О переломанных ШРУСах, HMMWV, проектировании автомобилей и нашей бездумной эпохе. Опции

[Lew]

Автору думалось, что эта статья будет подарком Клубу любителей Хаммеров. И даже были выложены на форуме клуба первые 2 части. Однако, хаммероклубни не проявили к статье особого интереса, ибо технические аспекты на них нагоняют жуткую зевоту, и вообще (вынужден признать, хоть это и не удобно) тамошнее народонаселение с трудом осиливает текст, состоящий из более чем двух абзацев, особенно если их не разделяет фотография.
Но не выкидывать же из-за этого статью на помойку, как вы считаете?
Поэтому решил я ее разместить на нескольких форумах любителей полноприводной техники, авось кому и сгодится.
Автор








«…В нашей стране как производство, так и эксплуатация автомобилей находятся в руках государства, поэтому для нас, в отличие от практики капиталистических стран целесообразно изготовлять автомобили более надежными, обеспечивая более длительный срок службы отдельных их деталей. Происходящее при этом удорожание автомобилей окупается экономией при эксплуатации…»
Автомобильная промышленность. №11, 1947 г.

«…Надежность автомобиля зависит от фактических нагрузок, действующих на него во время эксплуатации. Автомобиль является наиболее сложным объектом в отношении определения нагрузочного режима. Условия эксплуатации автомобиля чрезвычайно разнообразны и непостоянны во времени. Переменные факторы сочетаются различным образом: значения и характер распределения напряжений в деталях изменяются в широких пределах…»
П.П. Лукин, Г.А. Гаспарянц, В.Ф. Родионов. Конструирование и расчет автомобиля. Машиностроение, 1984.


О переломанных ШРУСах, HMMWV, проектировании автомобилей и нашей бездумной эпохе.







Тема с переломанными ШРУСами на Хаммерах сильно потрясла мою неустойчивую психику, вызвала в голове поток суматошных мыслей, и чтобы их не потерять, я решил все записать. В итоге вышло следующее.

Часть 1.

А шо такэ е ШРУС?

Карданный шарнир равных скоростей (ШРУС), несмотря на свой мелкий размер и невзрачный внешний вид, есть самый важный узел полноприводного автомобиля, это знают даже дети.
А зачем вообще нужны эти дурацкие ШРУСЫ (от которых одни проблемы), неужели нельзя как-то обойтись без них, все ж ХХI век на дворе, разгул нанотехнологий?
Рады бы, но пока никак не удается.
Представьте себе классический внедорожник с задним мостом в виде цельной балки. Вращение от его раздаточной коробки к картеру заднего моста передается длинным валом, именуемым «карданный». Выходной вал раздаточной коробки (РК) и хвостовик ведущей шестерни главной передачи моста обычно не соосны. Кроме того, задний мост вдобавок может изменять свое положение относительно раздаточной коробки, так как он соединен с рамой через подвеску и при ее сжатии или отбое приближается к раме или удаляется от нее, из-за чего расстояние между РК и картером моста во время движения изменяется. И если усилие между этими двумя агрегатами будет передаваться жестким валом, то он начнет гнуться и в итоге поломается. Чтобы этого избежать, в трансмиссию вводится специальный приводной механизм, называющийся «карданная передача», который допускает передачу усилия между валами, находящимися один по отношению к другому под переменным углом. Он состоит из вала, называемого «карданный вал», и механизма, называемого «кардан», который позволяет изменять угол передачи усилия от карданного вала (или прилагаемого к нему) в определенных пределах.
Термин «кардан» произошел от фамилии итальянца Д. Кордано, человека необычайно одаренного. Он был одновременно врачом и математиком, а в свободное время увлекался механикой и сконструировал подобный механизм более 450 лет назад. Во второй половине ХХ века кардан стал все чаще именоваться «карданный шарнир», а иногда для краткости его называют шарниром.
Обычный карданный шарнир неравных скоростей, в обиходе именуемый «крестовина», имеет существенный недостаток. При передаче усилия от одного вала к другому он не может обеспечить постоянное передаточное число, и чем больше угол, под которым работают валы, тем больше будет разность их угловых скоростей (неравномерное вращение). Чтобы этого избежать, применяют узел, состоящий из одного длинного вала, на концах которого установлены два шарнира неравных скоростей. В этом случае изменение скорости вращения первым шарниром компенсируется его последующим выравниванием вторым шарниром, в итоге изменение относительного положения моста и РК при переезде неровностей не влияет на синхронность угловых скоростей выходного вала РК и ведущей шестерни ГП.
Еще сложнее условия работы карданного вала, передающего усилие от дифференциала переднего моста к колесам. Дело в том, что шарнир неравных скоростей не может обеспечить угол между соединяемыми валами более 15…20 гр., и его применение в переднем приводе не позволяет задать приемлемый радиус поворота автомобиля, что ухудшает его маневренность. Поэтому в данном случае применяются карданные валы с шарнирами равных угловых скоростей, или как их еще называют – «синхронные». Синхронный шарнир при передаче усилия от одного вала к другому не вызывает неравномерное вращение и обеспечивает синхронность (равенство) их угловых скоростей, от этого и возникло его название. В отличие от асинхронного шарнира он может обеспечить максимальный угол между соединяемыми валами 32…45 гр., что позволяет получить большой угол поворота управляемых колес.
Первые синхронные шарниры (карданы) изобрел конструктор Карл Вейсс. В 1923 году он разработал и запатентовал шарнир, в котором имелись 5 шариков, один из которых располагался по центру, а усилие от ведущей части к ведомой передавалось посредством двух шариков. Впоследствии этот механизм получил название «шарнир Вейсса». Позже патент перекупила американская фирма «Бендикс», после чего он стал именоваться «Бендикс-Вейсс».
В 1927 году американский инженер Альфред Рцеппа запатентовал синхронный шарнир иной конструкции, в котором крутящий момент передавался шестью шариками. В 1936 году он усовершенствовал свое изобретение и оформил новый патент. Впоследствии этот механизм получил название «шариковый шарнир с делительным рычажком» или «шарнир Рцеппа». Он был более компактен, чем шарнир Вейсса, и более долговечен, поскольку усилие от ведущей части к ведомой передавали все 6 шариков.
Другой тип синхронного шарнира в середине 20-х годов прошлого века изобрел и запатентовал француз Ж.А. Грегуар. В 1925 году он разработал автомобиль «Тракта», и ввел в его силовой привод синхронный шарнир, в котором усилие от ведущей части к ведомой передавалось с помощью кулачков. Но Грегуар был менее удачлив, чем другие изобретатели, и сконструированный им механизм закрепился в истории не под его фамилией, а под маркой автомобиля - «кулачковый шарнир (кардан) Тракта».
После II мировой войны конструкция шариковых шарниров Рцеппа была усовершенствована, от делительного рычажка отказались, и в итоге родились на свет новые механизмы, получившие названия от наименования фирм-производителей: «Бирфильд», «Лебро», «ГКН», «Трипод». По принципиальному устройству они одинаковы, но отличаются некоторыми конструктивными особенностями.
Шарниры «Бирфильд» используются в основном в приводе передних колес легковых автомобилей, «Бендикс-Вейс» в грузовых, а шарниры «Тракта» - в приводе передних колес машин большой грузоподъемности, поскольку они способны передавать высокий крутящий момент, но при этом имеют худший, чем шарниры «Бирфильд» и «Бендикс-Вейсс» КПД и меньшую максимально допустимую угловую скорость, а также склонны к перегреву.
Иногда в переднем силовом приводе применяли карданную передачу с тремя шарнирами: двумя несинхронными и один синхронным, и совсем редко использовали механизм, состоящий из сдвоенных шарниров неравных скоростей.
Необходимо помнить, что шарниры не любят передавать нагрузку, работая под большими углами. В этом случае ухудшаются условия их работы, возникает ускоренный износ и наиболее вероятен риск поломки механизма по причине неточности в изготовлении. Поэтому не следует резко ускоряться с места с повернутыми на большой угол колесами, или поворачивать их до ограничителя при движении на тяжелом бездорожье: по песку или плотному снегу.
Отсутствие собственного производства синхронных шарниров привело к тому, что до Великой отечественной войны в СССР производство полноприводных автомобилей так и не состоялось. Вместо них долго пытались наладить выпуск полугусеничных автомобилей, представляющих собой этакую полумашину-полутрактор. Для постройки такого автомобиля брали серийный грузовик, и устанавливали сзади пару гусеничных движителей. Привод движителей был различных конструкций, но общей особенностью являлась передача крутящего момента от ведущих пневматических колес или колес с обрезиненной внешней поверхностью (барабанов) к резинотканевой (резинометаллической) гусенице, натянутой на эти колеса, посредством силы трения между шиной колеса и резиновой лентой гусеницы.
Управлялся такой автомобиль с помощью передних колес, и надо заметить, что управлялся он отвратительно. А зимой передние колеса ставили на лыжи, в итоге выходил здоровый грузовой снегоход. Эта полугусеничная эпопея закончилась тем, что во время советско-финской войны неожиданно обнаружилось, что полугусеничные автомобили передвигаться по снежной целине не в состоянии. К тому же движители машин создавали повышенные нагрузки на силовой привод стандартного автомобиля, что вызывало постоянные поломки полуосей, дифференциалов, карданных валов, коробок передач, да и моторам здоровья не прибавляло. Гусеничные ленты особой надежностью тоже не отличались, быстро вытягивались, а потом рвались. Попытались заменить резиновые ленты металлическими гусеницами, но вышло еще хуже.



Только перед самой войной удалось купить в Америке производственное оборудование и технологию для изготовления синхронных шарниров «Бендикс-Вейсс», что позволило Горьковскому автозаводу в начале войны наладить выпуск первого советского джипа ГАЗ-64. Примечательно, что наши поставили его на производство раньше, чем американцы свой Бантам-Виллис.
А вот наладить производство грузовых полноприводных автомобилей не успели.
Немцы тоже не сумели наладить выпуск синхронных шарниров, и им пришлось использовать сдвоенные несинхронные. Но такие шарниры не могут работать под большим углом, и хитрые немцы для улучшения поворотливости машин типа 4х4 выдумали делать управляемыми колеса двух осей – при повороте руля передние колеса поворачивали в одну сторону, а задние в другую, что существенно снижало радиус поворота машины.


Образец немецкой инженерной школы: шасси легкого типового автомобиля с постоянным полным приводом и независимой подвеской всех колес.
Рулевое управление воздействует на обе оси.

Но такое техническое решение сильно ухудшило устойчивость при движении по кривой малого радиуса, машины с такой формулой рулевого управления склонны к опрокидыванию. Пришлось придумывать дополнительный механизм, который на высокой скорости блокировал задние колеса и не допускал их поворота.





Часть 2.

Ну, - за HMMWV!

Что же касается проблем с данным узлом на Хаммерах, могу заметить следующее.
Мое хобби – изучение истории конструктивных решений, применяемых при проектировании автомобилей. Меня весьма занимают вопросы о том, кто первый придумал то или иное устройство, когда, при каких обстоятельствах, с какой целью, и как разработанный механизм потом совершенствовался и на каких машинах применялся. Приходилось изучать этапы проектирования многих автомобилей. Иногда некоторые истории, показавшиеся мне любопытными, я излагаю в виде научно-технических статей. Словом, есть что рассказать.
Бывают две основные первопричины создания нового полноприводного автомобиля:
1. Разработка по государственному заказу.
2. Разработка для широкого потребления (смена модельного ряда или введение в него машины нового класса).
Наиболее заманчив госзаказ. Фирма, выигравшая тендер на поставку государству полноприводных автомобилей, имеет точно рассчитанное будущее. Она знает, что все выпущенные машины непременно купят, ей не надо тратиться на маркетинг, она может спланировать свою безбедную жизнь на долгие годы вперед, а самое главное – заранее получит приличные денежные средства в качестве государственного кредита, иногда беспроцентного. Вот отчего во всех странах фирмы так отчаянно бьются за госзаказ.
Пример.
В 1971 году американская корпорация «АМ Дженерал», основанная в смешной день 1 апреля 1971 года, которая до этого никогда не занималась конструированием военных машин, а лишь осуществляла их стандартизацию и сборку, взяла и по непонятным причинам приобрела у фирмы «FMC» лицензию на разработанный ею боевой автомобиль поддержки, предназначенный для участия в тендере, проводимом американским военным ведомством. На его базе инженеры «АМ Дженерал» спроектировали и построили заднемоторный бронированный автомобиль с независимой подвеской колес. Первый блин вышел комом - машина оказалась слишком тяжелой и имела отвратительную управляемость.
Но по-видимому, у кого-то из боссов «АМ Дженерал» была в Пентагоне или в правительстве США неплохая волосатая лапа, ибо как еще можно понять последовавшие затем необъяснимые сказочные события. В 1979 году эта фирма разработала второй прототип, тоже оказавшийся неудачным.


Второй прототип.

Тем не менее, несмотря на явную неспособность придумать что-то толковое, в 1981 году она получила от военных очередное техническое задание на разработку многоцелевого высокомобильного колесного транспортного средства грузоподъемностью 1,25 тонн.
На этот раз звезды сошлись как надо (по-видимому, пригласили сторонних инженеров), «АМ Дженерал» не подкачала и к апрелю 1982 года выкатила опытный образец, получивший индекс «ХМ998».


Последний вариант «ХМ998» 1982 г.

И уже к марту 1983 года толком не испытанный автомобиль был безоговорочно принят в армию под индексом «М998», а фирма «АМ Дженерал» получила сладкий контракт на изготовление 55 000 таких автомобилей на общую сумму (держитесь крепче) 1,2 миллиарда долларов.
Но только вот беда, делать то автомобили было не на чем, производственные площади «АМ Дженерал» были заняты сборкой военных грузовых машин, а оборотных средств - кот наплакал. И тут на помощь весьма удачливой фирме приходит (кто бы вы думали?) могущественный Сенат США и осыпает ее золотым дождем в виде многомиллионного кредита. А чтобы «АМ Дженерал» ни в чем себе не отказывала и быстро наладила производство новой американской легенды, ей подарили бывший автобусный завод в Мишэуоке (штат Индиана), где и состоялась закладка нового автопредприятия. Верно говорят американские люди – не имей сто баксов, а имей волосатую лапу в Сенате.
После этого учредителям «АМ Дженерал» оставалось лишь загребать деньжищи лопатой, они даже не стали морочить своим инженерам голову с разработкой оригинальных агрегатов, и предпочли озадачить этими проблемами своих контрагентов. Например, мотор для новой машины собирала фирма «Детройт Дизель», 3-ступенчатую АКПП и раздатку делала фирма «Нью Процесс», рулевой механизм изготовляла фирма «Сагино» и т.д.
Машина выполнялась в различных вариантах и выпускалась под кучей индексов: М996; М997; М998; М1025; М1037; М1038; М1043; М1044; М1045; М1046; М1069; М1097; М1113 и еще к ней шел типовой одноосный прицеп М116А2.
Первая литера в индексе «М» происходила от слова «милитари», т.е. военный. Так уж повелось в америкосии, что индексы всех армейских машин начинаются литерой «М», а опытно-экспериментальные военные автомобили обозначаются «ХМ».
Для удобства все вышеперечисленные варианты исполнения машины объединили под единой аббревиатурой HMMWV, выведенной из пяти слов, которые в переводе на человеческий язык означают «высокомобильное многоцелевое колесное средство передвижения». Планировалось, что эта машина заменит большую группу автомобилей различного размера и грузоподъемности, состоявших в американской армии: М151; М274; М715; М561; М880. Но впоследствии эти планы не сбылись, не заменила, правда из армии их сгоряча списали, пришлось потом покупать новые.
В 1992 году хитрая фирма «АМ Дженерал» выпустила в свет «гражданскую» версию боевой машины, обозначенную «Н-1», которой намеренно придали внешнее сходство с военным HMMWV, и заодно запатентовала новую марку «Хаммер». А чтобы малышу легче шагалось по жизни, маркетологи фирмы придумали для него красивый рекламный слоган: «высокая универсальность, максимальная мобильность, легкое управление», ну и все такое прочее.
Так родился первый хомяк.
А в начале 2000 года «АМ Дженерал» удачно спихнула свой вяло продающийся шедевр за хорошие деньги фирме «Дженерал Моторс», которая вскоре от его выпуска отказалась, но зато наладила производство приблизительно схожих по внешности Н2 и Н3, в которых оригинальными были наверное лишь рамы, да кузова, а остальные агрегаты использовались от различных моделей машин этого мощного автомобильного концерна. Ну и как обычно, все делалось в большой спешке и проектируемые машины толком никто не испытывал.
Чтобы не было путаницы, с 2002 года военным хаммерам присвоили новую аббревиатуру HUMVEE, по-русски «Хамви». Впрочем, HMMWV тоже звучит «Хамви», поэтому военные от этой перемены ничего не приобрели, но зато и ничего не потеряли. Словом, они остались довольны.




Часть 3.

О нелегкой доле конструкторов.


Но не всем так сказочно везет.
После окончания войны в СССР наконец то решили наладить серийный выпуск грузовых и легковых полноприводных автомобилей. В руках советских инженеров тех лет оказались лучшие образцы новейшей колесной техники повышенной проходимости. Автомобили, выпущенные в США, поступили по ленд-лизу, а сконструированные в Германии и Франции достались в виде трофеев. Также из Германии наши вывезли подчистую все производственное оборудование и станки, какие только смогли найти. Правда, работать на них тогда еще никто толком не умел.
Принялись чесать затылок, думая, какие же машины стоит копировать. Решили разделить проектируемые автомобили в зависимости от их грузоподъемности (массы перевозимого груза) на три класса: «а» особо малой грузоподъемности – 0,75 т; «б» малой – до 2,5 т; «в» средней – от 2,5 до 5,0 т.
Образом для заимствования агрегатных и компоновочных решений при разработке машины средней грузоподъемности советские конструкторы избрали типовой американский армейский автомобиль II мировой войны «GMC CCKW». Эта модель в упрощенном варианте выпускалась фирмой «Студебекер» и поставлялась в СССР по ленд-лизу как в виде готовых машин, так и в виде машинокомплектов для последующей сборки на советских заводах. Он стал самым массовым грузовиком Красной Армии на Отечественной войне, за период с 1942-45 г. в войска поступили около 115 000 машин. Студебекер был достаточно простой и надежной машиной, имеющей неплохие эксплуатационные свойства, и наши военные шоферы его очень любили.


«Студебеккер «US6.U3»

Форму кабины для своего детища инженеры подсмотрели у грузовиков фирмы «Додж», также поступающих в нашу страну по ленд-лизу.


«Додж»
К сожалению, отечественный автомобиль, которому присвоили индеек ЗИС-151, оказался намного хуже своего образца.




Дело в том, что конструкторы решили уйти от прямого копирования, и сделать машину больше, чем US6.U3. Они увеличили колесную базу на 110 мм и сделали опытный образец на полтора метра длиннее образца, в результате советский автомобиль стал почти на тонну тяжелей своего прототипа US6.U3 (при одинаковой грузоподъемности), поэтому по проходимости значительно уступал заокеанскому собрату. Дело усугубилось тем, что советские инженеры, слепо веря в безошибочность американской конструкторской школы, допустили крупный просчет - сделали колеса задних мостов с двухскатной ошиновкой. Такое решение для автомобиля повышенной проходимости неприемлемо.
Еще в 1946 году ведущий инженер НАМИ Н.И. Коротоношко, который всю свою жизнь посвятил разработке машин высокой проходимости, взял Сткдебекер и заменил его стандартные шины с шириной профиля 7,5 дюйма на шины шириной 9,75 дюйма, причем расположил их в один ряд, получив в итоге равную колею всех ведущих мостов. При одновременной эксплуатации опытного автомобиля и стандартного Студебекера с двойной ошиновкой мостов задней тележки оказалось, что средняя скорость первого в два раза превышала среднюю скорость Студебекера при двойном уменьшении расхода топлива. А это свидетельствовало о существенном превосходстве опытного автомобиля по проходимости и наглядно показывало, что автомобиль данного типа должен быть оснащен большими широкопрофильными шинами, расположенными в один ряд.
Общеизвестно, что на бездорожье при двойном заднем скате след от передних колес больше вредит, чем помогает движению, так как задним колесам приходится разрушать уплотненные края колеи, образующейся от прохода передних колес. Из-за этого увеличивается сила сопротивления качению, для преодоления которой требуется подведение к колесам дополнительного крутящего момента, что не всегда возможно из-за их низкой силы сцепления с грунтом. Кроме того, чем больший момент подводится к ведущим колесам на слабых грунтах, тем больше глубина колеи, образующаяся при их работе, и как итог машина вязнет, садится на мосты и двигаться уже не может. По этой причине при конструировании полноприводных автомобилей применяют одинарные широкопрофильные колеса при одинаковой ширине колеи всех ведущих мостов.
Именно так и вышло с ЗИС-151 – на бездорожье машина быстро садилась на мосты, и иногда для улучшения проходимости шоферы были вынуждены снимать с задних мостов по одному скату. А тут еще маломощный мотор при работе на бездорожье часто перегревался, требуя остановки автомобиля, что на слабом грунте не всегда возможно из-за опасности его застревания при последующем строгании с места. В итоге в 1958 году всем на радость выпуск машины был свернут, а сменивший ее ЗИЛ-151 получил односкатную ошиновку и новые широкопрофильные шины 12.00-18 с системой централизованного регулирования давления воздуха в них.
При проектировании автомобиля класса «б» советские конструкторы решили принять за основу технические решения, реализованные в немецких машинах Мерседес и Опель Блиц с колесной формулой 4х4 грузоподъемностью 3т.


«Мерседес-Бенц» L3000 A весом 4020 кг имел колесную базу 3800 мм, грузоподъемность 3000 кг
на шоссе и 2600 кг на бездорожье.


Инженеры ушли от прямого копирования и заимствовали лишь компоновочные и агрегатные решения, кабину взяли у Студебекера, а крылья выполнили «в стиле» Мерседеса. Для облегчения машины они уменьшили колесную базу до 3300 мм, в результате длина проектируемого автомобиля тоже уменьшилась, и его вес составил 3200 кг, соответственно и грузоподъемность снизилась до 2 т при движении по шоссе и 1,5 т на грунтах, что и требовалось по техническому заданию.
Заодно советские инженеры исправили просчет своих немецких коллег, и сделали колеса заднего моста односкатными. А для улучшения профильной проходимости спроектировали угол свеса кабины (угол въезда) 48 гр., угол заднего свеса –32 гр. Кроме того, они учли особенности эксплуатации машин в нашей стране и увеличили дорожный просвет под картерами мостов до 270 мм (у Мерседеса он составлял 225 мм) и использовали шины с широким профилем.
Автомобиль, получивший индекс ГАЗ-63, вышел удачливым, по проходимости существенно превосходил немецкие грузовики и в итоге выпускался 20 лет. А его ведущий конструктор П.И. Музюкин был отмечен Сталинской премией.


ГАЗ-63

ЗИС-151 и ГАЗ-63 начали производить в СССР с 1948 года, а вот выпуск автомобиля особо малой грузоподъемности сильно запоздал и состоялся лишь в 1953 году.
Ведущим конструктором машины был Г.М. Вассерман, который в 1943 году разрабатывал второй советский джип ГАЗ-67. Новый небольшой легковой автомобиль повышенной проходимости должен был решить две основные задачи: обеспечить грузоперевозки в сельской местности, где с дорогами была полная беда, а также стать новым советским джипом – легким связным разведывательным автомобилем и транспортным средством для младшего командного состава. Это и определило конструкцию его кузова.
Автомобиль, получивший индекс ГАЗ-69, выпускался в двух вариантах:
«ГАЗ-69», грузопассажирский с двухдверным кузовом и легкосъемным тканевым тентом, где спереди были установлены два раздельных сидения, а сзади параллельно вдоль бортов расположены еще два полумягких сидения со спинками, на каждом из которых могли разместиться по три пассажира, в итоге автомобиль получился восьмиместным. А при необходимости задние сидения поднимались к бортам, освобождая площадку для груза весом до 500 кг, при этом спереди ехали шофер и пассажир. Для удобства задний борт был выполнен откидным;
«ГАЗ-69А», пассажирский, с четырехдверным кузовом «фаэтон», где спереди также были установлены два раздельных сидения, а сзади поперек кузова располагалось сидение для трех человек. У этой модели тент был укреплен на сдвижном каркасе, и в сложенном состоянии располагался за задним сидением на багажнике.



С целью увеличения грузовых возможностей машины для нее был специально сконструирован типовой прицеп ГАЗ-704 весом 340 кг, в котором можно было перевозить груз до 500 кг. В результате за один рейс шофер мог доставить груз общим весом 1000 кг.



Автомобиль проектировался в тяжелое послевоенное время, поэтому конструкторам пришлось в буквальном смысле лепить его из того, что было под рукой. Оригинальными сделали лишь кузова, рамы, да раздаточные коробки. Все остальные узлы и детали использовали от грузовых и легковых машин Горьковского автозавода, иногда с небольшой переделкой. Опытные образцы ГАЗ-69 перед постановкой на производство испытывали 4 года. Казалось бы, что за это время должны были выявиться все недостатки в конструкции, которые нужно исправить перед производством машины. И вроде бы все устранили инженеры, ан нет.
При эксплуатации серийных автомобилей обнаружился конструктивный просчет. Инженеры применили в ведущих мостах ГАЗ-69 дифференциал с двумя сателлитами от более тяжелой автомашины ЗИМ. Логично предположить, что этот механизм, надежно работающий на тяжелой машине, при установке на автомобиль, весивший на полтонны меньше, будет испытывать более низкие нагрузки по предельному крутящему моменту, следовательно, будет еще более надежен. Но логика не всегда хороший советчик, конструкторы упустили из вида разный характер приложения нагрузок к механизмам силовой передачи автомобиля, эксплуатирующегося на шоссе, и автомобиля, работающего на бездорожье.
Если у первого детали силового привода должны обладать статической прочностью, т.е. способностью сопротивляться разрушению под действием кратковременных максимальных нагрузок, то у второго они должны рассчитываться на усталостную прочность, т.е. способностью детали сопротивляться разрушению под влиянием многократно повторяющихся нагрузок. На шоссе, в условиях хорошего сцепления колес с дорогой, детали силового привода испытывают высокие нагрузки лишь при быстром разгоне автомобиля. При установившемся движении нагрузка не велика, поскольку невелика суммарная составляющая сил сопротивления движению.
Обычно конструкторы рассчитывают максимальный крутящий момент, который может быть приложен к детали силового привода, исходя из части от общего веса машины, приходящегося на ведущее колесо при максимально возможном коэффициенте сцепления, принимаемом равным 0,8.
Например, если на ведущее колесо приходится вес 500 кг, а его радиус равен 0,39 м, то максимальный крутящий момент, приложенный к полуоси, составит около 500 х 0,8 х 0,39 = 195 кГм. Следовательно, дифференциал будет передавать максимальный крутящий момент порядка 400 кГм. Тут еще необходимо принять небольшую поправку по моменту с учетом силы инерции колеса, и можно приступать к проектированию полуоси, зная требования к ее прочности. Излишний запас по моменту не помешает, но может повлечь увеличение массы проектируемой детали и ее стоимости. Поэтому конструкторы обычно лишнее не закладывают, разумно полагая, что при пробеговых испытаниях опытного образца автомобиля отказавшую по прочности деталь можно всегда доработать, на то они и испытания.
При работе полноприводной машины на тяжелом бездорожье - песке, слежавшемся снеге, суглинках, максимальная нагрузка на детали силового привода не так велика, как при быстром разгоне на шоссе, поскольку на грунтах коэффициент сцепления шин не превышает значения 0,6, следовательно, на бездорожье к деталям будет приложен максимальный крутящий момент ниже, чем на шоссе. Но необходимо учитывать, что на переломах рельефа местности из-за изменения положения центра тяжести на колесо может прийтись вес гораздо больший, чем на горизонтальной поверхности, а это при заблокированном межколесном дифференциале может способствовать приложению к полуоси колеса большого крутящего момента.
И еще следует учитывать, что силовой привод автомобиля, эксплуатирующегося на бездорожье, испытывает существенные переменные нагрузки, вызванные неравномерностью величины крутящего момента вследствие неравномерного движения в условиях хаотичного изменения сил сцепления ведущих колес с грунтом и сил сопротивления движению. А переменные нагрузки снижают усталостную прочность деталей и в итоге вызывают их разрушение.
Кроме того, при движении машины с механической коробкой передач в условиях бездорожья в силовом приводе возникают сильные пиковые нагрузки, носящие колебательный характер, обусловленные либо пробуксовкой ведущих колес, либо пробуксовкой сцепления во время перехода с высших передач на низшие. И эти нагрузки хоть и кратковременны и длятся секунды, но по величине иногда превышают расчетный крутящий момент, определяемый на этапе проектирования по силе сцепления колеса с асфальтом.
Поэтому при проектировании автомобилей, предназначенных для длительной эксплуатации на тяжелом бездорожье, следует особенно тщательно испытывать их механизмы на усталостную прочность, и подходить с большой осторожностью к использованию в их силовом приводе деталей от обычных дорожных автомобилей, даже имеющих большую массу, чем проектируемый автомобиль. И многие инженеры, забыв это важное правило, либо не имея опыта разработки автомобилей повышенной проходимости, часто попадают впросак, пытаясь при конструировании внедорожника с целью унификации и снижения себестоимости использовать детали силового привода серийных дорожных машин.
Так вышло и с ГАЗ-69, его двухсателлитный дифференциал не выдерживал и выходил из строя, пришлось советским конструкторам его усиливать и вводить в механизм еще два дополнительных сателлита.
Чтобы показать, что проектирование автомобиля, предназначенного для длительной эксплуатации на бездорожье, задача довольно сложная, и не всегда конструкторам удается избежать просчетов, приведу еще один показательный пример.
В 50-х годах прошлого века фордовские инженеры решили блеснуть перед миром своей конструкторской мыслью и устроить революцию в джипостороении. Они отказались от всех опробованных на II мировой войне проверенных технических решений – рамной конструкции несущей системы и ведущих жестких мостов-балок, и разработали новый легкий автомобиль-разведчик типа 4х4 с полунесущим кузовом, усиленным снизу закрытыми профилями коробчатого сечения толщиной стенок 1,5 – 2мм, приваренными точечной сваркой. Передняя подвеска была двухрычажная, сзади каждое колесо держалось лишь на одном рычаге, а картер дифференциала крепился к кузову. Зато задний мост был словно у грузовика проходным, поскольку еще предусматривалась модификация 6х6, а колесные диски сделали из магниевого сплава. Понижающую передачу в раздаточной коробке конструкторы делать не захотели, отчего-то решив, что такой машине она не нужна.


М151

Автомобиль испытывался долгие 9 лет, а затем поступил в американскую армию и вышиб оттуда прославленный Виллис М38А1. Военные поначалу были очень рады такому подарку, пока не обнаружили, что машина имеет плохую управляемость и слабую надежность. Задняя подвеска не выдерживала нагрузок и постоянно ломалась, в итоге ее несколько раз модернизировали и с грехом пополам добились достаточной прочности. А из-за податливости независимой пружинной подвески дорожный просвет автомобиля, составлявший всего 220 мм, при попадании колесом в ухабы существенно снижался, и автомобиль на бездорожье норовил приложиться к буграм и камням рычагами подвески и картерами мостов. Но назад пути не было, виллисы возвращать в армию никто не собирался, поэтому пришлось бойцам привыкать ездить аккуратнее
Попутно замечу, что немцы во время II мировой войны вдосталь намучались с полноприводными автомобилями, имеющими независимую подвеску, и в итоге пришли к выводу, что военная машина должна быть на жестких мостах с рамной несущей системой. Независимая подвеска при всех ее достоинствах имеет ряд важных недостатков: она усложняет конструкцию автомобиля, так как состоит из многочисленных деталей, требующих частого обслуживания, ее ресурс гораздо ниже, чем у зависимой подвески, рычаги и детали силового привода легко повреждаются при ударах о твердые предметы, что зачастую приводит к обездвиживанию машины, а попадающая в многочисленные соединения грязь влечет ускоренный износ узлов и их быстрый выход из строя. К примеру, безремонтный ресурс типового разведывательного автомобиля «BMW type 325» на бездорожье составлял около 1000 км.


BMW type 325 1937-1940


Современные американские военные в большом восторге от своих военных внедорожников с независимой подвеской, вот только все забывают, что армия этой страны последний раз всерьез воевала во Вьетнаме, а после распада СССР все ее военные операции носят характер легких загородных прогулок, и эти автомобили, как правило, асфальт не покидают.


Часть 4.

О тенденциях в современном автопроме, или куда катится мир.

Автомобили, специально разрабатываемые для армии по государственному заказу, составляют лишь небольшую дольку в огромном круглом пироге мировой автомобильной индустрии.
Подавляющее большинство автомобилей, разрабатываемых в наши дни, делается для простых людей, то есть для нас с вами.
И тут идут в ход иные правила игры.
Авторы современных внедорожников вовсе не конструкторы, а два брата близнеца – ушлый маркетолог и креативный дизайнер. Это они разрабатывают облик машины, рисуют на компьютере ее формы, продумывают салон, делают общую компоновку. А потом, когда проект уже утвердили большие боссы из центрального офиса, они зовут конструктора, и говорят ему: «Парень, есть небольшая проблемка. Нужно как-то исхитриться и засунуть вот этот пятилитровый 8-цилидровый двигатель под капот, где с трудом помещается детское сидение. Мы верим, что ты сможешь сделать это».
И он делает. Правда под капотом возникает такая плотная компоновка – палец не засунешь. Но кому есть дело до того, что для замены копеечного приводного ремня нужно потратить 6 нормо-часов, потому что требуется подвешивать мотор. Или чтобы поменять лампочку в фаре, придется снять колесо, бампер и потом еще разобрать машине пол морды. Владелец узнает об этом потом, через некоторое время, а сейчас, в салоне, он околдован мужественным обликом понравившегося ему внедорожника, который хитрые маркетологи сделали таким похожим на тот, настоящий, легендарный.
И зачем специально разрабатывать для внедорожника оригинальные детали силового привода? Так себестоимость не снизишь – вылетишь в трубу. Возьмем карданные шарниры вон от того легкового седана, коробку снимем вон с того универсала, а раздатку поставим от этого пикапа. Испытывать машину тоже некогда – конкуренты наступают на пятки, мы должны стрельнуть первыми, а эти неудачники пусть нас потом догоняют. Да и зачем, покупатель испытает, мы ж гарантию даем на целых 100000 км. А то, что машина на 101 тысяче начнет разваливаться, оно тока лучше, клиент быстрее от нее избавиться и как миленький прибежит к нам за новой. Вы что, забыли старую добрую капиталистическую поговорку: «товар-деньги-товар», это еще бородатый Маркс в XIX веке вывел.
Закладывать в машину большой запас прочности станет себе дороже, эту истину каждый современный автопроизводитель знает. Он же не для государства внедорожник делает, которое за косяки башку оторвет вместе с яйцами. Он ведь для народа радеет, для людей. А люди, они ж не обидчивые, да и если что, мы им по гарантии машину починим. Клиент же не знает, что срок ремонта исчисляется без учета 30 дневного срока доставки запчастей, хотя мы его об этом честно предупредили, специально это прописали в договоре микроскопическими буквицами. Ничего, подождет, на метро поездит, как все, не надо далеко отрываться от простого народа. А на узлы, которые ломаются чаще всего, например детали подвески, мы вообще гарантию не дадим, пусть за деньги чинится. А если что-то в трансмиссии полетит из-за конструктивного просчета, мы ему скажем, что это поломка, связанная с неправильной эксплуатацией. Типа сам дурак, не надо на внедорожнике по лесам-полям-снегам ездить и тросом машины из кюветов дергать, не для этого он предназначен.
Для чего? Да вы что, и впрямь такие наивные?
Современный внедорожник это СТАТУС, это как пьедестал для его владельца, вершина, гора, Олимп, с которого тот гордо взирает на неудачников, пилящих рядом на всяких пузотерках. А кто же пьедесталы в болото загоняет? Их надо холить и лелеять, почаще мыть и регулярно обслуживать на фирменном сервисе. И с шоссе стараться не съезжать.
Правда, есть такие смешные страны, где дилеры по согласованию с производителями устраивают отзывы и меняют явно бракованные детали автомобилей. Но не от того, что они такие сознательные, просто случись чего – по суду наизнанку вывернут, будет себе дороже. Жаль только, что наше отечество в этот золотой список счастливчиков не попало, вот и получается, что ушлый российский дилер при поломке гарантийной машины первым делом старается навешать клиенту на уши лапши, типа: «Надо же, какая неожиданность, первая поломка за всю историю модели (что весь задний двор заставлен такими же переломанными машинами, обычно никто не замечает), наверное вы автомобиль неправильно эксплуатировали. Ибо не должен он сам сломаться никак, это исключено, следовательно, случай не гарантийный».
Это современная мировая тенденция - цена автомобилей неуклонно повышается, а качество также неуклонно снижается. Мечта любого автопроизводителя сделать такой автомобиль, чтобы он честно отходил 100000 без единой поломки, а на 101-й сразу полностью развалился. Но только вот беда, пока никак не удается этого достичь, разваливаться он начинает гораздо раньше.
Поэтому лучше не дожидаться этих волнительных событий и менять машины раз в два года.
А как же быть тем неудачникам, у кого нет такой возможности, или тем старомодным ретроградам, которые привыкают к своим машинам и с трудом с ними расстаются?
У них есть два пути: либо покупать модный автомобиль и готовиться к его многочисленным и весьма недешевым ремонтам, либо брать коммерческий транспорт, в который производители пока еще закладывают большой запас прочности, например какой-нибудь микроавтобус, а потом на его основе строить автомобиль под себя. Жаль только не выпускают больше полноприводные рамные микроавтобусы, такие как Лапландер, да и не престижно ездить на каком-нибудь убогом фургоне, хоть он по универсальности и надежности наголову превосходит любой современный внедорожник.



Какой путь выбрать – каждый решает сам.
Главное, чтобы автомобиль пришелся по душе, радовал. Тогда хозяин готов простить ему частые поломки. Красивый автомобиль словно красивая женщина: какие бы выкидоны они нам не устраивали, мы ведь все равно их любим, поэтому вынуждены стойко переносить все эти многочисленные и весьма странные причуды, которые порой так сильно травмируют слабую мужскую психику.
Одним словом – красота спасет мир, а внедорожник увезет тебя далеко-далеко от шумного пыльного мегаполиса и откроет удивительные сверкающие грани пока еще не искалеченной цивилизацией матушки природы. И очень хотелось бы, чтоб он в этих прелестях не сгинул безвозвратно из-за внезапной поломки нежной трансмиссии или капризной электроники, но тут уж как повезет.
Ибо как говаривал когда-то Глеб Жиглов: «Кому повезет – у того и петух снесет».
На этой радостной ноте позвольте с вами распрощаться.


Лев Тюрин Новогорск, январь 2011.



Литература
----------------------------------------------------------------------------------------

Автомобильная промышленность №2 1946.
Автомобильная промышленность №11 1949.
Автомобильная промышленность №1 1953.
Коротоношко Н.И. Автомобили высокой проходимости. М., 1957.
Коротоношко Н.И. Краткий анализ принципиальных схем движителей для бездорожья по результатам экспериментальных работ НАМИ. Труды НАМИ, 1960.
Кочнев Е.Д. Автомобили Красной Армии 1918-1945. М, «Яуза», 2009.
Крживицкий А.А., Чистозвонов С.Б., Брискин М.И. Импортные автомобили моделей 1941-1943 г.г. М, 1945.
НИИАТ. Краткий автомобильный справочник. М, Транспорт, 1968.
Освальд В. Полный каталог военных автомобилей и танков Германии 1900-1982. М, АСТ «Астрель», 2003.
Селиванов И.И. Автомобили и транспортные гусеничные машины высокой проходимости. М, издательство «НАУКА», 1967.
Шугуров Л.М. История ШРУСов. «Автомобили», 1998.
Чудаков Е.А. Автомобиль. М, Гострансиздат, 1936.