Неподрессоренные массы, литье и ковка

Снижение веса – одна из самых главных задач, которую решают конструкторы, материаловеды и изобретатели с времен появления самого колеса. Известно, что колеса составляют основную долю неподрессоренных масс автомобиля и снижение их веса крайне благотворно сказывается на работе подвески: увеличивается плавность хода, улучшается реакция подвески, и обеспечивается более уверенный контакт колеса с дорогой. Расчеты специалистов показывают, что снижение неподрессоренной массы (колеса и детали подвески) на 1 кг эквивалентно уменьшению массы кузова (подрессоренной массы) на 15-20 кг, а для 4 колес все 60-80. То есть автомобиль стал легче, что означает не только улучшение ходовых качеств, но и снижение расхода топлива, повышение разгонной и тормозной динамики, управляемости и т. п., а ощущения при этом более комфортные, как на нагруженной, тяжелой машине: автомобиль идет плавнее, мягче.

Литье
Впервые литые диски появились в 60-х годах прошлого века. Технология их изготовления достаточно проста и банальна. Расплавленный металл заливается в форму. После остывания заготовки проводится обтачивание посадочных поверхностей и сверление отверстий. Так получается колесо. Сам процесс литья может проходить под низким давлением, с противодавлением, гравитационным методом, и выглядит это примерно так: в специальной печи (или нескольких) расплавляют алюминий при температуре около 1000 оС. Ряд фирм используют готовые сплавы, закупая их в слитках, другие приобретают чистый алюминий и создают свою рецептуру уже на месте. Далее расплав переливают в другую емкость и перемешивают для очистки от окислов. Затем металл разливается по специальным литьевым машинам, которые подают его уже в литьевые формы. Литье колеса занимает несколько минут. Потом готовые колесные отливки проходят термообработку (длительный нагрев и медленное охлаждение). Это позволяет дополнительно упрочнить колесо и снять все внутренние напряжения металла. Преимущество литья состоит в том, что колесу можно придать практически любую форму. Именно поэтому столь много вариантов дизайна у литых колес. Этот метод позволяет добиться плавности линий и законченности изделия, не требующих большой последующей доработки. Кроме того, литье – почти безотходное производство, следовательно, снижается себестоимость продукции. Однако литье имеет один существенный недостаток. Кристаллическая структура металла в литых изделиях хаотична, не имеет строгой направленности. В процессе литья могут образовываться литьевые раковины, пустоты и т. п. Случается даже, что через такие поры бескамерная шина теряет воздух. Учитывая это, все литые колеса должны проходить специальный рентгеновский контроль (сертификат РОСТЕСТ выдается только продукции, прошедшей такой контроль). Колеса с обнаруженными дефектами направляются на переплавку. Такое свойство литья несколько ослабляет готовое изделие, делает его более хрупким, склонным к возникновению скрытых микротрещин. Раньше по этой причине при повреждении литые диски трескались и даже могли лопнуть. Теперь, по требованию сертификационных организаций, сохранение целостности является обязательным условием, и современные литые колеса не трескаются, а лишь сминаются. Из-за этой особенности литых изделий конструкторы вынуждены добиваться необходимой прочности путем утолщения диска и обода, что несколько увеличивает вес колеса. Но, несмотря на это, литые легко-сплавные колеса легче своих стальных собратьев на 15-30% и значительно прочнее. Правда, встречаются дешевые легкосплавные «тяжелые» колеса, чей вес практически равен стальным. Особенно этим грешат колеса турецкого производства. Самой сложной деталью в производстве литого колеса является обод, а ведь именно он требует максимально возможного облегчения, поскольку специалистами отмечено, что увеличение толщины обода на 1 мм повышает вес колеса, в зависимости от его размеров, в среднем на 1 кг. В этом смысле литье явно проигрывают ковке. Правда, производители придумали методы решения этой задачи. Существует технология прокатки обода специальным роликом, в результате чего происходит нагартовка, повышающая прочность обода. Баварская фирма BBS использует другую интересную технологию. После отливки колеса его обод раскатывают под нагревом. При прокатке колесо нагревают до 300°С и «вытягивают», как на гончарном круге. Получается литой диск с практически кованым ободом (хотя правды ради стоит сказать, что по прочности такое колесо все же несколько уступает настоящему кованому). Та же фирма использует еще один прием для облегчения колеса. Для автомобиля Porsche 911 BBS выпускает колеса с литыми полыми спицами. «Полый» диск отливается отдельно, а затем приваривается к отдельно отлитому ободу. Литье имеет и еще одну особенность. Различные партии могут несколько отличаться по характеристикам друг от друга. Любое изменение технологии, рецептуры и т. п. может несколько изменить свойства готового изделия. Поэтому производители для отслеживания качества своей продукции вынуждены каждый раз осуществлять контрольную отливку, резать и разрушать ее, оценивая структуру металла и механическую прочность изделия.

Ковка
Ковка или горячая штамповка – еще один способ производства легкосплавных колес. Этот способ позволяет создать еще более прочное и легкое колесо. Впервые эта технология была разработана и применена в России в середине 80-х на оборонном предприятии «ВИЛС» (Всероссийский институт легких сплавов). В отличие от других отраслей, здесь мы не оставили позиций. Западные производители охотно покупают у нас заготовки колес для дальнейшего производства. И еще такой факт: Россия – единственная страна, где производятся кованые диски малых размеров. На Западе ковка – технология для дорогих машин, а нас выручает конверсия оборонной отрасли. Существуют различные способы ковки. В России используется технология объемной горячей штамповки. Несмотря на то что к классической свободной ковке этот процесс отношения не имеет, в английском языке он и детали, получаемые этим методом, имеют название, производное от forge (ковать). Так что и мы так будем это называть (хотя кузница и наковальня как-то больше ассоциируются с ковкой). Процесс объемной горячей штамповки значительно сложнее литья и осуществляется в несколько этапов. На первом этапе небольшую цилиндрическую болванку (слитки, из которых делают колеса, имеют форму цилиндрических столбов различного диаметра, которые нарезают на болванки нужной длины) на первом прессе осаживают, превращая в диск. Затем этот диск проходит несколько прессов, имеющих различное усилие, постепенно превращаясь в окончательную заготовку. На определенном этапе, еще в заготовке, прошивается центральное отверстие. Перед каждым прессованием заготовка и рабочие штампы нагреваются до температуры в несколько сотен градусов. Сами прессы, несмотря на ужасающую мощь (до 20 тыс. тонн), производят горячую штамповку медленно, можно сказать, нежно. Нагрев и малая скорость деформирования исключают возможность возникновения нежелательных разрывов и трещин в теле заготовки. Полученная заготовка закаливается и проходит процедуру искусственного старения. Первая процедура добавит колесу прочности, а вторая необходима для снятия напряжения, возникающего в процессе деформации. Старение производится в специальной печи при высокой температуре в течение 12 часов. Затем, после многочисленных проверок и выборочного контроля качества заготовки (структура волокон), она проходит механическую обработку на токарных и фрезерных станках, в результате превращаясь в готовое изделие. При пластическом деформировании за счет измельчения кристаллической сетки и ликвидации внутренних микродефектов металл упрочняется. Благодаря такой технологии с формированием у металла некой волокнистой структуры прочность колеса получается выше, чем у стальных колес, в 2,5 раза, а пластичность ниже всего на 20-30%. Можно делать стенки на 20% меньшей толщины по сравнению с литыми. Опять же, ковка исключает появление в металле скрытых литьевых раковин, полостей и трещин. В результате вес такого колеса на 15-20% ниже литого и на 40-50% стального штампованного. Но существует один существенный недостаток данной технологии. В процессе формирования в колесо в итоге превращается лишь 30-40% исходного материала. Остальное выгорает в печах и особенно много уходит со стружкой. Правда, эти отходы можно переплавить и снова пустить в производство, но себестоимость все равно значительно повышается. Некоторые заводы в целях экономии материалов при ковке выштамповывают и окна, но итоговый расход все равно велик. Однако такие колеса стоят своих денег. Они хорошо противостоят неровностям и ухабам. Расколоть качественное кованое колесо почти невозможно. В случае небольшого замятия их можно отреставрировать, хотя надо помнить, что любое воздействие на такое колесо все равно нарушает его структуру.

Разборные колеса
В попытке решить проблему лишнего веса колесных дел мастера попытались объединить различные технологии воедино. Разборные колеса появились в конце XIX века. Но тогда была иная необходимость – шины менять. Современные разборные колеса были призваны усовершенствовать колесо, сделать его легче, проще в производстве и эксплуатации. Стоит ли говорить, что со своей задачей они не справились. Можно перечислить основные подходы, которые пытались использовать производители. Первое, что приходит в голову, – диск плавить или ковать из алюминия, а обод штамповать из стали. Получается легкая прочная середина и тяжелый, но восстанавливаемый при деформации обод. Другая конструкция – кованый обод, дающий высокую прочность, и литой диск, позволяющий изгаляться с дизайном, что не получается при ковке. Часто встречается следующий подход: обод раскатывается из плоского листа алюминиевого сплава толщиной 6-7 мм.Часто обод также делают из нескольких частей, что позволяет комбинацией нескольких частей получать разную посадочную ширину. Еще одна вариация – трехкомпонентное колесо (выпускала фирма OZ): диск – кованый, внешний обод – катаный, внутренний обод – литой. Следующий – титановый диск и магниевый обод. Такие производили в России по заказу одной из японских фирм в очень ограниченном количестве. Это действительно интересно, но крайне дорого. Между собой отдельные части либо свариваются, либо скрепляются болтами. Чаще используются титановые болты, так как они меньше способствуют электрохимической коррозии. Кстати, из-за болтов все и страдает. Поскольку обычно разборные колеса выполняют большими по диаметру, чтобы скрепить воедино обод и диск, необходим не один десяток болтов. Их вес сводит на нет все попытки снизить массу колеса. В чем же их плюс? Разборные колеса здорово подходят для бронеавтомобилей (можно поставить в колесо специальные проставки – резиновые кольца для езды на пробитых шинах). Для легковых автомобилей эта тема не подходит, слишком доро-го, да и хлопот с такими колесами больше. Возможно, эта идея и получит свое должное распространение с появлением новых материалов, например пластмасс. А пока все разговоры об их лучшей ремонтопригодности не выдерживают никакой критики по причине дороговизны. Автоспорт от сборных колес отказался очень быстро – слишком большой вес.

Магний
Отдельно нужно сказать про магний. Магниевые колеса обросли многочисленными слухами и домыслами, и во многом не беспочвенно. Литые магниевые колеса легче и тверже даже кованых алюминиевых, но в то же время их отличает довольно высокая хрупкость. А вот кованые магниевые колеса – действительно «круты». Их демпфирующая способность выше, а масса на 30-40% ниже, чем даже у кованых алюминиевых. У магниевых колес есть один существенный недостаток. Сплавы магния подвержены общей и гальванокоррозии. По этой причине к защите поверхности таких колес предъявляются повышенные требования. На них наносят специальные многослойные покрытия, в места крепления запрессовываются специальные переходные втулки, исключающие контакт магния с крепежными болтами.