Тяговая реакция грунта, находящегося под ведущими колесами, является переменной величиной и зависит от прочностных и других характеристик самого грунта, от величины и характера нагрузки, производимой колесом, конструктивных особенностей колеса, степени его пробуксовки.
Характер нагрузки, производимой на грунт, различен у неподвижного колеса, буксируемого и ведущего.
Если просто опустить колесо на участок слабого, деформируемого грунта и нагрузить его вертикальной силой G (рис. 3, а), то нагрузка будет действовать в площадке контакта, стремясь вызвать уплотнение грунта вниз и в стороны. Однако основное направление деформации и уплотнения, влияющее на величину тяговой реакции, вертикальное.
Если же это колесо начать буксировать или толкать, приложив горизонтальную силу Рв в центре его вращения, то оно начнет перекатываться, деформируя перед собой грунт и оставляя в нем колею (рис. 3, б). В этом случае на грунт, помимо основной, вертикальной нагрузки, действует нагрузка, связанная со свободным качением колеса. Она вызывает деформацию грунта как в вертикальном направлении, так и в горизонтальном, так как имеется некоторый сдвиг грунта перед катящимся колесом. Так воздействует на грунт неведущее колесо автомобиля при его движении.
Рис. 3. Упрощенная схема сил, действующая в контакте колеса с грунтом.
Если к колесу приложить крутящий момент Мкр, к перечисленным двум видам нагрузки, действующим на деформируемый грунт, добавляется тяговая нагрузка, действующая в зоне контакта колеса с грунтом. Эта нагрузка стремится сдвинуть грунт, находящийся под колесом, в сторону, противоположную движению автомобиля (рис. 3, в). Именно этой нагрузке противодействует тяговая реакция грунта.
Большая часть слабых грунтов не выдерживает нагрузок современных колесных машин, в том числе и автомобилей высокой проходимости. При движении по таким грунтам происходит частичное или полное разрушение его верхнего слоя, пластическая деформация или течение части грунта. Величина разрушения или деформации грунта, т. е. глубина колеи у ведущего колеса больше, чем у ведомого, даже при одинаковой вертикальной нагрузке, так как перечисленные виды нагрузок, производимых колесом на грунт, определенным образом суммируются.
В большинстве случаев движение автомобиля по слабым грунтам происходит с частичной пробуксовкой ведущих колес, т. е. колесо, проскальзывая по грунту, сдвигает его верхний слой в зоне контакта с частичным или полным разрушением.
Если грунт под колесом от действия вертикальной нагрузки не уплотняется, то величина его тяговой реакции существенно снижается. В таких случаях ведущее колесо срезает грунт и углубляется, т. е. буксует. Это явление характерно для сильно накаченной шины, не имеющей зоны плоского контакта с грунтом.
Если грунт под действием вертикальной нагрузки уплотняется колесом, что характерно для шин, работающих с низким внутренним давлением, то величина колеи получается меньшей, а тяговая реакция такого уплотненного грунта существенно возрастает.
Большая часть слабых грунтов лежит на твердом основании (размокший верхний слой, пашня, снежный покров, неглубокие заболоченные участки). Поэтому погружение колес, работающих с пробуксовкой в неуплотняемом грунте, по величине близко к толщине его слабого слоя. Если грунт, лежащий на твердом основании, поддается уплотнению, глубина колеи может быть существенно меньше толщины слоя слабого грунта. Величина сопротивления движению зависит не только от глубины погружения колес и других элементов ходовой части автомобиля в грунт, а также от его плотности, липкости, пластичности или рассыпчатости. Глубина погружения колес в грунт зависит, в первую очередь, от соотношения несущей способности грунта (способности грунта воспринимать вертикальную нагрузку) и удельной вертикальной нагрузки под колесами (удельного давления).
Удельное давление колеса представляет собой нагрузку, приходящуюся на каждый квадратный сантиметр площади контакта колеса с грунтом.
Колеса грузовых автомобилей на обычных шинах оказывают, как правило, высокое удельное давление на грунт, а поэтому глубоко погружаются почти во все слабые грунты. Колеса автомобилей высокой проходимости при понижении давления воздуха в шинах оказывают удельное давление на грунт в 5–6 раз меньшее, чем колеса обычных автомобилей, обладают свойством двигаться с небольшим углублением по песку, плотному сырому снегу, сырой луговине, пашне, осушенному болоту и по некоторым другим слабым грунтам.
При малом погружении колес в грунт автомобили высокой проходимости имеют меньшее сопротивление движению. Кроме того, в общей сумме удельных нагрузок, действующих в контакте колеса, доля удельных вертикальных нагрузок у них снижается, а доля допустимых горизонтальных возрастает, т. е. возрастает удельная касательная сила. Удельная касательная сила — это величина тяговой силы, действующей на каждый квадратный сантиметр площади контакта колеса с грунтом, которая уравновешивается тяговой реакцией грунта.
Величина суммарной тяговой реакции грунта, или тяга, развиваемая колесами автомобиля высокой проходимости, в предельных условиях сцепления определяется для данного грунта величинами площади контакта колес с грунтом, величиной удельной касательной нагрузки, действующей в контакте колес, и интенсивностью пробуксовки колес.
Исследователи, занимающиеся вопросами взаимодействия грунт-автомобиль, делят грунты на три группы: фрикционные (сухой песок, сухой сыпучий снег при низкой температуре), пластичные (сырая глина и подобные ей грунты), смешанные (все остальные).
Особенностью чисто фрикционных грунтов является то, что они мало подвержены уплотнению, и тяга, развиваемая на них колесами автомобиля при допустимых уровнях удельных давлений, зависит только от величины трения между свободно перемежающимися друг относительно друга частицами грунта и вертикальной нагрузки на колесо.
Чисто пластичные грунты подвержены уплотнению и характерны тем, что на них тяга, развиваемая колесами, не зависит от вертикальной нагрузки и определяется величиной сил, связывающих частицы грунта между собой, и величиной площади контакта колеса с грунтом. Чем больше площадь контакта, тем больше связей в грунте сопротивляется сдвигу, тем выше тяговая реакция грунта. Например, из двух автомобилей тяга может быть выше у более легкого автомобиля, если площадь контакта его колес с грунтом будет больше, чем у тяжелого. В промежуточных грунтах, наиболее распространенных, присутствуют и пластичные, и фрикционные элементы, поэтому на таких грунтах тяга определяется и величиной вертикальной нагрузки, и величиной площади контакта колес с грунтом. Наиболее трудно проходимыми считаются пластичные грунты с большим содержанием влаги, например глубокий ил.
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.
