Проходимость автомобиля

Опорно-сцепная проходимость автомобиля

Свойства опорно-сцепной проходимости проявляются при движении автомобиля по слабо связным грунтам и зависят от соотношения между сцеплением ведущих колес с опорной поверхностью и сопротивлением его качению. Чем больше это соотношение, тем выше проходимость автомобиля.

При контакте колеса с почвой происходит ее деформирование в вертикальном, продольном и боковом направлении. Вертикальные деформации почвы определяют потери энергии на образование колеи, то есть на качение. Горизонтальные (продольные) деформации характеризуют сцепление с почвой.

С увеличением деформации почвы в горизонтальном направлении и глубины колеи возрастает высота почвенного клина перед колесом. Это явление получило название бульдозерного эффекта. Наиболее существенное проявление этого эффекта обнаруживается на влагонасыщенных и пластичных почвах, для которых характерно высокое боковое выпирание. Чем выше плотность почвы, тем меньше высота валиков её бокового выпирания. При увеличении ширины колеса боковое выпирание почвы снижается.

К параметрам, характеризующим опорно-сцепную проходимость автомобиля, относят следующие:

1. Удельное давление шин на опорную поверхность.
2. Совпадение у колесных машин ширины колеи передних и задних колес.
3. Максимальная сила тяги на низшей передаче.
4. Распределение веса между передней и задней осями колесных машин и сцепление с почвой.

Влияние удельного давления шины на опорную поверхность.Важным параметром, определяющим опорно-сцепную проходимость автомобиля, являетсяжесткость шины, от которой зависит давление движителя на почву. Жесткости шины и почвы должны быть приблизительно одинаковыми, чтобы их деформации при взаимном давлении соотносились определенным образом. Если жесткость шины значительно превышает жесткость почвы, образуется глубокая колея, снижающая проходимость автомобиля. Если наоборот, то шина излишне деформируется, вследствие чего увеличивается площадь пятна контакта и возрастает сопротивление качению.

Увеличение площади пятна контакта с почвой возможно за счет повышения ширины и диаметра колеса, а также снижением давления воздуха в шине.

Проходимость на влажных и рыхлых грунтах обеспечивается благодаря небольшим удельным давлениям на площадке контакта шины автомобильного колеса с дорогой. Среднее удельное давление шины автомобиля на опорную поверхность колеблется в пределах 0,05…0,18 МПа. На дорогах с твердым покрытием удельное давление для данного типа шины зависит от нагрузки и давления воздуха в шине. При значительно деформирующейся опорной поверхности (песок, болотистый грунт и т.п.) величина удельного давления зависит также от степени погружения колеса в грунт.

Чрезмерное увеличение удельного давления автомобиля на грунт вызывает углубление прокладываемой колеи, рост сопротивления качению и может привести к застреванию машины.

Одним из решений этой проблемы является применение арочных шин. Для арочных шин автотягачей рабочее давление воздуха равно 0,05…0,2 МПа, а площадь опоры (пятна контакта) шины размером 1000×650 (автотягач на базе автомобиля ГАЗ-63) равна 1980см², что обеспечивает уменьшение среднего удельного давления на грунт по сравнению с обычными шинами в 4 раза. Еще меньшие удельные давления (до 0,02МПа) обеспечиваютпневмокатки.

На проходимость колесных машин в условиях неплотного грунта оказывает влияние большое сопротивление качению ведомых передних колес, прокладывающих колею. В этом случае проходимость определяется шириной профиля шин передних колес или отношением веса, приходящегося на передние колеса к суммарной ширине профиля их шин.

На влажных грунтовых дорогах и мягких почвах большое значение имеет самоочищаемость колес от грязи с целью снижения буксования. Рыхлая или влажная почва создает условия повышенного сопротивления движению и требует более высокого крутящего момента на ведущих колесах машины.

Применение регулирования давления воздуха в шинах.Величина давления автомобилей на грунт тесно связана с давлением воздуха в их шинах. При этом надо иметь в виду, что снижение внутреннего давления воздуха в шине с целью повышения проходимости машины уменьшает её грузоподъемность. Поэтому целесообразно снижать давление воздуха в шине только в определенных условиях с учетом состояния дороги.

На некоторых автомобилях, преимущественно полноприводных, внутреннее давление в шинах для повышения проходимости по мягкому и влажному грунту, снежной целине, рыхлому песку регулируетсяи может снижаться до 0,05МПа, что обеспечивает удельное давление на грунт в пределах 0,06…0,08МПа. Однако на плотном песке и целине с травяным покрытием давление в шинах машины следует увеличить до 0,1…0,2МПаи выше.

В качестве примера на рис. 1 показана схема системы регулирования давления в шинах для автомобиля семейства ЗИЛ-131 (рис.1-а). Эта система состоит из компрессора1, воздушного баллона2с предохранительным клапаном3, центрального крана6и блока шинных клапанов4для управления системой, трубопроводов9, гибких шлангов10и воздухоподводящих головок5. Центральный кран6имеет нагнетательный клапан для нагнетания воздуха в шины и выпускной клапан для выпуска воздуха из них. Клапанами управляют с помощью рычажка8, расположенного на приборном щитке водителя. Давление в шинах водитель контролирует с помощью манометра7.

Воздухоподводящие головки (рис.1-б) предназначены для подвода воздуха от неподвижных трубопроводов системы к вращающимся колесам. Воздух по трубопроводам11системы регулирования давления подводят через наклонное и осевое отверстия в поворотных цапфах и в чулках среднего и заднего мостов. Кольцевой зазор между неподвижными и вращающимися частями уплотнен манжетами13, которые установлены в держателях12и14. Сжатый воздух, нагнетаемый по трубопроводу11в наклонное и осевое отверстия в поворотной цапфе, через кольцевую камеру между манжетами, радиальные отверстия во втулке15, кольцевую проточку и осевое отверстие в ступице колеса по гибкому шлангу, закрытому защитным щитком17, поступает в шину колеса.

Рис.1. Схема системы регулирования давления воздуха в шинах (а) и конструкция воздухоподводящей головки (б).

Совпадение колеи передних и задних колес. Работа, затрачиваемая колесной машиной при движении по неплотному грунту, примерно пропорциональна его остаточным деформациям, то есть ширине и глубине оставляемой колеи. Параметры колеи (её ширина и глубина) зависят отсовпадения следов, оставляемых передними и задними колесами. Минимальные деформации грунта будут иметь место при точном совпадении следов. И, наоборот, при несовпадении следов задние колеса должны будут выполнять значительную дополнительную работу, связанную с деформированием стенок колеи, оставленной передними колесами.

Для оценки совпадения следа передних и задних колес служит коэффициент совпадения следа η_с:

η_с= a / b,

где a— ширина следа, оставляемого передним колесом4

b— суммарная ширина следа после прохождения по неплотному грунту переднего и заднего колеса с одной стороны машины.

Из сказанного выше следует, что автомобиль с одинарными шинам обладает более высокой проходимостью по сравнению с автомобилем, оснащенным спаренными шинами. Объясняется это тем, что при наличии второй шины при движении по мягкой дороге (глина, песок, снег), как уже отмечалось, дополнительно расходуется мощность на образование второй колеи. Кроме того, при переходе от спаренных колес к одинарным неизбежно должен быть увеличен диаметр шины (по соображениям сохранения заданного удельного давления в зоне контакта колеса с дорогой), что также благоприятно сказывается на повышении проходимости. Наиболее выгодные (по затратам энергии на передвижение и проходимости) условия образования следа на неплотном грунте обеспечиваются при одинаковых размерах передних и задних колес машины.

Влияние максимальной силы тяги на проходимость.Возможность преодоления подъемов и участков с неплотным грунтом, оказывающим большое сопротивление качению, обеспечивается соответствующей величиной тягового усилия на ведущих колесах автомобиля на низшей передаче.

Наиболее трудными с точки зрения проходимости являются заболоченные почвы, сыпучие пески, пески с илом, снежная целина.

Повышение тяговых свойств автомобиля, обеспечивающих его проходимость, может достигаться за счет увеличения крутящего момента двигателя или повышением передаточного числа трансмиссии (в том числе и главной передачи). Например, для самосвалов, работающих в карьерах, передаточные числа главной передачи целесообразно увеличивать до 10%. Повышение тяговых свойств полноприводного автомобиля обеспечивается за счет применения в раздаточной коробке дополнительной понижающей ступени (обычно с передаточным числом 2).

Влияние конструкции дифференциала.Обычный дифференциал распределяет крутящий момент поровну между ведущими колесами. В этих условиях величину тягового усилия определяет колесо, которое имеет меньшее сцепление с дорогой, снижая величину силы тяги автомобиля в целом.

Трение в обычном дифференциале невелико. Однако, с точки зрения проходимости трение в дифференциале, возникающее вследствие относительного движения его деталей, является полезным, так как оно позволяет передавать повышенный момент на не буксующее колесо. Суммарная сила тяги в условиях участка скользкой дороги (при большой разнице между величинами коэффициентов сцепления под левым и правым ведущими колесами) на двух ведущих колесах достигает своего максимального значения:

Р_{к тах}= 2Р_сц.min+Р_тр.диф./r_к,

где Р_сц.min— сила тяги на ведущем колесе с меньшим сцеплением.

Повышение сцепных свойств на труднопроходимых грунтах может быть достигнуто за счет введения в конструкцию ведущего моста дифференциала повышенного трения (Р_тр.диф.) или применения механизма с принудительной блокировкой дифференциала (выключением дифференциала). На дороге с высоким коэффициентом трения (например, асфальтовое покрытие) блокировка дифференциала должна быть выключена, в противном случае, на поворотах автомобиль теряет устойчивость, повышается коэффициент сопротивления качению вследствие проскальзывания внешнего относительно центра повороту колеса, резко увеличивается износ шины.

Влияние распределения веса автомобиля между осями на её опорно-сцепные качества.На скользких дорогах проходимость ограничивается буксованием ведущих колес при нарушении их сцепления с опорной поверхностью.

Необходимым условием возможности движения колесной машины с одной ведущей осью является следующее:

Z₂φ ≥ G(f + sinα), (1)

где Z₂ — нормальная реакция дороги на ведущей оси;

φ — коэффициент сцепления шин с дорогой;

G — вес машины;

f — коэффициент сопротивления качению;

α — угол подъема.

Для того, чтобы не было пробуксовывания, тяговая сила на ведущих колесах Р_к, соответствующая суммарным дорожным сопротивлениямG(f + sinα), не должна превосходить силы сцепленияР_φ. В том случае, когда соотношение между силой суммарного дорожного сопротивления и силой сцепления удовлетворяет данному условию, тяговая сила ведущих колесР_кбудет полностью использоваться для движения автомобиля. В противном случае, будет иметь место пробуксовывание на дороге, и для движения автомобиля будет использоваться только часть тяговой силы, равная силе сцепленияР_φ=Z₂φ.

Очевидно, что пробуксовывание приводит к снижению скорости машины. Относительное снижение скорости из-за буксования определяется величиной:

,

где v_t – теоретическая скорость движения машины без буксования;

v– действительная скорость движения машины.

Величину буксования можно определить и по отношению пути, потерянного на буксование за один оборот колеса, к теоретическому пути без буксования также за один оборот колеса:

,

где S_t–путь, проходимый колесом без буксования за один оборот;

S_t– действительный путь, проходимый за один оборот при тяговой эксплуатации.

Обычно сила Р_кможет ограничиваться по силе сцепленияР_φпри трогании с места или при преодолении повышенных сопротивлений на скользкой дороге. Ограничение тяговой силы по силе сцепления происходит чаще, когда автомобиль используется в качестве тягача.

Из выражения (1) видно, что проходимость двухосной машины зависит от распределения её веса между передней и задней осями. Она растет с увеличением Z₂= λ₂G (λ₂ — коэффициент, учитывающий распределение веса машины на ведущую ось).

Для автомобилей со всеми ведущими колесами (λ=1) условие возможности движения таковы:

G φ ≥ G(f + sinα)или

φ ≥ (f + sinα).

Для случая движения машины по горизонтальной поверхности (sinα= 0) выражения, определяющие возможность движения машины, получают соответственно следующий вид:

Z₂φ ≥ Gfилиλ₂φ ≥ f (для машин колесной формулы 4×2);

φ ≥ f (для машин колесной формулы 4×4).

Для нахождения силы сцепления ведущих колес с дорогой необходимо знать нагрузку, воспринимаемую дорогой от колес каждой оси автомобиля (для определения коэффициента λ₂).

Распределение нагрузки на колесах двухосного автомобиля, стоящего неподвижно на горизонтальной площадке (рис.2), определяется положением его центра массы:

; ; .

+Здесь аиb– отрезки, определяющие положение центра масс (ЦМ) автомобиля в продольной плоскости,L— база автомобиля. Очевидно,G₁+ G₂ = G.

Практически величины G₁иG₂определяются путем взвешивания отдельно передней и задней частей автомобиля. По экспериментально определенным значениямG₁ и G₂легко рассчитать (обратная задача) положение центра массы (отрезкиаиb), используя для этого приведенные выше формулы. Значение коэффициентаλ₂находят какλ₂=G₂/G. Для автомобиля с ведущими передними колесами в приведенных выше формулах вместо коэффициентаλ₂используют аналогичный ему коэффициентλ₁ =G₁/G.

Следует иметь в виду, что при движении автомобиля возникают дополнительные силы и моменты, которые перераспределяют нагрузки на колеса. Например, сила сопротивления воздуха и подъему, бокового ветра, сила инерции при ускоренном или замедленном движении автомобиля и др. Влияние этих факторов обуславливает соответствующее изменение сцепных свойств автомобиля с дорогой в течение период их воздействия.

Коэффициент сцепления ведущих колес с дорогой φпредставляет собой отношение той силы, которая может вызвать относительное перемещение опорной поверхности шины колеса по дороге, к реакции дороги на колесо, направленное нормально к поверхности дороги.

Это определение аналогично установленному в механике определению коэффициента трения первого рода между двумя твердыми телами. Поэтому часто считают, что коэффициент сцепления и коэффициент трения -–понятия равнозначащие. Это положение весьма близко к действительности для дорог с твердым покрытием. Здесь передача тангенциальных усилий от колеса к дороге обуславливается почти исключительно трением между опорной поверхностью шины и дорогой.

Взаимодействие колеса с дорогой, имеющей мягкое покрытие (песок, щебень и т.п.) происходит иначе. В этом случае под влиянием тангенциальных усилий между дорогой и шиной происходит частичное разрушение контактной поверхности (смятие, сдвиг и т.д.), что вызывает некоторое проскальзывание ведущего колеса. Коэффициент сцепления при этом отличается от определения коэффициента трения.

Коэффициент сцепления колеса на таких дорогах трудно определим расчетным путем и выясняется проведением экспериментальных исследований. Исследуемый автомобиль с полностью заторможенными колесами буксируется с помощью специального тягача при одновременном измерении усилия на сцепке с помощью динамометра. Отношение этого усилия к полному весу буксируемого автомобиля представляет собой коэффициент сцепления.

Этим способом можно определить величину φна дорогах с покрытиями различного типа. Существуют и другие способы определенияφ, например, торможением автомобиля на исследуемом участке дороге с одновременным измерением тормозных путей.

По результатам многочисленных испытаний устанавливают средние величины коэффициента сцепления для различных типов дорожного покрытия (табл. 4.1).

Таблица 4.1.

Средние величины коэффициента сцепления для различных дорожных условий:

Вид опорной поверхности	Величина коэффициента сцепления φ
Сухая поверхность	Мокрая поверхность
Асфальт	0,7…0,8	0,3…0,4
Грунтовая дорога	0,5…0,6	0,3…0,4
Глина	0,5…0,6	0,3…0,4
Песок	0,5…0,6	0,4…0,5
Обледенелая дорога	0,2…0,3
Дорога, покрытая снегом	0,2…0,4

Большое влияние на тягово-сцепные качества автомобиля оказывают геометрические параметры грунтозацепов протектора шины. Грунтозацепы шины ведущего колеса, погружаясь в грунт, деформируют его не только в радиальном, но и в тангенциальном направлении, и постепенно уплотняют. По мере уплотнения грунта в тангенциальном направлении, его сопротивление сдвигу возрастает до некоторого предела, после чего начинается разрушение (сдвиг) грунта. По мере деформации грунта, внешним проявлением чего служит частичная пробуксовка шины (ее поворачивание на угол, соответствующей величине уплотнения грунта), коэффициент сцепления возрастает до некоторого максимума, а затем падает до величины, характеризуемой внутренним трением между частицами грунта.

Приспособления, повышающие проходимость автомобиля.Для преодоления особо тяжелых участков пути и подъемов, а также вытаскивания застрявшего автомобиля, на машинах высокой проходимости устанавливаютлебедкис приводом от механизма отбора мощности, размещаемого, например, на корпусе раздаточной коробки.

Если автомобиль не имеет лебедки, то для самовытаскивания могут быть использованы ведущие колеса, на ступицы которых установлены барабаны с тросами (самовытаскиватели). Концы тросов крепят к опорам на местности (деревья, пни, столбы и т.д.). При вращении колес тросы наматываются на барабаны самовытаскивателя, создавая тяговое усилие, соизмеримое с весом автомобиля.

+При эксплуатации автомобилей в тяжелых дорожных условиях находят применение ленточные, браслетные и гусеничные цепи, увеличивающие поверхность зацепления колес с дорогой, то есть обеспечивающие повышение тяговой силы по условиям сцепления. Гусеничные цепи применяют на трехосных автомобилях. С помощью натяжного устройства цепи устанавливаются на колесах среднего и заднего мостов автомобиля, преобразуя его тем самым в колесно-гусенечное транспортное средство, которое может преодолевать, например, снежные покровы глубиной до 70см.

Профильная проходимость автомобиля

Профильная проходимость автомобиля на конкретной дороге определяется его компоновкой, геометрическими параметрами, диаметром и числом колес, позволяющими машине преодолевать профильные препятствия.

В соответствии с ГОСТ 22653-77 основными геометрическими параметрами автомобиля являются:

• дорожный просвет;
• углы переднего и заднего свесов;
• продольный радиус проходимости.

Наиболее низкими зонами автомобиля, определяющими дорожный просвет h_пр, являются картеры маховика и коробки передач, глушитель, передний и задний мосты (картер главной передачи ведущего моста). Минимальный просвет у современных легковых автомобилей не превышает 150…200мм, у грузовых автомобилей он может достигать 220…300мми более (табл. 2).

При эксплуатации автомобиля на бугристой местности важным показателем его проходимости является радиус продольной проходимости R_а (условный радиус выступа дороги, который может быть беспрепятственно преодолен автомобилем, не зависая на нем). Этот показатель определяется не только дорожным просветом, но и величиной базы автомобиля (рис.3). Очевидно, чем больше база автомобиля, тем ниже его проходимость при переезде через выступы, бугры и другие препятствия.

Ограничивать проходимость автомобиля при его движении по пересеченной местности могут части кузова, выступающие за оси спереди и сзади автомобиля. Если из низших точек этих частей кузова провести к переднему и заднему колесам касательные, то углы между ними и плоскостью дороги определят углы переднего γ₁ и заднего γ₂свесов автомобиля (рис.3). Эти углы дополнительно определяют показатель его проходимости по неровной дороге, которая возрастает с увеличением этих углов.

Значительный вынос (свес) двигателя вперед, за переднюю ось, и вытянутая, низко расположенная задняя часть кузова, что характерно для легковых автомобилей, затрудняют движение автомобиля по пересеченной местности.

Рис.3. Геометрические параметры профильной проходимости автомобиля.

В табл. 4.2 приведены значения параметров профильной проходимости для различных автомобилей.

Параметры движителя (диаметр и число колес, колесная формула) в наибольшей степени проявляются при оценке проходимости автомобиля при преодолении канавы или рва. Ширина рва b, через который может пройти двухосный автомобиль, может быть принята равной радиусуr_кколеса. Эта величина несколько больше для автомобилей с обоими ведущими мостами и достигает примерно 1,2r_к. Трехосные автомобили любой схемы не имеют в этом отношении существенных преимуществ.

Таблица 4.2.

Параметры профильной проходимости автомобиля

Тип автомобиля	Дорожный просвет hпр, мм	Угол переднего свеса γ1,град.	Угол заднего свеса γ2,град.
Легковые	150…200	20…30	15…20
Грузовые	240…300	40…60	25…40
Автобусы	220…300	10…40	6…20
Высокой проходимости	400…500	60…70	50…60

Ров большей ширины наиболее эффективно преодолевается четырехосными автомобилями. Ширина преодолеваемого рва при этом может быть принята приближенно равной b=L₀+ 1,2r_к. (L₀ — расстояние между смежными осями автомобиля).

+Способность преодоления многоосным автомобилем широкого рва за счет возможности нависания над ним определяется числом, расположением и способом крепления мостов к корпусу машины, а также размещением центра масс по её длине. Чем больше продольная база и число мостов автомобиля, тем большую по ширине канаву или ров может преодолеть колесная машина «на весу» без опрокидывания. В этих условиях по парное объединение мостов в качающуюся тележку снижает проходимость машины через ров.

Помимо рассмотренных параметров автомобиля профильная проходимость зависит от приспособляемости колес к неровностям дороги без потери контакта с ней. Это свойство автомобиля зависит от допустимого угла взаимного перекоса мостов относительно горизонтальной плоскости.