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, является жесткость 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.

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.

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.

На некоторых автомобилях, преимущественно колесной формулы 4×4, внутреннее давление в шинах для повышения проходимости по мягкому и влажному грунту, снежной целине, рыхлому песку регулируется и может снижаться до 0,05 МПа, что обеспечивает удельное давление на грунт в пределах 0,06…0,08 МПа.

Однако на плотном песке и целине с травяным покрытием давление в шинах машины следует увеличить до 0,1…0,2 МПа и выше.

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 1980 см², что обеспечивает уменьшение среднего удельного давления на грунт по сравнению с обычными шинами в 4 раза. Еще меньшие удельные давления (до 0,02 МПа) обеспечивают пневмокатки.

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.

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 от совпадения 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 машины, обеспечивающих её 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 сцепных свойств на труднопроходимых грунтах может быть достигнуто у колесных машин за счет применения механизма блокировки дифференциала или введения в конструкцию ведущего моста дифференциала повышенного трения.

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 сопротивлениям G(f + sinα), не должна превосходить силы сцепления Р_φ. В том случае, когда соотношение между силой суммарного дорожного сопротивления и силой сцепления удовлетворяет данному условию, тяговая сила ведущих колес Р_к будет 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 сцепления Р_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_к может ограничиваться по силе сцепления Р_φ при 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 ≥ Gf или λ₂φ ≥ 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).

L

а b

ЦМ

G₁G₂

ФА G

Рис.1. Распределение нагрузки на колеса двухосного автомобиля.

Распределение нагрузки на колесах двухосного автомобиля, стоящего неподвижно на горизонтальной площадке (рис.1), определяется положением его центра массы:

; .

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

Практически величины G₁ и G₂ определяются путем взвешивания отдельно передней и задней частей автомобиля. По экспериментально определенным значениям G₁ и G₂ легко рассчитать (обратная задача) положение центра массы (отрезки а и b), используя для этого приведенные выше формулы. Значение коэффициента λ₂ находят как λ₂ = G₂/G. Для автомобиля с ведущими передними колесами в приведенных выше формулах вместо коэффициента λ₂ используют аналогичный ему коэффициент λ₁ = 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 φ представляет 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 φ на дорогах с покрытиями различного типа. Существуют и другие способы определения φ, 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 (таблица 1).

Таблица 1.