«Инженеры бездорожья» создают машины для самых трудных маршрутов

Фото: Shutterstock

Грузовику нужно доставить оборудование к месту работы. Первую часть пути он едет по шоссе, затем сворачивает на щебень, а дальше попадает на дорогу с глубокой колеёй. Одно колесо поднимается на бугор, другое опускается в яму. В такой ситуации одной мощности двигателя мало: колёсам нужно сохранять контакт с поверхностью, а узлам машины — выдерживать удары и вес груза.

Брянский автомобильный завод разрабатывает и выпускает специальные колёсные машины высокой проходимости. Их используют как основу для техники, которой приходится работать вне хороших дорог. Одна из главных инженерных задач здесь — связать колёса с корпусом так, чтобы тяжёлая машина могла двигаться по неровному грунту. Как устроена подвеска, почему даже большой дорожный просвет не гарантирует проходимости и кто создаёт такие машины, рассказываем в рамках проекта «Как это работает?», реализуемого при поддержке Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий.

От заводского чертежа к собственной конструкции

Брянский автомобильный завод начал работу в 1958 году. Среди его ранней продукции были машины, которые выпускали по документации московского ЗИЛа. Для молодого предприятия это означало освоить изготовление деталей, сборку узлов и контроль размеров. Даже готовый чертёж нельзя просто передать станочнику: завод должен подобрать оборудование и технологические операции, чтобы каждая следующая машина соответствовала той же документации.

Позднее на предприятии развивались собственные конструкторские и экспериментальные подразделения. Инженеры получили возможность начинать работу не с готового комплекта чертежей, а с задачи будущей машины: какой груз она повезёт, по какой поверхности будет двигаться, где разместится установленное на ней оборудование. После расчётов строили опытный образец и проверяли его в движении. Испытания показывали, какие детали нужно усилить, какую компоновку изменить и насколько удобным окажется обслуживание.

Для тяжёлой техники высокой проходимости особенно важны колёса, подвеска и передача тяги. Груз необходимо распределить между осями, узлы под корпусом защитить от ударов о грунт, а колёсам дать возможность работать на неровной поверхности. Увеличивать прочность простым добавлением металла нельзя бесконечно: более тяжёлая машина сильнее нагружает грунт и тратит часть грузоподъёмности на собственную конструкцию. Поэтому инженеры ищут сочетание прочности, массы и возможности ремонта.

Когда завод стал работать над более широким кругом задач, накопленный опыт пригодился и для гражданской техники. Среди областей применения брянских машин предприятие называет строительство, нефтегазовую отрасль, сложные перевозки, пожарные и спасательные работы. Оборудование для каждой из этих задач отличается, как и условия движения. Инженер снова начинает с массы груза, нагрузок на конструкцию и маршрута, а затем выбирает подходящие узлы и их расположение.

Развитие брянских машин продолжилось и в других проектах. Инженерные решения, накопленные при создании тяжёлой техники, использовали при разработке гражданских грузовиков марки «БАЗ», которые выпускает петербургское АО «Романов». Для них прежние принципы пришлось приспособить к габаритам и условиям работы новой машины. Так история технологии складывается из повторяющихся циклов: расчёт, изготовление, поездка, изучение результата и новая версия конструкции.

Почему колесу нужна свобода движения

Колесо тяжёлой машины одновременно несёт нагрузку и передаёт тягу на поверхность. Когда оно наезжает на выступ, ему нужно подняться относительно корпуса, а затем снова опуститься. Подвеска даёт колесу эту возможность. Её упругий элемент принимает часть нагрузки и помогает вернуть колесо, а амортизатор гасит колебания. Без этого машина и груз получали бы более сильные удары, а колесо после неровности хуже удерживало бы контакт с дорогой.

У моста с жёсткой общей балкой движение одного колеса влияет на положение другого. Независимая подвеска позволяет колёсам одной оси перемещаться относительно корпуса в значительной степени по отдельности. На неровном пути это помогает им следовать за рельефом. Но свобода движения требует сложных и прочных соединений: рычаги, шарниры и крепления должны многократно выдерживать нагрузки при езде, торможении и поворотах.

В технике Брянского автомобильного завода применяются разрезные мосты, независимая торсионная подвеска и колёсные редукторы. Торсион — металлический стержень, который работает на скручивание. Когда колесо поднимается, связанный с ним рычаг закручивает стержень; тот сопротивляется повороту и действует как упругий элемент подвески. Задача конструктора — подобрать его свойства под массу машины и допустимые перемещения колеса.

Колёсный редуктор передаёт вращение к колесу и изменяет соотношение скорости вращения и тягового усилия. Компоновка применяемых на брянских машинах редукторов помогает увеличить дорожный просвет — расстояние от грунта до низко расположенных частей автомобиля. Это важно в колее: машина может остановиться, даже если колёса ещё способны вращаться, но корпус или узел передачи упёрся в грунт. При этом больший просвет сам по себе не решает всех задач. Инженеру приходится одновременно проверять прочность приводов, положение центра тяжести и устойчивость высокой машины.

Грунт тоже участвует в движении

На мягкой почве грузовик может застрять, даже если подвеска справляется с каждой неровностью. Под весом машины грунт проминается, колесо уходит глубже и тратит часть тягового усилия на деформацию поверхности. При недостаточном сцеплении оно начинает буксовать. Поэтому проходимость зависит не от одного узла, а от массы автомобиля, распределения нагрузки между колёсами, шин и свойств грунта.

Исследовать эту связь инженерам помогает террамеханика — область знаний о взаимодействии машины с поверхностью. Один из её исследователей, Мечислав Беккер, рассматривал работу колёс и гусениц на почве и снегу. В книге «Теория наземного движения», выпущенной в 1969 году, он собрал подходы к оценке поверхности и испытаниям машин вне дорог. Такой взгляд изменил постановку задачи: при проектировании нужно изучать не только автомобиль, но и то, что происходит непосредственно под его колёсами.

Сегодня инженеры используют расчётные модели, чтобы сравнивать варианты конструкции ещё до изготовления опытной машины. Развитию этих методов посвящены, в частности, работы исследователя Дж. Ю. Вонга о движении колёсной и гусеничной техники вне дорог. Для расчёта нужны сведения о грунте, форме контакта колеса с поверхностью и нагрузке. Затем прогноз сверяют с испытаниями: настоящая колея может отличаться от условий, принятых в модели.

Для брянской техники подвеска и высокий дорожный просвет решают важную часть этой задачи. Они помогают машине проходить неровности и уменьшают риск задеть грунт низкими узлами. Но если почва не выдерживает веса автомобиля или шины теряют сцепление, машину придётся оценивать уже по другим показателям. Так конструктор переходит от устройства отдельного колеса к работе всей машины на выбранном маршруте.

Деталь должна получиться и на чертеже, и в цехе

Предположим, инженеру нужно разработать кронштейн, который соединяет элемент подвески с корпусом машины. Он рассчитывает нагрузки, выбирает форму и материал, задаёт размеры. Однако деталь предстоит изготовить на заводе, поэтому к работе подключается технолог. Ему нужно определить, из какой заготовки её сделать, какие операции потребуются и как проверять результат. Если инструмент не сможет добраться до предусмотренного чертежом отверстия, конструкцию придётся обсудить заново.

На Брянском автомобильном заводе для изготовления деталей используют оборудование лазерной, плазменной и газовой резки металла, прессы для гибки и сварочные установки. Способ обработки выбирают с учётом материала, его толщины и требуемой формы. После резки листу могут придать изгиб, подготовить кромки и соединить его с другими элементами. Ошибка в размере или угле гиба обнаружится при сборке, а неверный порядок сварки способен изменить геометрию детали из-за нагрева.

Другие узлы машины требуют механической обработки и, в предусмотренных случаях, термической обработки металла. Затем детали собирают и проверяют, совпадают ли их размеры и как работают готовые соединения. Поэтому конструктор и технолог постоянно сверяют решения друг с другом. Первый отвечает за свойства детали в машине, второй — за возможность изготовить её с нужной точностью много раз. Между ними работают операторы станков, сварщики, сборщики и специалисты контроля.

Такой разговор продолжается и после появления опытного автомобиля. Испытание может показать, что узел выдерживает нагрузку, но к нему трудно подобраться при ремонте. Или что деталь работает правильно, однако её изготовление требует слишком сложной последовательности операций. Тогда меняют конструкцию либо технологию производства и проверяют новую версию. Путь от расчёта до серии состоит из многих подобных уточнений.

Почему удачную конструкцию всё равно дорабатывают

Гражданские грузовики марки «БАЗ» дают пример того, как прежний инженерный опыт используют для новой машины. Брянский автомобильный завод расположен в Брянске и выпускает специальную колёсную технику. Автомобили гражданской линейки под той же маркой производит АО «Романов» в Санкт-Петербурге. Компании связаны развитием технических решений, но у их машин различаются конструкция и производственные задачи.

Разница заметна даже по подвеске. Брянский завод описывает подвеску своих специальных машин как торсионную. На гражданских грузовиках АО «Романов» применена независимая пружинная подвеска. Принцип самостоятельного движения колёс сохраняется, а упругий элемент и устройство узла меняются под требования новой машины. Заместитель генерального директора концерна «Алмаз — Антей» Михаил Подвязников объяснял, что при разработке гражданской техники использовали компетенции, накопленные в создании тяжёлых специальных машин.

После изготовления первых грузовиков работа над конструкцией продолжилась. Генеральный директор АО «Романов» Дмитрий Гречухин сообщил, что по результатам эксплуатации первых образцов в автомобиль внесли 1340 изменений — от узлов подвески до элементов трансмиссии. За одним числом стоят изменения разного масштаба: их вносят после изучения поведения машины, замечаний к деталям и удобству обслуживания. Обновлённую конструкцию снова изготавливают и проверяют. Так опытные поездки дают инженерам материал для следующего решения.

Этот порядок действует и при создании специальной техники на самом Брянском автозаводе. Заказчик определяет, какое оборудование нужно перевозить или установить на машину и где ей предстоит работать. Инженеры рассчитывают нагрузки и выбирают компоновку, технологи готовят производство, испытатели наблюдают за готовой техникой. Если машина ведёт себя на неровном грунте иначе, чем ожидалось, специалисты ищут причину в расчётах, деталях или настройке узлов. После этого чертежи меняются, а проверка повторяется.

Профессии для тех, кому интересна сложная техника

Познакомиться с автомобилестроением можно ещё в школе. Брянский автозавод проводил для школьников экскурсии по механосборочному, заготовительно-сварочному и сборочно-испытательному цехам. Увиденное на производстве даёт материал для собственных вопросов: почему у тяжёлой машины несколько осей, как колесо связано с корпусом, чем измеряют готовую деталь? Разобраться помогают физика, математика, черчение и простые опыты. Например, на модели подвески можно сравнить, как меняется движение колеса при использовании разных упругих элементов.

После школы инженерное направление можно изучать в Брянском государственном техническом университете. Среди его программ — «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств». Университет и Брянский автозавод также участвуют в совместной подготовке специалистов для разработки и изготовления специальной колёсной техники. На заводском учебно-производственном участке студенты могут познакомиться со станками и задачами, которые возникают при изготовлении настоящих деталей.

Для человека, уже работающего с металлом, станками или технической документацией, существует и путь дополнительного обучения. Научно-образовательный учебный центр Брянского автозавода ведёт профессиональное обучение и повышение квалификации. Среди опубликованных программ есть «Расчёт и проектирование специальных колёсных шасси и тягачей» и «Реверсивный инжиниринг» — изучение готового изделия, позволяющее восстановить сведения о его устройстве и способе изготовления. Центр проводит занятия по мере формирования групп; требования к подготовке слушателей зависят от программы.

Кому-то в этой отрасли ближе расчёт движения колеса, кому-то — изготовление детали или испытательная поездка. Все эти специалисты решают части одной задачи. Когда тяжёлая машина съезжает с асфальта, результат их работы становится виден сразу: колёса продолжают держать контакт с поверхностью, конструкция выдерживает нагрузку, а грузовик движется к месту, куда его отправили.