Колесные диски
Колесные диски

Колесные диски. Описание.
Для начала разберемся в терминологии. Большинство автолюбителей под термином "колесо" подразумевают конструктивный элемент автомобиля, состоящий из несущей части и шины. Несущую часть называют колесным диском. Это не совсем верно. В автомобилестроении под колесом понимают элемент конструкции автомобиля, расположенный между ступицей и шиной. А это значит, что технически правильно колесный диск называть колесом. Однако в обиходе за колесом так прочно укоренилось упрощенное название "диск", что далее в статье будет использоваться именно этот термин.

На сегодняшний день на рынке колесных дисков "мирно" сосуществуют два их вида: традиционные штампованные стальные диски и колесные диски из легких сплавов.

Наиболее широкое распространение получили штампованные стальные диски. Конструкционно они состоят из собственно диска (тарелки) и обода. Диск (тарелку) штампуют из листовой стали по специальному профилю для увеличения жесткости. Обод колеса также штампуют из стали. Обе составляющие соединяют между собой при помощи точечной контактной сварки. После этого на поверхность наносят защитное покрытие (эмаль, порошковое покрытие…). Внешне такие диски совсем не претендуют на оригинальность, поэтому их закрывают специальными колпаками. Стальными дисками комплектуются большинство автомобилей сходящих с конвейеров во всем мире. Секрет такой популярности, как всегда, тривиален и заключается в их дешевизне и простоте изготовления. Но на этом преимущества штампованных дисков не заканчиваются: даже при очень сильном ударе они не разрушаются, а мнутся, что способствует повышению безопасности транспортного средства, не говоря уже о возможности восстановления деформированного колеса. Кроме того, давайте вспомним физику, а именно тот факт, что для деформации какого-либо материала необходимо затратить определенную долю энергии. Так вот, если на колесо автомобиля действует ударная нагрузка, то стальной пластичный диск (в отличие от жесткого литого) деформируясь, принимает на себя значительную часть энергии удара, в то время как детали подвески и рулевого управления получают минимальные повреждения. Главным недостатком стального диска является его сравнительно большой вес, что отрицательно сказывается на эксплуатационных характеристиках автомобиля. Для уменьшения веса необходимо уменьшать толщину стенок диска, что недопустимо по условию сохранения достаточного сопротивления деформации (т. е. по условию прочности). Еще одним минусом является слабая сопротивляемость материала диска коррозии, которая быстро прогрессирует при разрушении защитного покрытия.

Легкосплавные диски подразделяются в зависимости от технологического процесса изготовления на литые и кованые. В зависимости от используемых материалов - на алюминиевые и магниевые. Хотя, в свое время, были попытки изготовить диски из титановых сплавов. Для последних характерна высокая прочность, хорошая пластичность в сочетании с высокой коррозионной стойкостью. Однако из-за сложности в производстве и высокой цены титановые диски не получили распространения.

Подавляющее большинство легкосплавных дисков (примерно 95%) изготовляются методом литья. Главное достоинство этого метода заключается в высоком коэффициенте использования материала, что снижает себестоимость производства и является определяющим фактором при формировании цены (литье в 2-3 раза дешевле ковки). Существенным недостатком является получение отливки, металл которой обладает свободной ненаправленной кристаллической структурой, что снижает ее прочность. Поэтому для сохранения прочностных характеристик диска толщину его стенок приходится увеличивать. В связи с высокими требованиями к качеству продукции не все способы литья можно применять при производстве колесных дисков. Основными здесь являются способы литья под низким давлением или с противодавлением. Эти методы обеспечивают повышенные прочностные характеристики при изготовлении объемных тонкостенных деталей. Технология производства литых дисков примерно следующая: расплавленный сплав заливают в специальные формы, где он остывает, затем полученные заготовки проходят термическую обработку. Она включает нагрев отливки выше температуры фазового превращения (500-550 0С), выдержку при этой температуре с последующим достаточно быстрым охлаждением в водной среде. В результате закалки получают структурно неустойчивое состояние сплава. Для приближения сплава к структурному равновесию отливки проходят искусственный процесс старения, заключающийся в их нагреве ниже температуры фазового превращения (150-220 0С) и выдержке при этой температуре в течение некоторого времени (3-9 часов) с последующим охлаждением на воздухе. На следующем этапе производства отливки 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 в 4-5 раз.

В качестве конструкционных материалов при производстве литых дисков широко используются относительно дешевые сплавы на основе алюминия (обычно это легированные сплавы алюминия с кремнием). Алюминий является одним из наиболее легких конструкционных металлов (его плотность составляет 2,7 г/см3), что в сочетании с высокой удельной прочностью его сплава, способствует снижению веса диска. В сравнении со стальными собратьями алюминиевые диски легче на 10-20%.

Данный факт является основным их преимуществом, т. к. в этом случае снижается масса неподрессоренных частей автомобиля. Из-за этого при движении по неровностям дороги на кузов воздействуют меньшие ударные нагрузки, а значит, улучшается такое эксплуатационное свойство автомобиля, как плавность хода. При этом также улучшаются условия работы подвески: упругие и демпфирующие элементы воспринимают меньшие нагрузки, тем самым увеличивается срок их службы. Облегченные колеса быстрее восстанавливают контакт с поверхностью дороги при наезде на препятствие, что повышает устойчивость и управляемость автомобиля на больших скоростях. Уменьшение массы колеса положительно сказывается на динамике автомобиля, т. к. для разгона и торможения менее инерционного колеса требуется меньшее усилие, что в конечном итоге приводит к увеличению срока службы двигателя, трансмиссии и тормозной системы, а также к уменьшению расхода топлива. В общем, малый вес серьезное преимущество литых алюминиевых дисков, но не единственное. Существенным плюсом таких дисков также является их привлекательная внешность и многообразие вариантов исполнения. Кроме того, диски из алюминиевых сплавов обеспечивают лучшее охлаждение тормозных механизмов за счет лучшего обдува и высокой теплопроводности материала, а способность алюминия образовывать на своей поверхности прочную оксидную пленку Al2O3 здорово защищает конструкционный сплав от возникновения коррозионных процессов и его разрушения. Но и это еще не все, высокая точность изготовления литых дисков позволяет лучше произвести балансировку колеса, что улучшает виброакустические характеристики автомобиля, а также способствует уменьшению износа подшипников ступиц, шарниров деталей подвески, рулевого привода и шин. Главным их недостатком является низкая пластичность, из-за чего при сильных ударных нагрузках на диск, последний трескается, в худшем случае может даже разрушиться. Отремонтировать же его с сохранением всех исходных характеристик в не заводских условиях практически невозможно.

Литые диски изготавливают и из магниевых сплавов (как правило, это легированные сплавы магния с алюминием). Магний является наиболее легким конструкционным металлом (его плотность составляет 1,7 г/см3). Сплавы на его основе обладают более высокой удельной прочностью, чем алюминиевые, что способствует дополнительному снижению веса диска. Поэтому для литых дисков, изготовленных из магниевых сплавов, характерны все преимущества алюминиевых собратьев, причем в большей степени. Однако, литой магниевый диск помимо низкой пластичности, имеет еще один серьезный недостаток - чрезвычайно низкую коррозионную стойкость, что вынуждает производителей использовать для защиты поверхности прочные многослойные покрытия. Во многом благодаря этому литые магниевые диски не получили широкого распространения и изготавливаются на сегодняшний день в ограниченных количествах..

Вторым методом производства легкосплавных дисков является ковка, или как говорят специалисты - горячая объемная штамповка. Поэтому и кованые диски часто называют штампованными (не путать со стальными штампованными). При таком технологическом процессе изготовления достигается прочность выше, чем при литье, поскольку происходит измельчение зерен, их деформация и вытягивание в нужном направлении - в результате структура металла становиться волокнистой. За счет этого возможно уменьшение толщины стенок кованого диска примерно на 20% по сравнению с литым. Существенным недостатком является очень низкий коэффициент использования материала, составляющий 30-40%, что значительно увеличивает стоимость изделия. Технология изготовления примерно следующая: исходную заготовку разогревают до температуры, при которой сплав приобретает наиболее высокую пластичность (порядка 400-470 0С), затем разогретая чушка под действием пресса вминается в специальную форму и на выходе получается некое подобие колеса - поковка. Изготовляемые таким методом диски могут проходить термическую обработку, а могут и нет. Все определяется составом сплава. Часто механические характеристики дисков прошедших термическую обработку и без таковой, изготовленные из разных сплавов, практически не отличаются. Если термическая обработка производиться, то она включает закалку с последующим старением. После поковка отправляется на механическую обработку, затем нанесение декоративных покрытий. Такая технология изготовления позволяет получить диски, материал которых имеет прочность сопоставимую со сталью, и пластичность ниже всего на 20-30 %.

При производстве кованых дисков широко применяются сплавы на основе алюминия и магния. Высокая прочность материала дисков обеспечивает им хорошие весовые характеристики: масса кованого диска на 30-50 % меньше массы стального и на 20-30 % аналогичного литого. Благодаря высокой пластичности такой диск не разрушается после сильного удара, а деформируется на подобие стального. Штампованные магниевые диски обладают хорошей коррозионной стойкостью, а алюминиевые и вовсе можно использовать без лакокрасочного покрытия. В общем, кованый диск вобрал в себя все преимущества литого и стального штампованного собратьев, при этом избавившись от их недостатков. Хотя один все же присутствует - высокая цена. Поэтому во всем мире такие диски в большинстве своем устанавливаются на дорогие спортивные и гоночные автомобили. Однако общая мировая тенденция в России имеет несколько иное продолжение. Дело в том, что в последнее время предприятия военно-промышленного комплекса по конверсии освоили производство кованых колес, цены на которые удается удерживать на достаточно низком уровне (в среднем цена дисков российского производства меньше западных аналогов в 10 раз!), причем по качеству они не хуже импортных.

В отдельную группу можно отнести, так называемые, составные диски. Обычно они собираются из двух или трех частей посредством крепежных болтов. Причем лучше, когда для этих целей используются не стальные болты, а титановые (иначе не избежать возникновения коррозионных процессов). Составные части такого диска, как правило, изготовляются по разным технологиям (как вариант: обод - кованый, непосредственно диск - литой). Такой подход дополнительно позволяет уменьшить вес диска, а также увеличить его ремонтопригодность.