Сочлененные гусеничные и колесные машины высокой проходимости

Сочлененные гусеничные и колесные машины высокой проходимости

Двухзвенный транспортер RAT

Среди разнообразных машин высокой проходимости выделяется группа сочлененных гусеничных вездеходов, обладающих исключительно высокой опорной и профильной проходимостью и другими весьма положительными качествами и свойствами, которые на заре появления этих машин их создатели даже не могли и предвидеть.

Сочлененных машин различного типа и назначения, бронированных и небронированных, плавающих и не плавающих, транспортных и предназначенных для установки и использования на них специального оборудования в количественном плане не так уж много. Но пользу, которую они приносят, нельзя недооценивать.

Специфичность конструкции сочлененных вездеходов, тяжелые грунтовые и климатические условия их эксплуатации настоятельно требуют несколько иного подхода при оценке их качеств, чем к обычным образцам с высокой проходимостью. Разумеется, эти оценки должны содержать некоторые показатели и коэффициенты, которые в наибольшей степени будут раскрывать потенциальные возможности машин такого типа.

К таким показателям и коэффициентам можно отнести:

а) удельную мощность машин (N_yд) в виде отношения эффективной мощности двигателя машины к ее полной массе с грузом, кВт/т. Представляет практический интерес и другая удельная мощность — отношение мощности двигателя машины к массе перевозимого груза, которая характеризует экономическую эффективность машины (N_гр кВт/т);

б) среднее давление движителя (q_rp) на твердую опорную поверхность грунта, мПа или кПа или кг/см?. Этот показатель удобен для сравнения различных машин, поскольку среднее давление на грунт зависит от типа грунта, его влажности, структуры, глубины погружения движителя в грунт и многих других причин;

в) безразмерный показатель провозоспособности (k_пр), представляющий собой отношение произведения веса перевозимого груза в ньютонах на скорость его перевозки в м/с к эффективной мощности двигателя машины в ваттах, причем для плавающих машин необходимо определять значение этого показателя для двух сред движения — суши и воды;

г) безразмерный коэффициент использования массы машины (k_m) в виде отношения массы перевозимого груза к собственной массе машины;

д) безразмерный коэффициент использования габаритной площади машины (k_гп) в виде отношения площади грузовой платформы к габаритной площади всей машины;

е) безразмерный относительный диаметр поворота (D_отн) на суше (для плавающих машин и на воде) в виде отношения диаметра поворота к габаритной длине машины:

ж) безразмерная относительная ширина преодолеваемого рва (В_р) в виде отношения ширины рва к габаритной длине машины;

з) безразмерная относительная глубина преодолеваемого брода (k_бр) в виде отношения глубины брода к величине дорожного просвета;

и) безразмерная относительная высота преодолеваемой вертикальной стенки (k_h) в виде отношения высоты стенки к величине дорожного просвета машины;

к) относительная скорость (число Фруда по водоизмещению) для плавающих машин в виде отношения скорости движения по воде vm в м/с к величине, содержащей полное водоизмещение машин V в м3 т. е. F_rv=vm/(g V0.333)0.5,

где g — ускорение силы тяжести в м/с?.

ПЕРВЫЕ ОПЫТЫ

Первой из гусеничных машин сочлененного типа, созданных после Второй мировой войны, был двухзвенный вездеход RAT канадской фирмы Canailair Limited, появившийся в 1957 г. Он предназначался для использования в качестве десантно-переправочного средства в труднопроходимой местности (снег, болота, песок, небольшие водные участки), а также для буксировки санных прицепов с грузом общей массы до 450 кг в районах Крайнего Севера.

Однако история сочлененных вездеходов началась задолго до этого. Еще в 1913 г. англичанин Диплок продемонстрировал на одной из выставок прообраз современных транспортеров такого типа в виде обычной гусеничной машины с прицепом, гусеницы которого не были ведущими. Прицеп соединялся с основной машиной с помощью шкворневого шарнира. Механизм поворота секций состоял из червячной пары, винт которой размещался на основной ведущей машине, а червячный сектор — на заднем звене.

В 1915 г. Диплок показал несколько усовершенствованный вариант своего детища, а полковник Кроминтон представил другую сочлененную машину, представлявшую собой соединенные в единый блок два трактора. Но все эти первые образцы были ненадежны и не содержали удачных конструктивных решений. Поэтому они не получили дальнейшего развития, но вместе с тем показали, что существуют способы обеспечения проходимости и улучшения управляемости за счет поворота одной секции в горизонтальной плоскости относительно другой. Это с полным правом можно считать первыми шагами в создании сочлененных машин современного типа.

В 1930-е гг. идея сочлененных машин в несколько ином виде проявилась в создании Мартелем четырехгусеничного транспортера, задние гусеничные обводы которого были объединены в отдельной тележке и могли поворачиваться в горизонтальной плоскости относительно корпуса транспортера.

Здесь уместно отметить, что создание новых конструктивных схем машин может идти двумя путями: появляется образец с какими-то новшествами, которые предлагает некий изобретатель, затем, если эта новинка заслуживает внимания, она подвергается теоретическим и экспериментальным исследованиям. раскрывающих суть новых подходов и показывающих возможные перспективы такой машины. Второй путь, встречающийся реже, базируется на первичных теоретических исследованиях, за которыми следует создание экспериментальных образцов и их испытания. Для сочлененных машин раннего периода характерен первый путь.

В 1940-е гг. прошлого столетия идею сочлененных машин начали прорабатывать для снегоходов, преследуя цель повышения их проходимости за счет введения четырех гусеничных обводов, смонтированных на отдельных понтонах, образующих две поворотные тележки. Каждая пара тележек соединялась с трансмиссией карданными передачами и могла поворачиваться в противоположных направлениях для уменьшения радиусов поворота. Но обе тележки были связаны с одним корпусом, поэтому такой тип вездехода нельзя отнести к чисто сочлененным машинам.

Фирма Tucker Sno-Cat Corporation (США) для эксплуатации в условиях заснеженной сильно пересеченной местности и тундры создала целое семейство снегоходных гусеничных транспортеров грузоподъемностью от 300 до 6800 кг, названных Sno-Cat. На этих образцах рама вместе с кузовом была установлена на четырех специальных понтонах. Эти понтоны с гусеницами образовывали ходовые тележки, каждая из которых имело индивидуальную подвеску в виде вертикально расположенных полуэллиптических рессор. Обе пары тележек соединялись с трансмиссией карданными передачами и были выполнены поворотными. При повороте передней тележки вправо задняя поворачивалась влево на такой же угол и, наоборот, при повороте передней тележки влево задняя тележка двигалась вправо. Задание углов поворота тележек осуществлялось с помощью рулевого колеса. Такая схема изменения направления движения обеспечивала хорошую маневренность транспортера при движении с малыми радиусами поворота. Минимальный радиус поворота составлял 8,5 м, при этом относительный диаметр поворота Dотн был равен 2,78.

В понтонах устанавливались двухрядные ведущие звездочки (колеса) и механизмы их приводов. Легкие металлические гусеничные цепи состояли из шарнирных звеньев с поперечными грунтозацепами. соединяющими две ветви гусениц в одно целое. Гусеницы вращались вокруг понтонов на специальных многочисленных роликах, установленных на шариковых подшипниках.

Массогабаритные параметры машины: собственная масса 3200 кг, грузоподъемность 1400 кг, масса буксируемого прицепа 4000 кг, полная масса без прицепа 4600 кг, длина 6100 мм, ширина 2300 мм, высота 2300 мм, дорожный просвет 700 мм. колея 1665 мм при ширине гусениц 610 мм. Вместимость грузового отсека кузова 12–15 человек.

Коэффициент использования массы km (без прицепа) равен 0,437. Удельное давление на твердый грунт О — 0,088 кг/см?.

Мощность V-образного восьмицилиндрового карбюраторного двигателя фирмы Chrysler 147.2 кВт при 4000 об/ мин. Удельная мощность машины N_yд при полной нагрузке без прицепа 32 кВт/т, с прицепом — 17,1 кВт/т. Удельная мощность по массе перевозимого груза — 105.1 кВт/т. Коробка передач механическая, пятиступенчатая с синхронизаторами на всех передачах, кроме первой и заднего хода. Раздаточная коробка одноступенчатая. Максимальная скорость без груза достигала 24 км/ч, максимальная скорость с полной нагрузкой на крюке — 8 км/ч. Показатель провозоспособности k_пр =0,137. Средний расход топлива 81 л/100 км. Преодолеваемый подъем 35 град.

Транспортер М743, как и другие модели семейства Sno-Cat, был подвергнут всесторонним испытаниям, в том числе в Антарктиде. Эти испытания выявили несколько существенных недостатков. Вследствие легкой конструкции гусеничных лент они не обеспечивали надежную работу транспортера по твердому грунту и торосистому льду. Другим недостатком было очень большое количество точек смазки (около 300 на модели М743), значительная часть которых требовала периодического осмотра и заправки маслом после 320 км пробега. Была признана также недостаточной общая маневренность вездехода в условиях Антарктиды, несмотря на наличие четырех гусеничных тележек с индивидуальными приводами. Последнее обстоятельство вынудило конструкторов фирмы искать другие пути для улучшения маневренности и проходимости машин такого типа в различных условиях эксплуатации. Наиболее перспективным оказался путь создания сочлененных вездеходов. Поэтому вернемся к действительно сочлененной модели RAT.

Машина состояла из двух секций, или звеньев, шарнирно соединенных между собой таким образом, что они могли перемещаться относительно друг друга в трех плоскостях.

В передней секции были расположены сидение водителя, двигатель с его системами, агрегаты трансмиссии и два топливных бака. Задняя секция оснащалась небольшой грузовой платформой (1220x1680 мм).

Гусеничный транспортер Sno-Cat (вверху) и понтон с гусеницами (внизу)

Конструктивная схема гусеничного транспортера RAT

Особенностью ходовой гусеничной части являлись очень широкие гусеничные цепи, занимающие почти всю габаритную ширину машины, что исключало контакты днища корпуса с грунтом и потерю проходимости. Среднее давление гусениц q_ср, опорная площадь которых на твердом грунте составляла 2,71 м?, не превышала 0,035 кг/см?. Очень малое давление на грунт, сопоставимое с давлением на снег лыжника, обуславливалось небольшой собственной массой машины без груза (600 кг) за счет использования в конструкции легких сплавов (полная масса с грузом 950 кг) и большой опорной площадью гусениц специальной конструкции.

Четырехцилиндровый четырехтактный оппозитный карбюраторный двигатель Volkswagen воздушного охлаждения имел мощность 25,8 кВт при 3400 об/мни и обеспечивал машине удельную мощность N_yд -27,11 кВт/тгр. Удельная мощность по массе перевозимого груза N_гр — 95,4 кВт/т_гр.

Сцепление однодисковое сухое. Коробка передач механическая четырехступенчатая с синхронизаторами на второй. третьей и четвертой передачах устанавливалась непосредственно за двигателем. Раздаточная коробка с коническими шестернями распределяла крутящий момент на ведущие оси передней и задней секций через конические главные передачи.

Подвеска не имела упругих элементов. Каждая гусеница состояла из трех резиновых лент, соединенных между собой грунтозацепами, расположенными с определенным шагом по длине гусениц. Такая конструкция гусеницы называется разнесенной и позволяет реализовать большую силу тяги по сцеплению за счет арочного эффекта грунта. Сила тяги по сцеплению этой машины составляла 110 % ее веса по сравнению с односекционным вездеходом с обычными гусеницами, который имел силу тяги, не превышающую 70 % собственного веса.

На воде машина двигалась с небольшой скоростью за счет вращения гусениц. Управление вездеходом на суше и на воде осуществлялось при помощи шарнирноблочного механизма путем изменения положения секций относительно друг друга в горизонтальной плоскости, т. е. реализовалась кинематическая схема поворота. Такая схема поворота на суше является с экологических позиций более чистой и щадящей, так как гусеницы в процессе поворота в гораздо меньшей степени повреждают верхние слои грунта, особенно в тундровой зоне, по сравнению с обычной схемой поворота гусеничных машин, когда поворачивающий момент создается за счет разных по величине сил тяги гусениц по бортам. Но у кинематической схемы поворота есть серьезный недостаток — нельзя развернуть машину на месте.

Маневрирование двухзвенных машин на воде обеспечивается также изменением взаимного положения секций в горизонтальной плоскости. При этом повернутая задняя секция играет роль водяного руля, на которой появляются поперечные гидродинамические силы, создающие поворачивающий момент относительно центра тяжести всей машины. Диаметры поворота двухзвенных машин на воде во многих случаях близки к диаметрам поворота на суше.

При повороте рулевого колеса транспортера RAT барабан, смонтированный в нижней части рулевой колонки, поворачивался, и трос через систему блоков перематывался с одной стороны машины на другую, в результате чего задняя секция поворачивалась относительно шарового шарнира сцепки. Максимальные углы поворота одной секции относительно другой составляли: в горизонтальной плоскости — 80 град., в вертикальной продольной плоскости — 10 град, при подъеме секций вверх и 5 град, при опускании секций вниз. Кроме того, узел сцепки обеспечивал боковой крен секций (7 град.) относительно друг друга в вертикальной поперечной плоскости. Минимальный радиус поворота на грунте составлял 2,7 м. Относительный диаметр поворота на суше — 1,35.

Общая длина машины — 4000 мм, ширина — 1700 км.

Максимальная скорость движения по грунту — 35 км/ч.

Коэффициент использования массы km равен 0,45, показатель провозоспособности на грунте k_пр — 0,999.

Коэффициент использования габаритной площади k_гп — 0.3.

Двухзвенный транспортер CL91

Двухзвенный транспортер CL61

СЕРИЙНЫЕ ОБРАЗЦЫ

В процессе эксплуатации машины в течение 1957–1960 гг. в конструкцию были внесены необходимые изменения, которые серьезно улучшили ее тактико-технические свойства, в результате чего появился модифицированный двухсекционный сочлененный гусеничный транспортер CL61. Его производство осуществляла фирма Canadiar Limited в г. Монреале. Эти транспортеры успешно прошли всесторонние испытания на севере Канады, на Аляске, в Антарктиде и в других регионах. В этих испытаниях и в последующей пятилетней эксплуатации (1960–1964 гг.) они показали высокую проходимость по тундре, болотам и топям, по заснеженной местности и доказали свою пригодность, что очень важно, к круглогодичной работе в условиях северного бездорожья.

Опыт, полученный при создании и эксплуатации сочлененных машин RAT и CL61, позволил фирме Canadair Limited разработать следующую модель двухзвенного транспортера CL91 Dynatrac, получившую в армии США индекс ХМ571.

Испытания опытной партий из 10 CL91 начались в августе 1962 г. в Канаде и США. Результаты испытаний были благоприятными и подтвердили высокую проходимость, расчетные скорости движения по грунтовым поверхностям и по воде.

Транспортер состоял из двух секций, соединенных шарниром, который обеспечивал поворот секций относительно друг друга в трех плоскостях: горизонтальной, вертикально-продольной и вертикально-поперечной. Следует отметить, что практически у всех сочлененных машин поворот секций в вертикально-поперечной плоскости производился не принудительно с помощью силовых цилиндров, а определяется боковым креном секций из-за рельефа местности.

В передней секции размещался шестицилиндровый оппозитный двигатель воздушного охлаждения Corvair фирмы Chevrolet GMC мощностью 47,8 кВт при 3600 об/мин. Мощность от двигателя подводилась к четырехступенчатой коробке передач, соединенной с двухскоростным демультипликатором, а затем через гитару к раздаточной коробке, расположенной в кормовой части передней секции. От раздаточной коробки потоки мощности разветвлялись на полуоси и ведущие звездочки передней и задней секций. Передача мощности на заднюю секцию обеспечивалась универсальным шарниром постоянной угловой скорости типа Рцеппа на длинный вал, соединенный с такой же гипоидной главной передачей, как и на передней секции, но расположенной в кормовой части задней секции. От главной передачи мощность подводилась к ведущим звездочкам задней секции.

В носовой части передней секции была установлена лебедка с приводом от гитары передней секции. Максимальное тяговое усилие лебедки 22,3 кН.

Управление машиной на суше и на воде обеспечивалось с помощью двух силовых гидроцилиндров двойного действия. Подача рабочей жидкости в гидроцилиндры от шестеренчатого насоса регулировалась клапанами, соединенными с рулевым колесом, при повороте которого гидроцилиндры поворачивали переднюю и заднюю секции относительно друг друга. Максимальный угол поворота одной секции относительно другой в горизонтальной плоскости достигал 80 град., в вертикально-продольной — 15 град, и вертикально-поперечной — 7 град. Радиус поворота машины на суше был равен 6,1 м при общей длине транспортера 5,95 м, поэтому относительный диаметр поворота D_отн составлял 2,05.

Секции при необходимости могли быть разъединены, и передняя секция могла работать самостоятельно, поворачиваясь при помощи бортовых фрикционов, расположенных между главной передачей и ведущими звездочками передней секции. Если требовали условия эксплуатации, ко второй секции присоединялась третья, идентичная по устройству второй. Привод к ведущим звездочкам третьей секции осуществлялся от второй секции через универсальный шарнир единого типа, но без силовых цилиндров механизма поворота.

Ходовая часть каждой секции имела по четыре опорных катка на борт, балансиры которых были связаны с поперечно расположенными торсионными валами. Гусеницы транспортера ленточного типа шириной 457 мм обеспечивали на твердой поверхности площадь контакта 2,42 м-. Среднее давление гусениц на грунт qср полностью нагруженной машины составляло 0,134 кг/см?. Полезная нагрузка второй секции, а следовательно и всей машины — 1135 кг. Если добавлялась третья секция, то нагрузка увеличивалась до 1900 кг.

Для уменьшения массы транспортера в его конструктивных элементах использовались детали из алюминиевых сплавов, в том числе и сотово-ячеистовые панели корпуса, подобные примененным в машине RAT. Вследствие относительно малой общей массы транспортера с грузом (3,3 т) на плаву он имел свободную высоту надводного борта 203 мм. но этого, тем не менее, оказалось недостаточно. Поэтому обе секции были оборудованы водооткачивающими насосами с электроприводами.

Длина машины в двухзвенном исполнении 5,95 м, дорожный просвет 340 мм. Угол преодолеваемого подъема 31 град., угол допустимого бокового крена 15 град.

Максимальная скорость движения по суше 48 км/ч при удельной мощности N_yд 14,49 кВт/т. Удельная мощность по массе перевозимого груза N_гр=42,11 кВт/тгр. Коэффициент использования собственной массы k_m — 0,52. Показатель провозоспособности k_пр на суше 3,09.

Двухсекционный шведский сочлененный гусеничный транспортер Bandvagn 202А

Гусеничный транспортер Bandvagn 202А при движении по торфяным болотам (вверху); по глубокому снегу (внизу)

Схема силового привода ведущих колес гусеничного транспортера Bandvagn 202А

ШВЕДСКИЙ ДВУХЗВЕННИК

Положительные результаты эксплуатации первых моделей сочлененных машин RAT, CL61 и CL91 привлекли внимание к сочлененным машинам в других странах, климатические и почвенные условиях которых были близки к канадским — США, Швеции, СССР и Финляндии.

В Швеции решение о создании гусеничной сочлененной машины для армии было принято военным министерством в 1957 г. Чертежи этого вездехода, известного под обозначением Bandvagn 202А. были разработаны конструкторским бюро под руководством инженера Бертила Олсона (Bertil Olsson) в 1958 г., а опытный образец был изготовлен фирмой Volvo-Bolinder в 1959 г. После заводских испытаний и доводочных работ в 1960 г. изготовили опытную партию из 10 машин для всесторонних войсковых испытаний. После их завершения в 1962 г. Bandvagn 202А был принят на вооружение шведской армии.

Транспортер состоял из двух секций, соединенных между собой специальным шарнирным устройством, предназначенным как для передачи мощности с передней секции на заднюю, так и для управления поворотом машины.

В передней секции размещался четырехцилиндровый карбюраторный двигатель жидкостного охлаждения В18 с его системами. Мощность двигателя составляла 67 кВт при 4000 об/ мин. Сцепление однодисковое с гидравлическим приводом управления. Мощность двигателя передавалась на обе секции через четырехступенчатую коробку передач Volvo-M42 с синхронизаторами на всех передачах. Коробка передач соединялась с двухступенчатой раздаточной коробкой. от которой мощность одной карданной передачей подводилась к переднему ведущему мосту передней секции, а другой через сцепное устройство к ведущему мосту задней секции.

Передние ведущие звездочки (колеса) обеих секций вращали гусеничные цепи, состоящие из резиновых армированных металлом лент. Ленты были соединены поперечными накладками-грунтозацепами, причем на каждую четвертую накладку предусматривалась установка дополнительных грунтозацепов. Конструкция гусениц обеспечивала нм хорошую самоочищаемость от снега и льда, а также сохранение снежного покрова колеи. По своей конструкции гусеницы вездехода Bandvagn 202А были подобны гусеницам американского транспортера Weasel. Длина опорной поверхности каждой гусеницы на твердом основании и при нулевом погружении в грунт составляла 1880 мм, а при погружении на 150 мм увеличивалась до 2360 мм. Вследствие этого среднее давление на твердый грунт а транспортера с полной нагрузкой при ширине гусениц 508 мм и суммарной опорной площади в 3.82 м-определялась величиной 0,11 кг/см?.

Ходовая часть каждого гусеничного обвода имела по пять опорных катков, имеющих независимую подвеску с торсионными упругими элементами. Задние катки выполняли также роль направляющих колес. Катки обычного типа на пневматических шинах. Поддерживающий каток — один в каждом обводе.

Управление машиной обеспечивалось двумя силовыми гидроцилиндрами, один из которых обеспечивал поворот секций в горизонтальной плоскости на угол 35 град, в каждую сторону, а другой ограничивал "складывание" секций в вертикальной продольной плоскости при преодолении подъемов и спусков, вертикальных препятствий и других участков с резко изменяющимся вертикальным профилем трассы.

При испытаниях на труднопроходимой местности с крутыми подъемами и поперечными склонами, по торфяным болотам и глубокому снегу транспортер показал высокую проходимость и маневренность. При поворотах задняя секция шла всегда точно по следу первой.

Двухместная кабина управления размещалась в передней секции и не была рассчитана на перевозку дополнительного груза. Полная масса передней секции в снаряженном состоянии составляла 2300 кг. Опорная поверхность гусениц секции длиной 1880 мм на твердой поверхности (грунте) равнялась 1,91 мг, что обеспечивало удельное давление на грунт при полной нагрузке 0,12 кг/см?.

Задняя секция имела собственную массу 900 кг и грузоподъемность в условиях бездорожья 800 кг и на дорогах 1000 кг. В секции были установлены сидения для 10 человек и каркас с тентом.

Площадь опорной поверхности гусеничных цепей второй секции также была равна 1,91 м-но удельное давление на грунт из-за несколько меньшей массы секции составляло 0,10 кг/см?.

Водные участки транспортер преодолевал вплавь за счет вращения гусениц, но с очень небольшой скоростью (2,35 км/ч) и надежно выходил на крутой берег, используя уникальные особенности двухзвенной схемы.

Общая длина транспортера 6175 мм, ширина 1760 мм, максимальная высота 2030 мм. Дорожный просвет 300 мм.

Максимальная скорость движения достигала 39 км/ч при удельной мощности N_уд 20,94 кВт/т. Удельная мощность по массе перевозимого груза 83,74 кВт/т_гр. Максимальный угол преодолеваемого подъема на снегу достигал 20 град., на грунте — 33 град.

Показатель провозоспособности на грунте к равен 1,26, при движении по воде — 0,076. Коэффициент использования габаритной площади k_гр=0,4, коэффициент использования собственной массы машины k_m -0,25. Относительный диаметр поворота D_отн на суше составлял 2,2 м при минимальном радиусе поворота 6,8 м. Число Фруда (относительная скорость по воде) F_rv -0,164.

Продолжение следует