Проходимость автомобилей

Настоящий раздел посвящён основным характеристикам автомобилей и теории изучения их главных механизмов. Особое внимание почитателей вездеходной техники мы обращаем на 7 главу книги «Автомобили. Теория», в которой автор делится, на наш взгляд, очень ценной информацией — она может быть полезной как начинающим, так и опытным вездеходчикам. В издании приведены результаты анализа эксплуатационных характеристик автомобиля, связанных с его движением, таких, как управляемость, маневренность, устойчивость, проходимость, а также влияния конструктивных факторов на эксплуатационные свойства. Значительное внимание уделено тягово-скоростным свойствам, от которых зависят производительность автомобилей и их топливная экономичность, оказывающая существенное влияние на себестоимость перевозок.

Автор издания — заслуженный деятель науки и техники БССР, доктор технических наук, профессор А. И. Гришкевич. Год издания — 1986.

Рецензенты издания: кафедра «Автомобили и двигатели» Завода-втуза при ЗИЛе и профессор кафедры «Автомобили» Московского ордена Трудового Красного Знамени автомобильно-дорожного института Я. Е. Фаробин.


7 ПРОХОДИМОСТЬ АВТОМОБИЛЯ

7.1 Основные определения

Под проходимостью понимается способность автомобиля перевозить с высокой средней скоростью груз, пассажиров или специальное оборудование в тяжелых дорожных или внедорожных условиях. Проходимость автомобиля — комплексное свойство, характеризующее его подвижность и экономичность. Оно неразрывно связано со способностью автомобиля наиболее эффективно выполнять транспортную работу в заданных дорожных условиях.

По уровню проходимости автомобили принято делить на три категории: ограниченной, повышенной и высокой проходимости.

Автомобили ограниченной проходимости (дорожные автомобили) предназначены для эксплуатации на дорогах с твердым покрытием и грунтовых дорогах в сухое время года. При использовании дополнительных средств (цепи противоскольжения, арочные шины) они могут работать и в более сложных условиях. Сюда относятся неполноприводные автомобили типа 4*2, 6*2, 6*4, 8*4.

Автомобили повышенной проходимости конструктивно незначительно отличаются от дорожных. Как правило, такие автомобили создаются на базе дорожных, а повышение проходимости обеспечивается приводом на все колеса, постановкой дополнительной раздаточной коробки, использованием шин с пониженным или регулируемым давлением воздуха. В некоторых случаях устанавливают блокируемые дифференциалы или дифференциалы повышенного трения, лебедки и другие приспособления для преодоления препятствий.

Автомобили высокой проходимости создаются специально для работы в условиях бездорожья, они должны обладать способностью преодолевать встречающиеся на местности препятствия: канавы, вертикальные уступы, подъемы и др.

В отдельную группу по проходимости выделяются специальные автомобили. Они создаются для эксплуатации в определенных условиях: Крайнего Севера, на заболоченной или песчаной местности и др. Такие автомобили имеют особую компоновку и, как правило, специальные типы движителей.

Автомобиль или автопоезд может потерять подвижность вследствие: задевания выступающими частями за неровности дорожной поверхности, опасности опрокидывания или невозможности преодоления подъемов или из-за недостаточной окружной силы на ведущих колесах для преодоления сопротивления движению на поверхностях со слабой несущей способностью.

В соответствии с этим различают препятствия, обусловленные профилем местности и вызванные слабой несущей способностью опорной поверхности. Способность автомобиля преодолевать названные препятствия оценивается профильной и опорно-сцепной проходимостью. На труднопроходимых маршрутах встречаются те и другие виды препятствий. Поэтому проходимость автомобиля в целом зависит от его профильной и опорно-сцепной проходимости.

7.2 Профильная проходимость

Профильная проходимость зависит от компоновки автомобиля и оценивается геометрическими параметрами проходимости, которые определяют по компоновочным чертежам или путем измерения натурных образцов. Все измерения проводятся при полной нагрузке автомобиля на горизонтальной площадке с твердым и ровным покрытием. Геометрические параметры проходимости автомобиля показаны на рис. 7.1


рис. 7.1 Геометрические параметры проходимости автомобиля

Дорожный просвет (h) — расстояние от опорной поверхности до наиболее низкой точки автомобиля, расположенной между колесами. Обычно это точки под картерами главных передач ведущих мостов и в местах расположения рессор. В технических характеристиках автомобилей могут приводиться несколько значений дорожного просвета. Например, дорожный просвет под передним  и задним  мостами. У современных легковых автомобилей дорожный просвет составляет 150...220 мм, автобусов — 220...300мм, а у грузовых автомобилей ограниченной и повышенной проходимости — 240...300мм. В нормативах СЭВ рекомендуется для грузовых автомобилей обеспечивать дорожный просвет не менее 270 мм. У автомобилей высокой проходимости за счет применения колесных передач и крупноразмерных шин дорожный просвет достигает 400...500 мм.

Передним () и задним () углами свеса ограничивается проходимость автомобиля при проезде через канавы, пороги, крутые переломы. Углы свеса — это углы между плоскостью опорной поверхности и плоскостью, касающейся колес и наиболее выступающей точки автомобиля. Большие углы свеса обеспечивают возможность преодоления, автомобилем крутых препятствий, не задевая их. Наибольшие углы свеса имеют автомобили высокой проходимости: передний 60...70°и задний 50...60°.

Продольный радиус проходимости () — радиус условной цилиндрической неровности, через которую автомобиль может проехать, не задевая ее наинизшей точкой, расположенной в его средней части. Чем меньше , тем более крутые неровности может автомобиль преодолеть. Продольный радиус проходимости может быть определён по компоновочному чертежу или экспериментально. При этом можно использовать формулы:

  

Смысл величин этих формул показан на рис 7.1. Характерные радиусы продольной проходимости и углы свеса дорожных автомобилей приведены в табл. 7.1.

табл. 7.1. Углы свеса и радиусы проходимости дорожных автомобилей

Тип автомобиля Угол свеса передний, град. Угол свеса задний, град. Радиус проходимости, м.

Легковые

Грузовые

Автобусы

20…30

40…60

10…40

15…20

25…45

6…20

3…8

2,5…6

4…9


В некоторых случаях для оценки проходимости автомобилей через препятствия соизмеримые с колеей автомобиля, используют понятие поперечный радиус проходимости() (см. рис. 7.1).

Способность автомобиля приспосабливаться к неровностям местности без потери контакта колес с дорогой зависит от возможных углов перекоса мостов. Угол перекоса находится как сумма углов перекоса переднего и заднего мостов относительно горизонтальной плоскости (рис. 7.2). У автомобилей, имеющих ведущие мосты, ко​торые сгруппированы в балансирную тележку, определяют также возможные углы перекоса мостов тележки.


рис. 7.2 Схема определения углов перекоса мостов автомобиля

Способность автопоезда двигаться по пересеченной местности оценивается углами гибкости в вертикальной плоскости. Схема их определения показана на рис. 7.3. По существующим нормативам угол гибкости ξ у автопоезда с двухосным прицепом должен быть не менее ±62°, а у седельного автопоезда — ±8°.


рис. 7.3 Схема определения углов гибкости автопоезда в вертикальной плоскости

Способность автомобиля или автопоезда маневрировать в ограниченном пространстве характеризуется минимальным радиусом поворота и шириной габаритного коридора поворота. Методы нахождения этих характеристик приводились в параграфе 6.1. Для автопоездов дополнительно определяют углы гибкости в горизонтальной плоскости. Они должны быть не менее 55° у автопоездов с двухосными прицепами и 90° — у седельных автопоездов.

Профильная проходимость автомобилей в значительной мере определяется их способностью преодолевать отдельные препятствия.

Максимальный подъем, который автомобиль может преодолеть, зависит от окружной силы, развиваемой ведущими колесами, и от угла его продольной устойчивости — угла между плоскостью, нормальной к опорной поверхности и проходящей через центр масс, и плоскостью, проходящей через центр масс и точки контакта задних колес с дорогой. Этот угол определяет возможность опрокидывания автомобиля относительно задней оси. У автомобилей обычной компоновки он всегда больше угла максимального подъема, преодолеваемого ими, и поэтому опрокидывание относительно задней оси оказывается практически невозможным. Только для автомобилей специальной компоновки с очень высоким расположением центра масс следует анализировать устойчивость при преодолении максимальных подъемов. Максимальная окружная сила, развиваемая ведущими колесами автомобиля, как правило, ограничена сцеплением ведущих колес с опорной поверхностью. Иногда у дорожных автомобильных поездов она ограничивается вследствие недостаточного крутящего момента, передаваемого через трансмиссию к ведущим колесам. В этом случае максимальный преодолеваемый подъём может быть найден из соотношения imax=Dmax. Найдем максимальный угол подъема, преодолеваемого автопоездом с тягачом 4*2, при условии, что его значение ограничено сцеплением ведущих колес с опорной поверхностью. Примем, что сцепление под обоими колесами моста одинаково. Ввиду малой скорости автопоезда при преодолении максимальных подъёмов . Схема сил и моментов, действующих на тягач, показана на рис. 7.4.

рис. 7.4 Силы и моменты, действующие на автомобиль-тягач при преодолении максимальных подъёмов

Сумма проекций всех сил на опорную поверхность:

Fk = gma sin α+Fкр (7.1)

Сумма моментов относительно оси, проходящей через точки контакта передних колёс с опорной поверхностью:

Rz2 L= Mf 1 + Mf 2 + gma hg sin α + gma α cos α + Fкр h кр (7.2)

Решая совместно уравнения (7.1) и (7.2) и учитывая, что Fкр max = φ Rz 2 и

Fкр = gma sin α+f gma cos α, получаем:

Для одиночного автомобиля (Fкр = 0)

Если тягач имеет привод на все мосты (Fкр = φ mag cos α),

Для одиночного полноприводного автомобиля tg α max= φ.

Автомобили и автопоезда способны преодолевать подъемы по твердым склонам (φ =0,6…0,75) следующей крутизны: автопоезда с неполноприводными тягачами — 11...13°; одиночные неполноприводные автомобили — 20...25; автопоезда с полноприводными тягачами — 15...20; полноприводные одиночные автомобили — 27...35°.

Нормативными документами определено, что автомобильные поезда должны преодолевать подъемы с твер​дой опорной поверхностью крутизной не менее 18 % (10,2°), а одиночные автомобили — 25 % (14°).

Спуск опасен тем, что на нем возможно опрокидывание автомобиля относительно передних колес. У автомобилей обычной компоновки при равномерной скорости движения потеря устойчивости вследствие опрокидывания может произойти лишь на спусках крутизной более 45°. Если же автомобиль на спуске встречает препятствие, возникает инерционная сила, направление которой совпадает с направлением движения автомобиля. В силу увеличения опрокидывающего момента вероятность опрокидывания возрастает. Аналогичные явления происходят при резком торможении на спуске. Опрокидывание автомобиля может произойти также и в конце спуска, когда сопротивление движению в момент перехода с наклонного участка на горизонтальный резко возрастает. При опрокидывании автомобиля в рассмат​риваемых условиях затрачивается энергия на подъем центра масс за счет кинетической энергии автомобиля. Поэтому для уменьшения вероятности опрокидывания скорость спуска не должна быть большой. Расчеты показывают, что для автомобилей обычной компоновки при предельных углах спуска до 30° скорость движения во избежание опрокидывания не должна превышать 10 км/ч.

Условия движения по автомобилей по косогору были рассмотрены в параграфе 6.6. Потеря устойчивости движения может произойти вследствие опрокидывания автомобиля

 или сползания .

Возможность преодоления рва определяется числом и расположением мостов, размером колес и положением центра масс автомобиля по базе. Для двухосных и трехосных автомобилей (если центр масс расположен не над средним мостом), ширина преодолеваемого рва зависит от размеров колес. Испытания показывают, что такие автомобили способны преодолеть ров с прочными кромками шириной до 1... 1,3 радиуса колеса (большие значения относятся к автомобилям со всеми ведущими колесами).

Для трехосных автомобилей с равномерным расположением мостов и четырехосных ширина преодолеваемого рва может быть значительной и определяется базой автомобиля, расстановкой колес и положением центра масс по длине. Схема проезда рва многоосным автомобилем показана на рис 7.5.

Высота  преодолеваемого автомобилем порогового препятствия (рис. 7.6) зависит главным образом от размера колеса и жесткости кромки порога. Максимальная высота преодо​леваемого неполноприводными автомобилями порога составляет 0,3...0,5 радиуса колеса, а полноприводными — 0,5...0,8.


рис. 7.5 Проезд рва многоосным автомобилем



рис. 7.6 Преодоление автомобилем порогового препятствия

Максимальная глубина преодолеваемого брода зависит от конструкции автомобиля. Лимитирующими элементами при твердом основании брода являются уровни расположения лопастей вентилятора, всасывающего патрубка, аккумулятора, генератора, системы зажигания, воздухосоединительных отверстий картеров механизмов трансмиссии. Для увеличения глубины преодолеваемого брода у автомобилей повышенной и высокой проходимости выходы всасывающих и выхлопных патрубков стремятся расположить высоко, вентилятор изготовляют с отключающимся приводом, а генератор, систему зажигания, картеры мостов и колесные тормоза — герметичными. При таком конструктивном выполнении автомобили могут преодолевать брод глубиной до 1,6...1,8м.

7.3 Опорно-сцепная проходимость

Опорно-сцепная проходимость автомобиля зависит от эффективности использования несущих свойств грунта и определяется главным образом конструкцией движителя и трансмиссии автомобиля. Опорно-сцепная проходимость зависит также от формы корпуса, типа подвески, удельной мощности автомобиля и др.

Грунты и снег относятся к дисперсным средам, основным отличием которых от сплошных является то, что находящиеся в них твердые частицы не образуют сплошной массы, а занимают лишь часть объема. При этом прочность связи между отдельными частицами значительно меньше прочности материала этих частиц. При действии внешней нагрузки происходят перемещения, сдвиги отдельных твердых частиц относительно друг друга.

По составу различают минеральные грунты и грунты органического происхождения. Минеральные грунты подразделяются на ряд категорий. В основу такого деления положены размеры и соотношение частиц двух фракций: глинистой и песчаной. Классификация по этим признакам называется гранулометрической. В зависимости от относительного содержания глинистых и песчаных фракций минеральные грунты делятся на глины (содержание глинистых частиц по массе более 30%), суглинистые грунты — (10...30%), супесчаные (3...10 %) и песчаные (менее 3 %).

Грунты, состоящие из отложений частиц органического вещества, занимают особое место. К ним относятся различные виды торфяно-болотных и илистых грунтов, которые различаются по влажности, составу и происхождению.

Механические свойства грунтов в большой степени зависят от их влажности. При незначительном увлажнении связных грунтов вода находится в них в виде тонких пленок или заполняет тончайшие волосяные промежутки между частицами. В таком состоянии она малоподвижна, слабо испаряется и способствует повышению связности грунта.

С повышением содержания воды заполняются более крупные поры грунта и увеличивается толщина водяных пленок на его частицах. Превышение определенных пределов влажности, характерных для каждого грунта, ведёт к резкому изменению некоторых его свойств. Поэтому состояние связных грунтов характеризуется степенью их влажности, которая оценивается относительной влажностью W – отношением массы воды, содержащейся в грунте, к массе сухого грунта.

W = (m-mo)/mo

где m – масса пробы грунта в естественном состоянии; mo  масса высушенной пробы.

В зависимости от влажности грунт может находится в трёх состояниях: твёрдом, пластичном и текучем. Самые неблагоприятные условия для движения автомобилей создаются при текучем состоянии грунта. Такое переувлажнённое состояние характерно для весенней и осенней распутицы и в периоды сильных дождей. Глубина переувлажнённого слоя весной (в конце периода оттаивания грунта) доходит до 30…50 см, осенью (в период длительных дождей) – до 20…30 см.

Свойства песчаных (несвязных) грунтов мало зависят от влажности. С увеличением влажности их сопротивляемость внешним нагрузкам несколько возрастает, а затем при достижении предела текучести вновь уменьшается. Состояние песчаных грунтов характеризуется их плотностью, оказывающей наибольшее влияние на механические свойства.

Механические свойства заболоченных грунтов определяются прочностью и толщиной дернового слоя.

При воздействии движителя транспортной машины на грунт в нём возникают деформации. Размеры и характер деформаций обусловлен действием внешних и внутренних сил, а также изменением среднего расстояния между частицами. Если после устранения внешнего воздействия частицы грунта вернутся в первоначальное положение, деформация считается упругой, если положение частиц отличается от первоначального, имеет место остаточная деформация. Если остаточная деформация равна общей, такую деформацию называют пластической.

В наибольшей степени проходимость автомобилей зависит от механических свойств грунтов – сопротивления сжатию, а также сдвигу и срезу.

Сопротивление грунта сжатию определяют экспериментально путём вдавливания в грунт специальных штампов. При этом измеряют нагрузку, приходящуюся на штамп, и его осадку – глубину погружения. По результатам измерений строят зависимости нормального напряженияσ, передаваемому от штампа на грунт, от осадки штампа h. Характерная зависимость между глубиной погружения штампа и нагрузкой показана на рис. 7.7.


рис. 7.7 Характерная зависимость давления на грунт от глубины погружения штампа

При относительно малых нагрузках деформация грунта при уплотнении практически линейно зависит от нагрузки (участок 0 – 1). Второй участок (1 – 2) характеризуется не только уплотнением грунта, но и сдвигом его частиц. При нагрузках, соответствующих этому участку, сопротивление уплотнению больше, чем сопротивлении боковому сдвигу. По мере повышения нагрузки увеличивается объём грунта, сдвигаемый в сторону. Это приводит к прогрессирующему увеличению осадки штампа. На третьем участке погружение штампа происходит исключительно за счёт развития деформаций сдвига. Штамп резко погружается в грунт. При этом наблюдается выпирание грунта сбоку от штампа. Напряжение или соответствующее ему давление условно характеризует начало текучести грунта и называется пределом несущей способности qT. Несущая способность грунта в сильной степени зависит от его влажности (рис 7.8).


рис. 7.8 Экспериментальная зависимость несущей способности грунтов от их относительной влажности:

1 – глина; 2 – суглинок; 3 – суспесь; 4 – песок

Из большого числа формул, описывающих связь деформации и давления (напряжения), широко известна следующая:

q = Chμ

где С и μ – параметры, зависящие от состава грунта, его влажности и размеров штампа.

Проф. В.В.Кацигиным предложена зависимость:

где  – несущая способность грунта, соответствующая пределу текучести 
;  – коэффициент объёмного смятия грунта, численно равный тангенсу угла наклона касательной к кривой деформации грунта в начале координат (см. рис. 7.7).

Несущая способность глинистых грунтов в зависимости от влажности может изменяться в пределах 0,01…1 МПа, а у песчаных – 0,03…1 МПа.

Сопротивление грунта сдвигу можно определить экспериментально, если к штампу, нагруженному вертикальной силой , приложить горизонтальную силу  (рис. 7.9).


рис. 7.9 Схема определения сопротивления грунта сдвигу (а) и характерная зависимость сопротивления сдвигу от деформации грунта (б): 1 – глина; 2 – песок.

Сопротивление грунта сдвигу определяется силами сцепления частиц, обусловленными молекулярным и капиллярным взаимодействием воды, и силами трения между частицами. Силы сцепления частиц зависят от влажности грунта и практически не зависят давления, а силы трения обусловлены сцеплением частиц между собой и могут возникнуть только при наличии внешней нагрузки.

Таким образом, в общем случае сопротивление грунта сдвигу

T = co A + fв Fz (7.3)

где – удельная характеристика сцепления между частицами грунта;  – площадь сдвига грунта, равная площади штампа; – коэффициент внутреннего трения грунта;  – нормальная сила, действующая на штамп.

Разделив все члены выражения (7.3) на  получим:

τ = co + q fв (7.4)

где τ – удельное сопротивление сдвигу; q – давление на грунт.

Сопротивление сдвигу зависит от гранулометрического состава и влажности грунта. Так, для песков сопротивление сдвигу практически определяется только внутренним трением, поэтому оно пропорционально давлению. Для глин, наоборот, сопротивление сдвигу в основном определяется сцеплением, которое резко уменьшается с увеличением их влажности.

На рис. 7.9. б показана характерная зависимость деформации грунта от сдвигающего усилия. В первый момент происходит уплотнение грунта и сопротивление возрастает до максимального значения, равного сумме сил сцепления Тс и Тf. При дальнейшем увеличении деформаций начинается относительное перемещение частиц грунта и его сопротивление становится равным силе внутреннего трения.

В табл. 7.2 показаны некоторые характеристики связных грунтов при влажности, близкой к пределу пластичности.

Песчаные грунты в зависимости от зернистости имеют fв= 0,6…0,8 и co = (0,001…0,008) МПа. Если штамп углублён в грунт на глубину Н, помимо сдвига грунта происходит его срез по боковым граням. Усилие (Н), необходимое для среза грунта:

Fcр = τср Н, (7.5)

где τср – удельное сопротивление срезу, Н/м.

Суглинистые грунты имеют сопротивление срезу 1,2…2 кН/м, а супесчаные – 1,5…2,6 кН/м.

Сопротивление качению колеса по деформируемым грунтам обусловлено затратами энергии на деформацию и перемещение грунтовой массы и гистерезисными потерями при деформировании резины. У недеформируемого колеса сопротивление качению определяется только объёмом деформируемого и перемещаемого грунта. Сила сопротивления качению жёсткого колеса:

 (7.6)

Где h – глубина колеи; b – ширина колеи; – коэффициент объёмного сжатия грунта, приведённый к размерам колеса:  = 0,01  ;   коэффициент объёмного сжатия грунта, найденный с помощью плотномера малой площади; D – диаметр жёсткого колеса.

Глубина следа колеса:

 (7.7)

С учётом выражения (7.7) преобразуем формулу (7.6):

  (7.8)

Эксперименты показывают, что сопротивление качению колеса с пневматической шиной по деформируемым грунтам на 40…70% меньше сопротивления качению жёсткого колеса равного диаметра, так как при качении пневматического колеса по мягкому грунту происходит деформация шины


рис. 7.10 Схема определения приведённого радиуса жёсткого колеса

и колесо контактирует с грунтом на большей площади. Это позволяет рассматривать качение пневматического колеса по деформируемому грунту как качение жёсткого колеса, радиус которого соответствует радиусу кривизны поверхности контакта деформируемого колеса. Радиус жёсткого колеса эквивалентного деформируемому, в соответствии с рис. 7.10 можно определить из соотношений:

 ,  (7.9)

Сопротивление качению пневматического колеса может быть найдено по выражениям (7.6) и (7.8), если в них вместо диаметра колеса поставить приведённый диаметр определённый по формуле (7.9). Сопротивление качению, найденное указанным методом, будет меньше реального, поскольку при выводе формул не учитывались затраты энергии на радиальную и тангенциальную деформацию шины. Аналитически учесть влияние этих факторов трудно. Поэтому обычно сопротивление качению колеса определяют экспериментально и по результатам опытов находят эмпирические формулы, связывающие сопротивление качению и основные параметры колеса и грунта. Одна из наиболее часто употребляемых зависимостей имеет вид:

   (7.10)

Где  – сопротивление качению, кН; и – опытные коэффициенты, зависящие от конструкции шины; их средние значения =0,0031, =0,0425;  – давление воздуха в шинах, МПа;  – нагрузка на колесо, кН; D – наружный диаметр колеса, м;  – несущая способность грунта, МПа.

Первое слагаемое в этой формуле определяет сопротивление качению, обусловленное деформацией колеса, а второе – грунта. При плотных грунтах основную роль играет первое слагаемое, а при мягких – второе.

Окружное усилие, которое может реализовать колесо при деформируемом грунте, определяется сопротивлением грунта смятию и срезу. В соответствии с выражениями (7.3) и (7.5) окружная сила на ведущем колесе:

 

Где  – сила, обусловленная внутренним трением в грунте: ;  – сила сопротивления грунта срезу:  = τH;  – сила, определяемая сцеплением частиц грунта:  .

Сцепление колеса со связным грунтом осуществляется главным образом за счёт сопротивления частиц грунта сдвигу и срезу. Поэтому окружная сила определяется площадью контакта колеса с опорной поверхностью и высотой грунтозацепов. При движении по несвязным грунтам максимальная окружная сила зависит от внутреннего трения частиц грунта, так как сопротивление сдвигу у таких грунтов незначительное. Грунтозацепы при этом оказывают отрицательное влияние: они разрушают поверхностный слой, а при пробуксовке колеса выгребают грунт, увеличивая глубину колеи.

Потеря проходимости автомобилем произойдёт в том случае, если окружная сила на ведущих колёсах окажется меньше силы сопротивления качению. Сопротивление качению, а также реализуемая окружная сила при качении колеса по определённой поверхности зависит от характеристик шин.

Основными параметрами шин, определяющими характер их взаимодействия с опорной поверхностью, являются наружный диаметр и форма поперечного сечения шины. Шины в зависимости от отношения ширины профиля В к его высоте Н делят на четыре типа: тороидные (В/Н=0,9…1,1), широкопрофильные (В/Н=1,1…1,6), арочные (В/Н=1,6…2,5), пневмокатки (В/Н=2,5…10).


рис. 7.11 Арочная шина (а) и пневмокаток (б)

Тороидные шины с нерегулируемым давлением устанавливают обычно на дорожных автомобилях. Радиальная деформация их под номинальной нагрузкой не превышает 12... 15 % высоты профиля. Поэтому опорная площадь небольшая и соответственно давление относительно высокое. Рисунок протектора, как правило, дорожный, мелкий. Такие шины на деформируемых грунтах не обеспечивают высокой проходимости автомобиля.

В настоящее время изготовляют тороидные шины, способные работать при переменном давлении (шины с регулируемым давлением). Эти шины, установленные на автомобилях повы​шенной проходимости, обеспечивают их движение по грунтам со слабой несущей способностью.

Широкопрофильные шины первоначально создавались как специальные шины для автомобилей повышенной и высокой проходимости. При нормальном давлении воздуха опорная площадь у широкопрофильных шин на 30...35 % больше, чем у тороидных такой же грузоподъемности. При понижении давления опорная площадь увеличивается более чем в два раза. Рисунок протектора характерен для шин высокой проходимости. В последнее время широкопрофильные шины применяются также и для дорожных легковых и грузовых автомобилей. Такие шины работают при постоянном давле​нии воздуха в них. Рисунок протектора — дорожный.

Арочные шины (рис. 7.11) имеют профиль в виде арки и сильно развитые грунтозацепы. Работают при постоянном давлении воздуха 0,05...0,15 МПа. Это позволяет обеспечить относительно низкое давление на грунт и хорошее сцепление колес. Скорость движения автомобилей по твердым дорогам ограничена. Такие шины применяют в основном как средство для повышения проходимости автомобилей в определенные сезоны года, устанавливая их вместо сдвоенных колес.

Пневмокатки (рис. 7.11) — специальные шины, имеющие тонкую резинокордную оболочку и работающие при малом внутреннем давлении воздуха (0,02...0,1 МПа). Применяются только на специальных машинах, предназначенных для движения в особо трудных условиях.

Наиболее труднопроходимые для автомобиля грунтовые и заснеженные поверхности в первом приближении могут быть сведены к четырем видам, различным по физико-механическим свойствам и характеру взаимодействия с движителем: переувлажненный грунт, болото, сухой песок, снег.

Движение по переувлажненному грунту сопровождается образованием колеи, глубина которой оказывает непосредственное влияние на сопротивление качению. Из формулы (7.7) следует, что глубина колеи зависит от диаметра колеса D, ширины профиля B и нагрузки на колесо . Этими параметрами определяется среднее давление колеса на грунт. Если бы шина была абсолютно эластичной, давление колеса на грунт определялось бы давлением воздуха в шине. Поскольку часть нагрузки передается через каркас шины, давление на грунт зависит от соотно​шения жесткости шины и грунта.

Если жесткость шины больше, чем жесткость грунта, она будет погружаться в грунт не деформируясь, т. е. пневматическая шина будет работать как жесткое колесо. Если же жесткость шины меньше жесткости грунта, шина деформируется. Это приведет к увеличению поверхности контакта шины с грунтом, уменьшению на него давления и сопротивления качению. На дефор​мируемых грунтах площадь опорной поверхности может быть увеличена за счет увеличения ширины шины и ее диаметра и уменьшения давления воздуха в ней. Наиболее предпочтительным является увеличение диаметра колеса и снижение внутреннего давления в шине, так как с увеличением ее ширины растет объем деформируемого грунта и тем самым увеличивается сопротивление качению. Поскольку при уменьшении давления воздуха в шине площадь контакта растет в большей степени по длине, для повышения проходимости автомобиля целесообразно применять шины, давление воздуха в которых можно уменьшать при движении по деформируемым поверхностям.

Как следует из формулы (7.10), коэффициент сопротивления качению по деформируемым грунтам определяется гистерезисными потерями энергии в шине и затратами ее на перемещение и деформацию грунта. На рис 7.12 показана зависимость коэффициента сопротивлению качению колёс по деформируемым грунтам от внутреннего давления в шине. Минимальное сопротивление качению соответствует определенному давлению воздуха в шине. При увеличении давления воздуха в шине свыше этого значения сопротивление качению возрастает из-за увеличения глубины следа (колеи), а при уменьшении — из-за большой деформации шины.


рис. 7.12 Зависимость коэффициента сопротивления качению от давления воздуха в шине:

1 – сухой песок; 2 – снег зернистый; 3 – разрыхлённый влажный песок; 4 – переувлажнённая грунтовая дорога.

Очевидно, что для каждого типа и состояния грунта может быть найдено оптимальное давление воздуха в шине, при котором сопротивление качению будет минимальным. Оптимальное давление обеспечивается при установке на автомобилях повышенной и высокой проходимости систем регулирования давления воздуха в шинах.

Возможность движения по деформируемым грунтам определяется также реализуемой окружной силой, максимальное значение которой по аналогии со случаем качения колеса по недеформируемой поверхности будем характеризовать коэффициентом сцепления.

При движении по связным грунтам коэффициент сцепления в значительной степени зависит от давления воздуха в шине, размеров и формы грунтозацепов. С уменьшением давления в шине увеличивается площадь контакта и большее число грунтозацепов вступает в работу. Форма грунтозацепов оказывает влияние на сцепление, самоочищаемость и эластичность шины. На рис. 7.13 показаны наиболее распространённые формы протектора шин автомобилей, эксплуатируемых на мягких грунтах.


рис. 7.13 Рисунки протектора шин для автомобилей высокой и повышенной проходимости:

а – прямая ёлка; б, в – косая ёлка; г – расчленённая ёлка.

При грунтозацепах с наклонной упорной поверхностью повышается уплотнение грунта между ними, вследствие чего возрастает сопротивление грунта срезу. Сужение грунтозацепа к вершине, а также расположение грунтозацепов под углом 45° к продольной оси шины способствует самоочищаемости протектора и обеспечивает хорошее сцепление ее с грунтом во всех направлениях.

При качении шины с сильно расчлененным протектором по твердой дороге возникают вибрации колеса при ударах грунтозацепов о поверхность дороги. Для устранения этого явления у автомобилей, предназначенных для работы по бездорожью и твердым дорогам, применяются шины с универсальным протектором, у которых безударное качение обеспечивается за счет применения сплошного пояса в средней части беговой дорожки.

Если толщина слоя переувлажненного грунта невелика, иногда целесообразно увеличивать давление воздуха в шинах. При этом колесо прорезает переувлажненный слой и входит в контакт с твердым основанием. Это обеспечивает возможность создания большой окружной силы колеса.

Песок и сухой кристаллический снег относятся к несвязным грунтам. Несущая способность их определяется в основном коэффициентом внутреннего трения. Низкая проходимость автомо​биля наблюдается только при достаточно большой толщине слоя песка или снега. Если слой песка или снега небольшой толщины лежит на прочном основании, сопротивление качению не​значительно. Уменьшить сопротивление качению по слою несвязного грунта большой толщины можно главным образом за счет уменьшения давления воздуха в шинах. На рис. 7.14 показана зависимость сопротивления качению колеса по сухому песку от давления воздуха в шине при различных нагрузках на колесо.


рис. 7.14 Зависимость коэффициента сопротивления качению по песку от давления воздуха в шине: 1 – Рв – 0,6 МПа; 2– Рв – 0,4 МПа; 3 – Рв – 0,2 МПа;

Сцепление колес с песчаным грунтом также определяется в основном внутренним трением в грунте. В зависимости от давления на грунт коэффициент сцепления шин с сухим песком φ = 0,2...0,7.

С началом буксования колеса происходит сдвиг песка. Это приводит к увеличению глубины колеи. В этом случае наличие грунтозацепов обусловливает разрыхление верхнего слоя грунта и увеличение глубины колеи. Поэтому наилучшей проходимостью по песку обладают машины, оборудованные пневмокатками с малым давлением воздуха в них и грунтозацепами малой высоты. При преодолении участков сыпучих песков из-за опасности их разрыхления не рекомендуется переключать передачи, маневрировать и останавливаться. Трогание автомобиля с места должно осуществляться плавно, без пробуксовывания колес.

Сыпучий снег характеризуется очень малым коэффициентом внутреннего трения. В связи с этим преодоление участков глубокого сыпучего снега возможно только при специальных конструкциях колесных движителей, обеспечивающих давление на грунт не более 0,01 МПа. При движении по уплотняющемуся снегу проходимость автомобиля обеспечивается теми же способами, что и при движении по уплотняющимся грунтам.

Особую трудность представляют для автомобилей заболоченные участки. Обычно преодоление таких участков возможно, если колеса автомобиля не прорезают верхний слой, связанный корнями растений. Поэтому при проезде таких участков давление от ходовой части на опорную поверхность должно быть минимальным, а окружное усилие на ведущих колесах — постоянным или плавно изменяющимся.

Опорно-сцепная проходимость автомобиля зависит от схемы и типа трансмиссии. Тип трансмиссии определяет плавность передачи крутящего момента от двигателя к ведущим колесам. С этой точки зрения наиболее неблагоприятной является механическая трансмиссия, при которой возможны разрывы потока мощности при переключении передач, резкие колебания и броски крутящего момента при трогании с места. Гидродинамические, гидрообъемные и электрические трансмиссии обеспечивают плавную передачу крутящего момента к ведущим колесам. Это способствует уменьшению динамических воздействий на грунт и тем самым повышению проходимости автомобиля. У автомобилей повышенной и высокой проходимости все колеса являются ведущими. В приводе к ведущим колесам обычно используют межколёсные и межосевые дифференциалы. При наличии межколёсного дифференциала максимальное окружное усилие, развиваемое колесами моста, ограничивается сцеплением колеса, находящегося на поверхности с наименьшим коэффициентом сцепления. Допустим, что колеса ведущего моста автомобиля располагаются на поверхностях с коэффициентами сцепления φ1 и φ2 (φ1 < φ2). Тогда максимальное окружное усилие, развиваемое колесами моста автомобиля при блокировке межколёсного дифференциала:

 (7.11)

где  – нагрузка на мост

Если межколёсный дифференциал имеет коэффициент блокировки , окружное усилие, развиваемое колесом, которое находится на участке с меньшим коэффициентом сцепления,

 

Усилие, развиваемое колёсами моста автомобиля, определяется из соотношений:

 ;  ;  (7.12)

Усилие, найденное по формуле (7.12), не может быть больше определённого по формуле (7.11).

При установке межосевых дифференциалов суммарное окружное усилие, развиваемое всеми колёсами автомобиля, будет определяться максимальным окружным усилием колеса, находящегося в наиболее благоприятном с точки зрения сцепления положении и коэффициентом блокировки дифференциалов. При блокированных же межосевых и межколёсных дифференциалах максимальное окружное усилие колёс автомобиля будет равно сумме окружных усилий всех ведущих колёс. Поэтому в трудных условиях движения при блокированном приводе проходимость автомобиля будет как правило, лучшей чем при дифференциальном.

В случае движения автомобиля с блокированным приводом по дороге с малым сопротивлением, привод к ведущим колёсам нагружается дополнительным моментом. Для уяснения этого рассмотрим движение автомобиля 4*4, схема которого представлена на рис. 7.15.


рис. 7.15 Схема привода к ведущим колёсам автомобиля 4*4: 1 – двигатель; 2 – раздаточная коробка; 3 – главная передача; 4 – карданная передача.

Как установлено в главе 2, радиус качения колеса связан с передаваемым моментом зависимостью, которую можно представить в виде:

 где

Допустим, что в силу ряда обстоятельств (неодинаковый износ протектора, разное давление воздуха в шинах, разная нагрузка) радиус качения без скольжения колёс переднего моста 
 будет больше, чем заднего моста , тогда:

  (7/13)

C другой стороны,

где – суммарное сопротивление движению автомобиля.

Поскольку колёса автомобиля блокированы, они должны вращаться с одинаковой угловой скоростью. Линейная скорость центров колёс тоже одинаковая. Отсюда следует, что и

Решая полученную систему уравнений находим:

где 


рис. 7.16 Связь радиусов качения и окружных сил колёс автомобиля с блокированным приводом

1 – движение при малом сопротивлении – циркуляции мощности; 2 – граничный случай – передний мост ведущий, окружная сила на заднем мосту равна нулю; 3 – движение при большом сопротивлении – оба моста ведущие.

На рис. 7.16 графически изображены зависимости (7.13). Поскольку при движении автомобиля радиусы качения колёс переднего и заднего мостов одинаковы, прямая, параллельная оси абсцисс, при качении с наклонными, которые соответствуют уравнениям (7.13), отсекает отрезки, пропорциональные окружным силам колёс. При этом окружная сила на колёсах большого радиуса (в рассматриваемом случае колёса переднего моста) будет всегда положительный. Окружная сила на колесе меньшего диаметра будет положительной только при
. При , как это видно из графика, сила  будет отрицательной (тормозной). Эта сила создаёт момент , который передаётся через трансмиссию к колёсам переднего моста и суммируется с моментом, передаваемым к этому мосту от двигателя. Таким образом, в замкнутом контуре (колеса заднего моста — главная передача и карданный вал заднего моста — вал раздаточной коробки — карданный вал переднего моста — главная передача и колеса переднего моста) все элементы, передающие крутящий момент, оказываются нагруженными дополнительным крутящим моментом. Появление дополнительного момента в замкнутом силовом контуре в технической литературе называют циркуляцией мощности: в контуре как бы появляется дополнительная мощность. Из рис. 7.16 следует, что циркуляция мощности отсутствует при , т.е. в случае, когда соблюдается условие:

Движение автомобиля при наличии циркуляции мощности сопровождается повышенным изнашиванием шин и механизмов трансмиссии, а также дополнительным сопротивлением движению автомобиля. Поэтому при движении автомобиля в легких условиях мощность должна подводиться только к одному мосту или в приводе устанавливаются дифференциальные механиз​мы, позволяющие колесам автомобиля катиться с различной угловой скоростью. Следует отметить, что циркуляция мощности может возникать не только при различных радиусах колес, но и когда колеса автомобиля за один и тот же промежуток времени проходят разный путь, например при движении по криволинейной траектории или по дороге с неровностями.

В настоящее время еще нет единых методов оценки проходимости автомобилей. Наиболее часто она оценивается путем определения характеристик движения по эталонным маршрутам, а также путем сравнительной оценки способности автомобилей преодолевать труднопроходимые участки и отдельные препятствия.

Эталонный маршрут — это специальный маршрут, в который в зависимости от назначения автомобиля включают трудные для движения автомобиля участки: песчаные и заболоченные, броды, лесные и горные дороги, а также булыжные и грунтовые. Он включает также участки дорог с хорошим покрытием. При длительных испытаниях маршруты подбирают таким образом, чтобы они проходили по основным районам страны и включали все виды дорог. Оценку проходимости автомобиля проводят по производительности, средней скорости движения, расходу топлива. Дополнительными показателями могут быть число застреваний, средняя скорость прохождения особо трудных участков и др.

Способность автомобиля преодолевать труднопроходимые участки можно оценить по тягово-скоростной характеристике при движении на заданном участке и зависимости мощности сопротивления качению от скорости движения. Тягово-скоростную характеристику определяют при движении по размокшей грунтовой дороге или связным грунтовым поверхностям, сыпучему песку и снежной целине. Для этого к испытываемому автомобилю присоединяется динамометрический прицеп, который позволяет регистрировать и плавно менять нагрузку на крюке испытываемого автомобиля.

Для получения одной точки на кривой характеристики автомобиль с прицепом проезжает участок дороги или местности с полной подачей топлива при определенной ступени в коробке передач. Сила тяги, развиваемая автомобилем, и скорость движения фиксируются с помощью аппаратуры динамометрического прицепа.

Изменяя сопротивление движению динамометрического прицепа, находят зависимость силы тяги автомобиля от его скорости. Мощность сопротивления качению определяется как разность мощности, подведенной к ведущим колесам, и мощности на крюке. Мощность, подведенная к ведущим колесам, находится как произведение крутящего момента на ведущих колесах на их угловую скорость. Мощность на крюке равна произведению силы тяги автомобиля на его скорость.

Предельный уровень проходимости автомобиля находят путем испытаний его на особо труднопроходимых участках: по размокшей грунтовой поверхности (суглинок или чернозем), заболоченному лугу, снежному бездорожью.

Все испытания автомобилей на проходимость являются сравнительными. Обычно проходимость испытываемого автомобиля сравнивается с известной из опыта эксплуатации проходимостью одного или группы автомобилей.

А.И. Гришкевич - Автомобили. Теория. 1986 год

ВИДЕОГАЛЕРЕЯ
смотреть все видео
Рейтинг@Mail.ru