Схема колеса грузового автомобиля

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.

Схема колеса грузового автомобиля

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.