Вождение автомобилей высокой проходимости. В помощь строителям БАМ.: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Если грунт под колесом от действия вертикальной нагрузки не уплотняется, то величина его тяговой реакции существенно снижается. В таких случаях ведущее колесо срезает грунт и углубляется, т. е. буксует. Это явление характерно для сильно накаченной шины, не имеющей зоны плоского контакта с грунтом.

Если грунт под действием вертикальной нагрузки уплотняется колесом, что характерно для шин, работающих с низким внутренним давлением, то величина колеи получается меньшей, а тяговая реакция такого уплотненного грунта существенно возрастает.

Большая часть слабых грунтов лежит на твердом основании (размокший верхний слой, пашня, снежный покров, неглубокие заболоченные участки). Поэтому погружение колес, работающих с пробуксовкой в неуплотняемом грунте, по величине близко к толщине его слабого слоя. Если грунт, лежащий на твердом основании, поддается уплотнению, глубина колеи может быть существенно меньше толщины слоя слабого грунта. Величина сопротивления движению зависит не только от глубины погружения колес и других элементов ходовой части автомобиля в грунт, а также от его плотности, липкости, пластичности или рассыпчатости. Глубина погружения колес в грунт зависит, в первую очередь, от соотношения несущей способности грунта (способности грунта воспринимать вертикальную нагрузку) и удельной вертикальной нагрузки под колесами (удельного давления).

Удельное давление колеса представляет собой нагрузку, приходящуюся на каждый квадратный сантиметр площади контакта колеса с грунтом.

Колеса грузовых автомобилей на обычных шинах оказывают, как правило, высокое удельное давление на грунт, а поэтому глубоко погружаются почти во все слабые грунты. Колеса автомобилей высокой проходимости при понижении давления воздуха в шинах оказывают удельное давление на грунт в 5–6 раз меньшее, чем колеса обычных автомобилей, обладают свойством двигаться с небольшим углублением по песку, плотному сырому снегу, сырой луговине, пашне, осушенному болоту и по некоторым другим слабым грунтам.

При малом погружении колес в грунт автомобили высокой проходимости имеют меньшее сопротивление движению. Кроме того, в общей сумме удельных нагрузок, действующих в контакте колеса, доля удельных вертикальных нагрузок у них снижается, а доля допустимых горизонтальных возрастает, т. е. возрастает удельная касательная сила. Удельная касательная сила — это величина тяговой силы, действующей на каждый квадратный сантиметр площади контакта колеса с грунтом, которая уравновешивается тяговой реакцией грунта.

Величина суммарной тяговой реакции грунта, или тяга, развиваемая колесами автомобиля высокой проходимости, в предельных условиях сцепления определяется для данного грунта величинами площади контакта колес с грунтом, величиной удельной касательной нагрузки, действующей в контакте колес, и интенсивностью пробуксовки колес.

Исследователи, занимающиеся вопросами взаимодействия грунт-автомобиль, делят грунты на три группы: фрикционные (сухой песок, сухой сыпучий снег при низкой температуре), пластичные (сырая глина и подобные ей грунты), смешанные (все остальные).

Особенностью чисто фрикционных грунтов является то, что они мало подвержены уплотнению, и тяга, развиваемая на них колесами автомобиля при допустимых уровнях удельных давлений, зависит только от величины трения между свободно перемежающимися друг относительно друга частицами грунта и вертикальной нагрузки на колесо.

Чисто пластичные грунты подвержены уплотнению и характерны тем, что на них тяга, развиваемая колесами, не зависит от вертикальной нагрузки и определяется величиной сил, связывающих частицы грунта между собой, и величиной площади контакта колеса с грунтом. Чем больше площадь контакта, тем больше связей в грунте сопротивляется сдвигу, тем выше тяговая реакция грунта. Например, из двух автомобилей тяга может быть выше у более легкого автомобиля, если площадь контакта его колес с грунтом будет больше, чем у тяжелого. В промежуточных грунтах, наиболее распространенных, присутствуют и пластичные, и фрикционные элементы, поэтому на таких грунтах тяга определяется и величиной вертикальной нагрузки, и величиной площади контакта колес с грунтом. Наиболее трудно проходимыми считаются пластичные грунты с большим содержанием влаги, например глубокий ил.

Точное описание процесса взаимодействия колес с различными видами грунта крайне сложно. Оно связано, с одной стороны, с множеством показателей, характеризующих такие параметры грунта, как его плотность, коэффициент внутреннего трения, влажность, липкость и пр. С другой стороны, на характер взаимодействия колес с грунтом оказывает влияние не только размер, но и форма контакта колеса, т. е. отношение длины контактной площадки к ее ширине, распределение удельных давлений по площади контакта, конструкция и шаг грунтозацепов.

В настоящей книге все рассуждения, касающиеся процесса взаимодействия колеса с грунтовой поверхностью, приводятся в упрощенном виде и разъясняются только основные положения, касающиеся взаимодействия автомобиля высокой проходимости с грунтовой поверхностью, с целью обоснования тех или иных приемов вождения этих автомобилей.

Разные виды грунтов при различном их состоянии имеют различную несущую способность и по-разному способны воспринимать нагрузку, производимую колесами автомобиля. Пески, например, в большинстве случаев в сухом состоянии позволяют двигаться по ним с небольшим углублением колес только таких автомобилей, у которых удельное давление на грунт не выше 1 кгс/см². Практически они легко преодолимы при пониженном давлении воздуха в шинах для всех отечественных автомобилей высокой проходимости. Эти автомобили способны преодолевать песчаные подъемы до 15–20°. Плотный сырой песок проходим для обычных автомобилей и даже не полноприводных.

Песок-плывун в некоторых прибрежных районах может оказаться непроходимым при удельных давлениях порядка 0,5 кгс/см², если на нем сделать даже кратковременную остановку.

Снег очень различен по своему состоянию. Очень плотный наносный снег, смерзшийся на всю глубину, может выдерживать обычные автомобили, т. е. удельные давления порядка 3–5 кгс/см². Если слой плотного наста мал, чтобы выдержать массу автомобиля, и под слоем наста находится сыпучий снег, то условия для движения определяются как общей глубиной снега, так и толщиной и плотностью наста. Свежевыпавший и глубокий лесной сыпучий снега имеют малую плотность и не выдерживают даже удельных давлений лыжника, идущего на обычных лыжах (удельное давление 0,04-0,03 кгс/см²). Движение по глубокому снегу такого вида колесных машин, имеющих во много раз большие удельные давления, чем лыжник, связано с погружением колес и ходовой части в снег на значительную глубину. Большая глубина прокладываемой в снегу колеи требует преодоления большого сопротивления движению. Отечественные автомобили высокой проходимости при пониженном давлении в шинах могут достаточно уверенно двигаться по такому снегу глубиной 500 мм. Сырой снег хорошо уплотняется колесами при удельном давлении 0,5–0,8 кгс/см² и может быть проходим, например, автомобилями ЗИЛ-157, ЗИЛ-131, Урал-375 при глубине 700–800 мм, а иногда и более.

Глинистые грунты при изменении их влажности изменяют несущую способность от 5-10 кгс/см² при малом содержании влаги до 0,1–0,3 кгс/см² в текучем состоянии. При малой влажности они проходимы для обычных автомобилей, в размокшем на значительную глубину состоянии — только для автомобилей высокой проходимости на пониженном давлении воздуха в шинах, в текучем состоянии — только для гусеничных машин-болотоходов.

Торфяная масса, встречающаяся на заболоченных участках, представляет собой пористый материал и поэтому подвержена большому уплотнению. Способность торфа, лежащего на твердом дне, воспринимать нагрузку определяется содержанием влаги в нем, наличием и характером растительного покрова. Торф, покрытый растительностью (кустами, осокой), выдерживает большую нагрузку, так как корневая система увеличивает его прочность. Неглубокие торфяные заболоченные участки преодолимы для отечественных автомобилей высокой проходимости.

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 (рис. 4). 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 (рис. 5, а). 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 (рис. 5, б) или на увеличение ширины шины без увеличения ее диаметра. В последнем случае шина получается широкопрофильной (рис. 5, в). Применение вместо обычных дорожных спаренных шин с внутренним давлением 3–5 кгс/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 (рис. 6), 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 рш = 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 видно из 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.