Удельное давление на грунт автомобиля

Кандидат технических наук Дмитрий Зыков. Фото автора.

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/см 2 . 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!

На вездеходной технике в качестве движителя часто используются гусеницы или шины сверхнизкого давления. Их основная задача — уменьшить удельное давление на грунт за счет увеличения площади опоры. Ничего сложного тут нет, по такому же принципу работают обычные лыжи. Если на лыжах человек может спокойно идти по снегу, то без них он сразу проваливается, т.к. площадь опоры уменьшается в несколько раз, а давление на снег, соответственно, увеличивается. Рассмотрим подробнее, как рассчитывается удельное давление на грунт, в чем измеряется и как его можно уменьшить на практике.

Как рассчитать удельное давление на грунт человека или техники?

Чтобы вычислить удельное давление на грунт достаточно разделить массу на площадь опоры. Например, площадь опоры всех колес автомобиля составляет 1000 квадратных сантиметров, а его масса — 1300 кг. Просто делим 1300 на 1000, получается 1,3 килограмм на квадратный сантиметр (кг/см^2). Соответственно удельное давление на грунт измеряется в кг/см^2, реже в других единицах. Получается, чем меньше масса и больше площадь опоры, тем меньше это значение. Рисунок ниже это отлично демонстрирует.

Удельное давление на грунт зависит от массы и площади опоры

Как уменьшить давление на грунт и для чего это делать?

Ну для чего это делать ясно — чтобы увеличить проходимость техники, особенно на слабонесущих грунтах. Обычно низким удельным давлением помимо вездеходной обладает военная и сельскохозяйственная техника. Опять же для проходимости и чтобы избежать сильного уплотнения почвы и повреждения посевов. Также сюда можно отнести снегоходы, отличающиеся очень низким давлением на поверхность.

Интересный факт: известный тяжелый немецкий танк времен Второй Мировой «Тигр» обладает удельным давлением на грунт 1,03 кг/см^2, что примерно в 1,5-2 раза больше этого показателя для среднестатистического человека. В руководстве по эксплуатации танка экипажу было предписано проверять несущую способность подозрительного участка, по которому нужно было проехать, интересным образом. Один солдат садил на себя второго и, если его ноги сильно проваливались в землю, это значило, что танк здесь не пройдет. Если же ноги не проваливались, то несущая способность грунта была достаточна для движения танка.

Чтобы создать технику с малым удельным давлением на грунт можно пойти несколькими путями:

1. Использовать гусеницу (снегоходы, трактора, вездеходы, военная техника);
2. Использовать шины сверхнизкого давления (вездеходы, некоторая сельскохозяйственная техника);
3. Увеличить количество колес (грузовики, военная техника (БТР));
4. Увеличить диаметр колеса (грузовики, колесные трактора, внедорожники).

Вывод

Чтобы быстро уменьшить удельное давление на грунт на обычном автомобиле, достаточно стравить давление в шинах до определенного значения. Так часто поступают владельцы внедорожников при движении по болотам и глубокой грязи.

Стоит заметить, что в некоторых ситуациях высокое давление будет предпочтительнее. Например по неглубокой грязи или снегу автомобиль на узкой резине может двигаться увереннее, чем на широкой. Этот подход используется в эндуро, где узкое переднее колесо как бы режет грязь, улучшая проходимость и управляемость.

В каком-то смысле сельскохозяйственную технику можно отнести к вездеходной. Перед ней стоят те же задачи – эффективно проходить как качественные асфальтированные дороги, так и влажный грунт, в котором можно увязнуть. Различие существует лишь в исполняемых машинами функциях. Удельное давление можно рассчитать для любого средства передвижения, и сегодня мы напомним, как и зачем его просчитывать. Также разберём способы снижения давления и последствия пренебрежения этим фактором на полях.

Удельное давление

Изначальная суть снижения давления на грунт – это необходимость просто пробраться сквозь непригодный для проезда участок. То есть, увеличить проходимость машин. Перспектива застрять в грязи посреди леса мало кого может обрадовать. В военное время проблема стоит ещё острее. Чтобы с ней разобраться, конструкторы принялись изобретать альтернативные обыкновенным колёсам движители.

Самый простой и действенный способ снизить нагрузку без глубинной модернизации техники – увеличить площадь их опоры на поверхность земли. Понимание относительно примитивных физических законов помогло создать несколько альтернативных вариантов движителей.

Были разработаны шины сверхнизкого давления, которые меняют форму под давлением веса машины, и существенно увеличивают площадь контакта с поверхностью. Для легковых автомобилей – это наиболее простое и эффективное решение. Установил подходящие шины, и любая местность нипочём.

Но что делать с габаритной военной, строительной или сельскохозяйственной техникой, вес которой может превышать 10, а то и 30 тонн? Для сверхтяжёлых агрегатов были разработаны гусеничные ленты, которые хоть и увеличивали вес машин, но распространяли опорное давление по площади. Контакт приходится не на 4 колеса (точки), а распространялся вдоль всей машины (как с лыжами).

Принцип измерения удельного давления на грунт

Самый простой способ понять, как распределяется опорное давление – представить передвижение по снежным сугробам. Пешком человеку необычайно трудно преодолевать сугробы метровой глубины. Но что произойдёт, если он встанет на лыжи? Опорное давление перестанет быть точечным, и распределиться на несколько метров в длину. Кажется, что удельное давление таким образом может сниться в 1,5-2 раза, но в действительность оно снизится ровно в 15 раз. С 0,60 до 0,04.

Для вычисления удельного давления на грунт достаточно разделить фактический вес объекта на площадь опоры. Если речь идёт об автомобиле, то площадь всех его колёс может достигать, например, 1 метра квадратного. То есть, 1000 кв. см. Для упрощения представим, что масса машины – ровно 1,5 тонны. Разделив 1500 кг на 1000 кв. см., получаем 1,5 кг на квадратный сантиметр удельного давления.

Соответственно, чем ниже вес агрегата, и чем больше площадь контакта, тем ниже давление. И если механику-водителю танка глубоко плевать на то, что будет с почвой, по которой он проедет, то оператор трактора сильно обеспокоен этим вопросом. Точнее обеспокоен его работодатель, который не сможет выращивать сельхозкультуры на загубленном поле, и потеряет деньги.

Способы уменьшения давления на грунт

Для сельскохозяйственной техники низкое удельное давление на почву – ключевой фактор. Всё земледелие базируется на здоровой структуре почвы и качественном усвоении микроэлементов растениями. При этом для обработки этой самой почвы, внесения удобрений и семян нередко используется крупногабаритная техника.

Чтобы экономить драгоценное время, крупные хозяйства используют мощные европейские тракторы именитых марок и соответствующее прицепное оборудование. Оно может охватывать в ширину сразу 10 и более метров площади за один проход. Естественно вместе с мощью растёт и вес агрегатов, что становится серьёзной проблемой на слабонесущих, нежных грунтах. Уплотнения на большой глубине чреваты гибелью посевов и потерями огромных прибылей. При этом исправить их вспашкой невозможно, ибо речь идёт о глубине в 1,5-2 метра.

На сегодняшний день человеку доступны 4 способа снизить удельное давление:

1. Увеличить диаметр колёс;
2. Использовать шины максимально низкого давления;
3. Увеличить количество колёс;
4. Использовать резиновые гусеничные траки.

Каждый из вариантов имеет ряд преимуществ и помогает многократно снизить удельное давление. Однако выгода у перечисленных вариантов не равнозначна. Очевидно, что к крупным гусеничным тракам на резиновой основе по эффективности не может приблизиться ни один другой способ. Какими бы огромными и широкими ни были колёса, они всё равно заметно повышают вес техники. Тем самым снижая собственную эффективность.

С гусеницами, как у John Deere 8RT вес ещё и грамотно балансируется между двигателем спереди, и намеренно увеличенной рамой для передачи веса на кормовую часть трактора.

Преимущества резиновых гусениц

Доказывать превосходство резиновых гусеничных лент просто не требуется. Достаточно самостоятельно взять свою технику, и подсчитать для неё удельное давление при всех возможных вариантах. Гусеницы будут превосходить конкурентов не в процентном сообщении, а кратно. Математику не обманешь.

Танки и по сей день оснащаются преимущественно стальными траками, так как защита в данном случае имеет первостепенной значение. При этом масса траков из металла может достигать 25-30% от всего веса танка. Это оправданный компромисс, на который пригодится идти в угоду безопасности и проходимости.

В мирном же поле, засеянном пшеницей, защита не требуется. Единственная угроза, которая может настигнуть комбайн или трактор – это крупный камень. На этот счёт ленты делают армированными, чтобы исключить любую вероятность разрыва. Вес от этого увеличивается на смехотворные значения, зато повреждения практически исключаются.

В итоге на мощный трактор, оснащённый резиновыми траками можно водрузить многотонное прицепное оборудование. При этом не переживая о возможном повреждении структуры почвы, и уж тем более уплотнениях на большой глубине.

Даже если колёсный трактор оснащён множеством колёс на одной оси, его опора распределяется недостаточно равномерно, а сама тяговая мощь существенно падает. В результате многоколёсные тракторы-монстры оснащаются экспериментальными двигателями по 800 и более лошадиных сил. При этом гусеничный трактор, который на 25% слабее этих монстров в сырой мощи, выполняет ту же работу гораздо увереннее и с большей непринуждённостью. Для примера можно взять “малыша” Challenger MT800.