«…Чем выше подвижность войск, тем быстрее можно осуществить маневр и тем вероятнее будет внезапность действий. Подвижность же войск в значительной мере зависит от проходимости машин, которыми оснащены войска.
Боевые качества каждого рода войск определяются вооружением и маневренностью. Успех современного боя достигается не только превосходством над противником в силах и средствах, но и умением маневрировать войсками и использовать местность в ходе боя…»
М.Г. Лазебников «О проходимости автомобилей на грунтовой и снежной целине»
Обзор технических решений, повышающих проходимость автомобилей.
Вместо предисловия.
При слове «проходимость» воображение обычного мирного автомобилиста тут же рисует героический облик грозного «кукурузера» на больших зубастых колесах, который в следующую секунду съедет с асфальта и начнет отчаянный штурм свежевспаханного картофельного поля, так некстати преградившего путь к любимому месту на водоеме. Или неожиданно всплывет из памяти фотография, уведенная в купленном по случаю каком-то журнале «типа 4х4», на которой счастливо улыбаются уделанные с ног до головы грязью мужественные победители какого-то неведомого «трофея», навеки запечатленные для истории рядом с такой же уделанной по уши глиной и илом любимой «котлетой», бывшей в прошлой жизни УАЗом, семидесяткой или паджером.
Проходимость, как качество автомобиля, до сих пор не имеет четкого определения. Некоторые специалисты под проходимостью подразумевают способность автомобиля двигаться по плохим дорогам и бездорожью без застревания и буксования ведущих колес. Данное определение хоть и верно по сути, но недостаточно полно раскрывает это сложное понятие.
Проходимость – эксплуатационное свойство автомобиля, определяющее его способность перевозить людей и грузы, свободно двигаясь в любое время года по разъезженным грунтовым дорогам, а также по грунтовой целине, снегу и участкам местности со сложным рельефом, состоящим из ям, рвов и гребневых препятствий без застревания и поломок деталей силового привода и подвески.
В отличие от автомобиля, предназначенного для соревнований, проводимых на бездорожье, задачей которого является как можно быстрее добраться до финиша и при этом не застрять и не поломаться, то есть пройти гонку, серийно выпускаемый автомобиль высокой проходимости должен не только иметь на бездорожье достаточную подвижность, но и обладать способностью производить полезную работу в сложных эксплуатационных условиях с максимальной эффективностью. Иными словами - работать на бездорожье, и работать длительное время, измеряемое десятками лет.
И если взглянуть с этой позиции на проходимость, становится понятно, что свойство это комплексное и тесно связано со многими другими эксплуатационными свойствами, такими как прочность, устойчивость, надежность и многими другими. И проходимость должна рассматриваться в совокупности с ними, а не отвлеченно.
Например, на первый взгляд прочность никак не связана с проходимостью. Но представьте себе автомобиль с передней независимой подвеской колес, который с большим трудом прошел по тяжелому бездорожью 200 км в тайге и на 201-м застрял из-за того, что попавшее между колес бревно вырвало ШРУС или рычаг подвески. Недостаточная прочность конструкции явилась причиной потери проходимости.
Другой пример. Поперечной устойчивостью называется способность автомобиля противостоять силам, стремящимся вызвать его опрокидывание в плоскости, перпендикулярной его продольной оси. Кажется, ну какая тут связь с проходимостью? Между тем низкая поперечная устойчивость автомобиля может вызвать его опрокидывание при движении на косогоре, и, как следствие – обездвиживание.
Низкая надежность какой-либо детали силового привода автомобиля может привести либо к его полному обездвиживанию (например, поломка сцепления), либо к потере возможности подвести мощность к одному из ведущих мостов, что в условиях бездорожья равносильно обездвиживанию.
Вот уже более 100 лет лучшие инженерные умы всего мира заняты поиском технических решений, направленных на повышение проходимости колесных машин. И порой добивались поразительных результатов. Но прежде, чем подводить итог того, что было придумано за этот век, необходимо вернуться к истокам, посмотреть, а как же все начиналось, узнать, какими они были, эти патриархи-внедорожники.
Часть I
Начало долгого пути.
История производства серийных автомобилей, имеющих силовой привод ко всем колесам, уходит корнями к первому десятилетию прошлого века. Считается, что первой в мире серийное производство машин колесной формулы 4х4 наладила фирма Duplex Power Car из города Charlotte (штат Мичиган USA), которая в 1906 году разработала полноприводный грузовик грузоподъемностью ¾ т и запустила его в серию. Сколько всего было выпущено таких машин, неизвестно, но для тех времен производство нескольких десятков однотипных машин в год уже называлось крупносерийным.
Автомобиль Duplex
Быль это, или небылица, пусть разбираются солидные бородатые историки. Но совершенно точно известно, что по настоящему массовое производство полноприводных машин началось в 1912-13 г.г.
В эти годы две автомобильные фирмы, находящиеся в штате Висконсин (USA) «Four Wheel Drive Auto Company» (FWD) и «Thomas B. Jeffery Company», приступили к серийному производству грузовых автомобилей колесной формулы 4х4, имеющих постоянный полный привод с распределением мощности между ведущими мостами через межосевой симметричный дифференциал, который для повышения проходимости мог быть принудительно заблокирован. Необходимо отметить, что автомобили фирмы FWD были предназначены для эксплуатации на карьерных разработках, а автомобиль фирмы «Thomas B. Jeffery Company», получивший имя «Jeffery Quad», проектировался по заказу военного ведомства USA. Это и предопределило особенности их конструкции
На первый взгляд автомобили FWD «G» и «Jeffery Quad» конструктивно схожи. Но имелся ряд существенных различий, демонстрирующих разный уровень технического мышления инженеров, принявших участие в разработке этих машин.
Автомобиль FWD
«Jeffery Quad»
Если внимательно присмотреться к машинам на этих старых фотографиях, можно заметить, что их ведущие мосты имеют совершенно разную конструкцию.
Рассмотрим подробнее конструктивные особенности заднего моста автомобиля FWD «G».
На рисунке хорошо видно, что это неразрезной мост, балка которого усилена дополнительными растяжками. Полуоси находятся внутри моста и хорошо защищены от повреждений различными препятствиями. Но на этом все достоинства заканчиваются. Разъемный картер моста очень массивен, его габариты слишком большие, очевидно, что мост имеет большой вес, а форма картера не оптимальна в плане проходимости, поскольку существенно снижает дорожный просвет. Очевидно, что при движении на слабой опорной поверхности картер быстро вступит в контакт с грунтом. Как известно из практики эксплуатации машин высокой проходимости, автомобиль, имеющий привод ко всем колесам, оснащенным специальным внедорожным протектором, способен поступательно двигаться практически во всех условиях до тех пор, пока вследствие роста глубины колеи в контакт с грунтом не вступят картеры мостов или низко расположенные детали подвески, создав тем самым так называемый «бульдозерный эффект», что в конечном итоге и вызовет застревание машины.
Также можно предположить, что задевание нижней растяжки моста за массивный камень или пень может вызвать повреждение картера дифференциала.
Теперь попробуем оценить конструкцию ведущих мостов автомобиля «Quad».
Основой моста служит крепкая кованная балка, к которой прикреплена коробка дифференциала. Заметно, что дорожный просвет «Quad» гораздо больше, чем у FWD, и самой нижней частью является балка, а не картер моста. Хорошо видно, что коробка (корпус) дифференциала у «Quad» очень компактная и размещена высоко, что снижает риск повреждения на бездорожье. Крышка коробки крепится болтами, что обеспечивает хорошую ремонтопригодность и облегчает обслуживание или замену механизма дифференциала. Приводные валы (полуоси) хоть и расположены наружи, а не внутри моста, как у FWD, но находятся высоко и частично защищены от повреждения листами рессор. А изюминкой конструкции является то, что главная передача разделена на две части с помощью колесных редукторов, увеличивающих крутящий момент, подводимый полуосями. Это техническое решение и позволило сделать такой компактный дифференциал, поскольку отпала нужда в большой по габаритам главной передаче, что позволило установить ведомую шестерню меньшего размера. Попутно это снизило нагрузку на шестерни дифференциала и на его выходные валы. Мосты данной конструкции впоследствии получили название «с разнесенной главной передачей» и используются в автостроении и поныне.
Кроме этого, раздаточная коробка «Quad» была размещена на одном уровне с лонжеронами рамы и прикрыта от повреждений двумя мощными поперечинами, похожими на рельсы. Ее выходные валы также не выступали за габариты рамы. А раздаточная коробка FWD и ее выходные валы находились намного ниже рамы и не имели никакой защиты от повреждений.
Раздаточная коробка FWD
Была еще одна конструктивная особенность, выгодно отличающая «Quad» от конкурента. Его два ведущих моста были комбинированные, т.е. и ведущие и управляемые. Проще говоря, при повороте руля поворачивались колеса обоих мостов. Это решение существенно улучшило как поворотливость, так и проходимость машины. Дело в том, что при повороте передних колес при неуправляемых задних во время прохождения поворота малого радиуса колеса прокладывают четыре следа, а не два, как при прямолинейном движении. Из-за этого при повороте на слабых грунтах существенно увеличивается сила сопротивления качению. «Quad» был лишен этого недостатка, поскольку его колеса даже на повороте шли след в след. Стоит заметить, что это техническое решение в первую очередь было вызвано отсутствием в те годы моделей карданных шарниров, способных передавать усилие, работая под большими углами. Вот конструкторам и пришлось мудрить с рулевым управлением, что значительно усложнило его конструкцию и как следствие снизило надежность. В конце 30-х годов в Америке были изобретены надежные карданы равных угловых скоростей, что и положило конец использованию схем со всеми управляемыми мостами на автомобилях колесной формулой 4х4. Но в Германии вышеуказанная схема широко использовалась перед Второй мировой войной вплоть до начала боев на Восточном фронте, после чего немцы от такой схемы отказались в виду слабой надежности.
Кроме этого, на «Quad» устанавливались крепкие штампованные металлические колеса, а FWD еще долгое время обходился допотопными спицевыми.
Таким образом, вывод очевиден: инженеры, принимавшие участие в проектировании «Quad» уже в начале 10-х годов прошлого века имели неплохое представление, какие технические решения нужно применять в автомобиле, чтобы обеспечить его хорошую проходимость и возможность длительной эксплуатации в условиях бездорожья. И постоянно работали над совершенствованием его эксплуатационных свойств.
Например, с 1914 года впервые в мировом автостроении в ведущих мостах «Quad» стали устанавливать самоблокирующиеся червячные дифференциалы, которые, как известно, существенно повышают проходимость на слабых грунтах. За счет использования в этих механизмах червячных передач, имеющих КПД, величина которого существенно снижается в случае приложения к корпусу большого по величине крутящего момента, что обычно возникает на бездорожье, полуоси получают жесткую связь благодаря силам внутреннего трения, возникающих в механизме, и вращаются с равными угловыми скоростями, обеспечивая колесам возможность развить максимально возможную тяговую силу по условиям их сцепления с опорной поверхностью. Проще говоря, червячные дифференциалы на бездорожье обеспечивали нераздельное буксование ведущих колес, аналогично принудительной блокировке. Только, в отличии от последней, процесс блокировки/разблокировки происходил автоматически, без участия шофера.
Подводя итог можно отметить, что гениальные инженеры, разрабатывавшие «Jeffery Quad» почти сто лет назад, заложили основные компоновочные и технические решения, способствующие повышению проходимости, которые в неизменном виде дожили до наших дней.
Это и повлияло на дальнейшую судьбу данных автомобилей. «Jeffery Quad» был принят военными «на ура», и в 1913 году произвели 5578 экземпляров этих великолепных машин, что составляло для того времени огромное количество. К примеру, автопром СССР смог выйти на такой объем выпуска полноприводных машин лишь в 1948 году.
Фирма «Four Wheel Drive Auto Company» тоже предприняла попытку определить свои машины в армию, в те годы крупный военный заказ гарантировал стабильный успех бизнеса. Но машина, что называется, «не пошла». Это печальное обстоятельство чуть было не привело фирму к финансовому краху. В результате в 1914 году основатели фирмы продали свои акции за 25000 долларов и вышли из бизнеса.
Но тут грянула I мировая война, которая выявила все возможности полноприводных автомобилей и показала их важную роль в успешном выполнении различных боевых задач.
На автомобили «Jeffery Quad» выстроилась очередь, их хотели закупить все армии мира. Завод работал на пределе своих возможностей и произвел в 1914 году около 6000 машин, в 1915 – 7600, в 1916 – 11000.
Фирма «Four Wheel Drive Auto Company» после начала войны восстала из пепла и по выпуску автомобилей не отставала от своего конкурента. Сколько было изготовлено полноприводных машин FWD за первые годы войны точно неизвестно, но встречаются сведения, что в 1918 году американская армия закупила 16 000 (!!!) полноприводных FWD.
Начавшаяся война тут же выявила серьезный недостаток конструкции, присущей обоим автомобилям. В те годы в грузовиках редко использовались пневматические шины, вследствие чего оба рассматриваемых автомобиля комплектовались колесами с узкими ободьями, на которые были надеты жесткие резиновые шины. Из-за этого при движении на слабых грунтах колеса вязли и погружались в грунт, приводя к обездвиживанию машины. Мало того, шины FWD хоть имели полосочки, имитирующие рисунок протектора, а вот шины Quad» были совершенно гладкие. В результате колеса машин даже на твердых грунтах, например на замерших суглинках, покрытых небольшим слоем снега, не могли развить достаточную силу тяги, чтобы обеспечить поступательное движение машины. Этот недостаток пришлось устранять шоферам и механикам в войсках: для улучшения опорной проходимости к колесу крепился дополнительный обод, что увеличивало площадь отпечатка колеса и снижало его удельное давление на грунт, а с целью увеличения силы сцепления колеса с грунтом надевались цепи противоскольжения, а зимой на обод наматывалась толстая веревка. Необходимо заметить, что шины большинства грузовых автомобилей, использующихся в ходе Великой войны, не имели грунтозацепов.
Автоцистерна для перевозки топлива на шасси автомобиля «Адлер». Задние ведущие колеса для повышения проходимости обмотаны веревками (фото из коллекции М. Коломийца)
Именно в те годы инженеры, занятые проектированием автомобилей высокой проходимости, начали понимать, что поступательное движение автомобиля в условиях бездорожья в первую очередь зависит от конструкции шины.
У машины может быть мощнейший мотор, способный развить чудовищный крутящий момент порядка 1000 Нм, ее трансмиссия может увеличить это значение в 30 и более раз, но этот огромный потенциал так и останется невостребованным из-за низкого значения силы сцепления колеса с дорогой. Величина этой силы зависит от двух основных факторов: части от общего веса автомобиля, приходящегося на колесо (сцепной вес) и коэффициента сцепления колеса с дорогой Ксц.
Часть II
Пути совершенствования конструкции шин.
После I мировой инженеры всего мира пытались создать такую шину, протектор которой будет оптимальным для движения во всех условиях бездорожья. Дело шло медленно, никак не удавалось нащупать верный подход к решению этой проблемы. Но иногда удавалось добиться определенного успеха.
Например, в 30-е годы перед инженерами шинной фирмы «Атлас Сэплай» была поставлена задача сконструировать шины для полноприводных грузовых автомобилей, работающих в песках Саудовской Аравии. Шины должны были иметь высокую эксплуатационную прочность и обеспечить достаточную проходимость машин в условиях глубокого сухого сыпучего песка, исключительно высокой температуры песка и воздуха, а также противостоять разрушительному воздействию твердых острых камней, встречающихся в пустыне.
Инженеры долго ломали голову над тем, какой принцип взять за основу конструкторского расчета. Решение проблемы проходимости требовало совершенно иного подхода к конструированию шин.
Тут кому-то в голову пришла гениальная идея воспользоваться подсказкой, подаренной самой матушкой-природой. Исходное для расчетов шин удельное давление на грунт было вычислено исходя из веса навьюченного верблюда и площади его следа. Таким путем были получены начальные рабочие гипотезы для определения исходных размеров шин. Для снижения центра тяжести автомобиля необходимо было создать шину с небольшим наружным диаметром. Вследствие высокой температуры протектор покрышки должен быть сравнительно тонким, а профиль поперечного сечения близким к круглому. Для создания большей площади соприкосновения с песком необходимо было создать очень гибкий каркас, обеспечивающий большую деформацию, т.е. каркас с минимальным количеством слоев из прочной каркасной ткани. Первые опытные экземпляры шин, изготовленные с соблюдением указанных условий, были испытаны на 25-тонном автомобиле в 1938 г, и впоследствии устанавливались на все автомашины, работающие в пустыне.
В итоге производителям удалось создать модель шин, хорошо зарекомендовавших себя при движении в условиях пустыни и показывающих неплохие свойства при движении по иным слабым грунтам. Но создать универсальную модель шин, показывающую обеспечить одинаково высокие сцепные свойства на всех видах грунтов, встречающихся на бездорожье (пески; скальные грунты; торфянистые, дерново-подзолистые и черноземные почвы; сухие и влажные суглинки; сплошные, сапропелевые и сплавинные болота; дерновое покрытие; сухой и влажный снег и пр.) до настоящего времени так и не удалось. Оказалось, что свойства поверхностей, по которым необходимо обеспечить движение внедорожника, слишком многообразны и шины, хорошо подходящие для одного вида бездорожья, совершенно не годятся для другого. И ничего поделать с этим невозможно.
Ведущие конструкторы СССР внимательно изучали опыт мировой автоиндустрии и тоже работали в данном направлении. В СССР хватало своих песков, но наибольшую значимость для народного хозяйства представляла возможность свободного передвижения автомобилей по раскисшим грунтовкам, мокрым суглинкам и глубокому снегу.
В 1957 г. по техническому заданию Научно-исследовательского автомобильного и автомоторного института НАМИ Ярославским шинным заводом был налажен выпуск опытных шин арочного типа Я-146, учитывающих все особенности грунтов нашей обширной Родины.
Испытаниями НАМИ было установлено, что проходимость автомобиля ЗИЛ-150 (4х2), оборудованного колесами с грунтовыми шинами, резко возросла и может быть оценена как равноценная проходимости автомобилей ЗИЛ-151 и ГАЗ-63 с тремя и двумя ведущими мостами на штатной вездеходной резине. По сухому глубокому песку, а в некоторых случаях и по заболоченной местности проходимость экспериментального заднеприводного автомобиля ЗИЛ-150 оказалась более высокой, чем проходимость автомобилей ЗИЛ-151 и ГАЗ-63 со всеми ведущими мостами.
Автомобиль ЗИЛ-151 с экспериментальными грунтовыми шинами на задних мостах
Но у этих шин оказался серьезный недостаток: при езде по бетонным и асфальтовым дорогам их КПД был значительно ниже, чем у обычных шин, а также большая шумность, низкая износостойкость и высокая стоимость в итоге привели к тому, что шины новой конструкции стали устанавливать только на сельхозтехнику и на специализированные колесные вездеходы, почти не выезжающие на твердые дороги.
Известный во всем мире ученый М. Беккер, посвятивший много трудов исследованию особенностей взаимодействия автомобильных колес с грунтом, пришел к выводу, что при движении шины по мягкому грунту коренное улучшение сцепления может быть достигнуто при применении грунтозацепов высотой, равной ширине протектора, однако такая конструкция шины практически нереальна. Впрочем, в последние годы начали выпускаться внедорожные шины (т.н. «грязевые»), конструкция протектора которых во многом приближается к условию, выведенному Беккером..."
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Выложил чтобы понять:
1. Насколько интересно пользователю полноприводной машины узнать изложенный материал? Нужно ли это?
2. Не скучно ли подан материал, все ли понятно?
3. Стоит ли продолжать повествование дальше?
Вступить в клуб
Карта сайта 
Контакты 
Обзор технических решений, повышающих проходимость автомобилей.
А, если серьезно, конечно интересно! В фак занесу темку.
