Как мы уже говорили, передвижение — результат процесса взаимодействия движителя машины с грунтом. Это взаимодействие определяется величиной, характером и направлением нагрузок, передаваемых движителем на грунт. Установлено, что при прочих равных условиях движитель может быть оценен величиной и формой поверхности контакта с грунтом. Такой подход позволяет сравнивать между собой различные движители и оценивать их пригодность для передвижения по тем или иным грунтам.
Грунт воспринимает вес машины и тяговое усилие, развиваемое ее движителем. Очевидно, равнодействующая этих двух сил не должна вызывать разрушения структуры грунта, ибо в противном случае машина начнет зарываться, проходимость будет потеряна.
По своим свойствам все грунты могут быть подразделены на фрикционные и связные. У первых преобладают силы трения между частицами. К таким грунтам относятся песок и снег при низких температурах. У вторых решающее влияние оказывают силы сцепления между составляющими грунт частицами.
Движение машины по грунту возможно только в том случае, если напряжения в грунте, возникающие под воздействием движителя машины в момент ее прохода по данному участку, не превышают несущей способности грунта и сопротивления сдвигу. Однако увеличение веса машин и скорости их передвижения привело к тому, что деформации грунта стали больше величин, преодоление которых возможно при существующих конструктивных решениях движителей. Погружение машины в грунт, а следовательно, и сопротивление движению возрастают при этом настолько значительно, что машина теряет проходимость.
Выход заключается в уменьшении нагрузок на единицу поверхности грунта, находящуюся в контакте с движителем. При заданных нагрузках это решается путем увеличения площади опорной поверхности, передающей нагрузки на грунт. Увеличение площади в свою очередь достигается двояко. Если предполагаются достаточно интенсивные и длительные перевозки между двумя пунктами, то на грунте на всем протяжении маршрута возводится сооружение, распределяющее нагрузки по большой площади. Такое сооружение в зависимости от устройства называется либо железной, либо шоссейной дорогой. Если же интенсивность перевозок между двумя пунктами невелика или не представляется возможности заранее точно определить и подготовить маршрут движения (как для армейских машин), устройство, распределяющее нагрузки на большую площадь грунта — движитель, — становится принадлежностью самой машины.
Размеры и конфигурация движителя машины, естественно, должны определяться свойствами того грунта, для движения по которому машина предназначена. Отсюда конструкторы могут сделать для себя вывод: если они хотят проектировать вездеход — машину для движения по различным грунтам, она должна иметь изменяемую (гибкую) конструкцию движителя. В противном случае неизбежны большие потери мощности на разрушение грунта, а то и полная потеря проходимости.
В США в последние годы с этой целью были проведены исследования свойств грунтов. Было установлено, что увеличения тягового усилия, развиваемого движителем в зависимости от свойств грунта, по которому происходит движение, можно добиться двумя путями. На грунтах, где преобладают силы трения, для возрастания тягового усилия необходимо увеличивать среднее удельное давление машины на грунт. Повышение тягового усилия машины на пластичных грунтах, где ярко проявляются силы сцепления, вопреки распространенному мнению, может быть достигнуто за счет уменьшения среднего удельного давления.
Другой результат этих исследований, вытекающих из основных положений механики системы «грунт-машина», — вывод о том, что форма поверхности контакта движителя с грунтом и ее ориентация по направлению движения машины оказывают не менее важное влияние на эксплуатационные показатели машины, чем величина опорной поверхности. Иными словами, машины, имеющие одно и то же среднее удельное давление на грунт и одинаковые площади опорных поверхностей, будут тем не менее обладать различной проходимостью, если форма поверхности контакта их движителей с грунтом различна. При равных удельных давлениях на грунт автомобиль с узкими ведущими колесами большого диаметра будет обладать лучшей проходимостью, чем автомобиль с широкими колесами малого диаметра. Или — гусеничные машины с узкой и длинной гусеницей будут отличаться лучшей проходимостью, чем машины с широкой и короткой гусеницей.
Итак, проходимость определяется свойствами грунта, размерами, формой и ориентировкой поверхности контакта движителя с грунтом.
Следует заметить, что подобные исследования грунтов дали возможность прогнозировать проходимость машин, в частности танков, на отдельных участках местности, основываясь на данных инженерной разведки местности. Для этого были составлены таблицы классификации грунтов с точки зрения их «проезжаемости».
В целом же отмеченные исследования системы «грунт-машина» позволили выработать следующие исходные предпосылки, очень важные для конструкторов. Во-первых, создание транспортных средств для бездорожья не может быть осуществлено примитивными средствами без проведения необходимых теоретических работ. Во-вторых, создание транспортных средств для бездорожья — задача значительно более трудная, нежели разработка конструкций самолетов, кораблей, поездов, обычных автомобилей. Для ее решения должны быть сосредоточены соответствующие силы и средства. И в-третьих, создание транспортных средств для бездорожья в настоящее время может вестись не вообще, не абстрактно, а для определенных грунтовых условий, и работа должна быть начата именно с изучения этих условий.
Исследуя свойства грунтов, зарубежные специалисты установили, что способность грунта обеспечить передвижение той или иной машины не может быть оценена, двумя-тремя показателями (плотность, зависимость сопротивления от скорости и т. д.), т. е. так, как это делают для воды или воздуха в гидро- или аэродинамике. Поэтому и определение проезжаемости грунтов не может быть произведено примитивными приборами. Была сделана попытка оценить грунты комплексом из одиннадцати показателей, однако и этого количества не всегда было достаточно, не говоря уже о сложности измерения такого количества взаимосвязанных величин. Кроме того, нет никакой уверенности в том, что свойства грунта в момент взаимодействия его с движителем остаются такими же, какими они были при измерениях — практика подсказывает обратное. Тем не менее, привлекая материалы и методы смежных наук, все же удалось провести классификацию грунтов и накопить фактический материал по их проезжаемости. Исследования дали также довольно полную информацию о качественных показателях грунтов, необходимую при разработке и оценке новых конструктивных решений и эксплуатационных показателей созданных машин.
В наиболее общем виде можно сказать, что механика системы «грунт-машина» показала невозможность на современном техническом уровне создать вездеходную универсальную машину, годную для любых грунтов и дорог. Из-за существенных различий в свойствах грунтов машина, обладающая оптимальными показателями в одних условиях, не будет иметь их при работе в других. Стало очевидным, что в настоящее время для работы в каждой географической (грунтовой) зоне необходимо разрабатывать свой тип машины.
Вторым важным достижением механики системы «грунт-машина» следует считать разработку различных методов расчета эксплуатационных показателей проектируемых машин по их конструктивной характеристике. Это значительно упростило проведение исследований и сократило затраты времени на разработку новых конструктивных решений машин высокой проходимости.
Созданная механикой системы «грунт-машина» теоретическая база позволила проводить сравнительные исследования новых типов движителей — шнековых, на воздушной подушке, вибрационных, шагающих и других. Наряду с этим во многих странах идут широким фронтом поиски новых конструктивных решений по совершенствованию существующих типов движителей. В частности, не утихают дебаты о достоинствах и недостатках колесных и гусеничных движителей. При этом в качестве доводов обычно приводят результаты сравнительных испытаний. Однако результаты таких испытаний в части, касающейся системы «грунт-машина», нередко истолковываются чисто механически, что приводит к ошибочным выводам, при которых вместо разумных величин выдвигаются крайности. Сторонники колес или гусениц настойчиво доказывают свою правоту, не учитывая, что каждый из типов движителей подходит для своих, наиболее характерных для него условий. А такие условия должны быть определены на основе изучения взаимодействия движителя с грунтом.