Ходовая часть танков. Подвеска

Василий Чобиток

В последнее время появляется все больше литературы, в которой довольно глубоко освещаются различные военно-исторические, тактические и технические аспекты использования вооружения и военной техники. Несмотря на это, такому интересному вопросу, как близкое рассмотрение ходовой части танков и других военных гусеничных машин, практически не уделяется внимание. А жаль, ведь если подойти непредвзято, то именно ходовая часть и корпус, с которым она связана, в первую очередь определяют облик танка. Вас поражают головокружительные прыжки танков Т-90 и Т-80 на всевозможных шоу? Как правило, здесь обращают внимание на разгонные характеристики, на мощность двигателя, несправедливо забывая о подвеске машины, которая воспринимает на себя удар приземления многотонной машины…

В самом деле, если танк имеет удачную компоновку корпуса и хорошую, надежную ходовую часть, то он получает долгую жизнь: его последующие модификации несут все более толстую броню, возрастает мощь вооружения, меняется форма башни, на его базе создаются различные САУ, инженерные и вспомогательные машины. Так, например, Т-34 превратился в Т-34-85, имелось несколько САУ на его базе; немецкий средний Pz.IV короткоствольную 75-мм пушку поменял на длинноствольную; Т-64 со 115-мм пушкой превратился в Т-64А со 125-мм и Т-64Б с управ ляемым вооружением… Подобных примеров можно привести много, хотя не бывает правил без исключений: например, ходовая часть немецких легких и средних танков Второй мировой войны претерпевала довольно значительные метаморфозы, особенно в первых модификациях.

В настоящей работе хотелось бы достаточно глубоко, но в доступной форме отразить вопросы применения различных вариантов ходовой части на танках и других боевых машинах. Особое внимание уделим подвеске и гусеничному движителю, их классификации, устройству и влиянию на характеристики боевых машин.

Заранее прошу извинить за некоторую сухость и академичность изложения материала: вряд ли подобная тема будет интересна ученику начальных классов, а более серьезному читателю важна в первую очередь информативность повествования, а не занимательность. Надеюсь, что вы почерпнете в этой работе для себя что-нибудь новое.

Понятия и определения

В первую очередь обозначим общие понятия и дадим определения.

Под ходовой частью понимают совокупность имеющихся на боевой машине движителей с системой подрессоривания. Иногда вместо ходовой части применяют термин «шасси».

Движитель — совокупность агрегатов ходовой части, непосредственно взаимодействующих с окружающей средой для создания внешнего тягового усилия, движущего боевую машину. Современные основные боевые танки имеют только сухопутный движитель. Легкие танки, БМП и другие боевые машины кроме сухопутного могут иметь и водоходный движитель. Сухопутный движитель кроме основной задачи по обеспечению движения машины используется для передачи на грунт веса боевой машины.

В качестве сухопутных на боевых машинах могут применяться гусеничный, колесный, колесно-гусеничный, лыжно-гусеничный, аэросанный движители, а также их комбинации. Так, например, современные танки и БМП имеют гусеничный движитель; БТР — колесный (БТР-152, БТР-70, БТР-80) или гусеничный (БТР-50, американский M113); бронеавтомобили — колесный; колесно-гусеничный движитель ранее устанавливался на некоторых БТР (германские Sd Kfz 250, Sd Kfz 251, американский М2); боевые аэросани использовались во время Великой Отечественной войны в северных районах СССР. Примером комбинации двух движителей, гусеничного и колесного, могут служить танки в основном 1920- 1930-х гг.: колесно-гусеничные танки Кристи и их наследники БТ, танк Скофилда, танки фирмы «Виккерс» и др.

Следует сразу обратить внимание на некоторую неоднозначность применения терминологии. Под колесно- гусеничными, как правило, подразумеваются танки, которые имели два движителя — колесный и гусеничный, эксплуатировавшихся независимо друг от друга (например, танк БТ мог двигаться с использованием или колесного, или гусеничного хода). В то же время машины с колесно-гусеничным движителем (обычно управляемые колеса впереди, гусеницы сзади) называют полугусеничными.

Иными словами, полугусеничные машины имеют колесно-гусеничный движитель, колесно-гусеничные — колесный и гусеничный попеременно (возможны варианты, например колесный и колесно-гусеничный).

На современных танках применяются гусеничные движители. Они по сравнению с другими имеют высокие показатели проходимости и быстроходности по пересеченной местности, надежны в эксплуатации, меньше уязвимы на поле боя, удобны в обслуживании и замене отдельных узлов.

Гусеничный движитель — движитель, в котором тяговое усилие создается за счет перематывания гусеничных лент, состоящих из отдельных звеньев — траков. Гусеничный движитель состоит в общем случае из ведущего колеса, опорных катков, направляющего колеса (ленивца), поддерживающих катков (роликов) и гусеничной ленты. В некоторых устаревших источниках опорные катки называются поддерживающими.

Средний танк Т-44 с гусеничным движителем.

Бронетранспортер БТР-80 с колесным движителем.

Самоходная установка на базе полугусеничного БТР М2 с колесно-гусеничным движителем.

Боевые аэросани.

Танкетка на колесном движителе и колесногусеничный легкий танк фирмы «Виккерс».

Слева-направо:

Гусеничный движитель

Колесно-гусеничный движитель

Колесный движитель

Блокированное подвеска

Независимая подвеска

Системой подрессоривания, или подвеской танка, называется совокупность деталей, узлов и механизмов, связывающих корпус машины с осями опорных катков. Система подрессоривания состоит из узлов подвески. Узлом подвески называется совокупность деталей, узлов и механизмов, связывающих ось одного катка с корпусом, или нескольких взаимосвязанных катков, соединенных с корпусом через единый упругий элемент. Каждый узел подвески в общем случае включает упругий элемент (рессору), амортизатор (демпфер) и балансир. В старых источниках балансир индивидуальной подвески иногда именуется кривошипом.

Статический ход катка — перемещение опорного катка по вертикали из положения полностью разгруженного упругого элемента (например, при поднятии танка краном) в положение его нагружения под действием веса танка (после опускания на грунт) на ровной горизонтальной площадке.

Динамический ход катка — перемещение опорного катка по вертикали от ста тического положения до упора в ограничитель хода катка.

Полный ход катка — перемещение опорного катка по вертикали из положения полностью разгруженного опорного элемента до упора в ограничитель хода катка, определяется как сумма статического и динамического ходов катка.

Так как в настоящей работе главная задача — рассказать про ходовую часть в основном танков, то в дальнейшем будем рассматривать ходовую часть с гусеничным движителем, если иное особо не оговорено.

1 — динамический ход катка

2 — полный ход катка

3 — статистический ход катка

Французский легкий танк FT-17.

Английский танк Mk.V с жесткой подвеской.

Первый советский танк «Борец за свободу тов. Ленин».

Полужесткая (тракторная) подвеска

Жесткая подвеска

Мягкая (эластичная) подвеска

Система подрессоривания

Система подрессоривания предназначена для передачи силы веса танка через опорные катки и гусеницу на грунт, для смятения толчков и ударов, действующих на корпус танка, и для быстрого гашения колебаний корпуса. От качества системы подрессоривания в большой степени зависят средние скорости движения танков по местности, меткость огня с ходу, работоспособность экипажа, надежность и долговечность оборудования танка.

Классификация систем подрессоривания

Подвески всех гусеничных машин подразделяются на жесткие, полужесткие (иногда их называют тракторными) и мягкие (эластичные).

При жесткой подвеске катки крепятся непосредственно к корпусу машины без использования рессор. С точки зрения сохранности механизмов и удовлетворительного состояния водителя скорость машины с жесткой подвеской не должна быть более 3–4 км/ч. Жесткая подвеска применялась на первых английских танках Мк.

Полужесткая подвеска представляет собой промежуточный тип подвески и имеется в основном на сельскохозяйственных тракторах. Она представляет собой две тележки (по одной на борт), на которых собраны детали ходовой части. Задняя часть тележек связана с корпусом шарнирно, а передняя — через рессору. С оговоркой подобную подвеску имел французский FT-17 и первые советские танки М («Борец за свободу тов. Ленин»). Оговорка состоит в том, что опорные катки FT-17 и М к тележкам крепились не жестко, а через промежуточные рессоры.

Первые два типа подвески на танках и других боевых машинах распространения не получили, и на них используют мягкие подвески, поэтому в дальнейшем мы не будем рассматривать жесткие и полужесткие подвески.

В зависимости от способа соединения опорных катков между собой и корпусом танка подвески делятся на индивидуолыше, блокированные и смешанные.

В индивидуальных, или независимых, подвесках каждый опорный каток соединен с корпусом независимо от остальных через свою рессору. Такие системы характерны для подавляющего большинства современных танков, они в наибольшей степени соответствуют требованиям, которые предъявляются к системам подрессоривания быстроходных гусеничных машин.

В блокированных подвесках несколько опорных катков, образующих тележку, соединяются с корпусом через общую рессору. За счет незначительных углов продольных колебаний и блокированные подвески позволяют иметь высокую плавность хода на невысоких скоростях движения, благодаря чему они получили широкое распространение в 1930-е гг. Их недостаток заключается в малой энергоемкости и живучести из-за нарушения работы всех катков тележки при повреждении одного из них. Блокированные подвески используются на английских «Центурионах» и «Чифтенах» и отражают концепцию танка, когда предпочтение отдается защите и огневой мощи в ущерб подвижности.

Различают подвески с двумя (Т-37, Pz.IV, М4 «Шерман», «Центурион»), тремя («Валентайн»), четырьмя («Виккерс 6-тонный», Т-26, LT-35) катками в тележке, катками, сблокированными по всему борту, и полностью сблокированные подвески («Штрауслер»).

В старой литературе такую подвеску иногда именуют балансирной по названию рычага (балансира), которым в некоторых блокированных подвесках соединялись между собой катки в тележке. Однако во многих блокированных подвесках каждый каток имеет свой балансир, а связь между катками осуществляется только через рессору (М4 «Шерман», Pz.IV), поэтому применение современного термина «блокированная подвеска» представляется наиболее целесообразным.

В смешанных системах подрессоривания часть катков сблокирована, а часть имеет индивидуальную подвеску (Pz.I Ausf. А, «Рено» R-35, М3 «Стюарт»). Обычно в таких системах подрессоривания независимой подвеской оснащаются крайние опорные катки, так как они испытывают наибольшие динамические нагрузки. Интересное решение применено на шведском безбашенном Strv-103. В его подвеске, чтобы уменьшить продольно-угловые колебания при очень короткой базе машины, вторые и третьи катки имеют независимую подвеску, а крайние опорные катки связаны по диагонали системой компенсации.

По типу материала упругого элемента подвески делятся на металлические, неметаллические и комбииированные.

В подвесках с металлическим упругим элементом используется упругая деформация стали, работающей на изгиб или кручение. По конструктивным особенностям металлические рессоры делятся на торсионные (одно-, двухторсионные, пучковые); с винтовыми, тарельчатыми и буферными пружинами; с листовыми рессорами. Торсионные подвески применялись на немецком Pz.III, итальянском L6/40, отечественных Т-40 и КВ. Сейчас одноторсионные подвески используются на большинстве отечественных и зарубежных танков. Двухторсионные подвески характерны для Pz.V и Pz.VI, пучковый торсион — для тяжелого танка Т-10. Двухторсионные трубчато-стержневые подвески устанавливаются на АСУ-57, танках Ml «Абрамс» и М60АЗ, БМП М2 «Брэдли». Винтовые пружины имеются на танках БТ, Т-34, «Чифтен», «Меркава», тарельчатые (пружины Бельвиля) — на швейцарских Pz-61, Pz-68. Буферные пружины задействовались на американских «Шерманах» и «Стюартах». Листовые рессоры стояли на немецких Pz.II, Pz.IV, чешском LT-38.

Неметаллические рессоры деля тся на резиновые (французский R-35), пневматические (БМД, шведский Strv-103, японский танк 74), гидравлические и гидропневматические. На современных танках из неметаллических рессор применяются только пневматические.

Комбинированное подрессоривание применялось на САУ «Фердинанд» с параллельно работавшими в узле подвески торсионным валом и резиновой подушкой. На опытном танке ХМ 1 (вариант фирмы «Дженерал моторс») в подвесках первого, второго и шестого катков использовались пневматические рессоры, в подвесках остальных катков — торсионы.

Узел блокированной подвески. Тележка с подвеской заднего моста американского БТР М2.

Танк «Валентайн» с блокированной по три катка подвеской.

Узел блокированной подвески английского танка «Валентайн».

Английская танкетка со смешанной подвеской.

Комбинированная подвеска САУ «Фердинанд» с торсионом и резиновой подушкой.

Требования к системам подрессоривания

Системы подрессоривания должны отвечать следующим основным требованиям:

— обеспечивать хорошую плавность хода в различных дорожно-грунтовых условиях;

— обладать высокой живучестью и надежностью в различных условиях боевого применения и эксплуатации;

— иметь относительную массу не более 4–7% от массы машины и занимать не более 6–8% ее внутреннего объема;

— быть удобными для обслуживания и ремонта, просто и легко монтироваться и демонтироваться.

Высокая плавность хода

Во время движения танк подвергается различным внешним воздействиям, которые стремятся вывести его из состояния равновесия, в результате чего он совершает вынужденные колебательные движения, как вертикальные, так и угловые продольные и поперечные. Наиболее вредными являются продольные угловые колебания, так как в этом случае вертикальные ускорения и амплитуда колебаний в носу машины (на месте механика-водителя) имеют наибольшие значения по сравнению с другими видами колебаний и в этом случае наиболее вероятны пробои крайних узлов подвески (т. е. жесткие удары балансиров в ограничители хода катков).

Исследованиями установлено, что организм человека способен безболезненно переносить кратковременные перегрузки в 3–3,5g при частоте возмущения до 2 Гц (т. е. с периодом колебаний Т? больше 0,5 с). При возникновении пробоев подвески вертикальные ускорения, как правило, превышают эти значения и могут достигать 10g и более, при которых в организме человека возникают болевые ощущения, часто приводящие к травмам. О вредном влиянии жестких условий колебаний машины говорит тот факт, что у водителей грузовых автомобилей, находящихся в средних дорожных условиях, пояснично-седалищные боли (в основном ишиас) встречаются в три раза чаще, а у работающих в плохих дорожных условиях — в пять раз чаще, чем у водителей легковых автомобилей. Неудивительно, что радикулит считается профессиональной болезнью танкистов, работающих в более жестких условиях по сравнению с водителями автомобилей.

Таким образом, одно из основных требований к системам подрессоривания состоит в том, ч то на высоких скоростях при движении по длинным неровностям a = 2L (L-длина oпoрной поверхности гусеницы) и выстой h = 0,15 м должно обеспечиваться движение без пробоя подвески и с вертикальными ускорениями до 3,5g.

При движении по мерзлой пахоте поперек борозд, по замерзшим кочкам, брусчатке и т. д. передаются высокочастотные непрерывно действующие возмущения (ускорения тряски). Длина таких неровностей принимается примерно равной расстоянию между ближайшими опорными катками, а высота h = 0,05 м. При частотах 2-25 Гц организм человека способен на пороге появления «довольно неприятных ощущений» переносить вертикальные ускорения порядка 0,5g. Поэтому система подрессоривания должна быть спроектирована гак, чтобы ускорения тряски не превышали эту величину.

Как известно, ускорение находится в прямой зависимости от амплитуды колебаний и в обратной зависимости от квадрата периода. Из этого следует, что наиболее плавный ход обеспечивается подвесками с колебаниями меньшей амплитуды и большего периода Т?.

С другой стороны, при значительном периоде колебаний у экипажа возникают неприятные ощущения, связанные с «морской болезнью», что объясняется непривычными для человека частотами колебаний: организм человека наиболее приспособлен к колебаниям с частотой, близкой к частоте ходьбы (примерно 1–2 Гц или период 0,5–1 с, а поданным западных специалистов — 0,7–0,8 Гц). По некоторым источникам, для исключения влияния этого явления Т должен быть не более 1,55 с, по другим — 1,25 с (частота 0,8 Гц).

Кроме влияния на эргономические показатели машины ее колебания ухудшают и условия стрельбы. При отсутствии стабилизатора вооружения значительно ухудшаются условия наблюдения и прицеливания, особенно через приборы с многократным увеличением. В этом случае, если наводчик и смог поймать цель в перекрестие прицела, то из- за запаздывания выстрела пушка все равно уйдет с линии прицеливания, кроме того, снаряд еще дальше отклонится от цели благодаря сложению скоростей полета снаряда и движения пушки в сторону от линии прицеливания в момент начала выстрела. В этих условиях чем меньше угловая скорость и амплитуда колебаний, тем лучше.

Введение стабилизатора танкового вооружения значительно упростило наведение и многократно повысило точность стрельбы с ходу. Однако исполнительные механизмы стабилизаторов вооружения обладают определенной инерционностью и при высоких частотах колебаний не могут достаточно точно удерживать вооружение в заданном положении. Для современных танков удовлетворительная точность стрельбы на европейском ТВД обеспечивается при движении на поле боя со скоростью до 20–30 км/ч.

Обобщив вышесказанное, выделим следующие требования к системам подрессоривания по обеспечению высокой плавности хода:

— исключение пробоев подвески;

— максимальные ускорения при наезде на длинные неровности (a=2L, h=0,15 м) не должны превышать 3,5g;

— максимальные ускорения тряски при движении по коротким неровностям с высотой h=0,05 м до 0,5g;

— значение периода собственных угловых колебаний Т? должно быть больше 0,5 с по эргономическим показателям и больше 1с по условию обеспечения прицельной стрельбы. В конечном счете желательно Т? иметь примерно равным 1,25 с, но не более 1,55 с;

— минимальные амплитуды колебаний корпуса, исключающие пробои на крайних узлах подвески и удары стабилизированного основного вооружения в ограничители углов наведения.

Выполнение вышеперечисленных требований возможно следующими техническими мероприятиями.

Во всех случаях желательно получить определенные качества:

— высокую удельную потенциальную энергию подвески ? > 0,4–0,5 м (см. ниже раздел «Высокая живучесть подвески»), что достигается большими динамическими ходами катков и использованием мощных амортизаторов;

— большой момент инерции танка, что увеличивает период колебаний и уменьшает реакцию корпуса на внешние возмущающие воздействия, а как результат- и амплитуду его колебаний. Высокий момент инерции достигается благодаря перераспределению масс и установке наиболее тяжелых агрегатов и узлов в носу и корме машины.

Исключения пробоев подвески можно добиться путем увеличения динамических и полных ходов катков. Увеличение динамического хода до 350–400 мм можно считать разумным пределом, дальнейший рост динамического хода ведет к увеличению высоты корпуса, что приведет при ограниченной массе к ослаблению бронирования.

Можно увеличить жесткость рессор, что повышает удельную потенциальную энергию подвески ?, однако этот метод крайне нежелателен, гак как часто приводит к прямо противоположному результату. В самом деле, при увеличении жесткости подвески возрастают возмущения, действующие через нее от неровностей местности на корпус, что способствует увеличению амплитуды колебаний и более частым пробоям по сравнению с более мягкой подвеской.

Минимизация вертикальных ускорений достигается применением мягкой подвески с низким приведенным к катку коэффициентом жесткости подвески с. Благодаря этому уменьшаются силы, действующие со стороны опорного катка на корпус при наезде на единичную неровность.

Увеличение периода собственных колебаний достигается опять-же применением рессор низкой жесткости (вспомните опыт из курса школьной физики: чем мяте пружина, тем больше период раскачивания на ней одного и того же груза или, наоборот, на пружине одной жесткости больше период колебаний для более тяжелого груза), увеличением момента инерции танка.

Для уменьшения амплитуды колебаний применяются мощные амортизаторы, которые быстро гасят колебания корпуса: кроме того, за счет увеличения длины опорной поверхности возрастает плечо силы амортизатора относительно центра масс, и он эффективнее выполняет свои функции.

Применение мягкой подвески позволяет уменьшить силы, действующие на опорные катки со стороны неровностей, что снижает амплитуду вынужденных колебаний. С другой стороны, мягкая подвеска оказывает меньшее сопротивление внешним силам, нарушающим равновесие танка. Мягкая подвеска склонна к продольному раскачиванию танка при трогании с места, торможении и изменении скорости движения.

Кроме подвески демпфирующими свойствами обладают гусеничный движитель, трансмиссия и двигатель (этот вопрос рассмотрим в разделе, посвященном гусеничному движителю).

Как можно заметить, выполнение большинства требований к системе подрессоривания решается применением амортизаторов. Однако следует сразу оговориться, что они не всегда полезны. Обратите внимание на представленную на графике примерную амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) танка с подвеской без демпфирующих элементов (кривая I) и с демпфирующими элементами (кривая 2). Не вдаваясь в глубины теории подрессоривания, только отмечу: из приведенного графика видно, что в резонансной части колебаний корпуса и на низких частотах колебаний (левая часть кривой 2) применение амортизаторов за счет гашения колебаний весьма эффективно. Чем выше демпфирующие свойства амортизаторов, тем ниже будет проходить на графике левая часть кривой 2 и тем меньше амплитуда угловых колебаний. С другой стороны, амортизатор увеличивает жесткость подвески и на высоких частотах амплитуды колебаний увеличиваются с ростом мощности амортизатора (правая часть кривой 2). Отсюда можно сделать вывод, что мощный амортизатор эффективен при движении по большим неровностям (эффективно гасит низкочастотные колебания) и вреден при движении по мелким неровностям (увеличивает тряску).

Таким образом, наиболее целесообразной является мягкая подвеска с большими динамическими и полными ходами катков и эффективными амортизаторами (с низким демпфированием на мелких неровностях и высоким на крупных). Чтобы низкая жесткость рессор не сказывалась на уменьшении удельной потенциальной энергии подвески, число узлов подвески желательно иметь как можно больше. Для современных основных боевых танков разумным пределом является 6–7 узлов подвески (опорных катков) на один борт. Перспективным является путь применения пневматических и гидропневматических подвесок с системами автоматического регулирования (САР) характеристик подвески (клиренса, жесткости упругих элементов, демпфирования амортизаторов) в зависимости от профиля пути. Вариант САР подрессоривания с лазерным датчиком профиля местности был разработан в США для танка МВТ-70, динамика ходового макета с этой системой улучшена на 30 %.

Здесь хочется сделать некоторое отступление. Анализируя АЧХ колебаний корпуса, можно заметить, что при движении по поверхности с профилем, приводящим танк к колебаниям с частотами, близкими к собственной, возникает резонанс и танк начинает сильно раскачиваться. Для уменьшения раскачиваний корпуса водитель обычно снижает скорость, однако, как следует из АЧХ, увеличение скорости значительно эффективнее скажется на уменьшении амплитуды колебаний, что опытные механики-водители и практикуют: как только танк начал сильно раскачиваться, прижал сильнее педаль подачи топлива, танк увеличил скорость — и колебания резко уменьшились. Т. е. можно сказать, что в данной ситуации механик- водитель сам по себе представляет систему автоматического регулирования колебаний корпуса.