Pneumokatcherzy to kontrowersyjna egzotyka techniczna
Półgąsienicowy NAMI S-4 z zawieszeniem pneumatycznym
Trudności związane z wysokimi zdolnościami przełajowymi
Sprawienie, by samochód radził sobie w terenie, to niezwykle złożone zadanie. Wiele osób próbowało już tego problemu w różnych miejscach, ale wciąż nie znaleziono uniwersalnego rozwiązania. Okazuje się, że najlepszym rozwiązaniem są autostrady, które eliminują samą ideę jazdy terenowej. W odległej, ale świetlanej przyszłości twarde nawierzchnie z pewnością pojawią się w najodleglejszych zakątkach świata, ale na razie musimy zadowolić się pojazdami o wysokich osiągach.
Historia Rozwój pojazdów terenowych obfituje w nietypowe, a nawet osobliwe projekty, jednym z nich był pneumatyczny napęd gąsienicowy. W Związku Radzieckim za tę dziedzinę, a także za wiele innych zdumiewających osiągnięć, odpowiadał instytut NAMI. W pierwszych dekadach powojennych rodzima inżynieria dosłownie pękała w szwach od rozwiązań technicznych. Projektanci poszukiwali uniwersalnego, niedrogiego i niezawodnego rozwiązania, które poradziłoby sobie z tradycyjnymi rosyjskimi warunkami terenowymi. Poduszkowce, przegubowe pojazdy gąsienicowe, pojazdy terenowe i wiele innych.
Jeśli wyobrazimy sobie problem zwiększenia zdolności terenowych poprzez ulepszenie układu napędowego, można go uprościć do próby zmniejszenia nacisku jednostkowego na podłoże. Można to osiągnąć na różne sposoby. Najbardziej radykalnym jest poduszkowiec. Nacisk na podłoże jest rzeczywiście minimalny, ale trudności w realizacji są wręcz oszałamiające. Inną opcją jest zwiększenie rozmiaru kół, zmniejszenie ciśnienia wewnętrznego i zwiększenie całkowitej liczby kół. To rozwiązanie sprawdza się dobrze, ale wymaga znacznego zwiększenia złożoności układu przeniesienia napędu, a co za tym idzie, kosztów. Zwiększenie szerokości kół jest uważane za tańsze.
Typowy pojazd eksperymentalny NAMI z kołami łukowymi
NAMI opracowało kiedyś całą serię pojazdów eksperymentalnych z oponami o szerokim profilu i łukowatym kształcie oraz pneumatycznymi rolkami. Niewiele z tych rozwiązań sprawdziło się w praktyce. Za granicą przeprowadzono eksperymenty z ogromnymi, trzymetrowymi cylindrami pneumatycznymi zamiast kół. Jeden z artykułów NAMI zawiera recenzję tego rozwiązania:
Pojazdy z takimi cylindrami, testowane na piasku, bagnach i dziewiczym śniegu, wykazały dobre osiągi w terenie dzięki zmniejszonemu naciskowi na podłoże. Jednak nawet przy dużej mocy silnika, ładowność takich pojazdów jest wyjątkowo niska ze względu na ich wysoką masę własną, znaczne straty mocy silnika w celu pokonania sił oporu bezwładności cylindrów pojazdu, straty histerezy i inne czynniki. Ponadto, zastosowanie tych cylindrów stwarza szereg wyzwań konstrukcyjnych.
Ostatecznie wszystko sprowadza się do tego, że stary i sprawdzony gąsienicowy układ napędowy jest uważany za najbardziej odpowiedni do jazdy w terenie. Podkreślamy, nie najlepszy, ale raczej akceptowalny. Gąsienice mają wiele wad: nieodwracalnie niszczą glebę na północnych szerokościach geograficznych, generują ogromny hałas na drodze, są dość ciężkie, mają ograniczoną żywotność i są podatne na poślizg podczas ostrych manewrów. Metalowe gąsienice powodują również nierównomierny ruch, co powoduje obciążenia dynamiczne w samym układzie napędowym i przekładni.
Inżynierowie opracowali wiele rozwiązań, aby zrekompensować wady gąsienic. Należały do nich gąsienice ogniwowe, gumowe gąsienice pasowe oraz gąsienice z gumowo-metalowymi zawiasami. W połowie lat 60. rosyjscy inżynierowie postanowili wypróbować inne rozwiązanie: gąsienicę pneumatyczną. Mówiąc najprościej, jest to gąsienica, którą można przebić szydłem.
Na początku swojej kariery „Tadpole” niemalże zyskał nadmuchiwane gąsienice. Na zdjęciu NAMI S-4.
Teoretycznie gąsienice pneumatyczne, czyli nadmuchiwane, oferują wszystkie zalety. Ten typ napędu jest stosunkowo prosty w produkcji i doskonale tłumi drgania rolek podwozia. Dzięki elastyczności gąsienic pneumatycznych powierzchnia styku z podłożem jest nieco większa niż w przypadku tradycyjnych gąsienic stalowych. Podczas jazdy pojazdu z gąsienicami pneumatycznymi po nierównym terenie zawieszenie rolek jest praktycznie nieskuteczne. Wynika to z amortyzującego działania gąsienic wypełnionych powietrzem. Twórcy NAMI twierdzili, że gąsienice pneumatyczne mają dłuższą żywotność niż ich stalowe odpowiedniki. Ponadto pojazd z gąsienicami nadmuchiwanymi wymaga mniejszej liczby rolek. Z artykułu naukowego na ten temat:
Jeżeli na przykład w przypadku szerokiej gąsienicy gumowej wymagany jest układ rolek czterorzędowych, aby zapewnić równomierny nacisk na podłoże i wyeliminować znaczne odkształcenia gięcia profilu, to w przypadku gąsienicy pneumatycznej można zastosować układ dwurzędowy.
Zalety gąsienic pneumatycznych na tym się nie kończą. Oferują one większą nośność, lepszą przyczepność w błocie i śniegu, łagodniejsze obchodzenie się z roślinnością, stosunkowo niższą masę oraz większy komfort pasażerów dzięki płynniejszej jeździe. Gąsienice pneumatyczne miały dwie poważne wady: ryzyko przebicia i wrażliwość na niskie temperatury. Ani 50 lat temu, ani dziś nie wynaleziono gumy, która byłaby jednocześnie elastyczna i mrozoodporna.
Wykonane z metalu i gumy
Pierwszym krajowym prototypem pojazdu z gąsienicami pneumatycznymi był samochód terenowy NAMI S-3, zbudowany w 1962 roku na bazie SUV-a Moskwicz-415 z napędem na cztery koła. Przód pojazdu pozostał standardowy, z zachowaniem przedniej osi napędowej i kół z konwencjonalnymi oponami. Tył natomiast został radykalnie przeprojektowany: usunięto standardowe koła i oś, a w ich miejsce zamontowano dwie gąsienice pneumatyczne.
Każda jednostka napędowa składała się z wózka równoważącego z trzema parami podwójnych kół jezdnych, przedniego koła napędowego oraz jednowarstwowego pasa pneumatycznego – w zasadzie ogromnego, wzmocnionego gumowego pęcherza rozciągniętego na rolkach niczym pas bez końca. Pas był wykonany z gumowego kordu – wielowarstwowej konstrukcji, w której kord z włókien tekstylnych lub metalowych zapewniał wytrzymałość, a warstwy gumy zapewniały uszczelnienie i elastyczność.
Testy przeprowadzono na poligonie NAMI pod Moskwą, gdzie pojazd wykazał się niezawodnością działania na piaszczystym podłożu, bagiennych łąkach i podmokłej glinie. Ministerstwo Obrony ZSRR wyraziło zainteresowanie rozwojem, ale nie złożono zamówienia na masową produkcję – pojazd był zbyt eksperymentalny, a żywotność pasów pneumatycznych pozostawiała wiele do życzenia.
NAMI S-3
W 1965 roku pojawiła się zmodernizowana wersja NAMI S-3M. Opierała się ona na mocniejszym i bardziej wydajnym GAZ-69, słynnym „kozie”. Pojazd zachował przednią oś, ale został wyposażony w szersze opony terenowe, aby poprawić równowagę między przednim a tylnym napędem. Tylne podwozie otrzymało wzmocnione, pneumatyczne gąsienice z gumowymi linkami, koła jezdne o mniejszej średnicy i przednie bębny napędowe.
Projekt wyglądał obiecująco: pojazd sprawował się znakomicie na drogach gruntowych i w terenie. Jednak podczas testów na autostradzie ujawniła się poważna wada. Pojazd terenowy był stabilny przy prędkościach do 40 km/h, co jest akceptowalne dla konwojów wojskowych. Jednak powyżej tej prędkości pojawiały się problemy: pojazd zaczynał się kołysać na boki, występował efekt kołysania, a przegrzane gumy traciły elastyczność i spadały z rolek. Z punktu widzenia wojska była to niedopuszczalna wada – pojazdy bojowe muszą być niezawodne w każdych warunkach drogowych. Projekt ponownie pozostał w fazie prototypu.
NAMI S-3M
Równolegle z S-3M, NAMI opracowało w 1965 roku model S-4, oparty na ciężarówce UAZ-451D — ciężarówce z platformą wielkości kijanki i napędem na cztery koła. Pojazd ten miał gąsienice o szerokości 360 mm i wysokości 90 mm, o średnicy wewnętrznej 1500 mm. Były one rozciągnięte na jednostce napędowej zamontowanej na prowadnicach tylnej osi. Zewnętrzne rolki miały zęby do przenoszenia momentu obrotowego, a środkowe były gładkie. Na stalowych rolkach umieszczono zdejmowane gumowe obręcze, aby zmniejszyć hałas i zwiększyć trwałość pasa pneumatycznego. Konstrukcja została później ulepszona: dla lepszej stabilizacji gąsienic dodano stalowe grzbiety prowadzące do konturu gąsienicy, zapobiegające przemieszczaniu się na boki. Podobnie jak inne prototypy, S-4 był pojedynczą jednostką i nie wszedł do produkcji.
NAMI-0106
Montaż gąsienic pneumatycznych na standardowym podwoziu samochodowym ujawnił fundamentalny problem: seryjny układ przeniesienia napędu i układ chłodzenia nie były zaprojektowane do zwiększonych obciążeń gąsienic, a konstrukcja półgąsienicowa uniemożliwiała pełne wykorzystanie potencjału gąsienic pneumatycznych. Aby przezwyciężyć te ograniczenia, w 1965 roku firma NAMI rozpoczęła prace nad zupełnie nowym prototypem – przegubowym pojazdem terenowym NAMI-0106.
Pojazd składał się z dwóch sekcji: przedniego ciągnika i tylnej przyczepy, połączonych przegubem Hooke'a o trzech stopniach swobody. Taka konstrukcja zapewniała doskonałą zwrotność – promień skrętu na śniegu wynosił zaledwie 5,5 metra. Spawany, metalowy kadłub był uszczelniony, co teoretycznie umożliwiało użytkowanie pojazdu na wodzie.
Jednostka napędowa znajdowała się za przednią częścią i składała się z silnika GAZ-21 Wołga sprzężonego ze sprzęgłem UAZ i czterobiegową skrzynią biegów, sprzężoną ze skrzynią rozdzielczą UAZ-452. Moment obrotowy był przenoszony poprzez wał napędowy i przegub sprzęgłowy na przekładnię główną tylnej części, która napędzała gąsienice pneumatyczne, zunifikowane ze śmigłem S-3M. Układ kierowniczy był realizowany za pomocą hydraulicznego napędu przegubu sprzęgłowego – wykorzystano siłownik hydrauliczny z ciężarówki Ural-375. Podczas jazdy ciągnikiem bez przyczepy, układ kierowniczy był realizowany za pomocą hamulców pokładowych z wielotarczowymi mechanizmami suchego tarcia, montowanymi w miejsce standardowych tulei półosi.
Testy NAMI-0106 przyniosły imponujące rezultaty. Dzięki niewielkiemu prześwitowi wynoszącemu zaledwie 220 mm pojazd pewnie pokonywał zaśnieżone wzniesienia o nachyleniu do 25 stopni, pokonywał głęboki śnieg i błotnisty teren. Latem 1969 roku przeprowadzono unikatowe testy na bagnach trzcinowych w Kraju Krasnodarskim, niedaleko wsi Grigorjewskaja, w warunkach przypominających dżunglę. Pojazd terenowy pewnie poruszał się po trzcinach dzięki niskiemu naciskowi na podłoże gąsienic pneumatycznych.
Jednak testy ujawniły również poważne problemy: na podmokłej gliniastej zaporze do gąsienic przywierało nawet trzy kilogramy błota – mieszanki mułu i czarnej ziemi – co drastycznie zwiększało opór. Nisko położone błotniki przyczyniały się do gromadzenia błota, a napęd cierny tracił swoją skuteczność, ponieważ muliste błoto działało jak smar. Kluczowym problemem była niewystarczająca sztywność boczna gąsienic: podczas ostrych zakrętów i przy dużych prędkościach gąsienice spadały z rolek, a podczas jazdy po miękkim podłożu wybrzuszały się, klinując powierzchnię nośną.
NAMI-SZMU
Aby rozwiązać te problemy, konstruktorzy pod kierownictwem doktora nauk inżynieryjnych W. M. Siemionowa przeprowadzili pionierskie badania nad przekrojem poprzecznym gąsienicy. Początkowo przyjęty kształt trapezowy uznano za niewystarczający. Najskuteczniejszym rozwiązaniem okazało się wykonanie gąsienic pneumatycznych składających się z kilku odizolowanych komór ułożonych równolegle. Każda komora miała własny zawór, umożliwiający zmianę ciśnienia, a tym samym zmieniający sztywność gąsienicy na całej szerokości styku. Na przykład, niższe ciśnienie w komorze środkowej i wyższe w komorach bocznych poprawiało przyczepność na miękkim podłożu, a prędkość maksymalna mogła sięgać 80 km/h.
Koncepcja ta stała się podstawą rozwoju nowej generacji wielokomorowych gąsienic pneumatycznych – przegubowych konstrukcji gąsienic, w których każdy element pneumatyczny został zrealizowany jako oddzielna gąsienica, połączona z sąsiednimi elementami w jeden łańcuch gąsienic. Właśnie taką konstrukcję zastosowano w pneumatycznym układzie napędowym gąsienicy prototypu NAMI-S3MU, zbudowanego w 1968 roku na podwoziu GAZ-69M.
Tor pneumatyczny składał się z gumowej osłony z zaworem, dwóch łap i dwóch metalowych sworzni wulkanizowanych w oczka do łączenia z sąsiednimi torami. Wymiary pojedynczego toru wynosiły: 80 mm wysokości, 300 mm szerokości i 196 mm długości. Napęd przenoszony był za pomocą sworzni sprzęgających, poprzez puste metalowe rolki umieszczone między dwoma rzędami łap na wózku równoważącym.
Pneumatyczny napęd gąsienicowy NAMI-SZMU-018. Jak widać, niewiele tu powietrza.
Co godne uwagi, konstruktorzy opracowali również oryginalny mechanizm napinania gąsienic. Tradycyjny mechanizm śrubowy, zapożyczony z konwencjonalnych gąsienic stalowych, okazał się niewygodny podczas częstego montażu i demontażu. Opuszczenie zewnętrznej rolki wymagało podniesienia pojazdu na znaczną wysokość. Sama konstrukcja oferowała rozwiązanie: wysoka elastyczność boczna gąsienicy pneumatycznej, która była wadą podczas jazdy, okazała się zaletą podczas montażu. Zewnętrzna rolka składała się teraz na bok jak drzwi, umożliwiając łatwy montaż i demontaż gąsienicy. To eleganckie rozwiązanie inżynieryjne na zawsze wyeliminowało trudności związane z konserwacją.
Początek końca
Rozwój tej dziedziny osiągnął szczyt w pierwszej połowie lat 1970. XX wieku, kiedy specjaliści NAMI wspólnie z konstruktorami z Gorkiej Fabryki Samochodów rozpoczęli tworzenie pełnowartościowych pneumatycznych gąsienicowych układów napędowych dla seryjnych transporterów gąsienicowych.
Na mocy umowy biznesowej z GAZ, w latach 1972–1973 zbudowano eksperymentalny prototyp z całkowicie nowym podwoziem, oparty na seryjnym skuterze śnieżnym GAZ-71. Dla tego prototypu opracowano bezprzegubową gąsienicę pneumatyczną, wykorzystującą długie, elastyczne gąsienice pneumatyczne, które łączyły zalety konstrukcji jednowarstwowych – równomierne i ciche przewijanie – z równomiernym rozkładem nacisku na podłoże. Gąsienice pneumatyczne zostały wyprodukowane w formach NAMI w Omskim Instytucie Badań Naukowych, Projektowania i Technologii (NIKTI) przemysłu oponiarskiego.
W pracach uczestniczyli czołowi specjaliści NAMI: A. A. Glinka, W. V. Morozow, M. D. Niemtinow, W. M. Siemionow, W. I. Sołowjow i D. G. Juruszkin, a także naukowcy z Moskiewskiego Państwowego Uniwersytetu Technicznego im. Baumana i Omskiej Fabryki Opon. Montaż gąsienicy pneumatycznej zlecili starszy inżynier P. N. Tichomirow i główny konstruktor N. G. Speransky, którzy jednocześnie nadzorowali montaż bezstopniowego układu kierowniczego, opracowanego przez siebie na tym samym prototypie. Prace prowadzono w ramach zamkniętego planu tematycznego, podkreślając jego znaczenie obronne.
Testy odbiorcze przeprowadzono w fabryce samochodów w Gorkim i dały one pozytywne wyniki: pneumatyczny układ gąsienicowy charakteryzował się znacznie większą zdolnością do jazdy w trudnym terenie niż gąsienice stalowe, a jednocześnie nie powodował praktycznie żadnych uszkodzeń roślinności ani górnych warstw gleby.
Jednak los programu został przypieczętowany czynnikami biurokratycznymi i organizacyjnymi. Kierownictwo NAMI, a zwłaszcza jego dyrektor, A. M. Chlebnikow, aktywnie lobbowało za negowaniem perspektyw pracy na gąsienicach pneumatycznych, argumentując, że są one niezgodne z motoryzacyjnym kierunkiem działalności instytutu. Na mocy zarządzenia Dyrekcji ds. Projektowania i Prac Doświadczalnych Ministerstwa Przemysłu Samochodowego, wszystkie prace zostały przeniesione z NAMI do Przemysłowego Laboratorium Badawczego Pojazdów Terenowych (IRLVM) w Instytucie Politechnicznym im. Gorkiego, którym wcześniej kierował S. W. Rukawisznikow. Kierownik programu W. M. Siemionow został przeniesiony do innego wydziału NAMI. Jeszcze wcześniej W. W. Morozow i W. I. Sołowjow zostali zmuszeni do rezygnacji, a D. G. Juruszkin przyjął stanowisko kierownicze w Ministerstwie Przemysłu Samochodowego.
W ten sposób zakończył się dwunastoletni okres badań nad pneumatycznymi napędami gąsienicowymi w NAMI. Temat nie został jednak całkowicie porzucony. W latach 1976-1978 ONILVM opracował i zbadał pneumatyczne napędy gąsienicowe do ciągników o klasie udźwigu 2-3 ton, a w 1980 roku Katedra Systemów Podwozi Wszechzwiązkowego Instytutu Mechanizacji Rolnictwa potwierdziła, że takie napędy zmniejszają efekt zagęszczania gleby. W 1991 roku docent N. B. Wesełow zorganizował Specjalistyczne Biuro Konstrukcyjne dla TTM, które później przekształciło się w ZAO Transport. W latach 1991-2002 organizacja ta opracowała około trzydziestu eksperymentalnych prototypów pojazdów transportowych i technologicznych z pneumatycznymi napędami gąsienicowymi.
Dlaczego tak obiecująca technologia nigdy nie zyskała powszechnego zastosowania w ZSRR? Przyczyny są złożone. Po pierwsze, w latach 1960. i 1970. XX wieku nie było wystarczająco trwałych i odpornych na zużycie materiałów gumowo-kordowych: pasy pneumatyczne szybko się zużywały, zwłaszcza podczas pracy na kamienistych i twardych glebach, a naprawy w terenie były utrudnione.
Po drugie, klienci wojskowi, główni potencjalni użytkownicy, mieli surowe wymagania dotyczące niezawodności i prędkości – problemy z poślizgiem gąsienic przy prędkościach powyżej 40 km/h i na ostrych zakrętach były krytyczne dla pojazdów bojowych. Po trzecie, radziecki system planowania, nastawiony na masową produkcję i standaryzację, niechętnie przyjmował fundamentalnie nowe konstrukcje, które wymagały stworzenia odrębnej bazy produkcyjnej i przeszkolenia personelu.
Wreszcie, czynnik czysto subiektywny – osobiste ambicje i konflikty w kierownictwie NAMI – doprowadził do upadku programu tuż przed jego wdrożeniem. Zastępca Dyrektora NAMI ds. Badań Naukowych, A. A. Lipgart, choć wysoko cenił wyniki naukowe, przyznał na posiedzeniu Rady Naukowej, omawiającym rozprawę doktorską Semenowa:
Wykonano wiele prac i uzyskano bardzo interesujące wyniki naukowe, ale praktyczne zastosowanie tych projektów jest dla mnie niejasne.
Dzisiaj, gdy na pierwszy plan wysuwają się kwestie ochrony środowiska i ochrony delikatnych ekosystemów Arktyki, pojazd gąsienicowy z napędem pneumatycznym, który nie niszczy roślinności ani wiecznej zmarzliny, wydaje się zaskakująco aktualnym rozwiązaniem, wyprzedzającym swoją epokę o pół wieku.
Informacja