Приветствуем Вас на канале "Счётоматика".
В прошлый раз мы обсуждали влияние балансировки колёс, сейчас разберём почему обычной балансировки колёс недостаточно.
После выполнения балансировки колёс наступает заключительный этап "монтаж на ступицу автомобиля", после которого автовладельцы со спокойной душой уезжают из шиномонтажной мастерской. И в большинстве случаев до следующего сезона там не появляются. Но так везёт далеко не всем! У кого-то за эти полгода проявляется повышенная вибрация рулевого колеса, у кого-то начинает гудеть подшипник ступицы, а у кого-то вообще рассыпается подвеска автомобиля. В чем же причина таких неурядиц?
Причины, естественно, могут быть разнообразные. Но самая главная и часто встречаемая – дисбаланс.
Кто-то сразу скажет:
"У нас же колёса отбалансированы! Какой ещё дисбаланс?"
Во-первых, отбалансированное колесо при эксплуатации теряет часть баланса. На поверхностях дисках может неравномерно скапливаться грязь, в протекторы шин забиваться камушки. Небольшие деформации диска и неравномерный износ шины также способствуют появлению дисбаланса. И наконец, балансировочные грузики, хоть и редко, но иногда отпадывают.
Во-вторых, нельзя забывать, что колесо балансируется от одной баз – оси вала балансировочного станка, а работает относительно другой – оси вала автомобиля.
Если первый случай решается повторной балансировкой. То второй требует пояснений. Именно о нём мы и хотели поговорить. Вернее, провести оценочный расчёт и рассмотреть влияние. Но не будем забегать вперед, а пойдём по порядку.
Монтажный дисбаланс
Да, это именно он портит жизнь автовладельцам. Монтаж колеса на ступицу автомобиля приводит к смещению осей вращения колеса и вала автомобиля.
Валом автомобиля мы называем механический узел, состоящий из вала ступицы, тормозного диска и прочих вращающихся узлов (в зависимости от конструкции). Вал автомобиля имеет собственную ось вращения, относительно которой он отбалансирован.
Естественно, что прямым следствием смещения осей вращения колеса и вала автомобиля является смещение центра масс колеса. А как мы помним из предыдущей статьи:
Смещение центра масс (любой рассматриваемой) относительно оси вращения называется эксцентриситетом массы.
Также стоит учесть, что ось инерции колеса в большинстве случаев будет параллельна оси вращения. Следовательно, неуравновешенность статическая.
Таким образом при монтаже колеса на ступицу автомобиля к неуравновешенной массе вала автомобиля добавляется неуравновешенная масса в виде массы колеса.
Можно представить произведение массы колеса автомобиля (М) на модуль ее эксцентриситета (е) как добавляемый дисбаланс:
U = M · e
Этот добавляемый дисбаланс и будем называть монтажный дисбаланс (Um).
Имеется ввиду именно числовое значение дисбаланса, поскольку дисбаланс как векторная величина нас не интересует.
Ищем виноватого
Почему же происходит смещение осей вращения колеса и вала автомобиля при монтаже? Ответ прост, как никогда! Потому, что центровку по посадочным диаметрам диска колеса и ступицы автомобиля невозможно выполнить идеально.
Между диаметрами диска колеса и ступицы автомобиля присутствует зазор, который и приводит к смещению осей при центровке.
Если внутренний посадочный диаметр диска колеса больше наружного посадочного диаметра ступицы автомобиля – посадка выполнена с зазором.
Необходимо понимать, что посадка с натягом или переходная посадка не позволят устранить смещение осей. Смещение будет всегда! Таким образом проблема не в самом смещении осей как таковом, а в величине этого смещения. При всём при этом посадка с зазором позволяет снимать и устанавливать колёса без специальных приспособлений.
В данной статье рассуждения применимы для литых и кованных дисков, у которых есть внутренний посадочный диаметр.
Расчёт зазора
Начать следует с определения посадочных диаметральных размеров и их отклонений от номинальных значений.
У производителей автомобилей и дисков размеры и допуски на эти размеры могут отличаться. Однако в любом случае они будут находиться в сопоставимых величинах.
В качестве базового будем рассматривать литой диск – 6,5Jx16 H2 5x114,3 ET46 d67,1.
Размеры диска колеса:
- Внутренний посадочный диаметр: 67,1 мм;
- Верхнее отклонение: +0,2 мм (также бывает +0,25);
- Нижнее отклонение: 0 мм (может быть +0,1 мм, если номинал посадочного диаметра диска соответствует номиналу посадочного диаметра ступицы).
Размеры ступицы автомобиля:
- Наружный посадочный диаметр: 67 мм (как правило внутренний посадочный диаметр дисков на 0,1 мм больше для обеспечения гарантированного зазора);
- Верхнее отклонение: 0 мм;
- Нижнее отклонение: -0,08 мм (встречается -0,1 мм).
Далее находим значения зазоров:
Минимальный зазор равен: 67,1 - 67 = 0,1 мм = 100 мкм
Максимальный зазор равен: 67,3 - 66,92 = 0,38 мм = 380 мкм
В действительности получение значений максимального или минимального зазоров хоть и возможно, но, ввиду множества факторов, маловероятно. Поэтому мы не будет на них заострять внимание, а сосредоточимся на значении среднего зазора (Sср) равного:
Sср = (100 + 380) / 2 = 240 мкм.
Расчёт монтажных дисбалансов
Перед расчётом определимся с массой колеса. Если диск мы уже выбрали (см. выше), то шину еще нет. Примем для расчёта летнюю шину – 215/65 R16 98H. Тогда ориентировочная масса колеса будет равняться 20,6 кг (данные взяты из статьи влияние балансировки колёс).
Теперь посчитаем монтажный дисбаланс от смещения осей на максимальную величину среднего зазора:
Um(Sср) = M · Sср = 20600 · 0,24 = 4944 г·мм
Далее нам необходимо посчитать остаточный дисбаланс колеса, именно тот, который определяет смещение оси инерции колеса относительно оси вращении. Более подробная информация про остаточный дисбаланс и его расчёт для нашего колеса представлена в статье влияние балансировки колёс. Здесь будем использовать полученное ранее значение остаточного дисбаланса:
U = 2032 г·мм
Перед нахождением общего монтажного дисбаланса колеса вспомним его формулу:
Um = M · e
Однако его можно выразить и как сумму монтажного дисбаланса от смещения осей и остаточного дисбаланса колеса:
Um = Um(Sср) + Ū
В данном случае, остаточный дисбаланс представлен как вектор, потому, что смещение оси вращения колеса относительно оси вала автомобиля может не совпадать по направлению с расположением оси инерции (см. рисунок 3).
Для простоты рассмотрим два крайних варианта, при которых эксцентриситет массы принимает максимальное и минимальное значение.
Тогда,
- максимальный общий монтажный дисбаланс равен:
Um(макс) = Um(Sср) + U = 4944 + 2032 = 6976 г·мм
- минимальный общий монтажный дисбаланс равен:
Um(мин) = Um(Sср) - U = 4944 - 2032 = 2912 г·мм
Оценка результатов
Сопоставим смещения осей на величину среднего зазора с максимальным допустимым радиальным биением вывешенного колесе, измеряемое на внутреннем ободе диска.
Например, для автомобиля Mitsubishi ASX максимальное допустимое биение для литого алюминиевого диска равно 1 мм (значение взято из руководство по ремонту и техническому обслуживанию).
Смещение осей на величину среднего зазора (Sср) равно 0,24 мм. Следовательно, радиальное биение от такого смещение будет равняться 0,48 мм.
Для дальнейших манипуляций следует вспомнить, что такое радиальное биение:
Радиальное биение это результат отклонения от округлости поверхности вращения и отклонения центра поверхности от реальной базовой оси вращения.
Иными словами, если смещение осей это и есть отклонение от базовой оси вращения, то отклонение от округлости определяется геометрией диска колеса – радиальным биением поверхности самого диска (относительно посадочного диаметра и, естественно, без шины).
Его значение, в зависимости от производителя, может варьироваться от 0,05 мм до 0,2 мм (бывает и 0,5 мм). Для нашего расчёта мы примем значение радиального биения диска – 0,1 мм.
Вычислим суммарное радиальное биение вывешенного колеса:
↗ = 0,48 + 0,1 = 0,58 мм
Данное значение меньше максимально допустимого.
Нагрузка на подшипник
Наиболее чувствительным узлом в автомобиле к монтажному дисбалансу колеса является подшипник ступицы. Неуравновешенная масса создает дополнительные нагрузки от возникающих центробежных сил.
Так как подшипник ступицы – жёсткий (неподвижный), то ГОСТ ИСО 1940-1-2007 допускает применение уравнения для центробежных сил.
F = Um · w^2
где:
w – угловую скорость вращения колеса.
Для нашего колеса при скорости движения автомобиля 180 км/ч (50 м/с) w = 145,77 рад/с.
Итак, найдем центробежную силу, создаваемую монтажным дисбалансом.
От максимального общего монтажного дисбаланса:
F(макс) = Um(макс) · w^2 = 6976 · 145,77^2 / 1000000 = 148,2 Н = 15,1 кгс
От минимального общего монтажного дисбаланса:
F(мин) = Um(мин) · w^2 = 2912 · 145,77^2 / 1000000 = 61,9 Н = 6,3 кгс
Как показали вычисления, правильный монтаж, обеспечивающий минимальный эксцентриситет массы, колеса на ступицу автомобиля позволяет в 2,4 раза снизить нагрузку на подшипник ступицы.
Уменьшение монтажного дисбаланса
Установка колеса на ступицу автомобиля в большинстве случаев не предполагает какой-либо дополнительной центровки. Из-за действия силы тяжести посадочные диаметры диска колеса и ступицы автомобиля сопрягаются в верхней части, образуя зазор в нижней (см. рисунок 4).
Конечно, из-за отклонений формы и расположения поверхностей посадочных диаметров диска колеса и ступицы автомобиля сопряжение может произойти в другом месте, соответственно зазор в нижней части уменьшится.
Вернёмся к нашему рассматриваемому случаю. Образовавшийся зазор свидетельствует о том, что ось вращения колеса смещена на величину этого зазора. С данным смещением бороться можно, но это малоэффективно.
Нашей же целью для уменьшения монтажного дисбаланса будет противопоставить смещению осей вращения смещение оси инерции колеса таким образом, чтобы получить минимальный эксцентриситет массы (см. рисунок 3). То есть определить на колесе угол расположения неуравновешенной массы, которая называется тяжёлая точка (ТТ). И установить колесо таким образом, чтобы тяжёлая точка располагалась напротив зазора. В рассматриваемом случае тяжёлая точка должна располагаться сверху (см .рисунок 5).
Выводы
- Монтаж колеса на ступицу автомобиля приводит к смещению осей вращения колеса и вала автомобиля, так как центровку по посадочным диаметрам невозможно выполнить идеально. Смещение осей при центровке происходит потому, что внутренний посадочный диаметр диска колеса больше наружного посадочного диаметра ступицы автомобиля.
- Проблема не в самом смещении осей, а в величине этого смещения. Следовательно, минимальный зазор между посадочными диаметрами диска колеса и ступицы автомобиля обеспечивает более точную центровку и меньшее смещение осей вращения колеса и вала автомобиля.
- Значение монтажного дисбаланса может превышать значение остаточного дисбаланса более чем 2 раза, что демонстрирует его существенное влияние на общую неуравновешенность.
- Суммарное радиальное биение вывешенного колеса при смещении осей вращения колеса и вала автомобиля на величину среднего зазора меньше максимально допустимого радиального биения. Следовательно, размеры посадочных диаметров диска колеса и ступицы автомобиля близкие к стандартным не приводят к недопустимым нагрузкам.
- Монтаж колеса на ступицу автомобиля с обеспечением минимального эксцентриситета массы позволяет существенно снизить нагрузку на подшипник ступицы.
- При монтаже колеса на ступицу автомобиля тяжёлая точка должна располагаться в верхней части колеса для уменьшения влияния монтажного дисбаланса.
- При частой эксплуатации автомобиля с высокой скоростью движения необходимо выполнять дополнительную балансировку вывешенного колеса с помощью специального оборудования.
Надеемся, что данная статья Вам понравилась и помогла узнать что-то новое.
Мы всегда приветствуем любую критику, особенно конструктивную. Если же у Вас имеются предложения для выполнения интересных вычислений, будем рады их рассмотреть.
Подписывайтесь на канал, чтобы быть в курсе новых расчётов.
Не забывайте положительно оценивать статью.
Спасибо за внимание!
