Для сопоставления составим таблицу изменения сопротивления движению и тяги на крюке автомобиля ЗИЛ-157 при снижении давления в шинах с 3,5 до 0,5 кгс/см2 (табл. 3).
Следовательно, главной частью эффекта, получаемого при работе автомобиля на шинах, деформированных до 30 % от высоты профиля, является улучшение их сцепных качеств. Вследствие этого резко повышаются тяговые возможности автомобиля и его проходимость.
Таблица 2.
Таблица 3.
На пластичных и близких к ним по характеру грунтах, таких, как глина, суглинок, сырой снег, сырая луговина, тяга, развиваемая колесом, возрастает пропорционально увеличению площади контакта колеса. Положительную роль играет в этом случае большее число грунтозацепов шины, находящихся одновременно в контакте с грунтом, а также боковые грунтозацепы, которые начинают активно работать, а следовательно, и растет сечение грунта, заключенного между грунтозацепами. Большую роль также играет характер уплотнения грунта в колее (рис. 8). Вогнутый характер следа у шины с пониженным давлением способствует лучшему уплотнению колеи и, следовательно, большей тяговой реакции грунта.
Эффект гусеницы проявляется при таком характере качения колеса и в том, что время воздействия уплотняющей силы на грунт возрастает пропорционально увеличению длины контакта опорной поверхности колеса (рис. 9).
Таблица 4.
Разные типы грунтов имеют различный характер сопротивления сдвигу в зависимости от степени их деформации. Соответственно они оказывают различную тяговую реакцию, от которой зависит тяга, развиваемая колесами по сцеплению с грунтом. В табл. 4 в приближенных цифрах (см. графу 2) показано, как изменяется тяговая реакция R у рыхлых и пластичных грунтов (тип I), хорошо поддающихся уплотнению. На этих грунтах по мере увеличения уплотнения грунтовых призм, заключенных между грунтозацепами, окружной силой Т, действующей со стороны колеса, тяговая реакция грунта постепенно возрастает вплоть до полного среза призмы. Дальнейшее увеличение пробуксовки колеса тяговой реакции не увеличивает, и она остается постоянной. Следовательно, на таких грунтах допускать интенсивную буксовку колес не следует, так как тяга от этого не будет увеличиваться.
В графе 3 таблицы показан характер изменения тяговой реакции грунтов (тип II), которые в результате сдвига, после незначительного уплотнения, меняют структуру и разрушаются. На этих грунтах наибольшая тяговая реакция достигается при небольшом уплотнении грунтовых призм грунтозацепами, перед началом структурного разрушения грунта, и резко снижается после разрушения грунта. Этот тип грунтов требует движения с принудительным ограничением уровня тяги на колесах на малых скоростях (такие характеристики имеет смерзшийся сверху снег, засохший сверху ил и глина).
В графе 4 показан характер сопротивления сдвигу грунтов (тип III), занимающих промежуточное положение между грунтами, приведенными в графах 2 и 3 таблицы. Тяговая реакция на этих грунтах достигает максимума при деформации грунтовых призм на 30–50 %. При дальнейшей деформации наступает срез призм, тяговая реакция снижается и начинается буксование.
Но это снижение не происходит так резко, как у грунтов, приведенных в графе 3. К грунтам графы 4 относится большая часть сельскохозяйственных грунтов и снежный покров в средних климатических условиях.
Рис. 9. Схема влияния деформации шины на время уплотнения грунта (условно).
а — с малой деформацией шины;
б — с деформацией около 30 % от высоты профиля.
Рис. 10. Схема влияния времени нахождения грунтозацепов в контакте с грунтом на величину передаваемой ими тяги.
Рассмотрение процесса сдвига грунта в табл. 4 выполнено в упрощенном виде. На самом деле в плоском контакте шины с грунтом при низком давлении воздуха в ней не все грунтозацепы работают одинаково эффективно в одно и то же время, как это было показано для упрощения в табл. 4, где приведен чистый сдвиг грунта без учета элементов перекатывания.
Эффект гусеницы, присущий качению колеса на сильно деформированной шине, обусловливает зависимость степени уплотнения грунта в результате его сдвига грунтозацепом от времени нахождения этого грунтозацепа в контакте (рис. 10). На большинстве грунтов грунтозацеп 1, только что вошедший в контакт с грунтом, не может развить такой же тяги, как грунтозацепы 2, 3, 4 и 5, которые уже определенное время находились в контакте с грунтом и тяговая реакция грунта под которыми стала выше в результате произведенного сдвига и уплотнения грунтовых призм. Только по мере перемещения грунтозацепа вдоль площадки контакта его тяга достигнет 100 % величины (для данного вида грунта). Грунтозацепы, расположенные в данный момент времени ближе к концу площадки контакта, передают большую тягу. Такой характер взаимодействия деформированной шины и грунта показывает, как важно иметь продолговатый, вытянутый в длину контакт колеса с грунтом, а также показывает влияние времени действия деформирующей силы на тяговую реакцию грунта.
У некоторых видов снега при нагружении происходят структурные изменения, которые связаны с временем воздействия нагрузки. Увеличение времени воздействия шины на снег способствует его упрочнению. Поэтому часто непроходимые обычным способом участки снежной целины удается преодолеть, двигаясь на минимально возможной скорости.
Очень хорошо уплотняется деформированной шиной сырой снег. Это способствует уменьшению глубины колеи и существенно повышает тягу.
Однако есть такое состояние снега, при котором его уплотнения под колесами практически не происходит. Это бывает при рыхлом сыпучем снеге и низких температурах воздуха. В этом случае снег практически не уплотняется и течет, как сахарный песок. Но и в этом случае при пониженном давлении в шинах, несмотря на то, что общее сопротивление движению возрастает (колея не уменьшается, а сила тяги, необходимая на качение деформированного колеса, больше, чем накаченного) имеет место улучшение сцепления колес со снегом. Величина тяги, развиваемая колесом, при этом определяется сопротивлением сдвигу в снежной «подушке», заключенной между шиной и грунтом.
Снежная «подушка», находящаяся под колесом и сжатая по вертикали, обладает определенным сопротивлением сдвигу. Величина этого сопротивления находится в тесной связи с величиной вертикального удельного давления. При этом уплотнения снега не происходит, а просто снег под колесом сжимается и испытывает упругую деформацию. В таком деформированном состоянии он способен воспринимать касательную тяговую нагрузку от колеса.
Эксперименты показывают, что наибольшее удельное сопротивление сдвигу поджатого снега соответствует вертикальному удельному давлению 0,5 кгс/см2. В табл. 5 приведены результаты испытаний по определению величины сопротивления сыпучего снега сдвигу при воздействии на него штампом, имитирующим площадку контакта колеса при различном вертикальном удельном давлении. Увеличение удельного давления свыше 0,5 кгс/см2 и уменьшение его приводит к уменьшению удельной силы сопротивления сдвигу и уменьшению тяговой реакции снега. При понижении давления воздуха в шинах до 0,5 кг/см2 удельное давление колес на снег приближается к этому оптимальному для сыпучего снега уровню.
Удельные давления на грунт, полученные при давлении воздуха 0,5 кгс/см2 и приведенные ранее, определены по отпечаткам шин на твердом грунте. На деформируемом грунте средняя величина удельных давлений фактически получается меньше, так как в этом случае нагрузку начинают воспринимать деформированные боковины шины, которые при снятии отпечатков шин на твердом грунте не касаются его и поэтому не учтены в площади отпечатка.
Следует иметь в виду, что в большинстве случаев давление воздуха в шинах, соответствующее наименьшему сопротивлению движения на слабых грунтах, не является тем давлением, которое следует использовать на бездорожье. Дело в том, что давление воздуха в шине, соответствующее наибольшему уровню тяги, как правило, несколько ниже давления, соответствующего наименьшему сопротивлению движения.
Так как в условиях бездорожья, помимо увеличенного сопротивления, связанного с образованием колеи, постоянно встречаются неровности дороги и другие препятствия для непрерывного движения, автомобиль должен обладать постоянным запасом сцепления колес (запасом тяги). Чем больше этот запас, т. е. чем большую тяговую реакцию грунт может оказывать при воздействии на него колес, тем увереннее движение и тем с большей скоростью можно двигаться. А большая скорость движения, в свою очередь, повышает проходимость автомобиля, так как отдельные короткие участки особо тяжелого бездорожья в этом случае преодолеваются с разгона с использованием кинетической энергии автомобиля.
