Являясь соединительным элементом между колесным диском и шиной, обод является элементарной составной частью системы «дисковое колесо легкового автомобиля». Все относящиеся к ав­томобилю и его осям задачи выполняются через колесный диск, например, монтаж колеса, центровка и передача динамических сил между автомобилем и поверхностью до­роги. Вот о том, что представляет собой современное колесо легкового автомобиля, мы и поговорим в этой статье.

 

 

Размер колеса в основном зависит от тре­бований тормозной системы, компонентов оси и размера шин.

 

Обозначения на колесах

 

Типичное обозначение современного колеса 6 ¹/₂ Jx16 Н2 ЕТ30:

6 ¹/₂ — ширина обода в дюймах;

J  — форма борта обода;

х — разделительный знак;

16 — диаметр обода в дюймах;

Н2 — наличие хампов (кольцевых выступов) на внутренней и внешней посадочных полках обод_а. ЕТ30 — вылет колеса — расстояние от средней плоскости обода до привалочной плоскости диска (в данном случае — 30 мм).

Обозначение и соответствующие размеры с разрешенными допусками предписаны к обязательному использованию и стандарти­зируются всемирно признанными организа­циями по стандартизации, такими как ETRTO (European Tyre and Rim Technical Organization) и ISO (International Standards Organization) для согласования размеров колес и шин.

 

Определения для колеса

 

Наиболее важные термины для функциони­рования и проектирования колеса:

• Диаметр обода (обозначение);
• окружность обода (измеренное значение);
• Ширина обода (от борта до борта);
• Диаметр центрального отверстия (конструкция);
• Вылет колеса;
• Диаметр окружности под отверстия кре­пления колеса к ступице;
• Количество монтажных отверстий;
• Конструкция контактной поверхности монтажных отверстий крепления колеса к ступице (например, сферическая, коническая, под плоскую головку);
• Контактная поверхность колеса.

 

Монтаж колеса

 

Конструкция колеса и элементов крепления должны отвечать требованиям безопасности движения в любых условиях эксплуатации. Силы на колесе как результат динамической силы, сил торможения, нагрузки на колесо и позиционирования колеса должны под­держиваться общей системой крепления, без ухудшения пределов усталости и функ­ций компонентов колеса и оси. Очень важна тщательная координация параметров тре­ния и геометрии колесных болтов или гаек и контактной зоны колеса при определении моментов затяжки при инженерных расчетах и на практике.

Должны достигаться и соблюдаться про­дольные силы крепления колесных бол­т0в, оказывающие решающее влияние на долговечность болтового соединения, как новых, так и повторно используемых, во всех динамических режимах эксплуатации. Геометрическая конфигурация окружностей под отверстия крепления колеса к ступице, количества и размера элементов крепления зависят от потребностей каждого автопроиз­водителя.

 

 

Варианты конструктивного исполнения ободов

 

В зависимости от предназначения и конструк­ции шины существует целый ряд различных профилей ободов (рис. «Профили ободов колес легкового автомобиля» ):

• С утопленным центром (в легковых авто­мобилях);
• С плоским основанием (особые области применения, составные ободы);
• Для особых колес и шин (например, РАХ, TRX, CTS, ЕН2).

 

Наиболее часто используемые выражения, описывающие конструкцию обода:

• Борт обода (форма борта обода): форма борта обода описывается буквенным обо­значением, например, J, К, JK, В и т.д. Раз­меры высоты борта и ширины профиля различны; варианты использования осно­ваны на предназначении (грузоподъем­ность, расчетная мощность, условия экс­плуатации). Из-за способности держать шину высота борта определяет глубину монтажного ручья. Наиболее распростра­ненная форма — J-образный борт. Борт B встречается на небольших автомобилях и в системах надувных запасных шин. Борты К и JK сейчас используются редко. Раньше они использовались на тяжелых, комфор­табельных автомобилях высшего ценового сегмента.
• Посадочная полка обода: описывает зону контакта шины с ободом. В этой зоне шине придается правильное положение для нор­мальной эксплуатации. Здесь передаются движущие силы. Воздушная камера шины герметизируется в посадочной полке обода;
• Основание обода: это область обода, гер­метизирующая воздушную камеру шины;

• С углублением по центру (глубокий обод): это необходимая форма основания обода для монтажа основания шины при уста­новке и снятии шины;
• Хамп (кольцевой выступ): Хамп — это при­поднятый по всей окружности кольцевой выступ в области посадочной полки обода; в случае низкого давления в шине он предотвращает соскакивание шины с по­садочной полки обода. Предпочтительно располагать хамп на внутренней и внеш­ней посадочных полках (рис. «Формы хампа» ). Основные отличия существуют между стандартным хампом (И) и плоским хампом (FH). Не­давно в стандарты включен расширенный хамп (ЕН2), используемый в некоторых случаях, особенно в системах «run flat» (дающих возможность продолжить дви­жение на проколотой шине).

 

 

Материалы колесных дисков

 

Используются две основных категории ма­териалов:

• Листовой прокат из различных видов кон­струкционной стали;
• Легкие сплавы (алюминиевые, магниевые).

 

Стальные диски

 

Самый дешевый в целом вариант исполнения колес. Высокая степень автоматизации при изготовлении и жесткие допуски для базо­вого материала обеспечивает рациональное и при этом высококачественное производ­ство. Использование высококачественной стали с высокой механической прочностью, хорошей пластичностью и свариваемостью обеспечивает потенциал значительного сни­жения массы.

 

Алюминиевые диски

 

Как альтернатива стали, алюминий обладает хорошей ковкостью и свариваемостью. Высо­кая степень деформационного упрочнения на стадии отливки уменьшает расход материала и толщину стенок, что позволяет изготавли­вать одни из самых легких колесных дисков. В целом затраты на производство выше, и стоимость материала сравнительно высока, что не позволяет расширять спектр областей применения.

 

Легкосплавные диски

 

В основе большинства легких сплавов — алюминиевые сплавы различного состава. Сплавы бывают литые и ковкие. Благодаря более простой и более изменяемой структуре литейных форм наиболее распространены литые сплавы. Прочностные характеристики литых и кованых сплавов могут быть зна­чительно улучшены специальной тепловой обработкой заготовок. Это преимущество используется в ответ на требования к со­противлению нагрузкам при эксплуатации автомобиля с минимальным расходом ма­териала. Вообще, колеса без тепловой обра­ботки используются для основных категорий автомобилей по причине стоимости; низкая прочность материала обычно компенсиру­ется утолщением стенок.

 

Кованные диски

 

Ковкие сплавы обладают хорошей пластич­ностью. Это предполагает хорошую однород­ность структуры базового материала и нали­чие лишь минимума примесей и дефектов. Это достигается путем использования непре­рывного процесса литья, где базовый мате­риал — а в производстве колесных дисков это спицы с круговой секцией — создается путем непрерывного литья и интенсивного охлаж­дения. В процессе производства колес, имею­щих конструктивные элементы в виде спиц, формируется характерная ориентация во­локон. Это означает, что структурный состав материала выравнивается в направлении по­тока и обычно имеет упрочняющий эффект, сравнимый с армированием. Это обстоятель­ство обычно используется для уменьшения толщины стенок и экономии материала.

Хотя сплавы магния и не нашли широкого применения, они используются в отдельных случаях для автомобилей особого назначения и спорт-каров.

 

Пластмассовые диски

 

Использование пластмассы как материала для колес пока находится на стадии раз­работки, в частности, из-за недостаточной прочности при высоких температурах и сложностей в монтаже и изготовлении колес. В частности, термостойкость и непредсказуе­мые перспективные свойства означают, что в настоящее время не имеет особого смысла использовать пластмассы в качестве мате­риала для таких связанных с безопасностью компонентов, как колеса.

 

Процесс производства стальных колес

 

Стальные колеса изготавливаются на авто­матизированных производственных линиях. Диск создается после точной штамповки из листов стального проката заданной толщины с небольшими допусками, в 8-10 этапов де­формации на многопозиционных прессах под давлением около 3000 т. Ободья также об­резаются на точную длину из металлических пластин, изгибаемых в цилиндры и свари­ваемых в точке стыка. Для создания готового обода из закрытого цилиндра используются различные прокатные операции. При боль­шом количестве колес используется поточ­ная отливка для адаптации толщины стенок и распределения материала в профиле обода к нагрузкам, что еще больше снижает массу. В завершение можно сказать, что обод ко­леса калибруется с очень жесткими допу­сками на биение, диски впрессовываются в обод полностью автоматически и вва­риваются в обод с множеством узких швов.

Процесс изготовления стальных колес настолько точен, что готовое колесо может быть направлено в покрасочный цех без ме­ханической доработки. Там, оно обязательно подвергается катодному грунтованию с по­гружением и, в зависимости от требований, на него наносят дополнительный, визуально привлекательный финишный слой.

Особые материалы и методы производства открывают огромный потенциал для снижения массы. На повестке дня сейчас и прессо­ванное алюминиевое колесо — это самая лег­кая конструкция, с целым рядом различных вариантов поверхностей и дизайна. Другой потенциал кроется в прокатке колес (изме­няемая толщина стенок от центра колеса к внешнему стыку колеса). По большому счету основной процесс производства идентичен процессу производства стальных колес.

Базовым материалом для монолитного «разделяемого диска» является круглый диск из алюминиевой пластины (круглая за­готовка). Толщина диска должна быть такой, чтобы покрывалась нужная толщина стенок и в диске, и в ободе. Понятие «разделяемый диск» происходит из производственного процесса, где после придания диску формы, подходящей под обод, верхний край раскры­вается и раскатывается для создания обода.

«Разделяемый диск» также имеет боль­шой потенциал для снижения массы в зави­симости от предполагаемого использования и размера колеса. Однако вскоре он достиг­нет своих технико-экономических пределов.

 

Ковка

 

Базовым материалом для кованого колеса является разделенный диск из секции не­прерывного литья — обычно это цилиндр диаметром около 300 мм. При нагреве до температуры ковки этот диск фасонируется гидравлическими прессами в несколько по­следовательных этапов в заготовку с гото­вым дизайном и прикованным материалом в форме кольца.

Как и в случае с разделяемым колесным диском, внешний кольцеобразный диск также разделяется и раскатывается, образуя обод, после чего заготовка отправляется на обработку.

Для производства легких дисков с ограни­ченными вариантами дизайна, легче поддаю­щимися ковке процесс сокращается лишь до нескольких операций ковки.

Особый вид ковки — создание кованой заготовки в виде толстостенного цилиндра, где основание представляет собой контур дизайна и внутренней стороны колеса. При больших затратах на обработку дизайн обычно на 100% фрезеруется, а основание обода обрабатывается.

 

Литье

 

Наиболее распространенный метод — литье под низким давлением. Здесь расплавленный алюминиевый сплав размещается под муль­дой. Мульда и тигель соединяются между собой через питающую трубку. После за­крывания мульды атмосферное давление в тигиле повышается примерно до 1 бар, что заставляет расплавленный металл в питаю­щей трубке подниматься и заполнять мульду.

Теплота плавления вытягивается в про­цессе отверждения через точно выверенные охлаждающие каналы в мульде. Охлаждение и удаление тепла в процессе отверждения также являются решающими факторами для качества литья. При последующем процессе рентгеноскопии, который большей частью ав­томатизирован, анализируются и отделяются заготовки с дефектами литья, невидимыми снаружи, например, пористостью или уса­дочными раковинами (полости, разрушение материала) согласно заданным параметрам перед отправкой заготовок на оставшиеся этапы производственного процесса.

В процессе «поточной отливки» литая за­готовка получается способом, аналогичным используемому в ковке. Это означает, что приливаемое внешнее кольцо раскатывается, образуя обод в рамках отдельной операции на специальном прокатном станке, и затем обрабатывается. Этот процесс позволяет упростить литье и улучшить свойства мате­риала — в частности, для колес диаметром более 18 дюймов.

Процесс «жидкой штамповки» использует преимущества литья под давлением. Точно отмеренное количество расплавленного алю­миния под высоким давлением вливается в мульду при точно определенных параметрах литья. Большим преимуществом является высокая скорость отверждения с положи­тельным эффектом для структуры матери­ала. Другими преимуществами являются зна­чительно более низкие затраты на обработку (и, стало быть, меньший расход материала) относительно высокий выход и более дли­тельный срок службы мульды. Этот процесс литья используется в отдельных случаях, но требует специальных, относительно сложных литейных машин и мульд.

 

Конструктивные особенности автомобильных колес

 

В случае со стальными колесами диск и обод свариваются между собой. В случае кованых и литых легкосплавных колес преобладает монолитный вариант. Многоэлементные кон­струкции колес, а также колеса, выполненные из разных материалов, применяются только в особых случаях и для гоночных автомобилей. К примеру, здесь используется возможность стандартизированных ободных колец и дис­ков для создания большого количества раз­личных размеров колес. Ободья для колес легковых автомобилей почти всегда имеют центральное углубление с двойным хампом Н2 (очень редко с плоской частью FH), ко­нусную посадочную поверхность (с наклоном конических полок 5°) и J-образный борт. Менее высокие борта с профилем В часто применяются на колесах малолитражных ав­томобилей; борта с большим профилем JK и К сейчас используются редко, и то только на тяжелых грузовиках.

Технология пустотелых спиц с зернами песка или керамики, остающимися в колесе, также дает хорошие возможности для сниже­ния массы, но требует подходящего оформ­ления и специального производственного оборудования.

«Структурные колеса» используются, по­мимо прочего, в качестве запасных колес или основных колес с пластмассовыми колпа­ками. При отсутствии ограничений по стилю, здесь цель — использовать минимальное количество материала для гарантирования безопасности эксплуатации, а также оптими­зировать затраты на эти колеса.

 

Специальные системы колесо/шина

 

Более поздними разработками ободьев, из­готавливаемых ограниченными сериями, яв­ляются ободья TR (в метрических размерах). Они были разработаны компанией MICHELIN для использования с соответствующими ши­нами TRX и обеспечивают больше простран­ства для тормозов. Ободья, изготавливаемые компанией DUNLOP с канавкой Denloc, также требуют специальных шин; при низком дав­лении в шине и в случае падения давления си­стема должна предотвращать соскакивание шины с обода, повышая безопасность и мо­бильность. Система TD (TRX-Denloc) требует для своего применения соответствия колеса и шины. Вопреки общепринятой практике, во всех трех вышеуказанных колесах нельзя использовать другие варианты конструкции ободов или шин или использовать их можно очень ограниченно.

Полностью новой разработкой является колесо с зажимом шины снаружи обода (CONTINENTAL CTS). Эта концепция позво­ляет значительно увеличить конструктивный запас для тормозных систем и осей и про­должить движение со спущенными шинами на ограниченной скорости на расстояние до 100 км и более. Это может снять необходи­мость в запасном колесе. Эта система тоже пока не прижилась на рынке.

Для экономии места и, в определенной степени, массы изначально в США и все больше и больше в Европе в качестве запас­ного колеса предлагается надувная запасная шина (например, складывающиеся шины, мини-запаска). Все системы надувных запас­ных шин снабжаются шинами специальной конструкции, эксплуатационные свойства ко­торых подходят только для движения в ава­рийном режиме и с ограниченной скоростью (около 80 км/ч). Их преимущества являются предметом споров, но популярность растет.

 

Конструктивные критерии колес для легковых автомобилей

 

Конструктивные критерии колес для легко­вых автомобилей:

• Долговечность;
• Хорошая поддержка для охлаждения тормозов;
• Надежный монтаж колеса;
• Низкая концентричность;
• Не занимает много места;
• Хорошая защита от коррозии;
• Малая масса;
• Низкая стоимость;
• Беспроблемная установка шины;
• Хорошая посадка шины;
• Хорошая посадка балансировочного груза;
• Привлекательный дизайн (особенно в слу­чае легкосплавных дисков);
• В настоящее время растет количество требований к аэродинамике автомобиля (значение с_d).

 

Колеса обычно монтируются на автомобиль с помощью болтов или гаек (от трех до пяти). Тип контактной поверхности этих болтов/гаек зависит от изготовителя автомобиля. Пра­вильность установки колеса достигается цен­тровкой колеса на ступице с помощью цен­трирующего буртика. В настоящее время на гоночных автомобилях почти исключительно используются колеса, монтируемые с цен­тральной гайкой и запирающими штырями.

Для улучшения внешнего вида в основном используются декоративные колесные и сту­пичные колпаки, прикрепляемые к колесам с помощью легкосъемных эластичных удержи­вающих пружинных элементов (они исполь­зуются главным образом на стальных дис­ках). В редких случаях применяются также болтовые крепления. Они могут достигать дополнительных эффектов, таких как умень­шение значений c_d и улучшение вентиляции колес для снижения температуры колесных подшипников и тормозной жидкости. Наи­более часто используемый материал для ко­лесных колпаков-термостойкая пластмасса, например, полиамид 6. Однако в некоторых случаях также используются алюминий и штампованная нержавеющая сталь.

 

Напряжение и проверка автомобильных колес

 

Крайне изменчивые и сложные состояния на­грузки в колесе, как компоненте в сочетании с широким спектром условий эксплуатации, требуют особых испытаний на долговечность для обеспечения долговечности колеса при приемлемых затратах. Вообще, динамиче­ские испытания проводятся в испытатель­ных лабораториях на стандартизированной аппаратуре, при этом моделируется ситуация дорожной эксплуатации, близкая к реальной, и достигается хорошая корреляция резуль­татов испытаний с дорожной эксплуатацией. Требования законодательства отдельных стран регламентируют специальные испы­тания как необходимые, например, в случае с легкосплавными колесами — симулирова­ние бокового удара.

Критическими зонами на стальном диске, в частности, являются зоны вокруг сварных швов, монтажные отверстия, борт и вентиля­ционные отверстия. Условия эксплуатации в каждом случае, например, при движении по прямой и прохождении поворотов, создают различные картины повреждений в области сварного шва на впадине с центральным углублением и в колесном диске. Испытания качества материала и сварных соединений, а также поверхностные испытания дополня­ются испытаниями прочности и показывают необходимость в оптимизации изготовления колес.

Легкосплавные колеса проходят аналогич­ные испытания, но, в отличие от стальных дисков, большее разнообразие параметров материала, производства и дизайна означает значительно более высокий уровень требова­ний. Это предотвращает преждевременные отказы из-за отклонений в качестве матери­ала и в производственном процессе. Макси­мальное напряжение возникает в основном на задней стороне колеса в опорной струк­туре ребер и спиц, в редких случаях — на ли­цевой стороне.

Качество материала и обработки оказывает большое влияние на долговечность. Неадек­ватные физические величины, такие как эластичность (расширение) и предел проч­ности на разрыв, могут быть вызваны плохим подводом тепла при литье или тепловой об­работке. Это ведет к появлению пористости и усадочных раковин и дефектам формиро­вания структуры. Задиры, возникающие в зонах высокого напряжения при машинной резке, представляют собой предварительные повреждения, схожие с зазубринами и часто дают начало появлению трещин. Необходимо тщательное, машинное удаление заусенцев в этих зонах или специальные конструктив­ные контрмеры, например, обильно формо­ванные радиусы.

 

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ: