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.
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 (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.