Влияние конструктивных элементов колеса и давления воздуха в шинах на опорную проходимость.

Размер и конструкция колес в очень значительной степени определяют опорную проходимость. Опорной проходимостью автомобиля называют его способность двигаться по слабым деформируемым грунтам.

Чем больше размер колеса при данной вертикальной нагрузке, тем больше его площадь контакта с опорной поверхностью, а следовательно, меньше удельное давление на грунт.

Рассмотрим два колеса разных диаметров с шинами низкого давления (рис. 4). Величина внутреннего рабочего давления воздуха в них для твердых дорог при полной нагрузке назначается заводом-изготовителем, исходя из длительно допустимой величины деформации h шины в поперечном сечении, равной 10—12% от высоты Н профиля. Площадь контакта шины с опорной поверхностью определяется величинами длины L и ширины В площади контакта.

Шины, имеющие большее сечение профиля и больший диаметр, имеют и большую площадь контакта с грунтом. Исследования показали, что для достижения более высокой проходимости целесообразно увеличивать диаметр колеса, так как при этом уменьшается общее сопротивление движению и благоприятно изменяются соотношения между длиной и шириной контакта. Такая форма колеса общепринята для колесных тракторов (рис. 5, а). Однако применение больших колес на автомобиле вызывает ряд затруднений: грузовую платформу приходится поднимать выше, при этом растет погрузочная высота и высота положения центра тяжести автомобиля. Для поворота больших управляемых колес необходимо много места. Поэтому конструкторы автомобилей охотнее идут на увеличение профиля шины при незначительном увеличении ее диаметра (рис. 5,б) или на увеличение ширины шины без увеличения ее диаметра. В последнем случае шина получается широкопрофильной (рис.5,в). Применение вместо обычных дорожных спаренных шин с внутренним давлением 3-5кгс/см2 односкатных увеличенного диаметра или профиля, а также широкопрофильных шин несколько улучшает проходимость автомобиля, но этого оказывается недостаточно. Внутреннее давление воздуха в таких шинах, соответствующее длительно допустимой деформации в 12% от высоты профиля, составляет обычно около 2,0-3,5 кгс/см2. Удельное давление на грунт у таких шин ниже, чем у обычных, но оно все же велико, а деформация шин недостаточна для коренного улучшения процесса взаимодействия с грунтом и получения возможности движения по большей части слабых грунтов.

Отечественной шинной промышленностью созданы шины для автомобилей высокой проходимости, позволяющие работать на слабых грунтах не при 10—12% деформации, а при деформации до 35% от высоты профиля. Эти, так называемые, шины сверхнизкого давления на слабых грунтах работают при внутреннем давлении воздуха в них, равном 0,5 кгс/см2. От обычных шин они отличаются высокой эластичностью.

Эти шины отличаются малой толщиной боковин (рис.6), что делает их эластичными и способными работать при больших деформациях. Конструкция протектора этих шин также отличается от обычной. У шин сверхнизкого давления грунтозацепы расчленены на отдельные элементы. Такая конструкция делает эластичной саму беговую дорожку шины. Повышенная мягкость шин обеспечивается повышенным содержанием в них каучука и меньшим числом слоев более прочного материала корда, что позволяет уменьшить толщину стенки.

Повышенная эластичность шины способствует улучшению взаимодействия колеса со слабыми грунтами и не вызывает больших перегревов при качении деформированной шины. Чтобы при понижении внутреннего давления шина не провернулась на ободе, ее борта зажимаются между ребордами разъемного диска и специальным распорным кольцом.

По мере снижения внутреннего давления в шинах площадь их контакта с грунтом увеличивается, а удельное давление снижается. Например, у автомобиля ЗИЛ-157 по замерам на твердом грунте среднее удельное давление составляет: при давлении в шинах рш = 3,5 кгс/см2 — 2,5, при рш = 1,5 кгс/см2 — 1,75, при рш = 0,5 кгс/см2 —1,1 кгс/см2. Но по мере увеличения деформации шины возрастает сопротивление качению. У ЗИЛ-157 при буксировке его по твердой дороге сопротивление качению составляет: при рш = 3,5 кгс/см2 — 160, при рш = 1,5 кгс/см2— 250 и при рт = 0,5 кгс/см2 — 550 кгс. Увеличение буксировочного сопротивления в этом случае связано с увеличением потерь на деформацию шин.

На мягком грунте величина деформации шин на соответствующих давлениях несколько меньше, чем на твердом, но доля потерь на деформацию шин в общем сопротивлении движению на низких давлениях воздуха значительна. Мощность, затрачиваемая на преодоление этих потерь, переходит в тепло, что приводит к повышенному нагреву шин. В связи с этим общая длительность движения с пониженным внутренним давлением в гарантийном пробеге шин и скорость движения ограничиваются специальными указаниями в инструкции по эксплуатации автомобиля.

Несмотря на то, что сопротивление качению деформированной шины выше, чем накаченной, общее уменьшение сопротивления движению по слабому грунту столь значительно, что в большинстве случаев дополнительные потери на деформацию шин полностью перекрываются уменьшением потерь на образование колеи (табл. 1). Как видно
из табл. 1, потери на прокладывание колеи (потери в грунте) на луговине уменьшаются более чем в 4 раза (при давлении 0,5 кгс/см2), на сыром снегу (при давлении 1,5 кгс/см2) на 13—14%, на песке (при давлении 0,5 кгс/см2) более чем в 3 раза.

Уменьшение сопротивления качению при пониженном давлении воздуха в шинах — это только часть эффекта, который получается при работе на слабых грунтах. Иногда этот эффект очень невелик. Например, на рыхлом сыпучем снегу. Однако, несмотря на это, проходимость автомобиля резко возрастает. Более важной частью эффекта при работе автомобиля на деформированных шинах является улучшение сцепных качеств шины и рост тяговой реакции грунта. При качении такой шины она как бы превращается в маленькую гусеницу с длиной опорной ветви, равной длине контакта деформированной
шины с грунтом (рис. 7).

Таблица 1

При этом тяга автомобиля при понижении давления воздуха в шинах существенно увеличивается (табл. 2). Если сравнить величину уменьшения сопротивления движению и величину роста тяги на крюке в результате понижения давления воздуха в шинах (см. табл. 1 и 2), то видно, что тяга возрастает не на величину уменьшения сопротивления движению, а на существенно большую величину. Причем тяга возрастает даже в том случае, когда сопротивление движению на пониженном давлении воздуха в шинах не уменьшается, а возрастает (в нашем примере на сыром снегу).

Таблица 2

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 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).

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).

Таблица 4

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.

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.

Таблица 5

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.

Таблица 6

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.

Экспериментально установлено, что при переходе от давлений минимального сопротивления движению к давлениям, соответствующим наибольшей тяге на крюке и наиболее предпочтительным для преодоления труднопроходимых участков, тяговые возможности автомобиля возрастают: на сыром песке на 11, на луговине на 12, на сухом снегу с настом на 11 и на сыром снегу на 17%. Поэтому при выборе давления воздуха в шинах необходимо придерживаться инструкции по эксплуатации и снижать давление в шинах до требуемого уровня более низкого на более тяжелых для проходимости участках. Чтобы представить себе, насколько отличаются автомобили высокой проходимости от обычных полноприводных автомобилей со спаренными шинами, сравним тягу на крюке, развиваемую автомобилем высокой проходимости ЗИЛ-157, с тягой, которую мог бы развить автомобиль ЗИЛ-151 ( табл. 6). Замеры были выполнены в одинаковых условиях. Как видно из табл. 6, величина тяги на крюке у ЗИЛ-157 выше, чем у автомобиля ЗИЛ-151 в 1,5—2 раза.

Ох, нелёгкая это работа — вездеходы катать по болотам

Чтобы не строить дороги, русские придумали вездеход.

Удельное давление автомобиля в пятне контакта шины с дорогой практически равно давлению воздуха в ней. Именно за счёт этого шины низкого давления не дают машине провалиться в податливый мягкий грунт.

Сборка снегоболотохода начинается с изготовления рамы. После установки раздаточных коробок, дифференциалов, рулевых механизмов раму обошьют листами алюминия и она превратится в лодку. Без преувеличений. Вездеход в готовом виде способен плавать.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Элемент подвески снегоболотохода «Шаман». В конструкции отсутствуют рессоры или пружины. Их функции берёт на себя шина низкого давления, её деформации вполне хватает для обеспечения комфортного движения машины.

Сервомотор гидравлической системы рулевого управления снегоболотохода. Обеспечить синхронную работу рулевых механизмов, используя механические передачи, на длинных машинах практически невозможно.

Кокпит снегоболотохода. Место водителя расположено на центральной оси машины. Это позволяет водителю верно оценивать расстояния до препятствий.

Режимы рулевого управления. 1. Поворачиваются колёса передней тележки. Режим поворота в простых дорожных условиях. 2. Краб. Все колёса повёрнуты в одну сторону. В таком режиме машина движется боком, каждое из восьми колёс по собственной колее.

Снегоболотоходу на колёсах низкого давления глубокий снег не препятствие. Фото Владимира Волхонского.

‹

›

Открыть в полном размере

Фраза, вынесенная в эпиграф, встречается в разных вариантах: то мы придумали не просто вездеход, а ГАЗ-66 или «Ниву», то что-нибудь совсем заковыристое, типа восьмиосного тягача для перевозки баллистических ракет. Но суть от этого не меняется: произносящим её кажется, что сделать автомобиль, способный преодолевать бездорожье, проще, чем построить дорогу. В некоторых случаях прокладывать дорогу действительно просто нет смысла или невозможно. Например, по заболоченной тундре, раскисающей летом и занесённой полутораметровым слоем снега зимой. Для таких мест и предназначены настоящие вездеходы.

Проходимость колёсных транспортных средств — а мы в этой статье будем говорить именно о колёсной технике — зависит от многих факторов.

Некоторые из них связаны с геометрическими характеристиками автомобиля, другие — с его энерговооружённостью (характеристиками двигателя), третьи — с характеристиками и возможностями трансмиссии, четвёртые — с распределением нагрузки по осям, пятые — с характеристиками шин, шестые … впрочем, продолжать этот список можно очень долго, постепенно вдаваясь во всё более и более мелкие детали.

Конструкторы вездеходов постоянно сталкиваются с проблемами, результаты решения которых противоречат друг другу. Первая — увеличение мощности силовой установки машины на средних и низких оборотах. Вторая — снижение удельного давления автомобиля на грунт.

Чтобы решить первую задачу, в большинстве случаев на машину устанавливают мощный дизельный двигатель. Такие моторы довольно тяжелы, зато обладают замечательным свойством — крутящий момент на валу и развиваемая мощность достигают высоких значений при сравнительно низких оборотах коленчатого вала. Для вездехода это важно, поскольку сопротивление качению колеса растёт тем сильнее, чем мягче грунт, по которому оно катится, и чтобы машина могла ехать медленно без пробуксовки колёс, двигатель не должен работать на высоких оборотах. Но даже «медленных» дизельных полутора-двух тысяч оборотов в минуту для колёс вездехода слишком много. Поэтому между мотором и колёсами помещают ещё как минимум два редуктора. Первый — коробка передач. Второй — дифференциальный редуктор, установленный на ведущей оси. В полноприводных вездеходах дифференциалов обычно столько же, сколько и осей. (Исключение составляют машины с бортовыми передачами, но здесь мы на них останавливаться не будем. )

Для того чтобы распределить мощность двигателя по осям машины, используют раздаточные коробки (РК). Это тоже редуктор, но имеющий один входной и как минимум два выходных вала. Раздаточные коробки зачастую делают двухступенчатыми. В таких механизмах одна ступень — это прямая передача (число оборотов на входном или первичном валу и выходных валах равны) и пониженная — скорость вращения выходных валов меньше скорости первичного вала. Раздаточные коробки имеют механизм отключения одного из выходных валов. (РК такого типа устанавливают на автомобили УАЗ.)

Существуют — и в последнее время получили довольно широкое распространение — раздаточные коробки с дифференциалом. Дифференциал позволяет двум выходным валам вращаться с разной скоростью. Соответственно и передача крутящего момента от двигателя будет происходить только в направлении одной из осей автомобиля. Но на тяжёлых участках пути механизм можно заблокировать, и тогда крутящий момент распределится между осями поровну. (РК с дифференциалом ставят на все модификации «Нивы», на многие иностранные внедорожники.)

Все эти механизмы необходимы для повышения проходимости автомобиля, но достаточно тяжелы. И это затрудняет решение второй проблемы — снижения удельного давления машины на грунт.

Эту проблему приходится решать, увеличивая площадь пятна контакта шин с дорогой. Для этого на машины ставят колёса увеличенных ширины и диаметра и используют шины низкого давления.

Удельное давление автомобиля на грунт численно очень близко к величине давления в шинах. А в шинах с мягкой боковиной, не передающей вертикальные нагрузки от веса автомобиля на опорную поверхность, точно ему равно. Именно на этом и основано использование шин низкого давления. Такие шины могут работать при давлениях порядка 0,15 кг/см². Таким же (или очень близким) будет и давление на грунт, а это даже меньше, чем у многих гусеничных машин.

Однако шины низкого давления интересны не только этим. Благодаря высокой эластичности они «обволакивают» рельеф грунта, сцепление с ним получается плотным и надёжным. Шины низкого давления почти не травмируют верхний слой почвы, поэтому их можно использовать, например, в тундре. Гусеничные вездеходы оставляют в тундре следы, которые не зарастают годами, а нередко растительный покров вообще не восстанавливается. На месте гусеничной колеи сначала образуются промоины, а затем и овраги, рост которых в тундре ограничить нечем. Колёса же низкого давления травмируют растительный покров минимально. Даже при поворотах такие шины просто перекатываются по рельефу, на срывая тонкий верхний слой грунта.

Для тяжёлых дорожных условий предназначены машины, получившие название снегоболотоходов. Значительная их часть в качестве движителя имеет гусеницы, но в последние годы появляется всё больше и больше колёсных вездеходов на шинах низкого давления. Есть среди них исключительно интересные конструкции, с тремя, а то и с четырьмя осями, с управляемыми поворотными колёсами на всех осях и даже плавающие. Один из таких автомобилей — «Шаман» — делают в тверской области.

На машины с колёсами низкого давления, как правило, устанавливают системы регулировки давления в шинах, или, как их иначе называют, системы подкачки. При движении по относительно твёрдым покрытиям давление в шинах следует держать таким, чтобы шина не деформировалась слишком сильно. Большая деформация приводит к ускоренному износу колёс и увеличивает их сопротивление качению. Зато на мягких и рыхлых грунтах давление следует снижать. Делать это с места водителя и позволяют системы подкачки.

Повышение проходимости достигается, конечно, не только увеличением мощности мотора и использованием широких шин большого диаметра. Важно и то, как автомобиль поворачивает. На машинах большой длины управляемыми делают не только колёса передней или двух передних осей, но вообще все колёса. При этом поворотом колёс можно управлять по осям. Например, на твёрдом грунте отправить машину в поворот вполне могут только передние колёса. Если нужно совершить более крутой поворот (то есть уменьшить радиус поворота), то в работу подключаются колёса задних осей. В таком случае, чтобы повернуть направо, передние колёса так направо и поворачиваются, а задние, наоборот, поворачиваются налево. Когда на машине делают управляемыми колёса всех осей, появляется ещё одна замечательная возможность: машина может ехать боком, или, как говорят водители, крабом. Такая функция позволяет выбираться из очень сложных дорожных «засад» благодаря тому, что каждое колесо движется по собственной колее.

На многоколёсных вездеходах система блокировок дифференциалов позволяет подключать привод на колёса в различных комбинациях. Например, на «Шамане» в активном режиме могут работать две передние оси, две задние оси или все четыре оси. Дополнительно к этому могут быть включены межколёсные блокировки на передней и на задней тележках. В случае полной блокировки ведущими становятся все восемь колёс, и преград такой машине не будет. Но дороги строить всё же стоит!

Фильм о вездеходе см. на сайте nkj.ru в разделе «Видео».

Давление на грунт | Tractor & Construction Plant Wiki

Давление на грунт — это давление, оказываемое на землю шинами или гусеницами моторизованного транспортного средства, и является одним из показателей его потенциальной подвижности, ^[1] , особенно на мягком грунте. Давление на грунт измеряется в паскалях (Па), что соответствует единице EES в фунтах на квадратный дюйм (psi). Среднее давление на грунт можно рассчитать по стандартной формуле среднего давления: P = Ф / А . ^[2] В идеализированном случае, т. е. статическая, равномерная результирующая сила, нормальная к ровной поверхности Земли на уровне моря, это просто вес объекта, деленный на площадь контакта. Давление на грунт автотранспортных средств часто сравнивают с давлением стопы человека на грунт, которое может составлять 60-80 кПа при ходьбе или до 13 МПа для человека в шпильках. ^[3]

Увеличение площади контакта с землей (футпринт ) по отношению к весу уменьшается давление на грунт. Для хрупких экосистем, таких как болота, рекомендуется давление на грунт 14 Па (2 фунта на кв. дюйм) или меньше. ^[4] Уменьшение давления на грунт увеличивает проходимость, облегчая движение кузова по мягкому грунту. Это часто наблюдается при ходьбе на снегоступах.

Содержание

• 1 Пример давления на грунт
• 2 Автомобили с низким давлением на грунт
  • 2.1 Известные автомобили LGP
• 3 См. также
• 4 Связанные показания
• 5 Каталожные номера

Пример давления на грунт

Все примеры являются приблизительными и могут меняться в зависимости от условий

Судно на воздушной подушке: 0,7 кПа (0,1 фунт/кв. дюйм)

Человек на снегоступах: 3,5 кПа (0,5 фунта на кв. дюйм)

Вездеход с резиновыми гусеницами: 5,165 кПа (0,75 фунта на кв. дюйм)

Буровая установка Diedrich D-50 — T2: 26,2 кПа (3,8 фунта на кв. дюйм)

Человек, мужчина (рост 1,8 метра, среднее телосложение): 55 кПа (8 psi)

Бак M1 Abrams: 103 кПа (15 фунтов на кв. дюйм)

Toyota 4Runner / Hilux Surf 1993 г.: 170 кПа (25 psi)

Взрослая лошадь (550 кг, 1250 фунтов): 170 кПа (25 фунтов на кв. дюйм)

Легковой автомобиль: 205 кПа (30 psi)

Колесный квадроцикл: 240 кПа (35 фунтов на кв. дюйм)

Горный велосипед: 245 кПа (40 фунтов на кв. дюйм)

Гоночный велосипед: 620 кПа (90 psi)

Примечание:
Давление для Человека и Лошади предназначено для того, чтобы стоять на месте. Идущий человек будет оказывать более чем вдвое больше давления, чем стоя. Лошадь на галопе будет оказывать давление до 3,5 МПа (500 фунтов на квадратный дюйм). Давление на грунт для пневматической шины примерно равно давлению накачки.

Транспортные средства с низким давлением на грунт

Часто называется Транспортное средство LGP .
Это транспортные средства, которые предназначены для уменьшения контактного давления, чтобы избежать погружения в мягкий грунт или избежать повреждения хрупких поверхностей. Наиболее известными примерами основных используемых методов являются машины с гусеницами Caterpillar или оснащенные шинами повышенной проходимости.

Известные автомобили LGP

Уездный болотоход

Экскаватор Kubota KX08-3 на болотоходах

• Болотоходы — сверхширокая версия, используемая на технике для работы на торфяниках, болотах или в болотистых условиях. Самые экстремальные экземпляры могут работать в воде, плавая.
• Terra Gator — тракторы, оснащенные шинами Terra, используемые для разбрасывания удобрений и опрыскивания, а в Нидерландах — самосвалы для перевозки материалов на мелиоративных схемах.

Bay Search & Rescue Hagglund BV206, используемый на приливных илистых отмелях в Камбрии

• Bandvagen 206 (Hagglunds) ратрак — используется военными и спасательными службами для работы на снегу, мягком песке и болотах.

Экскаватор Hitachi на понтонных гусеницах для работ на реках и прудах

• Плавающие экскаваторы Экскаваторы, оснащенные понтонными поплавками с гусеницами, для очень мягких или влажных условий, часто используемые для очистки каналов и водотоков или для углубления водоемов от водорослей и ила.

См. также

• Контактная накладка
• Чувствительность шины к нагрузке
• Индекс глоссария

Дополнительная литература

• Теория наземных транспортных средств ^[5]

Ссылки

1. ↑ Allen, Jim. Jeep 4 X 4 Performance Handbook . Издательство MotorBooks/MBI, 16. SBN 076030470X.
2. ↑ Венгер, Карл Ф. (1984). Справочник по лесному хозяйству . Нью-Йорк: Wiley, 499. ISBN 0-471-06227-8.
3. ↑ (2000) Устойчивое ландшафтное строительство: Руководство по зеленому строительству на открытом воздухе . Island Press, 51. ISBN 1-55963-646-7.
4. ↑ «Страница 4 управления небольшими доками и пирсами, лучшие практики управления, май 2005 г. NOAA» .
5. ↑ Вонг, Джо Юнг (2001). Теория наземной техники . Нью-Йорк: Джон Уайли,. ISBN 0-471-35461-9.

На этой странице используется некоторый контент из Википедии . Оригинальная статья была в Давление на грунт. Список авторов можно увидеть на странице истории . Как и в случае с Tractor & Construction Plant Wiki, текст Википедии доступен по лицензии Creative Commons по лицензии Attribution и/или GNU Free Documentation License. Пожалуйста, проверьте историю страниц, чтобы узнать, когда исходная статья была скопирована в Wikia.

Аналитическая модель для прогнозирования давления на грунт под жестко-гибкой гусеничной машиной на мягком грунте

На этой странице уплотнение почвы. В данном исследовании была разработана аналитическая модель для прогнозирования распределения давления на грунт под жестко-гибкой гусеничной машиной на мягком грунте. В модели учитывались основные конструктивные параметры гусеничной машины, характеристики грунта и сдвиг грунта. Давление на грунт было неравномерным, а его максимальные значения под опорными катками составляли 90,20, 103,57 и 150,14 кПа. Давление на грунт было обратно пропорционально соотношению длин гибкой гусеницы и жесткого грунтозацепа. Был проведен эксперимент для проверки аналитической модели. Максимальная ошибка между измеренными и смоделированными результатами была меньше 8%, что подтверждает аналитическую модель.

1. Введение

Гусеничные машины становятся все более популярными в различных условиях сложной местности и в особых грунтовых условиях, таких как заснеженные земли, пустыни, болота, джунгли, горы и озера, из-за их высокой мобильности. Давление на грунт, которое представляет собой распределение напряжения в контексте поверхности контакта грунта с гусеницами, является важным параметром для мобильности, тяговых характеристик и уплотнения почвы. Номинальное давление на грунт, которое получается путем деления веса транспортного средства на площадь контакта гусеницы с грунтом, представляет собой давление на грунт под гусеницей на основе равномерного распределения. Однако давление на грунт неравномерно, особенно в случаях, когда гусеница является гибкой. За последние несколько десятилетий давление на грунт изучалось многими исследователями, и было установлено, что оно является сложным из-за различных факторов, таких как количество опорных катков, диаметр опорных катков, натяжение гусеницы и характеристики почвы. Беккер [1] предложил формулу понижения давления путем подгонки большого количества экспериментальных данных. Вертикальная деформация грунта под нагрузкой принималась аналогичной деформации грунта под плоской плитой. Давление на грунт под плоской пластиной рассчитывалось по следующей формуле: где P — это давление на земле, B — ширина дорожки, Z — это раковина, а K _C , K _ψ и N из испытаний на просадку плиты.

Теория Мора утверждает, что материалы разрушаются при критической комбинации нормальных и касательных напряжений. Уолдрон [2] показал, что теория Мора пригодна для почвы. Соотношение между нормальными и касательными напряжениями в поверхности скольжения можно описать огибающей Мора. Оболочка определяется формулой Кулона: где τ — напряжение сдвига, c — сцепление грунта, угол внутреннего трения.

Когда башмак гусеницы врезается в почву, почва подвергается сжатию. Так как давление грунта действует на поверхность грунта, то грунт на этом участке можно рассматривать в пассивном состоянии Ренкина [3]: где σ _pn – давление грунта, действующее на вертикальную поверхность грунтозацепа, γ _s – удельный вес грунта, K _py , K _pq , K _pc – коэффициенты, относящиеся к прочности грунта.

Келлер и др. В работах [4–6] путем подгонки экспериментальных данных были получены вертикальные и боковые напряжения грунта под сельскохозяйственными машинами с резиновыми гусеницами. Формула прогнозирования учитывала свойства транспортного средства, такие как количество и диаметр опорных катков, но не учитывала характеристики почвы. Кроме того, продольное (т. е. направление движения) и поперечное (т. е. перпендикулярное направлению движения) давление на грунт использовались в качестве верхних граничных условий напряжения для моделирования напряжений грунта. Чжао и др. [7] получили продольное давление на грунт путем подгонки экспериментальных данных в предположении, что давление на грунт под опорными катками является функцией квадратичного косинуса, а другие являются линейными функциями, учитывающими количество опорных катков и длину контакта с грунтом. Они также определили боковое давление на грунт в предположении, что давление является линейной функцией. Сан и др. [8] получили опускание путем подгонки экспериментальных данных. Затем с помощью модели Вонга была получена скорректированная модель нормальных и касательных напряжений под гибким рельсом.

Гарбер и Вонг [9, 10] разработали аналитический метод прогнозирования давления на грунт под гусеничным транспортным средством в статическом состоянии с учетом параметров транспортного средства и характеристик грунта. Они проанализировали влияние начального натяжения гусеницы, натяжения гусеницы, количества опорных катков, диаметра опорных катков, жесткости подвески и характеристик почвы на распределение давления на грунт с помощью аналитического метода. Парк и др. [11] представили математическую модель для прогнозирования нормальных и касательных напряжений грунта под гибкой гусеничной машиной с учетом не только параметров машины и характеристик грунта, но и повторяющихся нагрузок. Они использовали тяговое испытание для проверки математической модели. Ли и др. [12] предложил аналитический метод прогнозирования давления на грунт под жестким грунтозацепом с использованием баланса сил. Ян и др. [13] скорректировали модель Li, приняв во внимание сдвиг грунта, и получили скорость сдвига грунта с помощью метода конечных элементов. Они приняли тяговые эксперименты для проверки аналитической модели.

Вонг и Хуанг [14, 15] исследовали взаимосвязь давления на грунт с начальным натяжением гусеницы с помощью передовых моделей компьютерного моделирования, а именно TPPVTV (модель прогнозирования тяговых характеристик для гусеничных транспортных средств) и NTVPM (модель гусеничных транспортных средств Nepean). Мейверк и др. В работе [16] была принята совмещенная модель системы многотельных систем и метода конечных элементов для получения деформации грунта в реальном времени.

Вышеупомянутые методы исследования давления на грунт ориентированы на подгонку, математический анализ и динамический анализ, а целью исследования является гибкий или жесткий путь. Однако давление на грунт под сцепленной жестко-гибкой гусеницей еще не анализировалось. Жестко-гибкая гусеничная система широко используется в гусеничных машинах повышенной проходимости. Цели текущего исследования заключаются в следующем: (i) Разработать математическую модель для прогнозирования давления на грунт в продольном направлении с использованием основных конструктивных параметров гусеничного транспортного средства, а также характеристик грунта и сдвига грунта, а также в предположении равномерности давление на грунт в поперечном направлении(ii)Провести эксперимент, подтверждающий теоретическую модель(iii)Проанализировать влияние длины гибкой гусеницы и жесткого грунтозацепа на давление на грунт

2. Аналитическая модель

Гибкая гусеница обычно называется резиновой гусеницей. Жесткая гусеница соединена металлическими башмаками, а грунт может иметь только выпуклую деформацию. Исследуемая гусеничная система отличается от традиционных гибких и жестких гусениц; это тип жестко-гибкой комбинированной гусеницы, состоящей из резиновой гусеницы и металлических грунтозацепов. Эта гусеничная система может обеспечить меньшее давление на грунт, чем жесткая гусеница, и более длительный срок службы, чем гибкая гусеница, как показано на рис. 1. Когда гусеничная машина движется по мягкому грунту, распределение давления на грунт под гусеницей зависит от почвы. взаимодействие треков, как показано на рисунке 2. Рассматриваются зависимость давления от снижения (уравнение (1)), формула Кулона (уравнение (2)) и пассивное состояние Ренкина (уравнение (3)). Анализ методом конечных элементов используется для анализа всей гусеничной системы. Гусеничная система с точки зрения ее контакта с грунтом делится на гусеничный участок, контактирующий с опорным катком, и гусеничный участок между опорными катками.

2.1. Анализ сегмента гусеницы в контакте с опорным катком

Форма сегмента гусеницы в контакте с опорным катком зависит от диаметра опорного колеса. Рассмотрим произвольный элемент из участка пути, контактирующего с опорным катком, с номером i , радиусом r _i , центральным углом d θ и длиной участка пути d l =  r _i d θ , как показано на рисунке 3. Равновесие силы и крутящего момента представлено уравнениями (4)–(6). where T _αi and T _βi represent the tensions at the entry and exit angles, respectively, α _i and β _i represent the entry и углы съезда и -го опорного колеса, соответственно, W _i представляет собой вертикальную нагрузку i -е опорное колесо, а h представляет собой ширину гибкой гусеницы.

для первого дорожного колеса ( I = 1), T _{α 1} = T ₀ (уравнение (7)) и α _I = α _I = _I = _I = _{9 0} (угол въезда гусеничной системы). Давление на грунт p ( l ) и напряжение на выходе T _βi можно рассчитать на основе уравнений (4)–(7) и основных расчетных факторов, таких как масса транспортного средства, ширина колеи, количество и диаметр опорных катков и звездочки, а также крутящий момент, действующий на звездочку. Тогда вертикальная нагрузка первого опорного колеса W ₁ и напряжение сдвига τ ( l ).

для последнего дорожного колеса ( I = 3), T _βi = T (уравнение (7) [17]) и β _I = β ( I = β ( _{. угол съезда гусеничной системы). Давление на грунт p ( l ) и напряжение при входном угле T αi можно рассчитать на основе уравнений (4–7) и основных расчетных коэффициентов. Тогда вертикальный вес последнего опорного колеса W 3 и напряжение сдвига τ ( l ). , T — натяжение при угле съезда гусеничной системы, W — масса автомобиля, r S — диаметр звездочки.}

2.2. Анализ участка пути между опорными катками

Форма сегмента гусеницы между опорными катками зависит от взаимодействия между почвой и гусеницей. В качестве объектов исследования используются один жесткий грунтозацеп и один прилегающий к нему гибкий элемент пути Δ l , как показано на рис. 4. Равновесия сил представлены уравнениями (8) и (9): где j и T _{βi , j +1} представляют натяжения j th и j  + 1-й элемент в -м и -м сегменте соответственно. β _{i , j} представляет собой угол между жестким грунтозацепом и горизонтальным направлением. Δ β _{i , j} представляет собой угол между жестким грунтозацепом и гибким элементом гусеницы. F _{1 i , j} — нормальная сила под жестким грунтозацепом (уравнение (10)). Ф _{2 я , j} — тангенциальная сила под жестким грунтозацепом (уравнение (11)). F _{3 i , j} – нормальная сила под j -м гибким элементом пути (уравнение (12)). F _{4 i , j} – тангенциальная сила под j -м гибким элементом пути (уравнение (13)). F _{5 i , j} — сила, действующая на вертикальную поверхность жесткого грунтозацепа (уравнение (14)). Для первого элемента ( j  = 1), T _{βi , j}  =  T _βi and β _{i , j}  =  β _i . Для последнего элемента, T _{βI , J} = T _{αI +1} и β _{I , J} = α 70008 I , . 1 . Отсюда можно рассчитать давление на грунт под гусеницей между опорными катками, где a представляет длину жесткого грунтозацепа, где d представляет высоту грунтозацепа.

Для жестко-гибкой гусеничной машины с количеством опорных катков N , количеством жестких грунтозацепов R и количеством гибких гусениц Q , когда сегменты гусеницы находятся в условиях равновесия, вертикальная и горизонтальная выполняются силы всей системы (уравнения (15)–(16)). Наконец, всю систему путей можно повторно проанализировать с помощью уравнений (1–16).

На примере переднего вагона на основе аналитической модели прогнозирования давления на грунт под жестко-гибкой гусеничной машиной на мягком грунте и исходных данных (табл. 1) можно рассчитать давление на грунт (рис. 5) . Кроме того, параметры грунта и транспортного средства были получены от Harbin First Machinery Building Group Ltd.

3. Измерения давления на грунт

Аналитическая модель была проверена посредством испытания на давление грунта, которое было проведено на испытательном полигоне Harbin First Machinery Building Group Ltd. Group Ltd. Испытательный автомобиль полной массой 148,9 г.0 кН проехал со скоростью 10 км/ч. Для измерения распределения давления на грунт под опорными катками в верхний слой почвы на глубину 100 мм закапывали два датчика напряжения (диаметр 16 мм, высота 6 мм, диапазон измерения 0–200 кПа). Они были размещены под центральной линией дорожки (рис. 6). На рис. 7 показано сравнение смоделированного и измеренного давления на грунт.

4. Обсуждение

Ошибка расчета между моделированием и измерением была меньше 10 кПа, а максимальная ошибка была меньше 8%. На этой основе была проверена целесообразность аналитической модели, и результаты, полученные в результате моделирования, могут быть использованы в будущих исследованиях.

Однако между измеренными и смоделированными результатами существовали небольшие различия, которые могут быть вызваны следующими причинами: во-первых, характеристики почвы между тестом и моделированием различались; во-вторых, измеренные результаты были почти больше, чем результаты моделирования, вероятно, потому, что жесткость почвы увеличилась, когда первая дорожка воздействовала на почву. Наконец, процесс тестирования содержал ошибки измерения, которых нельзя было избежать.

На рис. 5 показано давление на грунт под жестко-гибкой гусеницей в продольном направлении. На основании аналитических результатов можно сделать следующие выводы: (i) Давление на грунт неравномерно, а давление на грунт под опорными катками больше, чем под гусеницей между опорными катками, которое почти равно нулю. (ii) Номинальное давление на грунт. гусеничной машины, которая получается путем деления веса машины на площадь контакта гусеницы с грунтом, равна 190,90 кПа. Давление на грунт под опорными катками, в несколько раз превышающее номинальное давление на грунт, составляет 90,20, 103,57 и 150,14 кПа. Следовательно, давление на грунт лучше отражает подвижность, тяговые характеристики и уплотнение почвы, чем номинальное давление на грунт. (iii) Анализируется влияние длины жесткого грунтозацепа и гибкой гусеницы на давление на грунт. Исходная длина гибкой гусеницы и грунтозацепа составляет 90 мм и 74 мм соответственно ( l  = 90 мм, a  = 74 мм и l / a ≈1,2). При увеличении длины гибкой гусеницы до 110 мм ( l / a ≈1,5) и сохранении общей длины гусеницы постоянной увеличивается давление на грунт. При увеличении длины грунтозацепа до 90 мм ( l / a ≈1) и сохранении постоянной общей длины гусеницы давление на грунт уменьшается (рис. 8). В таблице 2 представлено сравнение давления на грунт под опорными катками.

5. Заключение

Разработана аналитическая модель для прогнозирования давления на грунт под жестко-гибкой гусеничной машиной на мягком грунте. Распределение давления на грунт в продольном направлении было получено с учетом основных конструктивных параметров гусеничной машины и характеристик грунта.

Аналитическая модель показала, что давление на грунт под опорными катками значительно больше, чем под гусеницей между опорными катками. Максимальное давление на грунт под опорными катками составляло 90,20, 103,57 и 150,14 кПа. Давление на грунт было обратно пропорционально л / . Когда l / a были большими, давление на грунт было небольшим, и была достигнута хорошая подвижность и небольшое уплотнение почвы. Однако, когда л / были маленькими, усталостная жизнь была долгой.

Прогнозируемое давление на грунт относительно соответствовало значениям, измеренным в ходе эксперимента. Ошибка между измеренными и смоделированными результатами была меньше 8%. Результаты подтвердили мнение о том, что аналитическая модель, разработанная для прогнозирования давления на грунт, действительна. Эта модель может обеспечить эффективное прогнозирование давления на грунт под жестко-гибким гусеничным транспортным средством на мягком грунте и является важным ориентиром для гусеничных транспортных средств.

Доступность данных

Данные, использованные для поддержки результатов этого исследования, включены в статью.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Благодарности

Это исследование было выполнено при финансовой поддержке Национальной ключевой программы исследований и разработок Китая (№ 2016YFC0802703), которая выражает благодарность.

Ссылки

1. М. Г. Беккер, Introduction to Terrain Vehicle System , The University of Mihigan Press, Ahn Arbor, MI, USA, 1969.

2. Л. Дж. Уолдрон, «Сопротивление сдвигу проницаемой корнями однородной и слоистой почвы1», Американского общества почвоведов. Журнал , том. 41, нет. 5, стр. 843–849, 1977.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

3. J. Y. Wong, Theory of Ground Vehicles , John Wiley & Sons, Хобокен, Нью-Джерси, США, 4-е издание, 2008 г.

4. Т. Келлер, А. Траутнер и Дж. Арвидссон, «Распределение напряжения и смещение почвы под гусеничным и колесным трактором во время вспашки, как на суше, так и в борозде», Исследование почвы и обработки почвы , том. 68, нет. 1, стр. 39–47, 2002 г.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

5. Дж. Арвидссон, Х. Вестлин, Т. Келлер и М. Гилбертссон, «Системы резиновых гусениц для обычных тракторов — влияние на уплотнение почвы и сцепление», Исследование почвы и обработки почвы , vol. 117, нет. 1, стр. 103–109, 2011.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

6. Т. Келлер и Дж. Арвидссон, «Модель для прогнозирования распределения вертикального напряжения у поверхности почвы под системами ходовой части с резиновыми гусеницами, установленными на сельскохозяйственных транспортных средствах», Исследование почвы и обработки почвы , том. 155, нет. 1, стр. 116–123, 2016 г.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Академия Google

7. З. Чжао, С. Му и Х. Го, «Испытания и моделирование статического давления на грунт системы преобразования резиновых гусениц», Труды Китайского общества сельскохозяйственной инженерии , том. 34, нет. 3, pp. 72–79, 2018.

   Просмотр по адресу:

   Google Scholar

8. Z. Sun, L. Tang, and W. Wang, «Распределение напряжения гибкого пути с учетом оседания проскальзывания», Transactions of the Китайское общество сельскохозяйственной инженерии , vol. 48, нет. 2017. Т. 1. С. 317–324.

   Просмотр по адресу:

   Google Scholar

9. М. Гарбер и Дж. Ю. Вонг, «Прогнозирование распределения давления на грунт под гусеничными транспортными средствами-I. Аналитический метод прогнозирования распределения давления на грунт», Journal of Terramechanics , vol. 18, нет. 1, стр. 1–23, 1981.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

10. М. Гарбер и Дж. Ю. Вонг, «Прогнозирование распределения давления на грунт под гусеничными машинами-II. Влияние конструктивных параметров гусеничной подвески на распределение давления на грунт», Журнал Террамеханики , том. 18, нет. 2, стр. 71–79, 1981.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

11. WY Park, YC Chang и S.S. Lee, «Прогнозирование тяговых характеристик универсального гусеничного транспортного средства», Journal of Terramechanics , vol. 45, нет. 4, стр. 13–23, 2008 г.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

12. Дж. Ли, К. Ли и Дж. Чжоу, «Анализ взаимодействия пути с поверхностью на мягком грунте», Acta Armamentarii , том. 33, нет. 12, pp. 1423–1429, 2012.

    Посмотреть по адресу:

    Google Scholar

13. C. Yang, L. Cai, Z. Liu, Y. Tian, ​​and C. Zhang, «Метод расчета пути толчок башмака на мягком грунте для растопыренных грунтозацепов», Journal of Terramechanics , vol. 65, нет. 1, стр. 38–48, 2016 г.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

14. Дж. Ю. Вонг и В. Хуанг, «Исследование влияния начального натяжения гусеницы на подвижность гусеничных машин по мягкому грунту с использованием усовершенствованной модели компьютерного моделирования», Труды Института инженеров-механиков, часть D: Journal of Automobile Engineering , vol. 220, нет. 6, стр. 695–711, 2006 г.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

15. JY Wong, C. Senatore, P. Jayakumar и K. Iagnemma, «Прогнозирование характеристик подвижности небольшой и легкой гусеничной системы с использованием компьютерного метода NTVPM», Journal of Terramechanics , vol. 61, нет. 2015. Т. 1. С. 23–32.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

16. Мейверк М.