Конструкция и функции автомобильных колес и шин: классификация, устройство, выбор

Назначение и классификация колес автомобиля. Основное назначение колес заключается в передаче сил между автомобилем и дорожным полотном. Конструкция обеспечивает выполнение четырех ключевых функций: передача вертикальной нагрузки от массы автомобиля, создание продольных реактивных сил для движения и торможения, формирование боковых сил для управления и движение по криволинейной траектории, а также гашение динамических нагрузок от неровностей дороги. Исходя из выполняемых функций, колеса классифицируют на поддерживающие, ведущие, направляемые (управляемые) и комбинированные ведущие направляемые. Типичное колесо состоит из шины, обода, ступицы с подшипниками и соединительной части, которой чаще всего служит диск (дисковое колесо), реже – спицы (спицевое колесо).

Общие требования к автомобильным шинам. Шины общего назначения должны соответствовать комплексу взаимосвязанных требований, обеспечивающих безопасность, экономичность и комфорт. Ключевыми критериями являются минимальное сопротивление качению, высокая радиальная податливость, надежное сцепление с дорогой в продольном и поперечном направлениях, а также стойкость к боковому уводу. Немаловажны долговечность, стойкость к повреждениям, низкий уровень шума, герметичность, минимальные масса и момент инерции. Конструкция должна обеспечивать удобство монтажа и возможность размещения тормозного механизма внутри колеса. Приоритетность требований варьируется для разных типов транспортных средств, что обуславливает широкое разнообразие конструктивных решений.

Конструкция камерных шин. По своей конструкции шины подразделяются на два основных типа: камерные и бескамерные. Стандартная камерная шина включает в себя три элемента: камеру, покрышку и ободную ленту. Камера представляет собой резиновую тороидальную оболочку, удерживающую сжатый воздух, и оснащена вентилем с обратным клапаном. Покрышка воспринимает механические нагрузки, защищает камеру и обеспечивает контакт с дорогой. Ободная лента, выполненная в виде плоского кольца, предохраняет камеру от защемления между покрышкой и ободом, однако ее применение не всегда является обязательным.

Устройство и элементы покрышки. Основные элементы покрышки представлены на рис. 171. Конструкция включает каркас (1), подушечный слой или брекер (2), протектор (3), боковины (4) и борта (5). Каркас служит основной силовой частью, воспринимающей нагрузки от давления воздуха, а также радиальные, продольные и боковые силы. Он состоит из нескольких слоев прорезиненного корда, закрепленных на проволочных бортовых кольцах. В традиционных диагональных шинах, как показано на рис. 172, а, нити корда расположены под углом к меридиональной плоскости. Материалом корда могут служить хлопок, вискоза, полиамид или стальная проволока.

Рис. 171. Покрышка: 1 — каркас; 2 — подушечный слой (брекер); 3 — протектор; 4 — боковина; 5 — борт; 6 — бортовое проволочное кольцо; 7 — наполнительный резиновый шнур; 8 — текстильная обертка; 9 - бортовая лента; Н — высота профиля; В — ширина профиля; D — наружный диаметр; d посадочный диаметр

Особенности радиальных шин и материалы корда. В радиальных шинах, получивших широкое распространение, нити корда расположены параллельно друг другу от борта к борту, что иллюстрирует рис. 172, б. По сравнению с диагональными шинами, радиальные отличаются повышенной радиальной податливостью и износостойкостью, но обладают меньшим сопротивлением боковому уводу. Прочность кордной ткани напрямую определяет качество шины. Использование высокопрочных материалов, например, металлического корда, позволяет уменьшить количество слоев в каркасе, что снижает массу и увеличивает грузоподъемность и стойкость к проколам.

Рис. 172. Шины: а - диагональная; б — радиальная; 1 — каркас; 2 - брекер

Назначение и типы рисунка протектора. Протектор – это массивный наружный резиновый слой, непосредственно контактирующий с дорогой. Его рисунок напрямую влияет на сцепление с дорогой, сопротивление качению и износостойкость. В зависимости от условий эксплуатации применяют три основных типа рисунка, показанных на рис. 173. Для дорог с твердым покрытием предназначен дорожный рисунок (рис. 173, а), состоящий из неглубоких продольных ребер и канавок. Универсальный рисунок (рис. 173, б) сочетает элементы для работы как на асфальте, так и на грунте. Для бездорожья используют рисунок повышенной проходимости (рис. 173, в) с крупными грунтозацепами и широкими канавками.

Рис. 173. Типы рисунков протектора: а — дорожный; б — универсальный; в — повышенной проходимости

Функции брекера, боковин и бортов покрышки. Брекер, расположенный между каркасом и протектором, усиливает конструкцию, смягчает ударные нагрузки и способствует равномерному распределению усилий. Боковины из резины защищают каркас от влаги и механических повреждений, составляя единое целое с протектором. Борты обеспечивают жесткую фиксацию покрышки на ободе колеса. Их основу составляют крылья – бортовые кольца из стальной проволоки, резинового шнура и текстильной обертки. Проволока создает жесткость, а резиновый шнур формирует профиль сечения. Количество крыльев зависит от числа слоев корда в бортовой зоне.

Устройство и преимущества бескамерных шин. Бескамерные шины конструктивно отличаются от камерных наличием специального герметизирующего слоя на внутренней поверхности и бортами особой формы, обеспечивающими плотную посадку на обод. Вентиль в них устанавливается непосредственно в ободе. К преимуществам бескамерных шин относят удобство монтажа, повышенную безопасность (медленная разгерметизация при проколе), меньшие массу и момент инерции. Однако их производство требует более высокотехнологичных материалов и процессов. Несмотря на это, они стали стандартом для легкового транспорта и взаимозаменяемы с камерными аналогами тех же размеров.

Влияние пропорций профиля на характеристики шины. Важнейшей геометрической характеристикой шины является отношение высоты профиля (H) к его ширине (B), как видно на рис. 171. Уменьшение этого показателя характерно для низкопрофильных шин. Они обладают меньшим сопротивлением качению, износом, углом бокового увода и уровнем шума. Кроме того, снижение H/B при неизменном внешнем диаметре позволяет увеличить диаметр обода, что улучшает условия для размещения тормозных механизмов. Для обычных шин отношение H/B находится в диапазоне 0.9–1.1, тогда как современные стандарты предусматривают низкопрофильные (H/B < 0.88) и сверхнизкопрофильные (H/B < 0.82, 0.70, 0.60) шины.

Критерии выбора и маркировка шин. Выбор шин при проектировании автомобиля основывается на требованиях технического задания и компоновочных решениях. Параметры регламентируются стандартами (например, ГОСТ 4754—80) и рекомендациями производителей. Нормативные документы устанавливают типоразмер обода, наружный диаметр, ширину профиля, статический и динамический радиусы качения, допустимую нагрузку в зависимости от давления и числа слоев корда, а также максимальные скорость и массу. Условное обозначение шин включает ширину профиля и посадочный диаметр в миллиметрах или дюймах, часто дополненных буквенными индексами, указывающими на конструктивные особенности.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: П. П. Лукин; Г. А. Гаспарян; В. Ф. Родионов; К. Ю. Чириков.

Источник: Конструирование и расчет автомобиля. Необычные двигатели.

Данные публикации будут полезны студентам автомобилестроительных и транспортных специальностей, начинающим инженерам-конструкторам и технологам автопрома, а также всем, кто интересуется глубоким пониманием процессов проектирования и компоновки современных автомобилей.