Ζάντες

321 [[toc]]
Εικόνες από ζάντες
Εργασία Πολυτεχνείου Πάτρας


Η Ιστορία του τροχου , 4Τ 129 (6/1981)

Νέα υλικά κατασκευής

Ήδη, εδώ και αρκετό καιρό είναι γνωστό ότι ο μύθος «οι Βαριές ζάντες είναι και οι καλύτερες» έχει καταρριφτεί. Έτσι έχει παρατηρηθεί ότι οι κατασκευαστές τείνουν να μειώσουν το βάρος της ζάντας που σχεδιάζουν, και για το σκοπό αυτό άφησαν τις ατσάλινες ζάντες (αν και το 75% των αυτοκινήτων που πουλιούνται εξακολουθούν να είναι εφοδιασμένα με στάνταρ ατσάλινες ζάντες) και στράφηκαν σε άλλα υλικά, που να συνδυάζουν την ιδια εύκολία κατασκευής και την ίδια αντοχή με το ατσάλι, το ίδιο, ή ελαφρά μεγαλύτερο κόστος και φυσικά, μικρότερο βάρος. Έτσι σήμερα σαν υλικά κατασκευής χρησιμοποιούνται αλουμίνιο, μαγνήσιο (που είναι αρκετά ακριβότερο) και τιτάνιο, (μέταλλο που χρησιμοποιείται κατα κόρον στην αεροναυπηγική, αλλά και στην κατασκευή, «εξωτικών» κινητήρων), ειδικοί «αφροί» για το εσωτερικό «γέμισμα» της ζάντας καθώς και πλαστικές ινες ειδικά ενισχυμένες. Με όλα αυτά τα υλικά στη διάθεσή τους οι κατασκευαστές είναι λογικό ν' αντιμετωπίζουν δυσκολίες στην εκλογή του υλικού κατασκευής της ζάντας. Προβλέπεται ότι μέσα στα προσεχή δέκα χρόνια οι κατασκευαστές θα δραστηριοποιηθούν ακόμα περισσότερο και θα επιβάλουν κάποιες προδιαγραφές στα υλικά κατασκευής απ' αυτές που ήδη υπάρχουν. Κάτι ανάλογο είχε γίνει και στη δεκαετία του '20.
Ας εξετάσουμε όμως καθένα απ’ τα σημερινά υλικά ξεχωριστά.

Ατσάλι

Οι παραδοσιακές ζάντες κατασκευαζονται από «μαλακούς» χάλυβες. Οι χάλυβες αυτοί οφείλουν την αντοχή τους στην προσεκτική σχεδίαση της ζάντας καθώς και σε διεργασίες σκλήρυνσης που υφίστανται κατά την παραγωγή τους. Υπολογίζεται ότι οι ατσάλινες ζάντες όμως υφίστανται κατά την κατασκευή τους ένα 80-90% της συνολικής θεωρητικά υπολογισμένης επεξεργασίας σκληρυνσης. Οι διαδικασίες βαφής σε φούρνο επηρεάζουν επίσης την τελική αντοχή του ατσαλιού μιας ζάντας Οι ατσάλινες ζάντες κατασκευάζονται είτε σαν χυτές είτε σαν πρεσαριστές- το spider μπαίνει πρεσαριστό στη στεφάνη αφου η τελευταία θερμανθεί ώστε να διασταλεί κατόπιν γίνεται το κόλλημα ή σε όλη την επιφάνεια επαφής ή σε ορισμένα της σημεία. Η καλή εφαρμογή στεφάνης spider είναι και το πιο κρίσιμο σημείο της όλης κατασκευής. Υπάρχουν και ατσάλινες ζάντες από στυλιζαρισμένο μέταλλο, που έχουν γίνει πολύ δημοφιλείς για το σχήμα τους, αν και είναι βαρύτερες από τις άλλες (σχ. 2).

129-sx1.jpg
Σχ. 1: Λάστιχο με ελλειπτικό προφίλ (με γκρίζο περίγραμμα) απαιτεί ζάντα με σχετικά αβαθή χείλη. Για τη σύγκρισή της με συμβατική ζάντα και λάστιχο, αυτά έχουν σχεδιαστεί με μαύρο περίγραμμα.
129-sx2.jpg
Σχ. 2: Σύνθετος τροχός βαρύτερος απ’ τον αντίστοιχο χαλύβδινο έχει τμήματα ουρεθάνης προσαρμοσμένα σε χαλύβδινο «σκελετό».

Οι χάλυβες υψηλής αντοχής παρουσιάζουν πολλές υποσχέσεις, ιδιαίτερα σε συνδυασμό με πλαστικά υλικά (ουρεθάνη κλπ), αν μάλιστα λάβουμε υπόψη μας ότι έχουν εύκολη και καλή συναρμογή Spider στεφάνης. Οι τροχοί αυτοί, με αύξηση του κόστους σχετικά μικρή (γύρω στο 20 %) είναι δυνατό να κατασκευαστούν με 25% μικρότερο βάρος.

Αλουμίνιο

Ζάντες από σφυρήλατο ή χυτο αλουμίνιο έχουν παρουσιαστεί εδώ και αρκετό καιρό στην αγορά, συνδυάζοντας όμορφη εμφάνιση (σχ. 3) και μικρότερο βάρος. Το αλουμίνιο άρχισε να βρίσκει εφαρμογή σαν υλικό κατασκευής σε τροχούς φορτηγών μετά το 2ο παγκόσμιο Πόλεμο, όποτε αυξήθηκε και η παραγωγή του. Σήμερα υπολογίζεται ότι η αυτοκινητοβιομηχανία χρησιμοποιεί πιο πολύ αλουμίνιο απ' ότι η αντίστοιχη βιομηχανία κατασκευής αεροσκαφών. Το σφυρήλατο αλουμίνιο δίνει ζάντες ελαφρά πιο ανθεκτικές απ’ ό,τι το χυτό αν και το τελευταίο φτιάχνει πιο εμφανίσιμες ζάντες. Η μεγαλύτερη ανθεκτικότητα οφείλεται ακριβώς στη διεργασία σφυρηλάτησης. Πολλές φορές όμως, οι ζάντες απο χυτό αλουμίνιο, αν και πιο όμορφες, δεν παρουσιάζουν μικρότερο βάρος απ' τις αντίστοιχες χαλύβδινες, ενώ οι από σφυρήλατο αλουμίνιο είναι έστω και λιγο, ελαφρότερες. Και οι δύο τύποι αλουμινένιων τροχών παρουσιάζουν σημαντικά αυξημένο κόστος απέναντι στους χαλύβδινους. Πολλές φορές η σχέση κόστους τους είναι 5 προς 1!

129-sx3.jpg
Σχ. 3: Τροχός από σφυρήλατο αλουμίνιο.
129-sx4.jpg
Σχήμα 4: Τροχός από χυτό αλουμίνιο. Είναι κατά 30% ελαφρύτερος απ’ τον αντίστοιχο χαλύβδινο.

Οι τροχοί από στιλβωμένο αλουμίνιο (σχ 4) έχουν, σχετικά με την κατασκευή τους νέες δυνατότητες επεξεργασίας. Αν συγκριθούν με τους χαλύβδινους τροχούς έχουν κατά 30% μικρότερο βάρος. Σύγκριση στο κόστος δεν είναι ακόμη δυνατό να γίνει γιατί εξαρτάται από το βαθμό επεξεργασίας της μορφής κάθε ζάντας (στυλιζάρισμα) και, φυσικά την εμφανισή της. Οπωσδήποτε, όποια ποιότητα αλουμινίου κι αν διαλέξουμε για τις ζάντες μας, πρέπει να έχουμε υπ’ όψη ότι θα στοιχίζουν αρκετά περισσότερο απ’ τις χαλύβδινες. Δεν θα πρέπει όμως να παραβλέψουμε το γεγονός ότι και το αναρτώμενο βάρος (= βάρος ζαντών + ελαστικών) και το συνολικό βάρος του αυτοκινήτου μας θα μειωθούν κατά 25 περίπου κιλά, που οπωσδήποτε μεταφράζονται σε οικονομία καυσίμων, μικρότερες φθορές στο αυτοκίνητο και, κατα ενα τρόπο, μεγαλύτερη ασφάλεια (κράτημα, ξεκούραση ανάρτηση, φρένα.)
Ευλόγα προβάλλει το ερώτημα: «γιατί δεν αλλάζουμε όλοι τις ζάντες μας με αλουμινένιες, αφού, σε τελική ανάλυση, θα έχουμε οικονομία;». Το κύριο μειονέκτημα του αλουμινίου είναι η τάση κόπωσης που παρουσιάζει. Έτσι, ενώ στις χαλύβδινες ζάντες η αντοχή του χάλυβα μειώνεται, προς το τέλος της ζωής τους στο 50% της αρχικής της τιμής, για το ίδιο χρονικό διάστημα η τιμη πέφτει στο 30% της αρχικής για το αλουμίνιο. Οι αλουμινένιες ζάντες παρουσιάζουν μια αρκετά μεγάλη ευαισθησία στη χάραξη (γρατσουνίζονται εύκολα), πράγμα που δεν παρουσιάζουν οι χαλύβδινες ζάντες. Οι πρώτοι τροχοί που κατασκευάστηκαν απο αλουμίνιο υπέφεραν ιδιαίτερα απ’ αυτό, με τα νέα κράματα όμως που χρησιμοποιούνται σήμερα το πρόβλημα έχει κάπως αμβλυνθεί. Παρόλ' αυτά, όλοι αυτοί οι παραγοντες οδηγούν τους κατασκευαστές στο να κάνουν πιο συντηρητικές σχεδιάσεις.
Όλες σχεδόν οι αλουμινένιες ζάντες κυκλοφορούν σήμερα με προστατευτικό επίστρωμα, που συμβάλλει επίσης και στην ομορφότερη εμφάνισή τους. Η εταιρία Alcoa, π.χ. έχει κατασκευάσει ένα προστατευτικό που περιορίζει την οξείδωση στο ελάχιστο. Η Kelsey-Hayes έχει επίσης κυκλοφορήσει ζάντες με ειδικό προστατευτικό επίστρωμα.

Ενισχυμένο ινώδες πλαστικό (fiber - reinforced plastic, FRP)

Οι τροχοί από FRP πρωτοεμφανίστηκαν σε ελικόπτερα που μεταφέρονται από πολεμικά πλοία. Η εφαρμογή αυτή βέβαια, σήμαινε ότι οι τροχοί αυτοί υφίστανται μόνο στατικές παραμορφώσεις. Σήμερα, αρκετές εταιρίες (Ντανλοπ, Μισλέν κ.ά.) ερευνούν τις δυνατότητες και την αξιοπιστία ινωδών υλικών απο γυαλί / πολυεστέρα και γυαλί / εποξικες ρητίνες, που θα είναι κατάλληλα για την κατασκευή τροχών επιβατικών αυτοκινήτων. Ήδη απ’ το 1971 η Σιτροέν SM είχε σαν έξτρα τις ζάντες του σχ. 5, κατασκευασμένες από γυαλί/ εποξική ρητίνη. Οι ζάντες ήταν κατασκευασμένες απ’ τη Μισλέν από 60- 70% ίνες γυαλιού με συνδετικό υλικό εποξική ρητίνη με μεταλλικές ενισχύσεις γύρω απ’ τις οπές των μπουλονιών στήριξης. Όπως όλοι ξέρουμε, η SM ήταν αυτοκίνητο με μπροστινή κίνηση και υψηλές επιδόσεις: οι τροχοί της είχαν μεγάλο θετικό όφσετ, τυπικό για προσθοκίνητο αυτοκίνητο. Κάθε ζάντα ζύγιζε περίπου 4 κιλά, ενώ η χαλύβδινη που εφοδίαζε στάνταρ το αυτοκίνητο ζύγιζε 9 κιλά. Αν και ήταν κάπως πρόωρη η εμφάνιση αυτών των τροχών η SΜ τερμάτισε στο ράλλυ Μαρόκου με τροχούς FRP.
Αν και πιο κάτω θ' ασχοληθούμε πιο αναλυτικά με το FRP, για να δώσουμε μια ιδέα της εξοικονόμησης βάρους που προσφέρει ας δούμε τα 3 είδη ζαντών που εφοδιάζουν τη Σεβρολέτ Κορβέτ: Το ατσάλι, απ’ το όποιο κατασκευάζεται η πρώτη ζάντα (σχ. 6) ζυγίζει 11 κιλά, η αλουμινένια ζάντα περίπου 7,5 κιλά, η ζάντα από FRP κάτι λιγότερο από 7 κιλά. Το κόστος του FRP λέγεται ότι θα είναι παραπλήσιο μ' αυτό του χυτού αλουμινίου.

129-sx5.jpg
Σχήμα 5: Η «έξτρα» ζάντα της Citroen SM του 1971 από FRP, (από εποξικές ρητίνες και ίνες γυαλιού) ζύγιζε 4kg έναντι των 8kg της χαλύβδινης.
129-sx6.jpg
Σχήμα 6: Η δυνατότητα επιλογής του αγοραστή της Κορβέτ. Από πανω προς τα κάτω: Χυτό αλουμίνιο (7,5kg), FRP (7kg), χάλυβας (11kg)

Μια απ’ τις εταιρίες που ασχολείται με την αξιολόγηση των νέων συνθετικών υλικών είναι η Φάιρστοουν. Με αντικειμενικό σκοπό την εξοικονόμηση ενέργειας από τη χρήση ελαφρότερων τροχών, η εταιρία εξετάζει δύο δυνατότητες: κατασκευή ζαντών από FRP και κατασκευή ζαντών από μέταλλο και πλαστικό αφρό. Όπως ήδη είπαμε, οι ζάντες από FRP έχουν παρουσιάσει πολλά πλεονεκτήματα απέναντι στις μεταλλικές, ιδίως από την άποψη του βάρους. Χρειάζεται όμως ακόμα πολύ μελέτη και έρευνα για τη βελτίωση της αντίστασης στη συμπίεση, την αντίσταση στην κόπωση, το συντελεστή ελαστικότητας και ιξώδους.
Εναλλακτική λύση στούς τροχούς FRP αποτελούν οι τροχοί που εσωτερικά γεμίζονται με πλαστικό αφρό, αλλά εδώ η έρευνα πρέπει ν' αρχίσει από πιο χαμηλά, γιατί δεν έχουν ακόμα γίνει ικανοί ν' αντέχουν τα φορτία συμπίεσης που δέχονται, παρουσιάζουν δηλ. προβλήματα αντοχής. Ίσως η χρήση θερμοπλαστικών βοηθήσει σημαντικά τον τομέα αυτό. Οποιαδήποτε μείωση του βάρους των τροχών οπωσδήποτε οδηγεί στη μείωση της κατανάλωσης, γιατί μειώνεται η αδράνεια του αυτοκινήτου. Υπάρχει όμως και ένα ακόμη πλεονέκτημα. Το βάρος του αυτοκινήτου δεν μειώνεται σε ακίνητα μέρη, αλλά σε κινούμενα, κι' αυτό μεταφράζεται στο ότι αν το βάρος στούς τροχούς μειωθεί κατά 1 kg, είναι σά να μειώνεται το συνολικό του βάρος κατά 1,2 kg, σε μή κινούμενα τμήματα (σασί, ή αμάξωμα). Αυτό βέβαια είναι και συνάρτηση της σχεδίασης του τροχού. Αριθμητικά, έχουμε το δεδομένο ότι 1% μείωσης του βάρους του αυτοκινήτου σημαίνει 1% μείωση της κατανάλωσης. Μειώνοντας λοιπόν κατά 50% το βάρος των τροχών έχουμε μικρή οικονομία στα καύσιμα, της τάξης του 1 λίτρου ανά 4000 χλμ. (δεδομένα για οδήγηση μέσα στην πόλη).
Οι ερευνητές σήμερα συμφωνούν στο ότι με την συνεχώς αυξανόμενη σημασία που έχει η εξοικονόμηση ενέργειας, κάθε αντικατάσταση σε κάποιο εξάρτημα των αυτοκινήτων πρέπει να έχει «ενεργειακή αποτελεσματικότητα». Έγινε επίσης έρευνα, με στοιχεία από αρκετές πηγές, για να γίνουν συγκρίσεις για την ενέργεια που δαπανάται για την επεξεργασία των πρώτων υλών, απ’ τις οποίες κατασκευάζονται οι διάφοροι τύποι ζαντών. Έτσι ανακάλυψαν ότι αν και οι αλουμινένιες ζάντες και οι κατασκευασμένες από FRP προσφέρουν την ίδια σχεδόν εξοικονόμηση βάρους, χρειάζεται αρκετές φορές περισσότερη ενέργεια για την κατασκευή μιας αλουμινένιας ζάντας.
Υποθέτουμε ότι με χρήση αλουμινένιων ζαντών ή ζαντών FRP, έχουμε εξοικονόμηση ενεργού βάρους 14 kg σ’ ένα αυτοκίνητο που ζυγίζει 1400 kg με ατσάλινες ζάντες, και έχει ονομαστική κατανάλωση 1 λίτρο/11 km. Με βάση αυτά τα δεδομένα έγινε μια ενεργειακής βάσης μελέτη με τα παρακάτω αποτελέσματα:

  • Οι ζάντες από FRP πρέπει να κάνουν 40- 55.000 km για να επιτύχουν «εξόφληση» της ενέργειας που καταναλώθηκε για την κατασκευή τους (πετυχαίνοντας αντίστοιχη εξοικονόμηση σε καύσιμα στο παραπάνω αυτοκίνητο), αν για την κατασκευή τους έχουν χρησιμοποιηθεί «παρθένα» υλικά.
  • Οι αλουμινένιες ζάντες, που κατασκευάστηκαν επίσης από «παρθένα» υλικά αναμένεται να «εξοφλήσουν» την ενέργεια που δαπανήθηκε για την κατασκευή τους μετά από 800 -1200.000 χιλιόμετρα.
  • Οι αλουμινένιες ζάντες που έχουν κατασκευαστεί μετά από δύο «ανακυκλώσεις» του υλικού τους (μ' άλλα λόγια το υλικό κατασκευής τους δεν είναι «παρθένο», αλλά έχει ξαναχρησιμοποιηθεί) πετυχαίνουν το ίδιο αποτέλεσμα μετά από 230 - 350.000 χιλιόμετρα.

Είναι εύκολο να συμπεράνουμε λοιπόν γιατί η Φάιρστόουν κι άλλες εταιρίες έχουν στρέψει όλες τους τις προσπάθειες και τις έρευνες σε ζάντες κατασκευασμένες από συνθετικά υλικά, όπως FRP και τροχούς από μέταλλο «παραγεμισμένους» με αφρώδες πλαστικό.

Ζάντες με αφρώδες πλαστικό πλήρωσης

Η ζάντα αυτή κατασκευάζεται με τον ακόλουθο τρόπο: ανάμεσα σε δύο λεπτά ατσάλινα «κελύφη» (βλ. σχ. 12) εγκλείεται μια ποσότητα από αφρώδες πλαστικό. Η ζάντα έτσι αποτελείται από 4 βασικά στοιχεία. Τη στεφάνη, τον εξωτερικό ατσάλινο δίσκο του Spider, τον εσωτερικό ατσάλινο δίσκο του Spider και το αφρώδες πλαστικό.

129-sx7.jpg
Σχ. 7: Εγκάρσια τομή του τροχού από αφρώδες πλαστικό. Διακρίνεται το πλαστικό ανάμεσα στούς χαλύβδινους, δίσκους.

Η βασική αρχή αυτής της κατασκευής είναι η αντικατάσταση ενός συμπαγούς κομματιού μετάλλου με μια «ελασματοειδή» κατασκευή, που έχει την ίδια ανθεκτικότητα, αλλά πολύ μικρότερη πυκνότητα, με προφανές αποτέλεσμα τη μείωση του βάρους. Από κατασκευαστική άποψη, η ιδέα αντλήθηκε από άλλα εξαρτήματα που χρησιμοποιούνται στα σημερινά αυτοκίνητα, όπως σε πατώματα, σε επενδύσεις θυρών και, ιδίως, σε προφυλακτήρες (στις ΗΠΑ είχαν κάποτε πάθει αμόκ με τους τελευταίους…). Στους τροχούς όμως το αφρώδες πλαστικό δέν πρέπει μόνο να υφίσταται τα φορτία, αλλά και να τα μεταφέρει. Επειδή οι τροχοί υφίστανται φόρτιση κυκλικά, μέσω του ελαστικού, το αφρώδες πλαστικό «δοκιμάζεται» και πρέπει ν' αντέχει αυτές τις τάσεις, που του προκαλούν κόπωση
Μιά ανάλυση για τα αφρώδη πλαστικά και ταυτόχρονα μια αξιολόγησή τους κατέληξε στην επιλογή ενός εποξικού αφρώδους πλαστικού που τοποθετείται με θερμική διεργασία και ονομάζεται «συντακτικό» αφρώδες πλαστικό. Αποτελείται από μικροσφαιρίδια γυαλιού που περικλείονται σε πλαστική «μήτρα». Εκτός από την συντακτική του αντοχή, το «συντακτικό» αυτό αφρώδες πλαστικό προσφέρει τα πλεονεκτήματα της μικρής πυκνότητας και παρόλο ότι το πλαστικο λέγεται αφρώδες, δεν είναι καθόλου πορώδες! Η στεφάνη δένει με τους — δίσκους με διαδικασία διαστολής στην περιοχή των χειλέων της στεφάνης και οι δίσκοι «κολλούν» με το αφρώδες πλαστικό.
Για να δουλέψει σωστά σαν τροχός, το σύνθετο αυτό κατασκεύασμα πρέπει να παρουσιάζει συνοχή και ομοιογένεια. Πολλή δουλειά έχει δαπανηθεί για την εύρεση του σωστού συγκολλητικού υλικού των ετερογενών εξαρτημάτων του. Έγινε επίσης, χωρίς να κατασκευαστούν κανονικοί τροχοί, αξιολόγηση της συνοχής μεταξύ χάλυβα - αφρώδους πλαστικού. Το τελευταίο αυτό έγινε με βάση την αρχή του εγκλεισμού ενός πυρήνα πλαστικού μεταξύ δύο χαλύβδινων ελασμάτων και την υποβολή του δείγματος σε τάσεις θλίψης - ελκυσμού. Το όφσετ που παρουσιάζουν τα δύο ελάσματα, από κατασκευής, λόγω της ύπαρξης του πάχους του αφρώδους πλαστικού προκαλεί συνδυασμό τάσεων θλίψης - ελκυσμού στο δείγμα στην εσωτερική επιφάνεια σύζευξης με ταυτόχρονο «ξεφλούδισμα» στο τμήμα που εξασφαλίζει τη συνοχή χάλυβα - πλαστικού. Έτσι, βρέθηκε και μια αντιστοιχία μεταξύ της δύναμης που απαιτείται για τη θραύση του στρώματος συγκόλλησης των δύο επιφανειών και της απόδοσης των τροχών, που θα κατασκευαστούν, όταν αυτοί υφίστανται δυναμικές ακτινικές τάσεις κόπωσης. Στις σημερινές σχεδιάσεις, οι δίσκοι (κελύφη) έχουν πάχος 0,76 χιλιοστά, και το ενδιάμεσό τους γεμίζεται με αφρώδες πλαστικό. Το πλαστικό αντικαθιστά το χάλυβα με λόγο παχών περίπου 3:1. Το ειδικό βάρος του πλαστικού είναι 0,83 kg/cm3 έναντι 7,8 kg/cm3 που έχει ο χάλυβας. Ετσι, αν και για να γεμίσει ο χώρος μεταξύ των κελυφών απαιτείται τριπλάσιος όγκος πλαστικού στή θέση του χάλυβα, λόγω του ελάχιστου ειδικού βάρους του πλαστικού έχουμε τελικά μια πανάλαφρη κατασκευή. Οι μικροσφαίρες από γυαλί έχουν διάμετρο 0.76 χιλιοστά με πάχος τοιχώματος 0.015 χιλιοστά και αντέχουν σε πίεση 750 psi. Η χρήση λεπτών ελασμάτων από χάλυβα για τους δύο δίσκους επιτρέπει τη χρησιμοποίηση ενισχύσεων σε περιοχές όπου απαιτείται (π.χ. γύρω απ’ τις οπές των μπουλονιών στήριξης), ενώ ταυτόχρονα υπάρχουν πολλές δυνατότητες για τη διακόσμηση (στυλιζάρισμα) της ζάντας.
Το κυριότερο μειονέκτημα της όλης κατασκευής είναι η μικρή τάση θραύσης στην όποια αντέχουν τα γυάλινα μικροσφαιρίδια, πράγμα που δυσχαιρένει και τη διαδικασία έγχυσης του αφρώδους πλαστικού, γιατί μέχρι τώρα η πίεση που χρησιμοποιούσαν για παρόμοιες εγχύσεις ήταν 1000 psi, ενώ όπως είδαμε, τα μικροσφαιρίδια άντέχουν σε 750 psi. Έτσι, αναγκαστηκά μειώθηκε και η πίεση έγχυσης. Κατασκευάστηκαν και γυάλινες φυσαλίδες που αντέχουν μέχρι και σε 2000 psi αλλά επειδή έχουν αρκετά παχύτερα τοιχώματα δεν προσφέρουν την επιθυμητή μείωση βάρους στην όλη κατασκευή.
Σήμερα η διαδικασία κατασκευής ενόςτέτοιου τροχού είναι η ακόλουθη: το αφρώδες πλαστικό τοποθετείται ανάμεσα στα κελύφη (δίσκους), συμπιέζεται για να καλυφθούν τα τυχόν κενά απ’ την έγχυσή του, και αφήνεται για συγκόλληση στούς 149ο C επί 15 λεπτά. Είναι επίσης απαραίτητη μια προθέρμανση για τη σωστή τελική τοποθέτηση του υλικού, από την άποψη της δομικής του σταθερότητας.
Οι τροχοί με αφρώδες πλαστικό έχουν τα εξής πλεονεκτήματα:

  • Μικρό βάρος: Επειδή ο αφρός αντικαθιστώντας το χάλυβα έχει πυκνότητα 10 φορές μικρότερη, είναι δυνατή η κατασκευή τροχού με το μισό βάρος ενός αντίστοιχου από καθαρό χάλυβα, ικανού να αντέξει στα ίδια φορτία (βλ. Πίνακα 1).
  • Ευκαμψία στο στυλιζάρισμα με πολλές δυνατότητες: Κάτι που ήδη αναφέραμε. Οι χαλύβδινες ζάντες περιορίζουν την αισθητική τους, γιατί ανεβαίνει το κόστος τους, αφού χρειάζονται 7 διαδικασίες χυσίματος του χάλυβα για να κατασκευαστεί «διακοσμημένη» ζάντα, ενώ μόνο 3 για μια «απλή». Με τη χρήση όμως των πολύ λεπτών κελυφών (δίσκων) το στυλιζάρισμα γίνεται ταυτόχρονα με το χύσιμό τους.
  • Αντοχή σε οξειδώσεις. Επειδή τα κελύφη είναι λεπτά, είναι δυνατό να κατασκευάζονται από ανοξείδωτο χάλυβα χωρίς μεγάλη αύξηση του κόστους. Έτσι, η ζάντα δεν υποφέρει από οξειδώσεις, έχει λαμπερή επιφάνεια που μπορεί να γυαλιστεί (βλ. φωτογραφία) και να στιλβωθεί.
  • Βελτιωμένος έλεγχος των διαστάσεων, βελτιωμένο κεντράρισμα. Λόγω του τρόπου κατασκευής υπάρχει η δυνατότητα ακριβούς ελέγχου των διαστάσεων, ενώ η συνολική εκκεντρότητα δεν ξεπερνά τα 0.25 χιλιοστά.
  • Βελτιωμένη ζυγοστάθμιση: Επειδή δεν υπάρχουν συγκολλήσεις και ο τροχός είναι εξολοκλήρου πρεσαριστός, επιτυγχάνονται εξαιρετικά χαρακτηριστικά ζυγοστάθμισης.

Εξέλιξη

Το πρόγραμμα εξέλιξης των τροχών που περιγράψαμε επεξεργάζεται εδώ και δυόμισι χρόνια απ’ την Φάιρστόουν κι έχει περάσει από 4 φάσεις.

Στη φάση I, ο τροχός - δείγμα χρησιμοποιούσε αφρώδες πλαστικό στην περιοχή της στεφάνης, αλλά είχε συμπαγή ατσάλινο δίσκο (βλ. φωτ. 8). Σκοπός της κατασκευής αυτής ήταν, σαν αρχικό στάδιο της μελέτης, η διαπίστωση του αν το δείγμα θα μπορούσε να εργαστεί σαν τροχός. Ο συμπαγής ατσάλινος δίσκος χρησίμευε για την προστασία του κέντρου του τροχού και των οπών εισόδου των μπουλονιών από θραύση. Δοκιμές με βάση τις προδιαγραφές SAE j328α έδειξαν ότι η κατασκευή ήταν πολύ ανθεκτική κι ότι ο τροχός άξιζε να μελετηθεί περισσότερο.

129-sx8.jpg
Σχ. 8: Τροχός αφρώδους πλαστικού της Φάσης (πρόγραμμα εξέλιξης).

Στη φάση II χρησιμοποιήθηκε δείγμα που χρησιμοποιούσε αφρώδες πλαστικό και στη στεφάνη και στο κέντρο. Διατομή αυτού του τροχού φαίνεται στο σχ. 9. Είχε διαστάσεις 13X4, 1/2 με όφσετ μηδέν και χάλυβα μόνο γύρω από την περιοχή στήριξης, για να μη σπάσει ο αφρός απ’ τις οπές, όταν τα μπουλόνια θα σφίγγονταν με την απαιτούμενη ροπή σύσφιξης. Ο τροχός είχε 3,2 χιλιοστά αφρού στη στεφάνη και ζύγιζε 4,4 kg. Στις πρώτες δοκιμές εμφανίστηκαν σπασίματα γύρω από την οπή της βαλβίδας, που αντιμετωπίσθηκαν με την τοποθέτηση ενισχύσεων γύρω της, αφού πρώτα η οπή έγινε κωνική.
Έγιναν επίσης δοκιμές σε τάσεις θλίψης, με μεγαλύτερα φορτία από πλευράς ελαστικών, που είχαν σαν αποτέλεσμα τη θραύση του κέντρου του κελύφους της στεφάνης. Οι τροχοί κατασκευάστηκαν κατόπιν με πάχος αφού 6,4 χιλιοστά (κατά την πλευρική διεύθυνση) και συνολικά ζύγιζαν 5,7kg. Οι παχύτεροι τροχοί πέρασαν τις δοκιμές κι έτσι διαπιστώθηκε ότι ο αφρός και ο χάλυβας είχαν ανάλογη σχέση στο ότι η αντοχή του τροχού μπορεί ν' αυξηθεί αν αυξηθεί το πάχος κάποιου απ’ τα δύο υλικά. Έγιναν επίσης τροποποιήσεις στην περιοχή στήριξης του τροχού, ώστε οι παραγόμενες τάσεις να συγκεντρωθούν μεταξύ της επιφάνειας στήριξης και του αφρώδους πλαστικού. Σ' αυτές περιλαμβανόταν ένα «παρέμβυσμα» από υλικό με παρόμοιες ιδιότητες με το αφρώδες πλαστικό, ώστε να υπάρξει κάποια σταδιακή μετάβαση μεταξύ αφρού - χάλυβα.

129-sx9.jpg
Σχ. 9: Εγκάρσια τομή του τροχού 14X655, φάση III, με εμφανή τα κενά στο αφρώδες πλαστικό, που οφείλεται στη μη χρησιμοποίηση πίεσης κατά την πλήρωση του κενού μεταξύ των χαλύβδινων δίσκων με αφρώδες πλαστικό.
129-sx10.jpg
Σχ. 10: Τροχός αφρώδους πλαστικού.

Στη φάση III σχεδιάστηκαν τροχοί (σχ. 10) που χρησιμοποιήθηκαν από αυτοκίνητο με δισκόφρενα. Ο τροχός, τύπου 14X6 jj είχε πάχος αφρού 6,4 χιλ. στο δίσκο. Ο δίσκος είχε μια «κορώνα» που επέτρεπε στο δισκόφρενο να έχει κάποιο διάκενο ως προς τον τροχό. Σ' αυτή τη φάση φάνηκε πόσο σημαντική είναι η εξάλειψη των μικροκενών στο αφρώδες υλικό. Ο αρχικός τροχός είχε επιφάνεια επαφής αφρού - χάλυβα μόνο το 70% της συνολικής, και στη δοκιμή φάνηκε ότι η αποκόλληση των υλικών άρχισε από τις περιοχές αυτών ακριβώς των κενών. Με υπερπλήρωση, η επιφάνεια επαφής έφτανε το 90-95% και με εφαρμογή πίεσης το 100%. Καλά αποτελέσματα είχε το τεστ ακτινικής κόπωσης αυτού του τροχού (βλ. Πίν. 2). Στις στροφές όμως, η «κορώνα» του δίσκου δρούσε σαν σημείο κάμψης μεταξύ δίσκου-στεφάνης, και ήταν απαραίτητη η τοποθέτηση ενισχύσεων σ' αυτήν την περιοχή. Το γενικό συμπέρασμα των δοκιμών της φάσης III ήταν ότι για να γίνει μια πετυχημένη κατασκευή, πρέπει να βασιστεί στη συμπεριφορά και τις ιδιότητες του συνόλου του σύνθετου τροχού, κι όχι στα επί μέρους τμήματά του.

Στη φάση IV σχεδιάστηκε μια στυλιζαρισμένη ζάντα (σχ. 10) 14X6 jj για χρήση σε κανονικό μοντέλο παραγωγής, μέσου μεγέθους. Η φάση 4 συνεχίζεται για να διαπιστωθεί η απόδοση αυτής της σχεδίασης που χρησιμοποιεί κωνικά παξιμάδια (με γωνία 60°) για τη στήριξη του τροχού, αντί για τα κοινά κυλινδρικά μπουκάλια με ροδέλες.

Δοκιμές

Η καινούρια κατασκευή υπέστη μια ποικιλία από δοκιμές. Μια απ’ αυτές ήταν και το τέστ διατρητικής αντοχής, όπου διαπιστώθηκε ότι το υλικό δεν είχε ίδια συμπεριφορά σ' όλες τις θερμοκρασίες. Σε -40° C η διατρητική αντοχή σαν όριο θραύσης δεν επηρεάστηκε σημαντικά, αλλά υπήρχε κάποια απώλεια επιμήκυνσης που μπορούσε να οδηγήσει σε πολλά προβλήματα- ιδιαίτερα σε συνθήκες χαμηλής θερμοκρασίας ο τροχός ήταν δυνατό να χάσει την αντοχή του. σε κανονικές και ψηλές θερμοκρασίες το αφρώδες πλαστικό δεν επηρεάστηκε σχεδόν καθόλου, εκτός αν υπήρχε συνδυασμός μεγάλης θερμοκρασίας και υψηλού ποσοστού σχετικής υγρασίας. Π.χ. στούς 35° C και 95% σχετική υγρασία, υπήρχε κάποια απώλεια διατρητικής αντοχής, αλλά το όριο θραύσης παρέμεινε το ίδιο. οι δοκιμές αυτές έδειξαν ότι οι τροχοί από αφρώδες πλαστικό χρειάζονται προστασία από τις συνθήκες του περιβάλλοντος με στεγανοποιητικές διατάξεις (τσιμούχες κλπ).
Οι δοκιμές αντοχής στη διάρρηξη ήταν σε καλό σημείο, αλλά όχι στο επιθυμητό. Έτσι, ο τροχός άντεξε σε φούσκωμα μέχρι 2000 psi πριν σκάσει το λάστιχο. Στη δοκιμή αυτή η παρακολούθηση της ζάντας έδειξε ρωγμές στο αφρώδες υλικό. H ρωγμάτωση άρχισε στα 140 psi περίπου. Η περιοχή των χειλέων της στεφάνης μπορεί να ενισχυθεί με πρόσθεση αφρού ή χάλυβα.

Πίνακας 1: Συγκριτικό βάρος ζαντών 14X6 JJ
Υλικό Όνομ. βάρος (kg) Βάρος με τη διακόσμηση (kg)
ΟΕΜ-Στάνταρ (χάλυβας) 9,1 9,5-11,3
ΟΕΜ-Στυλιζαρ. χάλυβας 10,7 10,7-12,5
ΟΕΜ-Αλουμίνιο 6,8 6,8
Αλουμίνιο fabricated 5,0 5,4-7,3
Αφρώδες πλαστικό-ανθρακοχάλυβας 5,9 6,4-8,2
Αφρώδες πλαστικό-ανοξ. χάλυβας 5,9 5,9

Ο τρόπος δεν πέρασε το τεστ συμπίεσης SAE J175 (δοκιμή τελεσίδικη το υπό δοκιμή υλικό ή την περνά ή δεν την περνά δεν λαμβάνονται ενδιάμεσες τιμές ούτε διάγραμμα).
Οι δύο τελευταίες δοκιμές φαίνεται ότι αποτελούν τις πιο ευαίσθητες περιοχές έρευνας για τη βελτίωση της απόδοσης της συμπεριφοράς του υλικού. Ίσως τα θερμοπλαστικά υλικά να προσφέρουν σημαντικά πλεονεκτήματα έναντι του συντακτικού αφρού και να βελτιώσουν τα χαρακτηριστικά του τροχού. Τα θερμοπλαστικά είναι πιο «εύκαμπτα» και έτσι ίσως παρεμποδιστεί η θραύση στις δύο δοκιμές. Επίσης είναι λιγότερο ακριβά απ’ τον αφρό, ενώ θα είναι πιο ανθεκτικά στο περιβάλλον ενός δισκοφρένου που χρησιμοποιείται συχνά (ψηλές θερμοκρασίες).

Τροχοί από FRP

Fiber Reinforced Polymer

Η χρήση FRP προσφέρει έναν αριθμό πλεονεκτημάτων, που το κάνει υλικό κατάλληλο για κατασκευή ζαντών. Αυτά είναι: Μειωμένο βάρος, μεγαλύτερη συνοχή, αντίσταση στη διάβρωση και εύκολο σχετικά στυλιζάρισμα της ζάντας. Τα ενισχυμένα πλαστικά σε γενικές γραμμές είναι λιγότερο ανθεκτικά απ’ τα πιο πολλά μέταλλα, π.χ. το μέτρο ελαστικότητας του χάλυβα είναι 30X106psi, ενώ του FRP 1,0 - 2,5x106psi. Είναι επίσης διαμετρικά αντίθετα από την άποψη φυσικών και χημικών ιδιοτήτων. Έτσι, το πρώτο πρόβλημα που δημιουργείται είναι η συμβατότητα των δύο υλικών για την κατασκευή μιας ζάντας.
Οι ερευνητές της Φάιρστοουν έκαναν αξιολόγηση στους τροχούς FRP με διαστάσεις 13X5 και 13X6, κατασκευασμένους από βινυλεστέρα, με περιεκτικότητα 50%, σε ίνες γυαλιού μήκους 2,5 εκατοστών. Οι τροχοί φαίνονται στο σχ. 11, σε διάφορους τύπους διακόσμησης. Όλοι, εκτός απ’ τον μεσαίο, με τις ελλειπτικές οπές εξαερισμού προέρχονται απ’ το ίδιο καλούπι.

129-sx11.jpg
Σχ. 11: Διάφορα στυλιζαρίσματα των ζαντών FRP.

Γενικά το στυλιζάρισμα μιας τέτοιας ζάντας περιορίζεται μόνο από τις κατασκευαστικές απαιτήσεις της.
Πολλές αναλύσεις και θεωρητικές και πειραματικές έγιναν στούς τροχούς από FRP. Μερικά από τα αποτελέσματα τους είναι:

  • Μεγάλες τιμές τάσεων παρατηρήθηκαν γύρω απ’ τις οπές των μπουλονιών, λόγω της ροπής σύσφιξή τους.
  • Οι πλευρικές φορτίσεις (τάσεις) είναι πρωτίστως υπεύθυνες για τις μεγάλες τάσεις στην περιοχή του δίσκου του τροχού
  • Συγκέντρωση τάσεων στο ενδιάμεσο διάστημα των οπών εξαερισμού με μικρή διάμετρο είναι ανεξάρτητη του προσανατολισμού των οπών.
  • Αυξημένες τάσεις παραμόρφωσης στο νοητό κύκλο που περνά απ’ τις οπές των μπουλονιών προέρχονται απ’ τα μπουλόνια κατά εφαπτομενική διεύθυνση λόγω πλευρικής περιστροφικής φόρτισης.
  • Περιοχές μεγάλης παραμόρφωσης που προσδιορίστηκαν απ’ την ειδική επίστρωση ταυτίζονται σε μεγάλο βαθμό με τις περιοχές της πραγματικής περιστροφικής τάσης θραύσης λόγω κόπωσης.
  • Οι παραμορφώσεις στην περιοχή των χειλέων της στεφάνης προσδιορίζονται πρωτίστως από, και αυξάνουν γραμμικά, με την πίεση που έχουν φουσκωθεί τα ελαστικά.
  • Τό μέγιστο των παραμορφώσεων λόγω της πίεσης φουσκώματος των ελαστικών εμφανίζεται στις περιοχές της στεφάνης όπου εδράζεται το ελαστικό
  • Οι περιοχές των μέγιστων τάσεων εφελκυσμού συμπίπτουν με τις περιοχές όπου συμβαίνουν θραύσεις λόγω της πίεσης που επιβάλλουν τα παραφουσκωμένα λάστιχα στη στεφάνη της ζάντας.
  • Οι περιοχές της μέγιστης παραμόρφωσης λόγω ακτινικών φορτίων συμπίπτουν με αυτές των ακτινικών θραύσεων λόγω κόπωσης.

Πρόγραμμα δοκιμών

Πίνακας 2: Αποτελέσματα τέστ για τον στάνταρ 14X6 jj τροχό άφρώδους πλαστικού.
Τύπος δοκιμής Τύπος ζάντας Άποτελέσματα (στροφ.Χ103) Ζημιές
Ακτινική κόπωση Αρχικός τύπος 11-84 Ρωγμές στό χαλύβδινο κέλυφος
Ακτινική κόπωση πάχος στεφάνης 9,5 mm 2900 Ρωγμές στη συγκόλληση
Ακτινική κόπωση πάχος στεφάνης 6,3 mm (μέ πίεση) 8000 Ρωγμές στα χείλη της χαλύβδινης) στεφάνης
Περιστροφική κόπωση Αρχικός τύπος 1 Ρωγμές στο άφρώδες πλαστικό και τις συγκολλήσεις αφρού-χάλυβα
Περιστροφική κόπωση Ενίσχυση στο σημείο στήριξης 10 Ρωγμές στό χαλύβδινο κέλυφος
Περιστροφική κόπωση Τροποποιημένη ενίσχυση στο σημείο στήριξης 83 Ρωγμές στό χαλύβδινο κέλυφος
Πίνακας 3: Τέστ στόν τροχό 13X6 με τις διάφορες τροποποιήσεις
Τύπος Μέση τιμή πίεσης διάρρηξης έλαστ.
(psi)
Ακτινική κόπωση 1824 kg
(Μέση τιμή περιστροφών)
Περιστρ. Κόπωση (1780 Ν.m.)
(Μέση τιμή περιστροφών)
Τέστ (Guillotine)
Στάνταρ 160 850X103 19X103 δεν πέρασε
Χωρίς διακοσμητ. δακτύλιο 1300X103 2X103 δεν έγινε
Επίπεδης επιφάνειας 250X103 δεν πέρασε
  • Όλοι οι δοκιμαστικοί τροχοί έφτασαν ατό τέλος του τέστ χωρίς ζημιά.
Πίνακας 4: Τέστ στόν τροχό 13X5
Τύπος Μέση τιμή πίεσης διάρρηξης έλαστ.
(psi)
Ακτινική κόπωση 1824 kg
(Μέση τιμή περιστροφών)
Περιστρ. Κόπωση (1780 Ν.m.)
(Μέση τιμή περιστροφών)
Τέστ (Guillotine)
Μεγάλες όπές εξαερισμού (5 «ακτίνες») 110 13X103 8X103 δεν πέρασε
Σχισμές ψύξης 120 9X103 1000 δεν έγινε
Χωρίς καμιά όπή/σχισμή 110 6500 1000 δεν έγινε
129-sx12.jpg
Σχ. 12
129-sx13.jpg
Σχ. 13

Εκπονήθηκε κατόπιν ένα πρόγραμμα δοκιμών για τη ρεαλιστική αξιολόγηση της συμπεριφοράς των τροχών από FRP. Δοκιμάστηκαν 3 παραλλαγές του τροχού διαστάσεων 13X6 στην αντοχή και τη διάρκεια ζωής. Τα αποτελέσματα των δοκιμών φαίνονται στον πίνακα 3. Απ’ την αξιολόγηση φάνηκε ότι η αφαίρεση του διακοσμητικού δακτυλίου αύξησε την ακτινική αντοχή στην κόπωση από 850X103 στροφές σε 1,2Χ106 στροφές, αλλά ταυτόχρονα μείωσε την περιστροφική αντοχή στην κόπωση από 19X103 στροφές σε 2Χ103 στροφές. Στο σχ. 13 εικονίζονται ρωγμές λόγω κόπωσης περιστροφής, όταν η επιφάνεια στήριξης στην πλήμνη είναι καμπύλη. Έτσι, ξανασχεδιάστηκε το τμήμα της επιφάνειας στήριξης, ώστε να έχει πιο συνεχή επαφή (να μη «κτυπάει») και η αντοχή στην κόπωση λόγω περιστροφής έφτασε από 19Χ103 τις 250Χ103 στροφές: χωρίς ίχνος κόπωσης (δεν παρατηρήθηκαν ρωγμές). Επίσης, στο τεστ SAE 275j που προαναφέραμε, η περιοχή του σπασίματος δεν ήταν πια ο νοητός κύκλος που ορίζουν οι οπές των μπουλονιών, αλλά η κυκλική επιφάνεια προσαρμογής στην πλήμνη.
Τεστ αντοχής και μακροζωίας έγινε επίσης σε 4 παραλλαγές του τροχού 5X13, ανάλογα με το είδος των οπών εξαερισμού. Αποτελέσματα φαίνονται στον πίνακα 4, χωρίς να χρειάζονται επεξήγηση. Μεταξύ των πολλών άλλων τεστ, έγιναν και δοκιμές του FRP όσον αφορά την επίδραση των συνθηκών του περιβάλλοντος. Για το σκοπό αυτό οι τροχοί ψεκάστηκαν με διαλύματα αλάτων, λιπαντικά και εκτέθηκαν σε υπεριώδεις ακτίνες και όζον. Κατόπιν έγινε πάλι δοκιμή αντοχής.
Ούτε η υπεριώδης ακτινοβολία, ούτε το όζον ούτε η «μόλυνση» με λιπαντικά (μίγμα λαδιού κινητήρα, βαλβολίνη) διαφορικού και κιβωτίου ταχυτήτων και υγρού φρένων) επηρέασαν την απόδοση του FRP, (οι δοκιμές έγιναν σε τροχούς χωρίς προστατευτικό επίστρωμα). Τα διαλύματα αλάτων, μετά από 576 ώρες ψεκασμού όμως μείωσαν την αντοχή στην ακτινική κόπωση από 285X103 στροφές στις 123X103 στροφές (πάλι τροχοί χωρίς προστατευτικό επίστρωμα). Βγήκε λοιπόν το συμπέρασμα ότι, όπως και για τις χαλύβδινες ζάντες, είναι αναγκαία η προστατευτική επικάλυψη, αν θέλουμε να έχουμε ανθεκτικούς τροχούς σε κάθε είδους περιβάλλον.
Κατόπιν αξιολογήθηκαν τ' αποτελέσματα της θερμότητας που αναπτύσσεται κατά το φρενάρισμα, με τη βοήθεια ενός δυναμόμετρου που περιέστρεφε τους «πρόσθιους» τροχούς κι ενός οδηγού που φρενάριζε, μέχρι τα τακάκια (σύμφωνα με τη SAE J843 d) να φτάσουν τη θερμοκρασία των 500ο C. Στο σημείο αυτό το δυναμόμετρο σταμάτησε και μετρήθηκαν οι θερμοκρασίες των τροχών. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι:

  • Η σχεδίαση των τροχών και των οπών εξαερισμού είχαν μικρή επίδραση στις θερμοκρασίες των τακακιών των δισκοφρένων καθώς και στο ρυθμό ψύξης τους.
  • Η μέγιστη θερμοκρασία του τροχού, περίπου 170° C μετρήθηκε στο κεντρικό τμήμα του τροχού προς την πλευρά του φρένου.
  • Στην περιοχή των μπουλονιών σύσφιξης μετρήθηκε θερμοκρασία 150ο C max. Το μέγιστο βρέθηκε στην περιοχή επαφής με την πλήμνη.
  • Σημαντικό ποσοστό απ’ τη ροπή σύσφιξης των μπουλονιών χάθηκε (δηλ. τα μπουλόνια ξέσφιξαν αρκετά) κατά τη διάρκεια της δοκιμής, προφανώς από θερμικά αίτια.
  • Η ομοιογένεια του τροχού παρέμεινε πρακτικά ανεπηρέαστη από τη διασπορά της θερμότητας. Η όλική εκκεντρικότητα από 0.53 χιλιοστά έφτασε μόλις τα 0.63 χιλιοστά όταν ο τροχός κρύωσε. Εξετάζεται και αξιολογείται μέχρι τώρα η ανθεκτικότητα και μακροζωία του τροχού κάτω απ’ τις συνθήκες διασποράς θερμότητας.

Δοκιμές σε οχήματα

Αρκετές δοκιμές πάνω σε πραγματικά οχήματα έγιναν για την εξακρίβωση της αντοχής των τροχών FRP σε κανονική χρήση. Ενα μέσο αυτοκίνητο, βάρους 1510 kg με πιέσεις 35 psi στα λάστιχα οδηγήθηκε σε μια καμπύλη ύψους διαφοράς 20 εκ. ακτίνας 2,5 cm με ταχύτητα 24 km/ h. Όλοι οι τροχοί των 13X16 πέρασαν το τεστ χωρίς αιφνίδια απώλεια αέρα. Μια απ’ τις 13X5 έχασε αέρα, αλλ' όχι απότομα. Όπως διαπιστώθηκε, η απώλεια οφειλόταν σε ρωγμή στην επιφάνεια του χείλους της εξωτερικής πλευράς της στεφάνης, που σημαίνει ότι στην περιοχή αυτή χρειάζεται κάποια ενίσχυση. Έγιναν επίσης δοκιμές αντοχής σε κόπωση κατά τις στροφές, με ενθαρρυντικά αποτελέσματα. Τέλος, μια σειρά τροχών 13X6 τοποθετήθηκε σε ένα «κόμπακτ» στέισον βάγκον, που έκανε σε πίστα δοκιμών, 137.000 χλμ., με διαφορετικές συνθήκες ασφάλτου και ποικιλία ταχυτήτων, χωρίς σπάσιμο ή ξέσφιγμα των μπουλονιών. Προβλήματα επίσης δεν αντιμετωπίστηκαν ούτε στις διαφορετικές καιρικές συνθήκες. Οι δοκιμές, οι βελτιώσεις και οι αξιολογήσεις συνεχίζονται. Ο χρόνος θα δείξει τ' αποτελέσματα..
Βιβλιογραφία:
«Composite wheels tested, evaluated» by J. E. Cieck, W. D. Noll, Firestone Tire & Rubber, Firestone Steel Products, Oct. 1980.
" «Automotive wheels: Steel, Aluminum or FRP» by Dennis Simanaitis, SAE Paper, 1979


Ζάντες (4Τ 77, 2/1977)

Οι ζάντες είναι και μόδα και ανάγκη. Στην πρώτη περίπτωση θα τις δείτε στα πιο αλλοπρόσαλλα αυτοκίνητα, σε παρδαλά σχέδια χωρίς κανένα λόγο. Στη δεύτερη χρειάζεται ολόκληρη μελέτη, για να ορισθούν οι διαφορές βάρους, αντοχής, καταλληλότητας, κράματος και διαστάσεων. Αν πιστεύετε στην ανάγκη τοποθετήσεώς τους οι επόμενες γραμμές θα σας φανούν χρήσιμες.
Η ασφάλειά μας, και τούτο είναι πρωταρχικό, κάθε φορά που βρισκόμαστε καθισμένοι πίσω από το τιμόνι βασίζεται σε τέσσερις τροχούς. Αποτελούν το συνδετικό κρίκο ανάμεσα στον οδηγό και το δρόμο και εκτελούν - καλά ή άσχημα - τις εντολές του στην επιβράδυνση, την επιτάχυνση, τις στροφές. τα στοιχεία, που αποτελούν αυτό που ονομάζουμε τροχό, είναι δύο. Η ζάντα και το ελαστικό.
Οι ζάντες, στις όποιες αφιερώνουμε τις επόμενες σελίδες, είναι τα μέσα που έρχονται τα μεγαλύτερα φορτία στις απότομες μεταβολές της ταχύτητας, στις στροφές, τούς ανώμαλους δρόμους κλπ.
Η αντοχή, σε τέτοιου είδους καταπονήσεις, είναι η πρώτη μας απαίτηση από μια ζάντα. Η δεύτερη, εξ 'ίσου σπουδαία απαίτηση, είναι το μικρό βάρος. Οι δοξασίες ότι οι βαριές ζάντες είναι καλύτερες έχουν αρχαιολογική μόνο άξια. Το βάρος κάθε ζάντας μαζί με το ελαστικό που τη ντύνει αποτελούν το αναρτώμενο βάρος. και όσο μικρότερο είναι το αναρτώμενο αυτό βάρος, τόσο καλύτερα μπορεί να παρακολουθεί ο τροχός την επιφάνεια του δρόμου, με αποτέλεσμα τη βελτίωση της οδικής συμπεριφοράς. Η βελτίωση αυτή λοιπόν, είναι το πρώτο κίνητρο για τούς εκατοντάδες ζαντών που υπάρχουν σε όλο τον κόσμο — μέχρι και την Ελλάδα — και για τα κεφάλαια που καθημερινά ξοδεύονται για την αλλαγή των ατσάλινων με ελαφρές. Οι ατσάλινες είναι αυτές που χρησιμοποιούν τα 98% των αυτοκινήτων επειδή συνδυάζουν χαμηλό κόστος με μεγάλη σχετικά αντοχή. Η αλλαγή τους προϋποθέτει προσοχή, στο βάρος, στις διαστάσεις, στα μίγματα κατασκευής και στην καταλληλότητα της ορισμένης ζάντας για κάθε αυτοκίνητο.
Διαβάστε λοιπόν πως κατασκευάζονται, ποιες προδιαγραφές πρέπει να τηρούν, τι πρέπει να προσέξετε την ώρα της αγοράς και ποιές ζάντες φθάνουν αύτη τη στιγμή στην Ελλάδα.
wheel-diagram.gif Πηγή

Ατσάλινες ζάντες

Από πολύ παλιά το ατσάλι — ένα κράμα του σιδήρου που λέγεται και χάλυβας — είναι για την αυτοκινητοβιομηχανία το υλικό που λύνει τα περισσότερα προβλήματα. Έχει μεγάλη αντοχή, ενώ δεν είναι ιδιαίτερα βαρύ ούτε και ακριβό, με αποτέλεσμα να χρησιμοποιείται σε μεγάλη κλίμακα. Μετά το 1960 άρχισε να αντικαθίσταται με άλλα κράματα της ίδιας αντοχής, αλλά με καλύτερες ιδιότητες. Στις ζάντες όμως εξακολουθεί να δεσπόζει και δεν υπάρχει μικρό και μεσαίο αυτοκίνητο που να μην εφοδιάζεται — με ελάχιστες εξαιρέσεις — με χαλύβδινες ζάντες.
Δύο είναι οι τρόποι που παράγονται οι ατσάλινες ζάντες. Σαν πρεσαριστές, που προέρχονται από κομμάτια μετάλλου τα όποια πρεσάρονται σε κατάλληλα καλούπια, και σα χυτές, που χύνονται σε ειδικά καλούπια και μετά περνούν μια ειδική κατεργασία στα διάφορα σημεία, ώστε να πάρουν την τελική τους μορφή. Οι χυτές έχουν καλύτερες ιδιότητες, δε χρειάζονται μεγάλη και πολυδάπανη μηχανουργική και θερμική κατεργασία και έχουν πιο προσεγμένο φινίρισμα. Όπως σημειώσαμε ο λόγος που οδηγεί ορισμένους κατασκευαστές — και περισσότερους οδηγούς — στην αντικατάσταση των ατσάλινων είναι το ΒΑΡΟΣ τους. Χωρίς να είναι υπερβολικό αποδεικνύεται μεγαλύτερο, συνήθως, από τις ζάντες που χρησιμοποιούν κράματα αλουμινίου.
sx1.JPG
Σχήμα 1: Ο τροχός αριστερά ανήκει σε αυτοκίνητο μπροστινής κίνησης και δεξιά σε αυτοκίνητο του ίδιου βάρους με κίνηση πίσω. Η θέση των φρένων και το σύστημα διευθύνσεως επιδρούν στην διαφορετική διαμόρφωση των δύο ζαντών
sx2.JPG
Σχήμα 2: Εδώ διακρίνονται καλύτερα οι δύο προηγούμενες ζάντες. Η αριστερή έχει οπές για τον αερισμό των φρένων και ζυγίζει 12 κιλά την στιγμή που η δεξιά ζυγίζει 10 μόνο κιλά.

Ελαφρές ζάντες

Σαν πρώτη λύση στο πρόβλημα μείωσης του αναρτώμενου βάρους χρησιμοποιήθηκαν οι ακτινωτές ζάντες. Με σημαντικά μικρότερο βάρος και καλύτερη εμφάνιση από τις νορμάλ αποδείχτηκαν πολύπλοκες κατασκευαστικά και κόστιζαν τόσο, ώστε τελικά να περιοριστούν σε ελάχιστα αυτοκίνητα. Έτσι την προτίμηση των κατασκευαστών συγκέντρωσαν ελαφρότερα κράματα, όπως το αλουμίνιο, που ζυγίζει τρείς φορές λιγότερο από το σίδερο, το μαγνήσιο, που κοστίζει αρκετά περισσότερο από το αλουμίνιο και το τιτάνιο, που εδώ και χρόνια βρίσκει εφαρμογή στην αεροναυπηγική.
Οι πρώτες αλουμινένιες ζάντες κατασκευάζονταν πρεσαριστές επειδή τα κράματα του αλουμινίου δεν ήταν ακόμη κατάλληλα για να χυθούν. Τέτοιες ζάντες κατασκεύαζε μέχρι το 1972 η Φορντ. Η βελτίωση όμως των διαδικασιών και μεθόδων παραγωγής οδήγησε στην κατασκευή χυτών αλουμινοτροχών και τον περιορισμό των πρεσαριστών σε ειδικές μόνο περιπτώσεις.
Τα πρώτα μίγματα που χρησιμοποιήθηκαν στις χυτές ζάντες, αποδείχτηκαν ανίκανα να εξασφαλίσουν τις απαραίτητες προδιαγραφές ασφάλειας και εγκαταλείφθηκαν γρήγορα. Οι προσπάθειες βελτίωσης περιλάβαιναν αλλαγές στη μικροδομή και τη σύνθεση του αλουμινοκράματος — συνδυασμό τιτανίου και βορίου και προσθήκη μεταλλικού νατρίου — που τελικά έγινε περισσότερο λεπτοδιαμερισμένο και ομοιόμορφο σα μίγμα αποκτώντας καλύτερες ιδιότητες μήκυνσης και μεγαλύτερη αντοχή.
Τα αλουμινοκράματα που χρησιμοποιούνται σήμερα στις χυτές ζάντες αλουμινίου έχουν τη χημική σύνθεση του πίνακα που ακολουθεί:
Σύνθεση αλουμινοκράματος τυπικής
ελαφριάς ζάντας αλουμινίου
Υλικό Ποσοστό (%)
Πυρίτιο 7,5 - 8,5
Χαλκός 0,1max
Νάτριο 0,1max
Σίδηρος 0,3max
Ψευδάργυρος 0,1max
Μαγγάνιο 0,1max
Τιτάνιο 0,2max
Άλλα 0,05max
Αλουμίνιο Υπόλοιπο

Συνήθως γιατί υπάρχουν περιπτώσεις όπου τα κράματα για μεγαλύτερη αντοχή και μικρότερο βάρος έχουν περισσότερο μαγνήσιο και τιτάνιο. Οι διαφορές βάρους ανάμεσά τους δεν είναι καθόλου ευκαταφρόνητες. Μια καλή αλουμινένια π.χ. 5 ½ Χ13, ζυγίζει 5,30 κιλά και μία αντίστοιχη μαγνησίου 4,60 κιλά. Η αντίστοιχη ζάντα του κατασκευαστή ζυγίζει γύρω στα 7,00 κιλά. Υπάρχουν όμως και βαριές (!) ελαφρές ζάντες, που ζυγίζουν το ίδιο σχεδόν με τις ατσάλινες του αυτοκινήτου σας. Στην περίπτωση αυτή ψάξτε για ελαφρότερες ή μην τις αλλάξετε καθόλου, γιατί μην ξεχνάτε πως έχουν βάρος και τα ελαστικά. Τοποθετώντας δύο διαστάσεις μεγαλύτερα ελαστικά χωρίς να μειωθεί το βάρος της ζάντας, δεν κάνετε τίποτε άλλο παρά να αυξάνετε το αναρτώμενο βάρος, πράγμα καθόλου ευχάριστο για την οδική συμπεριφορά.

Μέθοδοι κατασκευής

Οι μέθοδοι κατασκευής τώρα (1977), που βρίσκουν εφαρμογή, είναι οι ακόλουθες: Έκχυση του μίγματος υπό χαμηλή πίεση, (εφαρμόζεται στις Ντάνλοπ). Έκχυση υπό πίεση (εφαρμόζεται στις Ρεβολούσιον, τις Μόμο, τις Μινιλάιτ Σπόρτ κ.ά.) Έκχυση με τη χρησιμοποίηση της βαρύτητας (εφαρμόζεται στις Καμπανιόλο, τις Κόσμικ, τις Μινιλάιτ Μαγνησίου τις ΚΝ κ.ά.).
sx3.JPG
Σχήμα 3: Οι κατασκευαστές προσπαθούν να επιτύχουν, στις χυτές ζάντες, την διατομή που φαίνεται αριστερά (λευκή περιοχή). Η διατομή που διακρίνεται δεξιά διατρέχει τον κίνδυνο της θραύσης και της κακής διαμόρφωσης στή διαδικασία της εκχύσεως λόγω του υπερβολικού πάχους της.

Οι προδιαγραφές

Το πρόβλημα όμως ανεξάρτητα από τον τρόπο που χύνεται κάθε ζάντα, είναι οι προδιαγραφές ποιότητας και ασφάλειας που πρέπει να τηρούν. Πρόβλημα που ακόμη δεν έχει βρει ενιαία αποδεκτή λύση από όλα τα κράτη. Κάθε κρατικός οργανισμός θεσπίζει τις προδιαγραφές που νομίζει σωστές και κάθε κατασκευαστής διαλέγει τις προδιαγραφές που βρίσκονται πλησιέστερα στα προϊόντα του. Στη χειρότερη πλευρά του προβλήματος υπάρχουν κράτη που δεν έχουν θεσπίσει ακόμη καμιά προδιαγραφή ποιότητας ή ασφάλειας για τις ζάντες και κατασκευαστές που οι αλουμινοτροχοί τους δεν πληρούν καμιά απολύτως προδιαγραφή.
Εκτός φυσικά από τη χώρα μας υπάρχει και η Αγγλία, όπου κανείς επίσημος οργανισμός δεν αναλαμβάνει να προστατέψει τον καταναλωτή από τις κακές ποιότητες. Βέβαια οι διάφοροι κατασκευαστές και εισαγωγείς είναι υποχρεωμένοι να πάρουν μια επίσημη έγκριση, αλλά αυτό δεν είναι τίποτε περισσότερο από μια άδεια πώλησης.
Στη Γερμανία υπάρχουν οι προδιαγραφές TUV (Technischer Uberwachungs Verein), στην Ιαπωνία οι JWL (Japanese Alloy Road Wheel Standard), στις Η.Π.Α. οι γνωστές SAE και στη Σουηδία οι Svensk Bilprovning.
Τo μόνο σίγουρο στην οδύσσεια της έλλειψης προδιαγραφών είναι το ότι μια παραδεκτή από όλη την Ευρώπη ζάντα πρέπει να είναι κατασκευασμένη τουλάχιστον από κράμα σύνθεσης LM 25 και πρεσαριστή — αντί χυτή με βαρύτητα — ώστε να μην υπάρχουν φυσαλίδες. Προσέξτε λοιπόν όταν αγοράζετε τις περγαμηνές του κατασκευαστή τους. Οποιαδήποτε προδιαγραφή — TUV, JWL, SEMA, είναι προτιμότερη από το τίποτε. Ένας κατασκευαστής που δεν φρόντισε να προσάρμοση τα προϊόντα του στις προδιαγραφές κάποιου κρατικού οργανισμού — όπως γίνεται ακόμη και με τους καθρέφτες — σημαίνει πώς κάτι έχει να κρύψει. Στην παρουσίαση που ακλουθεί αναφέρουμε τις προδιαγραφές όσων ζαντών κατορθώσαμε να συγκεντρώσουμε.

Η Ελληνική αγορά

Στη συνέχεια παρουσιάζουμε όλες τις ζάντες που υπάρχουν αυτή τη στιγμή στην ελληνική αγορά. Και δεν είναι λίγες 20 μάρκες, 160 μοντέλα και 155 σχέδια με τιμές από 1.000 δρχ η φθηνότερη μέχρι 7.000 η ακριβότερη (τιμές 1977).
Ανάμεσά τους δύο σχεδιάζονται και κατασκευάζονται στην Ελλάδα, η μια μάλιστα από ελληνικά μηχανήματα. Τιμές δεν υπάρχουν σε όλες γιατί οι αντιπρόσωποί τους ή δεν τις… ήξεραν ή αρνήθηκαν να τις δώσουν.

Την ώρα της αγοράς

Προτού αγοράσετε οποιαδήποτε ζάντα ελέγξτε αν είναι κατάλληλη για το αυτοκίνητό σας. Αν συμφωνεί δηλαδή, όχι μόνο στις διαστάσεις, αλλά και με τη γραπτή διαβεβαίωση του κατασκευαστή της ζάντας, πώς κάνει για το συγκεκριμένο μοντέλο που έχετε. Αιτία αυτού του έλεγχου είναι το ότι, ναι μεν η ζάντα μπορεί να έχει τις κατάλληλες διαστάσεις, αλλά να μην είναι σχεδιασμένη να δέχεται φορτία, με τον τρόπο και το μέγεθος που μεταδίδονται από τα ημιαξόνια του αυτοκινήτου σας. Ένας τέτοιος άτυχος γάμος ζάντας — αυτοκινήτου μπορεί να μην έχει άσχημες συνέπειες, μπορεί όμως και να κοστίσει τη γρήγορη φθορά των ρουλμάν. Στη συνέχεια ελέγξτε προσεκτικά όλες τις ζάντες που θα αγοράσετε. Τα χείλη δεν πρέπει να έχουν σπασίματα ούτε κανένα σημείο. Αν τυχόν έχετε τιούμπλες λάστιχα, βεβαιωθείτε ότι μπορούν να φορεθούν σ' αυτή τη ζάντα. Αν σκοπεύετε να πάρετε ζάντα φαρδύτερη απ' αυτήν που χρησιμοποιείτε ήδη, κοιτάξτε μήπως το λάστιχο με την καινούργια ζάντα «βρίσκει» στους θόλους των τροχών. Είναι αντιοικονομικό (φθορά του λάστιχου), αλλά και εκνευριστικό σε κάθε στροφή, ή όταν φορτώνεται τ' αυτοκίνητο, να ακούτε ένα χορό… καθώς το λάστιχο ακουμπάει στο θόλο. Τέλος πριν αγοράσετε φαρδύτερες ζάντες για να βελτιώσετε το κράτημα του αυτοκινήτου σας, σκεφτείτε μήπως δε χρειάζεται βελτίωση μ' αυτόν τον τρόπο. Τέσσερα αμορτισέρ, περισσότερο σκληρά απ' αυτά που χρησιμοποιείτε, μπορεί να σας δώσουν την λύση.
sx5.JPG
Σχήμα 5: Στις διαιρούμενες ελαφρές ζάντες, κρατώντας κανείς σταθερό τον ομφαλό μπορεί να τοποθετεί στεφάνι διάφορων διαστάσεων.
ΤΙ ΕΛΑΣΤΙΚΟ ΣΕ ΠΟΙΑ ΖΑΝΤΑ
ΔΙΑΣΤΑΣΕΙΣ ΝΟΡΜΑΛ ΖΑΝΤΑ ΦΑΡΔΥΤΕΡΕΣ ΖΑΝΤΕΣ
145-10 4.00 x 10 4 1/2 x 10 (5.00x10)
135-12 4.00 x 12
145-12 4.00 x 12 4 1/2 x 12
155-12 4.00x12 4 1/2 x 12
135-13 4J 13
145-13 4J 13 4 1/2J x 13
155-13 4 1/2J x 13 5J x 13
165-13 4 1/2J x 13 5J x 13 5 1/2JK x 13
175-13 5J 13 5 1/2J x 13 6J x 13
135-14 4J x 14
145-14 4J x 14
155-14 4 1/2J x 14 5J x 14 5JK x 14
165-14 4 1/2J x 14 5J x 14 5JK x 14
175-14 5J x 14 5 1/2JK x 14 6J x 14
185-14 5J x 14 5 1/2JK x 14 6J x 14
195-14 5 1/2J x 14 6J x 14 6 1/2Κ x 14
205-14 6L x 14 6 1/2Κ x 14
145-14 4J 15
155-15 4 1/2 x 15 5J x 15
165-15 4 1/2J x 15 5J x 5 5 1/2J x 15
175-15 5J x 15 51/2J x 15 6Κ x15
185-15 5J x 15 51/2J x 15 6Κ x 15