Влияние размера колеса и давления в нем на проходимость

Наткнулся тут в очередной раз на старую советскую книгу "Вождение автомобилей высокой проходимости. В помощь строителям БАМ." В. Б. Лаврентьева В помощь строителям БАМа Там очень доступно и кратко изложена вся теория о проходимости внедорожного автомобиля. В том числе о влиянии размера колес и давления в них на его проходимость.

Влияние конструктивных элементов колеса и давления воздуха в шинах на опорную
проходимость. Размер и конструкция колес в очень значительной степени определяют
опорную проходимость. Опорной проходимостью автомобиля называют его способность
двигаться по слабым деформируемым грунтам.

Чем больше размер колеса при данной вертикальной нагрузке, тем больше его
площадь контакта с опорной поверхностью, а следовательно, меньше удельное давление
на грунт.
Рассмотрим два колеса разных диаметров с шинами низкого давления .
Величина внутреннего рабочего давления воздуха в них для твердых дорог при полной
нагрузке назначается заводом-изготовителем, исходя из длительно допустимой величины
деформации h шины в поперечном сечении, равной 10—12% от высоты Н профиля.
Площадь контакта шины с опорной поверхностью определяется величинами длины L и
ширины В площади контакта.
Шины, имеющие большее сечение профиля и больший диаметр, имеют и большую
площадь контакта с грунтом. Исследования показали, что для достижения более высокой
проходимости целесообразно увеличивать диаметр колеса, так как при этом уменьшается
общее сопротивление движению и благоприятно изменяются соотношения между длиной
и шириной контакта. Такая форма колеса общепринята для колесных тракторов .
Однако применение больших колес на автомобиле вызывает ряд затруднений: грузовую
платформу приходится поднимать выше, при этом растет погрузочная высота и высота
положения центра тяжести автомобиля. Для поворота больших управляемых колес
необходимо много места. Поэтому конструкторы автомобилей охотнее идут на
увеличение профиля шины при незначительном увеличении ее диаметра или на
увеличение ширины шины без увеличения ее диаметра. В последнем случае шина
получается широкопрофильной . Применение вместо обычных дорожных
спаренных шин с внутренним давлением 3-5кгс/см2 односкатных увеличенного диаметра
или профиля, а также широкопрофильных шин несколько улучшает проходимость
автомобиля, но этого оказывается недостаточно. Внутреннее давление воздуха в таких
шинах, соответствующее длительно допустимой деформации в 12% от высоты профиля,
составляет обычно около 2,0-3,5 кгс/см2
. Удельное давление на грунт у таких шин ниже,
чем у обычных, но оно все же велико, а деформация шин недостаточна для коренного
улучшения процесса взаимодействия с грунтом и получения возможности движения по
большей части слабых грунтов.
Отечественной шинной промышленностью созданы шины для автомобилей
высокой проходимости, позволяющие работать на слабых грунтах не при 10—12%
деформации, а при деформации до 35% от высоты профиля. Эти, так называемые, шины
сверхнизкого давления на слабых грунтах работают при внутреннем давлении воздуха в
них, равном 0,5 кгс/см2
. От обычных шин они отличаются высокой эластичностью.
Эти шины отличаются малой толщиной боковин, что делает их
эластичными и способными работать при больших деформациях. Конструкция протектора
этих шин также отличается от обычной. У шин сверхнизкого давления грунтозацепы
расчленены на отдельные элементы. Такая конструкция делает эластичной саму беговую
дорожку шины. Повышенная мягкость шин обеспечивается повышенным содержанием в
них каучука и меньшим числом слоев более прочного материала корда, что позволяет
уменьшить толщину стенки.
Повышенная эластичность шины способствует улучшению взаимодействия колеса
со слабыми грунтами и не вызывает больших перегревов при качении деформированной
шины. Чтобы при понижении внутреннего давления шина не провернулась на ободе, ее
борта зажимаются между ребордами разъемного диска и специальным распорным
кольцом.
По мере снижения внутреннего давления в шинах площадь их контакта с грунтом
увеличивается, а удельное давление снижается. Например, у автомобиля ЗИЛ-157 по
замерам на твердом грунте среднее удельное давление составляет: при давлении в шинах
рш = 3,5 кгс/см2
— 2,5, при рш = 1,5 кгс/см2
— 1,75, при рш = 0,5 кгс/см2
—1,1 кгс/см2
. Но
по мере увеличения деформации шины возрастает сопротивление качению. У ЗИЛ-157
при буксировке его по твердой дороге сопротивление качению составляет: при рш = 3,5
кгс/см2
— 160, при рш = 1,5 кгс/см2
— 250 и при рт = 0,5 кгс/см2
— 550 кгс. Увеличение
буксировочного сопротивления в этом случае связано с увеличением потерь на
деформацию шин.
На мягком грунте величина деформации шин на соответствующих давлениях
несколько меньше, чем на твердом, но доля потерь на деформацию шин в общем
сопротивлении движению на низких давлениях воздуха значительна. Мощность,
затрачиваемая на преодоление этих потерь, переходит в тепло, что приводит к
повышенному нагреву шин. В связи с этим общая длительность движения с пониженным
внутренним давлением в гарантийном пробеге шин и скорость движения ограничиваются
специальными указаниями в инструкции по эксплуатации автомобиля.
Несмотря на то, что сопротивление качению деформированной шины выше, чем
накаченной, общее уменьшение сопротивления движению по слабому грунту столь
значительно, что в большинстве случаев дополнительные потери на деформацию шин
полностью перекрываются уменьшением потерь на образование колеи (табл. 1). Как видноиз табл. 1, потери на прокладывание колеи (потери в грунте) на луговине уменьшаются
более чем в 4 раза (при давлении 0,5 кгс/см2), на сыром снегу (при давлении 1,5 кгс/см2)
на 13—14%, на песке (при давлении 0,5 кгс/см2) более чем в 3 раза.
Уменьшение сопротивления качению при пониженном давлении воздуха в шинах
— это только часть эффекта, который получается при работе на слабых грунтах. Иногда
этот эффект очень невелик. Например, на рыхлом сыпучем снегу. Однако, несмотря на
это, проходимость автомобиля резко возрастает. Более важной частью эффекта при работе
автомобиля на деформированных шинах является улучшение сцепных качеств шины и
рост тяговой реакции грунта. При качении такой шины она как бы превращается в
маленькую гусеницу с длиной опорной ветви, равной длине контакта деформированной
шины с грунтом. При этом тяга автомобиля при понижении давления воздуха в
шинах существенно увеличивается. Если сравнить величину уменьшения
сопротивления движению и величину роста тяги на крюке в результате понижения
давления воздуха в шинах, то видно, что тяга возрастает не на величину
уменьшения сопротивления движению, а на существенно большую величину. Причем тяга
возрастает даже в том случае, когда сопротивление движению на пониженном давлении
воздуха в шинах не уменьшается, а возрастает (в нашем примере на сыром снегу).
Для сопоставления составим таблицу изменения сопротивления движению и тяги на
крюке автомобиля ЗИЛ-157 при снижении давления в шинах с 3,5 до 0,5 кгс/см2
Следовательно, главной частью эффекта, получаемого при работе автомобиля на
шинах, деформированных до 30% от высоты профиля, является улучшение их сцепных
качеств. Вследствие этого резко повышаются тяговые возможности автомобиля и его
проходимость.
На пластичных и близких к ним по характеру грунтах, таких, как глина, суглинок,
сырой снег, сырая луговина, тяга, развиваемая колесом, возрастает пропорционально
увеличению площади контакта колеса. Положительную роль играет в этом случае
большее число грунтозацепов шины, находящихся одновременно в контакте с грунтом, а
также боковые грунтозацепы, которые начинают активно работать, а следовательно, и
растет сечение грунта, заключенного между грунтозацепами. Большую роль также играет
характер уплотнения грунта в колее. Вогнутый характер следа у шины с
пониженным давлением способствует лучшему уплотнению колеи и, следовательно,
большей тяговой реакции грунта.
Эффект гусеницы проявляется при таком характере качения колеса и в том, что
время воздействия уплотняющей силы на грунт возрастает пропорционально увеличению
длины контакта опорной поверхности колеса .
Разные типы грунтов имеют различный характер сопротивления сдвигу в
зависимости от степени их деформации. Соответственно они оказывают различную
тяговую реакцию, от которой зависит тяга, развиваемая колесами по сцеплению с
грунтом. В табл. 4 в приближенных цифрах (см. графу 2) показано, как изменяется тяговая
реакция R у рыхлых и пластичных грунтов (тип I), хорошо поддающихся уплотнению. На
этих грунтах по мере увеличения уплотнения грунтовых призм, заключенных междугрунтозацепами, окружной силой Т, действующей со стороны колеса, тяговая реакция
грунта постепенно возрастает вплоть до полного среза призмы. Дальнейшее увеличение
пробуксовки колеса тяговой реакции не увеличивает, и она остается постоянной.
Следовательно, на таких грунтах допускать интенсивную буксовку колес не следует, так
как тяга от этого не будет увеличиваться.
В графе 3 таблицы показан характер изменения тяговой реакции грунтов ( тип II),
которые в результате сдвига, после незначительного уплотнения, меняют структуру и
разрушаются. На этих грунтах наибольшая тяговая реакция достигается при небольшом
уплотнении грунтовых призм грунтозацепами, перед началом структурного разрушения
грунта, и резко снижается после разрушения грунта. Этот тип грунтов требует движения с
принудительным ограничением уровня тяги на колесах на малых скоростях (такие
характеристики имеет смерзшийся сверху снег, засохший сверху ил и глина).
В графе 4 показан характер сопротивления сдвигу грунтов (тип III), занимающих
промежуточное положение между грунтами, приведенными в графах 2 и 3 таблицы.
Тяговая реакция на этих грунтах достигает максимума при деформации грунтовых призм
на 30-50%. При дальнейшей деформации наступает срез призм, тяговая реакция снижается
и начинается буксование.
Но это снижение не происходит так резко, как у грунтов, приведенных в графе 3. К
грунтам графы 4 относится большая часть сельскохозяйственных грунтов и снежный
покров в средних климатических условиях. Рис. 9.Схема влияния деформации шины на время уплотнения грунта (условно).
а —с малой деформацией шины; б —с деформацией около 30% от высоты профиля
Рассмотрение процесса сдвига грунта в табл. 4 выполнено в упрощенном виде. На самом
деле в плоском контакте шины с грунтом при низком давлении воздуха в ней не все
грунтозацепы работают одинаково эффективно в одно и то же время, как это было
показано для упрощения в табл. 4, где приведен чистый сдвиг грунта без учета элементов
перекатывания.
Направление окружного усилия на колесе
Рис.10. Схема влияния времени нахождения грунтозацепов в контакте С грунтом
на величину передаваемой ими тяги
Эффект гусеницы, присущий качению колеса на сильно деформированной шине,
обусловливает зависимость степени уплотнения грунта в результате его сдвига
грунтозацепом от времени нахождения этого грунтозацепа в контакте (рис. 10). На
большинстве грунтов грунтозацеп 1, только что вошедший в контакт с грунтом, не может
развить такой же тяги, как грунтозацепы 2, 3, 4 и 5, которые уже определенное время
находились в контакте с грунтом и тяговая реакция грунта под которыми стала выше в
результате произведенного сдвига и уплотнения грунтовых призм. Только по мере
перемещения грунтозацепа вдоль площадки контакта его тяга достигнет 100% величины
(для данного вида грунта). Грунтозацепы, расположенные в данный момент времени
ближе к концу площадки контакта, передают большую тягу. Такой характер
взаимодействия деформированной шины и грунта показывает, как важно иметь
продолговатый, вытянутый в длину контакт колеса с грунтом, а также показывает влияние
времени действия деформирующей силы на тяговую реакцию грунта.
У некоторых видов снега при нагружении происходят структурные изменения,
которые связаны с временем воздействия нагрузки. Увеличение времени воздействия
шины на снег способствует его упрочнению. Поэтому часто непроходимые обычным
способом участки снежной целины удается преодолеть, двигаясь на минимально
возможной скорости.
Очень хорошо уплотняется деформированной шиной сырой снег. Это способствует
уменьшению глубины колеи и существенно повышает тягу.
Однако есть такое состояние снега, при котором его уплотнения под колесами
практически не происходит. Это бывает при рыхлом сыпучем снеге и низких
температурах воздуха. В этом случае снег практически не уплотняется и течет, каксахарный песок. Но и в этом случае при пониженном давлении в шинах, несмотря на то,
что общее сопротивление движению возрастает (колея не уменьшается, а сила тяги,
необходимая на качение деформированного колеса, больше, чем накаченного) имеет
место улучшение сцепления колес со снегом. Величина тяги, развиваемая колесом, при
этом определяется сопротивлением сдвигу в снежной «подушке», заключенной между
шиной и грунтом.
Снежная «подушка», находящаяся под колесом и сжатая по вертикали, обладает
определенным сопротивлением сдвигу. Величина этого сопротивления находится в тесной
связи с величиной вертикального удельного давления. При этом уплотнения снега не
происходит, а просто снег под колесом сжимается и испытывает упругую деформацию. В
таком деформированном состоянии он способен воспринимать касательную тяговую
нагрузку от колеса.
Эксперименты показывают, что наибольшее удельное сопротивление сдвигу
поджатого снега соответствует вертикальному удельному давлению 0,5 кгс/см2
. В табл. 5
приведены результаты испытаний по определению величины сопротивления сыпучего
снега сдвигу при воздействии на него штампом, имитирующим площадку контакта колеса
при различном вертикальном удельном давлении. Увеличение удельного давления свыше
0,5 кгс/см2
и уменьшение его приводит к уменьшению удельной силы сопротивления
сдвигу и уменьшению тяговой реакции снега. При понижении давления воздуха в шинах
до 0,5 кг/см2 удельное давление колес на снег приближается к этому оптимальному для
сыпучего снега уровню.
Удельные давления на грунт, полученные при давлении воздуха 0,5 кгс/см2
и приведенные ранее, определены по отпечаткам шин на твердом грунте. На
деформируемом грунте средняя величина удельных давлений фактически получается
меньше, так как в этом случае нагрузку начинают воспринимать деформированные
боковины шины, которые при снятии отпечатков шин на твердом грунте не касаются его и
поэтому не учтены в площади отпечатка.
Следует иметь в виду, что в большинстве случаев давление воздуха в шинах,
соответствующее наименьшему сопротивлению движения на слабых грунтах, не является
тем давлением, которое следует использовать на бездорожье. Дело в том, что давление
воздуха в шине, соответствующее наибольшему уровню тяги, как правило, несколько
ниже давления, соответствующего наименьшему сопротивлению движения.
Так как в условиях бездорожья, помимо увеличенного сопротивления, связанного с
образованием колеи, постоянно встречаются неровности дороги и другие препятствия для
непрерывного движения, автомобиль должен обладать постоянным запасом сцепления
колес (запасом тяги). Чем больше этот запас, т. е. чем большую тяговую реакцию грунт
может оказывать при воздействии на него колес, тем увереннее движение и тем с большей
скоростью можно двигаться. А большая скорость движения, в свою очередь, повышает
проходимость автомобиля, так как отдельные короткие участки особо тяжелогобездорожья в этом случае преодолеваются с разгона с использованием кинетической
энергии автомобиля.
Экспериментально установлено, что при переходе от давлений минимального
сопротивления движению к давлениям, соответствующим наибольшей тяге на крюке и
наиболее предпочтительным для преодоления труднопроходимых участков, тяговые
возможности автомобиля возрастают: на сыром песке на 11, на луговине на 12, на сухом
снегу с настом на 11 и на сыром снегу на 17%. Поэтому при выборе давления воздуха в
шинах необходимо придерживаться инструкции по эксплуатации и снижать давление в
шинах до требуемого уровня более низкого на более тяжелых для проходимости участках.
Чтобы представить себе, насколько отличаются автомобили высокой проходимости от
обычных полноприводных автомобилей со спаренными шинами, сравним тягу на крюке,
развиваемую автомобилем высокой проходимости ЗИЛ-157, с тягой, которую мог бы
развить автомобиль ЗИЛ-151 . Замеры были выполнены в одинаковых условиях.
Как видно из табл. 6, величина тяги на крюке у ЗИЛ-157 выше, чем у автомобиля ЗИЛ-151