Революция трансмиссий

Премию нашего журнала "За технократическую фантазию" получила небольшая томская фирма, придумавшая, как объединить в одном устройстве подшипник и редуктор. Специалисты считают, что со временем это грозит традиционному машиностроению настоящим переворотом.

Томск называют "умным" городом. Здесь сосредоточено столько высших учебных заведений, что по количеству студентов на душу населения Томск уверенно опережает и Москву, и Питер. Виктор Становской - житель Томска и создатель редуктор-подшипника - был не слишком близок к механике (по образованию он инженер-физик, но больше работал с ураном), зато на практике постиг ее еще школьником, на примере собственного "Москвича", в котором, как оказалось, все устроено очень нерационально. В 1999 году ему предложили заняться изготовлением волнового передаточного механизма, разработанного в начале 80-х годов профессором Томского политехнического института Арнольдом Беляевым. Виктор подошел к затее творчески и, учтя все достоинства и недостатки разработки своего земляка, предложил свою собственную - принципиально новую конструкцию.



Выглядит это революционное изобретение, прямо скажем, не очень эффектно: внешне оно напоминает подшипник качения и состоит из нескольких цилиндрических и кольцевых обойм, вставленных одна в другую. Между обоймами находятся шарики двух сортов. Те, что поменьше, при вращении обойм друг относительно друга выполняют функцию подшипника качения. Большие шарики - силовые - говоря инженерным языком, меняют количество движения, то есть позволяют одной обойме вращаться медленнее (или быстрее) относительно другой по аналогии с шестеренками зубчатого редуктора. Эти большие шарики именуются "промежуточными телами качения". В процессе работы устройства и те и другие шарики перекатываются по особым желобкам на обоймах. Суть ноу-хау - в расположении шариков между обоймами и геометрии криволинейных дорожек-желобков, по которым они перекатываются. Автор назвал это устройство "редуктор-подшипником", поскольку оно заменяет собой и тот, и другой.



Шлифовка бормашиной



После первой удачной попытки волновые передачи захватили Становского целиком и полностью. "Мне было очень легко изобретать. Я не изучал в институте зубчатые передачи, теорию машин и механизмов, поэтому стереотипы не мешали мне работать. Я не знал, что механические передачи нельзя делать так, как я делал", - объясняет свой успех сам Виктор.



Сначала это было просто хобби. Первые три устройства - собственно редуктор-подшипник, моноредуктор (редуктор-подшипник, у которого между обоймами перекатывается всего один силовой шарик) и редуктор-подшипник с качающейся шайбой - были изготовлены по чертежам Становского силами местных томских Левшей на совершенно не пригодных для этого станках. Дошлифовывать их изобретателю пришлось бормашиной. Но главное - преимущества новых передаточных механизмов, смутно проступавшие на стадии чертежей-черновиков, в "железе" полностью подтвердились.



В 2001 году нашелся человек, которому настолько понравилась простая и изящная идея Становского, что он согласился финансировать начальную стадию проекта независимо от того, удастся ли впоследствии выйти на рынок. Виктор Становской с еще несколькими энтузиастами создал малую инновационную компанию ООО "Томские трансмиссионные системы", куда передал уже полученные к тому времени патенты на редуктор-подшипник и его модификации.



Волновые редукторы с промежуточными телами качения как класс передаточных механизмов известны еще с начала прошлого века. В Союзе их разработкой занимались специалисты Могилевского машиностроительного, Кишиневского политехнического и Томского политехнического институтов. За рубежом свой волновой редуктор пытаются создать фирмы Synkinetics и Advanced Energy Concepts 81 (США), Bollman Hydraulik GmbH (Германия), Imase Kenji (Япония), Axial Wave Drive (Нидерланды) и Twinspin (Словакия). Но в отличие от томичей каждая из них стремится реализовать какое-либо одно из трех основных преимуществ волновой передачи (обойменная схема конструкции, принцип чистого качения или вовлечение в работу всех силовых элементов) - на все сразу никто не замахивается.



Однако и на этом "облегченном" пути значимых результатов пока не удалось добиться никому. В частности, на сегодняшний день ни у одного из конкурентов "Томских трансмиссионных систем" не получилось главного: избавиться от трения скольжения - тяжелого наследства зубчатых передач и главного виновника их низкого кпд. Так что томский редуктор-подшипник, в котором сконцентрированы все три "плюса" волновых передач, обошел все известные аналоги, как говорится, на целый корпус.



Суперавтомобиль и суперкомбайн



Томское ноу-хау может затронуть практически всю технику, поскольку оно заменит собой передаточные звенья, состоящие из зубчатых или червячных редукторов, а такие звенья имеются в любом механическом устройстве, в котором что-либо вращается, начиная с кухонной мясорубки и кончая подводными лодками и орбитальными станциями. "Подобные прорывные изобретения появляются крайне редко, и в данном случае, похоже, состоялся именно такой прорыв", - сказал в интервью "Эксперту" президент фирмы "Техноконсалт" и член экспертного совета Конкурса русских инноваций Сергей Симаранов.



Раньше других "переварят" томское ноу-хау и почувствуют экономический эффект от него такие отрасли, как автомобилестроение, двигателестроение и инструментальная промышленность. По сравнению с традиционными зубчатыми редукторами разработанный в Томске редуктор-подшипник обладает несколькими существенными преимуществами.



Во-первых, за счет обойменного принципа компоновки он очень компактен: в его конструкции отсутствуют неотъемлемые составные части классических редукторов - корпуса, валы, шестерни, подшипники. В результате масса и габариты передаточного звена уменьшатся на один-два порядка. Если же контактирующие детали будут изготавливаться из твердых сплавов или керамических материалов, которые не имеют упругих и пластических деформаций, - то на три-четыре порядка.



Во-вторых, в отличие от зубьев шестеренок, которые трутся друг о друга, шарики между обоймами редуктор-подшипника катятся, а трение качения, как известно, гораздо меньше трения скольжения. Поэтому кпд новой волновой передачи достигает 0,98, что невозможно для традиционных редукторов.



В-третьих, если у любой зубчатой передачи в каждый момент времени работают (находятся в контакте) лишь два-три зуба, то в обоймах редуктор-подшипника - все шарики без исключения. А поскольку мощность, которую способен передать редуктор, определяется тем, какое усилие на срез выдерживают, не разрушаясь, одновременно находящиеся в зацеплении рабочие элементы (в нашем случае это зубья и шарики), то очевидно, что волновой редуктор может передавать гораздо большую мощность.



Используя описанный базовый редуктор-подшипник и несколько его модификаций, ориентированных на конкретные задачи, можно, как из конструктора, собрать любые разновидности применяемых сегодня в технике передаточных устройств. Взять, к примеру, автомобиль. В нем надо, во-первых, заменить громоздкий кривошипно-шатунный механизм на модификацию редуктор-подшипника, у которого одна из обойм может качаться, подражая возвратно-поступательным движениям шатуна. Помимо экономии объема такая замена даст и экономию 15-20% топлива, которое сейчас "съедается" из-за бокового трения поршней о стенки цилиндров двигателя. Во-вторых, вместо традиционной коробки передач, которая занимает объем, равный примерно восьми литрам, поставить редуктор-подшипниковую автоматическую коробку передач, умещающуюся в литровую бутылку. В-третьих, уменьшить редуктор главной передачи в три-четыре раза, оставив ему лишь одну из двух его функций - изменение направления вращения, а вторую, более тяжелую его задачу - изменение количества вращений - передать редуктор-подшипникам, установленным в ступицах задних колес там, где сейчас находятся подшипники качения.

В результате карданный вал и полуоси станут в три-пять раз тоньше, соответственно, значительно уменьшатся масса и габариты заднего моста, увеличится клиренс (так как "ужалась" главная передача) и, следовательно, повысится проходимость автомобиля. В результате всех указанных преобразований автомобиль потеряет и "лишние килограммы", и большинство трущихся частей.



Существенно преобразился бы и, например, угольный комбайн, в конструкции которого имеется множество редукторов разных калибров. Эту страшно тяжелую и громоздкую штуку опускают в шахту по частям, иначе она не пролезает, и собирают уже под землей. С редуктор-подшипниками этот 20-40-тонный монстр станет как минимум вдвое легче и надежнее. Весьма перспективна модернизация и станков-нефтекачалок (здесь возможна замена нынешнего трехтонного редуктора на двухсоткилограммовый, который при тех же размерах будет еще и в три раза мощнее), а также гидромоторов, используемых в тяжелой технике, зерноуборочных комбайнов, тракторов, электровозов, вертолетов и так далее.



При этом главным принципиальным изменением практически для всей движущейся техники станет возможность приблизить двигатель с миниатюрным и при этом мощным редуктор-подшипником непосредственно к исполнительному механизму (колесу автомобиля, винту вертолета или корабля) и ликвидировать таким образом громоздкую и тяжелую трансмиссию - совокупность передающих вращение устройств. В процессе эксплуатации новый волновой передаточный механизм не будет нуждаться ни в ремонте, ни в обслуживании - в частности, отпадет необходимость в периодической смазке (смазка будет закладываться один раз при изготовлении редуктор-подшипника).



Вместо кувалды



Впрочем, пока более или менее готовых устройств у томской фирмы в наличии всего пять. Прежде всего это гайковерт - редукторный гаечный ключ, позволяющий, не прикладывая титанических усилий, откручивать и закручивать большие и тяжелые гайки и болты при монтаже и ремонте мостов, мачт ЛЭП, трубопроводов, транспортеров, железнодорожных вагонов, угольных комбайнов и тому подобного. Сейчас рабочие используют для этих нужд сложные и дорогие гидравлические гайковерты, которые в четыре-пять раз тяжелее томской разработки, или исконно народные приспособления - трубу-рычаг и кувалду.



Вторая почти готовая разработка - редуктор для электродвигателя, умещающийся в переднем щите стандартного электрического движка. Использование этой разновидности редуктор-подшипника позволит "отправить на свалку" не только традиционный редуктор, но и нынешние электродвигатели. Помимо этого "на выходе" у компании редуктор для ручной электродрели и еще два относительно "сырых" устройства: редукторы для усилителя руля автомобиля и для электропривода трубопроводной арматуры. Последний в количестве многих тысяч штук мог бы быть востребован, например, при строительстве новых газо- и нефтепроводов. С редуктор-подшипником масса привода задвижек и шаровых кранов уменьшилась бы в пять-десять раз. В результате сократились бы производственные, транспортные и эксплуатационные расходы, а следовательно, и себестоимость того, что перекачивается по трубе.



Для внедрения в производство этих разработок "Томские трансмиссионные системы" решили придерживаться следующей стратегии: одну лицензию на производство каждого устройства продавать крупной западной компании-производителю (без права реализовывать продукцию на территории России), другую (российскую) - отечественному предприятию. Кстати, томичи, много раз представлявшие свои разработки на разных выставках и конкурсах, всерьез опасаются, что западные инженеры раскусят суть ноу-хау и в короткие сроки наладят у себя выпуск новинок без всякой лицензии, поскольку производственная база у них на порядок гибче и современнее, чем отечественная. Оснований для подобных опасений хватает: уже были и попытки выкрасть документацию, и неоднократные просьбы иностранцев продать единичные образцы. "Нам необходимо найти крупных зарубежных партнеров, которые сами будут блюсти свои эксклюзивные права на новинку, и как можно скорее наладить серийное производство разработанных устройств. Чем солиднее будут эти партнеры, тем защищеннее мы будем себя чувствовать", - утверждает Виктор Становской.



За рубежом интерес к томской разработке сейчас огромен: крошечную сибирскую инновационную фирму по собственной инициативе посещают топ-менеджеры западных компаний. Отечественные же предприятия в большинстве своем демонстрируют равнодушие. Исключения, конечно, есть. Несколько заводов уже выступили заказчиками нового электропривода для трубопроводной арматуры, гайковертов и редукторов для ручного электроинструмента. В частности, от АвтоВАЗа получено техническое задание на разработку редукторного электромеханического усилителя руля для "Жигулей". О своем интересе к томскому ноу-хау дали знать также руководители холдинга "Объединенные машиностроительные заводы" и концерна "Руспромавто", входящего в "Базовый элемент".



Однако эти примеры не отражают общего настроя в нашей промышленности. Помимо неповоротливости отечественных машиностроительных предприятий на российском направлении выработанной томичами стратегии есть и серьезное объективное препятствие. Оно заключается в том, что подавляющее большинство отечественных заводов не имеет современного оборудования, которое позволило бы с необходимой точностью и производительностью изготавливать редуктор-подшипники. Из трех десятков предприятий, заинтересовавшихся "новым словом" в машиностроении и пожелавших стать серийными производителями редуктор-подшипников, лишь два имеют необходимые для этого четырех- и пятикоординатные станки. Проблема остальных, в том числе ведущих предприятий некогда самой передовой космической отрасли, в официальных документах формулируется как "моральное устаревание производственных фондов".



Чуть больше миллиона долларов



Пришлось томичам самим выпутываться из положения - за 100 тыс. долларов сибирская фирма приобрела в Штатах вертикально-фрезерный четырехкоординатный обрабатывающий центр. На нем можно с необходимой точностью обрабатывать все самые деликатные элементы редуктор-подшипника, в частности криволинейные желобки. Надо отметить, что для "Томских трансмиссионных систем" этот станок - очень дорогое удовольствие. НДС и пошлина на ввоз в Россию подобного высокотехнологичного оборудования в сумме составляет до 40% его изначальной стоимости. Остается утешаться тем, что к помощи Левшей и бормашины больше прибегать не придется. Однако новоприобретенный центр не решает всех задач опытного производства. Помимо него только на начальном этапе необходимы еще несколько станков и приборов - всего на 150 тыс. долларов. А для завершения НИОКР по всем пяти упомянутым разработкам и организации полноценного опытно-экспериментального производства, "на выходе" которого изделия можно было бы сразу запускать в серию, по подсчетам компании, необходимо 1,3 млн долларов инвестиций. Вроде бы немного, но пока всего этого нет и неизвестно, когда будет. Поэтому в настоящее время дело движется практически только за счет энтузиазма работников томских предприятий, которые осознали перспективность новинки.



С энтузиазмом больше всего повезло редуктор-подшипнику для электродвигателя: руководство томского СКБ "Сибэлектромотор" ухватилось за идею и готово на своих испытательных стендах полностью отладить опытные образцы новых редукторов для разных модификаций движков. Таким образом, эта разработка "Томских трансмиссионных систем" ближе всех к запуску в серию. Возможно, уже в будущем году Сибирский химический комбинат наладит серийное производство редуктор-подшипников для двигательной установки нового поколения.