Máy thu khí nén là một thiết bị kỹ thuật độc đáo và gây tranh cãi.
Xe bán xích NAMI S-4 với hệ thống treo khí nén
Những khó khăn của khả năng chạy việt dã cao
Việc chế tạo một chiếc xe có khả năng vận hành trên địa hình gồ ghề là một nhiệm vụ vô cùng phức tạp. Nhiều người đã nỗ lực giải quyết vấn đề này ở nhiều nơi, nhưng một giải pháp toàn diện vẫn chưa được tìm ra. Giải pháp tốt nhất, hóa ra, lại là đường cao tốc, điều này loại bỏ hoàn toàn khái niệm về việc lái xe trên địa hình gồ ghề. Trong tương lai xa và tươi sáng, những con đường trải nhựa chắc chắn sẽ xuất hiện ở những vùng xa xôi nhất trên thế giới, nhưng hiện tại, chúng ta phải hài lòng với những chiếc xe hiệu suất cao.
Câu chuyện Việc phát triển các phương tiện địa hình đầy rẫy những dự án độc đáo, thậm chí kỳ lạ, một trong số đó là hệ thống truyền động bánh xích khí nén. Tại Liên Xô, viện NAMI chịu trách nhiệm về lĩnh vực này, cũng như nhiều phát triển đáng kinh ngạc khác. Trong những thập kỷ đầu sau chiến tranh, ngành kỹ thuật trong nước thực sự bùng nổ với các giải pháp kỹ thuật. Các nhà thiết kế tìm kiếm một giải pháp phổ quát, giá cả phải chăng và đáng tin cậy để giải quyết các điều kiện địa hình hiểm trở truyền thống của Nga. Tàu đệm khí, xe bánh xích khớp nối, xe địa hình đa năng, và nhiều hơn nữa.
Nếu ta hình dung vấn đề tăng khả năng di chuyển trên địa hình gồ ghề bằng cách cải thiện hệ thống đẩy, ta có thể đơn giản hóa nó thành nỗ lực giảm áp suất riêng lên mặt đất. Điều này có thể đạt được bằng nhiều cách. Cách triệt để nhất là sử dụng tàu đệm khí. Áp suất lên mặt đất thực sự là tối thiểu, nhưng những khó khăn trong việc thực hiện lại vô cùng lớn. Một lựa chọn khác là tăng kích thước bánh xe, giảm áp suất bên trong và tăng tổng số bánh xe. Cách này hoạt động tốt, nhưng đòi hỏi sự gia tăng đáng kể về độ phức tạp của hệ thống truyền động, và do đó, chi phí cũng tăng lên. Việc tăng chiều rộng bánh xe được coi là ít tốn kém hơn.
Một chiếc xe thử nghiệm điển hình của NAMI với bánh xe hình vòm.
NAMI từng phát triển cả một loạt các phương tiện thử nghiệm với lốp xe bản rộng, có hình vòm và con lăn khí nén. Rất ít giải pháp trong số này chứng tỏ tính khả thi trong thực tế. Ở nước ngoài, các thí nghiệm đã được tiến hành với các xi lanh khí khổng lồ dài ba mét thay vì bánh xe. Một bài báo của NAMI có bài đánh giá về điều này:
Các phương tiện sử dụng loại xi lanh này, khi được thử nghiệm trên cát, đầm lầy và tuyết nguyên sơ, đã chứng minh khả năng vượt địa hình tốt nhờ giảm áp suất lên mặt đất. Tuy nhiên, ngay cả với công suất động cơ cao, khả năng tải trọng của các phương tiện này vẫn cực kỳ thấp do trọng lượng không tải lớn, tổn thất công suất động cơ đáng kể để khắc phục lực cản quán tính của xi lanh, tổn thất trễ và các yếu tố khác. Hơn nữa, việc sử dụng các xi lanh này đặt ra một số thách thức về thiết kế.
Tóm lại, tất cả đều quy về thực tế là hệ thống truyền động bánh xích cũ và đã được chứng minh là phù hợp nhất cho việc di chuyển địa hình gồ ghề. Chúng tôi nhấn mạnh, không phải là tốt nhất, mà là chấp nhận được. Bánh xích có nhiều nhược điểm: chúng gây hư hại không thể phục hồi cho đất ở các vĩ độ phía bắc, tạo ra tiếng ồn rất lớn trên đường, khá nặng, có tuổi thọ hạn chế và dễ bị trượt khi thực hiện các thao tác gấp. Bánh xích kim loại cũng tạo ra chuyển động không đều, gây ra tải trọng động trong hệ thống truyền động và chính hệ thống dẫn động.
Các kỹ sư đã nghĩ ra vô số thủ thuật để bù đắp những nhược điểm của xích. Chúng bao gồm xích liên kết, xích đai cao su và xích có bản lề cao su-kim loại. Vào giữa những năm 60, các kỹ sư Nga quyết định thử một giải pháp khác: xích khí nén. Nói một cách đơn giản, đó là loại xích có thể bị đâm thủng bằng dùi.
Vào giai đoạn đầu hoạt động, "Nòng nọc" suýt nữa đã được trang bị xích bơm hơi. Hình ảnh minh họa là NAMI S-4.
Về lý thuyết, xích khí nén, hay xích bơm hơi, mang lại tất cả các ưu điểm. Loại hệ thống truyền động này tương đối đơn giản để sản xuất và giảm thiểu hoàn hảo độ rung của con lăn từ gầm xe. Do tính đàn hồi của xích khí nén, diện tích tiếp xúc với mặt đất lớn hơn một chút so với xích thép truyền thống. Khi xe sử dụng xích khí nén di chuyển trên địa hình không bằng phẳng, hệ thống treo con lăn hầu như không hiệu quả. Điều này là do tác dụng giảm xóc của xích chứa đầy không khí. Các nhà phát triển của NAMI tuyên bố rằng xích khí nén có tuổi thọ cao hơn so với xích thép. Hơn nữa, xe sử dụng xích bơm hơi cần ít con lăn hơn. (Trích từ một bài báo khoa học về chủ đề này):
Ví dụ, nếu cần bố trí bốn hàng con lăn cho một rãnh băng tải cao su rộng để đảm bảo áp lực đồng đều lên mặt đất và loại bỏ các biến dạng uốn cong đáng kể của biên dạng, thì có thể sử dụng bố trí hai hàng cho rãnh khí nén.
Ưu điểm của xích hơi không chỉ dừng lại ở đó. Chúng mang lại khả năng chịu tải cao hơn, độ bám đường tốt hơn trên bùn và tuyết, khả năng xử lý thảm thực vật nhẹ nhàng hơn, trọng lượng tương đối nhẹ hơn và cải thiện sự thoải mái cho hành khách nhờ chuyến đi êm ái hơn. Xích hơi có hai nhược điểm thực sự: nguy cơ bị thủng và nhạy cảm với nhiệt độ thấp. Cả 50 năm trước và hiện nay đều chưa có loại cao su nào vừa dẻo vừa chịu được nhiệt độ thấp.
Được chế tác từ kim loại và cao su.
Nguyên mẫu nội địa đầu tiên của một loại xe sử dụng xích khí nén là xe địa hình NAMI S-3, được chế tạo vào năm 1962 trên cơ sở xe SUV dẫn động bốn bánh Moskvich-415. Phần đầu xe vẫn giữ nguyên tiêu chuẩn, bao gồm trục dẫn động trước và bánh xe với lốp thông thường. Tuy nhiên, phần đuôi xe đã được thiết kế lại hoàn toàn: các bánh xe và trục tiêu chuẩn đã được loại bỏ, và hai xích khí nén được lắp đặt thay thế.
Mỗi cụm truyền động bao gồm một khung cân bằng với ba cặp bánh xe đường đôi, một đĩa xích dẫn động phía trước và một đai khí nén một lớp—về cơ bản là một lớp màng cao su gia cường khổng lồ được căng trên các con lăn như một đai vô tận. Đai được làm bằng dây cao su—một cấu trúc nhiều lớp trong đó một sợi chỉ dệt hoặc kim loại cung cấp độ bền, trong khi các lớp cao su cung cấp khả năng làm kín và độ đàn hồi.
Các cuộc thử nghiệm đã được tiến hành tại bãi thử NAMI gần Moscow, nơi chiếc xe đã chứng minh hiệu suất đáng tin cậy trên đất cát, đồng cỏ đầm lầy và đất sét nhão. Bộ Quốc phòng Liên Xô bày tỏ sự quan tâm đến sự phát triển này, nhưng không có đơn đặt hàng sản xuất hàng loạt nào được đưa ra – chiếc xe vẫn còn quá thử nghiệm, và tuổi thọ của dây đai khí nén còn nhiều điều cần cải thiện.
NAMI S-3
Năm 1965, phiên bản hiện đại hóa, NAMI S-3M, được ra mắt. Nó dựa trên mẫu GAZ-69 mạnh mẽ và có khả năng vượt địa hình hơn, nổi tiếng với biệt danh "con dê". Chiếc xe này vẫn giữ nguyên trục trước, nhưng được trang bị lốp địa hình rộng hơn để cải thiện sự cân bằng giữa hệ thống dẫn động trước và sau. Khung gầm phía sau được trang bị xích khí nén bằng cao su gia cường với bánh xe đường bộ đường kính nhỏ hơn và tang trống dẫn động phía trước.
Thiết kế ban đầu có vẻ đầy hứa hẹn: chiếc xe hoạt động rất tốt trên đường đất và địa hình gồ ghề. Tuy nhiên, trong quá trình thử nghiệm trên đường cao tốc, một lỗi nghiêm trọng đã xuất hiện. Chiếc xe địa hình này ổn định ở tốc độ lên đến 40 km/h, tốc độ chấp nhận được đối với các đoàn xe quân sự. Tuy nhiên, vượt quá tốc độ này, các vấn đề bắt đầu phát sinh: xe bắt đầu lắc lư sang hai bên, tạo ra hiện tượng chao đảo, và các dải cao su quá nóng mất đi độ đàn hồi và rơi ra khỏi con lăn. Từ góc nhìn của quân đội, đây là một khuyết điểm không thể chấp nhận được - xe chiến đấu phải đáng tin cậy trong mọi điều kiện lái xe. Dự án lại một lần nữa bị đình trệ ở giai đoạn nguyên mẫu.
NAMI S-3M
Song song với S-3M, NAMI đã phát triển S-4 vào năm 1965, dựa trên xe tải UAZ-451D – một loại xe tải thùng phẳng cỡ nhỏ với hệ dẫn động 4x4. Xe này có xích rộng 360 mm và cao 90 mm, đường kính trong 1500 mm. Chúng được căng trên một bộ truyền động gắn trên các thanh đỡ trục sau. Các con lăn ngoài có răng để truyền mô-men xoắn, trong khi các con lăn ở giữa thì trơn. Vành cao su có thể tháo rời được đặt trên các con lăn thép để giảm tiếng ồn và tăng độ bền của đai khí nén. Thiết kế sau đó đã được cải tiến: để ổn định xích tốt hơn, các gờ dẫn hướng bằng thép được thêm vào đường viền xích, ngăn chuyển động ngang. Giống như các nguyên mẫu khác, S-4 là một chiếc duy nhất và không được đưa vào sản xuất hàng loạt.
NAMI-0106
Việc lắp đặt hệ thống bánh xích khí nén lên khung gầm ô tô tiêu chuẩn đã bộc lộ một vấn đề cơ bản: hệ thống truyền động và làm mát của xe sản xuất hàng loạt không được thiết kế để chịu tải trọng tăng thêm của bánh xích, và thiết kế nửa bánh xích đã ngăn cản bánh xích khí nén phát huy hết tiềm năng của nó. Để khắc phục những hạn chế này, vào năm 1965, NAMI bắt đầu phát triển một nguyên mẫu hoàn toàn mới - xe địa hình khớp nối NAMI-0106.
Chiếc xe gồm hai phần: một đầu kéo phía trước và một rơ moóc chủ động phía sau, được nối với nhau bằng khớp nối Hooke ba bậc tự do. Thiết kế này đảm bảo khả năng cơ động tuyệt vời—bán kính quay vòng trên tuyết chỉ là 5,5 mét. Thân xe bằng kim loại hàn kín, về mặt lý thuyết cho phép xe có thể hoạt động trên mặt nước.
Hệ thống động cơ được đặt phía sau phần trước và bao gồm động cơ GAZ-21 Volga kết hợp với bộ ly hợp UAZ và hộp số bốn cấp, cùng với hộp số phụ UAZ-452. Mô-men xoắn được truyền qua trục truyền động và khớp nối đến bộ truyền động cuối cùng của phần sau, dẫn động các bánh xích khí nén, được kết nối với chân vịt S-3M. Việc lái được thực hiện bằng cơ cấu khớp nối thủy lực – sử dụng xi lanh thủy lực từ xe tải Ural-375. Khi vận hành đầu kéo mà không có rơ moóc, việc lái được thực hiện bằng hệ thống phanh tích hợp với cơ cấu đa đĩa ma sát khô, được lắp đặt thay thế cho các ống trục tiêu chuẩn.
Việc thử nghiệm NAMI-0106 đã mang lại kết quả ấn tượng. Với khoảng sáng gầm xe khiêm tốn chỉ 220 mm, chiếc xe đã tự tin vượt qua những dốc phủ tuyết có độ nghiêng lên đến 25 độ, di chuyển trong tuyết dày và vượt qua những điều kiện đường đất lầy lội. Vào mùa hè năm 1969, các cuộc thử nghiệm độc đáo đã được tiến hành trong một đầm lầy lau sậy ở vùng Krasnodar, gần làng Grigoryevskaya, trong điều kiện giống như rừng rậm. Chiếc xe địa hình đã di chuyển một cách tự tin qua đám lau sậy, nhờ vào áp suất mặt đất thấp của hệ thống bánh xích khí nén.
Tuy nhiên, quá trình thử nghiệm cũng cho thấy những vấn đề nghiêm trọng: trên một con đập đất sét ẩm ướt, có tới ba kilogram bùn – hỗn hợp bùn phù sa và đất đen – bám vào xích, làm tăng lực cản đáng kể. Vị trí chắn bùn thấp góp phần làm tích tụ bùn, và hệ thống truyền động ma sát mất đi hiệu quả do bùn phù sa hoạt động như chất bôi trơn. Một vấn đề quan trọng là độ cứng ngang của xích không đủ: khi vào cua gấp và ở tốc độ cao, xích sẽ bị tuột khỏi con lăn, và khi di chuyển trên đất mềm, chúng sẽ bị phồng lên, làm kẹt bề mặt đỡ.
NAMI-SZMU
Để giải quyết những vấn đề này, các nhà phát triển do Tiến sĩ Khoa học Kỹ thuật V. M. Semenov dẫn đầu đã tiến hành nghiên cứu tiên phong về mặt cắt ngang của xích. Hình dạng hình thang được áp dụng ban đầu được cho là không phù hợp. Giải pháp hiệu quả nhất hóa ra là chế tạo xích khí nén bao gồm nhiều khoang riêng biệt được bố trí song song. Mỗi khoang có van riêng, cho phép thay đổi áp suất, từ đó thay đổi độ cứng của xích trên toàn bộ chiều rộng tiếp xúc. Ví dụ, áp suất thấp hơn ở khoang giữa và áp suất cao hơn ở các khoang bên giúp cải thiện lực kéo trên nền đất mềm, và tốc độ tối đa có thể đạt 80 km/h.
Khái niệm này đã hình thành nền tảng cho sự phát triển của thế hệ xích khí nén đa khoang mới – thiết kế xích khớp nối trong đó mỗi phần tử khí nén được thực hiện như một xích riêng biệt, được kết nối với các xích lân cận để tạo thành một chuỗi xích duy nhất. Đây là thiết kế được sử dụng cho bộ truyền động xích khí nén của nguyên mẫu NAMI-S3MU, được chế tạo vào năm 1968 trên khung gầm GAZ-69M.
Hệ thống ray khí nén bao gồm một lớp vỏ bằng dây cao su có van, hai tai gắn và hai chốt kim loại được lưu hóa thành các lỗ để kết nối với các ray liền kề. Kích thước của một ray đơn là: cao 80 mm, rộng 300 mm và dài 196 mm. Lực kéo được truyền qua khớp nối kiểu chốt thông qua các con lăn kim loại rỗng nằm giữa hai hàng tai gắn trên một toa xe cân bằng.
Bộ phận đẩy khí nén NAMI-SZMU-018 dành cho xe bánh xích. Như chúng ta thấy, lượng khí còn lại ở đây không nhiều.
Đáng chú ý, các nhà phát triển cũng đã phát minh ra một cơ chế căng xích độc đáo. Cơ chế vít truyền thống, được mượn từ các loại xích thép thông thường, tỏ ra bất tiện trong quá trình lắp đặt và tháo dỡ thường xuyên. Việc hạ con lăn ngoài đòi hỏi phải nâng xe lên một độ cao đáng kể. Bản thân thiết kế đã đưa ra một giải pháp: độ đàn hồi ngang cao của xích khí nén, vốn là một nhược điểm trong quá trình vận hành, lại trở thành một lợi thế trong quá trình lắp đặt. Con lăn ngoài giờ đây gập sang một bên như một cánh cửa, cho phép dễ dàng lắp đặt và tháo dỡ xích. Giải pháp kỹ thuật thanh lịch này đã loại bỏ hoàn toàn những khó khăn trong bảo trì của các nhà thiết kế.
Bắt đầu kết thúc
Sự phát triển của lĩnh vực này đạt đỉnh cao vào nửa đầu những năm 1970, khi các chuyên gia của NAMI, cùng với các nhà thiết kế từ Nhà máy Ô tô Gorky, bắt đầu chế tạo các hệ thống truyền động bánh xích khí nén hoàn chỉnh cho các phương tiện vận chuyển bánh xích sản xuất hàng loạt.
Theo một thỏa thuận kinh doanh với GAZ, một nguyên mẫu thử nghiệm với khung gầm hoàn toàn mới đã được chế tạo vào năm 1972–1973 dựa trên xe trượt tuyết GAZ-71 sản xuất hàng loạt. Một hệ thống xích khí nén không khớp nối đã được phát triển cho nguyên mẫu này, sử dụng các xích khí nén dài, linh hoạt kết hợp những ưu điểm của thiết kế một lớp – cuộn lại đều và êm ái – với sự phân bố áp lực mặt đất đồng đều. Các xích khí nén được sản xuất trong khuôn NAMI tại Viện Nghiên cứu Khoa học Thiết kế và Công nghệ Omsk (NIKTI) thuộc ngành công nghiệp lốp xe.
Các chuyên gia hàng đầu của NAMI, gồm A. A. Glinka, V. V. Morozov, M. D. Nemtinov, V. M. Semenov, V. I. Solovyov và D. G. Yurushkin, cùng với các nhà khoa học từ Đại học Kỹ thuật Quốc gia Bauman Moscow và Nhà máy Lốp xe Omsk, đã tham gia vào công việc này. Hệ thống xích khí nén được lắp đặt bởi kỹ sư cao cấp P. N. Tikhomirov và nhà thiết kế chính N. G. Speransky, người đồng thời giám sát việc lắp đặt cơ cấu lái biến thiên liên tục do ông phát triển trên cùng một nguyên mẫu. Công việc được thực hiện trong khuôn khổ một kế hoạch chuyên đề khép kín, nhấn mạnh tầm quan trọng quốc phòng của nó.
Các cuộc thử nghiệm nghiệm thu đã được tiến hành tại Nhà máy Ô tô Gorky và cho kết quả tích cực: hệ thống bánh xích khí nén mang lại khả năng vượt địa hình tốt hơn đáng kể so với bánh xích thép, đồng thời hầu như không gây hại cho thảm thực vật hoặc các lớp đất mặt.
Tuy nhiên, số phận của chương trình đã bị định đoạt bởi các yếu tố quan liêu và tổ chức. Ban lãnh đạo NAMI, đặc biệt là giám đốc A. M. Khlebnikov, đã tích cực vận động để bác bỏ triển vọng nghiên cứu về hệ thống bánh xích khí nén, cho rằng chúng không phù hợp với định hướng nghiên cứu ô tô của viện. Theo lệnh của Cục Thiết kế và Thử nghiệm thuộc Bộ Công nghiệp Ô tô, toàn bộ công việc đã được chuyển từ NAMI sang Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Công nghiệp Xe địa hình (IRLVM) tại Viện Bách khoa Gorky, trước đây do S. V. Rukavishnikov đứng đầu. Trưởng chương trình V. M. Semenov được chuyển sang một bộ phận khác của NAMI. Thậm chí trước đó, V. V. Morozov và V. I. Solovyov đã bị buộc phải từ chức, và D. G. Yurushkin nhận một vị trí quản lý tại Bộ Công nghiệp Ô tô.
Như vậy, giai đoạn nghiên cứu kéo dài mười hai năm về hệ thống truyền động bánh xích khí nén tại NAMI đã kết thúc. Tuy nhiên, chủ đề này không bị bỏ rơi hoàn toàn. Từ năm 1976 đến năm 1978, ONILVM đã phát triển và nghiên cứu hệ thống truyền động bánh xích khí nén cho máy kéo có tải trọng kéo từ 2-3 tấn, và vào năm 1980, Vụ Hệ thống Khung gầm của Viện Cơ giới Nông nghiệp Toàn Liên Xô đã xác nhận rằng hệ thống truyền động này làm giảm tác động nén chặt đất. Năm 1991, Phó Giáo sư N. B. Veselov đã thành lập Văn phòng Thiết kế Chuyên ngành cho TTM, sau này trở thành ZAO Transport. Từ năm 1991 đến năm 2002, tổ chức này đã phát triển khoảng ba mươi nguyên mẫu thử nghiệm các phương tiện vận tải và công nghệ địa hình sử dụng hệ thống truyền động bánh xích khí nén.
Tại sao một công nghệ đầy hứa hẹn như vậy lại không được áp dụng rộng rãi ở Liên Xô? Lý do rất phức tạp. Thứ nhất, vào những năm 1960 và 1970, vật liệu dây cao su đủ bền và chịu mài mòn không có sẵn: dây đai khí nén nhanh chóng bị mòn, đặc biệt khi làm việc trên đất đá và đất cứng, và việc sửa chữa tại hiện trường rất khó khăn.
Thứ hai, khách hàng quân sự, những người sử dụng tiềm năng chính, có những yêu cầu khắt khe về độ tin cậy và tốc độ—các vấn đề về trượt bánh xích ở tốc độ trên 40 km/h và khi vào cua gấp là rất quan trọng đối với các phương tiện chiến đấu. Thứ ba, hệ thống kế hoạch của Liên Xô, hướng tới sản xuất hàng loạt và tiêu chuẩn hóa, không muốn chấp nhận những thiết kế hoàn toàn mới đòi hỏi việc tạo ra một cơ sở sản xuất riêng biệt và đào tạo nhân viên.
Cuối cùng, một yếu tố hoàn toàn chủ quan—tham vọng cá nhân và mâu thuẫn trong nội bộ ban lãnh đạo NAMI—đã dẫn đến việc chương trình bị hủy bỏ ngay khi nó sắp được triển khai thực tế. Phó Giám đốc Nghiên cứu của NAMI, A. A. Lipgart, trong khi đánh giá cao các kết quả khoa học, đã thừa nhận tại một cuộc họp của Hội đồng Học thuật thảo luận về luận án tiến sĩ của Semenov:
Rất nhiều công việc đã được thực hiện và thu được những kết quả rất thú vị cho khoa học, nhưng tôi vẫn chưa rõ về ứng dụng thực tiễn của những thiết kế này.
Ngày nay, khi các vấn đề môi trường và việc bảo tồn hệ sinh thái Bắc Cực mong manh trở thành mối quan tâm hàng đầu, một loại xe bánh xích khí nén không phá hủy thảm thực vật hay đất đóng băng vĩnh cửu dường như là một giải pháp kịp thời đến bất ngờ, đi trước thời đại nửa thế kỷ.
tin tức