Research of supporting off-road ability with front and rear wheels track mismatch

Full Text

Опорная проходимость автомобиля зависит от ряда факторов таких, как распределение нагрузки и крутящих моментов по осям, величина давления воздуха в шинах, несовпадение колеи передних и задних колёс и др. При этом существенное влияние на опорную проходимость автомобиля оказывает несовпадение колеи передних и задних колёс. Это связано с тем, что при полном несовпадении колеи передние и задние колёса машины даже при прямолинейном движении прокладывают новую колею, на что затрачивается дополнительная мощность. В настоящее время большинство армейских автомобилей многоцелевого назначения имеют одинаковую ширину колеи колёс всех мостов. Из них лишь ГАЗ-3308 («Садко») имеет колею колёс переднего моста на 3% большую, чем заднего (1820/1770 мм). Вместе с тем при криволинейном движении, при буксировании прицепов, а также и при прямолинейном движении грузовых автомобилей с колёсной формулой 4х2 и 6х4 с двускатной ошиновкой колёс задних мостов эти колёса частично или полностью двигаются по недеформированному передними колёсами грунту. При движении большинства автомобилей по криволинейной траектории кинематика рулевого привода управления поворотом передних управляемых колёс обеспечивает движение передних и задних колёс по разным траекториям (задние колеса создают свою колею или перемещаются по траектории с частичным перекрытием колеи передних колёс) [1, 2]. Поэтому определение влияния ширины колеи, прокладываемой колёсами разных осей, на показатели опорной проходимости автомобилей является весьма актуальным. Особый интерес это представляет для автомобилей многоцелевого назначения. Уровень опорной проходимости колёсных машин определяется и оценивается двумя методами [3 - 12]: · экспериментальными исследованиями [3 - 6], проводимыми, как правило, на стадии разработки опытных образцов колёсных машин; · расчётными методами [7 - 12], позволяющими оценивать эффективность решений по повышению опорной проходимости, принимаемых в процессе проектирования колёсной машины. Учитывая сказанное, оценка влияния несовпадения колеи колёс передней и задней осей автомобилей с колёсной формулой 4х2 и 4х4 на их опорную проходимость проводилась как с использованием результатов экспериментальных исследований автомобилей, у которых изменялась ширина колеи задних колёс, так и с помощью разработанной в НИИИ АТ 3ЦНИИ МО РФ математической модели прямолинейного движения автомобиля по деформируемой грунтовой поверхности [7]. Величина несовпадения колеи, прокладываемой передними и задними колёсами, характеризуется коэффициентом несовпадения колеи и представляет собой отношение ширины части заднего колеса, движущегося по недеформированному грунту, к общей его ширине (рисунок 1): Таким образом, при задние колёса двухосного и трёхосного автомобилей с односкатной ошиновкой полностью движутся по следам передних, а при - они полностью движутся по недеформированной грунтовой поверхности. Рисунок 1. Схема прокладывания колеи колёсной машиной: - ширина колеи, прокладываемой колёсной машиной; и - ширина переднего и заднего колёс, соответственно; и - глубина колеи, прокладываемой передним колесом и колёсной машиной, соответственно Математическая модель [7] позволяет рассчитывать основные параметры опорной проходимости автомобиля, определяемые ГОСТ Р В 52048-2003 [13]: · наибольшую удельную силу тяги на крюке ; · коэффициенты сопротивления качению ; · глубину образуемой колеи ; · максимальную скорость прямолинейного равномерного движения одиночного автомобиля . В результате выполненных исследований установлено, что расхождение значений показателей, полученных в результате расчетов с использованием математической модели [7], с экспериментальными данными, не превышает по - 11 %, - 9 %, - 8 % и - 15…18 %. Следовательно, данная математическая модель может быть использована для оценки опорной проходимости колёсных машин. Расчеты проводились для движения по трём наиболее представительным грунтовым поверхностям: · сухому сыпучему песку влажностью около 4 % (грунт 1); · свежевспаханному проборонованному суглинку влажностью около 25 % в осенний период (грунт 2); · слежавшейся суглинистой пахоте влажностью около 30 % (грунт 3). Основные исходные данные для расчетов представлены в таблицах 1 и 2. Влияние степени несовпадения колеи колес на показатели опорной проходимости автомобиля с колёсной формулой 4х2 определялось экспериментально с использованием автомобиля-лаборатории, оборудованного системой регулирования давления воздуха в шинах, полной массой 7300 кг, и её распределением с отключенным приводом колёс переднего моста, а также расчетным путем по методике [7]. Результаты этих исследований при изменении коэффициента несовпадения колеи колёс KНК от 0 до 1,0 представлены на рисунке 2 и рисунке 3. С ростом , что очевидно, растет сопротивление качению автомобиля и тем интенсивнее, чем выше давление воздуха в шинах. Так, при движении по слежавшейся суглинистой пахоте с изменением от 0 до 1,0 коэффициент сопротивления качению при давлении воздуха в шинах 0,05 МПа увеличивается от 0,087 до 0,100 (в 1,15 раза), а при давлении 0,3 МПа - от 0,14 до 0,172 (в 1,23 раза). На менее прочных (более деформируемых) грунтовых поверхностях влияние увеличения на показатели опорной проходимости сказывается более существенно. Так, например, на свежевспаханном проборонованном суглинке (рисунок 3) коэффициент сопротивления качению при изменении от 0 до 1,0 и давлении воздуха в шинах 0,05…0,10 МПа увеличивается в 1,20…1,23 раза. Рисунок 2. Показатели опорной проходимости автомобиля по слежавшейся пахоте (грунт 3) при различных величинах давления воздуха в шинах: 1 - ; 2 - Рисунок 3. Показатели опорной проходимости автомобиля по свежевспаханному суглинку (грунт 2) при различных величинах давления воздуха в шинах: 1 - ; 2 - Вместе с повышением сопротивления качению при увеличении KНК ухудшаются и тягово-скоростные показатели автомобиля. Их изменение зависит также от давления воздуха в шинах. Так, при движении по вспаханному проборонованному суглинку с изменением от 0 до 1,0 максимальная удельная сила тяги на крюке автомобиля KT max при давлении воздуха в шинах 0,05 МПа снижается от 0,18 до 0,16 (на 12 %), а при давлении воздуха 0,2 МПа - от 0,005, когда автомобиль движется на грани потери проходимости, до минус 0,03 (на рисунке 3 не показано). В этом случае, недостаточная для обеспечения движения автомобиля сила тяги составляет 2,2 кН. При движении по слежавшейся суглинистой пахоте (рисунок 2) максимальная удельная сила тяги при давлении воздуха в шинах 0,05 МПа снижается от 0,27 до 0,25 (на 8 %), а при давлении 0,3 МПа - от 0,07 до 0,04 (в 1,7 раза). Снижается также и максимальная скорость движения автомобиля. На слежавшейся суглинистой пахоте, например, при давлении воздуха в шинах 0,3 МПа скорость автомобиля снижается на 17 %, а на вспаханном проборонованном суглинке при давлении воздуха в шинах 0,1 МПа - на 12 %. Таким образом, при увеличении коэффициента несовпадения колеи передних и задних колёс даже при прямолинейном движении автомобиля происходит ухудшение практически всех показателей его опорной проходимости. У неполноприводных автомобилей со стандартными шинами и двускатными колесами на ведущих осях (ЗИЛ-431410, ГАЗ-3307, КамАЗ-53205) коэффициент несовпадения колеи (при одинаковых шинах) не может быть менее 0,5, а из-за наличия зазора между шинами задних двускатных колёс он на автомобилях с колесной формулой 4х2 и 6х4 составляет 0,54...0,55. Влияние степени несовпадения колеи колёс на показатели опорной проходимости автомобиля с колёсной формулой 4х4 определялось расчетным путем по методике [6]. Полная масса и размерные параметры образца были приняты применительно к автомобилю ГАЗ-39371 с шинами модели КИ-113 (таблицу 1). Таблица 1 Исходные данные для расчетов Параметры Автомобиль-лаборатория ГАЗ-39371 Число осей 2 2 Колесная формула 4х2 4х4 Ошиновка колес односкатная односкатная Ga, кг 7300 7500 G1/Ga 2920/7300 = 0,4 3600/7500 = 0,48 Колея, мм 1820 2230 KНК 0…1,0 0…1,0 Ne max, кВт/ nдN, мин-1/ nдM, мин-1 110/3200/1800…2000 130/2400/1650 uо / uрк 7,34/2,08 7,99/1,0 uкп 7,44; 4,10; 2,29; 1,47; 1,0 6,286; 3,391; 2,133; 1,351; 1,0 Шины: модель рисунок протектора Вш, мм D, мм rст, мм регулируемого давления, 12.00R20 КИ-113 повышенной проходимости 340 1142 530 Принятые обозначения: и - масса автомобиля полная и приходящаяся на переднюю ось, соответственно; Ne max - максимальная мощность двигателя; nдN и nдM - частота вращения вала двигателя при максимальной мощности и максимальном крутящем моменте, соответственно; uо, uрк, uкп - передаточное число главной передачи, раздаточной коробки и коробки передач, соответственно; Вш, D, rст - ширина, наружный диаметр и статический радиус шины, соответственно. Расчеты проводились для движения по грунтам 1 и 2 (таблицу 2) с минимально допустимым давлением воздуха в указанных шинах (0,08 МПа) с изменением KНК в пределах от 0 до 1,0 с шагом 0,1. Результаты расчетов представлены графически на рисунке 4. Экспериментально параметры опорной проходимости определялись при . Таким образом, установлено, что наименьшее удельное сопротивление качению при движении автомобиля ГАЗ-39371 (колёсная формула 4х2) без тяги на крюке по песчаным и свежевспаханным суглинистым грунтовым поверхностям соответствует полному совпадению колеи передних и задних колёс. При росте же несовпадения колеи удельное сопротивление качению возрастает пропорционально величине коэффициента несовпадения колеи на 9,6% (от 0,125 до 0,137) на сухом сыпучем песке и на 18,6% (от 0,177 до 0,21) на свежевспаханном суглинке. Удельная сила тяги на крюке при росте несовпадения колеи колёс у автомобилей с колёсной формулой 4х4 при минимально допустимом давлении воздуха в шинах снижается значительно в меньшей степени, чем у автомобилей с колёсной формулой 4х2 при их движении по деформируемым грунтовым поверхностям. При этом, на свежевспаханном проборонованном суглинке у автомобиля ГАЗ-39371 снизилась всего на 2 % (от 0,266 до 0,26), а у автомобиля с колёсной формулой 4х2 примерно той же массы - на 12 % (от 0,18 до 0,16). Максимальная глубина колеи при этом уменьшается, но следует иметь в виду, что на опорной поверхности остаются колеи и от передних и от задних колёс. Таблица 2 Характеристика грунтов Тип грунта W, % , МПа kш Sбм , кН/м3 Грунт 1 (песок) не более 4 0,882 0,25 0,4 0,4 14,2 Грунт 2 (свежевспаханный суглинок) 25 0,245 0,50 0,2 0,35 14,0...16,0 Грунт 3 (слежавшаяся пахота) 30 - 0,50 0,3 0,35 17,0...18,0 Принятые обозначения: W - влажность; - удельное сопротивление грунта при вертикальной деформации его штампом на глубине 0,01 м; - степенной коэффициент, учитывающий изменение сопротивления грунта по глубине вдавливания штампа; kш - коэффициент трения материала шины о грунт; - коэффициент буксования колёс машины; , где и - радиус колеса соответственно свободный и кинематический; - удельный вес грунта. Рисунок 4. Показатели опорной проходимости автомобиля ГАЗ-39371 в зависимости от коэффициента несовпадения колеи колёс при движении на шинах модели КИ-113 ( ) по сухому сыпучему песку (а) и свежевспаханному суглинку (б): 1 - ; 2 - ; 3 - ; 4 - Опорная проходимость автомобилей, особенно с колёсной формулой 4х2, существенно ухудшается при увеличении коэффициента несовпадения колеи передних и задних колес от 0 до 1,0.

About the authors

A. V. Ostretsov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: trak@mami.ru
Ph.D.; +7 495 223-05-23, ext. 1111

V. M. Sharipov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI); Bauman MSTU

Email: trak@mami.ru
Dr.Eng., Prof.; +7 495 223-05-23, ext. 1111

V. V. Bernatsky

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: trak@mami.ru
Ph.D.; +7 495 223-05-23, ext. 1111

A. E. Esakov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: trak@mami.ru
Ph.D.; +7 495 223-05-23, ext. 1111

A. S. Mordasov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: trak@mami.ru
+7 495 223-05-23, ext. 1111

References

Supplementary files