Сражаясь с бездорожьем

Сражаясь с бездорожьем

Автомобиль повышенной проходимости с подкатным мостом на шасси ЗИЛ-43272Т.

Во время работы над проектом армейского автомобиля«Бизон-Каратель»специалистам АМО «ЗИЛ» в соответствии с техническим заданием пришлось заняться вопросом повышения проходимости двухосной машины. В результате появился опытный образец внедорожника с оригинальными техническими решениями.

Вокруг колеса

Изучая поставленную задачу, столичные автозаводцы стали определять способы повышения проходимости колесного автомобиля. Одним из очевидных решений являлось увеличение ширины профиля шины. В этом случае удается добиться снижения удельного давления колеса на грунт за счет размещения на протекторе нескольких рядов дополнительных грунтозацепов, что заметно увеличивает силу сцепления. Примером могут служить арочные шины и пневмокатки, имеющие низкое внутреннее давления воздуха (0,21-0,35 кг/см2 ) и повышенную эластичность протектора – это попутно позволяет снизить ударные нагрузки, передающиеся от дороги к подвеске автомобиля. Отношение высоты профиля к ширине у арочных шин составляет 0,35-0,50, а отношение ширины обода к ширине профиля равно 0,9-1,0.

Пневмокатки большой ширины иногда вынуждают делать автомобиль с шарнирносочлененной рамой.

Один из способов повышения проходимости автомобиля – увеличение числа осей, но не беспредельно.

Арочные шины имеют прочный тонкослойный каркас из полиамидного корда, резиновый брекер, рисунок протектора повышенной проходимости с мощными расчлененными грунтозацепами эвольвентной формы почти на всю ширину профиля высотой 35-40 мм и шагом 100-250 мм. Пневмокатки, в свою очередь, обладают еще большей шириной профиля, лучшей эластичностью и меньшим, чем арочные шины, внутренним давлением воздуха. Протектор снабжен невысокими, редко расположенными грунтозацепами, которые наряду с основным своим назначением повышают также прочность пневмокатка и обеспечивают сохранность (устойчивость) его формы, поэтому такие движители применяются на специальных машинах при работе на снежной целине, песчаных, топких и заболоченных грунтах.

В результате шины указанных типов могут частично осуществлять функции, которые ранее выполняли элементы подвески, что позволило полностью отказаться от нее на некоторых моделях колесных вездеходов с относительно низкими эксплуатационными скоростями. При этом удельное давление на грунт у автомобилей с такими колесами иногда оказывалось меньше по величине, чем у некоторых моделей гусеничной техники.

Вместе с тем, распространению сверхшироких шин на армейских автомобилях повышенной проходимости препятствовали и чисто технические особенности. При увеличении ширины профиля шины уменьшается максимальный угол поворота управляемых колес (края колеса упираются в раму или несущий корпус), что влечет ухудшение маневренности. Следовательно, чтобы обеспечить достаточную поворотливость машины с широкими шинами, надо увеличить расстояние между колесом и рамой, но приведет к существенному увеличению ширины колеи и в итоге – к увеличению габаритов машины. Либо нужно делать несколько мостов управляемыми (с поворотными колесами), а это усложняет конструкцию рулевого управления. На дорогах с бетонным и асфальтовым полотном такие шины создают заметно большую силу сопротивления качению (по сравнению с более узкими вездеходными шинами) и имеют низкий к.п.д., что вызывает их нагрев, повышенный износ и большой расход топлива.

Чтобы решить этот вопрос, можно сделать вездеход шарнирно-сочлененным, т.е. выполнить раму из двух частей, которые между собой соединены специальным механизмом с двумя (реже тремя) степенями свободы. На машину подобной конструкции, которая лишена традиционного рулевого управления, можно устанавливать шины очень большой ширины, не опасаясь, что они будут задевать за раму или элементы корпуса. Но и здесь есть свои изъяны. Внедорожник получается довольно сложным и дорогим, а потому далеко не каждому заказчику оказывается по карману. В общем, арочные шины и пневмокатки на автомобилях, выпускаемых большими тиражами, так и не прижились.

Улучшение опорной проходимости можно добиться и другим способом, например, увеличением наружного диаметра шины. Это повышает длину части шины, вступающую в контакт с опорной поверхностью и, соответственно, увеличивает общую площадь поверхности контакта, что влечет уменьшение удельного давления на грунт и в итоге снизит силу сопротивления качению на всех видах грунтов. Кроме того, данное решение позволяет улучшить профильную (геометрическую) проходимость, поскольку увеличиваются дорожный просвет, предельная высота преодолеваемых пороговых препятствий и максимальная ширина выбоин и рвов, которые способен пройти автомобиль. Следовательно, увеличение диаметра шины позволяет улучшить сразу несколько параметров, определяющих проходимость автомобиля. При этом снижается число циклов нагружения элементов шины на определенном пути и одновременно повышается допустимая по нагреву скорость движения.

Однако значительно увеличить диаметр шины тоже не всегда удается. Этому мешают уменьшение угла поворота управляемых колес, существенное увеличение массы и момента инерции движителя, а также повышение центра тяжести автомобиля, что, естественно, отрицательно сказывается на его поперечной устойчивости и управляемости. Значительное увеличение диаметра колеса, кстати, требует установки главной передачи с большим передаточным числом, а это неизбежно приводит к росту нагрузок на шестерни и выходные валы (полуоси) дифференциала и, как итог, – к увеличению размера редуктора.

Неслучайно разработчики стараются выбрать оптимальный вариант, подбирая такие значения ширины и диаметра профиля шины, при которых и проходимость повысится, и применение дополнительных сложных решений в конструкции внедорожного автомобиля не потребуется.

Самостоятельным и очень интересным направлением стало создание колесных движителей с изменяемой геометрией, так называемых «трансформеров», которые в зависимости от дорожных условий прямо на ходу меняют свои характеристики. Хорошие перспективы имеют и шины с регулируемым внутренним давлением, доказавшие на деле свою работоспособность. Почти все ныне выпускаемые армейские автомобили повышенной проходимости обязательно комплектуются такими системами.

Имеется и другой путь. Так, не повышая размеры колес (диаметр и ширину), можно без особых усилий увеличить их количество благодаря введению в конструкцию дополнительных ведущих мостов. Такой подход дает целый ряд преимуществ: снижается удельное давление на грунт, увеличивается суммарная тяговая сила автомобиля, улучшаются показатели профильной проходимости, а также уменьшается нагрузка, действующая на силовой привод и несущую раму автомобиля. Легковые и универсальные (грузопассажирские) автомобили обычно снабжают двумя ведущими мостами (4х4), а грузовики – тремя (6х6) или четырьмя (8х8). Дальнейшее наращивание числа мостов является уже не столь эффективным средством: проходимость от этого повышается незначительно, а усложнение конструкции силового привода, рулевого управления и возросшая масса может свести на нет всю выгоду от подобного решения. Другое дело, когда масса груза столь велика, что автомобиль приходится делать с количеством осей от пяти до восьми.

Экспериментальная колесно-гусеничная боевая машина пехоты «Объект 19».

Еще в начале прошлого века появлялись проекты автомобилей, оснащенных дополнительными гусеничным движителем, который в условиях бездорожья мог опускаться.

Автомобиль с дополнительными шнековым движителем.

В поисках истины

Анализируя накопленный опыт, столичные специалисты выяснили, что их предшественники чуть ли не с момента зарождения автостроения стремились создать машины, которые и на шоссе, и на бездорожье чувствовали бы себя одинаково уверенно. Вот так и появились конструкции с необычной ходовой частью. По твердой дороге такой автомобиль перемещался с помощью колес, а когда требовалось преодолеть труднопроходимую местность к ним присоединялись дополнительные движители, которые до того находились буквально в подвешенном состоянии.

Без малого сто лет назад уже были запатентованы грузовики (4х2), у которых между передней и задней осями располагались (в пределах колесной базы) гусеничные движители, опускавшиеся на грунт с помощью механического привода. На хорошей дороге машины мчались, не сбавляя скорости, а когда возникала необходимость преодолевать бездорожье, в дело вступали гусеничные тележки. Объединенные общей конструкторской идеей, проектируемые грузовики различались техническим исполнением, поскольку дополнительные движители могли подниматься с помощью зубчатого зацепления с приводом от трансмиссии, вручную посредством системы тяг и рычагов или от других механизмов.

Интересные проекты и конструкции появлялись друг за другом. Заслуживает внимания двухосный автомобиль, у которого наряду со штатными колесами имелись подъемные лыжи и шнековые движители, помогавшие преодолевать снежную целину. Таким образом, машина превращалась в моторизованные сани. Другие изобретатели тоже не сидели сложа руки, разрабатывая и испытывая разнообразные версии внедорожников с комбинированной ходовой частью. Понятно, что в авангарде инновационных технических решений находились вооруженные силы, которым требовались разнообразные машины высокой проходимости.

Вторая мировая война особенно ярко продемонстрировала достоинства и недостатки внедорожных автомобилей и дала инженерным умам богатую пищу для осмысления дальнейших путей развития внедорожной тематики. Стало совершенно очевидно, что полугусеничные автомобили и бронетранспортеры являются тупиковой ветвью эволюции вездеходных машин. Зато бурный расцвет получили чисто колесные и гусеничные модели.

Ярким доказательством сказанного является история создания армейской колесной техники во Франции и Советском Союзе. В 1950-1970-х гг. в обеих странах серийно строились бронированные машины с опускающимися движителями. У французов это были бронеавтомобили Panhard серии EBR (75 и 90), у нас – бронированные разведовательно-дозорные машины БРДМ и БРДМ-2. Упомянутые модели роднило то обстоятельство, что они оснащались опускающимися движителями (у EBR металлические большие колеса с мощным протектором, у БРДМ – компактные авиационные пневматики), расположенными в пределах колесной базы. По дорогам с твердым покрытием броневики двигались на колесах крайних мостов, а во время преодоления труднопроходимой местности к ним присоединялись две пары колес, расположенных по обоим бортам. Таким образом, удавалось существенно поднять профильную и опорную проходимость.

В СССР в 1960-х гг. создали целый ряд экспериментальных образцов боевых машин пехоты с комбинированными колесно-гусеничными движителями, каждый из которых использовался в зависимости от дорожной обстановки.

Французский бронеавтомобиль Panhard EBR 90 оснащался опускающимися колесами.

В качестве дополнительных движителей на БРДМ и БРДМ-2 применялись авиационные пневматики.

Советская БРДМ могла преодолевать окопы шириной до 1220 мм благодаря опускающимся дополнительным колесам с индивидуальным приводом.

Продолжая традиции

Идея повышения проходимости автомобилей с использованием подъемно-опускающихся движителей является одним из возможных путей решения этой проблемы. Дополнительные устройства (колесные или гусеничные) устанавливают в пределах колесной базы, либо располагают вне ее – позади или спереди. Конструкции подобного плана появляются как у нас в стране, так и за рубежом. Обобщив отечественный и зарубежный опыт, на АМО «ЗИЛ», имеющем богатейшие традиции в области автомобильной внедорожной техники, использовали его при создании поискового макета по проекту «Бизон-Каратель».

Замысел проекта принадлежит бывшему мэру Москвы Ю. Лужкову, который является обладателем российского патента «Автомобиль повышенной проходимости». Но чего бы стоили лужковские идеи, не попади они на благодатную почву зиловского промышленного потенциала, где местные специалисты теоретически обосновали довольно сырой материал, разработали чертежно-конструкторскую документацию, построили и испытали действующий образец.

В чем же состояла суть предложения? Двухосный полноприводный или неполноприводный автомобиль с механической трансмиссией зиловцы решили дополнить третьим подкатным мостом, установленным сзади. Второй (основной) мост сделали проходным и установили в нем механизм отключения привода подкатного моста, который мало того, что был выполнен портальным и снабжен устройством подъема в отключенном состоянии, но еще имел колеса меньшего, чем у базового автомобиля, диаметра. Чтобы линейные скорости протекторов колес основного и подкатного мостов были одинаковыми, передаточное отношение привода последнего пришлось сделать на соответствующую величину больше. Помимо этого, его колею уменьшили настолько, чтобы ее следы по ширине не совпадали с таковыми, оставляемым основными колесами. Предполагалось, что для подъема и опускания подкатного моста его установят на качающемся рычаге, по концам которого смонтируют пневмобаллоны, играющие роль приводных устройств.

При движении автомобиля по шоссе, проселочной дороге или по пересеченной местности с достаточно прочным грунтом подкатной мост находится в поднятом состоянии и отключен от трансмиссии. В случае буксования во время перемещения по слабо несущим грунтам машина в течение кратковременной остановки или прямо на ходу при помощи привода прижимает подкатной мост к грунту до надежного контакта. После этого подкатной мост кинематически соединяется с трансмиссией и его колеса, находясь в более надежном зацеплении с неразрушенным участком грунта между колейными углублениями ведущих колес основного моста, увеличивают тяговое усилие. Таким образом, обеспечивается дальнейшее движение автомобиля. Кроме этого перераспределяется давление на опорную поверхность и уменьшается его среднее значение, что также способствует повышению проходимости внедорожника из-за менее глубокой деформации грунта.

По такой схеме может работать подкатной мост, смонтированный как на неполноприводном, так и на полноприводном автомобиле. При этом очевидно, что каждый из ведущих мостов, находящийся и спереди, и сзади полноприводной колесной машины, может быть снабжен дополнительным подкатным мостом. При использовании полноприводных многоосных тележек на внедорожных грузовиках тяжелого класса подкатной мост может монтироваться за крайним ведущим мостом многоосной тележки. Наиболее эффективной, по мнению специалистов ЗИЛ является применение двух подкатных мостов спереди и сзади автомобиля, так как при этом давление на грунт будет распределяться наиболее равномерно, и разрушение грунта в колейных углублениях будет минимальным, а проходимость наивысшей.

Проект машины «Бизон-Каратель» с подкатным подъемным мостом.

На воде металлические катки автомобиля «Бизон-Каратель» играют роль гребных колес.

Использование опускных стальных катков при движении по мягкому грунту.

Компоновка экспериментального автомобиля на шасси ЗИЛ-43272Т.

Для проверки эффективности работы подкатного ведущего моста в реальных условиях эксплуатации специалисты Управления конструкторских и экспериментальных работ АМО «ЗИЛ» спроектировали и изготовили макетный образец автомобиля повышенной проходимости, оснащенный этим новшеством. Жесткие сроки и требования минимальной трудоемкости при изготовлении экспериментальной машины продиктовали необходимость использования агрегатов и узлов действующего производства с небольшими изменениями. Поэтому за основу взяли серийный двухосный полноприводный грузовик ЗИЛ-43272Т и ряд других освоенных узлов и агрегатов.

Постоянно включенный (заблокирован механизм включения) передний мост без изменений заимствовали от внедорожника ЗИЛ-43272Т. Средний (второй) мост, лишенный межосевого дифференциала, сделали неведущим – он служил в качестве промежуточной опоры привода подкатного моста. Схема трансмиссии привода подкатного моста с главной передачей от ЗИЛ-43272Т аналогична трансмиссии ЗИЛ-131. При этом дифференциал принудительно заблокирован, т.е. сателлиты приварены к корпусу. Двухступенчатая раздаточная коробка изготовлена на базе ЗИЛ-43272Т. Однако в ней исключена 2-я передача, а шестерня привода заднего моста и механизм включения 2-й передачи использованы для привода главной передачи подкатного моста, передаточное число которой уменьшено с целью обеспечения равной скорости движения переднего моста и катков (колес) подкатного моста, имеющих меньший радиус качения.

На переднем и заднем мостах применены шины размером 12.00R20, а на подкатном мосту установлены шины меньшей размерности – 225/75R16. Сохранены все карданные валы ЗИЛ-43272Т, а для привода подкатного моста добавлен карданный вал от грузовика ЗИЛ-133Г1. Соответствующим образом доработаны балки заднего и подкатного мостов. С целью унификации в конструкции подкатного моста использованы ступичные узлы и колеса от трехтонки ЗИЛ-5301 1. Тормозные механизмы отсутствуют, поэтому у ступиц обрезан фланец под тормозной барабан. Колея колес подкатного моста составляет 1200 мм, что на 620 мм меньше аналогичног размера автомобиля ЗИЛ-43372Т. Понятно, что это потребовало применения оригинальных полуосей. Рессорная зависимая подвеска переднего и заднего мостов сохранена от ЗИЛ-43272Т. Зато подвеска подкатного моста на базе серийных деталей выполнена оригинальной. В ней использована схема балансирной подвески автомобиля ЗИЛ-131 на реактивных штангах увеличенной длины.

Во время испытаний на снегу подкатной мост автомобиля на шасси ЗИЛ-43272Т показал свою эффективность.

Катки, снабженные цепями противоскольжения, стали неплохим подспорьем на снежном бездорожье.

На подкатной мост могут устанавливаться сдвоенные колеса.

Подкатной мост находится в транспортном положении.

Вертикальные перемещения подкатного моста в рабочее и транспортное положения осуществляются с помощью гидросистемы, состоящей из гидронасоса, бака с рабочей жидкостью, закрепленного на задней стенке кабины шасси, гидрораспределителя, установленного в кабине, двух силовых гидроцилиндров двухстороннего действия, которые верхними концами шарнирно связаны с кронштейнами, смонтированными в торцевой части рамы, а нижними – с балкой подкатного моста, рукавов высокого давлении и т.д. По сравнению с первоначальным проектом отказались от использования портальной конструкции подкатного моста из-за технической сложности и пневмобаллонов для его перемещения. Принятые решения, не ухудшив ходовых характеристик, упростили машину и позволили максимально унифицировать ее с серийными изделиями.

Подкатной мост, как и задумывали, имел два фиксированных положения: транспортное в подвешенном (поднятом) состоянии с зазором между катками подкатного моста и грунтом (дорогой) и рабочее – при опускании катков на грунт. В этом случае вертикальная осевая нагрузка заднего моста может восприниматься катками подкатного моста, которые способны опускаться на 140 мм ниже уровня опорной поверхности. Привод подкатного моста может включаться в рабочем положении и выключаться в транспортном. Колесная база грузовика не изменилась, а расстояние между вторым и подкатным мостом составило 1120 мм. Двигатель остался тот же четырехцилиндровый турбодизель ММЗ Д-245.9 мощностью 136 л.с., как и стандартная механическая 5-ступенчая коробка передач. Масса снаряженного автомобиля составила 5200 кг, из которых 2770 кг приходятся на передний мост автомобиля и 2430 кг – на задний.

Ходовые качества новоиспеченного внедорожника проверялись при движении по снегу глубиной 25-30 см. Подобное испытание для многих машин – дело не из легких. Впрочем, и макетному образцу не удалось долго колесить – забуксовали его штатные колеса. Тогда водитель, не выходя из кабины, опустил подкатной мост, включил его привод, а когда колеса погрузились до твердого основания, грузовик довольно уверенно продолжил движение. Такая операция повторялась много раз. Во время преодоления бездорожья колеса подкатного моста благодаря его перемещению в вертикальной поперечной плоскости четко копировали неровности пути. Изучалось поведение машины и в том случае, когда на шины подкатного моста надевались цепи противоскольжения и он оборудовался сдвоенными колесами.

Реальные испытания автомобиля с подкатным ведущим мостом показали, что: эффективность его применения в тяжелых дорожных условиях при использовании катков малого диаметра с автомобильными шинами 225/75R16 должна быть повышена; масса подкатного моста, деталей подвески и дополнительных узлов трансмиссии снижает грузоподъемность автомобиля, требует дополнительной оценки влияния этой массы на параметры управляемости и устойчивости при движении в транспортном положении; габариты, дополнительный вес установки подкатного моста должны быть уменьшены.

Вместе с тем, тема разработки подкатного моста была признана оправданной. Перспективной является оснащение этим устройством автомобиля с колесной формулой 4x4, оборудованного независимой пневматической подвеской и регулируемым клиренсом. Немаловажно, что при необходимости подкатной ведущий мост может быть предложен в качестве опции как вариант исполнения автомобиля при сравнительно небольших изменениях кузова (платформы).

Подкатной мост в рабочем положении.

Подвеска портального моста позволяет ему копировать рельеф.

Подкатной мост на армейском автомобиле может оборудоваться колесами с пневматическими шинами (вверху) или специальными металлическими катками с более эффективными грунтозацепами.

Технические параметры автомобиля ЗИЛ-43272Т с подкатным мостомФото из архива автора и АМО «ЗИЛ» Модель ЗИЛ-43272Т Снаряженная масса, кг:- нагрузка на переднюю ось- нагрузка на заднюю тележку 520027702430 База, мм 3340+1120 Колея передних и задних колес, мм 1820(1200 подкатной мост) Габаритные размеры, мм 5680х2475х2790 Максимальная скорость движения, км/ч - Погрузочная высота, мм - Максимальный угол преодолеваемого подъема, % 60 Минимальный дорожный просвет, мм 335 Двигатель: тип ММЗ Д-245.9Е3 Число и расположение цилиндров 4, рядное Рабочий объем, л 4,75 Номинальная мощность, л.с. 136 Частота вращения коленчатого вала при номинальной мощности, мин¹ 2400 Максимальный крутящий момент, Н м 460 Частота вращения коленчатого вала при максимальном крутящем моменте, мин¹ 1400

Привлекательно выглядит возможность установки катков подкатного моста в транспортном положении непосредственно за задним ведущим мостом в колесных нишах в габаритах кузова, а также увеличение клиренса подкатного моста и применение специальных металлических катков с более эффективными грунтозацепами. Последние могут очень пригодиться плавающим автомобилям. Для амфибийных машин самое трудное – это выход из воды на берег. Всегда наступает такая ситуация, когда передние колеса еще не имеют хорошего сцепления с грунтом берега, а эффективность водоходного движителя на мелководье резко падает. Это нередко приводит к потере подвижности. В данном случае опускающийся дополнительный ведущий мост, расположенный в задней части автомобиля, способен решить проблему.

Экспериментальные исследования, проведенные на ЗИЛе, показали, что конструкция ведущего подкатного моста при соответствующем техническом исполнении не только работоспособна, но и имеет будущее. К сожалению, проект «Бизон-Каратель», первым этапом реализации которого стал опытный образец ЗИЛ-43272Т, не удалось воплотить в жизнь из- за отсутствия финансирования, но идеи, заложенные в его конструкцию, наверняка окажутся полезными для других разработчиков.

Фото из архива автора и АМО «ЗИЛ»

Анатолий Сорокин