Колесный движитель служит для обеспечения движения машины, для передачи сил и моментов от ведущих мостов автомобиля или колесного трактора к опорной поверхности, а также для снижения динамических нагрузок на машину, вызванных неровностями дороги.
По назначению колеса делятся на ведомые, ведущие и управляемые. Основные требования, предъявляемые к колесам, — это минимальные затраты энергии при качении, курсовая устойчивость движения машины, минимальные биение и дисбаланс, высокая прочность.
Колеса машин бывают дисковые и бездисковые, с разборным и неразборным ободом. Колеса различаются также по габаритным размерам и грузоподъемности.
В конструкции дискового колеса обод 4 (рис. 5.10), имеющий специальный профиль, служит для установки пневматической шины 1.
Рис. 5.10. Автомобильное дисковое колесо: 1 — пневматическая шина; 2 — бортовое кольцо; 3 — пружинное кольцо; 4 — обод; 5 — диск
Обод может быть глубоким или плоским. Глубокий обод делают у колес легковых автомобилей и грузовых автомобилей малой грузоподъемности. Особенностью глубокого обода является наличие выемки в его средней части, которая облегчает монтаж и демонтаж шины.
Колеса с плоским ободом используются на большинстве грузовых автомобилей. Плоский обод имеет неразъемное съемное бортовое кольцо 2 и удерживающее его пружинное кольцо 3. Такая конструкция облегчает монтаж и демонтаж шины. Диск 5 соединяет обод 4 со ступицей колеса.
Бездисковые колеса выполняются со спицевыми или барабанными ступицами. У спицевых ступиц пять-шесть спиц заменяют диски колес. На концах каждой спицы 4 (рис. 5.11, а) имеются конические поверхности, которые служат для установки и крепления обода 1 (обычно разборного). От поперечных смещений колесо удерживается несколькими прижимами 3. Шпильки 2 прижимов расположены по окружности большего, чем у дисковых колес, диаметра, поэтому они меньше нагружены. Барабанные ступицы используются на грузовых автомобилях большой грузоподъемности. Обод 1 (рис. 5.11, б) колеса посажен на коническую часть барабана 5. Крепление колес такое же, как и на спицевых ступицах.
Рис. 5.11. Автомобильные бездисковые колеса со спицевыми (а) и барабанными (б) ступицами: 1 — обод; 2 — шпилька; 3 — прижим; 4 — спица; 5 — барабан
Основными преимуществами бездисковых колес по сравнению с дисковыми являются простота конструкции, меньшая стоимость и масса, а также удобство монтажно-демонтажных работ.
На машинах повышенной и высокой проходимости могут применяться колеса специального назначения, предназначенные для монтажа шин с широким профилем, низким и переменным давлением воздуха. Для шин с регулируемым давлением колеса специального назначения бывают обычного и уширенного профиля.
Шина, смонтированная на колесе, обеспечивает качение машины по дороге, смягчает толчки от неровностей и способствует рассеиванию энергии колебательных процессов при движении автомобиля.
Шины классифицируются:
• по назначению — для легковых, грузовых автомобилей и тракторные;
• форме профиля — обычные (тороидные), широкопрофильные, арочные и пневмокатки;
• внутреннему давлению — высокого давления (более 0,45 МПа), низкого (0,15…0,45 МПа), сверхнизкого (0,05…0,15 МПа) и регулируемого давления;
• рисунку протектора — дорожные, универсальные и повышенной проходимости;
• способу герметизации внутренней полости — камерные и бескамерные;
• способу работы — с нерегулируемым и регулируемым давлением воздуха;
• конструкции каркаса — диагональные, радиальные, бескаркасные.
Шины должны обеспечивать:
• расчетную скорость движения;
• расчетную грузоподъемность;
• высокое сцепление с дорогой;
• высокую теплостойкость;
• низкие внутренние потери и сопротивление качению;
• высокие прочность и износостойкость;
• небольшой момент инерции движения;
• минимальные биение и дисбаланс;
• хорошую очищаемость протектора;
• малое давление на грунт.
Для шин общего назначения принято численное обозначение: первое число — ширина профиля В, мм; второе — посадочный диаметр обода d, мм; в скобках — те же обозначения в дюймах. Например, 220/508 (7,5/20) или 320 R 508 (12 R 20), где буква R обозначает радиальную конструкцию шины.
Обозначения широкопрофильных и тракторных шин могут иметь особенности, содержать указания о ширине обода, расположении нитей корда, размере наружного диаметра и др. На боковой части шины указываются также в виде условных индексов завод-изготовитель, порядковый номер шины, дата выпуска, конструкция шины, информация о параметрах шины и др.
Колесные тракторы имеют шины низкого и сверхнизкого давления, которые делятся на шины для ведущих и направляющих колес. Все шины тракторного типа предназначены для работы со скоростью до 35 км/ч. Тракторные шины ведущих колес должны воспринимать нагрузки на колесо, обеспечивать передачу крутящего момента и создавать тяговое усилие. Шины направляющих колес, кроме восприятия нагрузки, должны обеспечивать хорошую управляемость колес. На тракторных прицепах различного назначения применяются шины несущих колес.
Обычные (тороидные) шины широко применяются на дорожных автомобилях и выпускаются в камерном и бескамерном исполнении.
Камерные тороидные шины состоят из покрышки, камеры и ободной ленты, которая надевается на обод под камеру. К основным конструкционным элементам покрышки относятся каркас 5 (рис. 5.12, а), образованный из слоев корда; протектор 1, подушечный слой (брекер) 2, боковины 6 и два бортовых проволочных кольца 7 для придания бортам достаточной механической прочности. Пятка 8, основание 9 и носок 10 борта являются посадочными поверхностями покрышки на диск колеса.
Рис. 5.12. Покрышка пневматической шины: а — конструкция покрышки; б — геометрические параметры покрышки; 1 — протектор; 2 — подушечный слой (брекер); 3 — рисунок протектора; 4 — под- канавочный слой; 5 — каркас; 6 — боковина; 7— бортовое проволочное кольцо; 8 — пятка борта; 9 — основание борта; 10 — носок борта; I — борт; II — боковая стенка; III — плечевая зона протектора; А — ширина обода; В — ширина профиля; t — толщина боковых стенок; Н — высота профиля шины; D — диаметр шины; d — диаметр диска
Каркас 5 состоит из нескольких слоев прорезиненного корда толщиной 1,0… 1,5 мм, собранных крест-накрест. Для шин легковых автомобилей число слоев корда составляет 4 — 6, для шин грузовых автомобилей и автобусов — 6—14. Каркас несет основную нагрузку и от его качества зависят прочность, эластичность, износостойкость и другие качества шины. Для нитей корда применяются хлопчатобумажное волокно, вискоза, синтетические материалы (нейлон, капрон, перлон и др.) и стальная проволока (металлокорд).
Протектор 1 изготовляется из прочной, твердой, хорошо сопротивляющейся изнашиванию резины. Поверхность протектора имеет рельеф (см. поз. 3 — рисунок протектора), ниже следует подканавочный слой 4. Рисунок протектора должен обеспечивать хорошее сцепление шины с дорогой. Для дорог с твердым покрытием применяется протектор с мелким симметричным или асимметричным рисунком. Для дорог смешанного типа наиболее выгоден универсальный (комбинированный) рисунок протектора. На плохих дорогах используются шины с крупным рисунком (грунтозацепы).
Брекер толщиной 3…7 мм смягчает ударные нагрузки на каркас. В процессе работы он сильно нагревается (до 120 °С), поэтому для его изготовления применяются температуростойкие марки корда (вискозный и полиамидный).
Камеры изготовляются из высокопрочной резины с большим (40…50%) содержанием натурального или синтетического каучука.
Тороидные шины выпускаются и в бескамерном исполнении. За счет меньшей тепловой напряженности они имеют более высокий коэффициент сцепления и обеспечивают большую безопасность движения.
Бескамерные тороидные шины отличаются от камерных наличием уплотненной бортовой резины и внутреннего герметизирующего слоя, толщиной 1,5…3,0 мм, который у некоторых шин выполняется самозаклеивающимся. Хороший теплообмен и повышенная прочность позволяют эксплуатировать бескамерные шины при высоких скоростях движения, срок службы этих шин примерно на 20% больше, чем камерных.
В мировом автотракторостроении наблюдается тенденция к применению на машинах большой мощности и грузоподъемности шин с металлокордами. Высокая прочность стального корда обеспечивает ряд преимуществ таких шин: меньшее число слоев корда (два —четыре слоя корда в каркасе вместо восьми —четырнадцати), тоньше каркас, выше коэффициент сцепления, лучше теплопроводность и теплостойкость. Срок службы шин с металло- кордом в 2 раза больше, чем обычных. Ведущие в мире производители шин выпускают для тракторов, работающих в тяжелых условиях, шины, армированные новым специальным высокопрочным материалом — кевларом. Поданным испытаний шины, армированные кевларом, почти в 2 раза прочнее шин, армированных металлокордом.
Эффективность работы автомобиля в дорожных условиях разной сложности значительно повышается от применения шин с регулируемым давлением. Такие шины имеют уширенный (на 20…40%) профиль, пониженную жесткость и хорошую эластичность. Эти шины имеют грунтозацепы глубиной 20…30 мм с канавками для лучшего теплоотвода. Автомобиль с такими колесами в условиях бездорожья может передвигаться на малой скорости при пониженном давлении в шинах. На дорогах с твердым покрытием давление в шинах необходимо повышать до нормальной величины. Это достигается системой централизованного регулирования давления воздуха.
Широкопрофильные шины с регулируемым давлением особенно перспективны в бескамерном исполнении. Разработка и производство широкопрофильных шин ведется в двух направлениях: широкопрофильные шины с переменным давлением, предназначенные для повышения проходимости полноприводных автомобилей, и широкопрофильные шины для замены сдвоенных колес задних мостов.
По сравнению с обычными (тороидными) широкопрофильные шины имеют ряд преимуществ: меньшую (на 15…25%) массу, лучшее сцепление с дорогой за счет большей площади контакта, меньшие жесткость, внутреннее давление и сопротивление движению. Применение таких шин позволяет увеличить грузоподъемность, повысить экономичность, улучшить проходимость машины и обеспечить большую безопасность движения.
Арочные шины обеспечивают высокую эффективность и экономичность работы в условиях бездорожья и смешанных дорог, отличаются от обычных шин увеличенной шириной профиля и имеют рисунок протектора с редко расположенными развитыми грунтозацепами. Площадь опоры арочной шины в 2,5—4 раза больше общей площади опоры обычных сдвоенных шин, однако арочные шины увеличивают нагрузки в трансмиссии, особенно на дорогах с твердым покрытием.
Пневмокатки применяются для автомобилей высокой проходимости и специальных машин, они повышают эффективность работы на деформируемых грунтах с малой несущей способностью (снег, сухой песок, торф и др.). Пневмокатки имеют тонкостенную оболочку, большую площадь контакта и низкое давление (0,01 …0,07 МПа).
Соотношения геометрических размеров шин, показанные на рис. 5.12, б, зависят от конструктивного исполнения (табл. 5.1).
Таблица 5.1
Соотношения геометрических размеров шин* разного конструктивного исполнения
|
Тип шины |
Н/В |
А/В |
D/d |
B/D |
||||
|
Тороидная |
0,9..1,06 |
0,45..0,65 |
1,8..2,6 |
0,2..0,3 |
||||
|
Широкопрофильная |
0,5..0,9 |
0,8..0,9 |
2,0..3,0 |
0,35..0,45 |
||||
|
Арочная |
0,3..0,5 |
0,9..1,0 |
2,0..2,5 |
0,5..0,7 |
||||
|
Пневмокаток |
0,2…0,3 |
—————— |
3,0..5,0 |
0,6..1,5 |
||||
* Безразмерные величины соотношений получены при делении линейных размеров (в миллиметрах), характеризующих геометрию шин: Н — высота профиля; В — ширина профиля; А — ширина обода; D, d — диаметры шины и диска.
Работа шины сопровождается деформацией резины и воздуха, а следовательно, и гистерезисными потерями, которые в основном зависят от амплитуды и частоты колебаний движущейся машины, а также от температуры среды. По своему предназначению шина должна поглощать энергию толчков и ударов при движении по неровностям пути, улучшать плавность хода, снижать динамические нагрузки для сохранения груза. Сопротивление движению машины существенно зависит от затрат энергии на трение в материале шины, в местах контакта ее с поверхностью пути и на аэродинамические процессы. При движении машины по дороге с твердым покрытием 90…95% общих потерь в шине приходится на трение в материале шины.
Долговечность шины напрямую зависит от таких факторов, как нагрузка, рабочая скорость, касательная сила тяги, тип дороги, давление воздуха и др. С увеличением нагрузки на шину сверх допустимой, при понижении или повышении внутреннего давления в шине по сравнению с нормальным, с увеличением скорости движения и ухудшением качества дороги срок службы шины снижается. Зависимость изнашивания шины от касательной силы тяги имеет степенной характер. Определяющее влияние на процесс изнашивания шины может оказать техника вождения машины. Так, установлено, что при неумелом управлении износ шин вследствие резкого трогания с места может возрасти в 30 — 40 раз по сравнению с квалифицированным управлением машиной.
Для характеристики шин используется ряд оценочных показателей. К основным оценочным показателям автотракторных шин относят условную площадь контакта, КПД шины, коэффициент бокового увода, среднее давление на грунт и др.
С увеличением давления в шине, радиальной нагрузки, касательного усилия и размеров шины повышается значение коэффициента бокового увода. Коэффициент сцепления шины с грунтом зависит от конструкции и материала шины, нагрузки на колесо, условной площади контакта, скорости движения, допустимого коэффициента буксования и свойств грунта. Коэффициент сцепления при увеличении скорости движения на влажных дорогах с асфальтированным покрытием снижается очень интенсивно. С целью повышения коэффициента сцепления на обледенелых и заснеженных дорогах в шины устанавливают металлические шипы или используют протектор с завулканизированной спиральной стальной проволокой. Шины с шипами повышают устойчивость машины на поворотах, при боковом ветре и поперечном наклоне дороги, сокращают более чем в 2 раза тормозной путь на скользких дорогах, тем самым значительно повышают безопасность движения. В одну шину запрессовывается 100—250 шипов. Над поверхностью протектора шип должен выступать на 1,5… 2,0 мм. В то же время следует отметить, что такие шины интенсивнее изнашивают дорожное покрытие и разрушают разметку дорог.