Бескамерные колеса

В 2005 году компания Michelin представила концептуальную шину Tweel (Tire + Wheel). В этой конструкции центральный обод и внешний обод соединены V-образными ‘спицами’, проходящими по всей ширине шины. Дизайнер говорил о снижении веса по сравнению с традиционными изделиями, увеличении долговечности и т.д.

Запорное кольцо шины

Колесо состоит из обода и соединительного элемента, с помощью которого оно соединяется со ступицей. Соединительный элемент обычно представляет собой контурный обод, который приваривается к ободу или является его неотъемлемой частью — безободковый узел.

• прочность и долговечность;
• Размер и жесткость колеса должны обеспечивать надежное крепление шины к ободу и не сокращать срок службы шины;
• колесо должно быть смонтировано таким образом, чтобы его можно было быстро и точно установить на ступицу колеса
• минимальное биение и дисбаланс колеса на ступице
• минимальный момент инерции.

При использовании бескамерных шин к колесу предъявляются дополнительные требования:

Классификация колес.. Колеса различают в зависимости от класса, типа и вида. В зависимости от назначения транспортных средств колеса классифицируются следующим образом:

• класс 1 — для внутрифирменного транспорта (вилочные погрузчики, электротележки);
• класс 2 — для автомобилей полной массой до 2,0 т и их прицепов.
• Класс 3 — для грузовых автомобилей полной массой от 2 до 20 т;
• Класс 4 — для грузовых автомобилей полной массой более 20 т;
• Класс 5 — для внедорожных транспортных средств и их прицепов;
• Класс 6 — 7 — для сельскохозяйственных тракторов и машин.

Колеса могут быть предназначены для следующих типов шин:

По конструктивным признакам колеса подразделяются следующим образом:

• по типу обода — с неразъемными и разъемными ободами, с профилированными ободами, с фасонными ободами, с штампованными или литыми ободами и т.д;
• по способу соединения диска с ободом — с соединением диска с ободом в центральной части, то же в запорной части, то же в боковой части;
• по способу соединения диска с ободом — нерегулируемый по свесу диска относительно обода и регулируемый;
• по способу соединения колеса со ступицей — дисковые и бездисковые
• по количеству одновременно установленных на ступице колес — одинарные или сдвоенные.

Стопорное кольцо шины.

Колеса автомобиля обеспечивают непосредственную связь с дорогой, участвуют в создании и изменении направления движения автомобиля и передают нагрузку от веса автомобиля на дорогу.

В зависимости от своего основного назначения колеса делятся на ведущие, управляемые, комбинированные (ведущие и управляемые) и опорные.

Ведущие колеса преобразуют крутящий момент от трансмиссии в тягу, которая двигает автомобиль вперед. Ведущие колеса принимают толкающие усилия от кузова через подвеску и управляют направлением движения через рулевое управление. Комбинированные колеса выполняют одновременно функции ведущих и управляемых колес. Несущие колеса обеспечивают опору для задней части кузова или рамы автомобиля и преобразуют толкающие силы в силы качения.

Колесо автомобиля (рис. 8) обычно крепится к ступице 3, которая сидит на подшипниках 2 на корпусе оси 1. Основными частями колеса являются диск 4 с ободом 8 и пневматическая шина 5. Шина характеризуется основными размерами: наружным диаметром D, посадочным диаметром d на ободе колеса, шириной B и высотой H профиля шины.

Обод колеса и диск выпрессованы из специальной стали, имеют форму, повышающую жесткость и облегчающую монтаж шины на ободе. В местах посадки шины обод имеет фланцы 7, которые заканчиваются бортами 6. Диск колеса и обод соединяются сваркой, а для крепления колеса к ступице в диске сверлятся отверстия, с помощью которых колесо сажается на шпильки и фиксируется гайками.

В зависимости от конструкции обода и его соединения со ступицей все колеса делятся на дисковые и бездисковые. Дисковые колеса чаще всего встречаются на всех легковых и большинстве грузовых автомобилей. Дисковые колеса используются на тяжелых автомобилях, таких как МАЗ, КамАЗ и т.д. Дисковые колеса с разъемным ободом используются на внедорожниках ГАЗ и ЗИЛ.

Конструкция дисковых колес.

По форме внутренней части обода дисковые колеса делятся на два типа: с глубоким ободом и с плоским ободом. Первый тип обода используется для колес легковых автомобилей (рис. 8). Отличительной особенностью обода с глубоким бортом является то, что профиль обода 8 имеет углубление в центре, которое служит для облегчения монтажа шины на обод. Прочная конструкция обода делает его максимально легким и простым. На такие колеса можно устанавливать сравнительно небольшие шины — шины для легковых автомобилей.

История

Бездисковые колеса начали появляться в 1920-х годах, но широкое распространение получили в 1940-х годах. Наиболее распространенным типом колеса был ‘Трилекс’ (TRILEX), который был разработан в Швейцарии в 1929 году. Они стали использоваться на грузовиках грузоподъемностью более 6-8 тонн и полной массой 10-12 тонн, то есть на грузовиках с номинальной нагрузкой на колесо более 20 кН, а также на автобусах и троллейбусах, построенных на шасси или агрегатах от таких грузовиков. В Европе и США массовое использование бездисковых колес на тяжелых транспортных средствах получило широкое распространение в 1950-х годах.

В СССР первым серийным дорожным автомобилем, получившим безлюфтовые колеса, стал МАЗ-500, а внедорожными полноприводными военными грузовиками — ЯАЗ-214 и МАЗ-502. Позже безлюфтовые колеса стали устанавливать на тяжелые грузовики КамАЗ и КрАЗ. С начала 1960-х годов колеса этого типа стали устанавливать на новые модели советских автобусов и троллейбусов. Например, на троллейбусах ЗиУ-5 (с 1963 года), на автобусах ЛАЗ-699 и ЛАЗ-677 — эти автобусы имели полную массу более 12-14 тонн. Бескамерные колеса широко использовались на автобусах ‘Икарус’, особенно на тех, которые предназначались для экспорта в СССР.

В 1980-х годах от использования бездисковых колес постепенно отказались в западном мире. В постсоветских странах отказ от бездисковых колес начался примерно в конце 1990-х годов. В настоящее время бездисковые колеса вновь используются на значительной части современных коммерческих автомобилей.

Проект

Колеса без диска крепятся к самой ступице. На спицах ступицы имеются шпильки. Обычно спиц и шипов не более пяти-шести, но их может быть и больше, если автомобиль перегружен на колеса. Сам обод может быть разборным (состоящим из разъемных секторов) или неразборным (например, на автомобилях КамАЗ). В случае разборного обода сборка колеса заключается в складывании секторов обода в ненакачанную шину, затем сложенное колесо надевается на конические посадочные поверхности шпилек ступицы и фиксируется специальными зажимами для шпилек и гаек. Ступицы колес изготавливаются из стали или ковкого чугуна. К ним крепятся тормозные компоненты, такие как диски и барабаны. Ступицы устанавливаются на подшипники, которые должны воспринимать не только радиальные, но и осевые силы от боковых усилий. На ступицах устанавливаются конические роликоподшипники или радиально-упорные шарикоподшипники.

Подшипники колес смазаны, чтобы выдерживать высокие температуры. Подшипники уплотняются прокладками для предотвращения утечки смазки и попадания грязи.

Преимущества и недостатки

• Снижение веса на 10 — 15% по сравнению с дисковыми аналогами;
• более длительный срок службы;
• простая конструкция;
• простота монтажа и демонтажа;
• более низкая стоимость;
• лучшее охлаждение тормозных компонентов и шин.

Еще одним преимуществом является то, что на одну и ту же ступицу можно установить обод различной ширины.

Область применения безободковых колес включает грузовики, автобусы, троллейбусы, а также тракторы и прицепы общего назначения.

Благодаря особой конструкции колеса могут использоваться в паре с колесами для большегрузных автомобилей. Для регулировки дорожного просвета используется промежуточный элемент. Он способствует равномерной циркуляции воздуха, рассеивает тепло и предотвращает преждевременное разрушение.

История разработки

Изобретение бездискового колеса относится к началу 20-го века, а его широкое применение началось примерно в 1940 году. Сфера применения включала грузовики грузоподъемностью от 6 до 8 тонн. Эти транспортные средства весили более 10 тонн. Такие модели также устанавливались на автобусы и троллейбусы. В 1950-х годах бесколесные колеса начали широко использоваться в Америке, многих европейских странах.

В Советском Союзе их сначала использовали на большегрузе МАЗ-500, военном шасси ЯАЗ-214, МАЗ-502, позже бесколесные модели стали устанавливать на грузовики КамАЗ и КрАЗ, автобусы (ЛАЗ-699, ЛиАЗ-677, Икарус) и троллейбусы (ЗИУ-5).

Однако в 1980-х годах бездисковые колеса несколько утратили популярность, уступив место дисковым аналогам.

Дисковые колеса просты в обслуживании и могут быть отремонтированы в случае повреждения. При выборе всегда следует учитывать класс грузоподъемности.

Преимущества и недостатки

В автомобильной промышленности используются два типа безободковых колес: колеса с разъемным ободом и колеса с траверсным ободом. Второй вариант более широко распространен. Несмотря на различия в конструкции, способ их крепления к ступице одинаков. Эти колеса имеют ряд преимуществ и недостатков.

• меньший вес по сравнению с дисковыми аналогами;
• надежное крепление к ступице
• быстрая сборка/разборка;
• низкая радиальная и осевая несоосность;
• легкий доступ к воздушным соединениям;
• беспрепятственная вентиляция и охлаждение механизмов ступицы.

• При неправильной установке на ступице создается дисбаланс в направлении движения;
• в конструкции должна быть предусмотрена камера;
• Стопорное кольцо может соскочить во время накачивания или в движении.

Если обод состоит из 3 частей, может быть трудно соединить компоненты вместе. Основной причиной этого является ржавчина в монтажных пазах.

Бескамерными колесами оснащались следующие модели автомобилей: МАЗ-500, МАЗ-502 (военный грузовик), КРАЗ-255, КАМАЗ-5320, Икарус-250, ЛИАЗ-677, ЛАЗ-699, ЗИУ-682 (троллейбус). Каждое колесо устанавливалось на передней оси, а на задних осях колеса располагались попарно.

История создания безободкового колеса

Конструкция безободкового колеса была разработана в 1920-х годах в США. Однако эта технология получила широкое распространение не сразу, а лишь спустя десятилетия. Преимущества обода были признаны на Западе и в Европе к концу 1940-х годов. В СССР дисковые колеса получили распространение в начале 1960-х годов. Изначально они устанавливались на первый серийный кабриолет МАЗ-500 и другие автомобили на его шасси.

Синопсис. В современной автомобильной промышленности инженеры все реже обращаются к технологии бездисковых колес. Практически все автомобили производились в СССР. Сегодняшние КАМАЗы, КРАЗы и МАЗы — оснащены дисковыми колесами, как и автобусы, и троллейбусы. Однако это не означает, что технология устарела. Многокомпонентные диски без центрального сердечника можно встретить на различной спецтехнике.

Преимущества и недостатки

Безвоздушная шина с интегрированными гибкими элементами имеет ряд существенных преимуществ перед обычной пневматической шиной. Именно этим объясняется растущий на сегодняшний день интерес к таким конструкциям.

Твил при столкновении с препятствием. Фото: Michelin / michelinmedia.com

Главное преимущество — повышенная живучесть. Безвоздушная шина не имеет воздушной камеры и не боится проколов. Шина также устойчива к боковым ударам. В зависимости от архитектуры, функциональность сохраняется даже в случае серьезных повреждений несущей конструкции. Нет необходимости в накачивании и контроле давления, что упрощает управление. Можно отказаться от большого и относительно тяжелого обода колеса. В результате колесо в сборе становится легче, что уменьшает неподрессоренную массу.

Однако существует ряд проблем, препятствующих широкому распространению таких шин. Прежде всего, это повышенные требования к материалам. Нужна резина или смола, обладающая нужной эластичностью, высокой жесткостью и устойчивостью к разного рода нагрузкам. Также высоки требования к поглощению механической энергии, преобразованию ее в тепловую и последующему рассеиванию.

Все это увеличивает сложность и стоимость производства. Кроме того, большинство шин имеют ограничение по скорости — обычно не более 70-80 км/ч. Дальнейшее ускорение увеличивает механические нагрузки и приводит к недопустимому перегреву.

Более поздний пример — Michelin Uptis с другой конфигурацией гибких ‘спиц’. Фото Michelin / michelinmedia.com

В отличие от пневматических шин, безвоздушные шины имеют постоянную жесткость, и для ее изменения необходимо менять колеса. В то же время на жесткость и другие свойства может негативно повлиять грязь, попадающая в конструкцию через открытые боковины. С этих точек зрения пневматические конструкции гораздо более выгодны.

Любопытство будущего

Специфическое сочетание технических, эксплуатационных и экономических характеристик, а также ряд существенных ограничений до сих пор не позволяли безвоздушным шинам выйти на широкий рынок и составить серьезную конкуренцию традиционным конструкциям. В результате рынок шин остается неизменным — хотя различные компании регулярно представляют различные ‘перспективные’ продукты.

Колесо с шинами Bridgestone. Фото: bridgestonetire.com

Однако не стоит упускать из виду, что отдельные продукты оригинального дизайна действительно вышли на рынок и даже нашли своих покупателей. Успех наблюдается в нескольких довольно узких нишах, в то время как завоевание основных секторов рынка оказывается невозможным. Нет никаких объективных признаков того, что ситуация изменится.

Таким образом, различные варианты безвоздушных шин с интегрированными гибкими компонентами в целом сохраняют свой статус интересного решения важной технической проблемы — без особых перспектив в плане реального применения.

С другой стороны, такие проекты могут дать положительные результаты, не связанные с непосредственным использованием готового продукта. В настоящее время разработкой таких шин занимаются признанные лидеры отрасли с хорошей научной и технической подготовкой. В результате разработки безвоздушных шин могут появиться новые материалы, технологии и структуры. И они могут найти применение в развитии и совершенствовании традиционных шин с реальными практическими и коммерческими перспективами.