В. Жуков - Физика в бою
В США в последние годы с этой целью были проведены исследования свойств грунтов. Было установлено, что увеличения тягового усилия, развиваемого движителем в зависимости от свойств грунта, по которому происходит движение, можно добиться двумя путями. На грунтах, где преобладают силы трения, для возрастания тягового усилия необходимо увеличивать среднее удельное давление машины на грунт. Повышение тягового усилия машины на пластичных грунтах, где ярко проявляются силы сцепления, вопреки распространенному мнению, может быть достигнуто за счет уменьшения среднего удельного давления.
Другой результат этих исследований, вытекающих из основных положений механики системы «грунт-машина», — вывод о том, что форма поверхности контакта движителя с грунтом и ее ориентация по направлению движения машины оказывают не менее важное влияние на эксплуатационные показатели машины, чем величина опорной поверхности. Иными словами, машины, имеющие одно и то же среднее удельное давление на грунт и одинаковые площади опорных поверхностей, будут тем не менее обладать различной проходимостью, если форма поверхности контакта их движителей с грунтом различна. При равных удельных давлениях на грунт автомобиль с узкими ведущими колесами большого диаметра будет обладать лучшей проходимостью, чем автомобиль с широкими колесами малого диаметра. Или — гусеничные машины с узкой и длинной гусеницей будут отличаться лучшей проходимостью, чем машины с широкой и короткой гусеницей.
Итак, проходимость определяется свойствами грунта, размерами, формой и ориентировкой поверхности контакта движителя с грунтом.
Следует заметить, что подобные исследования грунтов дали возможность прогнозировать проходимость машин, в частности танков, на отдельных участках местности, основываясь на данных инженерной разведки местности. Для этого были составлены таблицы классификации грунтов с точки зрения их «проезжаемости».
В целом же отмеченные исследования системы «грунт-машина» позволили выработать следующие исходные предпосылки, очень важные для конструкторов. Во-первых, создание транспортных средств для бездорожья не может быть осуществлено примитивными средствами без проведения необходимых теоретических работ. Во-вторых, создание транспортных средств для бездорожья — задача значительно более трудная, нежели разработка конструкций самолетов, кораблей, поездов, обычных автомобилей. Для ее решения должны быть сосредоточены соответствующие силы и средства. И в-третьих, создание транспортных средств для бездорожья в настоящее время может вестись не вообще, не абстрактно, а для определенных грунтовых условий, и работа должна быть начата именно с изучения этих условий.
Исследуя свойства грунтов, зарубежные специалисты установили, что способность грунта обеспечить передвижение той или иной машины не может быть оценена, двумя-тремя показателями (плотность, зависимость сопротивления от скорости и т. д.), т. е. так, как это делают для воды или воздуха в гидро- или аэродинамике. Поэтому и определение проезжаемости грунтов не может быть произведено примитивными приборами. Была сделана попытка оценить грунты комплексом из одиннадцати показателей, однако и этого количества не всегда было достаточно, не говоря уже о сложности измерения такого количества взаимосвязанных величин. Кроме того, нет никакой уверенности в том, что свойства грунта в момент взаимодействия его с движителем остаются такими же, какими они были при измерениях — практика подсказывает обратное. Тем не менее, привлекая материалы и методы смежных наук, все же удалось провести классификацию грунтов и накопить фактический материал по их проезжаемости. Исследования дали также довольно полную информацию о качественных показателях грунтов, необходимую при разработке и оценке новых конструктивных решений и эксплуатационных показателей созданных машин.
В наиболее общем виде можно сказать, что механика системы «грунт-машина» показала невозможность на современном техническом уровне создать вездеходную универсальную машину, годную для любых грунтов и дорог. Из-за существенных различий в свойствах грунтов машина, обладающая оптимальными показателями в одних условиях, не будет иметь их при работе в других. Стало очевидным, что в настоящее время для работы в каждой географической (грунтовой) зоне необходимо разрабатывать свой тип машины.
Вторым важным достижением механики системы «грунт-машина» следует считать разработку различных методов расчета эксплуатационных показателей проектируемых машин по их конструктивной характеристике. Это значительно упростило проведение исследований и сократило затраты времени на разработку новых конструктивных решений машин высокой проходимости.
Созданная механикой системы «грунт-машина» теоретическая база позволила проводить сравнительные исследования новых типов движителей — шнековых, на воздушной подушке, вибрационных, шагающих и других. Наряду с этим во многих странах идут широким фронтом поиски новых конструктивных решений по совершенствованию существующих типов движителей. В частности, не утихают дебаты о достоинствах и недостатках колесных и гусеничных движителей. При этом в качестве доводов обычно приводят результаты сравнительных испытаний. Однако результаты таких испытаний в части, касающейся системы «грунт-машина», нередко истолковываются чисто механически, что приводит к ошибочным выводам, при которых вместо разумных величин выдвигаются крайности. Сторонники колес или гусениц настойчиво доказывают свою правоту, не учитывая, что каждый из типов движителей подходит для своих, наиболее характерных для него условий. А такие условия должны быть определены на основе изучения взаимодействия движителя с грунтом.
Рассмотрим вкратце существующие за рубежом научные взгляды на этот счет. Полагают, что оценка эффективности движителя должна производиться в двух аспектах. Первый — внешний — относится к величине и форме поверхности контакта движителя с грунтом. Второй— внутренний — рассматривает движитель как механизм, преобразующий работу двигателя в работу передвижения машины. Он позволяет охарактеризовать внутренние потери, возникающие в процессе такого преобразования, т. е. коэффициент полезного действия движителя.
В чем состоят достоинства и недостатки колесного движителя? Если мы приподнимем краном автомобиль, то увидим, что на грунте остались отпечатки от его колес. Количество отпечатков, естественно, равно количеству колес, а площадь и форма каждого из отпечатков равны соответствующим показателям поверхности контакта колесного движителя с грунтом. Если сложить площадь всех отпечатков, то получится суммарная площадь контакта движителя автомобиля с грунтом. Чтобы сравнивать между собой автомобили различной величины, суммарную площадь контакта относят ко всей площади проекции автомобиля на горизонтальную плоскость и обозначают это отношение коэффициентом использования площади Кп. Само собой разумеется, что для движения по грунтам с низкой несущей способностью более пригоден тот автомобиль, у которого Кп больше.
Для зарубежных армейских автомобилей характерны следующие средние значения Кп: двухосные — 0,04; трехосные— 0,06; четырехосные — 0,10; четырехосные на пневмокатках — 0,17. Как видно, повышение значения коэффициента Кп достигается путем увеличения числа осей и ширины колес. Заметим, что эти данные во всех случаях учитывают возможность снижения давления воздуха в шинах и соответственное увеличение площади контакта шины с грунтом.
Колесо — один из самых старых типов движителя. Тем не менее работы по его совершенствованию не прекращаются и по сей день. Конечная цель многих из вносимых усовершенствований — увеличить площадь поверхности контакта движителя с грунтом. Самый простой путь — увеличение диаметра колеса. В США изготовлены и испытаны колесные снегоходы «Сноу Багги» и «Марш Багги» с колесами диаметром свыше 3 м. Не так давно появились сообщения о том, что в Канаде проектируется четырехколесная машина «Мамонт» с колесами диаметром свыше 17 м (с пятиэтажный дом). Очевидно, такие колеса сложны и в изготовлении, и в эксплуатации, но это — один из путей обеспечить возможность перевозки на колесах сколько-нибудь значительных грузов по бездорожью. Конечно, для движения в особых условиях отдельные образцы таких машин могут найти применение, однако не следует забывать, что для поворота колес большого диаметра необходимо значительное пространство внутри машины, что приводит к сужению рамы, уменьшению внутреннего объема корпуса, а следовательно, и к ухудшению плавучести, вызывает многие другие трудности.
Другой путь повышения коэффициента Кп — увеличение числа колес. Восьмиколесные армейские машины сейчас уже никого не удивляют, а сочлененные конструкции позволили в некоторых моделях увеличить количество колес до десяти. Однако для многоосных автомобилей высокой проходимости со всеми ведущими колесами потребовались очень сложные трансмиссии. Достаточно сказать, что для автомобиля 8×8 нужны, по крайней мере, три раздаточные коробки, 5–7 межосевых и меж-колесных дифференциалов, 12–16 редукторов и несколько десятков карданных валов. Все это значительно усложняет конструкцию, требует специальных дорогостоящих и не всегда эффективных мероприятий по обеспечению надежности, увеличивает трудоемкость технического обслуживания.