Конструкция пневматической шины
ТЕМА № 17
КОЛЕСА и ШИНЫ
Содержание
1. Назначение колес.
2. Конструкция пневматических шин.
· камерная шина;
· камера;
· бескамерная шина;
· основные типы автомобильных шин;
· размеры и маркировка шин.
3. Конструкция колес.
· ободья колес;
· ступиц колеса;
· соединительный элемент колеса.
4. Установка управляемых колес.
Назначение колес
Колеса осуществляют связь автомобиля с дорогой. Они обеспечивают движение автомобиля, его подрессоривание, изменение направления движения и передачу вертикальных нагрузок от автомобиля на дорогу.
В зависимости от выполняемых функций колеса разделяются на:
· ведущие ( комбинированные – ведущие и управляемые);
· ведомые (управляемые, поддерживающие).
Ведущие колеса преобразуют крутящий момент двигателя в силу тяги, а свое вращение - в поступательное движение автомобиля.
Ведомые(поддерживающие, управляемые) колеса воспринимают толкающие усилия от рамы автомобиля и преобразуют поступательное движение автомобиля в свое вращательное движение.
Схема колеса приведена на рис.1.
 а |  б |
| Рис.1 | Автомобильное колесо: а - схема: 1-пневматическая шина; 2-соединительный элемент; 3-ступица; 4-обод; б - обозначение размеров покрышки. |
Пневматическая шина является наиболее важным элементом. При качении жесткого колеса по твердой дороге его ось копирует профиль дороги, удары колеса о неровности дороги в этом случае полностью передаются подвеске. Иной характер имеет качение колеса по жесткой дороге на пневматической шине. В нижней части и особенно в месте контакта эластичная шина деформируется. При этом небольшие неровности увеличивают деформацию шины и не влияют на положение оси колеса. Значительные неровности и сильные толчки вызывают увеличенную деформацию шины плавное перемещение оси колеса. Такая способность пневматической шины плавно изменять характер воздействия дороги на ось колеса называется сглаживающей.
Сглаживающая способность обеспечивается упругими свойствами сжатого воздуха, находящегося в шине. Сжатый воздух способен поглощать значительную энергию удара шины о неровность дороги при сравнительно небольшом размере шины. Причем восприятие энергии удара сопровождается незначительным временным возрастания внутреннего давления воздуха, а также повышением его температуры. Чем ниже внутреннее давление воздуха (до определенного предела), тем лучше шина поглощает толчки от неровностей дороги.
В процессе качения колеса шина деформируется под воздействием различных непрерывно изменяющихся сил. Когда часть шины выходит из контакта с дорогой, часть энергии, затраченной на деформацию шины, теряется на внутреннее трение в резине, превращаясь в теплоту. Нагрев вредно отражается на свойствах шины, и ее изнашивание ускоряется. Потери энергии зависят от конструкции шины, внутреннего давления воздуха в ней, нагрузки, скорости движения и передаваемого крутящего момента. Чем больше деформация шины, тем больше потери на внутреннее трение и тем большая мощность затрачивается на движение автомобиля. Для уменьшения деформации и необратимых потерь давление воздуха в шине надо увеличивать.
Для удовлетворения требований по обеспечению высокой сглаживающей способности шины, с одной стороны, и по уменьшению необратимых потерь на внутреннее трение, с другой стороны, давление воздуха в шинах каждого типа устанавливают с учетом их конструктивных особенностей и условий эксплуатации.
Давление воздуха в шинах является их важнейшим параметром, обеспечивающим длительный срок службы пневматических шин и экономный расход топлива. Максимально допустимое давление воздуха в шинах легковых и грузовых автомобилей малой грузоподъемности 0,2 – 0,27 МПа, грузовых автомобилей, автобусов и прицепов 0,5 – 0,7 Мпа. На автомобилях высокой проходимости используются шины с переменным (регулируемым) давлением воздуха, которое в зависимости от дорожных условий может изменяться от 0,05 до 0,35 МПа.
Пневматическая шина устанавливается на жесткую посадочную часть колеса. Ею является металлический обод, который через диск соединяется со ступицей.
Ступицу обычно устанавливают на двух конических роликовых подшипниках на поворотной цапфе (передние мосты) или на кожухе полуоси (задние мосты). В некоторых случаях, когда ступица отсутствует (задние колеса легковых автомобилей), вращающейся посадочной частью колеса является фланец полуоси, размещенной в балке моста на подшипниках.
Конструкция пневматической шины
Шины относятся к числу наиболее важных и дорогостоящих частей автомобиля. Так, стоимость комплекта шин составляет примерно 20 – 30% первоначальной стоимости автомобиля, а в процессе эксплуатации из общих расходов около 10 – 15% приходится на расходы по восстановлению шин.
Камерная шина(2) состоит из покрышки 9, камеры и ободной ленты 7 (в шинах легковых автомобилей ободная лента отсутствует).
 а |  б |
| Рис.2. | Пневматическая шина:а – составные части шины; б – основные части покрышки. |
Покрышка шины воспринимает давление сжатого воздуха, находящегося в камере, предохраняет камеру от повреждений и обеспечивает сцепление колеса с дорогой. Покрышки шин изготовляют из резины и специальной ткани корда. Резина, идущая для производства покрышек, состоит из каучука (натурального, синтетического), к которому добавляются сера, сажа, смола, мел, переработанная старая резина и другие примеси и наполнители. Покрышка (рис.2б) состоит из протектора 1, подушечного слоя (брекера) 2, каркаса 3, боковин 4 и бортов 5 с сердечниками 6. Каркас служит основной покрышки: он соединяет все ее части в одно целое и придает покрышке необходимую жесткость, при этом обладает высокой эластичностью и прочностью. Каркас покрышки выполнен из нескольких слоев корда толщиной 1 – 1,5мм. Число слоев корда является четным для равнопрочности конструкции и составляет обычно 4 – 6 для шин легковых и 6 – 14 для шин грузовых автомобилей и автобусов. С увеличением числа слоев корда повышается прочность шины, но одновременно увеличивается ее масса и возрастает сопротивление качению.
Корд каркаса 3 (рис.2) представляет собой специальную ткань, состоящую в основном из продольных нитей диаметром 0,6 – 0,8 мм с очень редкими поперечными нитями. В зависимости от типа и назначения шины корд может быть хлопчатобумажный, вискозный, капроновый, перлоновый нейлоновый и металлический. Наиболее дешевым из всех является хлопчатобумажный корд, но он имеет наименьшую прочность, которая к тому же существенно уменьшается при нагреве шины. Прочность капронового корда приблизительно в два раза выше, чем хлопчатобумажного, а перлонового и нейлонового кордов еще выше. Наиболее прочным является металлический корд, нити которого скручены из стальной высококачественной проволоки диаметром 0,15 мм. По сравнению с хлопчатобумажным кордом прочность металлического корда выше более чем в десять раз, и она не снижается при нагреве шины. Шины из такого корда имеют небольшое число слоев (1 – 4), меньше массу и потери на качение, они более долговечны.
Нити корда располагают под некоторым углом к плоскости, проведенной через ось колеса. Угол наклона нитей зависит от типа и назначения шин. Он составляет 50 - 520 для диагональных шин (рис 2.1а).
| а | б |
| Рис.2.1. (2.2 Х) | Покрышки: а - диагональные; б-радиальные. 1-протектор; 2-слой брекера; 3-слои каркаса; 4- резиновая прослойка каркаса; 5-бортовая часть. |
Или выполнены радиально(шины типа R) по профилю шины (рис. 2.1б) в направлении от одного борта к другому, т.е. во всех слоях каркаса нити корда параллельны друг другу. В результате этого каждый слой корда в каркасе шин типа R работает как бы самостоятельно (не в паре с соседним слоем), что обеспечивает меньшие напряжения в нитях корда, примерно в 2 раза, по сравнению с диагональными.
Протектор 1 (рис.2) обеспечивает сцепление шины с дорогой и предохраняет каркас от повреждения. Его изготовляют из прочной, твердой, износостойкой резины. В нем различают расчлененную часть (рисунок) и подканавочный слой. Ширина протектора составляет 0,7 – 0,8 ширины профиля шины, а толщина примерно 10 – 20 мм для шин легковых и 15 – 30 мм для шин грузовых автомобилей. Рисунок протектора зависит от типа и назначения шины. Рисунок протектора может быть:
· дорожный (рис.3а, для дорог с твердым покрытием, имеет продольные зигзагообразные ребра и канавки, общая площадь выступов рисунка 65-80 %);
· универсальный (рис.3б, для дорог с усовершенствованным облегченным (мягким) покрытием, состоит из шашек и зебр в центральной части и выступов (грунтозацепов) по ее краям, общая площадь выступов рисунка 55-60 %);
· повышенной проходимости (рис.3в, для бездорожья и труднопроходимых дорог, состоит из высоких грунтозацепов различной формы разделенных поперечными или косыми глубокими и широкими канавками, общая площадь выступов рисунка 40-50 %);
· карьерный (рис.3г, для работы в карьерах, лесозаготовках, имеет рисунок аналогичный повышенной проходимости, но с более широкими выступами и более узкими канавками, общая площадь выступов рисунка 65-80 %);
· зимний (для заснеженных и обледененных дорог, состоит из отдельных блоков угловатой формы, расчлененных надрезами и достаточно широких и глубоких канавок, общая площадь выступов рисунка 60-70 %);
| Рис.3. (2.3Х) | Рисунок протектора шины: а -дорожный; б-универсальный; в- повышенной проходимости (реверсивный); г - повышенной проходимости (карьерный); д –зимний. |
Подушечный слой (брекер) 2 (рис.2) связывает протектор с каркасом и предохраняет каркас от толчков и ударов, воспринимаемых протектором от неровностей дороги. Он обычно состоит из нескольких слоев разреженного обрезиненного корда, толщина резинового слоя в котором значительно больше, чем у каркасного корда. Толщина подушечного слоя равна 3 – 7 мм, а число слоев корда зависит от типа и назначения шины. Наибольшее число слоев имеют шины высокой проходимости. У шин легковых автомобилей подушечный слой иногда отсутствует. Подушечный слой работает в наиболее напряженных температурных условиях (до 110 - 1200С) по сравнению с другими элементами шины.
Боковины 4 (рис.2) предохраняют каркас от повреждения и действия влаги. Их обычно изготовляют из протекторной резины толщиной 1,5 – 3,5 мм.
Борта 5 (рис.2) надежно укрепляют покрышку на ободе. Снаружи борта имеют один-два слоя прорезиненной ленты, предохраняющей их от истирания об обод и от повреждений при монтаже и демонтаже шины.
Сердечник 6 (рис.2) из стального каната, покрытого слоем жесткой резины и обернутой одой или двумя прорезиненными ленлами, служит для увеличения прочности бортов и предотвращает их соскакивание с обода колеса. Шина с поврежденным сердечником непригодна для эксплуатации.
Камера 2 (рис.1) удерживает сжатый воздух внутри шины. Она представляет собой эластичную резиновую оболочку в виде замкнутой трубы. Для плотной посадки (без складок) внутри шины размеры камеры несколько меньше, чем внутренняя полость покрышки. Поэтому заполненная воздухом камера находится в покрышке в растянутом состоянии. Толщина стенки камеры обычно составляет 1,5 – 2,5 мм для шин легковых и 2,5 – 5 мм для шин грузовых автомобилей и автобусов. На наружной поверхности камеры делаются радиальные риски которые способствуют отводу наружу воздуха, остающегося между камерой и покрышкой после монтажа шины. Камеры изготовляют из высокопрочной резины.
Для накачивания и выпуска воздуха камера имеет специальный клапан - вентиль 8. Он позволяет нагнетать воздух внутрь камеры и автоматически перекрывает его выход из камеры.
В зависимости от типа и размера обода колеса, одинарной или сдвоенной установки шин вентили выпускают разной длины и формы (прямые и изогнутые), но с взаимозаменяемыми деталями. Вентили могут быть металлические, металлические с обрезиненной пяткой и резинометаллические. Вентили металлические и с обрезиненной пяткой используют для камер грузовых шин, а резинометаллические – легковых шин.
Бескамерная шина(рис.4) по устройству почти не отличается от камерной шины. На ее внутренней поверхности находится герметизированный воздухонепроницаемый слой 11 толщиной 1,5-3,5 мм, способствующий мгновенному затягиванию отверстия при сквозном проколе шины.
Бескамерные шины монтируют на глубокие ободья такой же конструкции, как и для камерных шин. Наклон полок обода в 50 обеспечивает более плотную посадку бортов.
 а | б |
| Рис.4 135д, В | Бескамерная шина: а - шина; б - вентиль шины. |
Вентиль шины гайкой с шайбой 11 (рис.4б) герметично закреплен на двух резиновых уплотняющих шайбах 12 непосредственно в ободе колеса.
Бескамерные шины по сравнению с камерными шинами имеют:
· повышенную безопасность движения;
· легкость ремонта;
· меньший нагрев и большую долговечность;
· проще по конструкции;
· возможность использования ее как камерную, в случае негерметичности обода.
Недостатки бескамерных шин:
· герметичность зависит не только от камеры, но и от состояния обода колеса;
· требуют повышенного внимания, т.к. не значительное повреждение герметизирующего слоя в бортовой части снижает герметичность шины.
· для предотвращения повреждения шины при монтаже и демонтаже желательно эти операции проводить в специализированных мастерских.
Основные типы автомобильных шин.Автомобильные шины разделяют по:
· назначению (легковые и грузовые);
· конфигурации профиля поперечного сечения в зависимости от соотношения высоты (рис.1б) профиля шины Н к его ширине В (обычного профиля Н/В > 0,9; широкопрофильные обычно овальные Н/В = 0,6-0,9; низкопрофильные Н/В = 0,7-0,88; сверхнизкопрофильные Н/В < 0,7), низко – и сверхнизкопрофильные предназначены главным образом для легковых автомобилей;
· габаритам и конструкции: - арочные (рис.5а) - Н/В = 0,35-0,5, каркас прочный, тонкослойный из полиамидного корда, внутреннее давление воздуха составляет 0,05-0,15 МПа, рисунок протектора – повышенной проходимости; - пневмокатки(рис.5б) - Н/В = 0,25-0,4, каркас прочный, тонкослойный из качественного корда, внутреннее давление воздуха составляет всего 0,01-0,0 5 МПа, что обеспечивает низкое удельное давление на грунт, и работают в особо тяжелых условиях, могут двигатьс по снежной целине, сыпучим пескам, заболоченной местности; крупногабаритные шины– имеют ширину профиля В > 35 мм и более, DН = 2-3 м и более, внутреннее давление воздуха составляет всего 0,02-0,035 МПа, предназначены для работы в тяжелых условиях.
 а |  б |
| Рис.5 | Конструкция шин: а - арочная; б - пневмокаток. |
Размеры и маркировка шин.Основные размеры шин приведены на рис 1б.
Размер шин обозначают двумя числами – D – d, например, 8,40 – 15, где 8,40 –ширина профиля (В), дюймы; 15 – посадочный диаметр, дюймы.
Пример обозначения радиальной шины: 205/70R14.где 205 – посадочный диаметр, мм; 70 – индекс серии (Н/В = 100); R- индекс радиальной шины; 14 – посадочный диаметр, дюйны.
Индекс скорости: L -120 км/ч; Р – 150 км/ч; Q – 160 км/ч; S -180 км/ч.
Конструкция колес
Ободья служат для установки пневматической шины. Они имеют специальный профиль. Для балансировки на ободья устанавливают специальные грузы. Бывают глубокие и плоские ободья.
Глубокие ободья (рис.6а) делаются неразборными и используются для легковых автомобилей и автомобилей малой грузоподъемности. Отличаются большой жесткостью, малой массой и простотой изготовления
|
а 
б | Рис.6. | Типы колес: а – с глубоким ободом; б – плоский и разъемный |
Плоские ободьяприменяют для большинства грузовых автомобилей и и чаще всего они бывают разборными (рис.6б).
Ступицаобеспечивает установку колеса на мосту и дает возможность колесу вращаться. Ступицу изготавливают из стали или ковкого чугуна. Их монтируют на мосту с помощью роликовых подшипников.
Соединительный элемент колесачаще всего выполняются в виде диска (дисковые), применяются как на легковых, так и на грузовых автомобилях. Делают сплошными или с вырезами (отверстиями). Для крепления колеса к ступице в диске имеются отверстия с полусферическими или коническими фасками.
Бездисковые колеса имеет соединительную часть, изготовленную совместно со ступицей. Они выполняются разъемные в продольной и поперечной плоскости.