Развитие конструкции колес и шин

Работа колеса достаточно проста: образуя связь между шиной и ступицей колеса, оно передает все силы из кон­такта колеса с дорогой через стенки и борта шины ступице к автомобилю. Поэтому колесо должно быть легким, простым, дешевым и по возможности простым в производ­стве.

Гремящие стальные колеса первых автомобилей были жесткими - даже самые лучшие рессоры не спасали от ударов. Поэтому колесо с надетым резиновым обручем представляло большой прогресс. Оно "проглатывало" небольшие неровности дороги, крупные же следовало объезжать.

Спицованные (экипажные) колеса со спицами крест-накрест заменили стальными и легко­сплавными дисковыми колесами, представляющими собой металлический диск с неразборным ободом. Стальные колеса изготавли­вают методом штамповки из листово­го металла с последующей сваркой со­ставляющих элементов. Их внешний вид сегодня улучшают декоративными колпаками, в основном, из литого нейлона.

Достоинст­вами стальных колес являются невысокая стоимость и способность передавать большие нагрузки. К не­достаткам следует отнести большую массу колеса и широкое поле допусков на изготовление, требующее тщательной балансировки.

Легкосплавные колеса изготавливают методом литья или ковки, причем наилучшими являются кованые, имеющие мелкозернистую структуру и высокую проч­ность, но литые дешевле. Первой была французская компания Bugatti, которая с 1924 года отливала из алюминиевого сплава колеса для спортивных автомобилей. Легкосплавные колеса стоят дороже стальных из-за стоимости материала (сплавы на ос­нове алюминия, магния и титана) и финишной машинной обработки. Кроме того, колеса на основе магниевых сплавов требуют специального антикоррозион­ного покрытия.

Стальные и легкосплавные ко­леса крепятся или на центрирующей втулке с последующим креплением 3…6 болтами (на старинных и классических автомобилях с устаревшими спицевыми колесами одной большой гайкой), или с помо­щью четырех или пяти шпилек, которые точно размещают­ся на ступице, к которым колесо крепится гайками специ­альной формы, притягивающими колесо в точно отцентри­рованное положение.

Композитные материалы дают большую экономию веса колесам. Еще в 1971 году Citroen изготовил углепластиковые армированные колеса для спортивного автомобиля SM. Колеса весили немногим больше 4 кг каждое в срав­нении с 9,5 кг стандартного штампованного колеса.

Компактность бесступенчатых вариаторов позволяет встраивать их в ступицу ведущего колеса, в том числе совместно с бортовой понижающей передачей, образуя вариоколесо (Рисунок 7) для автомобилей с несколькими ведущими осями, землеройных машин, автобусов. Исследования вариоколеса на основе двухскатных бездисковых колес для автобусов Ikarus проводились Н.В.Гулиа и С.А.Юрковым. Требуя усложненного подвода мощности в сравнении с мотор-колесами, оно имеет меньшие габариты, массу, сложность, стоимость устройства (встроенного в колесо или располагаемого на шасси), больший КПД (0,8 при трогании автобуса с места, 0,96 при максимальной скорости). Вариоколеса и мотор-колеса обеспечивают бесступенчатое изменение частоты вращения и момента колеса, отсутствие межколесных и межосевых дифференциалов, возможность установки независимой подвески ведущих колес. Система управления обеспечивает принудительное регулирование передаточного отношения при скоростях движения до 10 км/час (маневрирование на стоянках) и автоматической коррекцией передаточных отношений левого и правого вариоколес в зависимости от угла поворота управляемых колес. Как и мотор-колеса, вариоколеса могут использоваться как для обычных схем силовых агрегатов с приводом только от двигателя, так и для гибридных схем, включающих накопитель энергии (Рисунок 7).

Перспективной считается замена сцепления двигателя высокомоментным синхронизатором с размещением сцепления с пневматическим управлением непосредственно в вариоколесе, в свободном пространстве между бортовым редуктором и ободом колеса, что повышает ресурс трансмиссии.

Рисунок 7. Слева - вариоколесо на основе двухскатных бездисковых колес (1 - полуось, 2 - центральные фрикционные диски, 3 - пакет тарельчатых пружин, 4 - промежуточные конические диски, 5 - ось, 6 - водило, 7 - неподвижные внешние фрикционные диски, 8 - корпус, 9 - плоские дисковые пружины, 10 - прорезной диск штатного бортового планетарного редуктора (выходное звено вариатора), 11 - полумуфта, 12 - винт,

13 - пружины сжатия, 14 - ролики, 15 - поворотные рычаги, 16 - сервомотор, 17 - планетарный или волновой понижающий редуктор, 18 - коническая передача, 19 - винты системы управления, 20 - гайка), справа - принципиальная схема гибридного силового агрегата автомобиля (автобуса) с использованием вариоколес (1 - двигатель, 2 - сцепление, 3 - ведущая шестерня главной передачи, 4 - супермаховик, 5 - реверс в виде зубчатой или кулачковой муфты, 6 - полуосевые колеса переднего хода, 7 - полуосевые колеса заднего хода, 8 - полуось, 9 - вариоколесо)

Размеры колес и ширина их обода увеличились после периода исполь­зования очень маленьких колес для сниже­ния неподрессоренных масс и уменьшения колесных арок, уменьшающих пространство для ног и размеры задне­го сиденья и багажника. В 1970-х использовались колеса с ди­аметром обода 10^//, а большинство автомобилей среднего размера имели 13^// колеса. Сегодня колеса размером 13^// наиболее маленькие из использующихся, автомобили среднего размера имеют 15^// колеса, а большинство ав­томобилей высшего класса и специальных автомобилей вы­сокой мощности комплектуются колесами диаметром 17^// или 18^//. Аналогично увеличилась ширина обода, отдавая дань моде на широкопрофильные шины.

Техническая задача шины - выдержать вес автомобиля, создавая и передавая все на­грузки, связанные с ускорением, торможением и управле­нием.

Интересна история шин. Англичанин Роберт Томпсон (Robert Thomson) в 1845 году намеревался запатентовать пневматические шины, однако о патенте забыли.

В 1847 году англичанин Хэнк надел на колеса кареты монолитные резиновые шины, на большой скорости плохо смягчающие толчки. С 1873 года началась немецкая резиновая промышленность (Continental Cauchuc и Gutta Company). В 1887 году шотландец Джон Данлоп (John Dunlop) свернул в круг резиновый шланг, вставил клапан собственного изготовления и приклеил эти шины на трехколесный велосипед сына, который ездил лучше, оставляя едва заметные следы. Год спустя Данлоп получил патент на это изобретение. Имея преимущества, пневматические шины плохо держались на колесах, возникали трудности обнаружения дефектов.

О проблемах пневматических шин заботились, в основном, гонщики, для которых была важна быстрая замена шины. Во Франции Эдуард Мишлен (Edouard Michelin) в 1885 году смонтировал пневмошины на колеса автомобиля Peugeot и вместе с братом принял участие в первых автогонках Париж - Бордо - Париж. Он разработал съемные ободья, крепимые на дисках с помощью болтов. Не смотря на то, что Мишлен вынужден был 65 раз заменять проколотые шины, преимущества изобретения были налицо. Впоследствии братья в 1896 году основали собственную фабрику по производству пневматических шин, приостановив вторжение английских шин во Францию.

Большие трудности вызывала замена шин на несъемных колесах, имевших всеобщее распространение. Английская фирма Rudge-Whitworth с 1908 года начала изготовлять быстросъемное лучеобразное колесо с канавкообразным пазом, крепимое одной центральной гайкой барашкового типа. В гоночных и спортивных моделях на винте имелись два выступа для закрепления либо ослабления посредством маятникового механизма.

В 1923 году Michelin вводит кордную ткань для несущей структуры шины. Металлокордные шины длительно использовались для всех транспортных средств небольшой грузоподъемности, но требования повышения топливной экономично­сти и сцепления, уменьшения шума и сопротивления качению шин привели к их вытеснению. Была создана шина «Комфорт» с внутренним давлением 2,5 атм и ресурсом 15 000 км - фактически первая диагональная шина современного типа (до нее автомобильные шины имели давление 5…6 атм). На плавающем немецком полноприводном грузовике-амфибии «GMC-DUKV» в 1944 году впервые появилась система централизованного регулирования давления воздуха в шинах.

В 1946 году в Европе состоялась шинная революция. Фирма Michelin запатентовала радиальные шины (нити корда расположены по ра­диусу покрышки под углом к экватору 85…90°), разработав при этом конструкцию и технологию шин радиального типа (Рисунок 8). В диагональных же шинах слои корда расположены перекрестием с углом наклона нитей корда к эквато­ру покрышки 35…38°. Первая успешная серийная радиальная шина Michelin серии «Х» увидела свет в 1953 году. Радиальное расположение нитей корда уменьшило внутренние потери и обусловило меньший расход топлива.Преимуществами радиальных шин по сравнению с диагональными являются меньшее сопротивление ка­чению, лучшее сцепление с дорогой, высокая износостойкость и больший срок службы.

Рисунок 8. Конструкции колес и шин: слева - эволюция колес, справа - конструкция шины: а) виды рисунков протектора (1 - дорожный рисунок протектора, 2 - рисунок протектора повышенной проходимости, 3 - универсальный рисунок протектора,

4, 5 - рисунки протектора для грязных и заснеженных дорог, 5 - асимметричный рисунок протектора с установленными с одной стороны шипами противоскольжения);

б) и в) конструкции соответственно диагональной шины с камерой и бескамерной радиальной шины (1 - протектор, 2 - камера, 3 - каркас, 4 - борт обода колеса, 5 - посадочная полка обода колеса. 6 - вентиль, 7 - борт покрышки, 8 - боковина покрышки,

9 - защитный поясок покрышки, 10 - сердечник, 11 - брекер, 12 - каркас, 13 - герметизирующий слой)

Появление на рынке радиальных экономичных шин оказалось как нельзя кстати - в Европе ощущалась нехватка топлива, вызванная Суэцким кризисом 1956 года. Широкое распространение радиальных шин начинается в семидесятых, а к девяностым они практически полностью вытесняют диагональные. В 1948 году американская компания Goodyear, освоила производство бескамерных шин, а в 1950 году представила самозаклеивающиеся при проколе шины. В 1953 году компания Dunlop представила первые серийные бескамерные пневматические шины (в настоящее время - большинство автомобильных шин). Камерная шина со­стоит из покрышки и камеры, бескамерная же по бортам имеет уплотнительный слой и кольцевые уп­лотнения, обеспечивающие плотную посадку на обод колеса. Во избежание утечки воздуха внутренняя поверх­ность шины покрыта герметизирую­щим слоем резины толщиной 2 мм, а борта шины содержат уплотняющий слой резины.

В 1990-е годы появилась тенденция к широким шинам, особенно на спортивных и дорогих автомобилях, отражающая скорее моду, чем тех­ническую необходимость. Ошибочно мнение, что широкая шина улучшает сцепление с дорогой. Напротив, приводит к уве­личению сопротивления качению, уровня шума и снижению управляемости автомобилем. Достаточно уве­личить площадь контакта с дорогой, снизив давление в шинах.

Несмотря на ограничения скорост­ных режимов, индексы максимальной безопасной скорости шин постепенно возрастают (индекс скорости выше, чем максимально возможная скорость ав­томобиля). Большинство шин для автомобилей среднего раз­мера сейчас имеют индекс «Т» с максимальной скоростью 190 км/час. Индекс скорости «Z» характеризует шину для движения со скоростью свыше 240 км/час.

Ведущие шинные компании усиленно работают над сни­жением сопротивления качению шин (при скорости 100 км/час сопро­тивление качению составляет 20% всех сил сопротивления) для улучшения топ­ливной экономичности, разрабатывая новые материалы для протектора. Исследования включают в себя аспекты молеку­лярной структуры эластомеров. Например, Michelin утверждает, что ее серия «зеленых» шин снижает сопротивление качению на 35% без потери сцеп­ных свойств и дает экономию расхода топлива от 3 до 5% при небольшом снижении давления в шине.

Растет рынок специализированных шин, особенно для внедорожных автомобилей. Агрессивный, разреженный рисунок протектора, применяемых на SUV, являются луч­шим средством для отвода воды во избежание аквапланирования, но сама шина имеет большое сопротивление качению и уровень шума на сухих усовершенствован­ных покрытиях.

Ос­новной особенностью «зимней» шины, часто имеющей «внедорожный» рисунок протектора для врезания в свежий снег и удаления его, считается другой состав резины протектора, который должен иметь хорошее сцепление с дорогой при отрицательных температурах. Улучшения, вне­сенные в конструкцию таких шин за последние годы, сдела­ли менее популярными шипованные шины, даже в тех стра­нах, где они разрешены к использованию (во многих стра­нах запрещено применять из-за повреждений дорожных покрытий). Недостатком зимних шин является повышенный износ, когда они эксплуати­руются при температурах, значительно превышающих тем­пературу замерзания. Поэтому целесообразно иметь два комплекта шин, один для зимы, другой для лета, и дважды в год их менять.

Обычно автомобили имеют запасную шину и инстру­менты для замены колеса в случае прокола. Страх водите­лей перед возможностью прокола шины остается, несмотря на то, что по статистике на неперегружаемом автомобиле в хорошем состоя­нии проколы случаются не чаще, чем после пробега 90 000 км и выше. Однако применение более широких и больших колес и шин со­здает проблемы в размещении запасного колеса, особенно в спортивных автомобилях, что привело к созданию запасных колес «докаток», которые имеют стандартный радиус, но делаются более узкими и способны выдерживать стандарт­ную нагрузку (выдерживать различные скорости и боковые силы) за счет поддержания более высокого внутреннего дав­ления. Британские потре­бители не принимают эту концепцию, поэтому автомобили на британском рынке оборудуются полноразмерными запасными колесами, выпира­ющими из углублений, которые изначально были предназначе­ны для «докаток». С течением времени ответ на эту пробле­му может найтись в применении безопасных шин.

«Непрокалываемые» (безопасные) шины были актуальны для автомобильной промышленности в течение большей части столетия. Технические разработки включали в себя самогер­метизирующиеся шины, шины, способные двигаться, даже когда протыкаются, и системы, предупреждающие водите­ля, когда падает давление в шине ниже определенной вели­чины (шина, работающая после прокола, дол­жна иметь систему предупреждения). Недавние исследования и разработки сконцентрировались на создании шин «run flat», остающихся работоспособными в спущенном состоя­нии. Они должны удерживать­ся на ободе колеса и обеспечивать достаточное (хотя и умень­шенное) сцепление с дорогой с возможностью управления ав­томобилем, чтобы проехать определенное расстояние с ограниченной скоростью. Хотя, такие шины, предпочитают называть шинами «расширенной мобиль­ности», а не шинами «run flat».

Концепция шин «run flat» могла бы остаться продукцией высокой стоимости для автомобилей служб бе­зопасности, если бы в США не появился потенциально мас­совый рынок, а потребители проявили озабоченность, что остановка в дороге для заме­ны колеса делает их «приманкой» для преступ­ников. Компания Michelin быстро изготовила модифици­рованную версию стандартной шины MXV4ZP (zero pressure - нулевое давление) с тяжелыми усиленными бо­ковинами, выдерживающими вес одного угла ав­томобиля при пробеге 80 км со скоростью 90 км/час. Поте­ря давления в шине не приводит к потере возможности управления автомобилем. Компания Goodyear вы­пустила шину ЕМТ, предлагающую больший пробег в спущенном состоянии и лучшее поведение автомобиля, поскольку эти тре­бования были заложены изначально при ее проектировании. В действительности, обе шины в случае прокола становятся вдвое более узкими, твердыми резиновыми ко­лесами. В обычных условиях они не могут быть демонтиро­ваны с обода, а их характеристики в спущенном состоянии определяются детальной конструкцией их боковин. К сожа­лению, они имеют несколько увеличенный вес за счет уве­личения толщины и веса боковин.

В 1997 году компания Michelin объявила о создании прин­ципиально новой шины PAX, первоначально называвшей­ся PAV (Pneu Accrochee Verticale - вертикально оседающая шина). Шина имеет внутри усиленное кольцо, на кото­рое опирается спущенная шина, и ее пробег в таком состоя­нии составляет до 160 км при скоро­сти до 88 км/час. Шина имеет дополнительные пре­имущества при работе в нормальном, не спущенном состоянии: сопротивление прокалыванию, луч­шее сцепление с мокрой дорогой, лучшая управляемость и плавность хода. Большим недостатком шины является то, что она устанавливается на колесный обод совершенно новой конструкции и не может быть взаимозаменяемой с обычными шинами.

Шины, позволя­ющие двигаться в спущенном состоянии, дают возможность обойтись без запасного колеса, сэ­кономив вес и пространство в автомобиле.