. Испытания макетного образца танка Т-90 показали повышение средней скорости движения в повороте без заноса при входе, возможность разворота вокруг центра масс, плавное переключение передач и движение при выходе из строя электронного блока управления за счёт перехода на механогидравлическую систему [9].

Несмотря на все преимущества данной схемы, внедрение ГОП, гидрозамедлителя и других узлов при одновременном повышении мощности двигателя приводит к увеличению объёма МТУ до 4 м³, что сопоставимо с объемом центральной ГМТ с МП с ГОП, которая обеспечивает еще более высокие показатели подвижности [10] и используется на подавляющем большинстве зарубежных ОТ. Таким образом, теряется главное преимущество отечественных трансмиссий — высокая компактность. Внедрение новых сложных и дорогостоящих узлов, очевидно, приведёт к ухудшению показателей ремонтопригодности, особенно в условиях войскового ремонта.

Существовал также вариант замены БКП на новую бортовую гидрообъёмную механическую трансмиссию, которая позволяла реализовать автоматическое переключение передач, полный реверс и два режима движения: с двумя потоками мощности и механический. Несмотря на все преимущества, при таком варианте объём МТУ увеличивался почти в два раза [11].

Автоматизация переключения передач проводится за счёт установки сервоцилиндров на механизмах распределения (МР) БКП. Это позволяет повысить среднюю скорость прямолинейного движения танка, уменьшить ход и усилия на ОУ, снизить утомляемость механика-водителя [5]. Однако эти улучшения относятся лишь к прямолинейному движению танка, качественно не влияя на управление поворотом.

Реализация высокой скорости заднего хода обеспечивается заменой штатного бортового редуктора на реверс-редуктор, способный работать в двух режимах. Это позволяет обеспечить скорость заднего хода до 32 км/ч без существенного изменения габаритов³. Данное решение значительно увеличивает скорость прямолинейного движения назад. Другим вариантом является интеграция реверс-редуктора в гитару (см. рис. 1), что выглядит более компактно, но потребует разработки совершенно новой конструкции данного узла [12].

Применение замкнутой системы управления поворотом и ШИМД [13] в гидросистеме позволяет реализовать качественное управление поворотом за счёт обеспечения необходимой точности значения угловой скорости и крутящего момента на выходном звене.

Принцип следящей СУД с ШИМД заключается в регулируемой пробуксовке ФЭУ пониженной передачи на отстающем борту, путём плавного регулируемого изменения давления в бустерах с помощью специального клапана с электрическим управлением [14], работающего в широтно-импульсном режиме. Соотношение между заполнением и опорожнением определяется шириной импульса срабатывания клапана. Клапан работает с несущей частотой до 10 Гц, коэффициент заполнения цикла импульсов составляет от 20% до 80%, чем достигается точное регулирование давления в гидроцилиндрах БКП и пробуксовка ФЭУ с требуемой скоростью при любых условиях движения машины. Тем самым достигается бесступенчатое регулирование радиуса поворота, повышение средней скорости движения в повороте без существенного изменения конструкции [15].

СУД с ШИМД была установлена и испытана на ходовом макете танка Т-72. Результаты испытаний показали следующее: уменьшение в 3–5 раз времени запаздывания входа в поворот; улучшение в 3–4 раза стабильности курса танка в повороте; меньшая амплитуда воздействий на ОУ в повороте и практически полное использование хода ОУ; повышение средней скорости движения в повороте [4]. При этом внедрение СУД с ШИМД не требует кардинальной перекомпоновки МТУ: в гидравлическую схему устанавливаются электромагнитные клапаны, в свободном пространстве размещается блок управления и датчики, рычаги заменяются на штурвал, который в качестве ОУ поворотом требует усилий в несколько раз меньше в сравнении с рычагами [16]. Проблемой является лишь выбор клапана, способного работать с требуемой несущей частотой. Интеграция принципов ШИМД с современными цифровыми технологиями может обеспечить дальнейшее повышение качества СУД [17]. Несмотря на обозначенные преимущества, СУД с ШИМД в имеющемся виде не может быть рекомендована к серийному производству, т.к. на данный момент отработана только концепция, и необходимо проведение дополнительных научных, конструкторских и испытательных работ по доводке системы [15]. Использование ШИМД, несмотря на сохранение без конструктивных изменений МР и БКП, приведёт к усложнению СУД танка, что, вероятно, скажется на некотором ухудшении показателей ремонтопригодности.

Работы по СУД с ШИМД, помимо нашей страны, также проводились на Украине для танка БМ «Оплот» [16, 18, 19], в Словакии и Сербии для танка Т-72 [20–22]. Исследованием ШИМД в гидравлических магистралях узлов трансмиссий занимаются в Китае [23, 24].

Необходимо отметить, что СУД с ШИМД может применяться в составе двухпоточной трансмиссии для управления ФМП, который является более простой альтернативой ГОП [25].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании анализа концепций модернизации можно сделать следующие выводы. Распространенность и отлаженность СУД с БКП не позволяют отказаться от них, однако их технические характеристики не удовлетворяют современным требованиям по подвижности, управляемости и эргономике. Вследствие этого необходимо проведение модернизации СУД с БКП.

Внедрение ГОП в составе двухпоточной трансмиссии обеспечивает наибольшее повышение технических характеристик. Данное решение было испытано на ходовых макетах ОТ Т-80 и Т-90. Однако, оно лишает отечественные ОТ такого преимущества, как высокие массогабаритные показатели МТУ.

Автоматизация переключения передач и внедрение реверс-редуктора улучшают только прямолинейное движение ОТ, не влияя на качество поворота.

Использование ШИМД обеспечивает повышение качества СУД с БКП аналогичное двухпоточной трансмиссии с ГОП без существенных изменений в МТУ, что подтвердилось на испытаниях ходового макета танка Т-72. Также ШИМД может применяться для управления ФМП.

Таким образом, наиболее предпочтительным с точки зрения обеспечения качества СУД является концепция с использованием реверс-редуктора и ШИМД. Данная концепция обеспечивает повышение качества СУД и увеличение скорости заднего хода без существенного удорожания машины и перекомпоновки МТУ. Единственным недостатком данной концепции является отсутствие возможности разворота вокруг центра масс.

Свод результатов обзорного анализа представлен в табл. 1. СУД с ШИМД обеспечивает уменьшение в несколько раз ошибки слежения и времени запаздывания реакции машины на управляющее воздействие в сравнении с серийной СУД, а также снижение усилия на ОУ поворотом при сохранении объема МТУ.

 

Таблица 1. Результаты обзорного анализа концепций модернизации систем управления движением

Table 1. Results of the review analysis of modernization concepts of the motion control systems

Параметр	Серийная СУД танка Т-72	Наименование концепции
		МП с ГОП или ФМП	Автоматизация переключения передач	СУД с ШИМД
Ошибка слежения при повороте	0,5–2,0	–	–	0,05–0,15
Время запаздывания реакции машины на управляющее воздействие, с	0,3–2,0	0,5–0,7	–	0,1–0,4
Усилие на ОУ поворотом, Н	240	≈50	≈50	50
Объем МТУ, м3	3,1	4,0	3,1	3,1

Примечание: МП — механизм поворота; ГОП — гидрообъёмная передача; ФМП — фрикционный механизм поворота; СУД — система управления движением; ШИМД — широтно-импульсная модуляция давления; МТУ — моторно-трансмиссионная установка

 

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. А.В. Артемьев — поиск публикаций по теме статьи, написание текста рукописи, создание изображений; Р.Ю. Добрецов — экспертная оценка, утверждение финальной версии. Все авторы одобрили рукопись (версию для публикации), а также согласились нести ответственность за все аспекты настоящей работы, гарантируя надлежащее рассмотрение и решение вопросов, связанных с точностью и добросовестностью любой её части.

Этическая экспертиза. Неприменимо.

Источники финансирования. Отсутствуют.

Раскрытие интересов. Авторы заявляют об отсутствии отношений, деятельности и интересов за последние три года, связанных с третьими лицами (коммерческими и некоммерческими организациями), интересы которых могут быть затронуты содержанием статьи.

Оригинальность. При проведении исследования и создании настоящей статьи авторы не использовали ранее полученные и опубликованные сведения (данные, текст, иллюстрации).

Доступ к данным. Все данные, полученные в настоящем исследовании, представлены в статье.

Генеративный искусственный интеллект. При создании настоящей статьи технологии генеративного искусственного интеллекта не использовали.

Рассмотрение и рецензирование. Настоящая работа подана в журнал в инициативном порядке и рассмотрена по обычной процедуре. В рецензировании участвовали два внешних рецензента, член редакционной коллегии и научный редактор издания.

ADDITIONAL INFORMATION

Author contributions: A.V. Artemyev: search for publications on the topic of the article, writing the manuscript, creating images; R.Yu. Dobretsov: expert opinion, approval of the final version. All the authors approved the version of the manuscript to be published and agreed to be accountable for all aspects of the work, ensuring that issues related to the accuracy or integrity of any part of the work are appropriately investigated and resolved.

Ethics approval: Not applicable.

Funding sources: No funding.

Disclosure of interests: The authors have no relationships, activities, or interests for the last three years related to for-profit or not-for-profit third parties whose interests may be affected by the content of the article.

Statement of originality: No previously obtained or published material (text, images, or data) was used in this study or article.

Data availability statement: All data obtained in this study are available in this article.

Generative AI: No generative artificial intelligence technologies were used to prepare this article.

Provenance and peer review: This paper was submitted unsolicited and reviewed following the standard procedure. The peer review involved two external reviewers, a member of the editorial board, and the in-house scientific editor.

 

¹ Танк Т-72A. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Кн. 2, часть 1. М.: Военное издательство, 1989.

² Объект 219. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Кн. 2. М.: Военное издательство, 1979.

³ dzen.ru [Интернет]. БМ «Оплот». Реализация реверса для танков с БКП. Режим доступа: https://dzen.ru/a/YV7btA62cUBBjHOr. Дата обращения: 01.06.2025.

About the authors

Aleksandr V. Artemyev

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

Author for correspondence.
Email: alexandr43105@mail.ru
ORCID iD: 0009-0003-5181-0249
SPIN-code: 7150-3178

Postgraduate student of the Higher School of Transport

Russian Federation, Saint-Petersburg

Roman Yu. Dobretsov

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

Email: dr-idpo@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-3827-0220
SPIN-code: 6168-3091

Dr. Sci. (Engineering), assistant professor, Professor of the Higher School of Transport

Russian Federation, Saint-Petersburg

References

Supplementary files