ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ТРАНСМИССИЯ –

ТЕХНОЛОГИЯ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

С одной стороны,  для запуска двигателя необходим высокий крутящий момент (большинство двигателей внутреннего сгорания) при малой частоте вращения, с другой стороны, при высокой скорости движения – точное его соотношение с возникающей нагрузкой. Выполнение данных условий при обеспечении переменного соотношения "крутящего момента – частоты вращения" может быть обеспечено только при использовании электрической трансмиссии, несмотря на большой объем и массу. В этой связи известным примером является сконструированная профессором Порше и выпускаемая Lohner-Porsche с 1900 года машина с электрическим приводом передних колес. Благодаря применению новых технологий приводов дизель-электрический привод становится интересен для использования в гражданской и военной сферах.

Со временем электрические приводы благодаря появлению ступенчатой коробки передач были почти полностью вытеснены, однако в последние годы интерес к электроприводам проявляется в возрастающем объеме. Это касается не только технологии приводов. Составляющие системы при современном уровне развития представляют собой ряд серьезных преимуществ для формы и конструкции машины, а также для возросшей в настоящее время необходимости в создании полностью электрической машины повышенной эффективности. Генераторы будут заменены так называемыми генераторами коленчатого вала, интегрированными между дизельным двигателем и ступенчатой коробкой передач.

Практическое использование

Электрические приводы будут применяться в гражданских, а также в военных машинах. Дизель-электрические и, прежде всего автобусы с комбинированными электрическими приводами эксплуатируются в основном в сильно населенных и ограниченных районах. Здесь используется технология привода на колеса, делающая, например, днище машины совершенно плоским и сплошным, что является явным преимуществом для конструкции и прежде всего для пассажиров. Технология электрического привода на колеса доказала свою надежность в ежедневной эксплуатации с пассажирами на дорогах протяженностью в миллионы километров. Намерения военных заключаются в переводе технологии на опытный образец для использования в крупномасштабных программах. Таким образом, американская программа – боевая система будущего (FCS) – определила дизель-электрический комбинированный привод как основную форму привода и предусмотрела его как важнейшую конфигурацию для всего семейства машин. Близкие к серийным образцам опытные образцы машин с электрическими приводами уже находятся в стадии испытания в небольшом количестве.

Причина этого возрождения технологии электрического привода в военных машинах находится в том, что только так могут быть достигнуты новые боевые качества и характеристики, что касается надежности машины, тылового обеспечения в боевых условиях и мирное время и защиты. Она является ключом для нового базового машиностроения колесных машин с сохранением традиционной ветви привода, при наличии ступенчатой коробки передач, карданных валов, раздаточной коробки и конечной передачи, главным образом определяющих основную конфигурацию машины.

На рисунке представленном ниже изображен модуль привода колеса с полностью вмонтированным в ступицу колеса электродвигателем. Привод, подвеска, амортизатор, рулевое управление объединились в компактный стандартизированный модуль ходовой части. Тормоза работают электрически, только стояночный тормоз был выполнен в качестве дополнительного механического тормоза.

1 - Модуль привода колеса с вмонтированным в ступицу колеса электродвигателем

2- Преимущество полезного пространства у колесной машины благодаря использованию электрического привода по сравнению с устаревшим жестким мостом (источник: магнит-двигатель)

Машина с перспективным гибридным электрическим приводом (AHED)

В качестве актуального примера колесной машины с электрическим приводом представлена машина с перспективным гибридным электрическим приводом (AHED) фирмы General Dynamics Land Systems (GDLS), которая впервые публично была показана на ежегодной выставке AUSA в октябре 2002 года в Вашингтоне. Она вместе с созданной фирмой GDLS боевой машиной разведки, наблюдения и целеуказания (RST-V) является одной из первых боевых машин, которой уже в базовой конструкции использует полезные качества электрического привода колеса.

Машина с колесной формулой 8×8 и с перспективным гибридным электрическим приводом (AHED) фирмы GDLS с электрическим приводом в ступице колеса фирмы Magnet-Motor

По заказу фирмы GDLS фирма Magnet-Motor GmbH оборудовала эту машину с колесной формулой 8×8 электрическим приводом в ступице колеса, имеющую в своем составе дизель-генератор/комбинированное энергообеспечение - аккумуляторные батареи. Приводы колеса фирмы ММ являются частью колесного модуля, установленные во все ведущие колеса. Генератор фирмы ММ мощностью 200 кВт, напрямую соединенный фланцем с дизельным двигателем, вырабатывает первичную электрическую мощность для привода движения. Дополнительная высокоэффективная аккумуляторная батарея обеспечивает при этом следующие 200 кВт электрической мощности, благодаря чему мощность привода составляет округленно 400 кВт. Аккумуляторная батарея в процессе эксплуатации машины подзаряжается благодаря торможению машины и наличию избыточной первичной мощности. На практике с помощью данной комбинированной конфигурации достигаются дополнительные преимущества, как, например, бесшумное наблюдение, связь и управление (silent watch) и бесшумное движение (stealth mode). Важнейший результат: внутренняя часть машины полностью освободилась от компонентов системы привода, нет также "двойного дна", в котором размещались механические детали привода. Силуэт машины смог стать намного ниже, чем в машине с традиционным приводом.

Колесные модули будут обеспечены гибкой "пуповиной", обеспечивающей все электрические функции мощностного и сенсорного трубопровода, и подачи охлаждающего средства. Она защищена, т.к. проходит внутри стойки, и управляет другими частями подвески колес.

Наряду с колесными модулями, особенно следует указать на элементы мощностной электроники, обеспечивающие электрические машины энергией, объединяющие высокоэффективные аккумуляторные батареи в систему. Они находятся в передней фронтальной части машины, "приподнимая" ее носовую часть.

Рисунок изображает компоновочную схему машины, таким образом, видно расположенные рядом в качестве соединительных элементов штепсельного соединения буксы мощностной электроники, гибридный электрический привод и другие компоненты.

Конфигурация колесной машины с колесной формулой 8×8 с перспективным гибридным электрическим приводом (AHED)

Фирма Magnet-Мotor по данной машине отвечала за общие функции привода, начиная от дизельного двигателя, включая аккумуляторные батареи, до колесного модуля. Опытный образец машины подвергается в настоящее время подробному испытанию и предлагается в рамках активизации программы боевых систем будущего (Future Combat Systems).

В этой машине были последовательно использованы возможности экстремально удаленной подвижной подвески колес,  ставшие возможными с применением электрического привода благодаря упразднению приводного и карданного валов. Клиренс может быть изменен от нескольких до 80 см . Тем самым стали достаточными характеризующие защитные свойства критерии и требования. Они простираются от предельно возможной маскировки в "присевшем" положении до возможности обнаружения мин и уменьшения последствий их воздействия в процессе движения.

Боевая машина разведки, наблюдения и целеуказания (RST-V)

Боевая машина разведки, наблюдения и целеуказания (RST-V)

Также по заказу фирмы GDLS фирма Magnet-Motor реализовала электрическую систему комбинированного привода для четырех опытных образцов боевой машины разведки, наблюдения и целеуказания (RST-V), построенных фирмой GDLS для морской пехоты США и управления перспективного планирования МО (DARPA). Системы приводов охватывают также приводы колес, размещенные в их ступицах, и электрическое питание с комбинацией дизель-генератора и аккумуляторных батарей. Благодаря электрическим колесным модулям стала возможной реализация для машины RST-V специальной подвижной и складной подвески колеса (для изменения клиренса машины) и экстремально высоко поднятого днища машины между передними и задними колесами. Таким образом, машину можно разместить в самолете Osprey V 22. С общей мощностью привода в 210 кВт, сложенной из 110 кВт мощности дизель-генератора и 100 кВт высокоэффективных аккумуляторных батарей, эта 3,8-тонная машина является очень подвижной, она достигает высокой скорости, примерно 120 км/ч , и обладает способностью преодолевать подъемы в 60%.

Опытные образцы успешно прошли ряд испытаний на соответствие характеристик и возможности использования образцов заданным требованиям и в настоящее время в процессе подготовки первой небольшой партии для серийного применения будут подвергнуты дальнейшему интенсивному испытанию. Все изготовленные фирмой Magnet-Motor приводы не имеют никаких изнашиваемых частей и минимум подвижных частей. Тем самым они практически не требуют технического обслуживания и высоконадежны, вследствие чего требуются особенно низкие расходы на эксплуатацию (LCC).  Обновленные фирмой ММ компоненты, такие как механизмы, а также электроника, кроме того, были укомплектованы с учетом сокращенных расходов на персонал и обслуживание устройств/материалов в особенности, принимая во внимание требования материально-технического обеспечения. На практике благодаря использованию полностью автоматического и оптимального привода обеспечивается разгрузка водителя. Имеются не механически, а электрически включаемые передачи, колеса машины порознь оптимально управляемы, что в общем приводит к лучшему разгону.

Уже в ранних опытных образцах фирмы Magnet-Motor было продемонстрировано обеспечение внешнего потребителя с высокой степенью потребности в электрической мощности, как, например, механизмы и элементы освещения из электрической сети привода машины. Обе произведенные для GDLS системы приводов оборудуются элементами электроники без дальнейшего расчленения, напрямую встроенными в систему электрической сети привода. С помощью имеющейся в распоряжении энергии и мощности может быть обеспечено снабжение ими командных пунктов, инженерных машин, радиолокационных установок и т.д. Сеть пригодна также как электрическая система первичного обеспечения будущих электрических боевых систем (например, электрические пушки, комбинированные пушки, лазерное и микроволновое оружие).

Бронированная пушечная система Thunderbolt

1- Бронированная пушечная система Thunderbolt

2- Бронированная пушечная система Thunderbolt фирмы United Defense с гибридным электрическим приводом ведет стрельбу из своей 120-мм танковой пушки.

Бронированная пушечная система Thunderbolt, разрабана в сентябре 2003 г . Она представляет собой модернизированную бронированную пушечную систему М8, вооруженную 120-мм танковой пушкой XM291 вместо первоначально устанавливаемой 105-мм пушки М35. Система Thunderbolt заслуживает внимания благодаря пространству, которое экономится в машине за счет принятия гибридного электрического привода. Это мероприятие включало размещение двух тяговых двигателей в передней части корпуса, и дизельного двигателя мощностью 300 л .с. в одном из спонсонов, что освободило пространство в кормовой части корпуса, ранее занимаемое дизельным силовым блоком мощностью 580 л .с. и бортовыми передачами. Появившееся пространство может вместить четырех человек или дополнительные боеприпасы. Не говоря уже о том, что разница в мощности двигателя возмещается, когда требуется максимальная мощность, использованием энергии, накопленной в блоке батарей из 24 свинцовых аккумуляторов.

Усовершенствования, включенные в систему Thunderbolt, достигнуты в результате работы, выполненной на демонстрационном макете TТD, который был основным средством разработки привода HED и его демонстрационным макетом. Одним из положительных результатов, полученных от сочетания дизельного двигателя John Deere мощностью 250 л .с. (187 кВт) и блока батарей из 40 свинцовых аккумуляторов мощностью 187 кВт, было уменьшение расхода топлива на 89% по сравнению с расходом топлива стандартного БТР М113А3 с двигателем фирмы Detroit Diesel мощностью 275 л .с. и гидродинамической трансмиссией Х2000-4А фирмы Allison при действии на трассе, на пересеченной местности с  изменением высот, хотя частично улучшение следует приписать замене двигателя, так как старый двухтактный двигатель фирмы Detroit Diesel обладает достаточно высоким удельным расходом топлива.

Электрические трансмиссии всех приводных систем фирмы United Defense были классического двухстороннего типа из двух параллельных схем, несущих ток от генератора с приводом от двигателя машины к отдельным исполнительным двигателям, каждый из которых приводит в действие одну гусеницу. Двухсторонние системы использовались также во всех других гусеничных машинах, оснащенных до сих пор электрическими приводами. Однако их приводы не были частью гибридных электрических приводов и в противоположность трансмиссиям фирмы United Defense, в которых последовательно использовались асинхронные электродвигатели переменного тока, в них использовались разработанные позднее электродвигатели с постоянным магнитом.

Повышение живучести

В американских машинах еще не используется другое преимущество электропривода, а именно использование некоторых небольших снабженных генераторами дизельных двигателей в качестве поставщиков мощности. Это ведет к значительному повышению  качетсве генератора мощности.и т.д. ение водителя. атериалтнаны с учетом сокращенных расходоживучести, а именно при повреждениях машина все еще остается подвижной и может вернуться назад (go-home), тем самым избегая потери мобильности. Кроме того, здесь можно глобально использовать стандартные современные дизельные двигатели и необходимо еще раз оценить уменьшенные расходы на срок их службы. На модернизацию этих машин можно легко реагировать благодаря наличию унифицированной конструкции и необходимой подгонки только электропривода и программного обеспечения. Конфигурацию будущего варианта машины, охватывающего все характеристики, представляющую электрическую технологию привода, показывает модель на рисунке.

Эскиз машины с колесной формулой 6×6 с электрическими  приводами колес и сдвоенными элементами конструкции – дизельный двигатель – генератор

 Машина имеет полезный объем, намного увеличенный, в сравнении с оснащенной традиционным механическим приводом колесной машиной с формулой 8×8, но при этом облегченная таким образом, что без проблем может транспортироваться по воздуху известными в настоящее время самолетами. У вышеупомянутых американских машин устанавливался механизм изменения клиренса. Это позволяет уменьшить клиренс днища машины до нескольких сантиметров и почти до 100 см приподнять машину. Из этого вытекает дальнейшее улучшение противоминной защиты и возможность приспособить к местности высоту линии огня.

Оба элемента, дизельный двигатель-генератор, размещены в задней части машины слева и справа. Это способствует увеличению внутреннего полезного объема машины и расширению задней двери для безопасной высадки экипажа.

Применение в гражданской сфере

Технология привода с электрическим приводом колеса нашла доступ к гражданской сфере применения, в особенности в городских автобусах. При энергетическом обеспечении реализовалось множество вариантов: базовая конфигурация снова является дизель-электрическим приводом, комбинированное исполнение достигнуто от комбинирования с верхним подведением энергии (троллейбусы) до газовых двигателей – электрических приводов с электрическими дополнительными накопителями и без электрических дополнительных накопителей, таких как аккумуляторные батареи или разработанный и изготовленный фирмой Magnet-Motor магнитодинамический накопитель (MDS). Используемая в автобусах технология приводов в своей основе одинакова, как и в вышеуказанных военных машинах. Таким образом, полученный в гражданской сфере применения опыт можно перенести и на военную область. Было построено около 60 автобусов с электрическим приводом колес, и уже много лет они находятся в ежедневной эксплуатации по перевозке пассажиров. В целом общий пробег таких автобусов составляет свыше 7 млн. километров.

Примерами являются 12 троллейбусов, которые были оборудованы фирмой Magnet-Motor (MM) электрическими приводами колес и комбинированным обеспечением электроэнергией с верхней подачей и магнитодинамическим накопителем (MDS). Машины уже с 1995/1996 годов применялись в общественном пассажирском транспорте в городах Базель (Швейцария), и в настоящее время их пробег составил почти 4 млн. километров. Из опыта эксплуатации могут быть выведены промежуточные данные по отказам для компонентов привода. Для электрических приводов колес промежуток между отказами (средняя продолжительность периода между отказами MTBF) составляет около 90000 часов или 1,2 млн. км пробега, для используемой в них электроники – около 40000 часов или 0,5 млн. км - чрезвычайно высокое значение, что отмечает особенно высокую надежность электрических компонентов. Кроме того, уже два года в швейцарском городе Лозанна используются другие 27 машин серии троллейбусов с электрическими приводами колес. Электрическое снабжение энергией берет на себя комбинация верхнего подведения энергии мощностью 300 кВт и объединение дизельного двигателя и генератора такой же мощности. Компоненты приводов для этих автобусов заимствованы из производимой фирмой Magnet-Motor продукции. Общий эффективный пробег машин, используемых в Лозанне, в настоящее время составляет около 1,5 млн. км, что представляет собой важнейшие рекомендации по использованию электрической технологии привода колес.

Итог

Электрическая технология привода колес в настоящее время применима и находится в распоряжении промышленности, в американских военных колесных машинах в связи с наличием комбинированной системы обеспечения энергией она переживает свой настоящий прорыв.

Материал подготовлен на основе

Петер Эрхарт*

Elektrische Kraftübertragung-Technologie und praktische  Anwendung Soldat und Technik, Mai, 2003, S. 22-27 и других материалов зарубежной прессы.

*Петер Эрхарт - д-р Петер Эрхарт, является руководителем фирмы Magnet-Motor GmbH и уже более 20 лет курирует программу по разработке дизель-электрического привода.