|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Ходовая часть американского танка М-46
Инж.-подполковник П. Н. Шапов и инж. С. Д. Казаков
Вестник танковой промышленности. 1952 г. №1.
Введение
Танк М-46, выпущенный в 1947 году, является основным серийным танком, находящимся на вооружении бронетанковых войск американской армии. По компоновке основных узлов и их конструкции ходовая часть танка М-46 идентична ходовой части танков Т-26 (Е1-Е2-ЕЗ). Такая компоновка и в частности форма гусеничного обвода определились после того как американские конструкторы отказались от традиционной блокированной подвески и перешли к индивидуальной торсионной подвеске, скопировав ее с советских танков. Характерной особенностью ходовой части танков Т-26 и М-46 является применение сдвоенных опорных катков большого диаметра в отличие от малых опорных катков, устанавливавшихся на танках М-4 и М-3.
Гусеничный движитель
На танке М-46, так же как и на остальных современных американских танках М-24, М-26, устанавливается гусеница с упругими шарнирами („сайлентблок“). На танке могут быть установлены гусеницы двух видов: гусеницы, собранные из полностью обрезиненных траков марки Т-84Е1, и гусеницы, собранные из траков марки Т-80Е4, беговая дорожка которых обрезинена, а на плоскостях, обращенных к грунту, приварены стальные грунтозацепы S-образной формы. Конструкция сайлентблока, соединительных деталей и каркаса траков обеих марок одинакова. На фиг. 1 показана конструкция полностью обрезиненного трака. Каркас трака собран из четырех полых стальных трубок, соединенных по концам планками. В трубки каркаса запрессованы полые стальные пальцы с навулканизированными на них резиновыми кольцами. По концам пальцы имеют специальные лыски, которые при сборке гусениц соприкасаются с плоскостями сухаря, имеющего клиновидную форму. Траки соединяются между собой с помощью серьг, одеваемых на концы пальцев. Эти серьги являются одновременно цевками для зацепления с зубьями ведущих колес. Сухарь, подтянутый гайкой к серьге, фиксирует относительное положение пальцев двух соседних траков таким образом, что в собранной гусенице угол между плоскостями двух соседних траков составляет 14°. Этот предварительный угол необходим для уменьшения напряжений в резиновых кольцах при перематывании гусениц, а также облегчения одевания гусеницы. Каждый направляющий гребень состоит из двух половин, которые устанавливаются в средней части пальцев двух соседних траков и стягиваются болтом. Конструкции указанных двух типов траков, в основном, являются повторением старой конструкции обрезиненных траков гусеницы, устанавливавшейся на танках М-4. Поэтому все недостатки гусениц с обрезиненными траками относятся также и к гусеницам танка М-46. Этими недостатками являются:
Следует ожидать, что танк М-46 будет плохо проходить и по слабым грунтам, так как среднее удельное давление составляет 1,11 кг/см2. При полном погружении трака в грунт с учетом выступающих серьг удельное давление составляет 0,93 кг/см2; такие значительные величины удельного давления обусловлены применением сравнительно узких траков (ширина трака без соединительных серьг составляет 480 мм).
Фиг. 1. Конструкция трака
По имеющимся данным насчитывается большое число модификаций конструкции траков гусениц для танков М-26 и М-46, причем гусеницы с траками марок Т-80Е4 и Т-84Е1 устанавливаемые на серийном танке М-46, являются опытными и находятся в стадии доработки. Все это свидетельствует о том, что американские конструкторы не могут найти приемлемой конструкции трака, которая наряду с долговечностью, достигаемой за счет установки упругих шарниров, обеспечивала бы высокие сцепные качества. Следует отметить, что литые траки скелетообразной формы, применяющиеся на отечественных танках, обладают значительно более высокими сцепными свойствами и обеспечивают более высокую проходимость. Эти траки несложны по конструкции и просты в изготовлении.
Фиг. 2. Конструкция ведущего колеса
Конструкции ведущих колес танков М-46 и М-4А2 аналогичны (фиг. 2), за исключением того, что в средней части ступицы ведущего колеса танка М-46 выполнены два кольцевых прилива, образующие паз для направления перематываемой гусеницы. Идентичными являются также профилировка зубьев звездочек ведущих колес этих танков (фиг. 3 и табл. 1) и нормальный тип зацепления гусеницы с ведущими колесами (шаг гусеницы на 1,7 мм больше шага зубьев ведущего колеса). В целях повышения износоустойчивости на рабочие поверхности зубьев звездочек ведущих колес либо наплавляется специальный сплав высокой твердости, либо они подвергаются закалке пламенем газовой горелки. Однако надежность покрытия твердым сплавом вызывает сомнение. На танке М-46, так же как и на ряде других американских танков (М-24, М-26, СУ-Т-70) применено компенсирующее устройство, которое предназначено для обеспечения стабильности натяжения гусеницы при движении танка.
Фиг. 3. Профиль зубьев ведущего колеса
Следует отметить, что идея компенсирующего устройства была впервые осуществлена на отечественном полугусеничном автомобиле ЗИС-ЗЗ в 1934 г. Американские конструкторы придают настолько большое значение стабилизации натяжения гусениц движущегося танка, что зачастую идут на значительное конструктивное усложнение ходовой части и трансмиссии. В частности, на танке М-46 был установлен качающийся бортовой редуктор, корпус которого (так же как и на СУ-Т-70) был кинематически связан с задним опорным катком. Однако на танках более поздних выпусков данная кинематическая связь отсутствует, а корпус бортового редуктора прикреплен к корпусу танка штифтами.
Таблица 1
Кроме того, между ведущим колесом и задним опорным катком установлен натяжной ролик, подрессоренный торсионным валиком. Компенсирующие устройства, связывающие передние опорные катки с направляющими колесами, в конструктивном отношении идентичны компенсирующим устройствам танка М-26. Основной частью переднего компенсирующего устройства (фиг. 4) является двуплечий рычаг, на одном плече которого укреплено направляющее колесо, а на втором – передний опорный каток. Запрессованная в тело двуплечего рычага ось вращается на двух игольчатых подшипниках в специальном кронштейне, который крепится болтами к корпусу танка. Двуплечий рычаг имеет два прилива, к одному из них шарнирно прикрепляется головка гидравлического амортизатора, а второй прилив служит для шарнирного крепления нижней головки звена, связывающего двуплечий рычаг с балансиром первого торсионного вала. При подъеме переднего опорного катка двуплечий рычаг, поворачиваясь на своей оси, перемещает направляющее колесо по ходу танка и тем самым компенсирует ослабление гусеницы, вызванное подъемом катка. Вместе с этим происходит закручивание торсионного вала и перемещение поршней амортизаторов. Кинематическая характеристика компенсирующего устройства представлена на фиг. 5; кинематическое отношение для хода катка вверх равно 2, а для хода вниз – около 1,5.
Фиг. 4. Конструкция компенсирующего устройства: 1 – кронштейн крепления амортизатора, 2 – амортизатор, 3 – кронштейн упругого упора, 4 – ось двуплечего рычага, 5 – двуплечий рычаг, 6 – соединительное звено, 7 – балансир переднего опорного катка
Таким образом, решение задачи сохранения постоянства натяжения гусениц и, следовательно, уменьшения вероятности их спадания осуществлено ценой значительных конструктивных усложнений ходовой части. Эти задачи могли быть решены более простыми средствами, например, подрессориванием направляющего колеса, увеличением высоты направляющих гребней, выбором рациональной формы гусеничного обвода и. т. д. Предварительное натяжение гусеницы осуществляется кривошипным механизмом с помощью специального ключа. Ось кривошипа установлена в головке двуплечего рычага компенсирующего устройства на подшипниках. В головке двуплечего рычага запрессована шайба с торцевыми зубьями. Такие же зубья имеет и подвижная шайба с гранями, которая посажена на шлицованной части оси кривошипа. Перемещение подвижной шайбы для ввода зубьев в зацепление осуществляется гайкой, навернутой на резьбу хвостовика оси кривошипа.
Фиг. 5. Кинематическая характеристика компенсирующего устройства
При такой конструкции операция по натяжению гусениц, учитывая наличие упругих элементов в шарнирах, является трудоемкой и требует затраты больших физических усилий и может быть произведено только силами двух человек. Особенностью конструкции опорных катков является приклейка резинового массива шины к гладкому бандажу, что значительно упрощает технологию изготовления опорного катка, однако надежность такого способа крепления шины требует экспериментальной проверки. Ступицы опорных и поддерживающих катков, а также направляющих колес (со всеми внутренними деталями ступиц) взаимозаменяемы. Полностью взаимозаменяемы также опорные катки с направляющими колесами. Для уплотнения вращающихся деталей гусеничного движителя применяются самоподжимные сальники и лабиринты.
Подвеска
Убедившись в том, что блокированная подвеска с буферными пружинами обладает рядом существенных недостатков, американские конструкторы начали, ориентировочно с 1943 года, работать над индивидуальной торсионной подвеской. Так торсионной подвеской были оборудованы легкий танк М-24, самоходная артиллерийская установка Т-70, танк М-26. Торсионную подвеску имеет и танк М-46. Исследование расчетных параметров плавности хода, а также испытания на плавность хода американских танков показали, что их конструкторы уделяют значительное внимание повышению плавности хода. Повышение плавности хода достигается путем применения низкочастотных антирезонансных подвесок с большим общим ходом опорных катков. Ниже приведены значения периода собственных колебаний и резонансной скорости для некоторых американских танков при переезде единичной неровности длиной 1,5 метра (табл. 2).
Таблица 2
На фиг. 6 приведены графики изменения суммы угловых амплитуд в
зависимости от скорости движения через единичную неровность длиною 1,5 м. Из
рассмотрения графиков следует, что, например, резонанс для танка М-24 и СУ-Т-70
наступает при скорости движения 12-15 км/час, после чего амплитуды падают,
причем резонансная скорость, при которой амплитуды достигают максимального
значения, лежит ниже средней скорости движения этих танков. В
конструктивном отношении подвески танков М-46 и М-26 — идентичны (фиг. 7).
На фиг. 6 приведены графики изменения суммы угловых амплитуд в зависимости от скорости движения через единичную неровность длиною 1,5 м. Из рассмотрения графиков следует, что, например, резонанс для танка М-24 и СУ-Т-70 наступает при скорости движения 12-15 км/час, после чего амплитуды падают, причем резонансная скорость, при которой амплитуды достигают максимального значения, лежит ниже средней скорости движения этих танков. В конструктивном отношении подвески танков М-46 и М-26 — идентичны (фиг. 7).
Фиг. 6. Сравнительные характеристики суммы угловых амплитуд при движении через единичную неровность; I – Т-34, II – СУ-Т-70, III – М-24
Балансиры выполнены составными, оси балансира и опорного катка запрессованы в тело балансира. Оси балансиров смонтированы в съемных литых кронштейнах, которые крепятся к корпусу на болтах. Первый и второй узлы подвески каждого борта смонтированы в одном общем кронштейне, который невзаимозаменяем с кронштейнами остальных узлов подвески, отдельных для каждых балансиров. Применение съемных кронштейнов вызывает необходимость обработки привалочных плоскостей не только самого кронштейна, но и бортового листа корпуса танка, что значительно усложняет производство.
Фиг. 7. Конструкция переднего узла подвески: 1 – ось опорного катка, 2 – опорный каток, 3 – балансир второго катка, 4 – сухарь, 5 – торсионные валы, 6 – кронштейн, 7 – балансир переднего катка
Ось каждого балансира вращается на двух игольчатых подшипниках. Установка игольчатых подшипников конструктивно и технологически неоправдана, так как в этих узлах надежно работают более простые подшипники скольжения, особенно при наличии достаточно надежных уплотнений. От осевого перемещения балансиры удерживаются гайками, навинченными на нарезанную часть оси балансира, и наружными крышками, которые крепятся к кронштейну болтами. Уплотнения осей балансиров осуществляются снаружи лабиринтом и самоподжимным сальником, изнутри – таким же сальником. Для смазки внутреннего и наружного подшипников оси балансира установлены отдельные масленки. Торсионный вал одной шлицованной головкой входит во внутренние шлицы балансира, другой – в шлицованное отверстие цилиндрического сухаря, который устанавливается в специальном приливе кронштейна. Доступ к каждому сухарю осуществляется через специальные отверстия, сделанные в днище корпуса. Применение указанного способа закрепления второго конца торсионного вала позволяет избежать таких операций, как соблюдение соосности отверстий под торсионный вал, выдерживание определенных углов развала и завала, что неизбежно при приварных кронштейнах. Кроме того, применение съемного сухаря значительно облегчает установку торсионного вала. Установка торсионного вала облегчается тем, что на обеих головках срезано по одному шлицу, а в шлицованных отверстиях сухаря и балансира выполнено по одному широкому шлицу. Выступы и впадины на этих деталях расположены таким образом, что при их совмещении обеспечивается необходимая установка балансиров по высоте, которая одинакова для всех балансиров обоих бортов, за исключением передних, для которых отличная от других установка балансиров обусловлена кинематической связью компенсирующего устройства. Указанное мероприятие заслуживает внимания со стороны конструкторов, так как при отсутствии необходимых приспособлений правильная установка балансиров в условиях войсковых частей весьма затруднительна. Неправильная установка балансиров приводит к перегрузке отдельных торсионных валов и преждевременным их поломкам. При рассмотрении конструкции торсионных валов обращает на себя внимание небольшая длина шлиц, которая не превышает 34 мм (фиг. 8).
Фиг. 8. Конструкция торсионного вала
Уменьшение рабочей длины шлиц обусловило чрезмерно большие напряжения на смятие. Так максимальное напряжение смятия шлиц малой головки будет:
где: M кр max — максимальный крутящий момент; α – угол при вершине шлица; z – число шлиц; d – диаметр начальной окружности шлиц;
b и l – соответственно, ширина и длина боковой плоскости шлица. Такие большие напряжения смятия для шлиц торсионных валов встречаются впервые, превышают в несколько раз допускаемые и вызывают сомнение в надежности шлиц. Угол при вершине шлица составляет около 90°, в то время как обычно этот угол не превышает 60°. Большие величины углов при вершине и во впадине шлиц (около 96°) позволили выполнить впадину по радиусу около одного миллиметра, чем обеспечивается снижение концентраций напряжений во впадинах шлиц, являющихся наиболее опасной зоной торсионного вала. Кроме того, выбор такой формы профиля шлиц по-видимому обусловил возможность уменьшить рабочую длину шлиц при удовлетворительной их прочности на срез и изгиб:
Переход от шлицованной головки к рабочей части выполнен по образующей конуса, и далее – по дуге окружности. В целях большего удобства установки торсионного вала конец малой головки имеет конусную форму с закругленной кромкой. Поверхность рабочей части валов имеет защитное лакокрасочное покрытие; кроме того, эта поверхность покрыта прорезиненной тканью для защиты от коррозии и механических повреждений. Для повышения работоспособности валов в технологию их изготовления введена дробеструйная обработка и заневоливание (закручивание вала на угол, при котором напряжения превышают предел пропорциональности, и выдержка его в закрученном состоянии определенное время). Это обусловило невзаимозаменяемость торсионных валов правых и левых бортов. Кроме того, на передних и задних узлах подвески установлены торсионные валы диаметром 60,3 мм, в то время как диаметр торсионных валов остальных узлов подвески составляет 58,7 мм. При этом профиль и число шлиц соответствующих головок этих валов остаются одинаковыми. Учитывая все это, а также то, что балансиры передних узлов подвески направлены против хода, на танке М-46 оказывается необходимым устанавливать четыре разных типа торсионных валов (табл. 3). Такое большое число разных типов торсионных валов, устанавливаемых на одном танке, не только усложняет производство, но также в значительной степени усложняет снабжение запасными частями и ремонт в полевых условиях. Отсутствие взаимозаменяемости характерно и для других узлов подвески. Так, например, не взаимозаменяемы балансиры, кронштейны балансиров и ограничителей. Это является весьма существенным недостатком конструкции ходовой части танка М-46.
Фиг. 9. Конструкция амортизатора 1 – перепускной клапан, 2 – наружный цилиндр, 3 – дополнительный клапан, 4 – клапан обратного действия, 5 – поршень, 6 – клапан прямого действия, 7 – рабочий цилиндр, 8 — уплотнение, 9 – кожух, 10 – шток
В двух передних и двух задних узлах подвески каждого борта установлены гидравлические амортизаторы двухстороннего действия телескопического типа, причем в передних узлах установлено по два амортизатора. Конструкция амортизатора показана на фиг. 9. Рабочий цилиндр помещен внутри наружного цилиндра; кольцевая полость между ними является компенсационной камерой. Поршень с клапанным устройством закреплен на хвостовике штока, на противоположном конце которого приварен кожух, предохраняющий шток от ударов и грязи. Клапанное устройство состоит из двух тарельчатых клапанов, расположенных по обеим сторонам поршня. В теле поршня имеется два ряда концентрических наклонных отверстий. Тарельчатые клапаны, имеющие пружины разной жесткости, перекрывают внутренние ряды отверстий на торцах поршня. В нижней части рабочего цилиндра установлен перепускной клапан, который сообщает этот цилиндр с компенсационной камерой.
Таблица 3
Амортизатор прикрепляется одной головкой к ушку балансира, а второй – к специальному кронштейну, привернутому болтами к корпусу танка. Из особенностей конструкции амортизатора следует отметить наличие дополнительных клапанов с пружинами в верхней и нижней частях рабочего цилиндра.
Фиг. 10. Характеристика пружин клапанов прямого и обратного действия
Эти клапаны при соприкосновении с поршнем перекрывают в нем большую частьотверстий, чем обеспечивается резкое повышение сопротивления в конце хода катка вверх или вниз. Это важно при прямом ходе, так как повышение сопротивления амортизатора в конце хода создает гарантию предотвращения жесткого удара балансира в ограничитель хода. Другой особенностью амортизаторов танка М-46 является конструкция уплотнения штока. Это уплотнение состоит из двух самоподжимных сальников и, занимая сравнительно малый объем, обеспечивает достаточно эффективную герметизацию рабочей полости амортизатора. Последнее подтверждается тем фактом, что в амортизаторе отсутствуют отверстия для дозаправки жидкости (дозаправки не предусматриваются и инструкциями). Так как площади проходных сечений отверстий клапанов прямого и обратного действия одинаковы, то сопротивления в обоих направлениях определяются жесткостью пружин клапанов, характеристики которых приведены на фиг. 10. Из сравнения этих характеристик следует, что сопротивление при прямом ходе составляет 22% от сопротивления, создающегося при обратном ходе.
Фиг. 11. Конструкция упругого упора и его характеристика
Ход балансиров
вверх ограничивается упругими упорами, выполненными в виде буферных пружин (фиг. 11), имеющих нелинейную характеристику. Установка таких
упоров позволяет увеличить общий упругий ход катка, а, следовательно, повысить
общий запас потенциальной энергии.
Приведенная характеристика и расчетные
параметры подвески
Наличие специальной кинематической связи между передним опорным катком и передним торсионным валом каждого борта обусловило различия в приведенных характеристиках (фиг. 12) передних и остальных узлов подвески. Кроме того, приведенная характеристика задних узлов подвески отличается от остальных вследствие установки торсионных валов большего диаметра. Так приведенные характеристики передних узлов подвески являются нелинейными, а для всех остальных характеристики близки к прямолинейным. Нелинейность характеристик обусловлена тем, что силы, действующие на передние катки, передаются на балансиры передних торсионных валов не непосредственно, а через специальную рычажную систему.
Фиг. 12. Приведенные характеристики подвески
При небольших ходах катка характеристика. близка к прямой и имеет небольшой угол наклона к оси абсцисс, что в свою очередь соответствует небольшой величине приведенного модуля; в случае больших перемещений катка приведенный модуль резко возрастает, обеспечивая более значительное повышение потенциальной энергии, нежели при прямолинейных характеристиках. Повышение потенциальной энергии достигается также тем, что ходы передних катков имеют большую величину, по сравнению с ходами остальных катков, несмотря на то, что передние торсионные валы имеют больший диаметр (такой же, как и задние торсионные валы). Так полный ход передних катков (до соприкосновения с упругим упором) составляет 280 мм, а остальных катков 235 мм. При этом полные углы закручивания передних торсионных валов оказываются меньшими, чем у остальных валов на два градуса. Значения величин полного запаса потенциальной энергии для различных узлов подвески даны в таблице 4.
Таблица 4
При этом значении потенциальной
энергии удельная потенциальная энергия с учетом действия упругого ограничителя
будет равна:
где: mp и my – соответственно, приведенные модули рессоры и упругого упора (ограничителя); fp и fy — соответственно, полный ход катка и ход катка за счет деформации рессоры и ограничителя; Gп — подрессоренный вес танка. Обращает на себя внимание значительный запас потенциальной энергии, создаваемый в конце хода катка за счет установки упругих упоров с нелинейной характеристикой, который в значительной степени гарантирует от передачи жесткого удара на корпус. Одним из
основных критериев оценки подвески является плавность хода. Дать полную оценку
плавности хода танка М-46 без проведения специальных экспериментальных работ
не представляется возможным. Поэтому в данной статье приводятся лишь те
значения параметров, которые поддаются расчету. В частности, период собственных
угловых колебаний определен по формуле:
где: I — момент инерции корпуса; li приведенный модуль i-той рессоры; mi—
расстояние от центра тяжести до i-того катка.
Для танка М-46 I = 2700000 кг·см·сек2. Исходя из приведенных характеристик, средние приведенные модули подвески будут иметь следующие значения: первых узлов — 220 кг/см; вторых, третьих четвертых и пятых узлов подвески – 390 кг/см; шестых узлов — 468 кг/см. Таким образом, период собственных угловых колебаний будет равен:
При этом значении периода собственных угловых колебаний резонансная скорость при движении по стандартной единичной неровности длиной 1,5 метра определится из выражения:
L – длина неровности (1,5 метра); A – длина опорной поверхности (3,77 метра). Для танков с торсионными подвесками резонансная скорость при переезде этой же неровности составляет 15-25 км/час. Из приведенных расчетных данных следует, что подвеска танка М-46 принадлежит к низкочастотным антирезонансным подвескам. Таким образом, применение передних и задних торсионных валов большего диаметра незначительно повлияло на понижение плавности хода, но в, то же время, положительно сказалось на повышении запаса потенциальной энергии. Следует учесть, что в рассмотренных расчетах, а также при построении приведенных характеристик не учитывалось влияние гидравлических амортизаторов, которые будут положительно влиять на повышение плавности хода и общего запаса потенциальной энергии. Надежность
упругих элементов подвески торсионных валов определяется, прежде всего, выносливостью
их при приложении знакопеременных нагрузок. О степени напряженности торсионных
валов можно также судить по величинам статических и максимальных напряжений,
соответствующих посадке балансиров на ограничители. Значения этих величин
приведены в табл. 5.
Таблица 5
Наибольшее максимальное напряжение имеют задние (шестые) торсионные валы. Первые торсионные валы, несмотря на то, что ход первых катков больше остальных, имеют такое же, примерно, напряжение, как и средние валы, со второго торсионного вала по пятый включительно, что объясняется меньшим углом закручивания первых торсионных валов, обеспеченным кинематической связью между опорным катком и торсионным валом. В целом же напряжения в торсионных валах, и особенно максимальные напряжения, являются завышенными, тем более, что торсионные валы изготовлены из малолегированной стали, близкой по химическому составу к стали марки 60С2 (табл. 6).
Таблица 6 Химический состав стали в процентах
Основываясь на литературных данных, можно предполагать, что американские конструкторы сознательно пошли на высокие напряжения в валах, имея в виду, что такое мероприятие как заневоливание позволит значительно повысить рабочие напряжения, а дробеструйная обработка повышает выносливость валов при действии на них знакопеременных нагрузок. Окончательное суждение о надежности торсионных валов в целом можно было бы сделать после проведения стендовых и ходовых испытаний.
Выводы
1. В конструктивном отношении ходовая часть танка М-46 не содержит в себе ничего принципиально нового и по существу является повторением конструкции ходовой части ранее выпускавшихся американских танков. 2. Характерным в конструкции гусеничного движителя является:
3. Кинематическая связь передних торсионных валов с двуплечими рычагами компенсирующих устройств обеспечивает:
4. Значительный запас общей потенциальной энергии (λп = 59 см) при удовлетворительной плавности хода (Т = 1,26 сек., Vрез.1,5 м = 15 км/час. получены за счет:
5. Недостатками конструкции ходовой части танка М-46 являются:
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|