Другие журналы

электронный научно-технический журнал

ИНЖЕНЕРНЫЙ ВЕСТНИК

Издатель: Общероссийская общественная организация "Академия инженерных наук им. А.М. Прохорова".

77-30569/420485 Типоразмерные ряды шин для автотранспортных средств северного исполнения

Инженерный вестник # 04, апрель 2012
Файл статьи: 112121--.pdf (498.81Кб)
авторы: Плиев И. А., Сайкин А. М., Архипов А. В.

УДК. 629.113

Россия, ФГУП «НАМИ»

pliev@mail.ru

 

Опыт эксплуатации автотранспортных средств с шинами общего назначения в северных регионах РФ, доля которых превышает 50 % всей территории страны, показал, что в условиях бездорожья они имеют пределы проходимости, им недоступны многие восточные районы страны и местности Крайнего Севера, а там, где их эксплуатация все же возможна, они наносят непоправимый экологический ущерб опорной поверхности, особенно почвенно-растительному покрову тундры.

Для снижения вредного воздействия на почвенно-растительный покров и увеличения проходимости автотранспортных средств в северных регионах и по бездорожью в последние десятилетия рядом предприятий и фирм  осуществлялась разработка специальных транспортных средств на пневмоколесных движителях низкого и сверхнизкого давления.

Среди  пневмоколесных движителей низкого и сверхнизкого давления существуют  следующие три типа шин:

- широкопрофильные эластичные шины;

- арочные шины;

- пневмокатки.

На рис. 1 приведены основные геометрические параметры колесных движителей и их сравнительная оценка по величине площади отпечатка при одинаковой нагрузке Gк, равенстве наружных диаметров D и соответствующих степени упругости этих движителей относительных деформациях.

Если принять за 100 % величину площади отпечатка широкопрофильной эластичной шины, то площади отпечатков арочных шин и пневмокатков составляют 120 – 140 % и 200 – 260 % соответственно.

а)                             б)                                                         в)

 

Рисунок 1 – Геометрические параметры колесных движителей и сравнительная оценка их по величине площади отпечатка: а – широкопрофильные шины; б – арочные шины; в – пневмокатки

 

Обобщающими оценочными параметрами движителей АТС низкого и сверхнизкого давления являются:

- наружный диаметр D, ширина профиля В и величина посадочного диаметра;

- максимально допустимая нагрузка на движитель Gк (грузоподъемность) и соответствующее этой нагрузке давление в шине ро;

- параметры геометрической формы колесных движителей (таблица 1).

Таблица 1 – Параметры геометрической формы колесных движителей

Наименование параметра

Тип колесного движителя

Широкопрофильные эластичные шины

Арочные

шины

Пневмокатки

Коэффициент профиля Н : В

0,75 – 1,00

0,4 -0,6

0,1 – 0,4

Коэффициент балонности D : d

1,5 – 3,0

1,5 – 2,0

2,0 – 4,0

Коэффициент ширины (шины) B : D

0,18 – 0,46

0,5 – 0,6

0,9 – 2,0

Коэффициент ширины обода в : В

0,7 – 0,9

0,9 -1,0

0,9 – 1,0

 

К колесным движителям северного исполнения наряду с общими вышеперечисленными требованиями предъявляется ряд специальных требований:

- экологичность (малые давления на опорную поверхность - до 0,015 – 0,030 МПа, в зависимости от типа почвенно-растительного слоя грунта);

- улучшенные сцепные свойства с опорной поверхностью, определяемые в т.ч. внутренним давлением воздуха в шине и ее эластичностью;

- малые гистерезисные потери в шине (сопротивление качению) и их теплостойкость, определяющиеся в основном качеством резины;

- хорошие упругие и амортизирующие свойства, способствующие повышению плавности хода автомобиля;

- динамическая и статическая уравновешенность.

Конструкция колесного движителя оказывает существенное влияние на все основные качества автотранспортного средства - экологичность, проходимость, топливную экономичность, плавность хода и устойчивость движения. Широкопрофильные эластичные шины по сравнению с шинами общего назначения (тороидными) обладают повышенными экологическими характеристиками (более низким давлением на опорную поверхность – до 0,010 МПа вместо 2 – 3 МПа у шин общего назначения) и увеличенной проходимостью по бездорожью. Для широкопрофильных шин с регулируемым давлением внутреннее давление выбирается в 3 – 8 раз меньше, чем у обычных тороидных шин.

Арочные шины применяются для повы­шения проходимости грузовых авто­мобилей. Одна арочная шина устанавливается вместо сдво­енных тороидных шин. Свое название арочные шины полу­чили от формы профиля. Ширина профиля арочных шин в 2 – 2,5 раза больше профиля тороидных шин.

Характерной особенностью арочной шины является отсутствие плечевой зоны и наличие  специальных  профилированных дисков, ограничивающих деформацию беговой части шины. Опыт эксплуатации показал, что арочные шины обладают плохими  амортизирующими свойствами (большая радиальная жесткость), имеют недостаточный  срок службы и служат источником вибраций силовой передачи. В последних конструкциях арочных шин указанные недостатки устраняются введением плечевой зоны (зона перехода бортовой части шины в беговую часть)  и беговой дорожки на протекторе.

Пневмокатки отличаются от других типов шин, как по внешнему виду, так и по основным конструктивным показателям. Бочкообразная форма катков обусловливает большую ширину профиля при ограниченных размерах наружного и посадочного диаметров. У пневмокатков коэффициент профиля от 2 до 10 раз меньше, а коэффициент ширины от 2 до 10 раз больше, чем у тороидных шин.  Пневмокатки характеризуются существенной разницей по сравнению с тороидными шинами в отношении D: d.   Повышенная   высота  профиля позволяет пневмокаткам  работать в условиях значительных радиальных деформаций.

На основании более чем тридцатилетнего опыта эксплуатации трех основных типов шин наибольшее применение на практике в северных регионах нашли широкопрофильные эластичные шины низкого и сверхнизкого давления.

Физические процессы при работе колес с шинами низкого и сверхнизкого давления характеризуются следующими особенностями: существенным снижением давления на грунт, ослаблением деформации грунта в зоне контакта и значительным снижением избыточных деформаций и энергетических потерь в самой оболочке. Это позволяет уменьшить глубину колеи, энергетические потери на качение колеса и потери в оболочках в сравнении с шинами общего назначения, благодаря чему обеспечивается сохранение легкоранимых почвенных покровов слабонесущих грунтов.

С учетом большого различия параметров широкопрофильных эластичных  шин, арочных шин и пневмокатков (таблица 2) проект типоразмерного ряда шин разработан отдельно по каждому типу шин, выпускаемых в Российской Федерации. Проект выполнен на основе анализа собственных и опубликованных технических материалов и информационных источников по энергоэффективным движителям северного исполнения. По своему содержанию он представляет собой базу данных по отечественным движителям, предназначенным к использованию на автотранспортных средствах для эксплуатации в условиях плохих дорог и бездорожья.

В таблице 3 типоразмерного представлен фрагмент ряда, состоящего из 29 моделей широкопрофильных эластичных шин, которые сгруппированы следующим образом: по вертикали – в зависимости от максимально допустимой нагрузки на шину (колесо), в Н; по горизонтали – в зависимости от наружного диаметра шины, мм.

 

Таблица 2 – Сравнительные данные по площадям контакта и средним давлениям
пневмокатка, арочной шины, широкопрофильной эластичной шины

 

Тип шины

Номинальная нагрузка Gк, (Н)

Радиальная деформация h, мм

Относи-тельная деформация h/H, в %

Общая площадь контакта Fo, см2,

Среднее  давление,  q, кПа (кг/см2)

Давление воздуха Pw, кПа (кг/см2)

Пневмокаток

М-194А

20000

105

30

4025

50 (0,5)

40 (0,4)

Арочная шина

Я-179А

30000

60

24

1600

190 (1,9)

200 (2,0)

Широкопрофильные эластичные шины:

 

 

 

 

 

 

1300х600-21"

«ТРЭКОЛ»

8000

-

-

310,4

390 (0,39)

30 -60 (0,3…0,6)

49х23,5-21"

«АВТОРОС»

 

8000

-

-

296,8

370 (0,37)

30 -60 (0,3…0,6)

1300х700-24"

«АРКТИКТРАНС»

12000

-

-

421,2

350 (0,350)

30 -60 (0,3…0,6)

В каждой ячейке таблицы 3 ряда приведена иллюстрация общего вида движителя, под которой приведены данные по:

- размерности шины;

- ее заводской маркировке (при наличии);

- производителю, разработчику шины.

Расположение моделей шин по горизонтали и вертикали для наглядности дано построчно с указанием присвоенного номера модели.

В таблице 3 отсутствуют данные по всей многочисленной гамме шин сельскохозяйственного назначения с внутренним давлением в области 200 кПа(2 кг/см2) и более,  вследствие того, что они не относятся к категории шин низкого и сверхнизкого давления.


 

Таблица 3 – Фрагмент проекта типоразмерного ряда широкопрофильных эластичных шин низкого и сверхнизкого давления

Максимально допустимая нагрузка на шину (колесо),  Н

Наружный диаметр шины (мм).

до 600

до 800

до 1000

До 1200

До 1400

До 1600

До 1800

1

2

3

4

5

6

7

8

До 2000

 

 

 

 

Шина низкого давления для вездехода 1020x420-18

1020х420-18"

Артиктранс[1]

 

 

 

До 3000

 

920x500-16”

36х20-16  

Уралшина  [2]

 

 

1300x530-533

Бел ОШ-1[3]

 

 

До 4000

 

 

 

 

1310x490.jpg

1300х480-24”

Артиктранс [4]

 

 

Окончание таблицы 3

1

2

3

4

5

6

7

8

 

 

 

 

 

 

1150x370-20

1150x370-20" [5]

 

 

 

 

 

 

 

1300x530-533

Бел ОШ-2[6]

 

 

До 5000

580x270-12"

Артиктранс [7]

 

 

Шина "Литвина"-79 1040х420-18

 Бел-79  [8]

 

 

 

 

 

 

 

 

Шина низкого давления для вездеходов 1100х400-20

1100х400-20"

Артиктранс [9]

 

 

 

          

Вместе с тем такого рода шины, например, SB-1 (Днепрошина) планируются для установки на АТС «Брагар», разработанном в МГТУ им. Н.Э. Баумана, а ВЛ-41 (Волтайр), устанавливаются на выпускаемый серийно вездеход «Урал-Полярник» типа 6х6, разработанный там же. Разработчиками АТС «Брагар» и «Полярник» для снижения отрицательного воздействия на опорную поверхность предусмотрено снижение внутреннего давления в шинах SB-1 и ВЛ-41 до 80 - 100 кПа (0,8 – 1,0 кг/см2). По этой причине в таблице 3 для наглядности и полноты картины представлены данные по четырем шинам производства «Днепрошина», конструкция которых допускает их эксплуатацию с внутренним давлением от 110 до 130 кПа (1,1 - 1,3 кг/см2). Следует отметить, что шины сельскохозяйственного назначения (тракторные шины) не имеют развитой беговой дорожки, имеют развитые грунтозацепы, что повышает сопротивление качению таких шин при движении по твердой опорной поверхности и ограничивает скорость передвижения  АТС  40 км/ч.

Анализ типоразмерного ряда широкопрофильных эластичных шин низкого и сверхнизкого давления (таблица 3) свидетельствует о том, что в настоящее время 20 из 29 моделей шин могут быть отнесены к категории экологичных по параметру максимального внутреннего давления в них, не превышающего 60 кПа (0,6 кг/см2). При этом подавляющее большинство этих шин устанавливается на АТС, предназначенных для эксплуатации по бездорожью с классом грузоподъемности до 1,5 тонн с колесной формулой преимущественно 4х4. На АТС большей грузоподъемности с колесной формулой 6х4 и 8х8 в настоящее время устанавливаются широкопрофильные шины сельскохозяйственного назначения с внутренним давлением более 90 кПа (0,9 кг/см2).

Анализируя общую базу данных, можно констатировать, что  для грузовых АТС с классом грузоподъемности более 4 тонн отсутствует производство широкопрофильных экологичных шин с давлением ниже 60 кПа (0,6 кг/см2). В свою очередь, эксплуатация широкопрофильных шин с числом кордов более 6, например, сельскохозяйственного назначения, с давлением менее 60 кПа (0,6 кг/см2) не рекомендуется из-за снижения их ресурса ввиду недостаточной эластичности. Данное обстоятельство позволяет сделать вывод о том, что для грузовых АТС  с грузоподъемностью более 4-х тонн, предназначенных для эксплуатации в условиях бездорожья, в северных и восточных регионах страны требуется разработка специальных экологичных широкопрофильных эластичных шин, причем в 2-х исполнениях: отдельно низкого и отдельно сверхнизкого давления.

Первоочередной в этом плане является разработка широкопрофильных эластичных шин низкого и сверхнизкого давления с улучшенными экологичными характеристиками для АТС «Брагар» и «Полярник» северного исполнения.

Необходимо также отметить, что достигнутые технические характеристики 20 моделей шин низкого и сверхнизкого давления и опыт их эксплуатации свидетельствуют о необходимости их дальнейшего совершенствования в направлении увеличения их сцепных свойств с опорной поверхностью и ресурса работы.

В целом сформированная база данных по широкопрофильным эластичным шинам низкого и сверхнизкого давления свидетельствует о наличии прямопропорциональной зависимости между наружным диаметром шины и максимально допустимой нагрузкой на нее при условии равенства у них внутреннего давления воздуха.

По аналогии в таблице 4 представлен проект типоразмерного ряда арочных шин из 13 моделей отечественного производства.  Расположение моделей шин по горизонтали и вертикали для наглядности дано построчно с указанием присвоенного номера модели. Арочные шины обладают несомненными преимуществами по сравнению с тороидными при эксплуатации АТС на тяжелых размокших дорогах и заснеженных опорных поверхностях. На слабых опорных поверхностях тягово-сцепные качества автомобилей, оборудованных арочными шинами по сравнению с установкой тороидных шин, выше в 2 раза, а сопротивление движению ниже на 10-20%.

 


Таблица 4 – Проект типоразмерного ряда арочных шин

Максимально допустимая нагрузка на шину (колесо), Н.

Наружный диаметр шины (мм).

До 1000

До 1100

До 1200

До 1300

До 1500

1

2

3

4

5

6

До 16000

 

 

 

 

1420x500Я-196[1]

1500x600Я-195[2]

До 18000

1000x600

И-213[3]

 

 

 

 

До 20000

1000x650

И-182[4]

 

 

 

 

До 30000

 

 

1140х700                1140х700

Я-146А[5]              Я-170[6]

 

 

 

 

Окончание таблицы 4

1

2

3

4

5

6

 

 

 

1140х700              1140х600

Я-170А[7]            Я-171[8]

1140х600               1140х700

Я-187 [9]              Я-173[10]

 

 

До 40000

 

 

 

1300x750Я-169[12]

1500х840 И-185[11]

До 50000

 

 

 

1300x750  Я-186[13]

 

        

 


На тяжелых размокших дорогах и на бездорожье автомобили в такой комплектации по производительности лучше автомобилей неполноприводных и полноприводных с тороидными шинами на 40 %. С арочными шинами автомобили лучше преодолевают заснеженные участки дорог. Глубина снежного покрова, преодолеваемого автомобилями производства ГАЗ, ЗиЛ, УралАЗ на арочных шинах составляет соответственно – 0,3 м, 0,4 м, 0,5 м.

У арочных шин хуже эксплуатационные показатели при работе на твердых опорных поверхностях. При этом наблюдаются повышенное сопротивление движению и увеличение расхода топлива (до 5-7 %), повышается износ грунтозацепов протектора шины. Тормозной путь на сухих твердых дорогах у автомобилей с арочными шинами больше чем с обычными шинами на 3-11 %.

Вместе с тем, вследствие высокого внутреннего давления в них (минимально достигнутая величина – 85 кПа (0,85 кг/см2) они не могут быть отнесены к категории экологичных. Обеспечение приемлемых экологичных параметров арочных шин при условии дальнейшего снижения внутреннего давления требует серьезной доработки их конструкции и технологии производства. Несмотря на то, что в последние два десятилетия интерес к совершенствованию арочных шин в нашей стране резко упал, дальнейшая их доработка, в первую очередь по экологическим параметрам, целесообразна  для применения на специальных автотранспортных средствах, которые могут эксплуатироваться на разбитых дорогах и бездорожью.

Проект типоразмерного ряда пневмокатков отечественного и зарубежного производства выполнен в виде сводной таблицы  5, в которой представлено 6 моделей пневмокатков отечественного и зарубежного производства.

Специальные шины – пневмокатки различных моделей были разработаны для оборудования вездеходов, эксплуатирующихся на слабых опорных поверхностях или бездорожье. Конструктивное исполнение пневмокатка – в виде тонкостенной бочкообразной оболочки с высоко эластичным каркасом  беговой части и боковин с числом слоев корда от 2-х до 6-ти, со значительной шириной профиля (равной наружному диаметру или большего).


 

Таблица 5 – Проект типоразмерного ряда пневмокатков

Максимально допустимая  нагрузка на пневмокаток (колесо), Н

Наружный диаметр пневмокатка (мм).

До 600

До 1000

До1500

До 2000

1

2

3

4

5

Отечественное производство

До 10000

24x36-6И-220

НИИШП,НАМИ [1]

 

 

 

До 15000

 

1000x1000-250

И-245

НИИШП, НАМИ [2]

 

 

До 20000

 

 

1200x1200-508

Я-194   ЯШЗ [3]

 

Окончание таблицы 5

1

2

3

4

5

Зарубежное производство

До 20000

 

 

1100х1300

Rolligon 40x50

Rolligon[4]

 

До 70000

 

 

1450х1800

Rolligon 54x68

Rolligon[5]

 

До 80000

 

 

 

1900х1800

Rolligon 72x68

Rolligon[6]

         

 


Пневмокатки имеют малый посадочный диаметр и увеличенную высоту профиля с грунтозацепами. Высота грунтозацепов этих колесных движителей составляет величину до 20 мм. При работе на деформируемых грунтах устанавливают уменьшенное давление воздуха внутри пневмокатка – в пределах 10 - 15 кПа (0,1 – 0,15 кг/см2).

Пневмокатки обладают и определенными  недостатками. Прежде всего, они значительно увеличивают габарит по ширине автотранспортного средства. Для оборудования автотранспортного средства требуется доработка конструкции колесного вездехода, в частности, обеспечение поворота за счет сочленения. На твердых опорных поверхностях – на дорогах общего пользования грунтозацепы на беговой поверхности быстро изнашиваются.

Давление воздуха в пневмокатке во всем диапазоне эксплуатационных условий устанавливается в пределах 10 - 50 кПа (0,1 – 0,5 кг/см2). Пневмокатки на вездеходах эксплуатируются с наличием пневмосистемы с регулированием внутреннего давления воздуха.

Конструкция пневмокатка при сверхнизком давлении воздуха обеспечивает колесному движителю большую площадь опоры – отпечатка и низкое давление на грунт в пределах 20 - 70 кПа (0,2 – 0,7 кг/см2), а также высокую амортизирующую способность и плавность хода в условиях неровной местности на бездорожье.

По этой причине пневмокатки также имеют самостоятельную перспективу применения на специальных автотранспортных средствах, начиная с сельскохозяйственной техники и заканчивая АТС двойного назначения. Подтверждением этого является широкое применение пневмокатков производства Rolligon на спецтехнике.

 

Литература:

Плиев И.А., Сайкин А.М., Коршунов Г.В., Архипов А.В. Автотранспортные средства для бездорожья – проблемы и решения // Журнал автомобильных инженеров. – 2011. - № 5 (70). – С. 46 – 49.


Тематические рубрики:
Поделиться:
 
ПОИСК
 
elibrary crossref neicon rusycon
 
ЮБИЛЕИ
ФОТОРЕПОРТАЖИ
 
СОБЫТИЯ
 
НОВОСТНАЯ ЛЕНТА



Авторы
Пресс-релизы
Библиотека
Конференции
Выставки
О проекте
Rambler's Top100
Телефон: +7 (499) 263-69-71
  RSS
© 2003-2018 «Инженерный вестник» Тел.: +7 (499) 263-69-71