Колёса и шины

1. Колёса и шины.

В обиходе под словом «колесо» многие подразумевают автомобильное колесо в сборе, состоящее из собственно колеса и шины. Между тем в автомобильной промышленности колесом считают только промежуточный (между ступицей автомобиля и шиной) элемент конструкции автомобиля.

Обычное (серийное для всех российских легковых автомобилей) дисковое колесо состоит из двух элементов — обода и диска, соединенных между собой точечной контактной сваркой.

Обод — это кольцеообразная (определенного профиля) часть колеса, на которую монтируется и опирается шина.

Диск — центральная часть колеса, несущая обод и имеющая посадочные отверстия для крепления к ступице. Часто дисковое колесо называют просто диском (очевидно, во избежание путаницы между колесом в сборе и колесом как элементом конструкции автомобиля), что конечно, неверно. Ибо, на самом деле бывают разборные колеса, где обод и диск скреплены резьбовыми соединениями, а так же бездисковые колеса (например, на грузовиках «КамАЗ») или колеса с дисками в виде кольцевых фланцев (автомобили ЗАЗ).

Автомобильные колеса различают по их принадлежности к тому или иному автомобилю, по типу применяемых шин, по конструкции и технологии изготовления.

Здесь пойдет речь только о колесах неразборной конструкции для камерных и бескамерных шин.

По технологии изготовления такие колеса могут быть стальными сварными (из прокатанного обода и штампованного диска), литыми и коваными.

Технология изготовления литых колес включает заливку расплавленного металла (обычно это алюминиевый или магниевый сплав) в форму, его остывание, последующее обтачивание посадочных поверхностей и сверление отверстий в полученной отливке. К числу недостатков литых колес относятся чрезмерно толстые стенки, возможность наличия скрытых пор и раковин, недостаточную прочность (при ударе они деформируются и даже раскалываются) и сложность (часто невозможность) восстановления.

При ковке (или объемной штамповке) из заготовки выковывают так называемую поковку, которая затем обрабатывается на токарном станке. Такая технология сложна и дорога, однако кованые диски прочнее и легче. Например, 13-дюймовое кованое колесо весит 4,9 кг против 6,0 кг у литого, а толщина стенок составляет только 3,0 мм против 5,5 мм у литого. При этом кованый диск лучше «переносит» удары. Поэтому для российских дорог кованые диски , предпочтительнее несмотря на их дороговизну.

Главное преимущество легкое-плавных колес перед обычными стальными — в меньшей массе. Снижение массы колеса в сборе с шиной ведет к уменьшению неподрессоренных инерционных масс и улучшению условий работы подвески, так как колесо быстрее «повинуется» возвращенному действию пружины, амортизатора и быстрее восстанавливает потерянный контакт с дорогой. Это улучшает комфортабельность езды и делает более безопасным движение на большой скорости.

Рис.1. Основные элементы и размеры колеса легкового автомобиля:

А — закраина обода; Б — полка; В — кольцевой выступ («хамп») для дополнительной фиксации бортов бескамерной шины; Г — плоскость крепления; а — монтажный диаметр; б — ширина обода; в — выпет (расстояние между плоскостью симметрии обода и крепежной плоскостью колеса); г — диаметр центрального отверстия под ступицу; д — диаметр окружности расположения крепежных болтов (шпилек).

Пневматические шины легковых автомобилей различаются по способу герметизации внутреннего объема, расположению нитей корда в каркасе, отношению высоты к ширине профиля, типу протектора и по ряду некоторых других специфических особенностей, вызванных назначением и условиями эксплуатации шин.

По способу герметизации внутреннего объема, шины бывают камерными и бескамерными.

Камерные шины (рис. 2) состоят из покрышки и камеры с вентилем. Размер камеры всегда несколько меньше внутренней полости покрышки во избежание образования складок в накачанном состоянии. Вентиль представляет собой обратный клапан, позволяющий нагнетать воздух в шину и препятствующий его выходу наружу.

Бескамерные шины (рис. 3) отличаются наличием воздухонепроницаемого резинового слоя, наложенного на внутренний слой каркаса покрышки (вместо камеры) и имеют следующие особенности:

- меньшая масса;

- повышенная безопасность при езде, так как в случае прокопа воздух выходит только в месте прокопа (при мелких прокопах достаточно медленно);

- простота ремонта в случае прокола (нет необходимости в демонтаже);

усложненный и более квалифицированный монтаж-демонтаж, часто только на специальном шиномонтажном станке, при наличии компрессора требуют колеса с ободами специального профиля и повышенной точности изготовления.

Колеса для бескамерных шин, кроме этого, должны обладать высокой герметичностью сварного шва (колеса с диском), а также иметь на посадочных полках обода специальные кольцевые выступы тороидальной формы («хампы»), предотвращающие самопроизвольное соскальзывание бортов шины (разбортировку) в случае критических ситуаций во время движения.

В российских условиях эксплуатации бескамерные шины еще не полностью вытеснили камерные по двум основным причинам. Во-первых, при коррозионном или механическом повреждении ободов шины начинают пропускать воздух и во-вторых, после монтажа бескамерной шины ее непросто вновь накачать ручным или ножным насосом (необходима подача воздуха компрессором).

 

Рис. 2. Камерная шина в сборе с колесом.

1 — обод колеса; 2 — покрышка; 3 — камера; 4 — вентиль

 

Рис. 3. Бескамерная шина.

1 — протектор; 2 — герметизирующий  воздухонепроницаемый резиновый слой; 3 — каркас;

4 — вентиль колеса; 5 — обод.

Камерные и бескамерные шины по расположению нитей корда в каркасе покрышки могут быть как диагональной, так и радиальной конструкции. Поперечные разрезы диагональных и радиальных покрышек показаны на рис.4.

Рис. 4. Конструкция диагональной (а) и радиальной (б) шины:

1 — борта; 2 — бортовая проволока; 3 — каркас;

4 — брекер; 5 — боковина; 6 — протектор.

В диагональных шинах нити корда в смежных слоях ткани располагаются (пересекаются) под некоторым углом между собой (95— 115°). Число смежных слоев обычно равно четырем.

В радиальных шинах все нити корда расположены параллельно по радиусу от одного борта к другому и не пересекаются между собой. Эта «незначительная» (на первый взгляд) разница обеспечивает лучшие эксплуатационные свойства радиальных шин практически вытеснивших диагональные шины из употребления во всем мире. У радиальных шин значительно меньшее сопротивление качению и еще более заметное увеличение срока службы (пробега) шины. Сравнить эксплуатационные характеристики радиальных шин с диагональными можно по данным табл. 2.

Устройство современной радиальной металлокордной шины показано на рис. 5.

 

Рис.5. Конструкция радиальной металлокордной шины:

1 — протектор; 2 — брекер из нескольких слоев нейлоновой ткани (сверху) и металлокорда (снизу);

3 — радиальные нити металлокордного каркаса.

 

 

 

В каждой шине можно выделить следующие основные элементы:

Каркас (1) — главный силовой элемент шины (покрышки), который придает ей прочность и гибкость. Представляет собой один или несколько слоев обрезиненного корда.

Брекер (2) — подушечный слой (пояс), представляет собой резино-тканевую или металлокордную прослойку по всей окружности покрышки между каркасом и протектором. Брекер состоит из двух и более слоев обрезиненного корда и является элементом радиальной шины, серьезно влияющим на многие эксплуатационные качества.

Протектор (3) — «беговая» часть шины (покрышки), непосредственно контактирующая с дорогой. Представляет собой толстый слой специальной износостойкой резины, состоящий из сплошной полосы (закрывающей брекер) и наружной рельефной части, которая и называется собственно протектором. Рисунок рельефной части определяет приспособленность шины для работы в различных дорожных условиях.

Боковина (4) — тонкий эластичный слой резины толщиной 1,5—3,0 мм на боковых стенках каркаса. Защищает каркас от механических повреждений, проникновения влаги и служит для нанесения наружной маркировки шины,

Борт (5) — жесткая посадочная часть покрышки, необходимая для фиксации шины на ободе колеса. Состоит из слоя корда, завернутого вокруг проволочного кольца (6), и твердого наполнительного резинового шнура (7). Борта придают шине нерастягивающуюся конструкцию и необходимую структурную жесткость при номинальном внутреннем давилл воздуха.

Разделение рисунков протектора на дорожный или всесезонный (универсальный) весьма условно (рис. 8). Какие-либо строгие рамки здесь обозначить сложно. Иногда могут одновременно присутствовать признаки нескольких типов рисунка.

Шины с направленным рисунком протектора имеют улучшенную способность отвода воды или снега (дорожные или зимние) из пятна контакта с дорогой. Они менее шумны. Запасное колесо совпадает

по направлению вращения только с колесами одной стороны автомоилля, но временная установка его против предписанного направления вращения допустима, так как этот эффект проявляется только на больших скоростях.

Асимметричный рисунок – один из способов реализовать разные свойства в одной шине. Ее наружная , сторона лучше работает на твердой дороге при положительной температуре, а внутренняя – на зимней.

Рисунок повышенной проходимости в отечественной классификации это разреженный рисунок шашечного типа с развитыми грунтозацепами по плечевой зоне, с мощными недеформируемыми шашками, часто не расчлененными прорезями.

Зимний рисунок отличается крупными шашками, имеющими пилообразные края и большое количество тонких прорезей внутри. Каналы между шашками достаточно крупные, чтобы не забиваться снегом. Многие из зимних шин рассчитаны на установку шипов противоскольжения.

Наиболее популярны «дорожные» и «универсальные» шины. От рисунка протектора зависит сцепление шины с дорогой, причем для сухих, мокрых или загрязненных дорог требуются свои специальные рисунки. Не менее важной является демпфирующая способность шины, которая ухудшается с увеличением толщины протектора. От рисунка протектора существенно зависит и износостойкость шины, т.е. ее срок службы. Для дорожных шин важным считается бесшумность качения на высоких скоростях, экономичность и т.п. Поэтому количество и разнообразие применяемых на шинах рисунков протектора огромно и не поддается классификации, так как ежегодно появляются все новые и новые образцы шин с оригинальными рисунками протектора.

 

 

 

 

2. Размеры колёс автомобилей.

Колесо обозначается основными размерами обода — монтажным (посадочным) диаметром (а) и шириной (б). Например, обычное дисковое колесо для автомобилей ВАЗ-2108, —2109 обозначается как 114J-330 (в миллиметрах) или 4 Ѕ J-13 (в дюймах). Первые цифры означают ширину обода, буква J — форму профиля обода, а последние цифры — монтажный диаметр колеса.

Для легковых автомобилей российского производства рекомендованы следующие размеры колес:

114J-330 (4 Ѕ J-13), 127J-330 (5J-13) — автомобили ВАЗ (кроме 1111);

127J-355 (5J-14) — Москвич-2141;

140J-355 (5 Ѕ J-14), 152 J-355 (6 J14) — ГАЗ-31029;

152L-380 (6L-15 ) — автомобили типа УАЗ-31512.

135/80R12 (4J) — ВАЗ-1111, 11113.

Легкосплавные литые или кованые колеса обычно имеют дюймовое обозначение. Например, «вазовское» бескамерное колесо имеет обозначение 4 Ѕ J -13Н2 или 5J-13Н2, где дополнительная маркировка Н2 означает наличие на ободе «хампов» определенного профиля.

Таблица (Основные параметры колес некоторых отечественных легковых автомобилей)

Модель автомобиля	Москвич –2140	Москвич -2141	ВАЗ «Жигули»	ВАЗ «Самара»	ВАЗ «Нива»	ГАЗ-31029
Размер колеса	5J13	5J-14	4 ЅJ –13	5J-13	6J-16	6J-14
Вылет (в), мм	30	45	29	38	17	0
Диаметр расположения крепежных болтов (д), мм	115	108	98	98	139,7	139,7
Диаметр отверстия под ступицу (г), мм	74	60	58,1	58,1	108	90

 

 

Рис. 6. Конструктивные элементы и основные размеры шин:

D — наружный диаметр; Н — высота профиля покрышки; В — ширина профиля; d — посадочный диаметр обода колеса (шины); 1 — каркас; 2 — брекер; 3 — протектор; 4 — боковина; 5 — борт; 6 — бортовая проволока; 7 — наполнительный шнур.

3. Влияние массы автомобиля на динамичность

Масса автомобиля оказывает значительное влияние на его эксплуатационную экономичность. Отношение массы автомобиля к его полезной нагрузке (так называемая удельная материалоемкость) должно быть по возможности ниже, так как характеризует балласт, приходящийся на единицу полезной нагрузки. При неполном использовании грузоподъемности эта величина возрастает, и расход топлива, отнесенный к единице транспортной работы (тонно-километр), увеличивается. Масса автомобиля оказывает влияние как на сопротивление качению, так и на динамические качества автомобиля, а также на способность преодолевать подъем. Изменение аэродинамического сопротивления автомобиля от массы, как уже говорилось, не зависит. Большое влияние масса автомобиля оказывает и на его стоимость. Чем выше серийность выпуска автомобиля, тем больше влияют на его стоимость цены и количество используемых материалов и тем меньше влияние затрат на конструкторские и исследовательские работы.

Итак, снижение, массы для экономичной эксплуатации является весьма важным. Существует ряд эмпирических формул для расчета расхода топлива в зависимости от массы автомобиля. На каждые 100 кг снаряженной массы легкового автомобиля (без пассажиров) приближенно принимают расход бензина порядка 1 л/100 км. По такой формуле автомобиль массой 600 кг должен потреблять в среднем 6 л/100 км, а автомобиль массой 1100 кг – 11 л/100 км. Эта закономерность в целом справедлива в настоящее время, хотя более точные современные формулы определяют, что на каждые 100 кг увеличения массы автомобиля расход топлива растет на 0,7 л/100 км. В этой зависимости нашло отражение снижение расхода топлива у автомобилей большого класса путем введения ограничений на минимально допустимую скорость.