История колеса. От гончарного круга до шасси авиалайнера

Колесо – движитель, свободно вращающийся или закреплённый на вращающейся оси диск, позволяющий поставленному на него телу катиться, а не скользить. Широко применяется для транспортировки грузов, повсеместно используется в различных механизмах и инструментах.

Слово «колесо» произошло от общеславянского «коло» (круг), оно идёт ещё из праиндоевропейского языка, поэтому в языках индоевропейских народов, географически далёких друг от друга, обозначения колеса едины. От слова «колесо» образовано слово «колесница».

Без изобретения колеса, действительно, трудно представить современный мир. Изобретение колеса стало настоящим благословением для человечества. Оно используется почти во всех современных транспортных средствах от телеги, велосипеда, мотоциклов до машин и грузовиков, не стоит забывать о поездах и самолётах.

Давным-давно для перемещения громоздких грузов на относительно большие расстояния использовались обычные бревна. На первый взгляд, революционный по тем временам способ, но у него был один существенный недостаток – требовалось подкладывать под бревна много каменных роликов, небольших колёс. При этом они всё время выскальзывали из-под брёвен.

Но древние люди решили эту проблему – они соорудили специальную платформу из досок. Им удалось закрепить на ней ролики таким образом, что давящий сверху груз не выталкивал их из-под досок, а, наоборот, прижимал к земле. С помощью колёс стало гораздо проще перевозить тяжёлые грузы на дальние расстояние. С изобретением колеса началось взрывное развитие человеческой культуры и экономики. Ни ремёсла, ни эффективное земледелие не были бы возможны без этого.

До появления колёс люди таскали грузы на себе. Позже они стали приручать животных, таких как лошади, волы, ослы и верблюды, и начали перевозить грузы с их помощью.

Постепенно люди стали делать это, привязывая к животным деревянные доски. Спустя долгое время, около 3500 года до н. э., одному мудрому человеку, который проживал в Месопотамии (современный Ирак), пришла в голову идея. Он вырезал диск из ствола дерева и сделал отверстие в его центре; конечным продуктом стало колесо – возможно, величайшее изобретение в истории человечества!

Колесо, которое он изготовил, предназначалось не для транспортировки грузов, а для гончарного дела.

Гончарный круг

Долгое время колесо использовалось только в гончарном деле, вот однажды кто-то придумал использовать два колеса и создал телегу. В ней колёса были соединены стволом дерева, который играл роль оси. Это была первая тележка в мире. В ней оба колеса и ось двигались.

Предшественники колеса – бревна-катки, использовавшиеся для перемещения тяжёлых предметов, строительных материалов и лодок. Люди заметили, что катки с более тонкой серединой имеют большую устойчивость, и стали обтесывать и обжигать их. Со временем такая конструкция приобрела вид колеса и оси, сделанных из единого бревна. А потом, наконец, колесо стали изготавливать отдельно от оси.

Следующим шагом эволюции колёс стало закрепление оси на транспортном средстве, что делало возможным их свободное вращение. Первыми средствами передвижения, в которых использовался этот принцип, стали повозки, запряжённые буйволами, военные колесницы и четырёхколёсные повозки для знати.

Чуть позже, около 2000 года до н. э., было изобретено колесо со спицами, что значительно уменьшило его вес.

А вот идея заключить колёса в металлические обода и тем самым уберечь их от быстрого износа принадлежит кельтам. В 1000 году до нашей эры они оснастили такими усовершенствованными колёсами свои колесницы.

Самым ранним «колесом» считается находка в Жудеце Яссы в Румынии – её датируют последней четвертью V тысячелетия до н. э. В одном из поселений культуры Кукутень румынский археолог М. Дину нашёл глиняные модельки колёс от игрушечных повозок, о чём сообщил в 1981 году. В Цюшенской камерной гробнице (вартбергская культура) на мегалитической плите середины IV тыс. до н. э. были найдены гравировки, схематически изображающие волов, запряжённых в повозку.

Керамический горшок из польского Броночице со схематическим изображением повозок с запряжёнными в них быками относится к культуре воронковидных кубков и датируется 3635–3370 годами до нашей эры.

Следующие по времени модели колёс были обнаружены археологами А. Д. Резепкиным в погребениях майкопской культуры (Пхагугапе, Пшикуйхабль, Чишхо) на Северном Кавказе и А. В. Кондрашовым в погребении новосвободненской культуры в Краснодарском крае (середина IV тысячелетия до н. э.).

Деревянный диск-колесо

В Люблянском барье в Словении нашли сделанное из ясеня колесо с диаметром 72 см, возраст которого превышает пять тысяч лет (3350–3100 годы до н. э.). Модели четырёхколёсных повозок, сделанные из глины, были найдены в двух погребениях поздней баденской культуры в Будакалаше и Сигетсентмартоне (Восточная Венгрия), которые датируют 3300–3100 годами до н. э. На поселении хоргенской культуры в Прессехаусе (Швейцария) было найдено колесо с квадратным отверстием для крепления оси, которая вращалась вместе с колёсами. Методом дендрохронологии оно датируется 3200 годом до н. э. В отличие от находок в Швейцарии и Германии, в регионе, а также в Нидерландах и Дании отверстия в колёсах были круглыми, ось крепилась к корпусу повозки, а это значит, что различные европейские традиции изготовления повозок возникли ещё до 3200 года до н. э.

В степной полосе от реки Дунай на западе до верховьев реки Маныч на востоке насчитывается примерно 160 погребений ямной культуры с остатками колёсного транспорта (колёс, возов), а также их глиняные модели и остатки рисунков. Древнейшие из находок датируются XXXII веком до н. э.

Таким образом, всё больше материальных доказательств говорят в пользу того, что «самое первое» колесо появилось не на Ближнем Востоке, как было принято считать ранее, а в Европе.

В Дмитровском кургане в Запорожской области у входа в погребальную камеру была найдена деревянная повозка катакомбной культуры с целиком сохранившимся колесом возрастом 5 тысяч лет.

Двухколёсная повозка с сохранившимся колесом диаметром 0,6 м известна из катакомбного погребения «Тягунова Могила» (около 5 тыс. лет) в запорожском селе Марьевка. Оба колеса двухколёсной деревянной арбы из Сторожевой могилы ямной культуры под Днепропетровском (III тысячелетие до н. э.) были сделаны из сплошного куска дерева, рассечённого продольно, с круглыми отверстиями для оси и толстыми ступицами.

Изображения салазок (3000 год до н. э.) с колёсиками найдены в Месопотамии в шумерском городе Урук. К 2700 году до н. э. там же появляются рисунки повозок. В это же время шумеры начинают хоронить своих царей вместе с колесницами. Эти погребения найдены в Кише, Уре, в эламском городе Сузы.

Колесница, вырезанная в стене храма солнца в Конарке, Индия

Четырёхколёсная повозка из погребального комплекса Улан IV западноманычской катакомбной культуры в Ростовской области была изготовлена в XXIII веке до н. э. Д. Энтони и Виноградов (1995) датировали колесницу классического типа в захоронении синташтинской культуры в районе Кривого озера (Челябинская область) 2026 годом до н. э.

Во II тысячелетии до н. э. конструкция колеса совершенствуется: на Южном Урале появляется колесо со спицами, в Малой Азии – со ступицей и гнутым ободом. Позднее, в I тысячелетии до н. э., кельты для увеличения прочности колёс своих колесниц стали применять металлический обод, который в промышленную эпоху в большинстве транспортных машин был заменён резиновыми шинами для амортизации.

Примечательно, что колёса, оснащённые спицами из дерева, оставались неизменными до начала XIX века. В то время изобретатель Ф. Бауэр запатентовал первые спицы, изготовленные из металла. Он просто взял длинную проволоку, продел её много раз через обод колеса и закрепил на обоих концах ступицы. Классическим примером его изобретения является велосипедное колесо.

Следующим прорывом в эволюции колеса стало изобретение шины. Идея её создания принадлежит У. Томпсону, своё изобретение он запатентовал в 1845 году. Однако в 1888 году его разработку усовершенствовал шотландский ветеринар Д. Данлоп. Для изготовления шин он использовал твёрдую резину.

Несмотря на то что колесо было неизвестно цивилизациям доколумбовой Америки, некоторые народы (инки), вплотную приблизились к его открытию. Некоторые культуры (ольмеки) изготовляли керамические и деревянные фигурки животных на колёсиках – возможно, они выполняли ритуальные функции, или были просто игрушками.

Также до прихода европейцев колеса не знали коренные народы Австралии и южной Африки.

Изобретение колеса способствовало развитию множества ремёсел. Колесо было применено в гончарном круге, мельнице, прялке, токарном станке. В ирригационных сооружениях, на мануфактурных фабриках, рудниках и т. п. применялись водяные колёса.

Изобретение колеса дало толчок к развитию науки в целом. Так, оно применяется в астролябии и других научных инструментах. В механике широко используется зубчатое колесо.

Изобретение колеса имеет важное значение в хозяйственной сфере.

Колесо существенно уменьшает затраты энергии на перемещение груза по относительно ровной поверхности. При использовании колеса работа совершается против силы трения качения, которая в условиях дорог существенно меньше, чем сила трения скольжения.

Колёсная ось является одним из шести простейших механизмов. Она позволяет получить механическое преимущество путём увеличения приложенной силы за счёт крутящего момента. Суть в том, что сцепление механизма с землёй происходит только по подошве колёс, они выполняют роль поддерживающей системы для транспортного средства, что уменьшает потери энергии. При использовании колёс для различных транспортных средств также необходимо обеспечивать сцепление их с землёй, что может быть достигнуто применением рифлёных колёс.

Транспортные средства бывают:

– одноколёсные (моноциклы): моноцикл, моноколесо;

– двухколёсные (бициклы): велосипед, мотоцикл;

– трёхколёсные (трициклы): велосипед, мотоцикл, автомобиль;

– четырёхколёсные (квадроциклы): всё, что с четырьмя колёсами.

Виды колёс

Рельсовый транспорт

Элементом ходовой части рельсовых транспортных средств является колёсная пара, представляющая собой пару колёс, жёстко посаженных на ось и всегда вращающихся вместе с осью как единое целое. Такая конструкция фактически из одной детали отличается высокой надёжностью. Пробег колёсных пар локомотивов с колёсами бандажного типа может достигать нескольких сотен тысяч км.

Колёсные пары предназначены для направления движения вагона по рельсовому пути и восприятия всех нагрузок, передающихся от вагона на рельсы и обратно. Они должны удовлетворять определённым требованиям: обладать достаточной прочностью, износостойкостью, иметь небольшую массу для снижения веса вагона и уменьшения динамического воздействия на верхнее строение пути, а также обладать некоторой упругостью для смягчения динамических сил, возникающих при движении вагона. За состоянием колёсных пар установлено особо тщательное наблюдение на ремонтных предприятиях вагонного хозяйства (заводы, депо) и в эксплуатации.

Любая колёсная пара как сборочная единица теоретически состоит как минимум из трёх деталей: двух колёс и оси. Фактически в реале это сложно-составное колесо, имеющее как минимум бандаж. Другой конструктивной особенностью колёсной пары является то, что она зачастую соединяется с тележкой рельсового подвижного состава через наружные буксы, так как только при такой схеме контроль износа подшипников и их замена относительно просты и доступны.

Вагонные колёсные пары

Для поддержания профиля железнодорожных колёс, обеспечивающих нормальное движение, применяется обточка колёс, а в случае бандажных колёс – и смена бандажей.

Основной геометрический параметр колёсной пары – это расстояние между внутренними гранями колёс колёсной пары. Для российских дорог это расстояние равно 1440 мм с допусками ±3 мм (для колеи шириной 1520 и 1524 мм) и 990 мм с допусками ±3 мм (для колеи шириной 1067 мм).

Ввиду высоких требований по прочности и надёжности, предъявляемых к колёсным парам, разработаны и существуют правила формирования и ремонта колёсных пар, строго нормирующие весь технологический процесс: токарную и фрезерную обработку заготовок (например, класс чистоты обработанной поверхности), температурные режимы при формировании колёсных пар, допуски, посадки и т. д.

Колёсная пара вагонной тележки воспринимает нагрузку от вагона и служит для направления движения вагона по рельсам. Колёсная пара состоит из цельнокатаных колёс, напрессованных на ось. На наружные концы оси через буксы и рессоры опирается рама тележки.

Цельнокатаное вагонное колесо состоит из ступицы, диска и обода. У обода, обращённого внутрь колеи, имеется выступ, называемый гребнем или ребордой. Гребень предохраняет колёсную пару от выхода из пределов колеи.

Некоторые типы вагонов используют дисковые тормоза + магниторельсовый тормоз. Колёсные пары таких вагонов оборудованы тормозными дисками. На ось между колёсами напрессовываются два (четыре поверхности трения) или три (шесть поверхностей трения) тормозных диска.

В 1868–1878 годах в российском вагоностроении существовали определённые проблемы с обеспечением качественными материалами. В связи с этим появились вагонные колёсные пары с деревянными сплошными центрами системы Манзеля и стальными бандажами. При условии добросовестного изготовления из качественного твёрдого дерева (дуб, тик) и после проварки в масле колёсные пары с центрами системы Манзеля служили долго, имели мягкий бесшумный ход, меньший износ бандажей. В этот период все вагоностроительные заводы в Москве выпускали товарные вагоны с колёсами системы Манзеля, также часть пассажирских вагонов имели такие колёсные пары. Впоследствии эти колёса были переформированы и получили железные и чугунные центры.

Ведущие (локомотивные) колёсные пары с шестернями в ремонтной мастерской

Локомотивная колёсная пара, должна обеспечивать реализацию силы тяги локомотива. Для этого колёсная пара локомотивов (кроме паровоза) имеет зубчатое колесо, через которое передаётся крутящий момент от тягового электродвигателя или гидропередачи. На паровозах с внешней стороны колёсной пары выполнялись кривошипные буксы, с помощью которых ведущие колёсные пары соединялись между собой и с крейцкопфами цилиндров паровой машины специальными тягами. Встречались паровозы и с коленчатой осью колёсной пары. Такая схема применялась в случае одноцилиндровой (на узкоколейных паровозах) и трёхцилиндровой паровой машины.

Колёсные пары локомотивов, как правило, выполняются с бандажом. При износе профиля колеса по кругу катания и по выкружке гребня производится обточка колеса в большинстве случаев на специальном токарном или токарно-фрезерном станке без снятия колёсной пары с локомотива. Рельсы под колёсной парой опускаются, а в смотровой яме находится специальный токарный станок. Колёсная пара получает вращение от тягового электродвигателя тепловоза или электровоза. После проведения нескольких обточек (от 3 до 5) бандаж колеса достигает минимальной величины, нормируемой по условиям прочности. Бандаж срезается и заменяется новым. Тем самым продлевается срок службы колёсной пары.

На моторвагонном подвижном составе (электросекции, электропоезда, дизель-поезда, автомотрисы) колёсные пары прицепных вагонов имеют необмоторенные оси – по конструкции они аналогичны вагонной колёсной паре; обмоторенные оси имеют колёсные пары, аналогичные по конструкции локомотивным.

Некоторые типы вагонов используют дисковые тормоза. Колёсные пары таких вагонов оборудованы тормозными дисками. У обмоторенных колёсных пар тормозные диски не напрессовываются на ось между колёсами (поскольку место между колёсами, как правило, занимает двигатель или другие части ходовой системы), диски прикрепляются болтами на колёса с внешней и внутренней сторон (таким образом получается четыре тормозные поверхности). У необмоторенных пар тормозные диски напрессовываются на ось, как на колёсных парах несамоходных вагонов.

Колёсная пара специального самоходного подвижного состава. Различают ведущие и бегунковые колёсные пары. Ведущие по конструкции подобны локомотивным, бегунковые – вагонным. Отличаются от них размерами и конструкцией осевых редукторов.

На старых типах трамваев применялись колёсные пары с жёсткими колёсами, наружными буксами и опорно-осевым подвешиванием тягового двигателя. Конструкция таких колёсных пар аналогична локомотивным, но размер их меньше. На современных трамвайных вагонах применяют колёсные пары с подрезиненными колёсами и внутренними буксами.

В двухрельсовой схеме организации путей фуникулёров для пропуска вагонов на разъезде применяется стрелочный перевод Абта с использованием в вагонах колёсных пар особой конструкции, где одно из колёс имеет реборды с двух сторон – внутренней и внешней, а на другом колесе реборды нет совсем, но оно имеет большую ширину для облегчения его прохождения между разрывами рельс.

Колесо автомобиля

На автомобилях применяются следующие виды колёс: дисковые колёса, колёса с разборным ободом, составные колёса.

В состав автомобильного колеса входит диск, обод, покрышка, иногда камера, болты крепления и т. д.

В общепринятой в автомобилестроении терминологии колесом называется только узел, расположенный между ступицей и шиной, – состоящий, в свою очередь, из обода, на который сажается шина, и диска или спиц, служащих для соединения обода со ступицей.

Несмотря на это в быту автолюбители очень часто называют колесо в этом значении «колёсным диском» («литые диски», «легкосплавные диски» и так далее).

Колёса первых автомобилей по сути не отличались от колёс конных экипажей и были сделаны из дерева. Впоследствии появились колёса с металлическим ободом и деревянными спицами, а также с металлическими проволочными спицами, как у мотоциклетных. Шины изначально имели вид сплошных резиновых лент, впоследствии, по мере роста скоростей, их сменили пневматические шины, высота профиля которых вплоть до 1960-х годов постоянно увеличивалась, повышая комфортабельность езды и грузоподъёмность автомобиля. На грузовиках резиновые ленты можно было встретить ещё в 1920-х годах, а на военных автомобилях и сегодня могут применяться сплошные шины – гусматики, впервые разработанные для бронеавтомобилей времён Первой мировой войны.

Начиная с 1920-х годов спицованные колёса стали постепенно заменять на колёса со штампованными металлическими дисками, более простыми и дешёвыми в производстве. Уже в середине следующего десятилетия они стали стандартом де-факто, но кое-где, например в США, «спицовка» продолжала сохранять определённую популярность у покупателей дорогих автомобилей вплоть до 1950—1960-х годов в качестве дополнительного оборудования или даже заводской опции (в отдельных случаях и в 1980—1990-е годы; например, заводские спицованные диски предлагались на Cadillac Deville Brougham до 1996 года). Сегодня она ассоциируется в первую очередь с классическими автомобилями.

Спицованное колесо старого автомобиля

В 1960-х годах появились в качестве спортивной опции колёса, целиком или частично отлитые из лёгкого сплава, алюминиевого или магниевого. Сегодня ими снабжается едва ли не большинство автомобилей.

Износ покрышек автомобилей является почти решённой проблемой (при правильно установленных углах колёс).

Нерешённой проблемой является износ покрышек у колёс самолётов; при соприкосновении неподвижного колеса с бетонным покрытием взлётной полосы на высокой скорости в износ покрышек огромен.

Колёса автомобиля делятся на три категории в зависимости от выполняемой ими функции: ведущие, управляемые, поддерживающие. На ведущие колёса подаётся вращение, и благодаря контакту с дорогой они заставляют автомобиль двигаться. Но в процессе передвижения автомобилю необходимо изменять направление движения, маневрировать, и за это отвечают управляемые колёса.

Грузовые автомобили предназначены для транспортировки грузов, и для снижения нагрузки на ведущие и управляемые колёса в конструкцию ходовой части добавлены поддерживающие. Они не приводят в движение машину, не участвуют в обеспечении маневрирования, их задача – принятие части нагрузки «на себя».

В легковых автомобилях используются 4 колеса, в грузовиках же их количество может достигать и 12, а в спецтехнике – до 24.

Что касается легкового транспорта, то у них используемые виды колёс автомобиля могут делиться как по назначению, так и быть совмещенными. К примеру, в заднеприводных моделях колеса, установленные на задней оси, – ведущие, а на передней – управляемые. А вот в переднеприводных версиях – колеса передней оси являются одновременно и ведущими, и управляемыми, задние же выполняют лишь поддерживающую функцию.

Конструкция этих составляющих ходовой части включает в себя два компонента – диск и шину. Но, несмотря на это, устройство колеса автомобиля – достаточно сложное.

Колёсный диск выступает в качестве посадочной основы для шины и одновременно обеспечивает крепление колеса к ходовой части. На эту составляющую воздействуют значительные нагрузки во время движения, поскольку они первые принимают на себя колебания от неровностей дороги и передают их на подвеску.

Колёсный диск состоит из двух элементов – самого диска и обода. Выпускается четыре вида автомобильных дисков – стальные сварные (штампованные), цельнолитые (легкосплавные, кованные), комбинированные и композитные. В первом виде диск и обод – два разных элемента, соединённых между собой при помощи сварки. В литых дисках его составляющие – единая неразъёмная конструкция.

Третий тип – это так называемые комбинированные или разборные диски, бывают двух- или трёхсоставными. Являются лучшими дисками по всем характеристикам, поскольку центральная секция обычно выполняется литой и, соответственно, можно получить любой дизайн, а обод выполняется методом штамповки. Четвертый и самый редкий тип – композитные, стоимость их просто запредельная из-за сложной технологии производства, и поэтому увидеть их можно только на спорткарах.

Диск – элемент, обеспечивающий крепление колеса. Для этого в нём по центру проделано посадочное отверстие, по окружности которого расположены крепежные отверстия. Количество крепежных отверстий на легковых авто варьируется от 3 до 5, на грузовых же их обычно 6–8. Фиксация диска на ступице осуществляется либо болтами, либо шпильками с гайками.

Стальные литые диски

Обод предназначен для установки шины. Он обладает сложным поперечным профилем, который необходим для правильной и надёжной посадки ската. Если рассматривать обод в профиль, то он имеет ступенчатую форму.

Центр обода представлен в виде утопленной площадки, к которой примыкает диск. С обеих сторон от центра сделаны ступеньки, которые сформированы кольцевым выступом (хампом), полкой и бортом.

Зимние шины

Хамп предназначен для фиксации шины в ободе и предотвращает её уход к центру обода. Полка выступает в качестве посадочной площадки для борта ската. Борт обода удерживает шину на полке и не даёт ей «слезть». Это самый распространённый тип диска. Но на грузовых автомобилях и спецтехнике можно встретить иные виды дисков: с фиксирующим кольцом и разборные (диск состоит из двух половин, стягивающихся болтовым соединением).

Шина – вторая составляющая колеса. Она также обладает достаточно сложной конструкцией, поскольку в её задачу входит обеспечение сцепления с дорожным полотном, принятие и гашение колебаний от мелких неровностей, удержание веса. Для выполнения своих функций шина должна быть прочной, но при этом и эластичной. Отметим, что шина является своего рода оболочкой, которая заполняется наполнителем – воздухом или специальными газами.

Шина состоит из эластичного радиального каркаса, задающего форму изделию, на который последовательно нанесены резиновая прослойка, брекер (силовой металлический корд), бандаж из нитей (капроновый корд) и протектор. По внутренней окружности радиальный каркас формирует посадочный борт шины, в который для жёсткости установлено проволочное кольцо.

Видимыми элементами шины являются протектор, выступающий в качестве основной рабочей поверхности (он контактирует с дорожным полотном) и боковины. Переход между этими элементами получил название «плечо».

Для обеспечения сцепления с дорогой протектор обладает сложным узором, который формируется ребрами, блоками с канавками и ламелями.

Велосипедное колесо

Это часть велосипеда, состоящая в общем случае из втулки, спиц, обода, камеры и покрышки.

Современный велосипед имеет два колеса, как правило, одинакового диаметра: рулевое переднее колесо и ведущее заднее колесо, связанное с педалями передачей.

Детские и специализированные велосипеды могут иметь колёса разного диаметра. На детских двухколёсных велосипедах можно устанавливать вспомогательные колёса для облегчения обучения езде.

Обод велосипедного колеса – наружная часть колеса в виде круга, которая крепится к ступице колеса (втулке) на натянутых спицах. На обод монтируется велосипедная шина.

Для изготовления колёсных ободьев велосипеда используют алюминиевые сплавы, сталь, углепластик. Во многих ободьях, предназначенных для езды по пересечённой местности, для придания колесу большей жёсткости внутри обода коробчатого сечения добавляется дополнительное ребро жёсткости. Такие ободья называются двойными.

Обод крепится к ступице колеса (втулке) на натянутых спицах, число которых может быть от 12 до 48.