Автолюбителю

Легковые автомобили

Учебное пособие для средней школы

4.1. Устройство и работа автомобильного колеса

Устройство шины. Автомобильное колесо является одним из важнейших и сложных устройств машины. Оно представляет собой диск или обод со спицами, которые вращаются на оси. Первое колесо в виде деревянного диска с осью было изобретено на Древнем Востоке за четыре тысячи лет до нашей эры, а колесо со спицами и гнутым ободом появилось за две тысячи лет до нашей эры. Любопытно, что во всем многообразии природы нет устройства, которое можно было бы назвать колесом. Колесо — это великое изобретение человечества. Конечно, современные автомобильные колеса имеют обод, диск или спицы, выполненные не из дерева, а из металла или пластмасс. Но принцип действия колеса со временем не изменился: диск или спицы с ободом вращаются на оси.

Можно назвать три основных назначения автомобильного колеса. Во-первых, колеса являются движителем, т. е. устройством, преобразующим работу двигателя в работу, связанную с движением автомобиля. Во время работы колеса при взаимодействии шины с поверхностью дороги возникает сила тяги, которая и является движущей силой автомобиля. Во-вторых, колесо благодаря шине работает как упругая опора, является своеобразной пружиной. Она смягчает удары и толчки и обеспечивает плавность хода машины. Как упругая опора колесо воспринимает нагрузки, передающиеся от автомобиля на дорогу. Наконец, в-третьих, колесо служит направляющим устройством, с помощью которого осуществляется поворот автомобиля. Работа колеса связана практически со всеми эксплуатационными свойствами легкового автомобиля — разгоном и торможением, управляемостью и устойчивостью, плавностью хода и, наконец, что наиболее важно, с безопасностью движения.

Колесо легкового автомобиля (рис. 4.1) состоит из следующих основных частей: пневматической шины /, обода 2, диска 3 и ступицы 4. Обод и диск предназначены для установки шины и соединения ее со ступицей колеса. Ступица обеспечивает крепление колеса на мосту или рычагах подвески и дает возможность колесу вращаться.

Пневматическая шина / представляет собой оболочку, наполненную сжатым воздухом. Основными элементами пневматической шины являются каркас 5, борта 6, протектор 7, а также камера с вентилем 8 для накачки шины воздухом. Камера, удерживающая сжатый воздух во внутренней полости шины, представляет собой эластичную кольцевую резиновую трубку с толщиной стенки 2...3 мм. Шину отдельно от камеры называют покрышкой.

Каркас шины является главной частью покрышки. Он воспринимает давление от сжатого воздуха, а также нагрузки, передаваемые шине в результате ее взаимодействия с поверхностью дороги.

Каркас шины выполняется из специальной ткани, которая называется кордом. Как и любая другая ткань, корд образован параллельно уложенными нитями основы, соединенными редкими поперечными нитями утка. С обеих сторон корд покрывают тонким слоем резины. Уток удерживает основу во время обрезинивания, в дальнейшем при изготовлении шины уток разрушается. Промежутки между нитями корда заполнены резиной. Во время работы шины нити корда могут перемещаться за счет податливости резины. Нити корда изготовляют из вискозы, капрона или нейлона, а также из металла (свитые из тонких стальных проволок). Каркас шины состоит из нескольких слоев обрезиненного корда, сложенных крест-накрест. Кордные слои каркаса закрепляются на бортах шины. В бортах установлены кольца из стальной проволоки, вокруг которых обвернуты слои корда. Борт шины — жесткая часть покрышки, с помощью которой шина закрепляется на ободе колеса. Протектором называется толстый слой резины, расположенной на наружной поверхности шины и непосредственно соприкасающейся с поверхностью дороги. Канавки и выступы на наружной, беговой поверхности протектора образуют рисунок протектора. Протектор предохраняет каркас шины от повреждений, а его рисунок обеспечивает сцепление колеса с дорогой. Боковина представляет собой резиновый слой, покрывающий боковые стенкн каркаса и предохраняющий его от внешних воздействий. На легковых автомобилях большое распространение получили бескамерные шины. У этих шин полость, заключенная между покрышкой и ободом, должна быть герметичной. Для этого внутренняя часть шины имеет герметизирующий слой резины толщиной около 2 мм. Борта шины содержат уплотняющий слой резины. Обод и место крепления вентиля на нем также не должны пропускать сжатый воздух.

* Изобретение в 1888г Данлопом пневматической шины имело решающее значение для развития безрельсового транспорта вообще и автомобилей в частности. Трудно представить современный автомобиль без пневматических шин. Можно утверждать, что развитие конструкции легкового автомобиля напрямую связано с созданием и совершенствованием шин, производство которых стало возможным в результате создания новой отрасли промышленности. Шинные заводы, заводы синтетического каучука, кордные фабрики — далеко не полный перечень производств, необходимых для изготовления «обуви» для автомобилей.

Особо большую роль в повышении качества шин сыграло изобретение кордной ткани. Уже в 1893 г. появились покрышки, изготовленные с применением каркаса из кордной ткани. В начале XX в. начали изготовлять шины с рисунком на протекторе.

До 1925 г. пневматические шины закреплялись на ободе колеса с помощью специального замка. Шины имели кольцевые выступы на бортах, которые входили в соответствующие впадины закраин обода. Вот такое ненадежное крепление имели Шины вначале. В последующие годы от ненадежных замков на бортах покрышки пришлось отказаться. Повсеместное распространение получили прямобортные шины (без замков на борту), которые применяются и в настоящее время.

Основные элементы современной шины, такие, как кордный каркас, прямые борта, рисунок протектора, камера с вентилем, были разработаны уже в начале 30-х гг. нашего столетия.

Дальнейшее развитие конструкции шины связано с применением безопасных бескамерных шин. В нашей стране в 1961 г. большая часть шин для легковых автомобилей выпускалась бескамерными.

В зависимости от конструкции каркаса различают шины с диагональным и радиальным расположением нитей корда. В диагональных шинах слои корда в каркасе / расположены перекрестно (рис. 4.2, а). Угол наклона нитей корда к экватору покрышки обычно составляет 35...38°. В шинax высокоскоростных (гоночных) автомобилей этот угол делают меньше. Нити корда каркаса радиальных шин расположены по радиусу покрышки под углом к экватору 85...90е (рис. 4.2, б). По наружной поверхности радиальных слоев каркаса накладывают пояс — брекер 2, состоящий из нескольких слоев, чаще всего металлокорда. Угол наклона нитей корда пояса к экватору близок к нулю. Расположенный снаружи нерастяжимый пояс охватывает каркас. Радиальные шины имеют более широкий профиль, чем диагональные шины. Его оценивают по отношению высоты Н к ширине В (см. рис. 4.1): для шин обычного профиля #/В=0,9, а для широкопрофильных—#/В=0,6...0,8.

Радиальные шины впервые были выпущены фирмой «Мишлен» (Франция) в 1961 г. Они имели каркас с радиальным (от борта к борту) расположением нитей корда и пояс из трех слоев металлокорда.

Основными преимуществами радиальных шин являются меньшее сопротивление качению, лучшее сцепление с дорогой и значительно больший срок службы из-за малого изнашивания протектора, что достигается за счет работы пояса, охватывающего каркас, особенно если он изготовлен из металлокорда  (рис. 4.2, б).

Требования, предъявляемые к шинам. Надежность работы легкового автомобиля во многом зависит от качества шин. Прежде всего к ним предъявляются требования, связанные с обеспечением безопасности движения. Конструкция автомобильной шины должна быть такой, чтобы не происходило разрыва покрышки, что обеспечивается прочностью каркаса, ограничениями давления сжатого воздуха внутри шины и внешней нагрузки на шину. Давление сжатого воздуха, при котором возможен разрыв покрышки, должно превышать рабочее давление в шине не менее чем в 10 раз. Кроме того, безопасная работа шины возможна лишь при надежном креплении бортов. При существенном снижении давления вследствие недосмотра или какого-либо повреждения, при значительных боковых[воздействиях на шину происходит смещение бортов покрышки на ободе, и автомобиль может потерять устойчивость и управляемость. Безопасность легковых автомобилей можно значительно повысить, применив бескамерные шины. Герметизирующий внутренний слой покрышки охватывает проколовший шину гвоздь (рис. 4.3, а) или другой предмет, выход сжатого воздуха замедляется или прекращается. Камера шины при проколе растягивается, что увеличивает прокол, и даже при незначительном повреждении воздух быстро выходит из камеры

Следующая группа требований к качеству шины связана с ее назначением. Шина должна обеспечивать надежное сцепление автомобильного колеса с поверхностью дороги при прямолинейном движении и повороте в различных погодных условиях (например, во время дождя или гололеда). Кроме того, к шинам предъявляются высокие требования по плавности хода, снижению шума и вибраций при качении колес. Выполнение этих требований зависит от качества резины и рисунка протектора, конструкции каркаса и давления сжатого воздуха.

С рисунком протектора связано еще одно требование, которому должна удовлетворять шина при движении автомобиля по мокрому асфальту. В этом случае сцепление шины с дорогой определяется глубиной водяного слоя на дороге и скоростью движения. И то и другое способствует процессу «всплытия» шины, или, употребляя специальную терминологию, появлению акваплаванирования. Склонность к аквапланированию зависит от давления шины на поверхность дороги, от рисунка протектора и толщины водяной пленки.

Конструкция шины должна обеспечивать удобный монтаж и демонтаж покрышки, а также хорошую балансировку колес. Протектор должен иметь одинаковую толщину, а масса покрышки и камеры должна быть равномерно распределена по всему объему шины. Однако добиться идеального выполнения этих условий практически невозможно, и колеса с шинами перед установкой на автомобиль проходят балансировку на специальных стендах. При несбалансированных колесах повышается неравномерный износ протектора, ухудшаются устойчивость и плавность хода автомобиля.

Наконец, существуют требования, связанные с экономичностью. Кроме приемлемой цены на шину, экономичность определяется сроком ее службы. (Часто срок службы, определяемый тысячами километров пробега, называют ходимостью шины.) Срок службы шины связан с равномерным износом протектора. Достаточная глубина рисунка протектора новой шины составляет 8...9 мм. Если глубина рисунка протектора в результате износа становится меньше 1...2 мм, эксплуатировать шину нельзя.

Сможет быть увеличена за счет восстановления рисунка протектора. Восстановленная шина значительно дешевле новой. Но водитель должен четко представлять себе, что у такой шины снижается, особенно при большой скорости движения, прочность. Она уступает новой шине и по сроку службы. Кроме того, восстановленная шина затрудняет балансировку колеса.

Конструкции шин. Рассмотрим конструкцию диагональной бескамерной лины (рис. 4.4). Бескамерная шина имеет внутренний герметизирующий слой 5 толщиной 1,5...3 мм. Слои нитей корда каркаса 4 расположены перекрестно. На ободе 7 колеса смонтирован вентиль

Концы слоев корда с обеих сторон завернуты вокруг стальных колец борта покрышки 1. Кольцо обматывают тонкой прорезиненной тканью (оберткой). Покровный слой резины на1 бортах гладкий.

Протектор шины 2 имеет рельефный рисунок и так называемый под-канавочный слой 8. При слишком тонком подканавочном слое протектор растрескивается и уменьшается прочность каркаса, а при излишне толстом подканавочном слое ухудшаются условия охлаждения шины и увеличивается нагрев покрышки. Высокий рельефный рисунок протектора утяжеляет шину, увеличивает сопротивление качению колеса.

Протекторы с продольными канавками (ребрами) имеют повышенное сцепление с дорогой в боковом направлении и недостаточное на мокрых и скользких дорогах в продольном направлении, а протекторы с поперечными канавками обладают противоположными свойствами, поэтому наибольшее распространение получили протекторы, рисунок которых имеет продольно-поперечные канавки. Создание рисунка протектора шины сопровождается кропотливой экспериментальной проверкой качества шины. Наилучший для заданных условий работы шины рисунок протектора отрабатывают в течение длительного времени. Протекторы и его рисунок совершенствуют и видоизменяют в соответствии с результатами испытаний шины и опытом ее эксплуатации. Этим объясняется большое многообразие рисунков протектора шин легковых автомобилей и неограниченные возможности создания новых рисунков.

Рисунок протектора в значительной степени должен удовлетворять требованиям, предъявляемым к шинам. В связи с этим разделяют шины с дорожным, универсальным и специальным рисунком протектора. Последние предназначены для эксплуатации по снегу и грязи. На автомобилях «ВАЗ-2108», -2109», «ЗАЗ-1102» обычно устанавливают радиальные шины с дорожным рисунком протектора, а на автомобилях «ВАЗ-2121»— диагональные шины с универсальным рисунком протектора. Шины с дорожным рисунком протектора имеют от 4 до 7 ребер высотой 8...9 мм. Поверхность протектора выполнена округленной и по краям переходит в заплечики 9 (см. рис. 4.4). Заплечики улучшают сцепление при повороте. Между каркасом и протектором шины располагается резинокорд-. ный подушечный слой — брекер 3. Брекер диагональной шины обычно состоит из двух или более слоев разреженного корда, обложенного утолщенными слоями резины. Брекер нужен для усиления каркаса и улучшения связи между каркасом и протектором.

Для повышения сцепления с дорогой зимой в протекторе шины устанавливают большое число шипов из твердого сплава   (рис. 4.5). Однако в незимних условиях эксплуатации шипованные шины, как правило, ухудшают движение автомобиля при торможении и поворотах.

На диагональных шинах (см. рис. 4.2, а) в процессе взаимодействия покрышки с дорогой постоянно смещаются перекрещенные слои корда каркаса. Смещение слоев корда приводит к потерям энергии при качении колеса, нагреву, расслоению каркаса и износу протектора шин. Наличие же пояса из металлокорда и радиальное расположение нитей корда каркаса у радиальных шин (см. рис. 4.2, б) значительно уменьшают смещение слоев корда.

Радиальная шина сохраняет свой профиль даже при большой скорости движения автомобиля. Еще одним важным преимуществом такой шины является большая грузоподъемность по сравнению с диагональной шиной.

Конечно, и радиальные шины не лишены недостатков. В качестве недостатка радиальной шины следует отметить жесткое качение колес, т. е. жесткий пояс из металлокорда при движении по булыжнику или аналогичным дорожным неровностям вызывает появление неприятных вибраций и шумов. Из-за этого в подвеске колес приходится устанавливать дополнительные упругие опоры для изоляции кузова от вибраций и шумов.

Радиальные и диагональные шины по своим свойствам настолько отличаются друг от друга, что их смешанная установка на автомобиле недопустима.

Радиальные шины имеют особенности, о которых необходимо постоянно помнить. Для них необходим постоянный и тщательный контроль за давлением сжатого воздуха в шине, так как по внешнему виду эластичных боковин покрышки трудно оценить падение давления воздуха в шине, которое может быть существенным. При пониженном давлении боковины быстро разрушаются. Вследствие малой толщины и прочности боковин надо оберегать их от боковых воздействий при подъезде к тротуару, переезде через неровности, съезде на обочину. Накачивание шин высоким давлением также нежелательно, так как приводит к ухудшению плавности хода, и при движении автомобиля по неблагоустроенным дорогам (щебенка, разбитый асфальт, булыжник) увеличиваются ударные нагрузки на шину.

При небольшой-толщине подканавочного слоя рисунка протектора увеличивается вероятность повреждения протектора и брекера. Особенно опасна быстрая езда по разбитой дороге. Характерными разрушениями металлокорда является расслоение, разрыв нитей и их выход в камеру или наружу, шина «дает восьмерку» и теряет работоспособность.

Конструкция шины существенно влияет на работу автомобильного колеса. Под воздействием сжатого воздуха и внешней нагрузки изменяются профиль шины и отпечаток протектора на поверхности дороги.

Под действием на колесо вертикальной нагрузки Р (рис. 4.6) появляется прогиб шины, изменение высоты ее профиля. Отношение вертикальной силы Р к прогибу называют жесткостью шины. При одинаковой нагрузке шины, имеющие большой прогиб, обладают меньшей жесткостью, чем шины с меньшим прогибом.

Прогиб и жесткость зависят от конструкции шины и давления сжатого воздуха. Высота профиля радиальной шины (рис. 4.6, б) меньше, а отпечаток протектора (пятно контакта) больше, чем у диагональной шины (рис. 4.6, а). Радиальные шины отличаются меньшей жесткостью. Увеличение пятна контакта улучшает сцепление колеса с поверхностью дороги.

Снижение жесткости шин улучшает плавность хода автомобиля, но уменьшать жесткость шины за счет увеличения прогиба нецелесообразно. Большой прогиб шины приводит к резкому снижению долговечности покрышки, поэтому ездить на спущенных шинах невыгодно и опасно. Прогиб шины должен составлять не более 10... 15% высоты ее профиля.

Значительное влияние на работу колеса, на устойчивость и управляемость автомобиля оказывают боковая и угловая деформация шины. В результате боковой деформации происходит искажение профиля шины (рис. 4.7). При нагружении колеса только вертикальной нагрузкой Р профиль шины деформируется симметрично. С приложением к колесу боковой силы Q симметрия формы профиля покрышки нарушается. Изменяется и форма пятна контакта. Боковая деформация шины тем больше, чем тоньше ее каркас и боковина, чем ниже внутреннее давление. Боковое смещение профиля покрышки ограничивается сцеплением колеса с поверхностью дороги.

Значительно сложнее боковые деформации шины во время поворота автомобиля. При повороте автомобиля обод колеса поворачивается относительно пятна контакта на угол б (рис. 4.8) и колесо перестает катиться в направлении плоскости своего вращения. Такое качение колеса называется качением с боковым уводом, а угол 6 — углом бокового увода. Угол б для колес легкового автомобиля может достигать 7°. Углы увода оказываются соизмеримыми с углами поворота управляемых колес. Последние изменяются от 0 до 40°. Поэтому углы увода колес существенно влияют на управляемость и устойчивость автомобиля. При прекращении действия боковой силы шина стремится вернуться в исходное положение, соответствующее прямолинейному движению.

Сложные конструкции шин современных легковых автомобилей требуют внимательного отношения к эксплуатации колес. Преждевременный износ шины зависит от манеры вождения автомобиля, нарушения углов установки колес, нормы давления воздуха в шине, нарушения балансировки колес и технического состояния подвески колес и тормозов. Следует избегать интенсивных разгонов, торможений и поворотов. Нельзя допускать длительного воздействия на шины горючесмазочных материалов и прямых солнечных лучей. При установке шины на автомобиль нужно соблюдать рекомендации завода-изготовителя, а рисунок протектора подбирать в зависимости от дорожных условий. Основные характеристики шины можно установить по обозначениям (маркировкам) на покрышках. Так, на переднеприводных автомобилях «ВАЗ» устанавливают радиальные шины, имеющие следующие обозначения: 155/80/? 13, 165/70/? 13, 175/70/? 13, где в числителе дроби указана ширина профиля в мм, первое число в знаменателе — процентное отношение Н/В, R — радиальная конструкция, последнее число — посадочный диаметр обода в дюймах. Для скоростных шин вводятся обозначения S, Н и V: S — скоростная шина, Я — высокоскоростная, до 200 км/ч, V — сверхвысокоскоростная. Например, в обозначении 165/70SR13 S означает скорость до 180 км/ч. Кроме того, на боковине шины наносятся другие данные: ее модель, дата изготовления, индекс завода-изготовителя, порядковый номер покрышки и некоторые другие.

Обод и диск колеса. Без шин колеса легковых автомобилей представляют собой неразъемное соединение обода с диском. Собственно, обод состоит из следующих элементов (рис. 4.9, а): закраин, выполняющих роль боковых упоров для бортов шины (расстояние между закраинами соответствует ширине обода); конических полок, предназначенных для посадки бортов (полки наклонены под углом 5° к середине обода); ручья для монтажа и демонтажа шин.

В обозначении обода указана ширина и диаметр в мм или дюймах. Между числами могут стаять буквы, обозначающие различные формы и размеры закраин обода.

Ободы бескамерных шин должны быть герметичными, обладать большой жесткостью. Для повышения прочности закрепления бортов бескамерной шины на конических полках делают специальный кольцевой выступ — подкат (рис. 4.9, б). Преимуществом обода с подкатом является надежная посадка бортов шины, так как подкат предотвращает соскакивание бортов в ручей. Недостаток такого обода состоит в затрудненном демонтаже бескамерных шин, но, поскольку демонтаж таких шин большая редкость, подкат ободов получил широкое распространение.

На рисунке 4.10 показаны ободы и диски колес автомобилей «ВАЗ-2121», -2108» и -2109». Обод и диск колеса автомобиля «ВАЗ-2121» (рис. 4.10, а) стальные штампованные. Обод имеет ручей 4 и глубокие конические полки. Диск / приварен к ободу. Профиль диска вогнутый. В диске сделаны два ряда круглых отверстий, расположенных по окружности. Отверстия 2 служат для крепления колеса к ступице, отверстия 3 улучшают охлаждение тормозов и уменьшают массу колеса. Ободы и диски колес переднеприводных автомобилей «ВАЗ-2108» и -2109» стальные штампованные (рис. 4.10, б). В дисках их колес выполнены продолговатые отверстия 3, которые улучшают охлаждение тормозов и шин, снижают массу колеса, облегчают монтажно-демонтажные работы. Отверстия 6 служат для прохода направляющих штифтов.

Для снижения массы колес диски и ободы могут изготовляться из легких сплавов и пластмасс. Так, применение колес, отлитых из алюминиевых и магниевых сплавов, уменьшает массу колеса в несколько раз. Еще меньшую массу имеют пластмассовые колеса. Легкие колеса улучшают разгон и торможение автомобиля,  повышают его плавность  хода.

Диск колеса должен воспринимать вертикальные, горизонтальные боковые и продольные нагрузки от дороги и передавать их через элементы крепления на ступицу колеса. Очень важно, чтобы конструкция крепления диска к ступице препятствовала произвольному самоотворачиванию болтов или гаек, с помощью которых крепятся колеса легкового автомобиля. Для этого в диске делают опорные упругие гнезда (розетки), равномерно прилегающие к фланцу ступицы. Диаметр фланца ступицы должен быть больше розетки, иначе наружная кромка ступицы будет врезаться в прилегающую поверхность диска (см. рис. 4.1). Число отверстий для крепления колеса и диаметр окружности, на которой они расположены, могут быть разными. У колес автомобиля «ВАЗ-2121» таких отверстий пять, а у автомобилей «ВАЗ-2108», -2109» — четыре. Диаметр окружности, на котором расположены крепежные отверстия, желательно делать возможно большим, т. е. большим должен быть диаметр обода колеса: у автомобиля «ВАЗ-2121» он равен 406 мм, или'16 дюймам, у автомобилей «ВАЗ-2108», -2109» — 330 мм, или 13 дюймам.

Крепление диска к ступице может осуществляться шпильками («ВАЗ-2121», «ГАЗ-24») или болтами («ВАЗ-2105», -2106», -2108», -2109»). В последнем случае необходимы центрирующие штифты (см. рис. 4.10, б).

1. Рама

2. Передняя ось

3. Задняя ось

4. Подвеска автомобиля

5. Амортизаторы

6. Колеса

7. Автомобильные шины