Влияние дисбаланса колес на устойчивость движения автомобилей

Введение

 

Известно, что безопасность движения автомобиля зависит от многих факторов, одним из которых является балансировка колес. В автомобиле от сбалансированности колес зависит многое, к примеру, равномерность и интенсивность  износа покрышек, износ деталей подвески и прочих деталей рулевого управления в целом, а так же, конечно, плавность хода. Следовательно, правильная балансировка колес – очень важное мероприятие для каждого автомобиля.

Проблема балансировки колес возникла со времени появления автомобилей. Однако пока скорость движения была мала, а покрытия дорог – несовершенны, даже значительные дисбаланс и биения колес мало кого волновали. Но с возрастанием скоростей и улучшением покрытий дорог ситуация в корне изменилась.

Сама суть дисбаланса заключается в следующем: в процессе отливки или же штамповки диска металл распределяется не совсем равномерно, вследствие чего возникает более тяжелое место, которое при вращении создает биение. Именно в процессе ремонта и изготовления диска возникают отклонения, ведь в процессе вытачивания ступицы, вулканизации шин, а так же при штамповке или сварке диска, вследствие неравномерной и неоднородной плотности материала самой покрышки либо камеры, так как диск и шина имеют такие же недостатки, возникает дисбаланс.

Наибольшее влияние на общий дисбаланс колеса оказывает сама покрышка вследствие большой удаленности от оси вращения, а также она имеет сложную конструкцию и большую массу. Именно поэтому финальным этапом при сборке автомобильных колес становится их балансировка – это процесс, вследствие которого определяется направление и величина результирующих неуравновешенных сил, после чего их устраняют.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

О дисбалансе и биении колеса

 

Дисбаланс – наличие неуравновешенных вращающихся масс: ступиц, тормозных барабанов, ободьев и особенно шин затрудняет управление автомобилем, снижает срок службы амортизаторов, подвески, рулевого управления, шин, безопасность движения, увеличивает расходы на техническое обслуживание.

Колесо любого транспортного средства является объектом вращения. Оно должно иметь симметричную форму, а это означает, что все точки поверхности колеса в сечениях должны быть равноудалены от оси его вращения, а центр тяжести – лежать на этой оси.

Колесо считается уравновешенным (отбалансированным), когда ось его вращения является и главной центральной осью инерции. Но… как само колесо, его составные части, так и резиновую шину изготовляют с определенными допускаемыми отклонениями от номинальных значений параметров, поэтому оно практически всегда несимметрично, а, значит, и неуравновешенно.

Различают два основных вида неуравновешенности – статическую и динамическую.

 

Статическая - это такая неуравновешенность колеса, когда главная центральная ось инерции (О1 - О1), на которой находится центр тяжести колеса (ЦТ), параллельна оси вращения (О – О), но не совпадает с ней.

 

 

Дисбаланс колеса: а) статический, б) динамический

 

В этом случае сила тяжести неуравновешенной массы (mн) такого колеса создаст вращающий  момент: свободно установленное на оси колесо начнет вращаться (колебаться подобно маятнику) и остановится только тогда, когда неуравновешенная масса (mн) займет крайнее нижнее положение. Значит, чтобы уравновесить данное колесо статически надо с диаметрально противоположной стороны колеса установить корректирующую массу - уравновешивающий груз (mу). Такое уравновешивание называется статической балансировкой.

 

Динамический дисбаланс обусловлен неуравновешенностью по ширине колеса и может быть обнаружен только при вращении его. У такого колеса ось вращения хотя и проходит через центр тяжести, но с главной центральной осью инерции образует некоторый угол α. Неуравновешенные массы колеса в этом случае приводятся к двум массам (mн), лежащим в диаметральной плоскости. При вращении колеса в местах расположения центров тяжести неуравновешенных масс возникнут центробежные силы (Рц), которые, действуя в противоположных направлениях, создадут пару сил с моментом вращения М=Р α. Он-то и характеризует величину динамического дисбаланса.

Теперь для уравновешивания колеса надо на закраинах обода в плоскости действия указанной пары сил с внутренней и с наружной стороны колеса укрепить соответствующие уравновешивающие грузики (mу), тем самым устранить динамический дисбаланс.

Дисбаланс колеса является следствием либо его конструкции – наличием вентильного отверстия в диске, переменного шага рисунка протектора шины, люком для регулировки тормозов в тормозном барабане, либо технологичности изготовления – неточности геометрической формы, отклонения размеров, неоднородности материалов и т.д.

Точность изготовления деталей  колеса оценивается радиальным и  боковым биениями, овальностью, местными отклонениями формы. На дисбаланс оказывают  влияния биения, овальность – практически  не влияет.

Радиальное биение характеризуется  разностью расстояний от любых точек беговой дорожки протектора шины до оси вращения колеса. Боковое биение – разностью расстояний боковой поверхности за один оборот колеса от плоскости, перпендикулярной к оси вращения колеса.

Итак, проблема дисбаланса и биений связана с качеством изготовления неуравновешенных вращающихся масс автомобиля. Создать идеальное колесо без дисбаланса и биений практически невозможно. Поэтому на практике при производстве каждой детали колесного узла и шины вводятся определенные ограничения, допуски, исходя из условий их работы и возможностей изготовления. Самую большую «лепту» в дисбаланс колеса вносит шина. Она наиболее удалена от центра вращения, имеет большой вес, сложную многокомпонентную структуру, изготовлена из различных материалов: резины, тканей, стальной проволоки и т.п. Чем дальше от центра лишняя масса материала покрышки, тем большее влияние на дисбаланс она оказывает.

Если шина камерная, то общий дисбаланс  ее складывается из дисбалансов покрышки и ездовой камеры, который также зависит от их взаимного расположения. В камере разная толщина стенки, ее стык, особенно если он укреплен стыковочной ленточкой, вентиль оказывают влияние на дисбаланс. Поэтому чтобы его уменьшить, при изготовлении камеры вентиль устанавливают на сторону, противоположную стыку, камеру вставляют в покрышку таким образом, чтобы вентиль камеры совпал с легким местом покрышки. Однако дисбаланс камеры намного меньше дисбаланса покрышки. Основные факторы, влияющие на дисбаланс и биение покрышек:

 

• стык протектора, неравномерность его толщины по длине окружности, переменный шаг рисунка протектора, в зимних ошипованных шинах – шипы (в новой покрышке и по мере их выпадения);
• стыки в слое корда, стыки слоев корда в каркасе и брекере;
• стык герметизирующего слоя в бескамерной шине;
• неконцентричность бортовых колец, большой нахлест проволоки в бортовом кольце;
• непостоянство углов наклона нитей корда в слоях каркаса и брекера;
• расхождение нитей корда в слоях;
• точность изготовления пресс-формы;
• разная толщина боковых стенок и боковин;
• сгруппированные в одном месте маркировка обозначений на боковине покрышки.

 

Большинство из перечисленных факторов, оказывающих влияние на дисбаланс, внешне себя не проявляют: они, так сказать, внутренние. Возможные проявления некоторых  из них, которые можно обнаружить воочию, представлены на фото 1.

 

 

 

 

 

 

 

Фото 1. Переменный шаг рисунка протектора как «источник» дисбаланса покрышки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Фото 2. Стыки слоя каркаса, как «источники» дисбаланса покрышки

 

а) – одиночный стык

 

 

б) – два стыка

 

 

в) – два стыка рядом

 

 

 

 

Повышение требований к технологической  точности всех процессов производства шин и деталей колеса – непременное  условие улучшения их качества, а  значит и снижение дисбаланса и биений.

Но поскольку избежать дисбаланса и биений невозможно, ГОСТ 4754-97 регламентирует требования к этим показателям.

При эксплуатации автомобиля дисбаланс  колес в сборе с шинами целесообразно  проверять через каждые 2-3 тыс. км, а через каждые 10 тысяч колеса с шинами необходимо балансировать заново.

 

Выписка из ГОСТ 4754- 97 ШИНЫ ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ДЛЯ ЛЕГКОВЫХ АВТОМОБИЛЕЙ, ПРИЦЕПОВ К НИМ, ЛЕГКИХ ГРУЗОВЫХ АВТОМОБИЛЕЙ  И АВТОБУСОВ ОСОБО МАЛОЙ ВМЕСТИМОСТИ.

 

5.1.7. При вкладывании камеры в  покрышку легкое место покрышки  должно быть совмещено с вентилем камеры и отмечено на покрышке меткой в виде круга диаметром 5-10 мм, нанесенного прочной несмываемой краской так, чтобы она не закрывалась ободом колеса.

5.1.8. Динамический дисбаланс шин  в сборе с колесом должен  устраняться корректирующей массой, указанной в таблице 4, с каждой стороны обода колеса.

 

 

 

 

 

  Насколько важна точность балансировки?

 

Каждая неуравновешенная масса  колеса при его вращении создает  собственную центробежную силу, с  собственным вектором приложения. Вспоминаем школьный курс физики: формула вычисления центробежной силы:

 

 

Где m - в нашем случае - неуравновешенная масса, w - угловая скорость (скорость вращения), R - радиус удаления неуравновешенной массы от оси вращения.

 

Видим, что величина центробежной силы зависит от скорости вращения, неуравновешенной массы и радиуса от оси до неуравновешенной массы. Исходя из этого, можно сделать следующие выводы:

при увеличении скорости, губительное  действие и все негативные последствия  неотбалансированного (некачественно  отбалансированного) колеса существенно возрастают;

наибольшее влияние на общее  состояние колеса имеет шина, ибо  именно она наиболее удалена от оси  вращения.

 

Таким образом, чем выше средняя  скорость движения автомобиля, тем  более критично качество балансировки колес и опаснее последствия некачественной балансировки.

 

 

Правильное балансирование колес  обеспечивает комфортное управление автомобилем  на больших скоростях.

 Рассмотрим вариант с биением  колес: дисбаланс в 20 грамм  у 14 дюймового колеса на скорости 100 км/ч, по усилию соизмерим с ударами кувалдой весом в 3кг, бьющей по колесу с интервалом 800 раз в минуту, что не может не отражаться на состоянии подшипников, ступице и других узлах ходовой части!

 

 

 

 

 

Обязательно ли балансировать  задние колеса?

 Конечно да. Дисбаланс на задних колесах менее чувствителен, но также пагубно влияет на детали подвески и износ шин, как и спереди.

 

 Как делают балансировку?

 Колесо устанавливается и  центрируется на балансировочном  стенде при помощи конуса. На  дисплее вбиваются параметры ширины диска, радиуса и расстояние до крайней внутренней точки расположения балансировочного груза. Задается программа по расположению грузов, далее компьютер считывает крутящий момент и показывает мастеру места на колесе с дисбалансом.

 Используются различные виды грузов, зависит это от типа диска. Самые распространенные это набивные груза, они подходят для всех стальных дисков и с увеличенным ушком (прозванные алушными) для штампованных, литых и кованых дисков. При условии что у последних есть бортик для набивания груза, если нет используются клеящиеся груза (самоклей) и крепятся на внутреннюю часть диска.

                               

 

 

Какой груз лучше, набивной или клеящийся?

 Набивные груза ставятся, когда  нет возможности для установки  самоклеющихся. У обоих грузов есть свои плюсы и минусы, набивные портят внешний вид, литой диск быстрее окисляется под местом крепления и они могут вылетать, ослабевая от амортизации шин. Самоклеющиеся груза могут быть смыты направленной струей воды при мойке, так как липкая двусторонняя лента из-за перепадов температуры со временем теряет свои удерживающие  свойства. Выбор зависит от вас и профессиональности мастера.

 

 Какая балансировка  считается хорошей? 

 Груза должны быть установлены  с обеих сторон колеса, внутренней и внешней. В случае с литыми дисками и применением самоклеющихся грузов, они располагаются внутри диска, крепятся ближе к спицам, уравновешивая внешнюю сторону и по краю внутреннего обода отвечая за внутреннюю сторону. Есть станки с возможностью балансировки одним грузиком, но это занимает много времени, поэтому редко используется. Грузики крепятся рядом для сведения дисбаланса к нулю или значению близкому к 0, они никак не могут располагаться друг напротив друга, это говорит о не квалифицированности персонала производимого работу. При большом весе на новых дисках и шинах иногда требуется произвести оптимизацию дисбаланса диска и шины, совместив тяжелое место диска с легкой точкой шины. Также следствием большого дисбаланса могут стать повреждения диска, деформация шины или это результат сложного кордового ремонта. Для повторной перепроверки рекомендуется устанавливать колесо на балансировочный вал в том же положении, как оно и было установлено при балансировке, ориентируясь на метку в виде стрелки на станке.

 

 

Балансировочные станки HAVEKA или подобные им.

 В своем большинстве балансировка  происходит путем центровки колеса  по центральному отверстию в  диске, предусмотренному специально  для этого. Но сейчас появились  диски в заводской комплектации французских автомобилей без отверстия. Фирма HAVEKA выпустила станки с возможностью крепления диска через отверстия, предусмотренные для крепления колеса к ступице. Если точнее то происходит двойное центрирование колеса, для дисков с отверстиями конусом и фланцевым адаптером похожим на шпильки ступицы и для дисков без отверстия цанговым адаптером вместо конуса.

 

 

 Какая еще бывает балансировка?

 Во многих крупных шинных  ателье предлагают услугу, называемую  финишной балансировкой. Ее нельзя  рассматривать как замену стандартной балансировки на обычных станках. При финишной балансировке используется специальный станок, предназначенный для статической балансировки ступицы, колеса и тормозного диска вместе. Колесо раскручивается до 90 км/ч. Производятся замеры, с последующей регулировкой грузиками корректируя дисбаланс узла.

 

Сейчас для балансировки входят в моду методы с использованием порошковых гранул в оболочке из силикона, ну а  приживутся ли эти нововведения и  станут ли достойной заменой стандартным  станкам, покажет время.

 

Автоматическая балансировка гранулами

 

Несколько раз ко мне приезжали  клиенты на балансировку джиповских колес, которые никак нигде не могли отбалансировать. Решив искать проблему внутри, разбортировав колеса обнаружил разорванные пакетики и рассыпавшийся порошок. Заинтересовавшись находкой, и поискав в интернете информацию, нашел новый для себя способ балансировки гранулами. По мне его эффективность сомнительна, но решать вам.

 

Автоматическая балансировка происходит во внутренней части  колес в результате их вращения при движении. В роли балансировочного материала используются балансировочные гранулы в виде мелкого песка, разного рода порошков и микро-бисера. Балансировка происходит при взаимодействии центробежной силы крутящегося колеса и возникающих при движении вибраций подвески. Главным преимуществом балансировочных гранул считаются электростатические особенности используемого материала, что позволяет им надёжно притягиваться к внутренней поверхности покрышки, таким образом, уравновешивая дисбаланс колеса. Главные преимущества данного метода в том, что балансировочные гранулы постоянно выполняют  самобалансировку колеса автотранспортного средства движущегося на любой скорости.

 

 

Превосходства балансировочных гранул:

 

Необходимость использования одного раза на весь период эксплуатации шин. При ремонте шины балансировочные гранулы можнособрать, и снова засыпать при монтаже колеса.

 

Гарантируют точную автоматическую балансировку, сберегая элементы подвески и рулевое  управление в хорошем состоянии. Гарантируют равномерный износ покрышки из-за смягчения вибраций от неровностей на дорожном покрытии. В сравнении с балансировочными порошками, не засоряет внутреннюю поверхность колеса и не затрудняет ее обслуживание. Бисер в отличие от балансировочных порошков не вбирает в себя воду и не подвержен слипанию в комки. Покрытый тоненьким слоем смазки (с применением силикона) бисер не владеет теми абразивными свойствами, что присущи песку и не наносит вред внутри поверхностям шины и диска. Кроме этого, бисер, не закупоривает вентиль ниппеля. Балансировочная процедура с использованием микро-бисера не требует покупки дорогих балансировочных стендов. Для шиномонтажников применение микро-бисера имеет собственные плюсы. В существенной степени уменьшается время балансировки. В итоге — они вполне могут обслужить гораздо больше клиентов за рабочий день. Отпадает необходимость в покупке дорогих балансировочных стендов, и обучение работников правильной балансировке на станке.

 

Минусы:

• Способствуют образованию налёта на внутренней поверхности покрышки.
• Обладают абразивными свойствами.
• Шары при взаимодействии с влагой способны образовать твёрдый комок.

 

Описанный метод балансировки используется в основном для колес грузового  транспорта, автобусов и внедорожников.

 

На переднеприводных машинах проявление дисбаланса довольно характерно и очень  хорошо заметно на передних колесах, которые начинают ощутимо “дробить”, отдавая в руль. Это дает о себе знать при движении по ровной дороге на скорости от 80 до 120 км/час. Хотя, в зависимости от величины дисбаланса, скоростной порог его проявления оказывается разным. Например, при деформированном диске колесо может начать “бить” уже на 50 км/час.

С технической  точки зрения влияние дисбаланса довольно неблагоприятно. Биение колеса преждевременно разрушает рулевые тяги, подшипники подвески, амортизаторы, резиновые втулки, другие опорные элементы подвески. При этом “дробь” дисбаланса создает и очевидный дискомфорт вождения, вызывая усиление шума шин и неприятную вибрацию на руле.

Но главная  опасность дисбаланса — это ухудшение  скоростной управляемости и устойчивости автомобиля при прохождении поворотов. Поэтому бороться с этим явлением нужно не только “по факту”, так  и профилактически.

 

Почему дрожат колеса?

Причин появления дисбаланса колес существует множество.

 Во-первых, ни  шину, ни диск практически невозможно  изготовить идеально точно и  ровно в плане однородности  материала, а соответственно, и  развесовки колеса по всему  диаметру, даже несмотря на передовые  технологии и оборудование от ведущих мировых производителей шин и дисков.

Во-вторых, дисбаланс  колеса характерен и при самостоятельном  любительском или же небрежном шиномонтаже, когда необходимая после каждого  снятия шины с диска балансировка не делается вовсе либо делается на устаревшем оборудовании и неточно.

 В-третьих,  дисбаланс зачастую возникает  из-за довольно простых вещей,  таких как, например, неравномерное  налипание (и примерзание) дорожной  грязи на диск, неправильная затяжка  болтов при его установке, а  также отсутствие элемента центровки колеса — вставки-супинатора. Часто нарушают балансировку колеса и используемые как средство для безразборной заделки мелких проколов ремонтные герметики, которые, особенно при низких температурах, могут неравномерно распределяться внутри шины.

В-четвертых, весомый  вклад в дисбаланс вносят наши дороги с их извечными ямами, колдобинами, выпирающими рельсами и т. п. Неудачный  наскок на скорости или просто постоянная езда в таких условиях, особенно на низкопрофильной шине, приводит к радиальному или осевому искривлению диска, отчего в колесе может появиться дисбаланс. Случается, “на ямах” отваливаются балансировочные грузики, которые были недостаточно надежно поставлены в мастерской.

 

Имейте в виду, что дисбаланс  появляется и каждый раз после снятия шины с диска, поскольку колесо балансируется в сборе и при обратном монтаже оказывается уже невозможной постановка шины в точности так, как она была надета. Кроме того, в некоторых случаях равновесие нарушает и вновь появившийся материал, которым шина ремонтировалась.

 

Дисбаланс нужно устранять 

Если вы хотите в полной мере насладиться  скоростной ездой, не подвергая свою жизнь опасности, дисбаланс нужно  устранить, коль он уже есть, и не допускать его появления впредь.

Как часто необходимо прибегать  к балансировке колес? Во-первых, водитель сам почувствует, когда дрожь на руле появится вновь. Это может произойти и через пять минут после самой точной балансировки — если, например, врезаться в бордюр на скорости 60 км/час. При аккуратном вождении потребность в повторном процессе может возникнуть лишь при очередной смене покрышек...

В зависимости от стиля, условий, скоростных режимов езды и качества резины, рекомендуемый интервал между балансировками составляет около 5 тыс. км пробега. Кроме  того, после каждой “переобувки” в новый комплект резины через 1—1,5 тыс. км пробега всегда возникает так называемый приработочный дисбаланс (как правило, небольшой), вызванный “усадкой” и “притиркой” покрышки к диску.

И, наконец, важным моментом является выбор автосервиса. Не гонитесь за дешевизной шиномонтажной услуги — качественная балансировка несомненно важнее. Порой случается, что простая балансировка колеса на обычном стенде не в силах исправить положение, потому что виновными оказываются опорные элементы: подшипники ступицы, шаровые опоры, рулевые тяги. Специалисты называют это незначительной остаточной неуравновешенностью опорных элементов колеса. И причиной ее является не конструктивная недоработка автопроизводителей, а плачевное состояние наших дорог или же ежедневная езда на запредельных скоростях.

Современные скоростные машины предъявляют  высокие требования к точности балансировки колес, возможность добиться которой  напрямую зависит от балансировочного оборудования. Высокоточные, оснащенные электроникой стенды, позволяющие подбирать наилучшее расположение покрышки на диске и проводить динамическую балансировку вплоть до максимальной скорости, на которую рассчитана шина, стоят достаточно дорого и есть не во всех шиномонтажных мастерских.

 

 

 

 

Статическая балансировка рабочих колес вращающихся механизмов

 

Надежная и исправная работа вращающихся механизмов зависит  от большого числа факторов. Таких  как: сносность валов агрегата; состояние  подшипников, их смазка, посадка на валу и в корпусе; износ корпусов и уплотнений; зазоры в проточной части; выработка сальниковых втулок; радиальный бой и прогиб вала; дисбаланс рабочего колеса и ротора; подвеска трубопроводов; исправность обратных клапанов; состояние рам, фундаментов, анкерных болтов и многое другое. Очень часто упущенный небольшой дефект, как снежный ком тянет за собой другие, а в результате выход оборудования из строя. Только учитывая все факторы, точно своевременно диагностируя их, и соблюдая требования ТО на ремонт вращающихся механизмов, можно добиться безотказной работы агрегатов, обеспечить заданные рабочие параметры, увеличить межремонтный ресурс, снизить уровень вибрации и шума.

 

Статическая балансировка

 

Задачей статической балансировки является приведение центра масс ротора на ось вращения путем изменения  распределения массы.

Наука о балансировке роторов объемна  и разнообразна. Существуют способы  статической балансировки, динамической балансировки роторов на станках  и в собственных подшипниках. Балансируют самые различные  ротора от гироскопов и шлифовальных кругов, до роторов турбин и судовых коленчатых валов. Создано множество приспособлений, станков и приборов с применением новейших разработок в области приборостроения и электроники для балансировки разных агрегатов. Что касается агрегатов, работающих в теплоэнергетике, то нормативной документацией по насосам, дымососам и вентиляторам предъявляются требования по статической балансировке рабочих колес и динамической балансировке роторов.

Чтобы сбалансировать колесо нужно  решить три задачи:

1)  найти то самое «нужное  место» - направление, на котором расположен центр тяжести;

2)  определить, сколько «заветных  грамм» противовеса необходимо, и на каком радиусе их расположить;

3)  уравновесить дисбаланс корректировкой  массы рабочего колеса.

 

Приспособления для  статической балансировки

 

Найти место дисбаланса помогают приспособления для статической балансировки. Их можно изготовить самостоятельно, они  просты и недороги. Рассмотрим некоторые  конструкции.

Простейшим устройством для  статической балансировки являются ножи или призмы (Рисунок №2), установленные строго горизонтально и параллельно. Отклонение от горизонта в плоскостях параллельной и перпендикулярной оси колеса, не должно превышать 0,1 мм на 1 м. Средством проверки может служить уровень «Геологоразведка 0,01» или уровень соответствующей точности. Колесо одевается на оправку, имеющую опорные шлифованные шейки (в качестве оправки, можно использовать вал, заранее проверив его точность). Параметры призм из условий прочности и жесткости для колеса массой 100 кг и диаметром шейки оправки d = 80 мм составят: рабочая длинна L = p X d = 250 мм; ширина около 5 мм; высота 50 - 70 мм.

 

Шейки оправки и рабочие поверхности  призм должны быть шлифованными для  снижения трения. Призмы необходимо зафиксировать  на жестком основании.

Если дать колесу возможность свободно перекатываться по ножам, то после остановки центр масс колеса займет положение, не совпадающее с нижней точкой, из-за трения качения. При вращении колеса в противоположную сторону, после остановки оно займет другое положение. Среднее положение нижней точки соответствует истинному положению центра масс  устройства (Рисунок №3) для статической балансировки. Они не требуют точной горизонтальной установки как ножи и на диски (ролики) можно устанавливать ротора с разными диаметрами цапф. Точность определения центра масс меньше из-за дополнительного трения в подшипниках качения роликов.