Устройство автомобильного колеса

Устройство автомобильного колеса:
1 — шина;
2 — обод;
3 — ступица

Колесо автомобиля состоит из пневматической шины, обода, соединительного элемента (диска), ступицы и пневматических шин.
В зависимости от конструкции обода и соединительного элемента колеса могут быть разборными и неразборными, дисковыми и бездисковыми. Ступица колеса обеспечивает его свободную установку на оси автомобиля.

Неразборное колесо с глубоким ободом

Обод служит для соединения шины с колесом. С этой целью ему придается специальная форма. Колесо в сборе должно быть сбалансировано, балансировочные грузики крепятся к ободу с помощью пружинных зажимов или клея. На большинстве легковых автомобилей и грузовых небольшой грузоподъемности используются глубокие, неразборные ободья.
Глубокий обод жестко соединяется с диском, который служит для крепления колеса к ступице с помощью болтов или гаек со шпильками. Полки глубокого обода имеют конусную форму для плотной посадки шины на обод. Угол наклона полок составляет, как правило (5±1)°. Полки обода заканчиваются закраинами, имеющими определенную форму и служащих боковыми упорами для шины.
Расстояние между закраинами называется шириной профиля обода. В средней части обода имеется углубление, необходимое для облегчения монтажа и демонтажа шины на обод. Это углубление (ручей) может быть расположено симметрично относительно плоскости колеса или со смещением.

Размеры и профиль обода регламентированы соответствующими стандартами. На каждый обод наносится соответствующая маркировка, из которой можно узнать размеры и профиль. Основные размеры обода, ширину профиля и диаметр, как правило, все изготовители указывают в дюймах, за исключением компании Michelin, которая применяет для этого миллиметры.
Пример маркировки: 5J × 13H2 ET 30, где:
5 — ширина обода в дюймах;
13 — диаметр обода в дюймах;
J и H2 — конструктивные особенности профиля обода;
ET 30 — вылет (от немецкого слова Einpresstiefe — ET) 30 мм.

Положительное (а) и отрицательное (б) плечо обката управляемого колеса

Вылет колеса (выступ) является важным параметром. Любое колесо должно «охватывать» ступицу, к которой оно крепится, потому что центр пятна контакта шины с дорогой смещается относительно вертикальной оси, проходящей через центр ступицы на небольшую величину, которая рассчитывается при конструировании подвески и рулевого управления автомобиля.
Величина вылета особенно важна для управляемых колес, потому что положение пятна контакта относительно оси поворота колеса играет важную роль в определении характеристик поворота автомобиля.

Неразборные колеса с глубоким ободом обычно центрируются на ступице с помощью центрального отверстия. Если диаметр центрального отверстия больше, чем у посадочной части ступицы, то центрирование осуществляется по коническим (или сферическим) поверхностям в отверстиях диска, предназначенных для крепления болтами или гайками. Иногда для лучшего центрирования и облегчения монтажа используют пластмассовые кольца, которые устанавливаются перед монтажом колеса на ступицу в центральное отверстие диска.
Колесные диски легковых автомобилей изготавливаются штамповкой из стали с последующей сваркой обода и диска или из легких сплавов (алюминиевых или магниевых). Наиболее прочные колеса из легких сплавов — кованые. Они имеют мелкозернистую структуру и высокую прочность при малой массе. Легкосплавные колеса дороже стальных, но эстетически привлекательнее. Колеса изготавливались и из композитных материалов: например, еще в 70-е гг. фирма Citroёn выпускала армированные углепластиковые колеса, которые весили в два раза меньше металлических. Однако из-за высокой стоимости таких колес они устанавливаются только на дорогих спортивных автомобилях.

Конструкция разборного обода грузового автомобиля:
1 — закраина;
2 — обод;
3 — разрезная часть обода;
М — ширина обода;
D — диаметр обода

Разборные ободья применяют для колес большинства грузовых автомобилей и автобусов. Разборные ободья могут быть дисковыми и бездисковыми. Наиболее часто используются разборные ободья с коническими посадочными полками.

Бездисковое колесо, его общий вид (а) и крепление колеса (б):
1 — секторы колеса;
2 — ступица;
3 — крепление;
4 — шпилька;
5 — гайка

Шины грузовых автомобилей имеют большие размеры и высокую жесткость, поэтому монтаж таких шин на неразборные ободья затруднен. Разборные ободья позволяют облегчить эту задачу. Для некоторых шин грузовых автомобилей большой грузоподъемности применяют разборные ободья с распорными кольцами. Такие ободья состоят из двух частей, соединяемых между собой болтами. Такая конструкция надежно удерживает шину на колесе независимо от значения давления воздуха в шине.
Ступицы колес изготавливают из стали или ковкого чугуна. К ним крепятся элементы тормозных механизмов, диски и барабаны. Ступица устанавливается на подшипниках, которые должны воспринимать не только радиальные, но и осевые усилия от действия боковых сил. В ступицах устанавливают конические роликовые или шариковые радиально-упорные подшипники.
В подшипники колес закладывается смазка, выдерживающая высокие температуры. Для предотвращения вытекания смазки и попадания грязи подшипники уплотняются сальниками.

Как устроено колесо автомобиля грузового

Колеса грузовых автомобилей отличаются от колес легковых автомоби­лей не только размерами, но и конструкцией.

Разнообразие конструкций ко­лес в основном объясняется широким диапазоном нагрузочных режимов и ус­ловий эксплуатации автомобилей. Более жесткие каркас, боковина и борт шины грузового автомобиля не позволяют монтировать ее на неразборный обод. Кроме того, обод, способный выдерживать высокие нагрузки, должен, иметь большую толщину профиля, что, в свою очередь, создает значительные трудности для его изготовления. Поэтому почти все колеса грузовых авто­мобилей выполняют с ободьями разборной конструкции.

Дисковые колеса. Дисковое колесо грузового автомобиля со­стоит из основания обода 4 (см. рис. 1,6), съемного разрезпога замочно-посадочного кольца 5 и съемного бортового кольца 6, которые в сборе образуют обод. К основанию обода, в его за­мочной части, приваривают диск 3.

Конструкцию обода совершенствуют в связи с возрастанием требований к надежности его соединения с шиной, необходи­мостью повышения несущей способности, снижения массы,, момента инерции, радиального и бокового биений.

Рис. 7. Конструкции колес грузовых автомобилей:

А — с плоским основанием обода;

Б — с ободом, имеющим коническую полку

Первые конструкции колеса имели обод с плоским основа­нием. Обод состоял из основания 3 (рис. 7,а), разрезного замоч­ного кольца 2 и бортового кольца ). Для повышения безопасности конструкции замочное и бортовое кольца, иногда соединя­ли заклепками. Такая конструк­ция обода не обеспечивала на­дежного крепления бортов шины, что снижало ходимость шин и ухудшало эксплуатационные свойства автомобилей. Устранить отмеченные недостатки удалось путем введения на основании 3 (рис. 7, б) обода конической посадочной полки с углом накло­на 5°, объединения бортового и замочного колец в одну деталь 4. В результате в зоне пятки ши­ны обеспечилась более плотная посадка шины, однако осталь­ная часть борта по-прежнему сопрягалась с ободом с зазором. Это значительно улучшило закрепление шины на ободе.

Устранить отмеченные недостатки удалось путем введения на основании 3 (рис. 7, б) обода конической посадочной полки с углом накло­на 5°, объединения бортового и замочного колец в одну деталь 4. В результате в зоне пятки ши­ны обеспечилась более плотная посадка шины, однако осталь­ная часть борта по-прежнему сопрягалась с ободом с зазором. Это значительно улучшило закрепление шины на ободе.

На следующем этапе развития конструкции ободьев были созданы одинаковые условия для посадки обоих бортов. Для это­го у колес, предназначенных для шин с нежестким каркасом, уд­линили носок съемного бортового кольца, лежащий под бортом шины, а у колес, которые собирали с усиленными шинами повы­шенной грузоподъемности, съемную бортовую закраину стали изготовлять из двух самостоятельных деталей: бортового коль­ца и замочно-посадочного кольца. В настоящее время обе кон­струкции стандартизированы и их широко применяют.

В ГОСТ 10409—74* приведены основные геометрические пара­метры ободьев. Для колес грузовых автомобилей принят единый диаметр обода, равный 508 мм. При этом посадочный диаметр больше на удвоенную величину подъема посадочной полки, наклоненной под углом 5°, и равен 514,3 мм. Ободья существен­но отличаются шириной и толщиной сечения профиля, формой бортовой закраины. Определенным сочетаниям геометрических размеров элементов бортовых закраин присвоены буквенные обозначения.

Результаты, полученные в ходе экспериментальных исследо­ваний напряженного состояния колес, позволили улучшить рас­пределение металла по сечению обода. Например, в зонах кон­центрации напряжений, таких, как переход центральной части обода в посадочную полку и ее радиусное сопряжение с борто­вой закраиной, толщину профиля увеличили, а в центральной части, где напряжения незначительны и распределены более равномерно, — уменьшили. В целях унификации конструкции дискового и бездискового колес повысили кольцевую жесткость замочной части обода, а на внутренней поверхности ввели кони­ческую поверхность с углом наклона 28° для установки бездис­кового колеса на ступицу.

Рис. 8. Замочные устройства разборных ободьев

Для вывода вентиля камеры на ободе выполняют отверстие. В зависимости от типа устанавливаемой шипы (камерная или бескамерная) отверстие делают продолговатым или круглым. Форма, размеры и расположение вентильного отверстия стан­дартизованы. Чтобы облегчить разборку замочного устройства обода, на съемных разрезных деталях выполняют паз для раз­мещения рабочих концов монтажного инструмента.

Значительные резервы для совершенствования конструкции колеса заложены в конструкциях съемной бортовой закраины и замочных устройств обода. В настоящее время разработаны ободья с укороченной съемной посадочной полкой (рис. 8, а) и со смещенным зубом замочно-посадочного кольца (рис. 8,6). Уменьшить расход металла и обеспечить универсальность (для камерных и бескамерных шин) ободу позволяет конструкция колеса, изображенная на рис. 9. Применение тороидальных по­садочных полок в сочетании с монтажным ручьем малой глу­бины способствует одинаковому закреплению бортов шины, а при установке бескамерной шины — надежной герметизации ее внутренней полости без использования каких-либо дополни­тельных деталей для уплотнения. Расчеты показывают, что если заменить конструкцию серийного колеса с ободом 178—508 на конструкцию с тороидальными посадочными полками, то непод-рессоренная масса автомобиля ЗИЛ-130 уменьшится на 20—25 кг.

У грузовых автомобилей на переднем мосту обычно устанав­ливают одинарные колеса, а на заднем и промежуточном мостах — сдвоенные. Это делают в целях обеспечения равномер­ного распределения полной массы автомобиля по мостам и воз­можности применения единого типоразмера шин на всех мостах автомобиля. В отечественных и зарубежных стандартах регла­ментированы расстояния между сдвоенными колесами и допуск на него. Если это расстояние недостаточно, то в процессе каче­ния колес боковины шин протираются вследствие соприкосно­вения в зоне наибольшей деформации.

Рис. 10. Колеса грузовых автомобилей диском

А — раскатанным; б — нераскатанным

Рис. 11. Схема ротационной раскатки диска:

А — исходное положение; б — конечное положение; 1 — оправка; 2 — заготовка; 3 — ролики; 4 — диск

При чрезмерно большом расстоянии нагрузка распределяется неравномерно между сдво­енными колесами. Чтобы исключить это, привалочную плоскость диска смещают относительно центра основания обода на опре­деленную величину, а соприкасающиеся поверхности дисков колес выполняют плоскими.

Указанные выше условия определяют конструкцию дисков колес грузовых автомобилей. На протяжении нескольких десяти­летий применяют плоскосферическую форму дисков (рис. 10). Вначале диски колес штамповали из листового проката, предва­рительно раскатанного в горячем состоянии (рис. 10,а). В ре­зультате раскатки центральная часть диска имела толщину 8—11 мм, а периферийная 3—4 мм. Уменьшение толщины про­филя диска в направлении места соединения его с ободом целе­сообразно, так как одновременно с уменьшением сечения сни­жается изгибающий момент от нормальной нагрузки. Конструк­ция получается равнопрочной. Однако при горячей раскатке требуются значительные затраты труда, использование нагрева­тельных устройств и раскатных станов.

Для снижения трудоемкости изготовления диска уменьшили его ширину и исключили операцию раскатки (рис. 10,6). Вместо приклепывания диска к центральной части основания обода стали приваривать диски к замочной части обода. Это упро­стило технологию изготовления и снизило расход металла. Например, диски четырехспицевой конструкции для колес с ободьями 178—508 штампуют в холодном состоянии из квад­ратной заготовки. Изготовление такой конструкции рациональ­но, но при этом требуется более высокое качество выполнения сварных прерывистых швов, расположенных на одной из ответ­ственных зон основания обода — замочной части.

В настоящее время за рубежом для изготовления дисков колес грузовых автомобилей применяют ротационную раскатку роликами 3 (рис. 11). Заготовка 2 прижимается к оправке 1, имеющей форму диска. Периферийную часть 4 диска раскаты­вают в холодном состоянии и одновременно формуют по поверх­ности оправки. Такой процесс изготовления позволяет значи­тельно повысить качество поверхности и применить стали, труд­но поддающиеся штамповке, с более высокими механическими свойствами. В результате использования такой технологии изго­товления уменьшается расход металла и повышается сопротив­ление усталости диска.

В диске делают центральное отверстие для выхода ступицы, отверстия для прохода болтов крепления и вентиляционные отверстия. Число и размеры крепежных отверстий, а также гео­метрические параметры центрального отверстия стандарти­зованы.

В связи с тем что долговечность колеса в целом опреде­ляется уровнем сопротивления усталости диска, для ее повыше­ния на сферической части диска обычно выполняют кольцевые ребра жесткости различной высоты. Их размеры подбирают экс­периментально. Исследования показывают, что даже незначи­тельные изменения формы периферийной части диска позволяют более чем в 2—2,5 раза повысить его долговечность [10].

Перспективными направлениями повышения сопротивления усталости колес, снижения их металлоемкости и трудоемкости изготовления являются оптимизация формы и толщины диска колес, схем их крепления и механических свойств применяемых материалов.

Бездисковые колеса. В настоящее время такие колеса все более широко применяются на грузовых автомобилях средней и большой грузоподъемности, у которых нормальная нагрузка на колесо превышает 20 кН. Так как долговечность дисковых колес определяется в основном сопротивлением усталости дис­ка, то бездисковая конструкция должна иметь более высокие надежность, долговечность. Следовательно, используя бездиско­вое колесо, можно повысить грузоподъемность автомобиля без изменения размеров используемых колес. Производство таких колес более экономично, так как не требуется оборудования для изготовления диска и последующей сборки его с ободом. При отсутствии диска улучшается вентиляция тормозных механиз­мов, облегчается вывод вентиля внутреннего сдвоенного колеса наружу и т. д. Все это позволяет считать конструкцию бездис­ковых колес перспективной.