Управление Конструкторских и Экспериментальных Работ (УКЭР) АМО ЗИЛ систематически занимается разработками перспективных вариантов конструкции агрегатов трансмиссий полноприводных автомобилей. Среди разработок АМО ЗИЛ видное место занимает оригинальная конструкция тяговой лебедки с использованием волнового зубчатого редуктора (ВЗР). Она позволила решить целый комплекс проблем по работоспособности, трудо- и металлоемкости, габаритам, весу и себестоимости лебедки.

Долгое эхо давно отгремевшей войны.

Автомобильные лебедки с червячными редукторами (ЧР) серийного производства на ГАЗе, ЗИЛе, КАМАЗе, УРАЛе, МАЗе и КрАЗе являются наследием Второй Мировой войны. Они соответствуют уровню развития промышленности конца 1930-х годов, когда были разработаны их американские предшественники попавщие в 1942—1945 годы в СССР с автомобилями ленд-лиза.

На иностранных полноприводных автомобилях указанные агрегаты еще в середине 1950-х годов практически полностью уступили свое место лебедкам с планетарными редукторами (ПР).

Дефицит места на базовых автомобилях и ограничения по допустимой массе агрегатов никогда не позволяли разработчикам лебедок с ЧР довести межосевое расстояние червячной пары до необходимых, по условиям обеспечения допустимого нагрева редуктора, размеров.

Низкий КПД (0.5-0.7), свойственный однозаходным червякам, до предела ограничивает их и без того невысокую работоспособность без эффективной системы отвода тепла от агрегата маслом, водой или воздухом. Закипевшее в редукторе масло, выбрасываемое через сапун – рядовое явление для работы червячной лебедки при нормальной температуре воздуха и атмосферном давлении. В жару летом, а также в условиях высокогорья червячная лебедка практически уже не работает, а только кипит.

Таковы две главные причины отказа от использования червячных редукторов в автомобильных лебедках в пользу планетарных редукторов за рубежом и проблем с их эксплуатацией в России и странах СНГ.

Музейные экспонаты…серийного производства?!

Для периода между Первой и Второй Мировыми войнами никакой другой альтернативы червячным редукторам не было и не могло быть. Однорядные планетарные редукторы уже существовали, но их предельное передаточное число было неприемлемо мало для редуктора лебедки. Многорядные планетарные редукторы в то время только учились делать, и при этом все, кто ими занимался, в Германии, Англии, Франции, США и СССР были на особом учете. Заказчиками были военно-морские силы (редукция между валами турбин и валами судовых винтов), авиация (редукторы авиамоторов) и сухопутные войска (планетарные коробки передач и планетарные механизмы поворота в бронетанковой технике). Естественно, в то время было не до планетарных редукторов для лебедок. Найти специалистов по планетарным редукторам на рынке свободной рабочей силы было нельзя.

Однако после окончания Второй Мировой войны ситуация резко изменилась. Обвальное сокращение военных заказов в еще недавно воевавших странах и быстрое свертывание военного производства освободило множество ранее совершенно необходимых рук. Планетарные передачи, успешно решая проблемы в треугольнике: передаточное число-КПД- несущие возможности передачи, стремительно заняли практически монопольное положение в редукторостроении. К середине 1950-х годов червячные передачи повсеместно уступили свое место в редукторах тяговых лебедок автомобилей в Европе и США планетарным передачам. Автомобильные лебедки с червячными редукторами стали музейными экспонатами везде… кроме СССР.

Мы пойдем своим путем!

Тяговые лебедки автомобилей ленд-лиза были оборудованы редукторами с однозаходными цилиндрическими червячными передачами. В исходном виде они были скопированы и выпускались серийно в СССР до середины 1950-х годов, после чего прошли единственную в своей истории модернизацию, да и то не везде: цилиндрические червяки были заменены на глобоидные. При этом ничего существенного для повышения низкой работоспособности агрегатов так и не было сделано.

В конструктивном плане агрегаты так и остались соответствовать уровню развития редукторостроения конца 1930-х годов, когда были спроектированы их американские предшественники.

Главной причиной застоя в развитии конструкции агрегата в СССР стало отсутствие специализированных фирм, занятых их разработкой и производством. Каждый завод изготовитель полноприводных автомобилей делал их целиком самостоятельно, в соответствии собственными возможностями и разумением. Причем все силы отдавались автомобилю, а на его вспомогательное оборудование – лебедку — их часто, просто не оставалось. Реконструкции заводов под выпуск новых автомобилей не затрагивали мощности по производству автомобильных лебедок.

Автозаводы осваивали в производстве раз за разом все более и более тяжелые автомобили, а модернизацией возможностей лебедок, которые этот самый автомобиль раз за разом должны вытаскивать, надлежащим образом никто не занимался. На недостатки конструкции, которые были почти не видны на автомобилях ленд-лиза и их преемниках первого и второго поколения в СССР, стало невозможно закрывать глаза на автомобилях третьего поколения. Апофеозом проблем с тяговыми лебедками на полноприводных автомобилях стал в 1979—1988гг Афганистан. Множество вполне ремонтопригодных автомобилей Урал-4320 и КамАЗ-4310 было сброшено в пропасти, поскольку сдвинуть с места потерявшую ход и полностью загруженную машину в условиях высокогорья, как выяснилось на деле, может только танк.

Сегодня автозаводы, получая заказы на автомобили с тяговыми лебедками, вынуждены зачастую устанавливать за дополнительную плату взамен своих «червячных ветеранов» серийного производства импортные планетарные лебедки. Планетарная лебедка европейского происхождения с тяговым усилием 5-6тс и длиной каната 60 метров (требование пока еще никем не отмененного ОСТ 37.001.090-79 «Лебедки автомобильные») стоит не менее 60-ти тысяч рублей, т.е. ровно в два раза дороже российской червячной лебедки серийного производства аналогичного усилия, и это в самом лучшем случае.

Попытки же автозаводов использовать планетарные аналоги китайского происхождения пока еще нигде успехом не увенчались. Правда, в последнее время на рынке изготовителей лебедок подвязались отечественные почитатели импортного планетарного чуда. Им и невдомек, что принятый ими за последнее чудо мировой инженерной мысли образец чудом…уже без малого 30 лет как не является.

Пророка нет в отечестве своем

Волновые зубчатые передачи (ВЗП) или редукторы (ВЗР) известны в технике с середины 1950-х годов, когда на них были выданы первые патенты в США. Известно, что быстроходные двигатели легче и дешевле тихоходных. Одной из причин, сдерживающих широкое применение быстроходных двигателей, являются ограниченные возможности ранее известных механических передач в области больших передаточных отношений (чисел). ВЗП и ВЗР значительно расширяют эти возможности и способствуют распространению быстроходных двигателей. Сочетание легкого двигателя с легкой передачей позволяет значительно снизить массу и габариты приводов.

Лебедка с ВЗР усилием 5-6тс и гидроприводом для автомобилей ЗИЛ-4327 (4×4) и ЗИЛ-4334 (6×6)

Конструкция ВЗР, разработанная для тяговой лебедки на АМО ЗИЛ, предельно проста. При любом передаточном числе – только три шестерни, кулачок – генератор волн и один подшипник (единственный подшипник в ВЗР), всего 5 деталей.

Лебедка с ВЗР усилием 6тс автомобилей ЗИЛ-131,4334 и 433410, с тяговыми барабанами другой геометрии лебедка с ВЗР усилием 8тс для автомобилей КАМАЗ-4310 и Урал-4320

Безвальная схема ВЗР, вызванная безопорной конструкцией кулачка – генератора волн плавающего типа и лебедки в целом предопределила необычный «невесомый» вид агрегата в разрезе. Высокий КПД ВЗР, не уступающий КПД аналогичного ему по передаточному числу планетарного редуктора решил проблему тепловой напряженности редуктора лебедки. Никакая зубчатая передача не может состязаться с ВЗР в части своих несущих возможностей, конструкция ВЗР обеспечивает одновременное зацепление до 40% зубьев.

ВЗР лебедки усилием 6-8тс без жесткого колеса и в сборе с ним

Возможности ВЗП (ВЗР) используются сегодня уже достаточно широко. Способность редуцирования больших передаточных чисел в одну ступень (практически до 300) при высочайшей несущей способности востребованы в станкостроении и испытательном оборудовании. Высочайшая плавность хода при практически нулевом люфте востребованы в робототехнике и приборостроении. Простота конструкции и как следствие низкий вес и габариты, возможность передать крутящий момент через герметичную стенку востребованы в авиации и космонавтике.

При этом другие примеры успешного применения ВЗП в транспортном машиностроении или грузоподъемной технике (лифто- и краностроении) кроме ЗИЛа до настоящего времени не известны. В качестве исключения можно упомянуть лишь появление в открытой печати информации о рулевых механизмах легковых автомобилей большого класса «Lexus LS 460» с использованием ВЗП.

Волновой редуктор – преимущества налицо

Для начала давайте сравним лебедки с волновыми зубчатыми редукторами с их червячными (ЧР) и планетарными (ПР) аналогами. Удельная масса (отношение массы к тяговому усилию) лебедок с ВЗР составляет 10-14 г/кгс при практически неограниченной работоспособности, в то время как их червячные оппоненты имеют удельную массу 23 г/кгс и более, при несоизмеримо меньшей работоспособности. Для изготовления зубчатого венца червячного колеса требуется несколько килограммов дорогостоящей бронзы, для изготовления лебедки с ВЗР бронза не требуется. Трудоемкость и себестоимость изготовления лебедок с ВЗР в 2,5-2,7 раза ниже, чем лебедок с ЧР.

Крышка картера в сборе с жестким колесом и тормозом редуктора и шестерни ВЗР в сборе с гидромотором привода

Сравнивать лебедки с ВЗР и ПР возможно пока только заочно, так как в автомобильной промышленности России и стран СНГ таких агрегатов серийного производства просто нет. Однако импортные лебедки с ПР на рынке представлены в изобилии (что, впрочем, не говорит об объемах их реального потребления), и готовиться к конкуренции с ними необходимо.

Применительно к ВЗР и ПР общемашиностроительного назначения подобное исследование было проведено в 1980 году и результаты опубликованы.

Если принять во внимание, что одноступенчатые ПР в лебедках не применяются, а двух- или трехступенчатые ПР имеют соответственно 10-12 и 15-18 зубчатых колес и примерно столько же валов и подшипников. Становится понятно, почему в производстве стоимость ВЗР может составить только 40% от стоимости ПР одинакового с ним передаточного числа при снижении массы первого по отношению ко второму до 2 раз. Если сравнивать габариты ВЗР и ПР (с числом ступеней 2 и 3), то первый имеет поперечные габариты близкие второму, при этом в осевом габарите ВЗР может в первом случае составить половину а во втором треть от осевого габарита ПР.

Лебедка с ВЗР усилием 12тс для автомобиля КрАЗ-6315 (6×6)

Кроме того, даже беглое знакомство с внутренним устройством ВЗР показывает, что значительная часть его внутреннего объема, если потребуется, может быть без ущерба для габаритов редуктора использована для размещения других механизмов. Например, внутри ВЗР можно разместить предохранительную муфту для защиты привода лебедки от перегрузки, не увеличивая габаритов редуктора. В планетарном редукторе такое решение невозможно в принципе.

Время, разбрасывать камни… или время, их собирать?

Оригинальная конструкция тяговой лебедки с ВЗР, разработанная в УКЭР ЗиЛ, является первой успешной попыткой найти применение ВЗП в транспортном машиностроении. В период с 1985 по 1987 годы были проведены межведомственные испытания этих лебедок Минавтопромом и Министерством обороны СССР на автомобилях ГАЗ-66, ЗиЛ-131, КамАЗ-4310 и Урал-4320. По их результатам, агрегаты были рекомендованы к постановке на производство и комплектованию ими полноприводных автомобилей ГАЗ, ЗиЛ, КамАЗ и Урал (КрАЗ и МАЗ по мере освоения необходимых типоразмеров) взамен тяговых лебедок с редукторами червячного типа. По техническому уровню предложенная конструкция тяговой лебедки с ВЗР была признана соответствующей лучшим мировым образцам и отнесена к высшей категории качества.

Однако реализовать программу подготовки и освоения в серийном производстве лебедок с ВЗР на Калининградском автоагрегатном заводе (г. Калининград, прибалтийский), начатую Минавтопромом СССР в 1988 году, в силу ряда политических событий начала 1990-х годов и их экономических последствий не удалось. Для всех автозаводов стал актуален вопрос собственного выживания, каждый спасался сам по себе, и на многие перспективные разработки денег у них попросту не хватило.

Однако в 2003 году, в связи с оживлением интереса Министерства обороны России к новым образцам автомобильной техники и для сохранения еще имевшихся в наличии кадров, руководство УКЭР АМО ЗИЛ принимает решение возобновить работы по тяговым лебедкам с ВЗР.

Предлагаемый УКЭР АМО ЗИЛ перспективный типаж тяговых лебедок с ВЗР, рассчитан на применение электрического, гидравлического либо механического приводов, и включает агрегаты восьми типоразмеров в диапазоне тяговых усилий от 1 до 20 тс. Работа над еще двумя типоразмерами с тяговым усилием 20-40тс может быть начата после определения потенциальных сфер использования таких лебедок и их потребителей.

В разработанный типаж вошли тяговые лебедки как с тяговыми барабанами, так и с тяговыми роликами (канатоведущими шкивами). Внутри каждого типоразмера одинаковые по тяговому усилию лебедки предусмотрены в легкой и тяжелой сериях. Легкая серия отличается заметно меньшим весом за счет использования каната меньшего сечения, ценой некоторого снижения его ресурса. Для защиты лебедок от перегрузок предусмотрены исполнения с предохранительными муфтами многократного действия или срезаемыми при перегрузке предохранительными пальцами.

Лебедки имеют тормоза ВЗР нормально замкнутого типа, автоматически растормаживаемыми при включении привода (гидропривод или мехпривод с пневмовключеним КОМ) и не требующими принудительного растормаживания при включении привода (мехпривод с включением КОМ рычагом вручную). Лебедки также оборудованы тормозами тяговых барабанов, исключающими их инерционное вращение при отключении привода.

Лебедки с электроприводом имеют исполнения с вспомогательным ручным приводом, обеспечивающим плавное, без рывков и ударов перемещения грузов при грузоподъемных работах. Тормоза ВЗР при этом гарантируют удержание груза заявленного разработчиками веса в поднятом положении неподвижно при отключении привода.

В декабре 2009 – феврале 2010 года были построены опытные образцы тяговой лебедки с ВЗР тяговым усилием 5 тс и гидроприводом, для автомобилей семейства ЗИЛ-4327. Первый этап испытаний на автомобилях ЗИЛ-43272Н успешно завершился в декабре 2012 года.

май 2010 года, испытания лебедки с ВЗР усилием 5тс и гидропривода 1-ой серии постройки на автомобиле ЗИЛ-43272Н

В настоящее время в УКЭР АМО ЗИЛ ведется разработка конструкторской документации для лебедок с ВЗР с тяговым усилием 5-6 тс, 8-9 тс и 12 тс в интересах ЗИЛа, Урала, КамАЗа, МАЗа и КрАЗа.

май 2013 года, автомобиль ЗИЛ-43272Н с лебедкой ВЗР и гидроприводом 3-ей серии постройки после успешного завершения 1-го этапа испытаний (подбор, размещение гидроаппаратуры и обеспечение работоспособности гидросистемы привода лебедки)

УКЭР АМО ЗИЛ готов предложить потенциальным потребителям исчерпывающую информацию о возможных вариантах конструкции агрегатов и их габаритах для выбора исполнений интересных для заказчиков, с точки зрения последующей привязки к своим автомобилям.

В связи с планами реструктуризации и сокращения собственного агрегатного производства АМО ЗИЛ руководство УКЭР обращается ко всем заинтересованным организациям и прежде всего машиностроительным предприятиям России с предложением рассмотреть возможность размещения опытного и серийного производства тяговых лебедок с волновыми зубчатыми редукторами (ВЗР) разработанных на ЗИЛе.

Информация для контактов с УКЭР АМО ЗИЛ

Главный конструктор-начальник УКЭР АМО ЗИЛ

Е.Л. Рыбин

Телефон: (495) 620-39-05

E-mail:oapziL1@mail.ru

Ведущий инженер-конструктор УКЭР

А.Д. Ефимов

Телефон: (495) 620-39-05 доб. 12-74

Мобильный: 8-903-795-49-50

E-mail:kioatish@yandex.ru

Другие статьи, связанные с автомобилями ЗиЛ, можно прочитать здесь.

Чтобы не пропустить новые статьи, подпишитесь на обновления.

Понравилась статья? Или не нашли что искали? Оставьте комментарий или свяжитесь со мной по электронной почте.

Обработка текста и фото: Леонид Кузнецов

Все права защищены ©

Перепечатка, частичная или полная, только с согласия автора и ссылкой на источник

Фотографии, отмеченные логотипом AVTOINETOLKO.RU, в высоком разрешении в формате RAW Вы можете приобрести, связавшись со мной по e-mail. Используйте форму обратной связи на странице КОНТАКТЫ.