Опытный «Гидроход-49061»представляет собой уникальную, не имеющую аналогов в мировой практике машину, появление которой связано с проведением обширных научных исследований и работ по созданию полноприводных автомобилей нового поколения с так называемыми «гибкими» трансмиссиями. Создаваемый опытный образец и должен был стать той исследовательской базой, с помощью которой можно было экспериментально проверить полученные теоретические положения и отработать на практике основные конструктивные решения «гибких» трансмиссий.
К 1980-м гг. в отечественной автомобильной науке сложились несколько весьма сильных научных школ, в центре внимания которых находились вопросы проходимости и совершенствования конструкции полноприводных автомобилей. Исследователи ставили перед собой задачу на основе многолетнего опыта выбрать наиболее рациональную конструкцию, которая сможет обеспечить наилучшие тягово-динамические качества, проходимость, топливную экономичность и другие эксплуатационные свойства. Опытным путем было установлено, что эти важнейшие свойства автомобиля в значительной мере определяются тем, насколько эффективно в трансмиссии распределяется мощность двигателя между ведущими колесами.
Казалось бы, предел совершенствования «классических» полноприводных трансмиссий уже достигнут, но, тем не менее, эффективность существующих автомобилей высокой проходимости была недостаточной. Особенно сильно это проявлялось в многоосных машинах, в которых с увеличением числа ведущих колес трансмиссия становилась все более сложной и громоздкой, а потери мощности в ней возрастали.
Трансмиссии современных полноприводных автомобилей выполнены по двум основным схемам – блокированной и дифференциальной. Блокированная трансмиссия характеризуется жесткой связью всех ведущих колес, а дифференциальная — распределением мощности между ведущими мостами и колесами через дифференциальный механизм. Существуют также различные комбинированные схемы, в которых часть колес обьединена дифференциальной связью, часть — блокированной (например, при блокировке нескольких дифференциалов). Их всех объединяет одна особенность – невозможность принудительного изменения подводимой мощности на одном или нескольких колесах или мостах независимо от других. Но для чего это нужно?
Как известно, автомобиль способен двигаться лишь при условии, что развиваемая его ведущими колесами суммарная сила тяги превышает суммарную силу сопротивления движению. Следовательно, для повышения проходимости автомобиля необходимо решить две задачи – повысить его тяговые свойства и снизить затраты мощности на движение. Исследованиями доказано, что эти задачи взаимосвязаны: режим движения с минимальными потерями мощности эквивалентен режиму движения с максимально возможной силой тяги при заданной величине подводимой мощности. Однако это условие выполняется только при определенном соотношении крутящих моментов, подводимых к ведущим колесам в каждый момент времени. Ведь для того, чтобы каждое ведущее колесо автомобиля развивало максимально возможную силу тяги в любых условиях, необходимо контролировать непрерывно изменяющиеся сцепные свойства каждого колеса и подводить к нему крутящий момент строго определенной величины, который колесо может реализовать в данных условиях. Очевидно, что для решения этой задачи необходимо иметь возможность подводить мощность к каждому колесу индивидуально, а также регулировать ее плавно и независимо от других колес, в соответствии с условиями движения, т.е. «гибко» перераспределять мощность в трансмиссии. Такие трансмиссии и получили название «гибких».
Построить «гибкую» трансмиссию на базе традиционной механической, реализовав индивидуальный привод каждого колеса, практически невозможно – предельное усложнение сведет на нет все преимущества такого привода. Между тем, трансмиссии с индивидуальным приводом колес существуют — это электрические и гидрообъемные. Именно они представляются исследователям базой для «гибких» трансмиссий, наиболее перспективной, прежде всего, для многоосных полноприводных автомобилей.
Можно возразить: ведь существуют еще различные фрикционные, вязкостные и другие муфты с электронным управлением, перераспределяющие мощность между ведущими мостами или колесами одного моста в зависимости от условий движения. Эти муфты сегодня все чаще применяются на легковых полноприводных автомобилях, придавая механическим трансмиссиям свойства «гибких». Действительно, эти устройства хорошо подходят для легковых автомобилей типа 4×4, но применение фрикционных муфт на тяжелых многоосных автомобилях лишь увеличит потери мощности в их и без того сложных трансмиссиях.
Для того чтобы эффективно управлять независимыми колесными приводами, необходима система управления, действующая по оптимальным законам управления. Эти законы требуется установить, разработать алгоритмы управления «гибкой» трансмиссией и ввести их в систему управления.
Таким образом, было обозначено направление развития полноприводных автомобилей, заключающееся в применении «гибких» трансмиссий. Но здесь предстояла еще большая исследовательская работа.
Идея создания «гибкой» трансмиссии для полноприводного автомобиля связана с научными исследованиями профессоров Ю.В. Пирковского и СБ. Шухмана, изучавших сопротивление движению полноприводного автомобиля по твердой дороге и различным фунтам. Результаты их работ заложили основы научной школы, с которой тесно сотрудничали известные в этой области ученые – В.Ф. Платонов (НАГИ), М.П. Чистов (НИИИ-21), Н.Ф. Бочаров, АА Полунгян и Г.О. Котиев (МГТУ им. Н.Э. Баумана) и многие другие.
В начале 1990-х гг., в кризисное для российской науки время, эти исследования получили продолжение, когда в результате реорганизации НАМИ была основана небольшая научно-исследовательская фирма «НАМИ-Сервио. Ее руководителем стал СБ. Шухман. Вскоре в коллектив новой фирмы вошли опытные инженеры отдела специальных автомобилей НАМИ – Е.И. Прочко и В.И. Соловьев. «НАМИ-Сервис» поддерживала тесные связи с ведущими научными организациями – МГТУ им. Н.Э. Баумана, НИИИ-21, МГТУ «МАМИ», НИЦИАМТ (автополигон НАМИ).
Результаты совместных исследований позволили к концу 1990-х гг. сформулировать основные требования к конструкции «гибкой» трансмиссии полноприводного автомобиля высокой проходимости и приступить к разработке опытного образца.
Но решение о создании автомобиля было принято не сразу. Первоначально рассматривалось предложение опробовать идею «гибкой» трансмиссии на упрощенном ходовом макете, например, в виде самоходной тележки с колесной формулой 4?4. Подобные «идееносители» в конструкторской практике применяются достаточно часто. Однако в итоге преобладала другая точка зрения: целесообразно создать именно полноценный многоосный автомобиль – это позволит получить максимум информации о работе «гибкой» трансмиссии на автомобиле, особенно в сравнении опытного образца с аналогичными автомобилями традиционной конструкции.
В принципе, для реализации идеи «гибкой» трансмиссии на многоосном полноприводном автомобиле выбор гидрообъемного или электрического привода можно считать равнозначным. Оба привода обеспечивают индивидуальный подвод мощности к колесам и ее бесступенчатое регулирование в широком диапазоне. Электропривод имеет преимущество перед гидроприводом одинаковой мощности по общему КПД, простоте монтажа агрегатов. Однако при прочих равных условиях гидропривод компактнее, устойчивее к воздействию неблагоприятных погодных условий, что очень важно для автомобиля высокой проходимости и, кроме того, его диапазон регулирования, как правило, больше, чем у электропривода. Другими преимуществами гидрообъемного привода колес, которые способствуют повышению проходимости автомобиля, является возможность быстрого реверсирования (движения «враскачку») и длительного движения на минимальной скорости с высоким тяговым усилием. Реализация этих режимов движения на автомобиле с электротрансмиссией чревата перегревом и выходом из строя тяговых электродвигателей.
Несомненно, что для автомобиля конкретного типа и назначения наиболее подходящим может быть как гидрообъемный, так и электрический привод. Однако на данном этапе было решено отдать предпочтение гидрообъемной трансмиссии.
Не будет преувеличением сказать, что решающую роль в выборе типа привода сыграло мнение Е.И. Прочко, воспитанника конструкторской школы В.А. Грачева. Евгений Игнатьевич более сорока лет жизни посвятил созданию гидравлических приводов и являлся одним из наиболее авторитетных специалистов в этой области. На его счету создание в СКБ ЗИЛ уникального вездехода ЗИЛ-3906 с пневмогусеничным движителем типа «Аэролл» и гидрообъемной трансмиссией. Позже, работая в НАМИ, Е.И. Прочко предложил гидрообъемную трансмиссию для самоходного тяжеловоза НАМИ-0309 и других машин. К сожалению, работы по спроектированным им машинам по разным причинам были прекращены, поэтому новая задача по созданию опытного образца автомобиля с гидрообъемной трансмиссией позволила бы использовать накопленный опыт и собрать воедино на одном образце новые и уже проверенные решения. Совершенно обоснованно, что именно Е.И. Прочко стал главным конструктором нового проекта.
Но почему до сих пор ни один автомобиль с гидрообъемной трансмиссией не стал серийным?
Гидрообъемные приводы в машиностроении применяются достаточно широко, но попытки внедрения их на автомобилях, как правило, оказывались неудачными – конструкция получалась тяжелой, сложной и ненадежной, а ее показатели (прежде всего КПД) оставляли желать лучшего. Это и определило то стойкое предубеждение, которое сложилось по отношению к гидрообъемным трансмиссиям среди инженеров.
Однако развитие гидрообъемных трансмиссий не прекратилось: на тракторах, комбайнах, самоходных кранах, тяжеловозах, экскаваторах, дорожных катках, бульдозерах и других специальных машинах со множеством приводов различных рабочих органов и движителей, где преимущества гидрообъемных передач раскрывались в полной мере, они постепенно вытесняли механические. Это стало возможным благодаря появлению более совершенных гидромашин. Применение новых материалов и совершенствование технологии позволило повысить точность изготовления, благодаря чему КПД гидромашин возрос до 0,95, снизились потери, увеличилась долговечность, развиваемое давление достигло 50 МПа. Увеличение рабочего давления позволило уменьшить размеры и массу гидромашин, снизить их стоимость. Появились гидромашины с электронным управлением и комплексные встраиваемые приводы, включающие насос, гидромотор, блоки клапанов и электронные устройства.