Устройство автомобилей

Колеса автомобилей

Общие сведения о колесах

Колесо – одно из величайших изобретений человека. В природе ни одно живое существо не снабжено подобным движителем – кто-то бегает на ногах, кто-то плавает при помощи плавников и хвоста, кто-то летает, ползает, использует реактивную энергию, в общем – животные и даже некоторые растения передвигаются по поверхности и недрам нашей планеты, в ее атмосфере и водной среде при помощи самых разнообразных средств перемещения, но колесами не пользуется никто.
А ведь во многих случаях колесо – незаменимый движитель, способный быстро и экономично перемещать по земной поверхности тела любой массы и формы. По этой причине можно считать колесный движитель уникальным продуктом человеческого гения. И этот движитель в качестве средства передвижения по суше используется автомобилями.

Конечно же, колеса современных автомобилей существенно отличаются от тех примитивных катков и деревянных кругов, которые использовались человеком в качестве движителя древних повозок и колесниц. Конструкция автомобильного колеса в результате «технической эволюции» претерпела значительные изменения, поскольку на этот элемент автомобиля возлагаются важные функции, влекущие за собой строгие требования.

Требования, предъявляемые к колесам

Колеса обеспечивают связь автомобиля с дорогой, воспринимая всю массу автомобиля с пассажирами и грузом, а также динамические нагрузки, передаваемые на раму или кузов автомобиля. Они обеспечивают поступательное движение автомобиля и изменение направления его движения, а обладая эластичной шиной, они смягчают толчки и удары, возникающие при движении.
От характера взаимодействия колес с дорогой зависят тяговые и тормозные свойства автомобиля, плавность хода, экономичность, проходимость, устойчивость, управляемость, и, конечно же, комфорт и безопасность самого перемещения.

К автомобильным колесам предъявляются следующие требования:

• минимальное сопротивление качению;
• высокие долговечность и износостойкость;
• демпфирующие (смягчающие) свойства;
• бесшумность работы;
• легкость монтажа и демонтажа;
• самоочищаемость беговой части шины при движении по деформируемым грунтам;
• минимальные биение и дисбаланс;
• для повышения плавности хода автомобиля колеса должны иметь минимальный вес.

К основным элементам автомобильного колеса относятся шины, ободья, соединительные элементы и ступицы. Все эти составные части могут быть выполнены в широком диапазоне конструктивных особенностей в зависимости от назначения автомобиля, условий его эксплуатации и других требований.

Типы автомобильных колес

Автомобильное колесо состоит из следующих элементов (рис. 1): шины, ободьев 3, 10, соединительных частей с деталями крепления и ступицы. Соединительной частью может быть диск 4, неразборно присоединенный к ободу (дисковое колесо) или спицы, представляющие собой часть ступицы (бездисковое колесо или спицевое колесо).

Ступица обеспечивает установку колеса на балке моста на подшипниках. Если ступица отсутствует, колесо устанавливается на фланце полуоси, которая, в свою очередь, устанавливается на подшипниках в балке моста.

Автомобильные колеса классифицируются по двум основным показателям – назначению и конструкции.

По назначению различают ведущие, управляемые, комбинированные и поддерживающие колеса.

Ведущие колеса преобразуют подводимый к ним крутящий момент в тяговую силу, а свое вращение – в поступательное движение автомобиля.

Управляемые колеса изменяют направление движения автомобиля, оставаясь ведомыми, т. е. они не воспринимают крутящий момент от трансмиссии автомобиля и служат лишь для маневрирования.

Поддерживающие колеса также являются ведомыми и служат для восприятия осевой нагрузки и толкающей силы от рамы или кузова автомобиля, преобразуя ее в свое вращательное движение. Поддерживающие колеса часто выполняют на специальной подъемной оси грузовых автомобилей или полуприцепов, и при движении автомобиля без груза они вместе с осью поднимаются к раме автомобиля, чтобы уменьшить сопротивление качению. Колеса задних осей автомобильных прицепов тоже в большинстве случаев являются поддерживающими.

Комбинированные автомобильные колеса являются одновременно и ведущими и управляемыми. К такому типу колес, например, относятся передние колеса переднеприводных легковых автомобилей.

По конструкции колеса бывают дисковые, бездисковые и спицевые.

В дисковых колесах стальной штампованный диск приваривается к ободу, а в литых колесах из легких сплавов (алюминиевых, магниевых) диск отливается совместно с ободом.

Бездисковые колеса имеют соединитель, изготовленный совместно со ступицей. Бездисковые колеса имеют ряд существенных преимуществ перед дисковыми – они проще по конструкции, имеют меньшую массу (на 10…15%), большую долговечность, более низкую стоимость, удобнее при монтаже и демонтаже, обеспечивают лучше охлаждение тормозных механизмов.
Кроме того, они дают возможность устанавливать на одной и той же ступице ободья разной ширины, что позволяет использовать различные шины на одном и том же автомобиле. Бездисковые колеса устанавливаются, например, на автомобилях марки «КамАЗ».

В спицевом колесе в качестве соединителя используют спицы. Спицевые колеса применялись на первенцах автомобилестроения, в конструкции колес современных автомобилей спицы встречаются крайне редко, главным образом – на спортивных автомобилях, обеспечивая меньшую массу колеса и лучшее охлаждение тормозных механизмов.
В настоящее время в массовом производстве спицевые колеса для автомобилей практически не применяются из-за недостаточной надежности соединительных элементов – спиц, которые, к тому же, нуждаются в постоянном обслуживании. Их чаще можно увидеть в колесах велосипедов и мотоциклов, где весу колеса уделяется большое внимание.

Ведомые колеса автомобиля это

2.2.2. Ведомое колесо

Схема сил, действующих на ведомое колесо и эпюры распределения контактных напряжений по длине контакта, показаны на рис. 2.8. Качение ведомого колеса происходит под действием толкающей силы Р_в, приложенной к оси колеса в горизонтальной плоскости, равной силе сопротивления качению ведомого колеса. При этом ось колеса перемещается справа со скоростью υ, а обод колеса вращается с угловой скоростью ω.

Рис. 2.8. Схема сил, действующих на ведомое колесо и эпюры распределения контактных напряжений по длине контакта

При качении автомобильного колеса его шина непрерывно деформируется в зоне контакта. В зоне первой половины угла контакта, в зоне угла α₁, шина прогибается и получает нормальный прогиб, а во второй половине угла контакта в зоне угла ₂ она выпрямляется и постепенно освобождается от прогиба, восстанавливая свою первоначальную форму.

На участке AD контакта к шине со стороны опорной поверхности прикладывается нормальная реакция, которая противодействует вращению колеса, т. е. создает момент, препятствующий вращению колеса. На участке DB нормальная реакция опорной поверхности отталкивает шину от опорной поверхности, т. е. создает момент, способствующий качению колеса. В связи с наличием гистерезисных потерь в материале шины давление беговой дорожки на опорную поверхность в зоне угла α₂ на участке контакта DB меньше, чем в зоне угла α₁ Поэтому нормальная реакция дороги на участке AD больше, чем на участке DB. Это приводит к тому, что общая реакция дороги смещается в направлений большей составляющей, т. е. в зону угла α₁ и точка приложения общей реакции смещается по направлению движения колеса на величину а относительно вертикали, проходящей через ось колеса.

В плоскости контакта ведомого колеса действует продольная касательная сила R_x, направленная против движения колеса. Сила R_x является результирующей продольных контактных касательных напряжений τ_х, приложенных к шине в контакте.

Уравнения равновесия сил и моментов, приложенных к ведомому колесу, дают соотношения:

В связи с описанным процессом деформации шины в контакте при качении эпюра нормальных контактных напряжений ведомого колеса несколько отличается от таковой для неподвижного колеса. Вследствие ослабления давления в зоне угла α₂ верхнее основание эпюры нормальных напряжений получает наклон в сторону выхода из контакта (см. рис. 2.8, в).

Картина распределения продольных контактных касательных напряжений шины ведомого колеса имеет свои особенности по сравнению с тем, что имеется у неподвижного колеса. При качении ведомого колеса возникают дополнительные составляющие продольных касательных сил, обусловленные действием в контакте продольной касательной силы R_x и дополнительным угловым смещением элементов беговой дорожки относительно обода колеса при проходе ими зоны контакта.

Как будет показано более подробно ниже (см. разд. «Ведущее колесо»), внешняя касательная сила, действующая в контакте эластичной шины, распределяется по длине контакта по треугольной зависимости, возрастая от нуля на входе в контакт до максимальной величины на выходе из контакта.

На рис. 2.8, г показаны эпюра 1 продольных касательных напряжений неподвижного колеса, а треугольная эпюра 2 представляет распределение по длине контактных напряжений τ_F, вызванных действием реакции дороги R_x, равной силе сопротивления качению ведомого колеса.

Беговая дорожка шины при равномерном качении ведомого колеса благодаря наличию значительного нормального прогиба шины в контакте проходит зону контакта с переменной угловой скоростью ω_n. Эта угловая скорость, как показано в работе [26], может быть выражена зависимостью

где υ — линейная скорость оси колеса.

В этой же работе приведена зависимость для определения угловой скорости обода колеса

Анализ этих зависимостей показывает, что в зоне угла α₁ контакта в начале ω_n ω, что означает уменьшение углового смещения элементов беговой дорожки относительно обода колеса. В середине контакта (точка D) ω_n достигает максимальной величины, и угловое смещение элементов беговой дорожки полностью снимается, становится равным нулю.

Основные элементы конструкции колесного движетеля

Колесный движителе состоит из ведущих и ведомых колес, с помощью которых осуществляется движение ТС и управление им. Ведущими называются колеса, к которым через трансмиссию подводится вращающий момент от СУ. Ведущие колеса преобразуют этот момент в тяговое усилие, а вращательное движение колеса — в поступательное движение ТС. К ведомым колесам вращающий момент не подводится. Их назначение (так же как и ведущих колес) состоит в передаче нагрузки от веса ТС на дорогу, создании на поверхности дороги внешних реактивных продольных сил, вызывающих уменьшение скорости движения или остановку ТС, уменьшении передаваемых машине динамических нагрузок, возникающих при движении по неровной дороге, и создании на поверхности дороги внешних реактивных боковых сил, заставляющих ТС двигаться по криволинейной траектории.

Конструкция трансмиссий колесных машин позволяет при движении в хороших дорожных условиях отключать часть колес от силовой установки и ведущие колеса использовать в качестве ведомых.

Рис. Дисковое колесо с глубоким неразборным ободом:
1 — монтажный ручей; 2 — обод; 3 — диск колеса

Колеса состоят из наружной (упругой) и внутренней (жесткой) частей. К наружной части относится эластичная шина, а внутренней — обод, соединительная часть с деталями крепления, ступица и подшипники. Соединительной частью могут служить дисковое колесо — диск, присоединенный к ободу с помощью неразъемного соединения, а также бездисковое, или спицевое, колесо — спицы, представляющие собой часть ступицы.

Ступицей называется центральная часть колеса, устанавли-ваемая на подшипниках на концах балок мостов или цапфах. Подшипники способны воспринимать как радиальные, так и осевые нагрузки для того, чтобы через ступицу на направляющее устройство подвески и несущую систему передавались действующие на колесо поперечные усилия, а плоскость качения колеса сохраняла неизменное положение. Для этого ступицу устанавливают на двух роликовых конических подшипниках качения, обеспечивающих вращение ступицы с минимальными потерями на трение и возможность регулировки осевого зазора гайкой, удерживающей ступицу на оси.

Рис. Конструкция (а) и крепление (б) бездискового колеса с разъемным ободом:
1 — секторы обода; 2 — спицевая ступица; 3 прижим; 4 — шпилька; 5 — гайка

Внутренний (больший по размеру) подшипник, обычно расположенный в плоскости диска колеса, воспринимает основную часть радиальной нагрузки. Меньший наружный подшипник, являющийся поддерживающим, обеспечивает правильное положение ступицы на оси. Внутреннее пространство ступицы заполняется консистентной смазкой и защищается от попадания грязи с внутренней стороны уплотнительным элементом, а с наружной — колпаком или фланцем полуоси (на ведущих колесах). Ступицы бывают фланцевые и спицевые.

Рис. Дисковое колесо с плоским разборным ободом:
1 — цельный съемный борт; 2 — разрезное замочное кольцо; 3 — основание обода; 4 — диск

Ободом называется часть колеса, на которой монтируется шина. По конструкции ободья бывают глубокие неразборные и плоские разборные, которые, в свою очередь, подразделяются на ободья со съемным разрезным бортом, с цельным съемным бортом и разрезным замочным кольцом, а также разъемные (в поперечной плоскости) и с отъемным бортом.

Глубокие неразборные ободья имеют в средней части кольцевое углубление, называемое монтажным ручьем, облегчающее монтаж и демонтаж шины. Размеры ручья зависят от параметров шины. Обод может быть симметричным и несимме-тричным. Неразборные ободья применяется для шин с относительно эластичными бортами. У плоских разборных ободов один из бортов при монтаже шины может отделяться от обода, а затем снова закрепляться на нем.

Дисковое колесо с плоским разборным ободом имеет цельный съемный борт 1 и разрезное кольцо 2. Профиль основания обода 3 выполнен с конической посадочной полкой. Одна закраина составляет с ним единое целое, а роль другой выполняет борт, удерживаемый кольцом 2. Шину свободно надевают на плоский обод, а затем устанавливают детали 1 и 2, причем замочное кольцо 2 закладывается в канавку основания обода 3. От выпадания кольцо 2 удерживает давление сжатого воздуха в шине. Конические посадочные полки основания обода и борта 1 обеспечивают плотную посадку шины на обод и исключают возможность их относительного проворачивания. В конструкции колеса с разрезным съемным бортом функции замочного кольца выполняет сам разрезной борт.

В колесах с отъемными бортами при монтаже шины один борт 1 обода отводится от диска 2, а затем притягивается с помощью большого числа болтов 3, расположенных по окружности диска. В конструкции данного обода предусмотрена металлическая кольцевая вставка (распорное кольцо 4), которая при затягивании болтов обода зажимает борта шины, предотвращая ее проворачивания на ободе. Такая конструкция облегчает монтаж и демонтаж шин, так как для этого необходимо лишь отвернуть и завернуть гайки болтов 3. Ее применяют на машинах высокой проходимости с системой регулирования давления воздуха в шинах.

Рис. Колесо с отъемным бортом: 1 — отъемный борт; 2 — диск; 3 — болт; 4 — распорное кольцо

В конструкциях бездисковых колес используют разъемные (составные) ободья, состоящие из отдельных секторов, образующих при установке сплошной обод с бортами. С внутренней стороны ободья имеют коническую поверхность для центрирования и закрепления на ступице. Соединение обода со ступицей обеспечивается с помощью прижимов 3.

В дисковых колесах крепление дисков к ступице колеса осуществляется с помощью гаек и шпилек. Гайки имеют сферические опорные поверхности для центрирования. Чтобы избежать самоотвертывания при движении ТС, гайки для левых колес имеют левую резьбу, а для правых — правую.