Почему уменьшаются колеса?

Если бы конструктора попросили перечислить наиболее важные части автомобиля, одной из первых он назвал бы колесо. С появлением колеса началась история самодвижущихся экипажей и вообще экипажей. С выбора колеса начинает конструктор проект автомобиля, на колесах автомобиль стоит, на них катится по дороге и ими отталкивается от нее. Колесо работает и тогда, когда автомобиль неподвижен; в этом случае оно песет статическую нагрузку веса всего автомобиля. Поэтому мы вправе уделить этому простому механизму почетное место и, в частности, рассмотреть одно характерное явление, наблюдающееся в наши дни в развитии автомобильных колес и шин.

На первый взгляд кажется, что колесо должно быть как можно больше, — тогда оно как будто легче взбирается на неровности, перекатывается через ямки, более устойчиво (вспомните колеса велосипеда!), обеспечивает автомобилю большую скорость, так как за каждый оборот оно проходит больший путь; автомобилю на больших колесах не страшны бугры и камни.

Все это верно. Но почему же колеса автомобилей из года в год уменьшаются в размерах? Конечно, не потому, что конструкторы хотят сделать автомобиль менее быстроходным, менее устойчивым, ухудшить его проходимость по плохим дорогам.

Дело в том, что не только диаметр определяет качество автомобильного колеса.

Грузоподъемность колеса следует считать, пожалуй, самым важным его показателем. Она сказывается в любых условиях, и именно с нее начинается характеристика всякой шины, а значит— и колеса. На каждое колесо автомобиля приходится примерно от одной шестой (грузовые автомобили) до трех десятых его веса. Эта нагрузка воспринимается диском и ободом колеса и передается на точку опоры частично боковинами шины, а главным образом воздухом, содержащимся в камере шины. Чем больше воздуха в шине, тем большую нагрузку может она нести. Количество воздуха в шине можно умножить, либо увеличивая объем камеры, либо повышая давление в ней, то есть нагнетая большее количество воздуха в данный объем. Последнее, однако, нежелательно — шина становится более жесткой и не поглощает толчки от неровностей дороги. Значит, нужно увеличивать объем камеры. Это можно сделать разными способами, так как объем шины зависит и от ее наружного диаметра, и от диаметра обода, и от ширины шины. Представьте себе шину в виде кольца, «баранки» (такое геометрическое тело называется тором), и подсчитайте ее объем: он равен произведению длины средней окружности кольца на площадь его поперечного сечения. Нетрудно убедиться, что с увеличением диаметра средней окружности объем камеры возрастает незначительно, а с увеличением поперечного сечения — весьма заметно.

Для примера возьмем колесо с диаметром обода 40 сантиметров и диаметром поперечного сечения шины 10 сантиметров. Средний диаметр составит 50 сантиметров, а объем камеры — около 12,3 литра. Увеличим диаметр обода на 5 сантиметров, сохранив прежний поперечник: объем камеры составит 13,5 литра, то есть возрастет на 10 процентов, но одновременно возрастут размеры и вес колеса. А теперь попробуем получить тот же объем, не увеличивая наружного диаметра. Для этого нам потребуется уменьшить диаметр обода на 5 сантиметров, а диаметр сечения шины увеличить на 2,5 сантиметра.

Выходит, что для большой грузоподъемности вовсе не обязательно большое колесо.

Не обязательно оно и для получения высокой скорости. При заданном числе оборотов вала двигателя можно с помощью системы передач получить любое число оборотов колес, лишь бы мощность двигателя была достаточной для достижения этой скорости. Между тем число оборотов вала современных двигателей примерно вдвое больше, чем у двигателей 20-х годов, скорость же автомобилей возросла менее чем вдвое. Значит, не требуется существенного изменения передаточных чисел даже и при уменьшенном радиусе колеса.

То же относится и к устойчивости автомобиля, и к размещению мощных тормозов в маленьком колесе. Но и здесь есть выходы. Просвет между автомобилем и дорогой можно увеличить, сокращая размеры деталей осей и применяя независимую подвеску колес, что и делается на теперешних автомобилях. Проходимость малого колеса по мягкому грунту и через неровности дороги можно улучшить снижением давления в шине, стоит лишь немного увеличить ее поперечное сечение. Кстати сказать, с улучшением дорог забота о проходимости автомобиля приобретает все меньшее значение.

По устойчивости малое колесо действительно уступает большому, но центр тяжести автомобиля на маленьких колесах понижается, и необходимая устойчивость машины восстанавливается.

В малый обод трудно вписать большой тормоз, но можно создать компактную конструкцию тормоза или перенести тормоз из колеса на полуоси…

Однако оправдываются ли все эти меры? Так ли уж важно уменьшить размеры колес? Зачем это нужно?

Оказывается, что уменьшение колеса дает автомобилю большие преимущества.

В конце концов, при всей его значительности, колесо — лишь вспомогательная часть автомобиля. Оно служит для того, чтобы везти пассажиров или груз. А главное место в автомобиле принадлежит пассажирам или грузу. Им нужно предоставить больше места, а колесам, как и другим механизмам, как можно меньше.

Далее, чем меньше колесо, тем оно легче. Нет необходимости много говорить насчет важности облегчения автомобиля. Ведь вес автомобиля — это расход материалов и топлива (на передвижение тяжелой машины). Отметим лишь, что колес у автомобиля, включая запасное, — пять (а у грузового — семь, у трехосного — до двенадцати), и каждый килограмм уменьшенного веса на одном колесе — это 5—12 килограммов на автомобиле в целом.

Но облегчение колеса имеет и другое, особое, значение: чем меньше его вес и масса по сравнению с весом и массой всего автомобиля, тем слабее передаются на кузов толчки и колебания колес от неровностей дороги. Автомобиль с малыми колесами обладает хорошей плавностью хода. Отсюда и большая его безопасность, и устойчивость, и повышенная средняя скорость при движении по булыжнику, по щебеночной дороге, и сохранность, долговечность его частей.

Эти простые истины не сразу были поняты конструкторами автомобилей. Но как только они были осознаны и проверены на практике, размеры колес (особенно диаметр их обода) быстро пошли на убыль, при одновременном увеличении сечения шин и снижении давления в них. Если, например, 20 лет тому назад диаметр обода колеса легковых автомобилей составлял 16—17 дюймов, а давление в шинах — 2—3 атмосферы, то теперь распространены 13-, 12- и даже 10-дюймовые ободья, а давление в шине не превышает 1,7 атмосферы; на некоторых , автомобилях оно снижено даже до 0,8 атмосферы. На грузовиках вместо прежних 20-дюймовых ободьев нередко применяют 18-, 16- и 15-дюймовые. Так современные автомобили приобрели маленькие изящные колеса с широкими эластичными шинами.

Рассказ о колесе и шине был бы неполным, если бы не была отмечена собственно конструкция шины.

Шина —пример простого устройства, в котором, казалось бы, все давно уже изобретено и продумано, но в котором каждое небольшое усовершенствование делает целую революцию, существенно меняет и улучшает характеристику автомобиля в целом.

Так было при изобретении клапана вентиля, при появлении шин «корд», при переходе на шины низкого давления, при создании современных рисунков протектора, обеспечивающих бесшумность и устойчивость автомобиля, малое сопротивление качению и хорошее сцепление шины с дорогой.

И вот на наших глазах происходит еще одна революция в устройстве шины.

Когда-то ненадежная трубка-шина была дополнена защитной броней — покрышкой — и превращена во внутреннюю деталь шины — камеру. Теперь камеру устраняют из шины, превращая покрышку в резервуар для сжатого воздуха. Шины становятся бескамерными.

Смысл этого нововведения прост и вместе с тем очень важен. Обычная современная и как будто совершенная шина имеет по крайней мере три серьезных коренных недостатка:

• Первый — опасность прокола шины, который вызывает быстрый выход воздуха из камеры, резкое увеличение сопротивления качению колеса с поврежденной шиной и, как результат, — нарушение устойчивости автомобиля, вплоть до опрокидывания, если прокол происходит на большой скорости.
• Второй недостаток — значительное нагревание шип не только из-за трения частиц воздуха в камере и трения покрышки о дорогу, но и из-за трения камеры о покрышку во время деформации шипы, а также вследствие плохого отвода тепла через толстый слой резины, образуемый камерой и покрышкой; нагревание шин снижает их долговечность.
• Наконец, шина с камерой тяжела, и это, как известно, ухудшает плавность хода и устойчивость автомобиля, способствует сокращению срока службы деталей его ходовой части.

Избавиться от этих недостатков не удавалось до самого последнего времени. Попытки введения секционных камер устраняли угрозу проколов, но усложняли и утяжеляли шину. Еще более тяжелой и дорогой становится шина при заполнении ее не воздухом, а губчатой резиной или иной эластичной массой. Шины такого типа — они называются «гусматик» — применяются поэтому только на специальных автомобилях.

Решение проблемы пришло неожиданно. Было предложено попросту… удалить камеру. Для того чтобы заставить покрышку служить одновременно и камерой, достаточно обеспечить плотность, герметичность прилегания покрышки к ободу колеса и установить вентиль непосредственно в ободе. Плотность прилегания покрышки к ободу достигается точным изготовлением обода и наличием на боковине покрышки канавок, благодаря которым покрышка при накачивании как бы присасывается к ободу. Культура теперешнего производства покрышек и колес дает полную возможность создания бескамерных шин.

Ясно, что бескамерная шина легче прежней и находится в лучших условиях в отношении нагревания: ведь трение камеры о покрышку исключено, отвод тепла через металл обода облегчен.

А угроза прокола? И эта проблема в значительной мере решается при бескамерных шинах. В тонкой камере при проколе мгновенно образуется большое отверстие, через которое воздух выходит в полость покрышки, а из нее в атмосферу. В покрышке же отверстие от прокола обычно невелико (кроме случаев серьезного разрыва ее), оно зажимается толстым слоем резины, а то и закупоривается виновником прокола — гвоздем.

В некоторых конструкциях внутренняя поверхность бескамерной шипы покрыта слоем вязкой, клееподобной массы, которая при проколе заполняет отверстие.

Ремонт проколотой бескамерной шины очень прост и сводится к закупорке отверстия пробкой на клею.

Не менее важным нововведением в конструкции шины является замена прежнего хлопкового корда более прочными: вискозным, капроновым и нейлоновым.

Бескамерные шины в настоящее время установлены на миллионах автомобилей.