Каково влияние широкопрофильных шин на поведение внедорожника на разных покрытиях? Что такое самоблокирующийся дифференциал (дифференциал повышенного трения), чем он характеризуется и на что влияет?
Статья из советского журнала. Хотя речь идет о грузовике Урал-375, но физика работает одинаково. Рекомендую к вдумчивому прочтению.
Влияние конструкций шин и самоблокирующихся дифференциалов на проходимость автомобиля «Урал-375»
Канд. техн. наук Н. И. КОРОТОНОШКО, С. А. ШУКЛИН
НАМИ
ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ полноприводного автомобиля, как и любого грузового автомобиля, зависит от его подвижности, определяемой комплексом эксплуатационных качеств: временем подготовки к выезду, проходимостью, маневренностью, плавностью хода и др. [1-3].
Работы, проводимые в НАМИ по улучшению подвижности отечественных автомобилей высокой проходимости, имеют основной целью снизить сопротивление движению и повысить тяговые качества автомобилей на различных грунтах и снеге. Для изыскания путей дальнейшего повышения проходимости многоцелевого автомобиля типа 6×6 класса «Урал-375» в НАМИ были спроектированы и изготовлены четырехсателлитный самоблокирующийся червячный дифференциал (рис. 1) и колеса к широкопрофильным шинам (рис. 2). Для проведения исследований Воронежским шинным заводом были изготовлены шестислойные широкопрофильные шины 1300×530-533 модели ВИ-3, а Омским шинным заводом - шины 14.00-20 модели ОИ-П44, спроектированные НИИ шинной промышленности совместно с заводом.
Рис. 1. Конструкция червячного самоблокирующегося дифференциала:
1 - сателлит;
2 - крестовина;
3 - опорная шайба сателлита;
4 - палец червяка;
5 - червяк дифференциала;
6 - цилиндрическая ведомая шестерня;
8, 9 - чашки дифференциала;
7, 10 - червячные колеса полуосей
Рис. 2. Колесо в сборе с шиной 1300×530-533 (разрез):
1 - шина;
2 - наружный обод;
3 - стяжные болты;
4 - распорное кольцо;
5 - внутренний обод
Шестислойная широкопрофильная шина модели ВИ (рис. 3,
а) по конструкции (за исключением числа слоев корда) и рецептуре химического состава резины одинакова с шиной, устанавливаемой на автомобиль КрАЗ-255Б типа 6×6. Десятислойная тороидная шина 14.00-20 модели ОИ-П44 так же, как и серийная шина 14.00-20" модели ОИ-25 (рис. 3,
б), предназначена для автомобиля «Урал-375» и имеет практически такие же размеры, но отличается рядом конструктивных особенностей. Отличие опытных шин от серийной шины модели ОИ-25 по некоторым параметрам приведено в табл. 1.
Рис. 3. Шины 1300×530-533 модели ВИ-3 (
а) и 14.00-20 модели ОИ-25 (
б)
Таблица 1
| Параметры | Широкопрофильная шина при внутреннем давлении в кГ/см2 | Шина модели ОИ-П44 при внутреннем давлении в кГ/см2 |
|---|
| 3,0 | 0,5 | 3,2 | 0,5-0,7 |
| Радиальный прогиб в % | +2 | +20 | +2,5 | +14 |
| Удельное давление в % | -14 | -62 | -13 | -23 |
| Статический радиус в мм при GK 2500 кГ | +21,5 | +10 | +8 | +4 |
| Вес шины в комплекте в кг | +21,4 | +21,4 | -6,7 | -6,7 |
| Вес колеса в сборе с шиной в кг | +31,7 | +31,7 | -6,7 | -6,7 |
Блокирующие свойства червячного и конического межколесных дифференциалов определялись непосредственно на автомобиле, установленном на трехосном барабанном стенде с раздельным приводом беговых барабанов. В ходе опытов беговой барабан под одним из колес моста плавно затормаживался для имитации различных сил взаимодействия колес с дорогой и воспроизведения условии поворота автомобиля. При этом измерялись числа оборотов колес автомобили, крутящие моменты на полуосях, реализуемые тяговые силы на барабанах стенда. Коэффициент блокировки
Кб определялся как отношение крутящих моментов
МК1 и
МК2 на полуосях соответственно отстающего и забегающего колес. Па рис. 4 построена зависимость коэффициента
Кб в функции отношения числа оборотов забегающего колеса к числу оборотов отстающего (заторможенного) колеса за одинаковое время:
iдиф=
n2/
n1.
Рис. 4. Зависимость коэффициента блокировки червячного самоблокирующегося дифференциала от
iдиф:
1 - средний мост;
2 - задний мост
Очевидно, что при
iдиф=1 автомобиль двигается по прямой, при
iдиф>1 осуществляется поворот автомобиля или пробуксовывание обоих колес моста с разными угловыми скоростями. По данным измерений, коэффициент блокировки серийного конического шестеренчатого дифференциала не превышает 1,10-1,12 при любом соотношении чисел оборотов забегающего и отстающего колес. Начальный коэффициент блокировки червячных дифференциалов (табл. 2), зафиксированный в момент начала их срабатывания, составляет 5,8-6.3, т.е. при данном соотношении крутящих моментов на полуосях колеса теряют жесткую связь между собой и начинают вращаться с различными угловыми скоростями. При увеличении отношения
iдиф коэффициент блокировки червячных дифференциалов возрастает и достигает 10, что соответствует максимальному моменту трения в дифференциале. Рост блокирующих свойств дифференциала при увеличении отношения чисел оборотов забегающего и отстающего колес, обнаруженный также и при исследовании самоблокирующихся дифференциалов других конструкций, следует учитывать при проектировании, расчетах и выборе коэффициента блокировки самоблокирующихся дифференциалов. Данные по величине реализуемых тяговых сил
РК1 и
РК2 на колесах показывают неправомерность иногда применяемого метода оценки блокирующих свойств дифференциалов как отдельно конструирующихся узлов по соотношению этих сил. Если при коническом дифференциале в связи с незначительностью сил трения различие в величинах тяговых сил и моментов по колесам невелико и отношение
РК1/
РК2 и
MК1/
MК2 одинаковы, то при червячном дифференциале они могут отличаться более, чем вдвое - 22,8 против 10,1. При использовании отношения
РК1/
РК2 вычитаются потери в шинах, влияние которых может быть весьма значительным. Известно, что эти потери различны для шин разных типоразмеров, поэтому отношение
РК1/
РК2 изменится после замены одних шин на другие. В связи с нелинейной зависимостью потерь в шинах от подведенного крутящего момента величины этих потерь для отстающего и забегающего колес в общем случае резко различны, что, в свою очередь, искажает оценку блокирующих свойств дифференциала.
Таблица 2
| Червячный дифференциал среднего моста |
|---|
| PК1 в кг | PК2 в кг | PК1/PК2 | MК1 в кГм | MК2 в кГм | Kб | n1 в оборотах | n2 в оборотах | iдиф |
|---|
| 104 | 51.5 | 2,02 | 87 | 55 | 1,58 | 65 | 65 | 1,00 |
| 192,5 | 55 | 3,5 | 130 | 58,8 | 2,2 | 75 | 75 | 1,00 |
| 340 | 33,5 | 10,2 | 205 | 35,7 | 5,75 | 32 | 32 | 1,00 |
| 610 | 37,5 | 16,3 | 320 | 40 | 8,0 | 45 | 47 | 1,04 |
| 810 | 44 | 18,4 | 416 | 48 | 8,67 | 42 | 44 | 1,05 |
| 1060 | 46,5 | 22,8 | 505 | 50 | 10,1 | 40 | 47 | 1,17 |
| Червячный дифференциал заднего моста |
|---|
| PК1 в кг | PК2 в кг | PК1/PК2 | MК1 в кГм | MК2 в кГм | Kб | n1 в оборотах | n2 в оборотах | iдиф |
|---|
| 95 | 43,5 | 2,18 | 79 | 47 | 1,68 | 46 | 46 | 1,00 |
| 205 | 57,5 | 3,56 | 143 | 61,3 | 2,32 | 58 | 58 | 1,00 |
| 261,5 | 67,5 | 3,87 | 159 | 70 | 2,27 | 49 | 49 | 1,00 |
| 400 | 32,5 | 12,3 | 229 | 33,8 | 6,67 | 37 | 37 | 1,00 |
| 627 | 42,5 | 14,8 | 323 | 45 | 7,2 | 40 | 42 | 1,05 |
| 775 | 42,5 | 18,2 | 400 | 45 | 8,9 | 29 | 33 | 1,14 |
| 1075 | 47,5 | 22,7 | 515 | 52 | 9,85 | 27 | 31 | 1,15 |
| 1185 | 55 | 21,6 | 573 | 58,8 | 9,75 | 20 | 27 | 1,23 |
Широкопрофильные шины, шины модели ОИ-П44 и червячные дифференциалы были затем установлены на автомобили «Урал-375». Червячные дифференциалы были установлены в средний и задний мосты одного из автомобилей. Испытания были проведены в зимних дорожных условиях и на снежной целине; на грунтовых дорогах, грунтовом бездорожье и влажной луговине в период весенней распутицы; на сухом сыпучем песке.
При этом выполнялись следующие работы:
- определение силы сопротивления протягиванию, т. е. силы сопротивления качению автомобиля в ведомом режиме с учетом сопротивления вращению вхолостую силовой передачи, при различном давлении воздуха в шинах;
- определение максимальной свободной силы тяги на крюке при различном давлении воздуха шинах;
- преодоление подъемов;
- определение предельной проходимости по методу «пройдет - не пройдет» на участках тяжелого бездорожья;
- определение средних технических скоростей движения и расходов топлива в заездах по труднопроходимым участкам дорог и испытательным трассам.
Тяговые испытания проводились с использованием динамометрического тягача НАМИ-СДМ-01. Сила тяги на крюке и сила сопротивления протягиванию измерялись с записью на ленту осциллографа К-12-21 с помощью комплекта тензометрических тяговых звеньев. Испытания носили сравнительный характер, т. е. во всех опытах и заездах одновременно испытывался серийный автомобиль. Режим движения при заездах по дорогам и местности поддерживался форсированным с максимальным использованием технических возможностей автомобилей. В условиях, где было возможно буксование колес, привод к мостам блокировался. Контрольные маршруты по дорогам проходились в несколько кругов, при этом после каждого круга водители менялись автомобилями для исключения влияния их квалификации на результаты. Полный вес автомобилей при испытаниях составлял 13,2
т, вес прицепа 5
т. Результаты тяговых испытаний и контрольных заездов приведены в табл. 3. Кроме абсолютной величины показателей, приведено их относительное значение как частное от деления на показатель серийного автомобиля при тех же условиях.
Таблица 3
| Показатели | Автомобиль на широкопрофильных шинах | Автомобиль на шинах модели ОИ-П44 | Автомобиль с червячными дифференциалами |
|---|
| Абсолютное значение | В сравнении с серийным автомобилем | Абсолютное значение | В сравнении с серийным автомобилем | Абсолютное значение | В сравнении с серийным автомобилем |
|---|
| Снежная целина и заснеженные дороги |
|---|
| Сила сопротивления протягиванию в кГ при давлении воздуха в шинах кГ/см2: |
| 3,2 | 2850 | 1,14 | 2800 | 0,90 | 2500 | 1,00 |
| 2,0 | 2800 | 1,16 | 2600 | 0,90 | 2400 | 1,00 |
| 0,8 | 2200 | 1,10 | 2100 | 0,91 | 2000 | 1,00 |
| Максимальная свободная сила тяги на крюке в кГ при давлении воздуха в шинах кГ/см2: |
| 3,2 | 300 | 0,40 | 1450 | 1,16 | 1000 | 1,33 |
| 2,0 | 400 | 0,44 | 1900 | 1,19 | 1250 | 1,39 |
| 0,8 | 1700 | 0,81 | 3000 | 1,18 | 2400 | 1,14 |
| Скорость движения на заснеженной грунтовой дороге в км/ч: |
| без прицепа | 21,0 | 1,02 | 24,6 | 1,10 | 19,9 | 0,97 |
| с прицепом 5 т | 16,1 | 0,94 | 20,3 | 1,22 | 14,5 | 0,84 |
| Расход топлива в тех же условиях в л/100 км: |
| без прицепа | 127 | 1,20 | 147 | 0,91 | 122 | 1,15 |
| с прицепом 5 т | 180 | 1,26 | 199 | 0,94 | 164 | 1,15 |
| Размокшие грунтовые дороги |
|---|
| Сила сопротивления протягиванию в кГ при давлении воздуха в шинах кГ/см2: |
| 2,5 | 1100 | 1,10 | 600 | 0,90 | 1000 | 1,00 |
| 1,5 | 1050 | 1,17 | 650 | 0,90 | 900 | 1,00 |
| 0,8 | 750 | 1,16 | 700 | 0,80 | 650 | 1,00 |
| Максимальная свободная сила тяги на крюке в кГ при давлении воздуха в шинах кГ/см2: |
| 2,5 | 3250 | 0,88 | 7150 | 1,04 | 4250 | 1,15 |
| 1,5 | 3150 | 0,72 | 7700 | 1,06 | 4350 | 1,00 |
| 0,8 | 2700 | 0,72 | 8250 | 1,02 | 3750 | 1,00 |
| Скорость движения в км/ч: |
| на трассе | 22,6 | 1,13 | 19,0 | 1,01 | 23,4 | 1,17 |
| на тяжелом участке | 9,24 | 0,96 | 8,3 | 0,96 | 10,6 | 1,11 |
| Расход топлива в л/100 км: |
| на трассе | 184 | 1,16 | 169 | 0,98 | 158 | 1,00 |
| Сухой сыпучий песок |
|---|
| Сила сопротивления протягиванию в кГ при давлении воздуха в шинах кГ/см2: |
| 2,5 | 800 | 0,31 | 2200 | 0,92 | 2450 | 1,02 |
| 1,5 | 500 | 0,26 | 1500 | 0,88 | 1750 | 1,03 |
| 0,8 (в широкопрофильных шинах 0,5) | 400 | 0,25 | 1100 | 0,88 | 1300 | 1,04 |
| Максимальная свободная сила тяги на крюке в кГ при давлении воздуха в шинах кГ/см2: |
| 2,5 | 2200 | 2,20 | 2000 | 1,43 | 2450 | 1,75 |
| 1,5 | 3000 | 1,58 | 3250 | 1,18 | 3650 | 1,34 |
| 0,8 (в широкопрофильных шинах 0,5) | 4150 | 1,43 | 3800 | 1,12 | 4150 | 1,22 |
| Скорость движения на песчаном участке в км/ч с прицепом 5 т | 19,3 | 1,27 | 18,2 | 1,20 | 15,5 | 1,02 |
Движение в зимних дорожных условиях и по снежной целине. Тяговые испытания проведены на снежной целине. Снег сухой, сыпучий, глубиной 70-85
см. Наилучшие тяговые качества в данных условиях показал автомобиль с червячными дифференциалами.
Повышенное сопротивление протягиванию и значительно более низкие тяговые качества автомобиля на широкопрофильных шинах на снегу объясняются наличием увеличенной на 150
мм ширины профиля шин, повышающей площадь лобового сопротивления снежного покрова, что недостаточно компенсируется, особенно на сыпучем снегу, некоторым снижением удельного давления.
Тяговые испытании автомобиля на шинах модели ОИ-П44, проведенные при наличии плотного наста толщиной 15-20
см, показали их преимущества по сравнению с серийными шинами.
При испытаниях на заснеженных подъемах осевший в ходе оттепели снег на склонах был плотным и сырым. Наилучшим при данном состоянии снега оказался автомобиль на широкопрофильных шинах, несколько хуже - автомобиль с червячными дифференциалами, однако различие этих автомобилей оказалось незначительным.
На снежной целине глубиной до 1,0-1,1
м было выявлено некоторое преимущество автомобиля на шинах модели ОИ-П44 при движении с раскачкой. Автомобиль на широкопрофильных шинах при раскачке как впереди, так и сзади нагребал шинами снежный вал, препятствовавший выходу из тяжелого положения. Автомобили на шинах 14.00-20 преодолевали при этом более глубокий снежный покров (на 10-15
см).
Наилучшей устойчивостью против заноса на поворотах скользких дорог обладает серийный автомобиль. Наличие у широкопрофильных шин и шин модели ОИ-П44 скругленной плечевой зоны грунтозацепов и высокие блокирующие свойства червячных дифференциалов заметно ухудшали данное качество экспериментальных автомобилей. В контрольных заездах по обледенелому шоссе, выполненных с одним и тем же водителем на одинаковой скорости движения, близкой к максимально допустимой по условиям безопасности движения, серийный автомобиль занесло на поворотах 13 раз, автомобиль на широкопрофильных шинах - 17 раз, автомобиль с червячными дифференциалами - 25 раз. Автомобиль на широкопрофильных шинах показал также худшую, чем серийный автомобиль, способность держать дорогу при движении по узким заснеженным дорогам. На автомобиле с червячными дифференциалами при движении в гололед наблюдались случаи, когда автомобиль не мог выполнить крутой поворот, а продолжал двигаться вперед с повернутыми до отказа передними колесами. Заезды по заснеженным грунтовым дорогам в основном подтвердили результаты тяговых испытаний.
Движение по грунтовым дорогам и бездорожью в период весенней распутицы. Тяговые испытания проведены на лесной грунтовой дороге, наезженной в сухое время года, с размокшим на глубину до 0,4
м верхним слоем грунта, но с относительно плотной основой. Грунт - чернозем с примесью суглинка. Несколько лучшие тяговые качества показал автомобиль с червячными дифференциалами. Тяговые показатели автомобиля на широкопрофильных шинах во всем диапазоне давлений воздуха в шинах заметно ниже, чем у серийного. По результатам испытаний автомобиля на шинах модели ОИ-П44 и серийного автомобиля, проведенных в несколько отличных условиях, тяговые показатели их практически равноценны.
Опыты по определению предельной проходимости автомобилей на влажной луговине выявили существенное преимущество автомобиля на широкопрофильных шинах перед автомобилями на шинах 14.00-20. Данный автомобиль уверенно преодолел труднопроходимые участки заболоченного луга, оставляя колею глубиной 20-25
см. Автомобиль с червячными дифференциалами смог преодолеть контрольный участок иа пределе проходимости с трехкратным отходом назад. Глубина колеи составила 35-40
см. Серийный автомобиль в этих условиях потерял проходимость. На весенней черноземной пахоте с глубиной размокшего слоя 50
см, когда остальные автомобили теряли проходимость, автомобиль с червячными дифференциалами двигался уверенно и мог оказывать помощь буксиром. Показательными оказались также испытания на труднопроходимых участках грунтовой трассы. Густая, вязкая грязь, в основном глинистая, создавала большое сопротивление движению; в промежутке между колеями грязь спрессовалась и затвердела. Колеи отдельных колес неравномерны по глубине, достигающей 60
см. В данных условиях автомобили «Урал-375» почти полностью вывешиваются на картерах мостов, и сцепление колес с грунтом резко падает. Преимущество автомобиля с самоблокирующимися дифференциалами на таких участках было бесспорным, автомобили с обычными дифференциалами в этих условиях теряли проходимость.
Контрольные заезды были проведены на размокшей грунтовой трассе с разбитыми колеями, местами залитыми водой и жидкой грязью, и отдельно на труднопроходимом участке дороги протяженностью 400
мм, отличающемся наличием глубокой колеи, заполненной густой вязкой грязью. Двигаться с прицепом в данных условиях автомобили не могли. Преимущество в скорости движения перед остальными здесь имел автомобиль с червячными дифференциалами. Характерно, что у автомобиля с широкопрофильными шинами отмечен и повышенный расход топлива из-за относительно большего сопротивления движению.
Движение по сухому сыпучему песку. Испытания проведены на ровной широкой полосе речного песчаного плеса и в песчаных карьерах. В этих условиях тяговые возможности автомобиля на широкопрофильных шинах оказались существенно выше, чем у других автомобилей (табл. 3). Серийный автомобиль был здесь наихудшим. Автомобиль с червячными дифференциалами, хотя и показал высокие значения максимальной силы тяги на крюке, не имел такого же преимущества в видах испытаний, где буксование колес отсутствовало или было незначительным - на подъемах и на дорогах.
Наилучшую способность преодоления песчаных подъемов и наивысшие скорости движения по песку показал также автомобиль на широкопрофильных шинах. Несколько худшим оказался автомобиль на шинах модели ОИ-П44.
Чтобы выявить влияние самоблокирующихся дифференциалов на маневренность автомобиля при движении по сыпучему грунту, определялись минимальные радиусы поворота автомобилей на сухом песке. Измерения показали, что установка червячных дифференциалов несколько ухудшает маневренность автомобиля по сравнению с серийным: радиус поворота увеличился при разблокированном дифференциале в раздаточной коробке на 2,04
м (21%), при блокировке привода к мостам - на 1,8
м (16%).
Червячные дифференциалы отличались плавностью в работе и высокой надежностью: за пробег 128 тыс.
км они практически не имели дефектов. Ряд экспериментов по определению предельной проходимости и тяговых качеств автомобиля с червячными дифференциалами был выполнен в сравнении с автомобилем, имеющим самоблокирующиеся дифференциалы с коэффициентом блокировки 3-4. Сравнение показало практическую равноценность обоих автомобилей в качествах проходимости. Это позволяет полагать, что снижение коэффициента блокировки червячных дифференциалов существенно не повлияет на показатели проходимости, исключая случаи, когда они зависят от устойчивости против заносов на поворотах. Разработка рекомендаций по оптимальной величине коэффициента блокировки требует специальных исследований.
Таким образом, испытания показали, что установка шестислойных широкопрофильных шин 1300×530-533 модели ВИ-3 способствует существенному повышению проходимости автомобиля «Урал-375» на сухом сыпучем песке и грунтах с низкой несущей способностью (типа влажной луговины): в 1,5-2 раза по тяговым качествам в сравнении с серийными шинами 14.00-20 модели ОИ-25. Широкопрофильные шины модели ВИ-3 снижают проходимость автомобиля «Урал-375» на снегу и глубокой грязи и ухудшают устойчивость против заноса на поворотах скользких дорог. Шины 14.00-20" модели ОИ-П44 в сравнении с серийными шинами модели ОИ-25 способствуют повышению проходимости автомобиля «Урал-375» на снегу и песчаных грунтах в среднем на 12-20% по тяговым показателям и скоростям движения, но несколько снижают устойчивость против заноса. Проходимость автомобилей с шинами моделей ОИ-П44 и ОИ-25 на размокших грунтах практически равноценна. Применение самоблокирующихся дифференциалов наиболее эффективно при движении по снежному и грунтовому бездорожью, где повышение тяговых качеств и скоростей движения благодаря установке червячных дифференциалов в средний и задний мосты составляет в среднем 10-30%. Устойчивость против заноса на поворотах и способность вписываться в поворот на скользких дорогах у автомобиля с червячными дифференциалами недостаточна, в связи с чем коэффициент блокировки, равный 10, следует считать завышенным.
