Крепление колес грузовых автомобилей

Компоновка колесно-ступичного узла

В связи с увеличением грузоподъемности автомобилей и повышением их динамических качеств возрастают требования, предъявляемые к конструк­ции колесно-ступичного узла.

Колеса и ступицы, относящиеся к неподрессоренной массе автомобиля, во многом определяют такие важные эксплуатацион­ные свойства автомобиля, как плавность хода, устойчивость и безопасность движения, срок службы упругих элементов подвески, ходимость шин и теплонагруженность тормозных механизмов и колесно-ступичного узла в целом. От конструктивной схемы компоновки колеса со ступицей в значительной степени зависят долговечность и грузоподъемность автомобиля.

Крепление дисковых колес. Крепление к ступице дисковых колес легковых и грузовых автомобилей выполняют согласна ГОСТ 10408—74 и ГОСТ 10409—74*, а за рубежом в соответст­вии с национальными стандартами. На рис. 27 и в табл. 2 при­ведены конструкция и присоединительные размеры дисков и ступиц колес при одинарном и сдвоенном креплениях колес С Учетом требований рекомендации СЭВ PC 2334—76. В рекомен­дациях СЭВ число возможных вариантов сочетаний размеров сокращено по сравнению с числом вариантов в действующих стандартах. Это создаст определенные трудности в процессе внедрения рекомендаций в производство.

В настоящее время все большее внимание уделяют конст­рукции элементов крепления, в частности резьбовым соедине­ниям. Колеса отечественных легковых автомобилей крепят на ступице с помощью четырех или пяти болтов. Основные схемы крепления колес легковых автомобилей рассмотрены выше (см. рис. 4). Конструкции крепления дисковых колес грузовых ав­томобилей более разнообразны. Схемы крепления колес обычно подразделяют на две группы. К первой группе относят крепле­ния, которые обеспечивают центрирование колеса относительна оси вращения по фаскам крепежных отверстий. У второй груп­пы требуемая точность установки колеса достигается в резуль­тате уменьшения зазора между поверхностью центрального от­верстия и специальным посадочным пояском ступицы, т. е. ко­лесо центрируется по центральному отверстию диска. Центриро­вание колес по сферическим фаскам крепежных отверстий ис­пользуют на грузовых автомобилях ЗИЛ, ГАЗ, КрАЗ. Основные требования к конструкции деталей крепления колес определены в ГОСТ 10409—74.

Одинарное колесо (рис. 28, а) крепят к опорному фланцу ступицы гайкой, которую навертывают на шпильку. Между кре­пежными отверстиями диска и шпильками, а также между цент­ральным отверстием и ступицей имеется достаточный зазор для центрирования колеса в радиальном направлении.

Рис. 28. Схемы крепления колес грузовых автомобилей:

А — одинарных; б — сдвоенных

Сдвоенные колеса крепят с помощью более сложной системы резьбовых деталей. На шпильки 1 (рис. 28, б) ступицы вначале устанавли­вают внутреннее колесо и прикрепляют его к опорному фланцу ступицы колпачковыми гайками (футорками) 2, имеющими внутреннюю и наружную резьбы. Затем устанавливают наруж­ное колесо и прижимают его гайками к опорной поверхности диска внутреннего колеса. Обычно колесо грузового автомоби­ля крепят с помощью шести, восьми или десяти шпилек.

Многолетняя практика эксплуатации автомобилей показала, что такое крепление при правильном обслуживании надежно и точно центрирует как одинарные, так и сдвоенные колеса. Од­нако выявлены и существенные недостатки. Кроме увеличения на 2,5—7 кг массы резьбовых деталей возрастает концентрация напряжений на поверхности сферических фасок [3]. Согласно ис­следованиям напряжения на кромках отверстий только от за­тяжки гаек могут достигать 250—300 МПа. В процессе качения колеса статические напряжения дополняются динамическими, что приводит к преждевременному усталостному растрескива­нию дисков. Особенно ускоряется этот процесс при эксплуата­ции колеса с моментом затяжки гаек, меньшим рекомендуемого.

В целях повышения долговечности колеса требуется перио­дически контролировать момент затяжки резьбовых соединений. У одинарных колес эту проверку легко выполнить, а у внутрен­них сдвоенных колес эта проверка резко усложняется. Чтобы проверить момент затяжки колпачковых гаек, необходимо пред­варительно отвернуть гайки наружного колеса. Это увеличи­вает трудоемкость обслуживания колесных узлов. В случае не­правильного завинчивания гаек внутреннее колесо может ока­заться незакрепленным, а наружное колесо будет зажато между центрирующими фасками колпачковой и наружной гаек (рис.29).

На рис. 30 показаны конструктивные схемы крепления оди­нарных и сдвоенных колес грузовых автомобилей, которые при­меняют в зарубежном автомобилестроении. Одинарные и сдвоен­ные колеса крепят одной гайкой (рис. 30, а), причем одинарное колесо центрируют по фаскам крепежных отверстий. У сдвоенных колес внутреннее колесо центрируют только по сфериче­ской поверхности шпилек, а наружное дополнительно центри­руют по фаскам крепежных отверстий. Основным недостатком этой схемы является различная точность установки сдвоенных колес. Если оба сдвоенных колеса центрировать на ступице по фаскам крепежных отверстий (рис. 30,6), то этот недостаток устраняется. Однако, как показывают результаты эксперимен­тов, срок службы диска в значительной мере зависит от пло­щади контакта его с фланцем ступицы. При таком креплении внутреннее колесо не соприкасается со ступицей. Поэтому бо­лее рациональной является система крепления (рис. 30,в), ко­торая обеспечивает плотное прилегание диска внутреннего сдво­енного колеса к фланцу ступицы.

Наиболее перспективными являются схемы крепления, изоб­раженные на рис. 30, г, д. Принципиальное отличие их от ранее описанных заключается в способе центрирования колес и в кон­струкции резьбовых деталей. Колесо опирается поверхностью центрального отверстия па специальный поясок ступицы с зазо­ром 0,35—0,7 мм. В узел крепления колес включаются шпиль­ки и унифицированные для одинарных и сдвоенных колес гайки с плоской поверхностью давления. Применение центриро­вания колеса по посадочному пояску ступицы позволяет упрос­тить форму крепежных отверстий и соответственно технологию изготовления их, так как не требуется дорогостоящая механиче­ская обработка фасок.

Кроме того, допуски на размеры отвер­стий можно расширить, а точность их расположения повысить. Увеличение площади опорной поверхности гаек приводит к уменьшению давления на диск, в результате чего удлиняется его срок службы. Эта схема пригодна для крепления колес из легких сплавов. Недостатком такого способа центрирования ко­леса является затрудненные установка и особенно снятие коле­са со ступицы. В связи со значительной массой колеса, собран­ного с шиной, и малым зазором между диском и ступицей при осевых перемещениях колеса может произойти «закусывание» контактирующих поверхностей.

Каждой системе крепления колес соответствуют свои моменты затяжки гаек. Оптимальный момент затяжки с точки зрения надежности крепления и обеспечения максимальной долговеч­ности диска должен определяться по величине растягивающих усилий, действующих на шпильки. Эти усилия зависят не только от момента затяжки, но и от геометрических параметров резьбы, состояния трущихся поверхностей и т. д.

Крепление бездисковых колес. В отличие от дисковых колес бездисковые крепятся на ступицах по двум принципиально раз­личным схемам. По первой схеме крепят колеса с продольно-разборным ободом (рис. 31,а, б), имеющим конические поверх­ности с углом наклона 28°. Основные присоединительные раз­меры колес и ступицы регламентированы ГОСТ 10409—74. Од­нако конструкции ступиц и деталей крепления разрабатывают индивидуально для каждого автомобиля с учетом конкретных технических требований. Одинарное колесо обычно устанавли­вают на ступицу так, что его замочная часть располагается сна­ружи автомобиля. Но на некоторых зарубежных автомобилях (HD-1200 фирмы «Комацу», Япония) крупногабаритные коле­са устанавливают, напротив, замочной частью внутрь. Это повы­шает безопасность эксплуатации колес, так как склонное к са­моразбортовке замочное устройство направлено внутрь авто­мобиля.

Вторую схему используют для крепления бездисковых колес С Поперечно-разборным ободом (рис. 31, в), имеющим ломаную поверхность контакта с углами наклона, равными 18 и 75°.

Крепление на ступицах 4 одинарных и сдвоенных колес / при обоих способах одинаково. Усилия на прижимах 2 создают затяжкой гаек 3 на закладных болтах (автомобили МАЗ, авто­бусы ЛиАЗ) или шпильках (автомобили КамАЗ, БелАЗ). Без­дисковые колеса с цельным ободом крепят с помощью кольца 6 (рис. 31,г), которое приваривают к ободу.

Рис. 32. Компоновка узла колесо — ступица автомобиля: а—«Урал-375Д»; б —ЗИЛ-131

В связи с тем, что при втором способе колесо более точно устанавливается на сту­пице, этот способ является перспективным.

Устройство автомобилей

Ободья, ступицы и соединители колес

Обод колеса

Обод служит для установки пневматической шины. По профилю обод может быть глубоким неразборным (рис. 1), который применяется на легковых автомобилях, и плоским, разборным (рис. 2), который устанавливается на большинстве грузовых автомобилей средней грузоподъемности (например, марок ЗиЛ, ГАЗ и т. п.).

Для облегчения монтажа и демонтажа шины в средней части глубокого обода выполняется выемка В. По обеим сторонам обода расположены конические посадочные полки, на которые монтируют борта шин. Наклоны посадочных полок на угол примерно 5˚ обеспечивает плотную посадку шины на ободе.

Обод для бескамерной шины должен иметь на своих посадочных полках специальные кольцевые выступы 4 (рис. 1) тороидальной формы («хэмпы»), предотвращающие самопроизвольное соскальзывание бортов шины (саморазбортовку) в случае критической ситуации во время движения.

Среди разборных ободьев наиболее распространен обод с конической посадочной полкой (рис. 2). Этот обод характеризуется сравнительной простотой монтажа и демонтажа шин грузовых автомобилей, которые имеют большие массы, размеры и жесткость. Бортовое кольцо 1 имеет коническую посадочную полку, которая прижимается к борту шины. Пружинное распорное кольцо 2 устанавливается между ободом и бортовым кольцом, фиксируя последнее.

Шины широкопрофильные, арочные и с регулируемым давлением имеют разборные ободья с распорными кольцами. Распорное кольцо устанавливается по центру плоского обода и обеспечивает надежное зажатие бортов шины между ним и закраинами обода, что исключает проворачивание шины на ободе при снижении давления в ней.

Ступица колеса

Ступица конструктивно объединена с мостом автомобиля, но традиционно считается элементом колеса. Она служит для установки колеса на балке моста и обеспечения его вращения. Ступица устанавливается на мосту посредством конических роликовых или шариковых (на некоторых легковых автомобилях) подшипников. К ней также крепятся тормозные барабаны и фланцы полуосей ведущих мостов грузовых автомобилей.

Ступица передних колес, показанная на рисунке 3, установлена в поворотном кулаке 10 на двух конических роликовых подшипниках 1. Наружные кольца (обоймы) подшипников запрессованы в ступицу, а внутренние установлены в цапфу 5. Регулировочная гайка 3 через шайбу 4 обеспечивает нормативный зазор в подшипниках. Подшипники смазываются при сборке, а для защиты их от пыли и грязи с внутренней стороны в ступицу запрессовывается уплотнительная манжета, а с наружной стороны устанавливается защитный колпак 2.

Ступица передних колес переднеприводного легкового автомобиля установлена в поворотном кулаке на двухрядном шариковом подшипнике закрытого типа. Подшипник фиксируется в поворотном кулаке стопорными кольцами.
Ступица с помощью внутренних шлицов соединена с хвостовиком корпуса наружного шарнира привода передних колес и крепится на нем гайкой, которая закрывается пластмассовым колпаком.
К ступице крепится направляющими штифтами тормозной диск. Штифты центрируют относительно ступицы колесо, которое крепится к ней сферическими болтами. Этими же болтами к ступице крепится тормозной диск.

Ступица задних колес у заднеприводных легковых автомобилей обычно отсутствует. Ее заменяет фланец полуоси, которая устанавливается на подшипниках в балке моста.

Соединитель колеса

Соединитель колеса обычно выполняется в виде диска. Такие колеса называются дисковыми. Стальной штампованный диск 1 (рис. 1) для увеличения жесткости выполняется выгнутым с выемками В или отверстиями Б. Вырезы и отверстия облегчают колесо и улучшают охлаждение тормозных механизмов. Отверстия А для крепления колеса имеют сферические фаски. Крепление производится с помощью сферических болтов или сферических гаек.

Бездисковые колеса имеют соединитель, изготовленный совместно со ступицей. Они могут быть разъемными в продольной и поперечной плоскостях. Бездисковое колесо (рис. 4) с разъемом в поперечной плоскости состоит из трех секторов 1, которые соединены в единое кольцо с помощью специальных вырезов (скосов), выполненных на торцах секторов 1. При монтаже секторы колеса устанавливаются в определенной последовательности в лежащую шину, а затем вместе с шиной прикрепляются к ступице 2 специальными прижимами 3, шпильками 4 и гайками 5. Такие колеса устанавливаются на грузовые автомобили и автобусы.

По технологии изготовления колеса легковых автомобилей могут быть обычными стальными сварными (из прокатного обода и штампованного диска), литыми и кованными.

Литые колеса изготовляют из сплава алюминия с кремнием путем обтачивания посадочных поверхностей отливок и сверления в них отверстий. Основное преимущество литых колес – их небольшая масса. Малая масса колеса положительно влияет на плавность хода автомобиля и облегчает его обслуживание. Кроме того, применение литых колес позволяет эффективнее охлаждать колесные тормозные механизмы.
Недостатками литых колес являются чрезмерно толстые стенки, возможность появления скрытых пор и раковин, недостаточная прочность при ударной нагрузке и сложность восстановления при повреждении.

Кованые колеса выполняют методом ковки с последующей обработкой. При ковке (или объемной штамповке) из заготовки выковывают поковку, которая затем обрабатывается на токарном станке. Такая технология сложна и дорога, однако кованые диски прочнее и легче литых. Например, 13-дюймовое кованое колесо весит примерно 4,5 кг, а литое колесо такого же размера – почти 6 кг. При этом толщина стенок у кованого колеса составляет 3 мм, а у литого – 5,5 мм. Немаловажным преимуществом кованых колес является большая стойкость к ударным нагрузкам.

Основные размеры обода колес : посадочный диаметр под покрышку и ширина. Например, обычное дисковое колесо для автомобиля ВАЗ-2109 обозначается как 114J-330 (в миллиметрах) или 4 1/2J-13 (в дюймах). Первые цифры обозначают ширину обода, буква J – форму профиля обода, а последние цифры – монтажный диаметр колеса.

Легкосплавные литые или кованые диски обычно имеют дюймовое обозначение. Например, колесо автомобиля ВАЗ-2110 обозначается 5 1/2J13Н2, где дополнительная маркировка Н2 означает наличие на ободе «хэмпов» определенного профиля.

Так как колеса и шины изготовляются со значительными допусками, колесо в сборе может обладать значительной неуравновешенностью (дисбалансом), приводящей к осевому и радиальному биению при вращении колеса. В результате возрастает вибрация, сокращается срок службы шин, амортизаторов, рулевого управления, снижается комфортность езды и т. п.
Для устранения неуравновешенности колес их подвергают балансировке на специальных балансировочных стендах, закрепляя в определенных местах балансировочные грузики. Особенно это актуально для автомобилей, передвигающихся с большими скоростями, поскольку инерционные нагрузки дисбаланса возрастают в квадратичной зависимости от частоты вращения колес.