Технологии Некое существо встало на двух своих задних конечностях, а потом опустилось опять на четыре колеса. Станислав Ежи Лец
Символ вечного движения Штампованные стальные колеса Ни стремительно растущая популярность, ни возросшие объемы производства легкосплавных колес пока не помо гают им потеснить с пьедестала стальные штампованные колеса. Они по прежнему используются на большинстве легковых автомобилей и на 99,9% коммерческой техники. Процесс производства стальных штампованных колес мы подробно описывали в №3'2007 журнала "Грузовой сервис" в статье "Как делать колеса?", поэтому о техноло гии очень коротко. Конструкционно стальное колесо сос тоит из диска (иногда называемого тарелкой) и обода. Обе части колеса производятся холодной штамповкой и соединяются в единую конструкцию точечной сваркой. Внешнюю поверхность стальных колес с целью избежать их коррозии покрывают эмалью, хромом, электрофарез ным или катафарезным покрытием либо специальным по рошковым слоем. Теперь поговорим о преимуществах и недостатках стальных колес. Первый и главный: низкая стоимость продукта. Именно это и обеспечивает им лидирующие позиции в мире колес, в основном обуслолвенные тем, что стальные колеса устанавливаются еще на конвейере автопроизводителей. Помимо цены, сталь имеет и такое преимущество, как пластичность. Благодаря этому при сильных ударах колеса не ломаются, а лишь гнутся, то
Сложно сказать что либо новое о та ком компоненте автомобиля, как коле со. Являясь одним из самых древних изобретений человечества, оно, тем не менее, принципиально не изменилось за эти несколько тысяч лет. Менялись технологии его производства, конс трукционные материалы, возникали споры, что правильно называть коле сом, но главный принцип оставался не изменным: обод, спицы (в том или ином измененном виде), ось вращения и колеса продолжают преодолевать бесконечные километры дорог.
Фото 1. Процесс производства стальных штампован" ных колес предусматривает холодную штамповку обо" да и диска и последующее соединение их точечной сваркой.
22 Грузовой cервис
Технологии есть в дальнейшем их можно восстановить. Кроме того, давайте вспомним физику, а именно тот факт, что для деформации какого либо материала необходимо затра тить определенную долю энергии. Так вот, если на коле со автомобиля действует ударная нагрузка, то стальное пластичное колесо, деформируясь, принимает на себя значительную часть энергии удара, в то время как дета ли подвески и рулевого управления получают минималь ные повреждения. Но стальные колеса обладают рядом существенных не достатков, которые, если бы не низкая их цена, уже давно способствовали вытеснению этого продукта с рынка. Главным недостатком стального колеса является его сравнительно большой вес, что отрицательно сказывает ся на эксплуатационных характеристиках автомобиля. Для уменьшения веса необходимо уменьшать толщину стенок, что недопустимо в целях сохранения достаточного сопротивления деформации (т. е. по условию прочности). Второй "минус" недостаточная точность геометрических параметров, вызванная издержками технологии, что мо жет привести к проблемам с балансировкой. Также сталь ные колеса очень подвержены коррозии. Несмотря на ис пользование высокотехнологичных способов покраски (например, порошковой), любое разрушение покрытия приводит к возникновению практически неистребимого очага коррозии. И еще одно маленькое "против" мини мальное разнообразие дизайнов, что в наше время игра ет немаловажную роль.
Легкосплавные колеса Может быть, именно возможности для полета фантазии стали одним из решающих факторов успешного внедрения легкосплавных колес. Стоит отметить, что под понятием
Фото 2 и 3. Может быть, именно возможности для по" лета фантазии стали одним из решающих факторов успешного внедрения легкосплавных колес. "легкосплавные" скрыты сплавы алюминия и магния. Хотя в свое время были попытки изготовить колеса из титановых сплавов. Для них характерна высокая прочность, хорошая пластичность в сочетании с высокой коррозионной стой костью. Однако из за сложности в производстве и высокой цены титановые колеса не получили распространения. Дру гие металлы вообще не прижились. Сразу отметим, что ко леса из магниевых сплавов тоже трудно назвать широко распространенными по ряду причин, о которых ниже. По оценкам экспертов, около 95% легкосплавных колес изго тавливают из относительно дешевых алюминиевых спла вов (обычно это легированные сплавы алюминия с кремни ем). Кроме того, алюминий является одним из наиболее легких конструкционных металлов (его плотность составля ет 2,7 г/см3), что в сочетании с высокой удельной прочнос тью его сплава способствует снижению веса колеса.
«Эксклюзивные» колеса Самая многочисленная группа "эк" зотических колес" " это сборные или составные колеса. Обычно они собираются из двух или трех час" тей посредством крепежных бол" тов. Причем лучше, когда для этих целей используются не стальные болты, а титановые (иначе не избе" жать возникновения коррозионных процессов). Составные части тако" го колеса, как правило, изготавли" ваются по разным технологиям (как вариант: обод " кованый, не" посредственно диск " литой). Такой подход дополнительно позволяет уменьшить вес колеса, а также увеличить его ремонтопригодность (это позволяет при ремонте заме" нить поврежденную часть, не ме" няя всего колеса). Вес колеса R18 составляет порядка 4"6 кг, тогда как обычное литое колесо весит порядка 12 кг. При этом прочность сохранена. Технология содержится в большом секрете. Успеха в про" изводстве таких колес добились итальянцы. Проблема этих колес все та же: стоимость колес из"за дорогой технологии производства
высока, поэтому их зачастую уста" навливают эксклюзивно на доро" гие тюнингованные автомобили. Еще одна группа из разряда "экс" клюзив" " спицевые колеса. Эти ко" леса встречаются достаточно ред" ко из"за высокой стоимости и не" возможности использования бес" камерных шин. Такое колесо сос" тоит из обода и ступицы, соеди" ненных между собой спицами. Су" ществует два варианта установки таких колес на автомобиль. Пер" вый вариант " колесо с прямым креплением, крепится болтами к ступице автомобиля абсолютно так же, как штатное заводское колесо. Второй вариант " спицевое колесо с центральной гайкой, которое ус" танавливается на сверхточно изго" товленный адаптер, закрепляемый на ступицу автомобиля стандар" тными болтами. Центральная гайка фиксируется специальным ключом и удерживает колесо на точно рас" считанном посадочном месте. При использовании этих колес необхо" дима подтяжка спиц через каждые 10"20 тыс. км. Их преимущества "
отличный внешний вид и очень хо" рошее охлаждение тормозов. Кроме того, не так давно все ин" формационные агентства облете" ла новость о том, что прототипы колесных дисков из армированно" го стеклопластика успешно прош" ли первые испытания и, возможно, в ближайшее время появятся в продаже. Испытания проводились не только на реальных автомоби" лях, которые на таких дисках про" ехали около 250 тысяч километ" ров, но с помощью метода ком" пьютерной томографии. Исследо" ватели установили нужное коли" чество и плотность стекловолокна, необходимое при создании серий" ных "пластиковых" дисков, а также то, как они будут реагировать на удар о бордюрный камень или при аварии. Сообщается, что разра" ботка и тестирование колесных дисков из стеклопластика, преиму" ществами которых являются их малый вес и небольшая стои" мость, будет продолжена. Правда, точная дата появления таких дис" ков в продаже не известна.
23 Грузовой cервис
Технологии
Фото 4. Современные литые колеса уже не раскалывают" ся, а сминаются, что иногда позволяет их ремонтировать. По технологии производства легкосплавные колеса де лят на литые и кованые.
Литые легкосплавные колеса Вкратце опишем технологию производства литых колес. В связи с высокими требованиями к качеству продукции не все способы литья можно применять при производстве ко лес. Основными здесь являются способы литья под низким давлением или с противодавлением. Эти методы обеспе чивают повышенные прочностные характеристики при из готовлении объемных тонкостенных деталей. Итак, рас плавленный металл заливают в специальные формы, где он остывает, затем полученные заготовки проходят терми ческую обработку. Она включает нагрев отливки выше температуры фазового превращения (500 550°С), выдер жку при этой температуре с последующим достаточно быс трым охлаждением в водной среде. В результате закалки получают структурно неустойчивое состояние сплава. Для приближения сплава к структурному равновесию отливки проходят искусственный процесс старения, заключающий ся в их нагреве ниже температуры фазового превращения (150 220°С) и выдержке при этой температуре в течение некоторого времени (3 9 часов) с последующим охлажде нием на воздухе. На следующем этапе производства от
ливки проходят механическую обработку, затем нанесение защитных покрытий. Прочность литейных сплавов, так же как их пластичность, после такой обработки меньше, чем у обычной конструкционной стали. Причем, если прочность ниже на 30 40%, то пластичность ниже в 4 5 раз. Такое па дение пластичности обусловлено тем, что изделие облада ет так называемой свободной, ненаправленной кристалли ческой структурой, что снижает прочность колеса. Поэто му для сохранения прочностных характеристик колеса тол щину его стенок приходится увеличивать. Это остается чуть ли не единственным серьезным недос татком литых колес. Хотя и с этим можно поспорить. От разрушения после удара ведущим производителям уже удается уйти (сейчас при сертификации продукции обяза тельным условием является сохранение целостности коле са). Однако это плюс только с точки зрения безопасности для дальнейшего же использования они все равно стано вятся непригодными. Тем не менее, чтобы расколоть коле со, это должен быть действительно очень сильный удар, от которого и обычное колесо придет в негодность. К недостаткам можно отнести высокую цену, по сравне нию со стальными колесами, но если хорошо посчитать, то литые колеса являются оптимальными с точки зрения "цена качество". Теперь перечислим преимущества литых легкосплав ных колес, коих у них немало. Практически по всем пока зателям легкосплавные колеса превосходят стальные, и лишь цена мешает захватить им лидирующее положение. Во первых, литье помогает существенно снизить вес ко леса на 15 20%. Что дает снижение веса? Колеса входят в состав неподрессоренных частей автомобиля. Уменьше ние их массы очень благотворно сказывается на работе подвески (увеличивает срок службы узлов и сочленений). Динамическая нагрузка на нее снижается, увеличивается плавность хода и обеспечивается лучший контакт колес с дорогой на неровностях и при больших скоростях (колеса слушаются упругих элементов подвески). По расчетам специалистов, снижение массы колеса (неподрессорен ных частей) на 1 кг при определенных скоростных режи мах эквивалентно изменению массы кузова (подрессо ренных частей) на 15 кг. То есть для четырех колес это составит изменение в 60 кг, что сравнимо с весом взрос лого человека. При вращении тяжелого тела гироскопи ческий эффект проявляется в полной мере, поэтому коле со с пониженной массой проще и повернуть, что, в свою
«Эксклюзивные покрытия» В основном, для нанесения за" щитного лакокрасочного покры" тия на колеса используется тех" нология порошковой окраски. Ее преимущества подтверждает хотя бы тот факт, что эту технологию использует большинство произво" дителей. Достоинства технологии порошковой покраски обеспечи" вается за счет улучшенной адге" зии полимерного покрытия к ме" таллу, а также равномерности на" несения покрытия и отсутствия стандартных дефектов покраски. Также немаловажным является короткое время отверждения и улучшенная стойкость порошко" вой покраски к условиям внеш"
ней среды. Колесо обязательно покрывается слоем антикоррози" онного грунта, потом окрашива" ется базовой краской для прида" ния нужного цвета и только в са" мую последнюю очередь " слоем сверхпрозрачного лака для защи" ты от внешних воздействий. Но, кроме этого, используются и другие технологии окраски колес. Одна из достаточно популярных технологий " это хромирование. Качественное хромированное пок" рытие колеса достаточно прочное и долговечное, защищает диск от коррозии и при этом смотрится весьма привлекательно. Но есть одно но: хромированное покрытие
очень чувствительно к тем дорож" ным реагентам, которыми у нас посыпают дороги. Одна из последних разработок в данной отрасли " нанопокрытие, уже используемое компанией Al" car в колесах торговых марок AEZ и Dezent. Специалисты ком" пании создали покрытие с при" менением акрилат"меламина, ос" новным достоинством которого является способность отталки" вать с покрытия воду и грязь. Кроме того, покрытие с нано"эф" фектом имеет повышенную жес" ткость, коррозионную стойкость и сопротивление возникновению царапин.
24 Грузовой cервис
Технологии очередь, снижает нагрузку на систему управления. Да и разгон торможение осуществляется за меньшие проме жутки времени у колес с меньшей инерцией вращения (менее массивных), что в конечном итоге приводит к уве личению срока службы двигателя, трансмиссии и тормоз ной системы, а также к уменьшению расхода топлива. Та ким образом, при облегчении колеса мы имеем целый комплекс положительных изменений, вплоть до снижения расхода топлива и повышения безопасности водителя. Во вторых, технология литья позволяет добиться высо кой точности геометрических параметров. Это тоже дает ряд преимуществ. Высокая точность изготовления литых колес позволяет точнее произвести балансировку колеса, что улучшает виброакустические характеристики автомо биля, а также способствует уменьшению износа подшип ников ступиц, шарниров деталей подвески, рулевого при вода и шин. Также точность позволяет достичь отсутствия радиальных и осевых биений, то есть избежать дисбалан са. А ведь возникающие при нем вибрации ухудшают ком фортабельность и устойчивость автомобиля на больших скоростях, а также отрицательно влияют на элементы под вески и систему управления. И последнее преимущество состоит в том, что высокая точность литья позволяет ми нимизировать отходы. Коэффициент использования сы рья стремится к максимуму. А это, в свою очередь, поло жительно сказывается на цене. Следующее преимущество литых колес лучшее охлаж дение тормозного механизма. Это достигается как за счет повышенной (по сравнению со сталью в несколько раз) теплопроводности легких сплавов, так и за счет дизайна. Кстати, о дизайне. Если судить с точки зрения марке тинга это одно из важнейших преимуществ легкосплав ных колес. Технология литья позволяет дизайнерам выду мывать совершенно умопомрачительные колеса. Некото рые компании сегодня предлагают своим клиентам более сотни всевозможных дизайнов! Если уж мы заговорили о внешнем виде литых колес, стоит сказать и о покрытии. Говоря о коррозионной устой чивости алюминиевых колес, производители и продавцы всегда отмечают, что она выше чем у стальных колес, так же особо отмечая, что при нарушении лакокрасочного покрытия алюминий способен образовывать защитную оксидную пленку, которая предотвращает коррозию. И это правда. Алюминий действительно образует на своей поверхности прочную оксидную пленку Al2O3, которая здорово защищает конструкционный сплав от возникно вения коррозионных процессов и разрушения. Но при этом забывают отметить, что внешне эта пленка выглядит
Фото 5. Одним из важных преиму" ществ легкосплавных колес являет" ся хорошее охлаждение тормозной системы.
далеко не столь привлекательно и выглядит как белесый налет. Так что нарушение лакокрасочного покрытия не приведет к серьезной коррозии колеса, но подпортит ему внешний вид точно. Относить этот факт к преимущес твам или недостаткам решать потребителю. Теперь несколько слов о литых легкосплавных колесах из магниевых сплавов. Несмотря на то, что они легче, чем литые алюминиевые (магний является наиболее легким конструкционным металлом (его плотность составляет 1,7 г/см3), недостатки литых магниевых колес предопредели ли их судьбу на рынке. Во первых, магниевые колеса до роже. А во вторых, технология литья и получаемая в ре зультате свободная структура металла приводит к тому, что магниевые колеса еще более хрупкие, чем алюминие вые. Кроме того, литое магниевое колесо, помимо низкой пластичности, имеет еще один серьезный недостаток чрезвычайно низкую коррозионную стойкость, что вынуж дает производителей использовать для защиты повер хности прочные многослойные покрытия. Во многом "бла годаря" этому литые магниевые колеса не получили широ кого распространения и изготавливаются на сегодняшний день в ограниченных количествах.
Кованые легкосплавные колеса Ковка (объемная штамповка) на данный момент это вершина конструкторской мысли в сфере массового произ водства колес для автомобилей. Технология производства кованых колес такова. Исходную заготовку разогревают до температуры, при которой сплав приобретает наиболее вы сокую пластичность (порядка 400 470°С), затем разогретая чушка под действием пресса вминается в специальную форму, и на выходе получается некое подобие колеса по ковка. Изготовляемые таким методом колеса могут прохо дить термическую обработку, а могут и не проходить. Все определяется составом сплава. Часто механические харак теристики колес, прошедших термическую обработку, и без таковой, изготовленные из разных сплавов, практичес ки не отличаются. Если термическая обработка произво дится, то она включает закалку с последующим старением. После поковка отправляется на механическую обработку, затем осуществляется нанесение декоративных покрытий. Такая технология изготовления позволяет получить колеса, материал которых имеет прочность, сопоставимую со ста лью, и пластичность ниже всего на 20 30%. При производс тве кованых колес, также как и литых, широко применяют ся сплавы на основе алюминия и магния. Чего же достигли производители кованых колес? При ковке достигается прочность выше, чем при литье, посколь
Фото 6 и 7. Кованые колеса на данный момент " это вершина конструкторской мысли в сфере массового производства колес для автомобилей.
25 Грузовой cервис
Технологии Маркировка
Фото 8. Спицевые колеса " отлично выглядят и еще луч" ше охлаждают детали тормозной системы. ку происходит измельчение зерен, их деформация и вытя гивание в нужном направлении в результате структура ме талла становиться волокнистой. За счет этого возможно уменьшение толщины стенок кованого колеса примерно на 20% по сравнению с литым. Высокая прочность материала колес обеспечивает им хорошие весовые характеристики: масса кованого колеса на 30 50% меньше массы стального и на 20 30% аналогичного литого (например, стальное штампованное колесо, допустим, для 7 й модели BMW ве сит 9 кг, литое алюминиевое 7,8 кг, а кованое алюминие вое 6,8 кг). Кроме того, благодаря высокой пластичности такое колесо не разрушается после сильного удара, а де формируется наподобие стального. Также технология ков ки позволяет достичь крайне высокой демпфирующей спо собности, отсутствия литейных раковин и вредных внутрен них напряжений, предельной геометрической точности ис полнения и отсутствия дисбаланса. Еще одним немаловажным преимуществом кованых алюминиевых колес является их высокая коррозионная стойкость. Для них даже не требуется защитного покры тия! Вообще стоит говорить о том, что кованые колеса воб рали в себя все достоинства литых и стальных штампован ных колес, лишившись всех их недостатков. Так что же ме шает их завоеванию рынка? Да, в общем то, все то же це на, которая достаточно высока. Вызвано это, в первую оче редь, технологией. Поковка, получаемая путем поэтапной
Маркировка колеса обычно имеет вид: 5,5 J x15 H2 ET30 и вот что она обозначает: 5,5 " ширина обода в дюймах (B); 15 " монтажный диаметр обода в дюймах (D); ET30 " вылет колеса в миллиметрах. Может обоз" начаться как OFFSET или DEPORT. Это расстоя" ние между продольной плоскостью симметрии обо" да и крепежной (привалочной) плоскостью колеса (при совпадении этих плоскостей вылет нулевой); J и H2 " символы, нужные больше специалистам. В J зашифрована информация о конструкции бор" товых закраин обода (может быть JJ, JK, K или L). H2 " это код конструкции хампов " кольцевых выс" тупов на посадочных полках обода, служащих для надежного удержания бескамерной шины на диске (вариаций много: H, FH, AH и т.д.). Кроме того, на колесе может быть указан диаметр расположения отверстий крепления, диаметр цен" трального отверстия диска и величина вылета. Диа" метр расположения отверстий крепления обознача" ется PCD. Например, PCD = 100x4 означает, что этот диаметр равен 100 мм, а число отверстий " 4. Диаметр центрального отверстия диска (DIA) также указывается в миллиметрах. Вылет обозначается ЕТ (либо Offset или Deport) " расстояние от плоскос" ти симметрии обода до плоскости прилегания к фланцу ступицы. Вылет может быть как положи" тельным (если плоскость прилегания не переходит за плоскость симметрии), так и отрицательным (ес" ли плоскость прилегания переходит за плоскость симметрии), и указывается в мм. Параметр рассчи" тывается производителем для каждой модели авто" мобиля индивидуально. деформации заготовки, обрабатывается и доводится на станках с режущим инструментом. В результате крайне много металла выгорает и уходит в стружку теряется бо лее половины расходуемого материала, что, естественно, приводит к серьезному удорожанию конечного продукта. Если говорить о кованых магниевых колесах, то их даже иногда называют "колесами будущего". Плотность магния в 4,5 раза меньше, чем у стали, и в 1,5 раза чем у алю миния. Демпфирующая способность магниевых кованых колес в несколько десятков раз выше, а масса на 35% ни же, чем у кованых алюминиевых. Но они еще дороже ко ваных алюминиевых собратьев, так как и сам магний до роже, и колесо все таки требует нанесения защитного ла кокрасочного покрытия, что сказывается на цене.
Итоги Вот основная информация, которую необходимо знать о колесах. Мы также дополнили материал прикладной ин формацией таблицей допустимых параметров колес (смотрите на следующем развороте). Кроме описания тех нологий, преимуществ и недостатков разных типов колес, мы добавили в статью дополнительную интересную ин формацию об "экзотических" колесах, их покрытиях и др. Но, несмотря на все инновации, вряд ли изменится глав ное: обод, спицы (в том или ином измененном виде), ось вращения и вечное движение по бесконечным километ рам дорог.
Фото 9. Схема параметров колеса, которые потом нано" сятся в маркировке.
26 Грузовой cервис
Подготовил Евгений Пащенко