|
В общем, текст ниже я написал давно. Освежу его, поскольку пришло время выбирать размер резины. Заодно исправлю пару ошибок.
...
<b>Повод для подумать </b>
Буквально пару дней назад мне позвонил компаньон-заказчик и озадачил таким вопросом: Мы планируем уменьшить вес машины, а не снизится-ли при этом её проходимость?
Тут дело в балансе масс по осям – ответил я - ну и в соотношении массы к ширине резины. Будет снижаться вес – будем пропорционально уменьшать ширину резины. Чтобы не получилось как в Формуле 1, когда лёгкие широко-колёсные болиды застревают на простой траве.
Ответил, успокоил и далее принялся сильно сомневаться в своих словах.
Тем более опыт езды вне дорог у компаньона-заказчика больше, а в купе с его товарищами по увлечению внедорожниками так вообще не сопоставим с моим.
И этот объёмный опыт настойчиво указывает на преимущество самой-самой широкой резины.
Однако обосновывается это преимущество обычно «увеличенным пятном контакта, дающим лучшее сцепление с грунтом», что элементарно противоречит физике. За ради этого-же (как они часто думают: «большего пятна контакта для лучшей тяги») водители спускают шины на мягких грунтах и... опять получают положительный результат.
При этом есть и противоположные многочисленные наблюдения, из которых следует, что лучшая резина – стандартная жёсткая «военная» Я 192. Она «режет грязь», тем самым обеспечивая отличное сцепление.
Отсюда простая мысль: чтобы выявить плюсы и минусы широкой и узкой резины, нужно описания опыта её эксплуатации пропустить сквозь фильтр предварительных размышлений, хоть чуть-чуть близких к научным, а затем всё проверить опытным путём, соблюдая чистоту экспериментов.
...
<b>Простые формулы</b>
Для движения автомобиля по горизонтальной поверхности следует выполнить элементарное условие:
Сила сопротивления качению должна быть меньше тяговой силы на колёсах, а та, в свою очередь, должна быть меньше силы сцепления с дорогой.
В буковках формул это можно представить так (здесь и далее я для наглядности и простоты формулы буду снабжать русскими буковками): P сопр.кач. < P колёс < P сцепл. (1)
Где:
P сопр. кач. = К сопр. кач. (коэффициент сопротивления качению) * G авт. (масса автомобиля).
P сцепл. = К сцепл. (коэффициент сцепления)*G вед. (масса на ведущих колёсах).
P колёс (тяговая сила на колёсах) определяется крутящим моментом двигателя и передаточным отношением трансмиссии (об этом поразмышляем ниже).
Площадь контакта резины с грунтом здесь нигде не фигурируют.
То есть в простом случае ширина резины ни на что не влияет, за исключением скорости износа и вероятности повреждения протектора резины тяговой силой, прилагаемой к колёсам.
...
<b>Справка для расчётов:</b>
Для обычных условий эксплуатации кроссовых и внедорожных автомобилей могут быть применены следующие коэффициенты сопротивления качению* [1]:
Песок сухой – 0.1-0.3
Песок сырой – 0.06-0.15
Сухой чернозём – 0.03
Сырой чернозём – 0.35
Глинистая целина, сухая – 0.04-0.06
Глинистая целина, пластичная – 0.1-0.2
Глинистая целина, в распутицу – 0.2-0.3
Грунтовая дорога, сухая – 0.025-0.03
Грунтовая дорога, после дождя – 0.05-0.15
Грунтовая дорога, в распутицу – 0.1-0.25
Укатанная снежная дорога – 0.03-0.05
Лёд, наледь – 0.015-0.03
*При этом опытным путём установлено, что при движении автомобиля со скоростью не ниже 30 км./ч. сопротивление качению снижается на 25%, дальнейшее увеличение скорости движения к существенному снижению сопротивления качению не ведёт. При прочих равных условиях сила сопротивления качению тем меньше, чем больше диаметр колёс и давление воздуха в шинах. [1].
И коэффициенты сцепления:
Песок сухой – 0.2-0.4
Песок сырой – 0.4-0.5
Сухой чернозём – 0.55
Сырой чернозём – 0.2-0.4
Глина, сухая – 0.4-0.5
Глина, пластичная – 0.25-0.4
Глина, в распутицу – 0.15-0.25
Грунтовая дорога, после дождя – 0.3-0.45
Грунтовая дорога, в распутицу – 0.15-0.25
Снег, рыхлый – 0.2-0.4
Снег, укатанный – 0.2-0.25
Лёд, при температуре ниже нуля – 0.1-0.2
...
<b>
Первое усложнение </b>
Теперь поставим автомобиль на мягкий грунт. Под колёсами у нас образуются углубления, а при движении автомобиля за колёсами появляется колея – остаточная деформация грунта.
При этом сопротивление качению увеличивается за счёт этой самой деформации грунта. Оно тем выше, чем сминаемая область грунта:
а. Шире;
б. Глубже.
Ширина сминаемой области напрямую зависит от ширины резины. На первый взгляд здесь очевидно преимущество узкой резины [3].
Глубина колеи зависит от соотношения жёсткости шин и площади опорной поверхности.
Погружение колёс в грунт происходит до того момента, пока не наступит равенство снижающегося давления в контакте и возрастающего, в следствии уплотнения, сопротивления грунта.
С весом тут вопросов нет – чем он меньше, тем, получается, лучше (меньше глубина колеи). Особенно на пластичных грунтах (глине, чернозёме)[2] [3] [4]. Мало того, чем меньше вес, тем легче достать застрявшую машину подручными средствами или с помощью лебёдки.
Зависимость среднего фактического давления в контакте от давления воздуха в шинах определяется по следующей упрощённой формуле:
q = К жёст.*P возд. (2)
Где К жёст. – коэффициент, характеризующий жёсткость каркаса шин (по [1] он колеблется в диапазоне от 1.05 для измерений с шинами низкого давления, до 1.45 – с обычными шинами), а P возд. – давление воздуха.
Давление на грунт здесь линейно зависит от давления в шинах.
А вот площадь опорной поверхности - пятна контакта - не зависит ни от ширины, ни от диаметра колёс.
Рассчитывается она по формуле:
S = G/q
Где G - масса на колесе, q - фактическое среднее давление.
То есть и узкое колесо, и широкое, при одинаковой жесткости борта, погружаются на одну и туже глубину. Но перед широкой резиной сминаемая зона грунта больше. Исходя из этого узкие колёса большего диаметра предпочтительнее.
Однако тут нужно помнить, что необдуманное увеличение диаметра колёс влияет на чрезмерное повышение нагрузки на полуоси, на поднятие центра тяжести (что даёт, как минимум, ухудшение устойчивости машины) и ведёт к снижению тяговой силы на колёсах (что может компенсироваться только изменением передаточных чисел трансмиссии).
То есть для достижения наилучших внедорожных качеств необходима резина с достаточно мягким каркасом, допускающая снижение давления воздуха пропорционально мягкости грунта. Это точно не жёсткая «армейская» штатная Я192.
При этом увеличение пятна контакта при понижении давления здесь совсем не играет роль «повысителя сцепления/тягового усилия» (см. формулу (1) в начале темы) – дело тут исключительно в снижении сопротивления смятия грунта.
...
<b>Следующее усложнение, ну или отступление </b>
Теперь посмотрим на движение машины по прямой в горизонтальной плоскости по мягкому грунту, в целом.
На 469-м колея задних и передних колёс совпадает, поэтому задние колёса работают в лучших условиях, чем передние – они идут по уплотнённому грунту, то есть по колее.
Чтобы создать равные условия для передней и задней осей, давление в контакте с грунтом первой должно быть на 20-30% меньше [1] [4].
В заводском исполнении УАЗ 469/3151 при штатном давлении воздуха в шинах это требование не выполнено.
Наиболее правильный способ достижения лучшей проходимости по этому пункту – снижение веса передней части машины за счёт применения соответствующих лёгких материалов и переноса всего, что так и так нужно возить с собой, в сторону задней оси.
Если этот пункт проигнорировать, то давление в контакте с грунтом передней оси можно снизить только понижением давления воздуха. То есть задние и передние колёса, в этом случае, накачиваются неодинаково. При этом передние шины будут подвергаться большему износу, плюс ухудшатся их направляющие свойства.
...
<b>В горку, в поворот и по склону</b>
Если в формулу (1) подставить наихудшие условия сцепления с грунтом и наибольшего сопротивления качению, то становится очевидным то, что для движения машины по горизонтальной плоскости остаётся совсем небольшой диапазон тяговой силы на колёсах. Выход за его узкие пределы ведёт либо к остановке машины, либо к пробуксовке колёс.
(Отсюда, а не из иного места, с моей точки зрения, вытекает точный подбор передаточных чисел трансмиссии, когда этот диапазон полностью перекрывается диапазоном рабочих оборотов двигателя, в пределах одной передачи).
В этой-же ситуации любой подъём в гору становится невозможным. Что мы часто и наблюдаем на штатной резине УАЗ.
Решается эта проблема за счёт развитого рисунка протектора – «грунтозацепов».
В отличии от всего описанного выше, работают они не благодаря трению покоя, а за счёт погружения элементов протектора в грунт и смещения колеса относительно продавленного слоя грунта.
Если продавленный слой грунта оказывается недостаточно глубоким и прочным для передачи нужной тяговой силы, то он срезается и заполняет пространство между элементами протектора – резина «замыливается». Далее грунтозацепы вообще перестают работать. Чтобы «замыливание» не происходило, элементы протектора должны размещаться так, чтобы резина самоочищалась от срезанного грунта – грубо говоря, «ёлочкой».
Для лучшей работы резины площадь таких грунтозацепов должна быть достаточно малой, чтобы веса машины хватало для их вдавливания в грунт. Но и не меньше той, при которой достигается предел прочности состава резины при максимальном тяговом усилии на колёсах и при которой скорость износа резины на твёрдом покрытии имеет приемлемый уровень.
То же самое можно сказать про работу резины на склоне, в повороте или при выходе из колеи.
Если при движении прямо по горизонтальной плоскости достаточно того, чтобы колея была минимально-глубокой, то при движении по склону на этих-же условиях машина просто соскользнёт боком. При повороте и попытке выхода из колеи тут будет наблюдаться снос передней оси.
Поэтому 469-му внедорожнику нужна резина с развитым и сильно прореженным протектором достаточной глубины, но не более того.
Слишком высокий и слишком редкий протектор может разрушать уплотнённый слой грунта в колее. Мало того, до того как грунт уплотнится, высокий протектор может срезать такой слой мягкого грунта, что машина сразу будет садиться на мост.
...
<b>Тише едешь, дальше будешь</b>
Суть поговорки из заглавия выше вовсе не в скорости передвижения, а в её бесшумности. В старо-давние времена передвижение на подводе с модными колокольчиками привлекало внимание не только мирных людей, но и издалека оповещало грабителей о приближающейся добыче.
Отсюда народная мудрость – без шума уедешь дальше.
В случае с резиной типа «ёлочка» сильно прореженный протектор приводит к повышенному шуму (по факту колёса получаются не круглыми, а многогранными – отсюда «вой» резины), за которым следует дополнительный износ элементов подвески и вообще деталей всех подвижных соединений в машине.
Чтобы снизить такой шум, резина должна иметь относительно сплошную беговую дорожку по центру.
...
<b>Широкая, но не слишком</b>
В целом настоящее размышление приводит к тому, что резина должна быть рассчитанной.
Многочисленные испытания прошлых лет [2] показывают, что машина на узкой резине действительно нарезает себе колею... и садится в неё брюхом. Исключение – случаи, когда под слоем жидкой грязи есть твёрдый слой грунта.
Желание поставить самую-самую широкую резину, однако, стоит в себе умерить.
Чем шире резина, тем больше неподрессоренные массы подвески (они у нас и так слишком большие), больше время повышения и понижения давления воздуха (в т..ч. больше объём и вес ресивера пневмосистемы/компрессора), больше плечо обкатки передних колёс (оно и так чудовищно велико, а широкую резину придётся ставить на диски с большим вылетом), она будет больше греться и раньше выйдет из строя (по [3] внутренняя температура борта спущенной резины часто может превышать критические 1200 градусов), она имеет большие массы, перемещающиеся при деформации (сперва сминаемая масса смещается вперёд, потом высвобождается назад, это ведёт к возникновению колебаний протектора, что вредно для подвески и снижает скоростные свойства машины) и большее собственное сопротивление качению (что ведёт к повышению расхода топлива и снижению тяговой способности машины). Широкая резина создаёт большие плечи приложения сил к рулевой сошке при попадании препятствия в её край, и при несовпадении колеи машины с колеёй дороги.
Для опытных «джиперов» это такие несущественные «страшилки», хоть и опирающиеся на научные и инженерные знания, которыми они смело пренебрегают. Однако куда как важнее следующее - опытным путём установлено, что на сыпучем холодном снеге (на наиболее сложной поверхности) удельное давление колеса на грунт должно равняться 0.5 кгс/см2 (меньше нельзя, поскольку снег не будет уплотняться) [2]. Именно это должно достигаться выбором ширины резины под вес машины и не более.
(спустя время, я встретил массу ссылок на эту величину - 0.5 кгс/см2 - в том числе на табличке БРДМ, в регламентах соревнований и т.д.)
Вполне может так получиться, что при значимом снижении веса машины правильно подобранная резина окажется НЕзначительно шире старой штатной.
Осталось только выяснить этот вес, подставить в формулы, сделать следующий шаг – проверить предположения экспериментальным путём. Заодно, имея итоговый вес, можно будет точно оценить энерговооружённость машины и решить в какую сторону она должна быть скорректирована. Следующее действие – выбор жёсткости упругих элементов подвески.
...
<b>
Промежуточные выводы: </b>
Предварительно обобщу конкретно по резине: Для 469 + нужна арочная/широкопрофильная резина, с достаточно мягким каркасом, допускающая существенное понижение давления воздуха, с достаточно высоким и прореженным самоочищающимся протектором, с цельной беговой дорожкой по центру, минимально-возможного веса. При этом машина с такой резиной должна позволять (травиться) создавать давление на сухой снег близкое к 0.5 кгс/см2, из чего будет следовать требование к её ширине, профилю и диаметру.
...
<b>Литература по первой части темы:</b>
[1] М.М.Назаров, Cпециальные кроссовые автомобили – Багги, Москва, Издательство ДОСААФ СССР, 1986.
[2] Вождение автомобилей высокой проходимости. Лаврентьев В. Б. М., «Транспорт», 1974.
[3]Влияние на показатели опорной проходимости параметров колёс, типа шин, величины и распределения полной массы машины, Кондрашов В.Н., Воронин В.В., Тимаев Д.М., МГТУ «МАМИ».
[4] П.В.Аксенов, «МНОГООСНЫЕ АВТОМОБИЛИ», Издательство «Машиностроение», 1980, Издательство «Машиностроение», 1989 с изменениями.
Думаю, что всё написанное выше – лишь черновик/заготовка. Далее по рекомендации из [4] я планирую неспешно прочитать на эту тему следующие работы советских и зарубежных авторов:
1. Агейкин Я. С. Проходимость автомобилей. М.: Машиностроение, 1981. 232 с.
2. Аксенов П. В. Многоосные автомобили. М.; Машиностроение, 1980. 208 с.3. Антонов А. С. Комплексные силовые передачи. Л.: Машиностроение,1981. 496 с.
4. Антонов Д. А. Теория устойчивости движения многоосных автомобилей. М.: Машиностроение, 1978. 216 с.
5. Антонов Д. А. Расчет устойчивости движения многоосных автомобилей. М.: Машиностроение, 1984. 164 с.
6. Беккер М. Г. Введение в теорию систем местность-машина. М.: Машиностроение, 1973. 520 с.
7. Вонг Дж. Теория наземных транспортных средств. М.: Машиностроение,1982. 284 с.
8. Гришкевич А. И. Автомобили. Теория. Минск: Вышэйш. шк., 1986. 208 с.
9. Динамика системы дорога - шина - автомобиль - водитель/Под. общ. ред. А. А. Хачатурова. М.: Машиностроение, 1976. 535 с.
10. Конструкции и расчет автомобильных поездов/Я. X. Закин, М. М. Щукин, П. П. Ширяев и др. Л.: Машиностроение, 1968. 332 с.
11. Кошарный И. Ф. Технико-эксплуатационные свойства автомобилей высокой проходимости. Киев: Внща школа, 1981. 208 с.
12. Пирковский Ю. В., Чистов М. П. Затраты мощности на колее - образование при качении жесткого колеса по деформируемому грунту Тр. НАМИ. 1971. № 131. С. 18-34.
14. Пирковский Ю. В. Общая формула мощности сопротивления качению полноприводного автомобиля Автомобильная промышленность. 1973. № 1. С. 23-29.
15. Ротенберг Р. В. Подвеска автомобиля. М.: Машиностроение, 1972. 392 с.
16. Смирнов Г. А. Теория движения колесных машин. М.: Машиностроение, 1981. 269 с.
17. Чистов М. П. Математическое описание качения деформируемого колеса по деформируемому грунту Изв. вузов. Машиностроение. 1986. № 4. С. 12-38.
18. Яцеико И. И. Форсированные полигонные испытания грузовых автомобилей. М.: Машиностроение, 1984. 328 с.
полигонные испытания грузовых автомобилей. М.: Машиностроение, 1984. 328 с.
|
Вход
Регистрация
FAQ
Поиск
