«Уральский завод дорожных машин»

Колеса и шины: История и теория

Колеса и шины: История и теория

Колесо является одной из важнейших частей автомобиля. От характеристики колеса зависят в большей или меньшей степени все качества автомобиля:

  • динамика
  • экономика
  • плавность хода
  • проходимость
  • устойчивость
  • безопасность движения

С характеристикой колеса теснейшим образом связана конструкция силовой передачи и даже двигателя, мостов, подвески, тормозов. Размеры колес определяют объем колесных кожухов, а значит и планировку кузова, и удобства для пассажиров, и обтекаемость формы автомобиля.

На первых автомобилях устанавливали деревянные колеса кареты, затянутые в железный обод, или велосипедные колеса огромного диаметра. Постепенно пришли к мысли штамповать колеса из тонкого стального листа, снабжая их ребрами для повышения прочности и отверстиями для снижения веса.

Непрерывное увеличение числа оборотов вала двигателя, уменьшение высоты и веса автомобиля, улучшение дорог, применение независимой подвески и др. вызвали постепенное уменьшение диаметра колеса. Более чем метровый (вместе с шиной) диаметр первых легковых автомобильных колес сократился к 10-м 20-го века до 800—900 мм, а теперь, как правило, не превышает 650—700 мм. Диаметр обода колес легковых машин снизился с 19—20 дюймов до 13—15, а на некоторых автомобилях до 10—12 дюймов. Между тормозным барабаном и ободом почти не остается места для отверстий в диске.

Все же приходится предусматривать в диске хотя бы щели, иногда и отверстия в колесных колпаках, чтобы охлаждать тормозные барабаны. Может быть, в дальнейшем закрепление обода непосредственно на тормозном барабане еще более упростит и облегчит колесо, так как при этом открывается боковая поверхность барабана, чем создаются хорошие условия для охлаждения. Такое устройство уже применено на отдельных образцах автомобилей.

Рис. За 50 лет наружный диаметр автомобильных колес, диаметр обода и внутреннее давление в шинах резко уменьшились, а сечение профиля шины увеличилось.

С развитием колеса неразрывно связано развитие шины. Даже самые хорошие дороги (а улучшать их стали в некоторых странах только в XX веке) не могут обеспечить легкому автомобилю с жесткими колесами такой плавности хода, какую обеспечивают, например, тяжелому поезду стальные рельсы, уложенные на прочном, массивном основании. Даже при установке очень мягких рессор механизмы первых автомобилей не были предохранены от непрестанных ударов при езде по дорогам того времени. Автомобили начинали разваливаться на части: рассыпались колеса, ломались рессоры, рули «били по рукам», ослаблялось крепление двигателей, трещали по швам кузовы. Конструкторы пытались усиливать, утолщать части автомобиля, что утяжеляло автомобиль. Чтобы привести в действие тяжелые автомобили, нужны были мощные двигатели. С увеличением мощности двигателя вес машины возрастал все больше, а удары колес тяжелой машины на выбоинах и ухабах также были сильней, чем раньше.

Этот «заколдованный» круг удалось разомкнуть только тогда, когда на колеса автомобиля надели пневматические шины. Это уменьшило вес автомобиля примерно в 1,5 раза (его части можно было делать теперь менее массивными и прочными), удлинило срок его службы, сделало езду спокойной и удобной, дало ему возможность передвигаться со скоростью, о которой в XIX веке нельзя было мечтать. Пневматические шины были теми семимильными сапогами, без которых современный автомобиль был бы невозможен.

Конструкторы долго бились над созданием надежной шины. Первые шины лопались буквально на каждом шагу. В начале XX века самые лучшие шины, сделанные на заказ для гонок, приходилось менять на протяжении двух-трех сотен километров десятки раз. Можно без преувеличения сказать, что современные шины сделали бы самый тихоходный автомобиль начала XX века победителем любой гонки того времени.

Вот основные этапы развития шины.

На обод надевают кольцо, сделанное из резинового рукава. Кольцо служит внутренней камерой шины; камеру окружают прочной защитной резиновой покрышкой на парусиновой основе; небольшие гвозди не могут пробить теперь толщу покрышки. Парусиновую основу заменяют каркасом из одних продольных нитей (корд), чтобы уменьшить трение, нагрев и разрушение нитей. Для облегчения смены шин колеса снабжают съемными ободьями, а затем выполняют легкосъемными и сами колеса вместе с шинами.

Давление в шинах все понижается, возрастает объем камеры, т. е. диаметр сечения шины; в современных шинах давление составляет всего 1 —1,7 кг/см2. Наконец, появляются бескамерные шины, у которых плотное соединение края покрышки с ободом колеса создает герметическое пространство внутри покрышки:

  • клапан шины вентиль — устанавливают непосредственно на ободе
  • внутренняя поверхность покрышки покрыта клейкой массой, которая обволакивает отверстие в случае прокола
  • шина срослась с колесом в единое целое

Рис. Разрез бескамерной шины.

Нужно особо отметить деталь колеса, как бы связывающую колесо с шиной, — обод. Обод постепенно становится все шире, обеспечивая шине более широкую опору для сохранения радиальной эластичности шины без чрезмерного увеличения ее боковой эластичности при низком давлении (т. е. получение плавности хода без ухудшения устойчивости).

Таким образом, главными направлениями развития конструкции автомобильного колеса являются: уменьшение его диаметра (особенно диаметра обода) и веса при увеличении ширины обода и профиля шины, повышение эластичности шины, объединение колеса и шины в один неделимый механизм, упрощение конструкции колеса.

Только одно не изменилось в пневматической шине в процессе ее развития — это воздух.

До недавнего времени многие расчеты автомобиля были почти целиком основаны «по старой памяти» на жестком колесе. Однако «поведение» машины на эластичных колесах, особенно при движении с высокой скоростью, оказалось в действительности настолько отличным от «поведения» железнодорожного вагона или телеги, что науку о движении автомобиля пришлось изменить, и это затронуло, практически, все качества автомобиля.

В шине нагрузку от автомобиля главным образом несет воздух. И поэтому существует единый для всяких пневматических шин —старых, новых и будущих, высокого и низкого давления, малых и больших, камерных и бескамерных — закон грузоподъемности шины.

В основе этого закона лежит предпосылка, что на единицу количества воздуха, находящегося в шине, должно приходиться определенное всегда одинаковое количество килограммов нагрузки. Другими словами, отношение нагрузки Gк, приходящейся на колесо, к количеству сжатого воздуха в камере шины должно быть постоянным. Назовем это отношение показателем удельной грузоподъемности шины.

Количество воздуха в шине можно найти, применив закон физики, по которому объем газа уменьшается пропорционально увеличению давления:

po/p = Vk/Vo

Если объем камеры равен Vk, а давление воздуха в ней равно р, то для накачки шины потребуется взять Vo литров воздуха из атмосферы, где давление составляет рo = 1 кг/см2. Из уравнения находим, что:

Vo = Vk * p/po = Vo*p

Теперь можно написать уравнение для показателя удельной грузоподъемности шины, который обозначим буквой nш («эта»):

nш = Gk / Vo = Gk / VkP кг/л

Так как нагрузка на шину воспринимается не только находящимся в ней воздухом, но и (в небольшой степени) корпусом покрышки, жесткость покрышки должна быть учтена при расчетах удельной грузоподъемности шины. Опытным путем доказано, что в данном случае жесткость покрышки для различных шин можно считать более или менее постоянной, поэтому достаточно прибавить к значению давления в шине р постоянную величину; эта величина примерно равна единице. Тогда уравнение показателя удельной грузоподъемности шины для неподвижного колеса примет такой вид:

nшс =Ggk / Vk * (p + 1) кг/л

Необходимо внести в это уравнение еще одно дополнение.

При движении автомобиля на шину действуют не только вес автомобиля, но и центробежные и другие силы. Эти дополнительные нагрузки на единицу объема шины возрастают с уменьшением радиуса колеса, так как увеличивается число оборотов колеса, необходимое для достижения автомобилем той или иной скорости, а следовательно растет центробежная сила и т.д. Поэтому в числитель уравнения нужно включить множитель (поправочный коэффициент), примерно пропорциональный радиусу колеса. Для упрощения принимаем этот коэффициент равным D + 2b / 2, где D – диаметр обода в дюймах, b – размер профиля шины в дюймах, как они обозначены в торго вой маркировке шины. Тогда уравнение принимает вид:

nш = Gk (D + 2b) / 2Vk * (p + 1) кг*дюйм/л

Рис. Размер шины

Объем шины (камеры) можно упрощенно представить как объем геометрического тела, называемого тором (кольцо с круглым сечением, «баранка»), у которого внутренний диаметр равен диаметру обода D, а диаметр сечения равен размеру сечения профиля шины b.

Изучение шин показывает, что действительный объем шины примерно на 25% меньше подсчитанного таким образом ее объема, так как сечение шины не совсем круглое.

Коэффициент nш равен для шин легковых автомобилей 77,5, для шин грузовых — несколько ниже (в связи с большим сроком ходимости): 70,5 для шин с сечением до 10 дюймов и 60,5 для шин большего размера. Зная показатель удельной грузоподъемности шины, можно с достаточной точностью определять допустимую нагрузку на шину, внутреннее давление в шине для данных условий работы и т. д.

На основе этих законов разработаны номограммы (графики) для выбора шин. Из рассмотрения номограмм для шин легковых автомобилей можно сделать вывод, что существует зависимость между рекомендуемой наибольшей (по нагрузке на шину) скоростью автомобиля Va, наружным диаметром шины (или радиусом ro) и внутренним давлением в шине.

Номограмма для легковых автомобилей состоит из четырех графиков. На верхнем левом (главном) графике, на левой (вертикальной) оси нанесены значения наружного диаметра шины Dk, на поле графика — две группы кривых: для диаметров обода D и для ширины профиля b.

Рис. Номограмма для определения характеристики шин легковых автомобилей. Пример пользования номограммой показан жирной линией.

Рис. Номограмма для определения характеристики шин грузовых автомобилей.

Горизонтальная ось графика связана с нижним левым графиком, вертикальная шкала которого показывает давление в шине, а кривые на поле графика соответствуют различным нагрузкам, приходящимся на колесо. Два правых графика служат для уточнения характеристики шины в случае, если нужно эксплуатировать шину со скоростями, большими чем нормальная.

На номограмме толстыми линиями показан пример пользования ею. Пусть будут заданы: наружный диаметр шины около 700 мм (около 28 дюймов), желательное по соображениям плавности хода и устойчивости давление в шине 2 кг/см2, нагрузка на шину 420 кг.

Находим на вертикальной оси главного графика значение 28 дюймов и проводим отсюда горизонтальную линию. Затем находим кривую нагрузки 420 (между кривыми 400 и 450) и точку ее пересечения с горизонталью, соответствующей давлению в шине 2 кг/см2; из этой точки пересечения проводим вертикальную линию до пересечения с проведенной ранее прямой на уровне 28 дюймов. Точка пересечения указывает искомые ширину профиля и диаметр обода.

Это шина 6.00—16, устанавливаемая на автомобиле М-20 «Победа», причем рекомендуемая наибольшая скорость движения составляет около 113 км/час (правый верхний график).

При необходимости изменить один из параметров потребуется изменить и некоторые другие. Так, если скорость систематически или в продолжительном пробеге составляет 120 км/час, нужно уменьшить нагрузку или увеличить давление в шине до 2,25 кг/см2 (правая нижняя часть номограммы), что должно быть учтено при выборе жесткости подвески.

Номограмма для грузовых автомобилей не имеет правых двух графиков. В остальном пользоваться ею можно так же, как и описанной выше номограммой для легковых автомобилей. Если измерить расстояние от центра неподвижного колеса до поверхности дороги, называемое статическим радиусом rс, оно окажется меньшим, чем наружный радиус колеса с шиной ro, измеренный в других точках, так как вследствие эластичности шина сминается под действием нагрузки. Величина ro — rc = fш называется статическим прогибом шины (т. е. прогибом шины в положении, когда автомобиль неподвижен). Нагрузка в кг, вызывающая статический прогиб в 1 см, определяет жесткость шины. Жесткость шины Сш в кг/см2 находится из уравнения

Cш = Gk / fш

где Gk — нагрузка на колесо в кг

fш — статический прогиб шины в см

Рис. Радиусы колеса с шиной

При движении автомобиля в связи с увеличением давления в шине от ее нагрева и вследствие действия центробежной силы радиус колеса слегка увеличивается. Наоборот, при передаче крутящего момента радиус может несколько уменьшиться. Таким образом при движении автомобиля так называемый радиус качения rk может изменяться, но это изменение так незначительно (3—6 мм), что дальше оно учитываться не будет, поэтому можно считать rc = rk.

Таблица. Сравнение размеров зарубежных шин прежних и современных выпусков

Решающее значение для грузоподъемности шины имеет сечение профиля, а не диаметр обода. О том, как влияет введение уменьшенных диаметров ободов и увеличенных профилей шин на их удельную грузоподъемность (или нагруженность), свидетельствует сравнение показателя nш для новейших заграничных шин и шин первых выпусков. Первые шипы иностранных фирм имели так же, как и отечественные, постоянный, но несколько более высокий показатель nш по сравнению с показателем для современных шин, так как в то время фирмы задавали большую нагрузку на шины. Это делалось по коммерческим соображениям, а также вследствие наличия большого процента натурального каучука в шинах и в расчете на работу легковых автомобилей в основном в условиях хороших городских дорог и на автомагистралях. Нагруженность введенных новых шин резко снизилась, несмотря на сохранение наружного диаметра и снижение давления в шинах для улучшения плавности хода автомобиля. Снижение нагруженности шины вызвано стремлением без ущерба для ее срока службы увеличить скорость автомобиля.

Увеличить скорость, улучшить условия перевозки пассажиров и груза, продлить срок службы и тем самым повысить экономичность автомобиля — это наиболее заметные направления развития колес и шин, и они полностью совпадают с главными задачами по усовершенствованию автомобиля.

  • Колеса и шины
  • Монтаж и демонтаж шин
  • Шины. Типы шин

Метки: Колеса, Шины

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>