Обзор технических решений, повышающих проходимость автомобилей.

[Lew]

ПРОДОЛЖЕНИЕ

"...Известный во всем мире ученый М. Беккер, посвятивший много трудов исследованию особенностей взаимодействия автомобильных колес с грунтом, пришел к выводу, что при движении шины по мягкому грунту коренное улучшение сцепления может быть достигнуто при применении грунтозацепов высотой, равной ширине протектора, однако такая конструкция шины практически нереальна. Впрочем, в последние годы начали выпускаться внедорожные шины (т.н. «грязевые»), конструкция протектора которых во многом приближается к условию, выведенному Беккером.
Тут необходимо отметить, что конструирование автомобилей повышенной и высокой проходимости можно условно разделить на две категории:
I. Проектирование автомобилей высокой проходимости мелкосерийного (штучного) производства под конкретные эксплуатационные задачи, а также проектирование специальных автомобилей, предназначенных для эксплуатации в узко ограниченных условиях (Арктика, тропические джунгли, сильно заболоченные местности и пр.). Автомобили, входящие в данную категорию, часто называют колесными вездеходами.
II. Проектирование автомобилей повышенной проходимости массового производства.
При проектировании автомобилей второй категории обычно учитывается ряд базовых принципов: максимальная унификация полноприводных и неполноприводных автомобилей, одновременно стоящих на производстве; преемственность новых конструкций автомобилей, т.е. рациональное использование в новых моделях конструктивных решений, а также агрегатов и узлов с высокими техническими характеристиками, хорошо зарекомендовавших себя в эксплуатации и имеющих длительную перспективу выпуска; разработка модификаций полноприводных автомобилей в составе унифицированных семейств.
Это накладывает на конструктора ряд ограничений. Например, чаще всего полноприводная модель разрабатывается на базе уже имеющейся неполноприводной, и в процессе творчества приходиться ограничивать фантазию и подстраиваться под обстоятельства, делать не так, как лучше в принципе, а так, как наиболее оптимально в данных условиях, то есть действовать в определенных рамках. Указанные особенности характерны и для деятельности конструкторов, разрабатывающих новые модели шин, поскольку очень часто разработка нового автомобиля высокой проходимости и разработка шин для него идет одновременно.
Из теории автомобиля известно, что при движении автомобиля на деформируемых грунтах (при отсутствии подъема) основной силой, препятствующей его движению, является сила сопротивления качению колеса. Причем значение этой силы при погружении колеса в переувлажненный грунт возрастает, и для движения автомобиля в этом случае колесам нужно развивать большую по величине тяговую силу. А с ростом силы тяги, развиваемой колесом, происходит еще большее его погружение в грунт, рост глубины колеи и, как следствие, еще большее увеличение силы сопротивления качению, что вызывает необходимость дополнительной силы тяги. И это происходит до тех пор, пока величина суммарной силы тяги колес, необходимая для поступательного движения, не станет меньше, чем сила сцепления колес с грунтом. После этого возникнет пробуксовка колес и застревание автомобиля.
Силу сцепления колеса с грунтом можно повысить путем разработки конструкции шины с высокими грунтозацепами, расположенными таким образом, чтобы обеспечивалась самоочищение протектора от налипшего грунта. Но это помогает не на всех грунтах. Например, на песке или снегу (при низкой температуре воздуха) коэффициент сцепления шины с грунтом выше, чем коэффициент зацепления частиц грунта между собой. Проще говоря, происходит буксование не шины по грунту, а одних слоев грунта, находящихся под колесом, по другим слоям, лежащим ниже. И путем изменения конструкции протектора этот коэффициент зацепления частиц повысить невозможно.
Инженерам стало ясно, что в первую очередь надо принимать конструктивные меры для уменьшения глубины колеи. Самое простое решение – снизить вес автомобиля, понятно, что более легкий автомобиль продавит менее глубокую колею, чем более тяжелый (при условии одинаковых шин).
Но автомобиль должен перевозить грузы, то есть обладать полезной грузоподъемностью, и снижение его веса в большинстве случаев невозможно.
Следовательно, для улучшения проходимости надо увеличить площадь контакта колеса с грунтом, увеличить площадь опорной поверхности. В результате этого снизится величина удельного давления колеса на грунт, что уменьшит силу сопротивления качению колеса и глубину продавливаемой им колеи. А раз так, то для движения автомобиля понадобится меньшая по величине тяговая сила, то есть будет создан резерв по сцеплению, который может понадобиться, например, когда машина пойдет на подъем и возникнет препятствующая движению сила сопротивления подъему.
Проще всего добиться снижения удельного давления колеса на грунт путем увеличения ширины профиля шины. К тому же, такое решение позволит разместить на протекторе несколько рядов дополнительных грунтозацепов, что увеличит силу сцепления.
Так и стали делать, в результате появились модели арочных шин и пневмокатков, имеющих низкое внутреннее давления воздуха в шине (0,21-0,35 кГ/кв.см) и повышенную эластичность протектора, что попутно позволило снизить ударные нагрузки, передающиеся от дороги к подвеске автомобиля. В результате шины стали частично выполнять функции, которые ранее выполняли элементы подвески, что позволило полностью отказаться от последней на некоторых моделях колесных вездеходов с невысокими эксплуатационными скоростями. При этом удельное давление на грунт у автомобилей с колесами данного типа иногда было меньше по величине, чем у некоторых моделей гусеничной техники.


На специализированных транспортерах-тягачах фирмы FWD семейства «Теракрузер» колесной формулой 8х8, сконструированных в начале 60-х годов, применялись пневмокатки различных конструкции шириной от 610 мм до 1057 мм и наружным диаметром до 1524 мм. Вес самого большого пневмокатка составлял 197 кг. Тягач модели ХМ-401, представленный на фото и перевозящий межконтинентальную ракету, при собственном весе 6800 кг обладал грузоподъемностью 7200 кг на твердой дороге и 4200 кг на слабом грунте.

Но применению таких шин на массово выпускаемых автомобилях повышенной проходимости препятствовали определенные конструктивные трудности. При увеличении ширины профиля шины уменьшается предельный угол поворота управляемых колес (края колеса упираются в раму), что влечет ухудшение поворотливости. Следовательно, чтобы обеспечить достаточную поворотливость машины с широкими шинами надо увеличить расстояние между колесом и рамой, что повлечет существенное увеличение ширины колеи и в итоге увеличение габаритов машины. Либо нужно делать несколько мостов управляемыми (с поворотными колесами), что усложнит конструкцию рулевого управления. А на дорогах с бетонным и асфальтовым полотном такие шины создают большую силу сопротивления качению (по сравнению с более узкими вездеходными шинами) и имеют низкий КПД, что вызывает их нагрев, повышенный износ и большой расход топлива. Одним словом, арочные шины и пневмокатки на массово выпускаемых автомобилях так и не прижились.
Улучшение опорной проходимости можно получить и другим способом, для этого достаточно увеличить наружный диаметр шины (ее высоту). Это повысит длину части шины, вступающую в контакт с грунтом, и соответственно, увеличит общую площадь поверхности контакта, что повлечет уменьшение удельного давления на грунт, и в итоге снизит силу сопротивления качению на всех видах грунтов. Попутно данное решение улучшит профильную проходимость, поскольку увеличатся: дорожный просвет; предельная высота преодолеваемых пороговых препятствий; предельная ширина выбоин и рвов, которое способен пройти автомобиль. Следовательно, увеличение наружного диаметра шины позволяет улучшить сразу несколько параметров, определяющих проходимость автомобиля. При этом уменьшается число циклов нагружения элементов шины на определенном пути, соответственно повышается допустимая по нагреву скорость движения.
Но значительно увеличить диаметр шины не всегда удается, поскольку при этом уменьшается угол поворота управляемых колес, значительно увеличивается масса и момент инерции колеса, а также повышается центр тяжести автомобиля, что влечет ухудшение его поперечной устойчивости и управляемости. Существенное увеличение диаметра шины требует установки главной передачи с большим передаточным числом, что влечет увеличение нагрузки на шестерни и выходные валы (полуоси) дифференциала и увеличение размера редуктора.
Поэтому инженеры стараются выбрать оптимальный вариант, подбирая такие значения ширины и диаметра профиля шины, при которых и проходимость повысится, и применение дополнительных сложных решений в конструкции автомобиля не потребуется.
Но иногда конструкторы получали задание и неограниченный бюджет на проектирование единичного автомобиля высокой проходимости, предназначенного для постоянной эксплуатации в конкретных условиях тяжелейшего бездорожья, и уж тут их фантазия по использованию больших колес не знала предела. В результате возникали автомобили на гигантских колесах, навеки вошедшие в историю. Например, в США в середине 50-х годов был сконструирован экспериментальный автомобиль Сноу-Баги, изготовленный фирмой Ле-Турно Вестингауз, до сих пор поражающий специалистов как своими размерами, так и своей никчемностью.


20-тонный вездеход длиной 8,4 метра и шириной 7,3 метра приводился в движение электрическими моторами, размещенными в колесах, ток для которых вырабатывал дизель-генератор мощностью 400 л.с. Шины вездехода имели наружный диаметр (высоту) чуть больше 3-х метров.

Но чаще всего конструкторы использовали более простой и эффективный способ снижения удельного давления на грунт, не отходя от традиционных схем проектирования автомобилей, то есть без серьезного затруднения в отношении общей компоновки. Вместо увеличения размеров колес они увеличивали их количество путем введения в конструкцию дополнительных ведущих мостов. Данное нехитрое решение давало целый ряд улучшений: снижалось удельное давление на грунт, увеличивалась суммарная тяговая сила колес автомобиля, повышались показатели профильной (геометрической) проходимости, снижалась силовая нагрузка, действующая на привод и раму автомобиля. Легковые и универсальные (грузопассажирские) автомобили обычно проектировали с двумя ведущими осями (4х4), а грузовые с тремя (6х6) или четырьмя (8х8). Дальнейшее повышение числа осей уже было малоэффективно, проходимость от этого увеличивалась незначительно, а усложнение конструкции силового привода, рулевого управления и возросший вес сводил на нет всю выгоду от такого решения.


Мерседес Gelendwagen W461 являл собой редкий случай применения трех ведущих мостов в универсальном автомобиле.

А со временем на автомобилях высокой проходимости стало применяться еще одно техническое решение, появление которого, как и многих других решений, повышающих проходимость, способствовала война. В ходе проведения десантных операций американских войск во время II мировой войны широко использовались вездеходы-амфибии. Оказалось, что сравнительно тяжелые амфибии не обладают достаточной проходимостью при входе в воду и при выходе из нее, когда грунт берега и прибрежная часть морского дна представляет собой рыхлый песок или болото. Во многих случаях не помогали даже мощные лебедки, установленные на этих амфибиях, и завязшие машины приходилось вытягивать тягачами и автокранами. Тогда и заметили, что снижение внутреннего давления воздуха в шинах способствует более успешному выходу амфибии на берег. Например, в инструкции, прилагаемой к машине Форд GPA с колесной формулой 4х4, шоферу рекомендовалось снижать давление в камерах до 0,49 кг/см.кв. при выходе из воды на слабый грунт или песок. Уменьшение давления составляло примерно 25% от нормального.
Американские инженеры провели ряд испытаний и установили, что при снижении внутреннего давления воздуха в шине снижается сила сопротивления качению и увеличивается сила сцепления почти на всех видах грунтов. Объясняется это тем, что при снижении давления воздуха шина деформируется в радиальном направлении, что увеличивает площадь контакта с грунтом и уменьшает величину удельного давления на грунт. Также при деформации шины в контакт с грунтом вступает большее число грунтозацепов. Исследованиями было установлено, что каждая шина на том или ином грунте имеет определенную оптимальную величину внутреннего давления воздуха, при которой она покажет наилучшие тягово-сцепные свойства. И величины эти для разных шин и разных грунтов существенно отличаются и определяются опытным путем в процессе эксплуатации автомобиля. Следовательно, для улучшения опорной проходимости нужно на деформируемых грунтах снижать давление в шине, а при выезде на твердую дорогу приводить его в норму. Вскоре для каждой амфибии были определены и внесены в инструкции по эксплуатации оптимальные величины давления воздуха в шинах, соответствующие различным типам опорной поверхности.
Все это конечно было хорошо, но практически при необходимости уменьшить давление в шинах требовалась остановка амфибии на краю берега или перед труднопроходимым участком пути. Шофер покидал амфибию и снижал давление воздуха в камерах шин до требуемой величины. При этом было необходимо пользоваться манометром, так как ошибка в конечном давлении могла оказаться причиной застревания машины. При выходе на нормальный грунт давление нужно было поднять до нормального путем подкачки шин. Тем временем вокруг рвались снаряды и посвистывали пули, а это, согласитесь, не очень приятно. Хорошо еще, если у амфибии было 4 колеса, а представьте себе героическую жизнь шофера шестиколесной машины!
Накачивание шин GPA производилось обычным ручным насосом, а амфибия DUKW-353 с колесной формулой 6х6 снабжалась механическим воздушным насосом, приводимым в движение от раздаточной коробки. Колеса амфибий были большими, и процесс изменения давления требовал значительных затрат времени и сил. А неподвижная машина превращалась в хорошую мишень для вражеской авиации и артиллерии, что создавало реальную опасность для жизни всего экипажа.
Вот это печальное обстоятельство и подтолкнуло инженеров американской компании GМС к необходимости разработки системы регулировки давления в шинах на ходу автомобиля, управление которой вместе с манометром находились на приборной панели. Она была впервые установлена в сентябре 1942 года на амфибии DUKW-353. Затем такие системы стали применяться на других амфибиях и военных автомобилях американской армии, а потом разошлись по всему миру.
Все ныне выпускаемые грузовые автомобили повышенной проходимости обязательно комплектуются такими системами. А легковые и универсальные оборудуются либо ресиверами, либо мощными стационарными компрессорами.
Из изложенного можно сделать бесспорный вывод: конструкция шины имеет первостепенное значение для проходимости автомобиля и первоначальные мероприятия по ее улучшению нужно начинать с подбора оптимальных шин..."