Колеса для автомобилей и тракторов

Колеса воспринимают всю массу колесной машины, осуществляют кинематическую связь трансмиссии с опорной поверхностью, обеспечивая передвижение и маневрирование колесной машины, а также способствуют (вместе с шинами) частичному сглаживанию и поглощению воздействий от неровностей опорной поверхности.

Требования, предъявляемые к колесам

К колесам автомобилей и тракторов предъявляются следующие требования:

- по геометрическим размерам, форме и грузоподъемности колеса должны соответствовать конструкциям шин и условиям их работы;

- колеса должны иметь минимальные массу и момент инерции при заданных конструкционном исполнении и долговечности;

- надежность работы и установки колес должна быть обеспечена в течение всего срока службы колесной машины;

- конструкция колес должна обеспечивать эффективное охлаждение тормозных механизмов;

- конструкция колес для бескамерных шин должна обеспечивать поддержание герметичности шин и надежную посадку их бортов на полки ободов (предотвращать сползание бортов шины с полок обода, особенно с наружной стороны колеса, в том числе, при понижении давления воздуха в шине);

- конструкция ободов для шин регулируемого давления должна исключать возможность проворачивания шины на ободе, как при номинальном, так и при минимально-допустимом внутреннем давлении воздуха;

- конструкция ободов для перспективных шин для ВАТ должна обеспечивать возможность монтажа на них этих шин и, при необходимости, внутреннего ограничителя деформации, а потому должна быть разъемной и герметичной;

- колеса должны соответствовать международным нормам, предъявляемым к основным геометрическим, посадочным, крепежным размерам и нагрузочным характеристикам в целях обеспечения их взаимозаменяемости;

- биение колес, допустимый дисбаланс, допуски на размеры и наклон посадочных полок ободов и установочные размеры, необходимые для нормальной работы шин, не должны превышать установленных норм;

- конструкция колес должна быть приспособлена для выполнения монтажно-демонтажных работ, проводимых при повреждениях шин;

- окраска колес должна предохранять их от коррозии в течение срока службы колесной машины, а внешний вид – гармонировать с внешним видом колесной машины.

Классификация колес

2.2.1. По принадлежности к типу колесной машины:

- для легковых автомобилей;

- для грузовых автомобилей;

- для автобусов, троллейбусов, прицепов и полуприцепов;

- для тракторов;

- для специальных колесных машин.

В каждой группе колеса различают по габаритным размерам и грузоподъемности (максимальной радиальной нагрузке), а колеса для легковых автомобилей – и по максимальной скорости движения автомобиля.

2.2.2. По типу применяемых шин:

- колеса для камерных шин;

- колеса для бескамерных шин.

Для обеспечения герметичности посадки бескамерных шин на обода колес к поверхностям посадочных полок и закраин ободов предъявляются повышенные требования по чистоте и шероховатости.

2.2.3. По конструкции:

- дисковые – для всех колесных машин;

- бездисковые – для всех колесных машин, кроме легковых автомобилей.

2.2.4. По конструкции обода:

Рисунок 2.1 – Полуглубокий обод дискового колеса: 1 – диск колеса; 2 – основание обода

- неразборные глубокие (симметричные или асимметричные) обода с наклоном посадочных полок (5±1)⁰ или (15±1)⁰ (исполнение с крутыми полками): первые – для шин легковых автомобилей, вторые – для радиальных бескамерных шин грузовых автомобилей, автобусов и троллейбусов, соответственно;

- полуглубокие разборные обода с тороидальными посадочными полками (рисунок 2.1), у которых для обеспечения монтажа и демонтажа шины предусмотрен монтажный ручей;

- плоские обода, разборные в продольной или поперечной плоскостях;

- разъемные обода.

Основные присоединительные размеры автомобильных колес с разборными ободами регламентированы ГОСТ 10409.

2.2.5. По технологии изготовления:

- стальные (профилированные, штампованные или выполненные из горячекатанного проката);

- литые (из алюминиевых или магниевых сплавов);

- кованые (из алюминиевых или магниевых сплавов);

- из полимерных композиционных материалов [2].

Конструкции колес

Дисковые колеса

Производство дисковых колес в настоящее время является преобладающим в силу простоты конструкции, высокой точности крепления колес на ступицах и отработанности технологии серийного производства.

Основными характеристиками дисковых колес являются ширина профиля обода b, посадочный диаметр d и угол наклона посадочных полок γ_пп.

Для легковых, легких грузовых автомобилей и автобусов особо малой вместимости применяются дисковые колеса с неразборными (асимметричными или симметричными) глубокими ободами, имеющими угол наклона посадочных (конических) полок γ_пп = 5⁰ (рисунок 2.2). Конические полки улучшают посадку бортов шины на ободе, увеличивают срок службы бортов, обеспечивают надежную передачу шиной крутящего момента.

Неразборный глубокий обод состоит из следующих элементов:

- закраин 1, представляющих собой боковые упоры для бортов шины;

- полок 2, представляющих собой посадочные места бортов шины и осуществляющих передачу сил в окружном направлении;

- ручья 7, который для осуществления монтажа и демонтажа шины выполняется глубоким (глубокий обод).

Рисунок 2.2 – Асимметричный обод дискового колеса для легковых автомобилей:

1 – закраина; 2 – полка; 3 – ручей; b – ширина профиля обода; d – посадочный диаметр; f – глубина ручья; h_з – высота закраины; 5⁰ – угол наклона посадочных полок

Асимметричный обод имеет смещение ручья к наружной стороне колеса для того, чтобы оставалось больше места для размещения тормозного механизма.

Для надежной посадки бортов радиальных бескамерных шин и предотвращения их сползания с полок ободов колес, что при криволинейном движении автомобиля с частично пониженным давлением воздуха хотя бы в одной из шин может привести к потере управляемости, полки ободов для легковых автомобилей изготовляют, как правило, с безопасными контурами.

Рисунок 2.3 – Симметричный обод с комбинированным подкатом:

1 – подкат с внутренней стороны обода; 2 – плоский подкат с наружной стороны обода

Наибольшее применение нашли: подкат («Hump», обозначается H) и плоский подкат («Flat-Hump», обозначается FH). Подкат (рисунок 2.3) представляет собой расположенный по поверхности одной из полок обода закругленный выступ 1, а плоский подкат – выступ 2 с относительно острой кромкой.

Рисунок 2.4 – Обод с двусторонним подкатом

В процессе эксплуатации радиальных бескамерных шин было установлено, что безопасные контуры целесообразно применять на обеих сторонах ободов для легковых автомобилей (рисунок 2.4). Это двусторонний подкат (обозначается Н2) или комбинированный подкат (обозначается СН), при котором наружная полка обода выполняется с плоским подкатом, а внутренняя – с подкатом.

Для грузовых автомобилей, автобусов и троллейбусов при установке радиальных бескамерных шин применяются дисковые колеса с неразборными ободами с крутыми полками, имеющими угол наклона 15⁰ (рисунок 2.5), а при установке камерных шин – колеса с плоскими разборными ободами с косыми (коническими) посадочными полками, имеющими угол наклона 5⁰.

Разборные обода бывают двух- или трехкомпонентными (рисунок 2.6).

При одинаковом основании 1 трехкомпонентный обод (рисунок 2.6, а) состоит из бортового кольца 3, выполненного в виде закраины, и разрезного замочного кольца 2, а двухкомпонентный (рисунок 2.6, б) – из разрезного бортового кольца 3, одновременно выполняющего функцию замочного.

Рисунок 2.5 – Неразборный обод с крутыми полками:

1 – закраина; 2 – полка; 3 – ручей; b – ширина профиля обода; d – посадочный диаметр; 15⁰ – угол наклона посадочных полок

К недостаткам двухкомпонентного обода относятся пониженная жесткость разрезного бортового кольца, наличие острых кромок в месте разреза и зазора в стыке.

А) б)

Рис. 2.6. Колесо с плоским разборным ободом:

а – трехкомпонентный обод; б – двухкомпонентный обод;

1 – основание обода; 2 – замочное кольцо; 3 – бортовое кольцо; 4 – диск колеса; 5 – посадочная полка; b – ширина профиля обода; γпп – угол наклона посадочных полок; d – посадочный диаметр; D1 – диаметр расположения крепежных отверстий; D2 – диаметр центрального отверстия

Колеса с разборными ободами с косыми полками являются наиболее простыми по конструкции и широко распространенными, несмотря на то, что при одинаковой массе могут воспринимать меньшую нагрузку по сравнению с неразборными колесами с ободами с крутыми полками. Кроме того, они оставляют меньше места для охлаждения тормозных механизмов и больше нагреваются.

Для автомобилей, оборудованных шинами с регулируемым давлением воздуха, применяются дисковые колеса с разъемным ободом и с внутренним распорным кольцом, которые бывают обычного и уширенного профиля, а также колеса с полуглубоким ободом с тороидальными посадочными полками.

Дисковое колесо с разъемным ободом (рисунок 2.7) состоит из диска 4 и приваренного к нему обода 2, бортового 3 и посадочного 5 колец и распорного кольца 1. Диск и бортовое кольцо при монтаже шины соединяются болтами 6 с гайками 9. Разрезное распорное кольцо со специальным шарнирным замком прижимает борта шины к закраинам обода.

Рисунок 2.7 – Дисковое колесо с разъемным ободом и распорным кольцом: 1 – распорное кольцо; 2 – обод колеса; 3 – бортовое кольцо; 4 – диск колеса; 5 – посадочное кольцо; 6 – болт крепления бортового кольца; 7 – покрышка; 8 – камера; 9 – гайка крепления бортового кольца

У современных армейских автомобилей, оборудованных системой регулирования давления воздуха в шинах, передача крутящего момента от шины к ободу при минимально-допустимом внутреннем давлении воздуха в шине обеспечивается плотной посадкой бортов шины на конических полках обода. Распорное кольцо в этом случае удерживает борта шины от случайного сползания с конических полок обода.

Дисковое колесо с полуглубоким ободом с тороидальными посадочными полками (рисунок 2.8) также состоит из диска 10 и приваренного к нему обода 1. Оба бортовых кольца 2 – съемные, причем наружное – фиксируется замочным разрезным кольцом 7. Ограничитель 8 обеспечивает фиксацию наружного и замочного колец в строго определенном положении. В ограничителе одновременно фиксируется защитный кожух шланга подвода воздуха после установки колеса на ступицу.

Тороидальные поверхности посадочных полок обода обеспечивают постоянный натяг между покрышкой и ободом, надежную посадку бортов покрышки на полки обода без распорного кольца при заданном диапазоне изменения давления воздуха в шине.

Колесо с ободом такой конструкции в случае герметизации вентиля позволяет устанавливать на него бескамерные шины с регулируемым давлением воздуха.

Для шин грузовых автомобилей большой грузоподъемности и автобусов соответствующих классов применяются дисковые колеса с плоскими разборными ободами, имеющими две съемные закраины (рисунок 2.9).

Рисунок 2.8 – Дисковое колесо с полуглубоким ободом с тороидальными посадочными полками:

1 – обод колеса; 2 – бортовые кольца; 3 – ободная лента; 4 – камера; 5 – уплотнитель вентильного паза; 6 – покрышка; 7 – замочное кольцо; 8 – ограничитель; 9 – вентиль камеры;

10 – диск колеса; 11 – балансировочный груз; 12 – скоба крепления груза

Для шин тракторов общего назначения и универсально-пропашных тракторов применяются дисковые колеса по конструкции аналогичные колесам грузовых автомобилей.

Тракторы общего назначения имеют все колеса одинакового размера, а универсально-пропашные тракторы – передние управляемые колеса меньшего размера по сравнению с задними ведущими колесами, что сделано для облегчения поворота и уменьшения радиуса поворота, а также в связи с необходимостью изменения колеи ведущих колес для выполнения сельскохозяйственных работ [3].

Рисунок 2.9 – Колесо широкопрофильной шины:

1 – основание обода; 2 – закраина; 3 – посадочное кольцо;

4 – замочное кольцо; 5 – диск колеса

Изменение колеи, показанное на рисунке 2.10, возможно у тракторов, у которых диски 1 задних ведущих колес приворачиваются болтами к фланцам 3 валов привода и к кронштейнам 2 ободов колес. Меняя задние колеса в сборе с дисками местами, можно изменить колею на одну величину, а, переставляя диски колес на кронштейнах ободов, – на другую величину [12].

Рисунок 2.10 – Изменение колеи ведущих колес трактора

путем перестановки обода относительно диска:

1 – диск заднего ведущего колеса; 2 – кронштейн обода колеса;

3 – фланец вала привода колеса

Ступенчатое изменение колеи задних ведущих колес предусмотрено в конструкции трактора МТЗ-80 (рисунок 2.11). Ступица колеса закреплена на полуоси 1 с помощью шпонки и вкладыша 3. Во вкладыше смонтирован червяк 2, витки которого заходят в прорези полуоси. Поворачивая червяк, можно передвинуть ведущее колесо на полуоси и получить требуемую для работы колею. Для этого необходимо поднять домкратом колесо и ослабить болты крепления вкладыша к ступице колеса.

Чтобы получить наибольшую колею, диски ведущих колес трактора должны быть расположены выпуклой частью внутрь.

Рисунок 2.11 – Заднее ведущее колесо трактора МТЗ-80:

1 – полуось; 2 – червяк; 3 – вкладыш; 4 – дополнительный груз

Для увеличения сцепления ведущих колес трактора с опорной поверхностью при выполнении сельскохозяйственных работ на диски вешают дополнительные грузы 4, которые снимают при использовании трактора на транспортных работах.

Дисковым колесам присущи следующие недостатки:

- ограниченная возможность дальнейшего повышения грузоподъемности автомобилей без увеличения размеров и массы колес из-за их низкой удельной грузоподъемности (отношения вертикальной нагрузки на колесо к массе колеса), не превышающей 560…700 Н/кг;

- недостаточная долговечность колес, определяемая в основном долговечностью дисков;

- плохое охлаждение ободов, шин и тормозных механизмов;

- высокая трудоемкость изготовления и обслуживания колес в процессе эксплуатации автомобилей, вызванная большой номенклатурой деталей крепления и повышенной массой колес.

Рисунок 2.12 – Колесо с широким неразъемным ободом

Наибольшую удельную грузоподъемность, превышающую примерно на 30…35 % удельную грузоподъемность колес с разборными ободами с косыми полками, имеют колеса с широкими неразборными ободами с крутыми полками, на которые монтируются радиальные бескамерные шины для грузовых автомобилей с отношением Н/В = 0,7…0,8 (рисунок 2.12).

В дисковых колесах для снижения массы предусматривают отверстия, которые одновременно служат для удобства монтажа и демонтажа и для вентиляции тормозных механизмов.

Бездисковые колеса

Бездисковые колеса применяют на грузовых автомобилях, у которых номинальная нагрузка на колесо превышает 20 кН и тракторах общего назначения с колесной формулой 4К4б. Они состоят из обода и спицевой ступицы. Обода на ступицах крепят прижимами, болтами или шпильками и гайками, имеющими только правую резьбу.

Известны две принципиально отличающиеся конструкции бездисковых колес: с продольно-разборными и поперечно-разборными ободами. Крепление бездисковых колес на ступицах осуществляется по единым схемам.

В настоящее время бездисковые колеса с продольно-разборными ободами (рисунок 2.13) нашли достаточно широкое применение в автомобильной промышленности. Однако им присущи недостатки, сдерживающие дальнейшее их распространение:

- относительно низкая точность и повышенная трудоемкость установки колес на ступицах;

- недостаточная надежность закрепления, что в эксплуатации приводит к провороту колес на ступицах и, как следствие, срезу ограничителей проворота и обрыву вентилей камер;

- жесткие требования к производству ободов с целью обеспечения минимальных отклонений посадочных размеров, овальности, величин осевых и радиальных биений.

А) б)

Рисунок 2.13 – Бездисковые колеса с продольно-разборными ободами:

а – крепление сдвоенных колес; б – крепление одиночного колеса;

1 – обод; 2 – прижим; 3 – ступица; 4 – распорное кольцо;

А – коническая поверхность

Бездисковые колеса с поперечно-разборными ободами (рисунок 2.14) считаются более перспективными [6, 10, 13]. Обод обычно состоит из трех сегментов 1 равного размера, замыкаемых при сборке в единое кольцо, и имеет кольцевой внутренний выступ с коническим поясом, обращенным к ступице 2 колеса. Аналогичный конический пояс имеет и ступица. Таким образом, центрирование обода по ступице осуществляется этими коническими поверхностями. Крепление обода к ступице осуществляется зажимами 4, затягиваемыми гайками 3 на шпильках 5. Эта конструкция позволяет практически устранить перечисленные выше недостатки как дисковых, так и бездисковых колес с продольно-разборными ободами.

Колеса с поперечно-разборными ободами по сравнению с колесами с продольно-разборными ободами имеют следующие недостатки:

- увеличенную примерно на 18 % металлоемкость;

- сложность обеспечения герметичности обода при применении бескамерных шин;

- сложность обработки посадочных и стыковых поверхностей секторов.

Рисунок 2.14 – Бездисковое колесо с поперечно-разборным ободом:

1 – сегменты обода; 2 – спицевая ступица колеса; 3 – гайка; 4 – зажим; 5 – шпилька

У тракторов общего назначения бездисковая конструкция ведущих колес позволяет сократить габаритную ширину при сохранении дорожногопросвета, так как конечные передачи при бездисковых колесах располагаются внутри ободов колес.