Факторы надёжности колес и шин

Нагрузки на колесо

В процессе работы автомобильное колесо нагружается внешними силами, моментами и внутренним давлением в шине. На колесо со стороны дороги действуют нормальная, продольная и боковая реакции. Если нормальная реакция может достигать любой величины, определяемой приложенной к колесу нагрузкой, то продольная и боковая реакции ограничиваются сцеплением колеса с дорогой. Поэтому их максимальные значения пропорциональны произведению нормальной нагрузки на коэффициент сцепления колеса с дорогой. При качении колеса величина и направление действия указанных сил и моментов может изменяться в широких пределах. Это относится и к давлению воздуха в шинах.

Внутреннее давление в шине при нагружении колеса нормальной нагрузкой изменяется незначительно (примерно на 5% номинального значения). Вследствие нагрева шины при работе колеса оно может изменяться: у шин грузовых автомобилей общего назначения — на 15—20%, а у шин легковых автомобилей — на 25—30% номинального для данной нагрузки.

При компоновке автомобиля (прицепа) необходимо так распределять нагрузку по осям, чтобы полностью использовалась грузоподъемность шин. Однако в большинстве случаев этого достигнуть не удается, и колеса имеют разную нагрузку. Отношение нагрузки, приходящейся на колеса, к номинальной грузоподъемности шин характеризует степень использования грузоподъемности шин и совершенства компоновки автомобиля. Неполное использование грузоподъемности шин приводит к утяжелению автомобиля и ухудшению его эксплуатационных свойств.

Нагрузка на колеса в процессе равномерного движения, разгона или торможения может существенно отличаться от статической. Это обусловлено действием сил инерции, сил сопротивления движению, неровностями дороги, характеристиками подвески и шины, скоростью движения. Отношение максимальной действительной нагрузки, действующей на колесо в процессе его движения, к статической характеризует степень динамической нагруженности колеса. Опыты показывают, что степень динамической нагруженности управляемых колес легкового автомобиля при прямолинейном движении по дорогам с различными покрытиями увеличивается с повышением скорости движения. Так, при движении по магистральным дорогам с покрытиями, находящимися в очень хорошем состоянии, нагрузка на переднее колесо при скорости 32 км/ч колеблется от ±2 до ±5%, а при скорости 70 км/ч от ±4 до ±11% номинальной.

Нагрузки на диск колеса

В процессе работы диск колеса нагружается нормальной, боковой и продольной силами, а также силой от запрессовки диска в обод. В результате в его элементах возникают сложные напряжения. Диск колеса работает в основном на усталость.

Под действием внутреннего давления в шине обод деформируется и нагружает диск колеса сжимающими усилиями. Величина этих усилий невелика, особенно если основание обода имеет достаточную толщину. При недостаточной жесткости средней части обода силу давления воздуха на диск следует учитывать. Если вместо круглого применяют четырехспицевой диск, то уже при запрессовке в обод он приобретает четырехгранную форму, а спицы диска изгибаются. При наполнении шины воздухом присоединительные элементы диска получают дополнительный изгиб. От нормальной нагрузки диск деформируется — нижняя спица изгибается в одну сторону, а боковые — в другую.

Исследования показывают, что продольные усилия оказывают небольшое (1 — 1,5%) влияние на нагруженность диска колеса и их обычно не принимают во внимание. Следовательно, основными силами, нагружающими диск колеса, являются нормальная и боковая.

Ввиду наличия вылета диска нормальная реакция дороги, приложенная к колесу, изгибает диск в поперечной плоскости. Боковая реакция, приложенная к колесу в плоскости дороги, также нагружает диск изгибающим моментом. Наиболее нагружен диск колеса в том случае, когда изгибающий момент от нормальной и боковой реакций действует в одном направлении. При большой величине центробежной силы на повороте нормальная нагрузка на внешних колесах автомобиля может увеличиться почти в 2 раза. Исследования показали, что у заднего моста автомобиля со сдвоенными колесами наиболее нагруженными являются диски колес внутренних скатов: левый внутренний диск при повороте автомобиля вправо и правый внутренний диск при повороте автомобиля влево. При качении колеса величина и направление главных напряжений в диске непрерывно изменяются. Из-за сложности конфигурации и наличия многочисленных концентраторов напряжений нагруженность различных точек диска колеса неодинакова. Наибольшие напряжения наблюдали в зоне перехода цилиндрической части диска в сферическую и на участках перегиба профиля. Прочность дисков существенно зависит от их формы. Дискам колес придают обычно сложную колоколообразную форму для того, чтобы обеспечить высокую жесткость и способность противостоять многократным воздействиям внешних нагрузок. Колоколообразные диски имеют значительно больший срок службы по сравнению с плоскими. Повышается работоспособность диска при наличии на нем кольцевого ребра. Увеличение при прочих равных условиях высоты кольцевого ребра приводит к повышению срока службы диска в 2—3 раза.

Важным элементом в диске является зона расположения отверстий крепления. Максимальный момент, действующий на диск при движении по кривой, должен передаваться через шпильки на фланец ступицы. Чем больше диаметр расположения крепежных отверстий, тем меньше силы, действующие на элементы крепления.

Надёжность колёс и шин

От качества изготовления, прочности, надежности колес в большой степени зависит надежность работы шин и безопасность движения автомобиля.

На работу шины и автомобиля в целом влияют: ширина профиля обода, диаметр посадочных полок и их наклон, высота и форма бортовой закраины, диаметр расположения крепежных отверстий в диске, вылет диска, масса и момент инерции колеса, радиальное и осевое биения, дисбаланс, прочность и надежность, точность и легкость установки и снятия со ступицы, легкость монтажа и демонтажа шин, прочность окраски, внешний вид.

Многие исследования показывают, что с увеличением отношения ширины обода С к ширине профиля В диагональной шины от 0,65 до 0,74 срок ее службы повышается на 10—15%. При дальнейшем увеличении ширины обода происходит неравномерный износ протектора по ширине беговой дорожки, ухудшается работа надбортной части шины, увеличивается боковая жесткость шин па 7—8%, несколько снижается сопротивление качению, улучшается устойчивость автомобиля на повороте. Для радиальных шин увеличение отношения С/В почти не влияет на их срок службы: повышается грузоподъемность шины, уменьшается нагруженность ее силовых элементов.

При увеличении диаметра колеса при сохранении высоты и ширины профиля шины несколько повышается ее грузоподъемность. Одновременно с этим увеличивается масса и момент инерции колеса, нагрузка на подшипники ступицы при движении автомобиля на поворотах. Диаметр колес, поэтому стремятся ограничивать. Основная масса колес грузовых автомобилей общего назначения имеет ободья с посадочным диаметром 20", а легковых автомобилей 13 и 14".

Наклон полок обода повышает надежность посадки на них бортов шины, улучшает демонтаж шин, условия работы шины и обода.

Высота и форма бортовых закраин оказывает влияние на надежность работы и удержания бортов шины, нагруженность обода. Они должны строго соответствовать типу, размеру шины и условиям ее работы, быть увязаны с формой бортовой части шины размером и расположением бортовых колец.

Форма диска, его толщина, вылет, диаметр и точность расположения в нем крепежных отверстий, количество и размеры ручных отверстий определяют его работоспособность, точность установки колеса на ступице, надежность работы. Неточная установка дисковых и бездисковых колес на ступицах приводит к биению их в процессе работы, что в очень большой степени влияет на срок службы шин, повышает сопротивление движению, отрицательно влияет на работу автомобиля. Из-за недостаточной величины вылета дисков колес в эксплуатации при больших нагрузках возможны соприкосновения боковин шин сдвоенных колес и, как следствие этого, — преждевременный выход шин из строя.

Для современных быстроходных автомобилей требуются колеса, которые должны быть очень легкими и в то же время прочными и весьма надежными. Их нужно делать из высокосортных материалов.

Главная   |  Автодром  |  Факторы надёжности колес и шин