Напомню, что проходимость принято делить на профильную, которая показывает, насколько хорошо машина справляется с неровностями местности, и опорную, которая которая характеризует возможность движения по слабыми грунтам. Профильная проходимость во многом определяется геометрическими размерами машины, совокупность которых иногда называют геометрической проходимостью – ей была посвящена предыдущая статья [1]. Сейчас же я предлагаю разобраться с опорной – а точнее опорно-сцепной – проходимостью.
Опорно-сцепная проходимость характеризует взаимодействие машины с опорной поверхностью, в качестве которой на бездорожье могут выступать дёрн, камни, песок, глина, болото, снег и вообще всё что угодно в самых разнообразных состояниях. Непохожесть этих поверхностей несколько затрудняет описание движения машины на абстрактном "бездорожье", однако когда говорят об опорно-сцепной проходимости, обычно подразумевают слабонесущие грунты, которые плохо держат машину во всех направлениях.
1. Опорная проходимость
Начнём с опорной проходимости, т.е. способности держаться на грунте "по вертикали". Под весом машины опорная поверхность деформируется, и в ней формируется колея. Чем она глубже, тем больше мощности затрачивается на её образование, и тем тяжелее машине двигаться. Таким образом, несколько упрощая, опорную проходимость можно охарактеризовать коэффициентом сопротивления качению, который равен отношению силы, необходимой для движения машины, к её весу.
Глубина колеи зависит от свойств самой опорной поверхности и давления, оказываемого на неё колёсами: чем оно меньше, тем меньше деформируется грунт и тем меньше энергии затрачивается на образование колеи. Самый очевидный способ уменьшить давление колёс на грунт – снизить давление воздуха шинах.
Эффект от снижения давления в колесе можно продемонстрировать на следующем примере. Пусть некий грунт способен выдерживать давление p0, которое достигается при площади пятна контакта S. Если давление в колесе большое, то эта площадь будет достигаться за счёт деформации грунта, а если малое, то за счёт деформации шины.
Следует заметить, что физика реальных грунтов намного сложнее, и вместо одного значения допускаемого давления существует целая зависимость [2] между давлением на опорную поверхность и глубиной колеи, которая сильно отличается у различных грунтов, однако суть остаётся неизменной: чем меньше давление p, тем меньше деформация грунта d.
Дополнительным бонусом от снижения давления в шине является изменение профиля колеи с вогнутого на выпуклый, благодаря чему грунт дополнительно уплотняется и лучше держит нагрузку [3].
К сожалению, вместе со снижением давления увеличиваются деформации шин и, как следствие, затраты мощности на внутреннее трение в них. В условиях бездорожья их вклад в общее сопротивление движению не так велик, однако чрезмерные деформации шины всё-таки нежелательны. Уменьшить их можно за счёт увеличения размеров колеса.
На рисунке выше показан эффект от увеличения ширины профиля шины, однако более эффективным является увеличение радиуса колеса. При равной площади пятна контакта большое колесо будет катиться намного легче, и на это есть по меньшей мере три причины:
- Если давление в колесе достаточно высокое, то большое колесо будет меньше деформировать опорную поверхность, следовательно меньшая энергия будет тратиться на образование колеи.
- Если давление в колесе достаточно низкое, то большое колесо само будет меньше деформироваться, следовательно, меньшая энергия будет тратиться на внутреннее трение в резине.
- При качении колеса центр давления в пятне контакта смещается вперёд и создаёт крутящий момент, который легче преодолеть, если прикладывать силу тяги на большом плече, т.е. чем больше радиус колеса, тем меньшую силу необходимо прикладывать к оси для его качения.
В некоторых случаях (например, на замёрзших водоёмах) фактором, ограничивающим опорную проходимость является не столько давление в пятне контакта, сколько общая нагрузка на колесо или даже вес всей машины. По этой причине, если мы говорим об опорной проходимости машины в целом, важное значение имеют её масса и развесовка. Помимо уменьшения прямого воздействия на опорную поверхность малый вес машины и его равномерное распределение по колёсам позволяют сильнее снижать давление в шинах.
Важно также и взаимное расположение колёс машины. Главная идея заключается в том, что передние и задние колёса должны ехать по одной и той же колее, чтобы лишний раз не тратить энергию на деформацию грунта. По этой причине на задних мостах грузовых автомобилей высокой проходимости не применяют сдвоенные колёса. Иногда в качестве меры способности колёс ехать в одной колее используют коэффициент совпадения следов передних и задних колес, который равен отношению ширин колей передних и задних колёс и в идеале должен быть равен единице. В некоторых источниках этот параметр относят к показателям геометрической проходимости, однако на мой взгляд он не очень информативен, так как не учитывает тип ошиновки.
2. Сцепная проходимость
Если бы мы говорили о прицепах, то на этом можно было бы и остановиться (кстати, тут уместно заметить, что отличной опорной проходимостью обладают, например, сани). Однако машине важно не только легко катиться по опорной поверхности, но и цепляться за неё колёсами для создания тяги. Условие движения, очевидно, сводится к тому, что сила сопротивления должна быть меньше силы тяги, поэтому важно не только снижать первую, но и повышать вторую. Поэтому переходим к сцепной проходимости.
И опять начнём с колеса. На дорогах с твёрдым покрытием сцепление определяется трением шины об опорную поверхность. На бездорожье это трение обычно невелико, поэтому внедорожные шины обязательно делают с грунтозацепами: в этом случае сцепление определяется уже, в основном, внутренним трением грунта и его прочностью на срез. По этой причине на сцепление колеса с опорной поверхностью положительно влияет площадь пятна контакта: чем она больше, тем большая сила требуется для срезания грунта. Таким образом, мы вновь (но уже с другой стороны) приходим к тому, что для повышения проходимости следует снижать давление в колёсах. Дополнительным преимуществом от снижения давления является увеличение деформаций шины, благодаря которому грунтозацепы лучше очищаются от грязи и протектор надёжнее цепляется за грунт.
Примечательно, что значение имеет не только площадь пятна контакта, но и его форма. Способность некоторых грунтов к уплотнению зависит от времени приложения нагрузки, поэтому желательно, чтобы грунтозацепы оставались в контакте с опорной поверхностью как можно дольше. По этой причине длинное пятно контакта предпочтительнее, чем широкое, следовательно мы снова приходим к тому, что эффективнее увеличивать радиус колеса, чем его ширину.
Что касается сцепной проходимости машины в целом, то наиболее важным является повышение сцепного веса, т.е. веса, приходящегося на ведущие колёса. Но это не означает, что хороший вездеход должен быть тяжёлым, ведь вместе с массой растёт не только сила сцепления, но и сопротивление качению. В некоторых ситуациях (например, на снежной целине), проходимость тяжёлой машины действительно может оказаться лучше, но даже в этом случае гораздо разумнее взять балласт, чем утяжелять конструкцию. В то же время обязательно нужно сделать так, чтобы сцепной вес машины был равен её полному весу. Единственный способ добиться этого – полный привод. Однако следует помнить, что полный привод бывает разным, и тут мы подходим к вопросу о влиянии дифференциалов на сцепную проходимость.
В обычных условиях дифференциалы обеспечивает вращение колёс с разными скоростями (прежде всего при прохождении поворотов). Однако побочным эффектом от их применения является выравнивание крутящих моментов на колёсах. Если одно из колёс вывешивается и теряет сцепление с дорогой, то оно может воспринимать только нулевой крутящий момент, следовательно, на другом колесе, связанном с ним дифференциалом, крутящий момент также будет равен нулю. В итоге машина будет стоять на месте, а вывешенное колесо - вращаться в воздухе с удвоенной скоростью за себя и своего "напарника". То же самое верно и для мостов: если они связаны межосевым дифференциалом, то потеря сцепления на одной из осей ведёт к потере крутящего момента на другой. Поэтому желательно, чтобы на бездорожье колёса никогда не теряли контакт с опорной поверхностью.
Проблема вывешивания колёс решается использованием независимой длинноходовой подвески, которая будет надёжно прижимать колёса к поверхности на самом сложном рельефе. Если конструкция машины не предполагает подвески, то избежать вывешивания можно путём добавления ещё одной степени свободы за счёт поперечных балансиров или "ломающейся рамы", как на это делается на некоторых тракторах и "каракатах" [4].
Впрочем, исключение вывешиваний не панацея: одно из колёс может оказаться на поверхности с низким коэффициентом сцепления, который ограничит крутящий момент не только на нём самом, но и на остальных колёсах, связанных с ним дифференциалами. В этом случае для возможности реализовать максимальный крутящий момент целесообразно иметь блокировки дифференциалов. От межосевого дифференциала можно даже совсем отказаться: например, если передний привод подключается только на бездорожье или машина поворачивает за счёт складывания рамы. В качестве компромисса можно использовать также дифференциалы повышенного трения или электронные системы, подтормаживающие буксующее колесо. Впрочем, принято считать, что для настоящих вездеходов это несерьёзно.
3. Подведём итог
Мы выяснили, что основное значение для повышения опорно-сцепной проходимости имеют радиус колёс и давление воздуха в шинах. Увеличение радиуса колес не всегда возможно по компоновочным причинам, поэтому на практике часто идут по пути увеличения ширины колёс, но основное внимание уделяется снижению давления: оно позволяет снизить сопротивление движению на мягких грунтах и одновременно увеличить сцепление колёс с опорной поверхностью. Однако низкое давление приводит к увеличению внутренних потерь в шинах и ускорению их износа, поэтому на твёрдом покрытии давление лучше увеличивать. По этой причине на машинах высокой проходимости полезно иметь централизованную систему регулирования давления воздуха в шинах.
Также важны следующие признаки:
- односкатная ошиновка, позволяющая всем колёсам ехать по одной колее;
- развитые грунтозацепы, позволяющие улучшить сцепление колёс с опорной поверхностью.
- полный привод, позволяющий максимизировать сцепной вес;
- длинноходовая независимая подвеска, позволяющая колёсам не терять контакт с опорной поверхностью;
- блокировки дифференциалов, позволяющие полностью реализовать сцепление всех колёс с опорной поверхностью.
Уместно задаться вопросом: если мы построим машину, обладающую всеми этими признаками, и при этом не забудем о геометрической проходимости, сможем ли мы утверждать, что у нас получился полноценный вездеход? Осмелюсь утверждать, что ещё нет. А о том, какие факторы нужно будет учесть дополнительно, мы поговорим в следующей статье.
