Устройство колес и шин легкового автомобиля

Появление колес в Месопотамии

По другой гипотезе история появления колеса берет свое начало в Месопотамии (современный Ирак) и Египте, где предшественниками колес считаются катки, которые использовались при строительстве (4 тыс. до н. э.).

Праобразом колес служил известный способ передвижения при строительстве египетских пирамид огромных каменных блоков с помощью катящихся бревен (катков), который был не очень удобен, но показал людям возможность использования круглых предметов для переноски грузов. Аналогично научились передвигать грузы и шумеры, которые также использовали бревна для передвижения тяжестей.

Что такое «Развал» и какой он бывает

Передние колеса автомобиля устанавливаются так, что их верхние части наклонены наружу или вовнутрь (это можно отчетливо видеть, если смотреть на колеса спереди). Это называется «развалом” и измеряется в градусах наклона от вертикали. Когда вершина колеса наклонена наружу, это называется «положительным развалом». И наоборот, наклон вовнутрь называется «отрицательным развалом”.

НАЗНАЧЕНИЕ РАЗВАЛА

На автомобилях ранних выпусков колеса имели положительный развал для увеличения долговечности передней оси и для обеспечения контакта шины с поверхностью дороги под прямым углом, чтобы исключить неравномерный износ шин на дорогах, где середина дороги расположена выше, чем края.

На современных автомобилях подвеска и оси прочнее, чем на прежних и поверхность дороги более ровная, поэтому нет необходимости в положительном развале. Как результат, шины устанавливаются ближе к нулевому развалу (а некоторые автомобили имеют нулевой развал). Некоторые модели автомобилей имеют даже отрицательный развал для улучшения характеристик движения на поворотах.

ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ РАЗВАЛ

Положительный развал

Назначениями положительного развала являются:

1. Уменьшение вертикальной нагрузки

Если бы развал был нулевым, нагрузка на цапфу прилагалась бы в точке пересечения оси шины и цапфы, что обозначено F’ на рисунке ниже. Это способствовало бы изгибу цапфы колеса или поворотного кулака. Придавая колесу положительный развал, добиваются такого приложения нагрузки F, показанной на рисунке, к внутренней стороне цапфы, которое уменьшает усилие, действующее на цапфу и поворотный кулак.

2. Предотвращение соскальзывания колеса с цапфы

Реактивная сила F, которая по величине равна нагрузке на автомобиль, прилагается к колесу перпендикулярно дороге. F раскладывается на силу F,, перпендикулярную оси цапфы, и силу F2, параллельную оси цапфы. F2 воздействует на колесо в направлении вовнутрь, помогая предотвратить соскальзывание колеса с цапфы. Внутренний подшипник колеса имеет больший диаметр, чем наружный для восприятия этой нагрузки.

3. Исключение нежелательного отрицательного развала, вызываемого нагрузкой

Когда к автомобилю приложена нагрузка, вершины колес стремятся наклониться вовнутрь из-за деформации элементов подвески и втулок. Положительный развал также помогает предотвратить это явление.

4. Снижение усилия поворота

Это подробно рассмотрено в разделе о поперечном наклоне оси поворота

НУЛЕВОЙ РАЗВАЛ

Главной причиной применения нулевого развала является то, что он предотвращает неравномерный износ шин.

Если колеса имеют положительный развал, внешняя сторона шин движется по меньшему радиусу, чем внутренняя. Однако, поскольку скорость вращения шин одинакова с внешней и внутренней сторон, внешняя сторона шины должна проскальзывать по поверхности дороги, чтобы «сравняться» с внутренней стороной. Это вызывает ускоренный износ внешней стороны шины. В случае отрицательного развала имеет место противоположное явление, когда быстрее изнашивается внутренняя сторона шины.

ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ РАЗВАЛ

Отрицательный развал

Когда к шине, имеющей развал, приложена вертикальная нагрузка, шина будет стремиться сдвинуться вниз. Однако, поскольку она упирается в поверхность дороги, протектор будет деформироваться, как показано на рисунке ниже. В то же время, упругость шины препятствует этой деформации и, следовательно, действует на поверхность дороги в направлении (А). В результате реакции в направлении А шина кренится в направлении В. Сила, действующая в направлении (В), называется «осевым усилием, зависящим от развала”. Осевое усилие, зависящее от развала, возрастает с увеличением наклона шины относительно поверхности дороги (развал относительно дороги), а также с увеличением нагрузки.

При повороте автомобиля осевое усилие на внешних шинах, зависящее от развала, действует так, чтобы уменьшить усилие поворота, обусловленное увеличением положительного развала. Центробежная сила, взаимодействуя с пружинами подвески, наклоняет поворачивающий автомобиль, изменяя при этом развал. На некоторых моделях автомобилей используются преимущества этого эффекта и вводится незначительный отрицательный развал при прямолинейном движении с тем, чтобы уменьшить положительный развал при повороте, снижая осевое усилие, зависящее от развала, и обеспечивая достаточное усилие поворота.

Диск

Колесный диск состоит из двух элементов – самого диска и обода. Выпускается четыре вида автомобильных дисков – стальные сварные (штампованные), цельнолитые (легкосплавные, кованные), комбинированные и композитные. В первом виде диск и обод – два разных элемента, соединенных между собой при помощи сварки. В литых дисках его составляющие – единая неразъемная конструкция.

Третий тип – это так называемые комбинированные или разборные диски, бывают двух- или трехсоставными. Являются лучшими дисками по всем характеристикам, поскольку центральная секция обычно выполняется литой и соответственно можно получить любой дизайн, а обод выполняется методом штамповки. Четвертый и самый редкий тип – композитные, стоимость их просто запредельная из-за сложной технологии производства и поэтому увидеть их можно только на спорткарах.

Диск – элемент обеспечивающий крепление колеса. Для этого в нем по центру проделано посадочное отверстие, по окружности которого расположены крепежные отверстия. Количество крепежных отверстий на легковых авто варьируется от 3 до 5, на грузовых же их обычно 6-8. Фиксация диска на ступице осуществляется либо болтами, либо шпильками с гайками.

Конструкция литого диска

Обод предназначен для установки шины. Он обладает сложным поперечным профилем, которое необходимо для правильной и надежной посадки ската. Если рассматривать обод в профиль, то он имеет ступенчатую форму.

Центр обода представлен в виде утопленной площадки, к которой примыкается диск. С обоих сторон от центра сделаны ступеньки, которые сформированы кольцевым выступом (хампом), полкой и бортом.

Хамп предназначен для фиксации шины в ободе и предотвращает ее уход к центру обода. Полка выступает в качестве посадочной площадки для борта ската. Борт обода удерживает шину на полке и не дает ей «слезть».

Отметим, что это самый распространенный тип диска. Но на грузовых авто и спецтехнике можно встретить иные виды дисков авто – с фиксирующим кольцом, разборные (диск состоит из двух половин, стягивающихся болтовым соединением).

Использование колеса в других устройствах

Постепенно колесо стали применять и в других устройствах. Со временем оно нашло свое применение для водяных устройств, по записям ученого Витрувия уже в 1 в. до н. э. водяные колеса распространились и в Древнем Риме. Использовались два вида таких колес: подливное (для медленно текущих рек) и наливное (на быстрых горных речках).

При строительстве люди также стали пользоваться грузоподъемным блоком, основу которого также составляет колесо. Позднее колесо нашло еще одно применение — для прядения шерсти была создана прялка. По историческим данным, она была изобретена около 1 тыс. до н. э. в Индии и близлежащих районах Азии.

Использование колеса в других устройствах

Постепенно колесо стали применять и в других устройствах. Со временем оно нашло свое применение для водяных устройств, по записям ученого Витрувия уже в 1 в. до н. э. водяные колеса распространились и в Древнем Риме. Использовались два вида таких колес: подливное (для медленно текущих рек) и наливное (на быстрых горных речках).

При строительстве люди также стали пользоваться грузоподъемным блоком, основу которого также составляет колесо. Позднее колесо нашло еще одно применение — для прядения шерсти была создана прялка. По историческим данным, она была изобретена около 1 тыс. до н. э. в Индии и близлежащих районах Азии.

Совершенствование механизма

Используя в транспортных и боевых целях первые деревянные диски, люди старались облегчить их, делая прорези. И лишь спустя 3 тысячи лет конструкция усовершенствовалась: появились, спицы, обод и ступицы. Спиц всегда было четное количество, в Египте в основном делали четыре штуки, в Риме и Греции — восемь.

Спустя еще тысячелетие, кельты оббили обод железом. Это увеличило прочность, устойчивость и маневренность колесниц.

На этом эволюция колеса не закончилась, понадобилось еще более двух тысяч лет, чтобы обод «обули» в пневматическую шину, ввели понятие угловой скорости и научились ей управлять.

Интересные факты, связанные с колесами.

1. Изобретение шины принадлежит не механику, инженеру или ученому, а обычному ветеринару. Джон Данлоп, наблюдая за сыном, катающимся на велосипеде был возмущен шумом и грохотом колес по садовой дорожке. Когда велосипед случайно наехал на поливочный шланг, звук намного смягчился. Джон, не долго думая, спаял куски резины нужного размера и закрепил на ободе. Так появилась всемирно известная фирма Данлоп.
2. Патент на квадратные колеса получил 1959 году американец Альберт Сфредда.
3. Первое колесо обозрения появилось в Америке в 1893-ем году.
4. Деталь, похожую на подшипник, впервые использовали римляне на своих кораблях. Возраст находки составляет почти две тысячи лет.

В настоящее время продолжаются разработки и усовершенствование этого древнего механизма. И кто знает, как будет выглядеть колесо через пару сотен лет, но, несомненно, оно останется круглым.

Как делают шины

Заводы в Кирове и Воронеже являются одними из самых передовых с технологической точки зрения предприятий по выпуску шин. И конструкция шины, и сама технология производства, используемые материалы сильно эволюционировали.

Материал, из которого изготовлена покрышка, имеет первостепенное значение. Шины различных производителей отличаются в первую очередь свойствами резины. Ведь именно она определяет многие технические характеристики шин, такие как уровень сцепления с дорогой, долговечность и износостойкость. Поэтому подбором компонентов резиновой смеси занимаются целые лаборатории в каждой компании, а ее состав зачастую является коммерческой тайной. Единственный компонент, который точно не является секретом, – это полимеры/элатомеры, такие как каучук, который может быть натуральным или синтетическим.

Своим черным цветом шина обязана техническому углероду или промышленной саже, как его еще называют. Благодаря его молекулярным соединениям, покрышка не только становится черной, но и прочной и устойчивой к износу и температурам. На третьем месте в составе – кремниевая кислота, которая повышает показатели сцепления покрышки с влажным покрытием. Кроме того, около 10 процентов шинных ингредиентов составляют вспомогательные компоненты – смолы и масла, для обеспечения мягкости и эластичности изделия. В специальном «котле» все это смешивается и превращается в единую массу.

Готовая резиновая смесь формируется в виде непрерывного листа, который охлаждается и направляется на участок изготовления полуфабрикатов. Здесь из резиновых листов «кроят» детали будущей шины: протектор, боковины, слои обрезиненного металлокорда и другие.

Затем специальный станок собирает все эти детали в единое целое. Этот этап так и называется – «сборка». Буквально за минуты из отдельных частей получается покрышка. После чего на шине при помощи пресса и воздействия высокого давления пара при повышенной температуре выдавливается рисунок протектора.

Готовые шины по конвейеру отправляются на визуальный, весовой и инструментальный контроль. Лазерный сканер позволяет выявить мельчайшие воздушные полости внутри шины, а рентген проверяет качество распределения слоев. Несколько шин из каждой партии проходят испытания прочности в специальной лаборатории – это десятки тысяч километров с повышенной нагрузкой.

Автомобильные колеса

Настало время поговорить про колеса для машин. Считается, что их изобрел К. Бенц в 1885 г. Он создал оригинальное транспортное средство под названием Benz Motorwagen, которое тут же запатентовал. Колеса этого автомобиля были из твердой резины. Машина напоминала трехколесный велосипед. К сожалению, до наших дней она не сохранилась.

Если же продолжать тему резины, то первыми, кто додумался использовать ее в автомобильных целях, стали Андре и Эдуард Мишлен. Кстати, они основали знаменитую фабрику по изготовлению шин. В 1910 г. Б. Гудрич стал добавлять в резину углерод, что стало бесспорной революцией в изготовлении шин.

Что же касается легендарной модели машин Ford T, то они комплектовались деревянными колесами, которые раньше использовались для транспортировки артиллерийских снарядов. Однако этому автомобилю не удалось поставить Америку на колеса. Данной цели достиг Д. Данлоп, который изобрел пневматические шины. При этом они сильно отличаются от тех, которыми комплектуются современные автомобили, так как они имели крайний малый срок службы — проехать на них можно было лишь 3,5 тыс. км, и то их требовалось постоянно латать после 80-90 км. пробега.

Как это парадоксально ни звучит, но следующим этапом в эволюции колеса стало изобретение диска. Как и многие другие вещи в истории, его появление было обусловлено более низкими производственными затратами. Обод может быть легко преобразован в прямую полосу металла, а сам диск так же быстро отштампован из металлического листа. Затем эти 2 элемента сваривали или скрепляли, и в итоге получалось очень легкое, жесткое и устойчивое к повреждениям колесо. Более того, оно было очень доступно.

В наше время существует 2 основных типа колеса, которыми комплектуются транспортные средства. В их производстве используются различные сплавы стали, благодаря чему они получаются более легкими и прочными, чем колеса, которые производились десятки лет назад. При этом сегодня производятся как литые колеса, так и оснащенные спицами.

Можно сколько угодно рассказывать о различиях между стальными и легкосплавными дисками, но многие автомобилисты уверяют, что последние легче первых. Конечно же, машины, которые укомплектованы литыми дисками, отличаются хорошей управляемостью и более долговечной тормозной системой. К тому же они выглядят боле привлекательно, чем стальные. Также следует учитывать, что легкосплавные диски стоят значительно дороже стальных.

Бревно — скат — колесо

Возможно, что катящиеся брёвна поначалу использовали не как транспортное средство, а как «подвижную дорогу» — прототип конвейера. Из обтёсанных брёвен выкладывали путь для прокатки груза. Брёвна, по которым груз уже прокатили, переставляли вперёд, продлевая дорогу. Так с меньшими усилиями перемещали тяжести. По мере использования середина брёвен-катков истончалась от трения перекатываемого по ним груза. Такие брёвна меньшей поверхностью соприкасались с землёй и катились лучше. Люди стали выжигать среднюю часть брёвен, делая её тоньше, чем на краях, — получились скаты.

Следующий шаг — изобретение платформы для груза, поставленной на один или несколько скатов.

Перетаскивание тяжёлой лодки по брёвнам-каткам

Скат преобразовался в ось с валиками на концах, вытачиваемую из цельного куска дерева. Потом валики стали делать отдельно от оси и прочно скреплять с ней. Эти валики уже были настоящими колёсами.

Колеса из будущего

По большому счету, конструкция колеса получила свою завершенную форму, и каким образом его можно усовершенствовать, совершенно непонятно. Однако многие компании находятся в активном поиске новых идей и решений и регулярно представляют миру экзотические прототипы. Так, известная компания «Michelin» относительно недавно представила новаторскую концепцию Tweel.

В 2006 г. компания «Michelin» удивила всех бескамерным колесом. Оно не пневматическое, так как целиком и полностью состоит из резиновых протекторов. Они соединены с центром при помощи эластичных спиц. Последние повторяют все деформации колеса, отчего поглощаются удары. Представители компании «Michelin» утверждают, что даже лишенные воздуха шины Tweel обладают точно такой же грузоподъемностью, устойчивостью на бездорожье, как и их пневматические аналоги.

Несмотря на то, что шины Tweel имеют множество преимуществ, у них есть один большой недостаток. Автомобиль, укомплектованный ими, при разгоне более чем 80 км. в ч. начинает сильно вибрировать.

Безусловно, шины Tweel являются самой революционной технологией на сегодняшний день. Но они предназначены исключительно для электромобилей. При этом в активную систему Tweel входит двигатель, подвеска, коробка передач и трансмиссионный вал.

Виды косилок

Существуют 2 вида косилок для мотоблока:

• роторные;
• сегментные (фронтальные).

Роторные

Роторные косилки хорошо подходят для замусоренных участков, ведь удар о корягу или камень не представляет для ножа особой опасности, а в случае повреждения режущей кромки его недолго заменить.

Кроме того, обслуживание аппаратов этого типа гораздо проще, чем сегментных устройств. Недостатком же является невысокая производительность и низкая эффективность покоса мягкой травы.

Самым слабым местом роторных аппаратов является редуктор, который совмещает направление вращения вала или шкива отбора мощности и режущих дисков, однако регулярная смазка позволяет им работать много лет без поломок даже при интенсивной эксплуатации.

Сегментные (фронтальные)

Сегментные косилки хорошо подходят для быстрого покоса больших территорий, ведь их производительность заметно выше, чем у роторных моделей, кроме того, они хорошо справляются даже с мокрой травой.

Несмотря на высокую надежность кривошипно-шатунного механизма, ремонт фронтальных аппаратов обычно обходится дороже из-за более высокой стоимости ножей и методики их замены.

Отличие устройств с валом и шкивом отбора мощности

Режущий инструмент аппаратов обоих типов может быть любым, разница между ними только в способе подключения к самоходному аппарату. Косилки со шкивом подключают через ременный привод, а дополнительный ролик выполняет функцию сцепления – когда он натягивает ремень, его сцепление с обоими шкивами максимально, поэтому происходит максимальная передача энергии вращения.

Косилки, предназначенные для работы с ВОМ, оснащены переходником, который стыкует вал косилки с валом мотоблока, поэтому для установки такого аппарата на другую модель самоходной техники приходится покупать переходник, совмещающий оба вала.

Объединяет оба типа этих устройств то, что направление вращения шкива или вала не совпадает с направлением вращения роторов или оси кривошипно-шатунного механизма сегментной косилки. Поэтому между приемным шкивом или валом и режущим инструментом стоит ременный или шестеренчатый редуктор.

Для ботвы картофеля и других растений

Основное отличие ботвы картофеля от разнотравья или культурной травы в более высокой толщине стволов, поэтому для работы с ней хорошо подходят оба вида режущих инструментов.

Если же ботва остается на участке в качестве мульчи, лучше отдать предпочтение роторным косилкам типа «Терминатор», которые не только срезают, но и измельчают растительность.

Наиболее популярные модели

Существует несколько моделей этих аппаратов, чье название стало символом целого класса навесных устройств для покоса травы.

Такими косилками являются:

1. Заря (Форза).
2. КН-1.1.

Модель «Заря» появилась вместе со всей линейкой мотоблоков от «КаДви», ведь их выпускал тот же завод. Постепенно эту модель начали выпускать и другие производители, однако чаще всего она сохраняла свое исходное название.

Модель «КН-1.1» одним из первых начал выпускать тогда еще КМПО (Калужское моторостроительное производственное объединение), ныне ПАО «Кадви» в конце восьмидесятых или начале девяностых годов. В настоящее время модель «КН-1.1» изготавливает множество производителей с сохранением привычного названия.