Спица — это один из некоторого количества стержней , исходящих из центра колеса ( ступицы , к которой соединяется ось ), соединяющих ступицу с круглой тяговой поверхностью.
Первоначально этот термин относился к частям бревна, расколотого ( разделенного по длине) на четыре или шесть частей. Радиальные элементы телегного колеса изготавливались путем вырезания спицы (из бревна) до готовой формы. Спиц -шейв — это инструмент , изначально разработанный для этой цели. В конце концов, термин «спица» стал чаще применяться к готовому продукту работы колесных мастеров , чем к материалам, которые они использовали.
Колесо со спицами было изобретено для создания более легких и быстрых транспортных средств. Самые ранние вещественные доказательства существования колес со спицами были найдены в синташтинской культуре , датируемой ок. 2000 год до нашей эры. [1] Вскоре после этого в конных культурах Кавказского региона на протяжении большей части трех столетий использовались боевые колесницы со спицами, запряженные лошадьми . Они двинулись вглубь греческого полуострова , где соединились с существующими средиземноморскими народами, чтобы в конечном итоге дать начало классической Греции после разрушения минойского господства и консолидации во главе с доклассической Спартой и Афинами .
Нео- Энеолит /протоисторический период (1800-1200 гг. до н.э.) [примечание 1] на картинах в различных регионах Индии, таких как Чиббар Нулла, Чхатур Бходж Натх Нулла, Катотия и т. д., изображено использование колесниц со спицами. [5] [6]
Кельтские колесницы представили железный обод вокруг колеса в I тысячелетии до нашей эры. Колесо со спицами продолжало использоваться без серьезных модификаций до 1870-х годов, когда были изобретены проволочные колеса и резиновые шины . [7]
Спицы могут быть изготовлены из дерева, металла или синтетического волокна в зависимости от того, будут ли они находиться в растяжении или сжатии .
Оригинальный тип спицевого колеса с деревянными спицами применялся для конных экипажей и повозок . В первых автомобилях обычно использовались колеса артиллерийского типа с деревянными спицами.
В простом деревянном колесе нагрузка на ступицу приводит к тому, что обод колеса слегка прижимается к земле, поскольку самая нижняя деревянная спица укорачивается и сжимается. Остальные деревянные спицы не претерпели существенных изменений.
Деревянные спицы установлены радиально . Они также выгнуты, обычно наружу автомобиля, чтобы предотвратить раскачивание. Кроме того, выемка позволяет колесу компенсировать расширение спиц из-за поглощения влаги за счет большего выгибания. [8]
Для использования в велосипедах тяжелые колеса с деревянными спицами были заменены более легкими колесами со спицами из натянутых регулируемых металлических проволок, называемыми проволочными колесами . Они также используются в инвалидных колясках , мотоциклах , автомобилях и первых самолетах .
Некоторые типы колес имеют съемные спицы, которые можно заменить по отдельности, если они сломаются или погнутся. К ним относятся колеса для велосипедов и инвалидных колясок. В высококачественных велосипедах с обычными колесами используются спицы из нержавеющей стали , а в более дешевых велосипедах могут использоваться оцинкованные (также называемые «нержавеющими») или хромированные спицы. Хотя спицы хорошего качества способны выдерживать натяжение около 225 кгс (около 500 фунтов-сил или 2200 ньютонов ), их используют при небольшой нагрузке, чтобы избежать усталостных отказов. Поскольку спицы колес велосипедов и инвалидных колясок находятся только в натяжении, иногда также используются гибкие и прочные материалы, такие как синтетические волокна. [9] Металлические спицы также могут иметь овальную форму или иметь лезвия для уменьшения аэродинамического сопротивления, а также баттинговые (двойные или даже тройные) для уменьшения веса при сохранении прочности.
Разновидностью колеса с проволочными спицами был «Натяжной диск» Тиоги, который на первый взгляд выглядел как сплошной диск, но на самом деле был построен с использованием тех же принципов, что и обычное колесо с натяжными спицами. Вместо отдельных проволочных спиц использовалась непрерывная нить из кевлара ( арамида ), которая привязывала ступицу к ободу под высоким натяжением. Нити были заключены в полупрозрачный диск для защиты и некоторых аэродинамических преимуществ, но это не было структурным компонентом.
Проволочные спицы могут располагаться радиально по отношению к ступице, но чаще устанавливаются по касательной к ступице. Тангенциальные спицы обеспечивают передачу крутящего момента между ободом и ступицей. Таким образом, тангенциальные спицы необходимы для ведущего колеса, которое передает крутящий момент на ступицу при вращении педалей, а также для любых колес, использующих установленные на ступице тормоза, такие как дисковые или ленточные тормоза, которые передают крутящий момент от обода к тормозу в противоположном направлении (через ступицу) при торможении.
Изготовление колеса с натяжными спицами из его составных частей называется колесостроением и требует правильной процедуры сборки для получения прочного и долговечного конечного продукта. Натянутые спицы обычно прикрепляются к ободу, а иногда и к ступице с помощью ниппеля спицы . Другой конец обычно втыкается в диск или, в редких случаях, сгибается в форме буквы «Z», чтобы он не выдергивался через отверстие во ступице. Преимущество изогнутой версии заключается в замене сломанной спицы в заднем колесе велосипеда без необходимости снимать задние шестерни .
Проволочные колеса с отличным соотношением веса и прочности вскоре стали популярными для легковых автомобилей. В повседневных автомобилях проволочные колеса вскоре были заменены менее дорогими металлическими дисковыми колесами, но проволочные колеса оставались популярными для спортивных автомобилей до 1960-х годов. Колеса со спицами по-прежнему популярны на мотоциклах и велосипедах .
При изготовлении велосипедного колеса спицы должны иметь правильную длину, в противном случае может не хватить нити, что приведет к более слабому колесу, или они могут выступать через обод и, возможно, проколоть внутреннюю трубку.
Для велосипедных спиц длина спицы определяется от посадочного места фланца до кончика резьбы. Для спиц с загнутыми концами номинальная длина спицы не включает ширину спицы на загнутом конце.
Для колес со скрещенными спицами (которые являются нормой) желаемая длина спиц равна
где
Что касается d : для симметричного колеса, такого как переднее колесо без дискового тормоза, это половина расстояния между фланцами. Для асимметричного колеса, такого как переднее колесо с дисковым тормозом или заднее колесо с цепным переключателем , значение d различно для левой и правой сторон.
a — угол между (1) радиусом отверстия ниппеля в ободе, к которому прикреплена спица, и (2) радиусом отверстия фланца, удерживающего спицу. Спица пересекает 1, 2 или 3 противоположно направленные спицы в зависимости от конструкции шнуровки. На фланце угол между радиусами соседних отверстий составляет 360°/ м (для одинаково расположенных отверстий). Для каждой перекрещенной спицы ступица поворачивается относительно обода на один «угол между соседними отверстиями фланца». Таким образом, умножение «угла между соседними фланцевыми отверстиями» на k дает угол a . Например, колесо с 32 спицами имеет по 16 спиц на каждой стороне, 360° разделить на 16 равно 22,5°. Умножьте 22,5° («угол между соседними отверстиями фланца») на количество пересечений, чтобы получить угол a — если 3 пересечения, колесо с 32 спицами имеет угол a 67,5 °. Что касается r 3 : Размер отверстий для спиц во фланце не имеет значения для необходимой длины спиц. Этот термин устраняет влияние размера отверстия. Поскольку отверстия обычно небольшие (диаметром чуть более 2 мм), эффект невелик и на практике не имеет большого значения.
Для колес с радиальными спицами (пересечение нуля) формула упрощается до теоремы Пифагора , где длина спицы l плюс r 3 представляет собой наклон, r 2 минус r 1 является основанием, а d представляет собой подъем:
Формула длины спиц вычисляет длину пространственной диагонали воображаемого прямоугольного ящика . Представьте, что вы держите перед собой колесо так, чтобы сосок был вверху. Посмотрите на колесо вдоль оси. Спица, проходящая через верхнее отверстие, теперь представляет собой диагональ воображаемой коробки. Коробка имеет глубину d , высоту r 2 - r 1 cos( α ) и ширину r 1 sin( a ).
Аналогичным образом, закон косинусов можно использовать для сначала вычисления длины спицы, проецируемой на плоскость колеса (как показано на диаграмме), с последующим применением теоремы Пифагора .
