Устройство автомобилей

Автомобильные шины

Наиболее важными и из резиновых изделий на автомобиле являются шины колес, стоимость которых, например, может составлять до 25% стоимости грузового автомобиля, причем за время между ремонтами меняется от 2 до 4 комплектов шин. Не менее затратным эксплуатационным элементом являются шины колес легковых автомобилей и автобусов.
Высокая стоимость автомобильных шин обусловлена предъявляемыми требованиями надежности и долговечности, напрямую связанными с комфортом и безопасностью эксплуатации автомобиля.

Вне зависимости от назначения и конструкции, устройство автомобильной шины нагляднее всего рассматривать на примере камерной шины, которая включает все ее составные элементы (в частности, в бескамерной шине отсутствует камера).

Итак, классическая камерная шина (рис. 1) состоит из следующих составных элементов: покрышки 10, камеры 9 и ободной ленты 2 (в случае глубокого обода).

Покрышка шины служит для обеспечения сцепления автомобильного колеса с дорогой, защиты камеры от внешних повреждений и восприятия давления сжатого воздуха, находящегося в камере. Основными частями покрышки (рис. 1) являются каркас 6, брекер 7, протектор 8, боковины 5 и борта 4.
Рассмотрим назначение и устройство каждого из этих элементов.

Каркас является основой покрышки. Обладая высокой эластичностью, он одновременно придает покрышке необходимую прочность. Каркас состоит из наложенных друг на друга и соединенных между собой нескольких слоев корда толщиной 1…1,5 см.
Корд представляет собой специальную нить, состоящую в основном из продольных нитей диаметром 0,6…0,8 мм с очень редкими поперечными нитями. Нити корда могут быть хлопчатобумажными, вискозными, капроновыми, перлоновыми, нейлоновыми и металлическими.

Протектор представляет собой толстую резиновую полосу, расположенную по боковой части покрышки с рисунком на наружной поверхности, выполненную в виде выступов и канавок между ними. Площадь выступов составляет 40…80% всей поверхности беговой дорожки протектора. Толщина протектора шин грузовых автомобилей 14…32 мм, а легковых – 7…14 мм. Подканавочный слой составляет 20…40% от толщины протектора.

Более толстый протектор имеет больший пробег и лучше защищает шину от повреждений, но одновременно увеличивает ее вес, сопротивление качению и нагрев. От формы рисунка протектора зависит сцепление шины с дорогой, эластичность, мягкость и бесшумность хода. Для различных дорожных условий используется различный рисунок протектора.
О применяемых на современных покрышках типах рисунка протектора можно подробнее узнать на этой странице.

Брекер (подушечный слой) представляет собой резинотканевую или резиновую (у шин, предназначенных для легковых автомобилей) прослойку толщиной 3…8 мм, проложенную между каркасом и протектором по всей окружности покрышки для надежной, прочной и эластичной связи протектора с каркасом. Брекер смягчает удары, предотвращает возможные отслоения протектора от каркаса под действием тягового, тормозного и бокового усилия.
Брекер – ответственный элемент покрышки. Он работает на сжатие, растяжение и сдвиг. В результате постоянных деформаций при движении автомобиля брекер может нагреваться до температуры 120 ˚С и даже более.

Боковины служат для крепления покрышки на ободе колеса. Борт состоит из сердечника 3 в виде стального проволочного кольца, вокруг которого завернуты слои корда. Для защиты покрышки от повреждений при монтаже борта по наружной поверхности покрывают одним-двумя слоями прорезиненной ленты.

Камера представляет собой эластичную резиновую оболочку в виде тора (замкнутой трубы) для удержания сжатого воздуха. Камеры различаются размерами, конструкцией вентилей и их креплением. Толщина стенок камеры составляет 1,5…2,5 мм для легковых автомобилей и 2,5…5 мм для грузовых автомобилей и автобусов. Размеры камеры несколько меньше размеров внутренней полости покрышки. Это позволяет избежать образование складок на камере при накачивании ее внутри покрышки.

Вентиль камеры представляет собой привулканизированный к стенкам камеры обратный клапан, закрывающий выход воздуха из камер. На отечественных камерах устанавливают резиновые и резинометаллические вентили с пружинными клапанами (рис. 2). Характер изгиба корпуса вентиля и его длина зависят от типа и размера обода колеса, а также от того, сдвоенное оно или одинарное.
Вентиль состоит из корпуса, золотника и колпачка, который имеет специальные выступы в верхней части для выкручивания золотника из корпуса вентиля. У бескамерных шин, кроме того, имеются детали крепления вентиля к ободу.

Ободная лента размещается между камерой и ободом колеса и служит для защиты камеры от перетирания ободом колеса и защемлением ее бортами покрышки. Она выполняется из профилированной резиновой ленты и имеет форму кольца, у которого размер внутреннего диаметра несколько больше диаметра обода колеса. Толщина ленты в средней части составляет 3…10 мм и уменьшается к краям до 1 мм. На ободных лентах указываются размеры, соответствующие шинам, для которых они предназначены.

Конструкция шины

Конструкция пневматической шины:
1 — двухслойный протектор (красным выделена мягкая резина);
2 — специальная форма бортового кольца;
3 — плечевые части, устойчивые к порезам;
4 — защитный бортовой слой

Современная шина имеет довольно сложную конструкцию. Основным материалом для изготовления шины служит резина и специальная ткань — корд. Если изготовить шину только из резины, то при заполнении ее воздухом, она будет значительно изменять свои размеры и форму. Резина, использующаяся для производства шины, изготавливается из каучука (натурального и синтетического), к которому в процессе производства добавляются различные наполнители: сера, сажа, смолы и др.
При изготовлении пневматических шин для первых автомобилей использовался только натуральный каучук, который получали из смолы деревьев — каучуконосов. Синтетический каучук был впервые получен в нашей стране. Это изобретение принадлежит академику С. В. Лебедеву, который в 1931–1932 г. впервые в мире разработал технологию производства синтетического каучука. Для того чтобы эластичный каучук с наполнителями превратился в упругую резину, он должен пройти процесс вулканизации (соединение серы с каучуком, которое происходит при повышенной температуре). Шины вулканизируются в специальных пресс-формах, внутренняя поверхность которых соответствует наружной поверхности шины. Перед тем как шина попадает в пресс-форму, она собирается из составляющих ее элементов на специальных станках.
Покрышка конструктивно состоит из каркаса, брекера, протектора, боковины и борта. Каркас шины изготавливается из нескольких слоев прорезиненного корда, представляющего собой ткань, состоящую из близко расположенных друг к другу продольных и редких поперечных нитей. Чем прочнее нити корда, тем долговечнее шина. В качестве нитей для изготовления корда в настоящее время применяют синтетическое волокно, стекловолокно и стальные нити (металлокорд). С увеличением слоев корда в каркасе увеличивается прочность шины, но одновременно растет ее масса и увеличивается сопротивление качению.
Борт шины имеет определенную форму, необходимую для плотной посадки ее на обод колеса. Борта шины не должны растягиваться, чтобы обеспечить плотную посадку шины на ободе и предотвращать возможность соскакивания шины с обода. С этой целью внутри бортов шины вставляются разрезные или неразрезные бортовые кольца, изготовленные из нескольких слоев прочной стальной проволоки. Снаружи борта покрыты прорезиненным кордом и тонким слоем резины.
Боковина шины представляет собой нанесенный на каркас тонкий слой эластичной и прочной резины. Она предохраняет шину от боковых повреждений и воздействия влаги.
Протектор шины обеспечивает сцепление шины с дорогой и предохраняет каркас от повреждений. Для его изготовления используется прочная, износостойкая резина. Внешняя часть протектора выполняется в виде четкого рисунка, под которым находится так называемый, подканавочный слой. Рисунок протектора определяется типом и назначением шины.
Брекер представляет собой специальный пояс, выполненный из нескольких слоев прорезиненного корда, который находится между каркасом и протектором. От конструкции брекера в значительной степени зависит форма пятна контакта шины с дорогой. Брекер предохраняет каркас от толчков и ударов и передает усилия различным частям шины.
Внутренняя поверхность шины покрыта тонким слоем резины. Состав применяющейся для этого слоя резины может быть разным в зависимости от типа шины (камерная или бескамерная).

Вентиль камеры:
1 — стержень золотника;
2 — резьбовая головка;
3 — втулка;
4 — уплотнитель;
5 — верхняя чашечка;
6 — уплотнительное кольцо золотника;
7 — нижняя чашечка;
8 — корпус вентиля;
9 — пружина золотника;
10 — направляющая чашечка;
11 — обрезиненный кожух

В камерной шине для удержания сжатого воздуха используется камера, которая представляет собой эластичную, воздухонепроницаемую оболочку в виде замкнутой трубы. Для того чтобы при монтаже шины на обод камера не образовывала складок, размеры камеры должны быть несколько меньше, чем внутренние размеры шины. Поэтому заполненная воздухом камера находится в растянутом состоянии. Для накачивания и выпуска воздуха камера соединяется с вентилем — специальным клапаном, форма и размеры которого зависят от типа шины. При монтаже шины на обод колеса вентиль должен проходить через специальное отверстие, выполненное в этом ободе.

Конструкция колеса (а) с бескамерной шиной:
1 — протектор;
2 — герметизирующий воздухонепроницаемый резиновый слой;
3 — каркас;
4 — вентиль колеса;
5 — обод;
(б) колеса с камерной шиной:
1 — обод колеса;
2 — камера;
3 — шина (покрышка);
4 — вентиль

Бескамерные шины внешне мало отличаются от камерных. Внутреннее покрытие такой шины должно быть изготовлено из слоя воздухонепроницаемой резины толщиной 2–3 мм, а на наружную поверхность борта наносят эластичную резину, которая обеспечивает герметичность при посадке шины на обод. Вентиль бескамерной шины образует герметичное соединение при установке его в отверстие обода колеса.
При проколе бескамерной шины небольшим предметом этот предмет растягивает воздухонепроницаемый внутренний слой резины бескамерной шины и обволакивается ею. При этом воздух из бескамерной шины выходит очень медленно, в отличие от камерной, в которой камера находится в растянутом состоянии, и, следовательно, любое ее повреждение вызывает увеличение образовавшегося отверстия. Поэтому бескамерные шины более безопасны. Ремонт небольших повреждений бескамерных шин можно производить без снятия шины с обода, герметизируя образовавшееся отверстие специальным материалом.
Важным преимуществом бескамерных шин по сравнению с камерными является меньшая масса и нагрев при движении. Последний обусловлен отсутствием трения камеры о шину и лучшим охлаждением. Так как износ шин в значительной степени зависит от рабочей температуры, бескамерные шины долговечнее. Не рекомендуется устанавливать в бескамерные шины камеры, поскольку при накачивании камеры между шиной и камерой могут образоваться воздушные подушки, которые будут мешать отводу тепла и приведут к местному перегреву шины. К недостаткам бескамерных шин следует отнести большую сложность ремонта в пути в случае сильных повреждений, а также необходимость в высокой чистоте и гладкости закраины обода для обеспечения герметичности.

Подробнее о классификации шин смотри в главе ОБОЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ШИН

Устройство ходовой части

Конструкция автомобильных шин

Назначение шины — поглощать и смягчать толчки и удары, воспринимаемые колесом от дороги, обеспечивать с ней достаточное сцепление, снижать уровень шума, возникающий при движении автомобиля и уменьшать разрушающее действие автомобиля на дорогу.

Требования, предъявляемые к конструкции автомобильных шин:

1. Обеспечение высокой комфортабельности — шина и подвеска, работая последовательно в вертикальном направлении, обеспечивают требуемую частоту собственных колебаний подрессоренной части конструкции. Помимо этого, влияние шины на комфортабельность автомобиля определяется следующим:

• уровнем шума при прямолинейном и криволинейном движении;
• сопротивлением повороту управляемых колес;
• радиальным и боковым биениями, которые передаются на рулевое управление.

2. Обеспечение безопасности движения — реализация этого требования в основном определяется прочностью каркаса шины, способного противостоять действию внутреннего давления и ударным нафузкам. Безопасность шины определяется следующими ее свойствами:

• устойчивостью прямолинейного движения;
• способностью двигаться с высокими скоростями без опасности возникновения сильных вибраций и разрушения;

• хорошими сцепными свойствами как в продольном, так и в боковом направлениях, а также на дорогах с мокрым, загрязненным, заснеженным и обледенелым покрытиями.
3. Высокие экономические показатели — экономичность шины определяется ее стоимостью и эксплуатационными затратами.
4. Удобство компоновки (с позиции размещения колес и шин на автомобиле они должны иметь минимально допустимые размеры) заключается в следующем:
• уменьшается высота и ширина колесной ниши, что позволяет увеличить объем салона, моторного отсека и багажного отделения легкового автомобиля или улучшить планировку салона автобуса;
• уменьшается высота легкового автомобиля;
• уменьшается высота пола автобуса или положение грузовой платформы грузового автомобиля, что важно для ускорения погрузки и выгрузки;
• уменьшается пространство, занимаемое запасным колесом.

В настоящее время на легковых автомобилях применяются колеса диаметром обода не менее 13″ (дюймов), а на грузовых — 18″
Покрышка шины воспринимает давление сжатого воздуха, находящегося в камере, предохраняет камеру от повреждений и обеспечивает сцепление колеса с дорогой.
Покрышка состоит из протектора, подушечного слоя (брекера), каркаса, боковин и бортов с сердечниками. Каркас является основой покрышки, соединяя все ее части в одно целое. Каркас изготовляется из одного или нескольких слоев специальной прорезиненной кордной ткани (корда) толщиной 1—1,5 мм. В зависимости от типа и назначения шины корд может быть хлопчатобумажным, вискозным, капроновым, нейлоновым и металлическим. Число слоев корда в каркасе с учетом их равнопрочное™ может быть: 2—6 для шин легковых автомобилей; 4—14 для шин грузовых автомобилей и автобусов. Число слоев корда определяет прочность каркаса и допустимую нагрузку на шину.
Боковина шины представляет собой слой резины, привулканизирован-ный к каркасу и защищающий его от вредных воздействий окружающей среды и механических повреждений. Боковины должны быть достаточно тонкими и гибкими, для того чтобы хорошо противостоять циклическому изгибу и оказывать малое влияние на изгибную жесткость каркаса. Толщина боковины 1,5—3,5 мм у обычных шин и до 10 мм у арочных. На нижней поверхности боковины формируется монтажный поясок в виде концентричных резиновых колец, которые позволяют проконтролировать правильность посадки борта шины на полку обода при монтаже. В верхней части боковины имеется защитный поясок в виде также концентричных, но более массивных колец. Они служат для защиты от повреждений при боковых наездах на бордюрный камень и т. п.
Протектор (рис. 121) обеспечивает сцепление шины с дорогой и предохраняет каркас от повреждения. Его изготовляют из прочной, твердой, износостойкой резины. В нем различают расчлененную часть (рисунок) и подканавочный слой, который составляет 20—40 % толщины протектора в целом. Толщина протектора шин легковых автомобилей — 10—15 мм, грузовых и автобусов — 15—30 мм.

Рисунки протекторов: а — дорожный; б — универсальный; в — повышенной проходимости; г — карьерный; д — зимний.

Бескамерные шины, подробнее.

Между каркасом и протектором располагается подушечный слой (брокер). Он представляет собой резиновый или резино-кордный слой и служит для усиления каркаса и улучшения связи каркаса с протектором. Брекер смягчает воздействие на каркас ударных нагрузок и способствует более равномерному распределению по каркасу окружных и поперечных сил, возникающих при взаимодействии колеса с дорогой.
Борта надежно укрепляют покрышку на ободе. Снаружи борта имеют один-два слоя прорезиновой ленты, предохраняющей их от истирания об обод и от повреждений при монтаже и демонтаже шины. Внутри бортов имеются стальные проволочные сердечники, которые увеличивают прочность бортов, предохраняют их от растягивания и предотвращают соскакивания шины с обода колеса. Шина с поврежденным сердечником не пригодна для эксплуатации.
Шины различают по назначению, геометрическим параметрам, конструктивным признакам и эксплуатационным характеристикам.

По назначению различают шины:

• для легковых автомобилей;
• для грузовых автомобилей и автобусов;
• для автомобилей повышенной и высокой проходимости;
• для специальных машин.

В зависимости от дорожного покрытия и его состояния они различаются по типу рисунка протектора:

• дорожные (для дорог с усовершенствованным покрытием);
• универсальные (для дорог с различным покрытием);
• повышенной проходимости;
• карьерные.
Учитывая различное состояние покрытия в зависимости от времени года шины бывают:
• летние (со стандартным дорожным рисунком);
• для грязи и снега;
• для грязи, снега и льда. Основными параметрами шины являются:
• В — ширина профиля;
• Н — высота профиля;
• d — посадочный диаметр;
• А — посадочная ширина (обода).

В зависимости от ширины профиля шины подразделяются на:

• крупногабаритные (В> 350 мм);
• среднегабаритные (200