Проблема повышения проходимости — довольно популярная тема у «альтернатившиков», особенно когда дело касается бронеавтомобилей и арттягачей. Однако большинство слабо представляет, от чего она зависит и какие там есть взаимосвязи. На самом деле тема довольно сложная и объемная, поэтому расскажу лишь азы, да и то в сильно упрощенном виде.
Для начала введем несколько ключевых терминов.
Проходимость бывает геометрическая (профильная) и опорная. Геометрическая проходимость — это обеспечение условий, чтобы кузов и другие элементы конструкции не цеплялись за грунт при езде по всяким буеракам. Она определяется диаметром колес, клиренсом, базой, ходами подвески, длиной свесов и еще много чем. Мы сейчас этой темы касаться не будем.
Опорная проходимость — это способность движения по относительно ровной деформируемой поверхности (например, по глубокому снегу) без буксования. Именно о ней мы и поговорим, причем в качестве примера возьмем как раз движение по снежной целине (тем более это было одним из стандартных испытаний колесной и гусеничной техники в 30-х годах… впрочем, и в другие годы тоже).
Очень важным для опорной проходимости является сцепной вес — то есть вес, приходящийся на ведущие колеса или гусеницы. Для его повышения нужно всячески уменьшать несцепной вес, приходящийся на неведущие колеса и прицеп/орудие на крюке. Коэффициент сцепной массы — это отношение сцепной массы к фактической массе транспортного средства (для арттягача в фактическую массу входит и масса прицепленного орудия с передком или без него). Для полноприводной и гусеничной техники без прицепа этот коэффициент равен 1, для легкового автомобиля примерно 0,55, для обычного груженого грузовика — примерно 0,65, для грузовика 6х4 — до 0,75 (часто определяется требованиями управляемости — неведущую управляемую ось нельзя сильно разгружать, иначе в колее машина будет идти прямо даже при вывернутых колесах). Если мы цепляем орудие или прицеп, этот коэффициент сразу уменьшается, причем тем больше, чем меньше разница веса тягача и орудия.
Для примера рассмотрим полугусеничный арттягач ЗиС-42 с прицепленной 122-мм гаубицей М-30 (для которой он был штатным тягачом, наряду с СТЗ-5 и сельхозтракторами). Исходные данные: вес пустого тягача с водителем 5300 кг, вес груза в кузове 1500 кг, сцепной вес 5400 кг, вес орудия 2400 кг. Полный вес автопоезда получается 9200 кг, а коэффициент сцепной массы 0,59 — то есть даже меньше, чем у груженого ЗиС-5 без прицепа.
Коэффициент сцепной массы крайне важен при преодолении скользких подъемов, по сути это основной определяющий фактор (подробнее об этом поговорим во второй части). Но также важен коэффициент сцепления колес/гусениц с грунтом, на который сильно влияет наличие грунтозацепов, шпор, цепей противоскольжения и т. п.
Однако вернемся к нашей снежной целине. Чтобы машина двигалась вперед, сила тяги на ведущих колесах/гусеницах должна быть не меньше, чем сила сопротивления при образовании колеи. Чем глубже колея, тем больше вектор силы сопротивления отклоняется от вертикали и тем больше он будет препятствовать движению. При неглубокой колее он почти вертикален, и машина просто проминает снег своим весом. А если глубина снега выше середины переднего колеса? Тогда колесо просто упрется в него (вектор силы близок к горизонтали) и возникнет «бульдозерный эффект», когда снег проминается не вниз, а вперед, в конце концов образуя перед машиной плотную утрамбованную «стену», для преодоления которой силы тяги задних ведущих колес уже недостаточно. Более того, как только задние колеса начнут буксовать, они тут же прогрызают лунку в колее, снег в ней от нагрева растапливается и потом замерзает, в результате машина часто даже не может выбраться задним ходом по своей же колее.
Лучший способ борьбы с этой напастью — передние ведущие колеса (а это не только полноприводные, но и машины с задними управляемыми колесами). Вращаясь, они постоянно пытаются вскарабкаться наверх колеи, а не просто проминают снег вперед. А даже если забуксуют — начнут своими грунтозацепами «фрезеровать» колею вперед, тем самым не допуская ее уплотнения.
Итак, как было сказано, у нас есть два способа повышения проходимости — либо увеличивать силу тяги (увеличивая коэффициент сцепной массы и коэффициент сцепления с грунтом), либо снижать силу сопротивления (уменьшая ширину и глубину колеи). Поэтому остановимся подробнее на том, как происходит движение по колее.
Допустим, у нас трехосный автомобиль с одинарной ошиновкой (типа ЗиЛ-131). Обычно нагрузка по всем шинам распределяется равномерно, чтобы выжать максимум грузоподъемности. При движении по глубокому снегу передние колеса проминают и уплотняют снег, образуя колею. А вторая и третья оси идут по готовой колее практически без сопротивления, как лыжник по лыжне. В этом и состоит преимущество многоосных автомобилей (и гусеничной техники, где по сути физика та же самая, просто колеса контактируют с грунтом не напрямую, а через посредника-гусеницу).
Допустим, у нас есть две машины с одинаковыми колесами — первая двухосная, вторая 4-осная. Нагрузка на ось (в том числе первую, от которой и зависит глубина колеи) у них одинакова, значит и глубина колеи будет одинакова, и сила сопротивления при образовании колеи тоже одинакова. Однако вторая машина при той же нагрузке на ось будет вдвое тяжелее (а значит и вдвое грузоподъемнее в первом приближении). Если у нас обе машины полноприводные, то сила тяги по сцеплению с грунтом у второй машины тоже будет вдвое выше, что при равной силе сопротивления обеспечит намного лучшую проходимость (уточню, тут речь про абсолютные силы в ньютонах, а не о коэффициентах, где силы делятся на вес машины). Ну и мелкие радости — второй машине при вдвое большей грузоподъемности достаточно будет такого же по мощности мотора, как и первой, да и расход топлива будет равным. Понятно, что тут все несколько идеализировано, но общая идея понятна. Почему же массово не делают 4-осные машины при таком обилии преимуществ? Да просто трансмиссия получается очень сложная, приходится ставить кучу дифференциалов с механизмами блокировки. А преимущество от всего этого — лишь при прокладывании глубокой колеи, да и то только для первой машины в колонне (для остальных вообще без разницы, сколько осей, они едут по уже накатанной колее).
А от чего зависят размеры колеи? Ширина, очевидно, зависит от ширины шины или гусеницы. А глубина зависит от давления на грунт. Для колесных машин в первом приближении оно равно давлению в шине, а для гусеничных — от пикового давления на грунт (которое несколько больше удельного). При увеличении нагрузки при том же давлении шина сильнее «расплющивается» (причем в длину больше, чем в ширину), тем самым увеличивая пятно контакта. Если давление на грунт разное для разных осей, то и глубина колеи будет разная. Особенно интересна колея от орудия на крюке. Обычно там шины из губчатой резины, которые обеспечивают давление на грунт в районе 6-7 атм. (против 5,5 атм. у ЗиС-5 и 3 атм. у ГАЗ-АА). Таким образом, именно орудие дает самую глубокую колею, во многом сводя на нет усилия по снижению удельного давления на грунт у тягача. Еще важно, чтобы колея орудия не выходила за колею тягача, это резко увеличивает сопротивление движению. Посмотрим это наглядно на рисунке, где приведена дивизионная пушка в сцепке с разными тягачами. Колея показана серым цветом (чем темнее, тем глубже).
Какие можно сделать выводы из этого рисунка?
- Базовый ЗиС-5 дает широкую и глубокую колею, его не стоит пускать первым в колонне
- У ЗиС-6 ситуация не сильно лучше, некоторая недогрузка задней тележки частично нивелируется более глубокой колеей от передней оси и от орудия (кстати, у ЗиСа они не совпадают и перекрываются лишь частично)
- У ЗиС-42 без лыж на передней оси аналогично, выигрыш небольшой и вряд ли оправдывает сложный и тяжелый гусеничный ход.
- У ЗиС-42 с лыжами неплохая проходимость самого тягача, но орудие все равно его «топит». Да лыжи не везде можно надеть.
- Использование как арттягача машин на шасси Т-26 — плохая идея из-за слишком широкой колеи (кстати, для гаубицы она тоже будет излишне широка). В результате придется прокладывать две колеи вместо одной, причем орудие будет протаскиваться прямо по целине со всеми прелестями «бульдозерного эффекта». Кстати, аналогичная ситуация и с Т-27.
- Т-20 «Комсомолец» неплохо подходит на роль тягача дивизионных пушек (но не гаубиц!), совпадение колеи с орудием почти идеальное. По остальным характеристикам все тоже вполне достойно по сравнению с ЗиС-42 или СТЗ-5. Разве что своего кузова нет, придется еще грузовик гонять.
- Последним дан вариант с односкатной задней тележкой, это шасси ГАЗ-21 с некоторым перегрузом (по сути ГАЗ-ААА с односкатными мостами). Тоже видим, что это неплохой вариант, тем более у ГАЗа колея идеально совпадает с дивизионной пушкой. По сравнению с обычным ГАЗ-АА (где картина аналогична ЗиС-5) колея получается вдвое уже при той же глубине, что дает заметный выигрыш в проходимости, расходе топлива и средней скорости. В чем-то такой вариант даже препочтительней, чем ГАЗ-ААА, хотя и несколько теряет в грузоподъемности (зато выигрывает в удельной мощности, да и на демультипликаторе можно сэкономить).
При движении по снегу есть одна особенность — при давлении выше 0,1 атм глубина колеи уже мало зависит от давления (см. рис. из книги А. Антонова «Теория гусеничного движителя»).
Поэтому при оценке проходимости по снегу на «темноту серости» колей на рисунке внимания можно особо не обращать. Впрочем, данные достаточно противоречивые, достаточно вспомнить разного рода уширители и «зимние гусеницы», которые положительно сказывались на проходимости. Кстати, применение лыж на передних колесах автомобилей общее сопротивление движению не снижает, оно лишь препятствует появлению «бульдозерного эффекта» и несколько улучшает управляемость.
Проблему проходимости по мягкому грунту можно решить не только технически, но и тактически. Вместо повышения проходимости отдельных машин можно просто пустить впереди колонны машину-лидер, главная задача которой — не перевозка грузов или буксировка орудия, а прокладывание колеи для остальных машин. Это может быть как специализированная машина, так и обычный арттягач, только без орудия на крюке. В любом подразделении по штату есть резервные машины на случай поломок, так что даже не придется туда что-то добавлять. Достоинства такого решения очевидны — можно существенно упростить конструкцию ВСЕХ тягачей (скажем, использовать ЗиС-6 вместо ЗиС-42), повысить их грузоподъемность, снизить расход топлива, увеличить максимальную скорость по шоссе.
