Увеличение проходимости автомобилей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Увеличение проходимости автомобилей

Данилов Валерий Федорович,

кандидат технических наук, доцент, кафедра теории и методики физической культуры и безопасности жизнедеятельности , Елабужский институт Казанского (Приволжского) федерального университета, danilov-fedor@mail.ru

Епанешников Владимир Владимирович,

кандидат педагогических наук, доцент, кафедра теории и методики физической культуры и безопасности жизнедеятельности, Елабужский институт Казанского (Приволжского) федерального университета

В статье рассмотрена проблема увеличения проходимости автомобилей в условиях бездорожья. Проведен анализ имеющихся на настоящий момент устройств, повышающих проходимость автомобиля в различных видах бездорожья. Выявлены достоинства и недостатки различных методов и устройств, повышающих проходимость. На основе проведенного исследования устройств и методов повышения проходимости автомобилей авторами статьи разработано и предложено устройство повышения проходимости автомашин, которое может обеспечить в определенных условиях надежность доставки специального оборудования машинами спасательных служб к месту назначения при условии дооснащения этих машин лебедкой и предложенной конструкцией бура. Устройство, предложенное авторами, достойно внимания любителей экстремальной езды, охотников и рыбаков.

Ключевые слова: проходимость, бездорожье, полный привод, грунтозацеп, самовытаскивание, лебедка, бур.

Введение

Россия страна огромная и проблема дорог вряд ли будет решена и в 21 веке. Поэтому изобретения по улучшению проходимости наших транспортных средств за счет дооборудования автомобилей различными простыми устройствами имеют приоритет именно России. Но надо отдать должное и иностранным инженерам, работающим в этой области. Ведь первый автомобиль появился не у нас.

Методы

Методы повышения проходимости автомобилей можно условно представить следующими направлениями:

создание полного привода автомобиля, то есть распределить тяговое усилие на все имеющиеся колеса автомобиля;

создание шин с улучшенным сцеплением с грунтом;

увеличение геометрической проходимости автомобиля;

улучшение сцепления колес с грунтом за счет установки на колеса и под них различного типа грунтозацепов, уширителей и матов;

улучшения проходимости автомобиля за счет установки домкратов, рычагов и различного вида подъемных устройств;

Улучшение проходимости за счет использования привода от колеса автомобиля;

Самовытаскивание автомобиля с помощью установленной на нем лебедки.

Результаты и обсуждение

Одним из основных направлений обеспечения проходимости автомобилей по праву является создание полного привода. В этом имеется полный приоритет инженеров США, которые в 1906 году разработали полноприводный грузовик и запустили его в серию. В 1913 году автомобильные фирмы «Four Wheel Drive Auto Company» (автомобиль FWD) и «Thomas B. Jeffery Company»(автомобиль Jeffery Quad ), приступили к серийному производству грузовых автомобилей колесной формулы 4х4, имеющих постоянный полный привод с распределением мощности между ведущими мостами через ме-

х

X

о

го А с.

X

го m

о

ю 4

M О

to

О)

о

сч

OI

О Ш

m

X

3

<

m о х

X

жосевой симметричный дифференциал, который для повышения проходимости мог быть принудительно заблокирован.

Другим направлением обеспечения проходимости автомобилей было создание шин с улучшенным сцеплением ведущих колес. Инженерами шинной фирмы «Атлас Сэплай» в 1938 году удалось сконструировать шины для полноприводных грузовых автомобилей, работающих в песках Саудовской Аравии. Шины обеспечивали достаточную проходимость грузовых машин в условиях глубокого сухого сыпучего песка, исключительно высокой температуры песка и воздуха.

В СССР этой проблеме, как инженеры так и чиновники от автопрома, сначала не уделяли внимания. Шофера сами выходили из положения, применяя цепи, веревки, маты при застревании автомобиля в слабых грунтах. Эти и многие другие приспособления для увеличения проходимости автомобилей, придуманные водителями транспортных средств, попавших на слабый грунт, а также и для гусеничной техники (бревно, например, устанавливаемое поперек гусениц) попадали в различные инструкции и руководства под грифом ДСП.

В 1957 году исследования в научно-исследовательском институте НАМИ шин с различными специальными протекторами показали, что использование, так называемой, пятачковой резины на ведущих колесах одноприводного грузового автомобиля даже эффективнее, чем производимая в то время обычная штатная резина на полноприводном автомобиле. Однако создать универсальную модель шин, способную обеспечить одинаково высокие сцепные свойства на всех видах грунтов, встречающихся на бездорожье, до сих пор никому не удается. Свойства поверхностей, по которым необходимо обеспечить движение внедорожника, слишком многообразны и шины, хорошо подходящие для одного вида бездорожья, совершенно не годятся для другого. Кроме того, шины с высоким профилем обладают повышенной шумностью и худшей износоустойчивостью и управляемостью на хороших дорогах. Повышается также и расход топлива. Поэтому шины с увеличенными грунтозацепами применяются в основном на сельхозтехнике.

Следующим направлением улучшения проходимости автомобилей является улучшение его геометрической проходимости. Это, во-первых: убрать всё, что мешает. То есть необходимо заменить штатные бамперы, которые отвечают за безопасность пешеходов и аэродинамику, а не за внедорожные способности. Висят они низко, выполнены из хрупкого пластика, удары не держат. Первая глубокая колея или канава заставит вас раскошелиться. Для реше-

ния этой проблемы существуют специальные внедорожные усиленные бамперы, которые к тому же улучшат параметры геометрической проходимости и позволят установить на бампер электрическую лебедку.

Во-вторых: приподнять машину. Для этого существуют два способа. Это Боди-лифт и Сас-пеншн-лифт. В переводе с английского «боди» -это «кузов», «to lift» — «поднимать». «Сас-пеншн» — это «подвеска». Эти способы улучшения геометрической проходимости пришли к нам из-за океана и поэтому попали в наш лексикон. Сущность боди-лифта заключается в применении специальных проставок между рамой и кузовом. Такое решение прежде всего популярно из-за своей дешевизны и простоты исполнения. Но имеет ряд недостатков: рама остаётся на той же высоте, что и была, при этом немного улучшаются углы въезда и съезда, если бамперы тоже приподнять вместе с кузовом; машина будет с более высоким центром тяжести. Такое решение годится только для установки колёс большего диаметра.

Саспеншн-лифт - рама вместе с кузовом поднимается за счёт увеличения длины упругих элементов. То есть в комплект включаются более длинные и жестче пружины подвески и амортизаторы с увеличенным ходом. Главный плюс такого подхода — нет никаких проставок и лишних деталей, нет и существенного вмешательства в конструкцию, если лифт не более двух дюймов. Попутно увеличивается ход подвески, а значит и величина преодолеваемого препятствия. Это также позволяет применять колеса большего диаметра, что приведет к увеличению дорожного просвета, а это является третьим способом увеличения геометрической проходимости.

Колёса большего диаметра легче перекатываются через различные препятствия за счет меньшего сопротивления качению и имеют, как правило, увеличенную ширину беговой дорожки протектора шины, что увеличивает пятно контакта с дорогой. Это снижает удельную нагрузку, что повышает проходимость на слабонесущих и пластичных грунтах. Большое пятно контакта способствует лучшей работе грунтозацепов, увеличивая сцепление ведущих колёс с дорогой. Увеличенный клиренс автомобиля позволяет успешно двигаться по глубокой колее и пропускать между колёс неровности дороги и различные препятствия (кочки, пеньки, камни), а также позволяет снижать давление в колёсах большого диаметра без риска излишне уменьшить клиренс.

Однако, чем больше колесо, тем больше цена комплекта дисков и колёс, в состав которого входит запасное колесо. Может возникнуть необходимость в переделках кузова, уширении

колёсных арок, внесения коррекции в привод спидометра. Установка колёс увеличенного размера нагружает трансмиссию и может потребовать применения других передаточных чисел, а также усиления деталей и узлов трансмиссии.

Следующее направление улучшения проходимости автомобиля - это улучшение сцепления колес с грунтом за счет установки на колеса цепи противоскольжения, ленточных уширите-лей, грунтозацепов и других устройств противоскольжения, которые придуманы, сконструированы, выпускаются и применяются довольно давно в различных вариантах исполнения. Здесь полный приоритет отечественных изобретателей энтузиастов высоко проходимой техники. Об этом свидетельствуют множество авторских свидетельств Советского периода, а также патентов России. Они могут одинаково успешно применяться зимой и летом.

Цепи бывают мелкозвенчатыми, траковыми и гусеничными. Можно применять также резиновые ремни и веревки.

Использование ленточного уширителя, представляющего собой две резинотканевые ленты, соединенные между собой металлическими грунтозацепами, увеличивает тяговые свойства машины на снежной целине до 25 %, при этом сопротивление движению снижается на 30 %. Однако применение уширителей значительно увеличивает габаритную ширину машины, а при поворотах уширители имеют склонность к спаданию.

Грунтозацепы изготавливаются в виде отдельных муфт, браслетов, секторов, пальцев, толстых палок и т.п. и закрепляются на ведущем колесе чаще всего после застревания транспортного средства.

Устройства противоскольжения чаще всего подкладываются под ведущие колеса автомобиля, хотя есть и устройство противоскольжения подкладываемое под передние не ведущие колеса, но связанное с ведущим колесом посредством гибкой тяги наматывающейся на ведущее колесо и, таким образом, заставляющее переднюю ось накатываться на устройство противоскольжения, передвигая тем самым автомобиль вперед.

Достоинства:

улучшают сцепление со скользким покрытием;

занимают мало места в сложенном состоянии; обладают высокой эффективностью на льду.

Для грунтозацепов, в частности для браслетов, еще невысокая цена и быстрый монтаж без поддомкрачивания в сравнении с цепями противоскольжения и резиновыми ремнями.

Недостатки:

- устанавливаются до начала преодоления сложного участка. В глубоком снегу или грязи уже невозможно одеть цепи на колесо;

- нельзя эксплуатировать после преодоления плохого участка дороги, при выезде на хорошую дорогу, т.к. возможен износ покрышек;

- увеличивают габариты колеса, что может привести к задеванию за детали кузова автомобиля.

Для обеспечения работоспособности автомобиля в условиях бездорожья важно также обеспечить надежность работы всех узлов и систем автомобиля. Например, для преодоления неожиданных препятствий в виде ям, заполненных водой, автомобилисты устанавливают шноркель. Это устройство предотвращающее попадание воды в двигатель при преодолении водного брода путем размещения воздухозаборника на уровне крыши автомобиля.

При этом нельзя забывать о том, что при преодолении длинного брода возможно быстрое охлаждение силовых агрегатов и образование в них вакуума, за счет которого может произойти подсос воды в силовые агрегаты.

Следовательно, их нужно загерметизировать или вывести отверстия сапунов посредством трубок выше по уровню. Герметизировать потребуется также генератор и всю электронику.

Следующее направление улучшения проходимости автомобиля за счет установки дополнительных устройств, до выхода на сложную трассу. Например, улучшение проходимости за счет установки на раме автомобиля домкратов и рычагов, выполняющих роль грунтозацепов, подъемных устройств или переоборудование автомобиля под установку больших мягких баллонов, способных удержать автомобиль на плаву. Такие устройства сложны для исполнения и требуют больших трудозатрат.

Представляют интерес установка на штатные колеса гусениц или взамен колес гусениц. Основная идея и разработка конструкции гусеницы взамен штатного колеса принадлежит американцу Глену Брэйзиру. Однако большое количество патентов разных вариантов такой гусеницы есть и в России (патент РФ 2474510, 2499716, 2446974, 2433933 и др.). Выпускается в России и целая гусеничная платформа для Нивы. Для перевозки платформы понадобится прицеп, так как проезд такой гусеничной Нивы по дорогам не разрешен ГИБДД и это её существенный минус.

Следующая группа устройств не относится к устройствам непосредственно улучшающих проходимость автомобиля, но позволяющих вытащить уже застрявший автомобиль.

Улучшение проходимости за счет использования привода от колеса автомобиля путем установки на ведущее колесо барабана, с закреп-

X X

о

го А с.

X

го т

о

ю 4

М О

О)

о

сч

OI

О Ш

m

X

3

<

m о х

X

ленным на нем тросом. Ведущее колесо с барабаном в данном случае выполняет роль лебедки. При этом трос крепится к дереву, пеньку или к другой неподвижной опоре, способной выдержать нагрузку при вытаскивании автомобиля (Патент РФ 2466925, патент РФ №2254286, А.с. СССР №383837).

Улучшение проходимости за счет использования привода от колеса автомобиля путем крепления непосредственно на ведущем колесе брезентовой или другой прочной ленты ( патент РФ №2423247) или троса с крючком и с пластинами (А.с. СССР №119108), а другим концом - к неподвижной опоре.

Способы, использующие устройства, устанавливаемые на некотором расстоянии от автомобиля и вытягивающие на себя застрявший автомобиль, например патент РФ № 2514323, а также ручные лебедки, типа "Спутник".

Использование лебедки, установленной на автомобиле (А.с.209975).

Все эти устройства решают поставленную перед ними задачу вытаскивания застрявшего автомобиля при наличии некоторых ограничительных условий, а именно, требуется предварительный подъём автомобиля для установки на колесе ленты, а автомобиль при этом, находится в грязи.

Кроме того, для работы барабанных устройств с тросом необходимо наличие подходящего дерева или надежного пенька, за который можно зацепиться. Так как тяговое усилие приходится не по центру автомобиля (устройство находится на колесе), то возможно разворачивание автомобиля при его вытаскивании и соскакивание троса или ленты с барабана. При этом следует обратить внимание на то, что в поле они свою задачу не выполнят, так как там не за что зацепиться.

Устройства предпоследней группы требуют надежной установки и крепления вне автомобиля.

Рис. 1. Лебедка ручная «Спутник»

Лебедка ручная "Спутник", представленная на фото 1, имеет слабую тягу (500 кг). Кроме того, она сначала наклоняется из-за слабого сопротивления грунта, и затем самопроизвольно выдергивается из грунта при попытке вытаскивания автомобиля из-за недостаточной опорной поверхности винта, при этом имеющийся тонкий трос рвется, не выдерживая нагрузки (проверено на «Ниве -2121» на практике).

В литературе наибольший коэффициент сопротивления грунтов движению автомобиля равен 0,3. Однако, при общей массе автомобиля равной 1600 кг, усилие вытягивания на динамометре из разжиженного глинозема превышало 900 кг, что соответствовало коэффициенту сопротивления грунта 0,57. Очевидно к трению качения, трению боковых поверхностей шин и сопротивлению переднего вала грунта добавились силы вязкостного сопротивления грунта и силы поверхностного натяжения влажного грунта. При этом еще задний мост скользил по грунту. Все это обеспечило значительный прирост сил сопротивления движению автомобиля.

Устройства последней группы предполагают использование стационарных опор в виде, например, дерева или необходимы устройства, представляющие собой некий якорь, за который лебедкой можно было бы зацепиться и осуществить вытаскивание автомобиля. Например, известен якорь для лебедки, представляющий собой металлическую рамку, которая прибивается к грунту шестью металлическими штырями и к рамке цепляется трос лебедки. Такой якорь вряд ли работоспособен при использовании его в рыхлом грунте.

Известна, например, конструкция якоря, представляющая собой набор металлических кольев которые забиваются в грунт, связываются между собой и к ближайшему колу подсоединяется трос лебедки автомобиля (см. например ссылку на сайт http://www. chevy niva.ru/viewtopic.php?p=5348364). Такие якоря вряд ли работоспособны при использовании их в рыхлом грунте.

В качестве плюса указанных конструкций можно отметить их простоту. Недостатком же является то, что необходимо иметь с собой кувалду для забивания кольев, а также то, что колья будут вырываться из рыхлого грунта. Как правило, колья выполнены из стали, имеют длину 60-80 см и вся конструкция поэтому, вместе с кувалдой имеет довольно значительный вес.

Известен так называемый «Грузинский якорь» для лебедки, представляющий собой металлическую пластину с приваренным к ней металлическим стержнем ( см. Фото 2) и его модификации. Недостатком использования данного устройства и его модификаций является то, что при работе якорь зарывается в землю и возникает дополнительная проблема извлечения якоря из грунта. По отзывам интернет- пользователей в рыхлом грунте даже усовершенствованный якорь необходимо протаскивать несколько раз, чтобы получить положительный результат. При этом, для его использования также не-обходима кувалда.

Следующим аналогом является самодельный винт с кольцом, для вытаскивания автомо-

биля Виктора Воронова (см. интернет ресурс ИИр:/^ео-рго-

koshak.ru/video/eHNiV19zZ082Tk0%3D), представляющий собой бур, изготовленный из трубы с заостренным носом и заваренным на нем винтом из проволоки. Конструкция представляет собой самодельный винт с кольцом , находящийся верхней части бура, вращая который посредством, например лома, бур заворачивается в землю и затем к нему цепляется трос. Достоинства данного устройства заключается в его простоте, малом весе и возможности его изготовления даже в условиях гаража, но имеются и недостатки:

Рис. 2. Гоузинский якорь

1. В мягком грунте устройство неработоспособно, т.к. выдергивается из грунта.

2. Необходим дополнительно лом или другой подобный предмет для рычага, чтобы ввернуть винт в грунт. При этом мощность винта недостаточна для некоторых видов грунтов, т.к. при использовании требуется применение кувалды для забивания в грунт винта.

Главными недостатками описанных выше устройств являются:

1. Низкая эффективность работы в рыхлом грунте, а именно в нем застревают автомобили.

2. Необходимость использования дополнительного инструмента, в частности кувалды или лома.

3. Занимают много места в багажнике.

4. Появляется проблема извлечения устройства из грунта после его использования, что значительно усложняет их использование по назначению.

Авторами данной статьи заявлено устройство и получен патент на изобретение № 2619503 от 16 мая 2017 года «Бур для самовытаскивания с помощью лебедки застрявшего транспортного средства», устраняющее все недостатки устройств типа якорей рассмотренных в статье.

Устройство представляет собой пустотелый бур с рукоятью для вворачивания его в землю и выворачивания из земли после операции по вытаскиванию автомобиля. Рукоять имеет возмож-

ность поворачиваться в вертикальной плоскости вокруг оси для удобства работы. Так не потребуется наклоняться вслед за уходящим в землю буром при его вворачивании. Бур имеет съемную опорную лопату, состоящую из двух пластин, свободно вращающуюся вокруг бура. При введении бура в землю, лопата устанавливается перпендикулярно направлению вытаскивания автомобиля, и автоматически вдавливается в грунт при вращении бура. Она также автоматически выходит из грунта при выворачивании бура. В верхней части бура имеется скоба для крепления троса лебедки.

Рис. 3 Бур для самовытаскивания с помощью лебедки застрявшего транспортного средства

При испытаниях в различных условиях данный бур показал свою чрезвычайную эффективность при вытаскивании застрявшей Нивы, а также и Уаза «буханки», имеющих электролебедку. Ниву удалось даже вытащить назад при установленной лебедке на переднем бампере. Процедура вытаскивания застрявшей Нивы в этом случае состояла из четырех бурений и вытягиваний на твердый грунт. Траектория вытаскивания представляла собой дугу по раскисшему полю.

Для вытаскивания застрявшего автомобиля с помощью такого бура нет необходимости искать поблизости прочные опоры в виде дерева, столба и т.д.. Это очень важное обстоятельство, которое привлекательно не только для рыбаков, охотников и прочих водителей экстремалов, но и для поисково-спасательных служб. Такой бур необходимо иметь в комплекте машин спасательной службы, например при проведении спасательных работ при приземлении самолетов вне аэродрома, а также при поиске приземлившихся космонавтов во внештатном режиме. Од-

х

X

о

го А с.

X

го т

о

ю 4

М О

нако при всех положительных качествах бур работает только при наличии лебедки. Он не сможет помочь автомобилю пересечь болото.

Заключение

Абсолютно универсального средства самовытаскивания автомобиля, застрявшего в слабом грунте, свободного от каких либо недостатков, к сожалению нет. Поэтому список изобретений на эту тему обширен и разнообразен. Дело вкуса автолюбителя и его возможностей, а также трассы, на которой предполагается использование приспособления для улучшения проходимости транспортного средства. Однако, для спасательных служб рекомендуется иметь полноприводной автомобиль, оборудованный лебедкой и предлагаемым нами буром для проведения спасательных работ вне дорог с твердым покрытием.

Литература

1. Бруданов А. М. Обзор существующих конструкций для повышения проходимости автомобиля категории М1 // Молодой ученый. — 2016. — №12. — С. 216-220.

2. Данилов В.Ф., Епанешников В.В., Мартынова В .А. Пат. № 2619503 РФ, МПК С1 В60Б 11/00, В60В 39/00 Бур для самовытаскивания с помощью лебедки застрявшего колесного транспортного средства. № 2016115979; Заявл. 22.04.16; Опубл. 16.05.2017. Бюл. № 14.

Increasing off-road capacity

Danilov V.F., Yepaneshnikov V.V.

Kazansky (Privolzhsky) Federal University

The article describes the problem of improving the capability of motor vehicles for cross-country driving. It describes the available devices that increase the off-road capacities, and points out their merits and drawbacks. On the basis of the research the authors of the article engineered a device that upgrades cross-country capacity of a vehicle and can ensure permanent work of mechanic transport in the geological prospecting works and the construction of hydraulic structures. The device can also be used to ensure the delivery of special equipment by rescue services, provided their vehicles are additionally equipped with a winch and a drill of the construction offered. The device developed by the authors may be of interest for extreme driving enthusiasts, hunters, and fishermen.

Key words: off-road capacity, cross-country driving, four-wheel drive, self-extractor, winch, drill.

References

1. Brudanov A. M. Review of existing structures to improve the

patency of the car category M1 // Young scientist. - 2016. -№12. - p. 216-220.

2. Danilov V.F., Epaneshnikov V.V., Martynova V.A. Pat № 2619503 RF, IPC C1 B60S 11/00, B60B 39/00 The drill for self-pulling with the help of a winch stuck wheeled vehicle. No. 2016115979; Claims 04/22/16; Publ. 05.16.2017. Bul No. 14