Рассказ о новых моделях то ли грузовиков, то ли автопоездов, вышедших из недр нового класса грузовых автомобилей, первоначально обозначавшихся исключительно как шарнирно-сочлененные самосвалы (ШСС), или на английский манер – Articulated Dump Truck (ADT)

Владимир Вдовенко, кандидат технических наук

Фото автора и производителей техники

Три звена на полураме: стремительный «змеиный» ход с минимальными наклонами грузовых платформ

Западное машиностроение, вырвавшееся из цепких железобетонных «джунглей» крупных городов на живописные агропросторы, продолжает удивлять все более совершенными образцами техники. Это, к примеру, очередные модели то ли грузовиков, то ли автопоездов, вышедших из недр нового класса грузовых автомобилей, первоначально обозначавшихся исключительно как шарнирно-сочлененные самосвалы (ШСС), или на английский манер – Articulated Dump Truck (ADT)

  • В основе транспортных решений Volvo – сочлененные самосвалы
  • Двигатели Volvo с особо чистым выхлопом на подземных самосвалах Sandvik
  • Концептуализация направлений совершенствования ШСС в рамках НИР Volvo Centaur

Двухзвенное сочленение с использованием «ломающейся рамы»

Суть двухзвенного сочленения состоит в том, что вместо единой жесткой для всего самосвала рамы используется так называемая ломающаяся рама, состоящая из двух полурам, каждая со своими колесами и трансмиссией, объединенных мощным шарниром. И такая конструкция позволяет полурамам использовать две степени свободы – возможность менять свое положение относительно друг друга в горизонтальной (±45°) и поперечной плоскостях. Это обеспечивает громоздкому с виду автомобилю малый радиус поворота и при этом прохождение колес обеих полурам по одной колее, что и колею не разбивает, и «лошадиные силы» экономит.

Так чем же могут привлечь аграриев автомобили с «ломающейся рамой»? Прежде всего возможностью использования высокопроходимого внедорожного автотранспортного средства для перевозки зерна и корнеплодов от комбайнов к токам и прочим хранилищам. Ведь, во-первых, грузовые автомобили с «ломающейся рамой» ходят в своих карьерах и за их пределами на широкопрофильных шинах с низким давлением (0,330,45 кгс/м2), крепящихся обычно на внушительных 25или 29-дюймовых колесных дисках. Благодаря большой суммарной площади опорных пятен они наносят минимальный вред почве. Во-вторых, шарнирное сочленение позволяет автомобилю «по-змеиному» огибать любые неровности на пути, давая возможность оператору уже после преодоления глубокого кювета или высокой обочины одноосным тягачом дополнительно проанализировать дальнейший путь грузового полуприцепа и принять, а главное – реализовать разумные решения типа «довернуть руль», «снизить скорость», «сдать назад» и т.п.

И в-третьих, следует помнить, что при комплектации автомобиля шарнирным сочленением широко используются гидроцилиндры курсового выравнивания грузовой платформы. Это выравнивание существенно облегчает процесс транспортировки без потерь зерна, корнеплодов и прочей перевозимой биомассы. (Минимизация боковых наклонов полуприцепа возложена конструкторами на заднюю подвеску.)

Самосвалы с шарнирно-сочлененной рамой имеют известные специалистам существенные преимущества в грузоподъемности и маневренности перед другой транспортной техникой. Это аналоги обычного дорожного автопоезда в составе седельного тягача и полуприцепа. В то же время такой самосвал опирается на 4-6 одинарных колес, а не на 12-18 скатов, как у обычного автопоезда. Экономия топлива очевидна. Основную роль в поставках этого вида техники в страны СНГ играют западные производители: Volvo Construction Equipment (Швеция), Caterpillar Inc., Terex Corporation, Case International Harvester, Deere & Company (США), Bell Equipment (ЮАР – ФРГ), Doosan Moxy AS (Норвегия – Южная Корея), Sandvik Mining and Construction АВ (Швеция – Финляндия), HITACHI Construction Machinery, Komatsu Ltd. (Япония), ASTRA Veicoli Industriali S.p.A. (Италия), JCB (Англия), Hydrema (ФРГ – Дания) и другие предприятия, разбросанные по всему дальнему зарубежью. В связи с таким разнообразием брендов мы в этой части публикации вынуждены ограничиться рассмотрением новых моделей и основных положений технической политики мирового лидера в этом виде техники – корпорации Volvo Construction Equipment (Volvo CE).

Идея шарнирного автосочленения реализована в Гетеборге, в 1960-х

Родоначальницей автосамосвалов с «ломающейся рамой» является компания Volvo-BM, переименованная затем в Volvo CE. Она издавна специализируется на производстве разнообразной спецтехники строительного, дорожно-строительного и лесотехнического назначения. А ее головное предприятие располагается в главном центре машиностроения Шведского королевства – г. Гетеборге, на берегу североморско-балтийского пролива Каттегат.

При этом Volvo CE входит в состав Volvo Group, другие компании которой также являются одними из крупнейших в мире производителей грузовых автомобилей и дизельных силовых агрегатов. Вот с помощью этих смежников компании Volvo CE за 47 прошедших лет и удалось изготовить более 50 тыс. сочлененных автомобилей – почти половину всех произведенных в мире. Что касается Украины, то сочлененные самосвалы Volvo появились у нас лишь в годы независимости и первоначально использовались на строительстве терминалов морских портов.

На комплектацию моделей автосамосвалов Volvo с «ломающейся рамой» постоянно сменяющих друг друга серий C D E F идут все более экологически чистые турбоинтеркулерные двигатели производства компании Volvo Penta. Их характерной особенностью является изменяемая геометрия турбонаддува, которая осуществляется за счет поворота лопаток колеса турбины, приводимого в действие потоком отработанных газов. Если угловая скорость этой крыльчатки увеличивается, то пропорционально убыстряется (в случае необходимости) и вращение второй крыльчатки, нагнетающей атмосферный воздух в рабочие цилиндры. Тем самым резко повышается мощность и крутящий момент двигателя, поскольку обе крыльчатки объединены одной осью. Двигатели Volvo характерны также наличием сменных гильз цилиндров, направляющих и седел клапанов, а также системой электронного регулирования впрыска (2500 бар). Уже в стандартной комплектации осуществляется двойная фильтрация входящего воздуха.

В зависимости от эксплуатационной мощности мотора производитель Volvo CE агрегатирует с ним одну из двух автоматических (адаптивных) коробок передач Powertronic, имеющих:

  • 6 передач вперед (0-53 км/ч) и 2 передачи назад (0-13 км/ч);
  • 9 передач вперед (0-57 км/ч) и 3 передачи назад (0-18 км/ч). АКПП 6/2 идет на комплектацию моделей A25F и A30F, а АКПП 9/3 применяется в машинах Volvo A35F/FFS и A40F/FFS. Иначе говоря, модели «Повертроника» рассчитаны на разные мощностные диапазоны.

На левой стороне моторного отсека Volvo серии F устанавливается вентилятор с гидроприводом и изменяемой угловой скоростью вращения, необходимый для охлаждения силового агрегата, масла гидросистемы и хладагента кондиционера (системы климат-контроля).

Комбинация дисковых тормозов, компрессионного и выхлопного замедлителей

Специалисты Volvo CE разработали и постоянно совершенствуют комплекс эффективных тормозных систем:

  • стояночную, с пружинным дисковым тормозом для воздействия на карданный вал, отжимаемый гидравликой;
  • рабочие системы с жидкостным охлаждением (сер. Е, FFS) или c сухими дисками на всех колесах (сер. F), которые отличаются повышенным тормозным усилием и увеличенным ресурсом.

Повышенное усилие в определенной мере компенсирует уменьшение величины коэффициента трения поверхности дисковых тормозов «мокрого» типа, которые обычно используются в очень пыльных и грязных местах эксплуатации. А гидропривод рабочих тормозов имеет у ШСС два независимых контура: по одному для передней оси и задней колесной тележки.

Ведется также совершенствование вариантов моторных (ретардерных) замедлителей – с препятствованием впрыску и выхлопу, а также с участием в торможении электронно-управляемых гидротрансформаторных КПП. Обычно рабочая система и замедлители применяются раздельно, в зависимости от ситуации. Однако в последних моделях типа A35FFS/ A40FFS рабочая тормозная система представляет собой комбинацию колесных тормозов и Volvo Engine Brake, то есть компрессионного тормоза и выхлопного замедлителя. Мощные замедлители используются для того, чтобы контролировать скорость на спуске с уклонов и при замедлении перед поворотами и перекрестками, уменьшая необходимость в использовании основного тормоза. В результате снижаются затраты на эксплуатацию машин (работа моторов вхолостую, замена отработавших дисков), увеличивается средняя скорость передвижения автомобилей и безопасность перевозок. В конструкции моделей серии F используются надежные мосты со ступичными редукторами планетарного типа и 100-процентной блокировкой дифференциала типа «кулачковая муфта». На увеличение скоростных характеристик автомобиля Volvo с шарнирным сочленением на плохой дороге (вне зависимости от степени загрузки кузова) оказывает влияние также и гидравлическая подвеска на всех колесах – с автоматическим выравниванием и стабилизацией. А отсюда и увеличенная производительность, и максимальный комфорт оператора, и великолепные внедорожные качества машины.

В целом машины серии F (основной в производственной программе) отличаются высокой топливной эффективностью, которая ведет к снижению не только эксплуатационных расходов, но и негативного воздействия на окружающую среду.

Технические варианты реализации формализованы в виде Транспортных решений Volvo»

Совершенные компоненты, используемые в грузовых автомобилях на полурамах, позволяют самосвалам работать с максимальной отдачей, но в экономичном режиме. Несмотря на то что педаль и акселератора, и рабочего тормоза остаются в распоряжении оператора, переключение скоростей происходит автоматически, в зависимости от дорожных условий. Все машины у Volvo CE полноприводные (4х4/6х6), но с отключающимся передним мостом (по желанию оператора или на хорошей дороге автоматически). Хотя совсем недавно в производственной программе можно было встретить и модели А25 с колесной формулой 6х4. Естественно, что у двухосных машин внутренний объем грузовых платформ поменьше, но они экономичны и эффективны при использовании в качестве седельных тягачей, скажем, при перевозке 12-метровых труб и лесоматериалов по относительно хорошим дорогам. Семейство моделей Volvo сер. F оснащено блокирующими межколесными и межосевыми дифференциалами, срабатывающими в автоматическом режиме. В свою очередь это дает операторам возможность использовать оптимальный, то есть щадящий режим работы трансмиссии. А применяемая на автосамосвалах Volvo СЕ диагностическая система Matris и усовершенствованный Contronics (в версиях FS) позволяют без труда контролировать работу оборудования. При этом стандартная кабина – с центральным расположением рабочего места оператора, подогревом лобовых стекол и прочими широко известными автолюбителям и профессионалам «наворотами» – весьма эргономична. Количество точек обслуживания в моторном отсеке, как нынче водится, сведено к минимуму, а доступ к данным узлам с земли и с помощью передней лестницы предельно облегчен. Интересно также, что толщина кузовных листов этих карьерных автомобилей значительна: 14 мм (днище), 12 мм (боковины), 8 мм (передний борт) и 16 мм (навесной задний борт). Такие характеристики намного превосходят аналогичные показатели обычных автосамосвалов строительного и дорожно-строительного профиля. Так что замена тяжелых грузовых платформ на аналогичные по массе, но значительно большие по внутреннему объемукоробчатые конструкции из разряда Purpose-Built Body, да с лотками на заднем навесном гидроборту, на динамических свойствах грузовиков вряд ли скажется. Разве что повышенная «парусность» немного ограничит амбиции закоренелых «автолихачей». В то же время шасси PurposeBuilt Body может стать (и становится) основой для ломовоза. У него мощный коробчатый кузов уменьшенного объема, задние распашные двери и кран-манипуляторная установка, расположенная впереди (сохраннее) или сзади (удобнее для работы) грузовой платформы.

Для размещения легких грузов в долговечных кузовах Volvo A25E/F и A30E/F, сваренных из листов высокопрочной стали НВ400, производители уже предусмотрели крепящиеся на болтах надстройки. Для этого они выпускают надстроечные наборы для наращивания бортов. При этом высокоподнятый шарнир между полурамами, а также удлиненный задний свес за колесами позволяют разгружаться в бункеры, силосные ямы и через верхний край отвала. «Транспортные решения Volvo» предполагают также использование не только стандартных, но и удлиненных шасси. В качестве примеров таких решений производитель рекомендует использовать шасси в виде:

  • мультилифта/Hook Lift, с крюковой системой погрузки и разгрузки унифицированных мусорных бункеров и стандартных транспортных контейнеров (с крепежом);
  • автоконтейнеровоза/ Container Hauler, с накладной рамой на задней грузовой полураме для установки и закрепления контейнеров;
  • автобетоносмесителя/ Concrete Mixer – для размещения бетоносмесительной установки на накладной раме или непосредственно на задней грузовой полураме;
  • вырубщика леса (харвестера)/Wood Chipper – для установки манипулятора с многооперационной лесосечной/харвестерной головкой на задней грузовой полураме;
  • откатчика лесоматериалов (сортиментовоза)/Timber Hauler, с вертикальными кониками и цепями для удержания лесоили пиломатериалов;
  • седельного тягача/ Construction Tractor – для перевозки 12-метровых труб, в том числе большого диаметра, 36-метровых плетей, лесоматериалов в хлыстах, пиломатериалов, емкостей с маслом, жидким или газообразным топливом, прочих длинномерных грузов.

 

При этом шасси Volvo, превратившееся в седельный тягач на двух полурамах, обычно буксирует грузы на полуприцепах Parator, лесотехнических прицепах-роспусках с кониками, стягиваемых сверху цепями. Возможна перевозка промышленных и продовольственных товаров на полуприцепах (стандартных тентованных, с пластиковой или иной обшивкой), а также в рефрижераторах. Более того, концепция Construction Tractor не противоречит использованию емких коробчатых полуприцепов-зерновозов и свекловозов. Шасси А25С (6х6) используется также в качестве «военнообязанного» многоцелевого бортового транспортера с установленным за грузовой платформой погрузочно-разгрузочным оборудованием (краном-манипулятором).

А модель A30D была выбрана компанией BAE Systems Bofors в качестве базы для размещения высокоточной бронированной гаубицы «Лучник»/Archer FH77 BW L52 155 мм, работающей по удаленным до 60 км наземным целям с навесных траекторий активно-реактивными снарядами системы M982 Excalibur (Excalibur – меч короля Артура). Такие «лучники», действующие по наводке летательных аппаратов и прочих внешних средств разведки, стоят на вооружении королевских войск территориальной обороны Швеции и Норвегии.

Ходовые двигатели Volvo для работы в штреках и туннелях

В горнорудной промышленности стран СНГ все большую популярность получают сочлененные самосвалы корпорации Sandvik Mining and Construction (Sandvik Mining) с колесной формулой 4х4 финского и шведского производства. Все модели под брендом Sandvik относятся к разряду подземных автомобилей, но вскрышную породу и добываемые полезные ископаемые они вывозят на земную поверхность. Среди сочлененных самосвалов других брендов они выделяются низким центром тяжести (устойчивостью) и, главное, чистотой выхлопа.

Причем последнее достигается не только за счет использования сильно «позеленевших» дизельных двигателей. Важны также тщательная предварительная подготовка атмосферного воздуха (двойная фильтрация, сушка) перед образованием горючей смеси, а также финишная очистка отработанных газов с помощью каталитического нейтрализатора (конвертера, катализатора).

В машинах Sandvik для чистки воздуха используются фильтроэлементы Donaldson, которые позволяют эффективно удалять пыль, дым и туман с его капельками воды и кристалликами льда. Немаловажен и твердый финишный гетерогенный катализатор с сильно развитой поверхностью на инертном носителе. Его реакция базируется на использовании для нейтрализации вредных компонентов, содержащихся в отработанных газах, ионов переходных металлов: титана (Ti), родия (Rh), никеля (Ni). Ранее считалось, что такой очистки в совокупности с технологией дожигания выхлопных газов (ACTтехнологией) вполне достаточно для подземных грузовиков. Главное, чтобы мощные компрессоры своевременно и без перебоев подавали воздух с поверхности в штреки (и строящиеся туннели) по тонкостенным серебристым воздуховодам из нержавейки. Однако в нынешний период перехода к всеобщей экономии ресурсов этих технологий для борьбы с загрязнением окружающей среды уже недостаточно. С приобретением финского производителя TORO Loaders Division и принадлежащих ему моделей подземных самосвалов, а также с разработкой новых машин корпорация Sandvik Mining подписала в 2011 г. соглашение о сотрудничестве с предприятием Volvo Penta. Причем в качестве главной цели была провозглашена необходимость повышения долгосрочной конкурентоспособности продукции компании Sandvik Мining – автосамосвалов, дробилок, грохотов, буровых установок.

 

А в качестве «платы» за союз в угоду корпорации Volvo CE из производственной программы «Сандвика» исчез самосвал ТН660 (грузоподъемность 60 т; 6х6х4) на жесткой раме, с задней и передней управляемыми осями. И не пошли в серию уже разработанные, испытанные, более экономичные варианты однорамной модели ТН680 (80 т; 10х8х8) с колесными формулами 6х6 и 8х8 (8х6). Тем не менее подземные грузовики Sandvik 4х4 TH430 (грузоподъемность 30-33), ТН540 (40 т) и TH550 (50 т) стали одними из первых носителей технологии селективной каталитической нейтрализации выхлопных газов (SCR-технологии) в «волвовской» версии. В ней нейтрализация осуществляется с помощью впрыскивания реагента AUS 32 – водного раствора мочевины (32,5%) высшей степени очистки в деминерализованной воде, реализуемого компанией SCTVertriebs GmbH под торговой маркой AdBlue®. В результате возникают не мешающие окружающей среде нейтральные молекулы.

Проблемы внедрения SCRтехнологии на остальных моделях подземных самосвалов Sandvik решили моторостроители Mercedes-Benz (Sandvik ТН320, грузоподъемность 20-22 т), Cummins (TH660) и Detroit Diesel (ТН680).

Сочлененный концепт-кар Volvo Centaur

Дальнейшим развитием концепции «Транспортных решений Volvo» является разработка концептуального грузовика Volvo Centaur («Кентавр»), который радикально изменил наше представление о внешности традиционного самосвала и седельного тягача. Ультракомпактная передняя часть, огромные колеса под выгнутыми колесными арками – не остается сомнений, что это будет сильная и быстрая машина, отличающаяся высоким уровнем безопасности. Она создана в сотрудничестве со шведской дизайнерской фирмой Lighthaus Industrial Design. Самосвалы и внедорожные тягачи перевозят тяжелые грузы на большой скорости по плохим дорогам. Поэтому стабильность, обзорность и тяговые возможности стали основополагающими принципами проекта. Лазерные датчики, расположенные по периметру, позволяют машине распознавать людей и объекты в непосредственной близости от нее. Эти устройства сочетаются с превентивной защитной системой, которая не только помогает избежать столкновений, но и поглощает энергию удара, если таковое все-таки происходит.

Водителю (оператору) будущего больше не придется влезать в кабину – она сама «наклонится» к нему до уровня земли. Нужно будет лишь подняться по нескольким ступенькам и войти в хорошо освещенную кабину через переднюю дверь (как на большей части современных мини-погрузчиков с бортовым поворотом или на гусеничном ходу).

Новая конструкция одноосного тягача будет сочетаться с интеллектуальным круговым остеклением кабины, характерной особенностью которого станет индикация параметров на лобовом стекле – как в кабинах современных авиасредств. Такой подход обеспечит великолепную обзорность без необходимости всякий раз отвлекаться от дороги для визуализации характеристик на приборах или мониторе.

 

«Кентавр» будет знакомиться с партнером (оператором/ водителем), запоминая и всякий раз верифицируя отпечаток его пальца – своеобразного биоключа. И все настройки органов управления (автоматически осуществляемые в процессе работы и накапливаемые в долговременной памяти в соответствии с предпочтениями оператора) будут при необходимости вызываться в оперативную память бортовым компьютером для быстрой перенастройки систем, агрегатов и устройств.

 

Кабина у «Кентавра» будет подвешена в воздухе, удерживаясь в пространстве электромагнитным полем. Да-да, речь идет об использовании электромагнитной левитации. Карьерно-внедорожный автомобиль будет практически бесшумен благодаря сверхэффективной системе гибридного привода, дополненной рекуперативной тормозной системой и панелями солнечных батарей для привода вспомогательных устройств. На концепт-каре будет установлен электрогенератор, вырабатывающий энергию для привода электромоторов в каждом колесе. Вернее, «сердцем» машины станет предельно «зеленый» дизель-генератор, работающий в щадящем режиме и сохраняющий свои экологические качества более продолжительное время, неже ли самые экологически чистые нынешние автомобили. А 6, 4 или даже 2 приводимых в действие электродвигателя позволят колесам свободно и независимо друг от друга, то есть с разной требуемой угловой скоростью, обкатывать неровности дороги.

В конструкции «Кентавра» будет использоваться минимум гидравлики. А там, где без нее не обойтись, в ход пойдет экологически чистая вода вместо масла.

Подвеска также претерпит кардинальные изменения. Каждое колесо будет подвешено на качающемся рычаге (рычаги видны, например, на задней грузовой полураме). Внутри легких и устойчивых к скручиванию рычагов будут располагаться амортизаторы. Качающиеся рычаги и амортизаторы обеспечат большой ход подвески.

Новая подвеска также позволит изменять дорожный просвет машины: увеличивать на плохой дороге и уменьшать для облегчения погрузкивыгрузки и быстрого перемещения по ровному покрытию с грузом (до 70 км/ч). Все это позволит значительно снизить время транспортного цикла.

Полуприцеп (задняя грузовая полурама) поворотом передней пары внешних качающихся рычагов в переднюю полусферу легко превратится в самостоятельный двухосный прицеп. А наиболее выдающейся чертой концепт-кара станет возможность отсоединения от такого прицепа одноосного тягача – тягача, который сможет удерживать равновесие с помощью высокопроизводительных компьютеров и гироскопов.

Такое основополагающее свойство шарнирно-сочлененного автомобиля позволит быстро менять область применения машины. Сегодня тягач может работать в составе самосвального автопоезда, завтра – трубовозом, плетевозом или лесовозом, а послезавтра – бензовозом и т.д.

Думаете, бред? Нет, это уже реальность! Вспомните самодвижущиеся двухколесные электротележки с «лейбом» мюнхенской автомобилестроительной компании MAN, на которых немцы впервые предоставили возможность избранным покататься по площадкам осенней киевской автотранспортной выставки TIR-2006 (НВЦ «Экспоцентр Украины»). Хотя реальный изобретатель электротележки, которая двигается вперед при наклоне тела ездока, – это фирма Segway. Ну а теперь вслед за «Тойотой» построили свой двухколесный автомобиль компании General Motors и сама Segway. Американский автогигант и компания-автор «самосбалансированного» самоката объединили усилия (деньги и интеллект), чтобы изобрести новую разновидность компактного городского транспорта.

Безопасность и эффективность самосвальной разработки Volvo ярче всего проявятся в том, как она будет разгружаться. В этом «Кентавру» поможет специальная конструкция кузова, состоящего из двух частей. При выгрузке грузовая платформа будет немного отходить назад и доставать при опрокидывании практически до уровня земли, чтобы груз при разгрузке не сильно разлетался во все стороны. Затем в процессе разгрузки передняя секция кузова начнет уходить в заднюю, контролируемо и безопасно выдавливая материал из кузова. За счет низкого центра тяжести значительно повышается устойчивость изначально длинной грузовой платформы, чтобы она не завалила автомобиль на бок.

Решения, разработанные для концепт-кара «Кентавр», имеют хорошие перспективы в реальном мире. Множеству заложенных в него идей суждено оказать серьезное влияние на развитие автотранспортной техники в течение последующих нескольких десятилетий.