Экспериментальный вездеход АМО «ЗИЛ» с подкатным ведущим мостом

Вокруг колеса

Проходимость автомобиля повышают разными способами. Одно из очевидных решений – увеличение ширины профиля шины. В этом случае удается добиться снижения удельного давления колеса на грунт за счёт размещения на протекторе нескольких рядов дополнительных грунтозацепов, что заметно увеличивает силу сцепления. Примером могут служить арочные шины и пневмокатки, имеющие низкое внутреннее давление воздуха (0,21–0,35 кг/cм²) и повышенную эластичность протектора, что 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. Арочные шины имеют прочный тонкослойный каркас из полиамидного корда, резиновый брекер, рисунок протектора повышенной проходимости с мощными расчленёнными грунтозацепами эвольвентной формы почти на всю ширину профиля высотой 35–40 мм и шагом 100–250 мм. У пневмокатков в свою очередь больше ширина профиля, лучшая эластичность и меньшее внутреннее давление воздуха, чем у арочных шин. Протектор снабжен невысокими, редко расположенными грунтозацепами, которые наряду с основным своим назначением повышают 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 стали частично выполнять функции, которые ранее выполняли элементы подвески, что дало повод полностью отказаться от последней 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 массово выпускаемых автомобилях повышенной проходимости препятствовали 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, что приведет к существенному увеличению ширины колеи и в итоге к увеличению габаритов машины. Или нужно делать несколько мостов управляемыми (с поворотными колесами), что усложнит конструкцию рулевого управления. А на дорогах с бетонным и асфальтовым полотном такие шины создают большую силу сопротивления качению (по сравнению с более узкими вездеходными шинами) и имеют низкий КПД, что вызывает их нагрев, повышенный износ и большой расход топлива.

Чтобы решить этоту проблему, 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 без опасений, 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.

Улучшения опорной проходимости можно добиться и другим способом, например увеличивая наружный диаметр шины. Это повысит длину части шины, вступающую в контакт с грунтом, и соответственно увеличит общую площадь поверхности контакта, что повлечет уменьшение удельного давления на грунт, а в итоге снизит силу сопротивления качению на всех видах грунтов. Попутно данное решение улучшит профильную (геометрическую) проходимость, поскольку увеличиваются дорожный просвет, предельная высота преодолеваемых пороговых препятствий, максимальная ширина выбоин и рвов, которые способен пройти автомобиль. Следовательно, увеличение диаметра шины позволяет улучшить сразу несколько параметров, определяющих проходимость автомобиля. При этом уменьшается число циклов нагружения элементов шины на определенном пути, соответственно повышается допустимая по нагреву скорость движения.

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

Не случайно 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 автомобиля не потребуется.

Самостоятельным и очень интересным направлением стало создание колёсных 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, которые на деле доказали свою работоспособность. Почти все ныне выпускаемые грузовые автомобили повышенной проходимости обязательно комплектуются такими системами. Но это предмет отдельного разговора.

Имеется и другой путь. Так, не повышая размеров колес (диаметра и ширины), можно без особых усилий увеличить их число 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, 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 могут свести на нет всю выгоду от подобного решения. Другое дело, когда масса груза столь велика, что приходится автомобиль делать с количеством осей от пяти до восьми.

В поисках истины

Пытливые инженерные умы чуть ли не с момента зарождения автостроения стремились создать машины, которые и на шоссе, и на бездорожье чувствовали 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. Объединённые общей 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 других от механизмов.

Интересные проекты и конструкции появлялись один за другим. Заслуживает внимания двухосный автомобиль, у которого наряду со штатными колесами имелись подъёмные 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 богатую пищу для инженерных умов в деле осмысления существующего уровня и дальнейшего развития внедорожной тематики. Например, стало совершенно очевидно, что полугусеничные автомобили и бронетранспортеры являются тупиковой ветвью эволюции вездеходных машин и не имеют дальнейших перспектив. Зато бурный расцвет получили чисто колесные и гусеничные модели.

Ярким доказательством сказанному является история создания армейской колесной техники во Франции и Советском Союзе. В 1950–1970-х годах в обеих странах серийно строились бронированные машины с опускающимися движителями. У французов это были бронеавтомобили Panhard серии EBR (75 и 90), у нас бронированные разведывательно-дозорные машины БРДМ и БРДМ-2. Упомянутые модели 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-е годы создали целый ряд экспериментальных образцов боевых машин пехоты с комбинированными колесно-гусеничными движителями, каждый из которых использовался в зависимости от дорожной обстановки.

Своя колея

Идеи повышения проходимости автомобилей с использованием подъёмно-опускающихся движителей постоянно будоражат умы проектировщиков. Свидетельством тому являются все новые и новые проекты на эту тему. Дополнительные устройства (колесные или гусеничные) устанавливают в пределах колесной базы либо располагают вне ее – как позади, так и спереди. Конструкции подобного плана появляются у нас в стране и за рубежом. Так, изучив отечественный и иностранный опыт на АМО «ЗИЛ», имеющем богатейшие традиции в области автомобильной внедорожной техники, решили внести свою лепту в копилку технического прогресса.

Замысел проекта, как выяснилось, принадлежит Юрию Михайловичу Лужкову, который с 5.12.2008 г. является обладателем российского патента «Автомобиль повышенной проходимости», где раскрывается суть инновационных предложений. Эти идеи упали на благодатную почву «зиловского» промышленного потенциала, где местные специалисты теоретически обосновали довольно сырой материал, разработали чертёжно-конструкторскую документацию, построили и испытали действующий образец.

В чём же состоит суть предложения? Двухосный полноприводный или неполноприводный автомобиль с механической трансмиссией решили дополнить третьим подкатным мостом, установленным сзади. Второй (основной) мост сделан проходным, и в нём установлен механизм отключения привода подкатного моста, который выполнен портальным, снабжен устройством подъёма в отключенном состоянии и имеет колёса меньшего, чем у базового автомобиля, диаметра. Чтобы линейные скорости протекторов колёс основного и подкатного мостов были одинаковы, пришлось сделать передаточное отношение привода последнего на соответствующую величину больше, помимо всего его колею уменьшили настолько, чтобы ее следы по ширине не совпадали с таковыми, оставляемыми основными колесами машины. Предполагалось, что для подъёма и опускания подкатного моста его установят на качающемся рычаге, по концам которого размещены пневмобаллоны, играющие роль приводных устройств.

При движении автомобиля по шоссе, просёлочной дороге или по пересечённой местности с достаточно прочным грунтом подкатной мост находится в поднятом состоянии и отключен от трансмиссии. В случае буксования во время перемещения по слабонесущим грунтам машина в течение кратковременной остановки или прямо на ходу с помощью привода прижимает подкатной мост к грунту до надёжного контакта. После этого подкатной мост кинематически соединяется с трансмиссией, и его колёса, находясь в более надёжном зацеплении с неразрушенным участком грунта между колейными углублениями ведущих колес основного моста, увеличивают тяговое усилие, что обеспечивает 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 колёсной машины, может быть снабжен дополнительным подкатным мостом. При использовании полноприводных многоосных тележек на внедорожных грузовиках тяжёлого класса подкатной мост может монтироваться за крайним ведущим мостом многоосной тележки. Наиболее эффективным, по мнению специалистов, является применение двух подкатных мостов спереди и сзади автомобиля, так как при этом давление на грунт будет распределяться равномерно, и указанное ранее разрушение грунта в колейных углублениях будет минимальным, а проходимость наивысшей.

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, оснащённый этим новшеством. Жёсткие сроки при минимальной трудоёмкости изготовления экспериментальной машины потребовали использования агрегатов и узлов действующего производства с небольшими изменениями. Поэтому за основу взяли серийный двухосный полноприводный грузовик ЗИЛ-43272Т и ряд других освоенных производством узлов и агрегатов.

Постоянно включённый (заблокирован механизм включения) передний мост без изменений заимствовали от внедорожника ЗИЛ-43272Т. Средний (второй) мост, лишённый межосевого дифференциала, сделали неведущим, и он служит 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 II передача, а шестерня привода заднего моста и механизм включения II передачи использованы для привода главной передачи подкатного моста, передаточное число которой уменьшено для 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 225/75 R16. 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 трёхтонки ЗИЛ-53011. Тормозные механизмы отсутствуют, поэтому у ступиц обрезан фланец под тормозной барабан. Колея колес подкатного моста составляет 1200 мм, что на 620 мм меньше аналогичного 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.

Вертикальные перемещения подкатного моста в рабочее и транспортное положение осуществляются с помощью гидросистемы, состоящей из гидронасоса, бака с рабочей жидкостью, закреплённого 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. В сравнении 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, имеет 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. и стандартная механическая 5-ступенчатая коробка передач. Масса снаряженного автомобиля составила 5200 кг, из которых 2770 кг приходятся на передний мост автомобиля и 2430 кг – на задний.

Ходовые качества «новоиспечённого» внедорожника проверялись при движении по снегу глубиной 25–30 см. Подобное испытание для многих машин – дело не из лёгких. Впрочем, и макетному образцу не удалось долго колесить до того момента, когда 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, повторяя эту операцию много раз. Во время преодоления бездорожья колёса подкатного моста благодаря его перемещению в вертикальной поперечной плоскости чётко копировали неровности пути. Изучалось поведение машины и в том случае, когда на шины подкатного моста надевали цепи противоскольжения и он оборудовался сдвоенными колесами.

Реальные испытания автомобиля с подкатным ведущим мостом показали, что эффективность его применения в тяжёлых дорожных условиях при использовании катков малого диаметра с автомобильными шинами 225/75 R16 должна быть повышена; масса подкатного моста, деталей подвески и дополнительных узлов трансмиссии снижает грузоподъёмность 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 признана оправданной. Перспективной является оснащение этим устройством автомобиля с колёсной формулой 4x4, оборудованного независимой пневматической подвеской и регулируемым клиренсом. Что немаловажно, при необходимости подкатной ведущий мост может быть предложен в качестве опции как вариант исполнения автомобиля при сравнительно небольших изменениях кузова (платформы).

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

Экспериментальные исследования, проведенные на ЗИЛе, показали, что конструкция ведущего подкатного моста при соответствующем техническом исполнении не только работоспособна, но и имеет право на будущее.