История появления наклона колеса.

Колесо по праву считается одним из величайших изобретений человечества. Простота и лаконичность формы не мешают этому агрегату серьёзно помогать человеку, облегчая повседневные задачи. Колесо нашло применение и в виде зубчатой шестерни, передавая момент от двигателя к рабочему телу и в виде современной пневматической шины устанавливаемой на современные автомобили. Сложно сказать, когда точно было сделано это открытие, историки склоняются к временам доисторической эпохи, когда первобытные люди сделали некое подобие катка, перекатывая какие либо грузы на брёвнах.

Своё развитие в современную пневматическую шину, колесо начало ещё до автомобильного периода, когда грузы перемещались с помощью конно-гужевого транспорта. Тогда все колёса были ещё ведомыми, и главным их назначение было изменить трение скольжения полозьев, на трение качения. Такое изменение позволяло уменьшить затрачиваемую работу и время на перемещение грузов за счёт снижения энергозатрат в подшипниковом узле пропорциональными радиусу колеса к радиусу подшипника. А при наполнении подшипника смазкой, затраты энергии становятся ничтожно малыми, существенно повышая КПД. То есть основными источниками затрат энергии при такой конструкции будут являться те, которые связаны с сопротивлением качению на дороге и незначительные в подшипниковом узле.

Если взглянуть на колесо как на механизм, можно выяснить, что в основе его лежит стержень, роль которого выполняет спица, верхняя часть сопряжена со ступицей, нижняя крепится к ободу. При эксплуатации колеса в качестве ведомого, толкающее усилие приложено к центру колеса рис.3 с которым связана верхняя часть, а нижняя в это время находится в нижней точке, в мгновенном центре качения колеса. И чем длиннее окажется спица, тем больший момент создаст толкающая сила. В таком режиме, характер движения колеса имел бы прерывистый характер. Спица была бы под нагрузкой до тех пор, пока ее нижняя часть была бы в контакте с опорной поверхностью, то есть до момента нагружения следующей спицы. Обод колеса сглаживает скачкообразные силовые импульсы переводя их в непрерывный силовой поток, обеспечивающий плавное, равномерное качение колеса.

Рис 3.

Очевидно, что выигрыш в силе необходимой для качения колеса будет напрямую зависеть от его радиуса. Чем больше размер колеса, тем меньшее усилие придётся приложить. Именно поэтому в древности на повозках для перевозки тяжёлых грузов использовались довольно большие колеса, которые бонусом имели свойство сглаживать неровности дороги.

Однако следует помнить, что большой радиус колеса не подходил для скоростных экипажей, так как большая неподрессоренная масса создаёт большую инерцию, тем самым перекрывая свои силовые преимущества. Однако позже, с развитием торговых транспортных путей и технологий, массу колеса решили снижать путём замены тяжёлого деревянного обода в железной обивке на тонкий, обрамлённый сплошным резиновым жгутом. Таки повозки назывались «Лихачами» и имели способность быстро передвигаться по мостовым из брусчатки и плохим грунтовым дорогам соединяющих торговые города. 

Однако «лихачи» нашли своё применение и в городах. Стали появляться пассажирские повозки. Такие колёса стали современным решением позволяющим экипажам двигаться со скоростью, которая могла развить конная тяга. Однако потребность в скорости росла с каждым днём.

Настоящей революцией стало применение колеса как двигателя, что исключало необходимость во внешней тяге, а вместе с эти и ограничение по скорости конного транспорта. Однако ограничение в виде крайне неудовлетворительного состояния всё ещё оставалось.

Совершенствование колеса чаще всего ограничивалось модернизацией его обода, однако в XVII веке, форма расположения спиц стала конической. Прочность колеса резко увеличилась, сопротивляемость боковым нагрузка выросла, однако возросла нагрузка и на подшипник. Одна такая ось с колёсами отлично справляется осевым возмущениям, однако страдают от действия радиальных нагрузок, которые создают изгибающие моменты в соединении спицы с ободом и ступицей.

Верным решением стала конструкция колеса изображённая на рисунке 4

Рис.4.

В такой конструкции плоскость вращения колеса образует собой основание конуса, а его спицы образующие, которые при вращении колеса оказываясь в нижней части воспринимает нагрузку от веса телеги, находясь в вертикальном положении и освобождаясь от действия изгибающего момента, благодаря чему увеличивается прочность в соединении с ободом и ступицей. Несомненным плюсом является увеличение полезного объёма кузова повозки из за увеличившегося расстояния между верхними точка колёсного обода.

Такой наклон колеса получил название развал колеса и дошёл от телеги до современного автомобиля и является важнейшим параметром настройки подвески, влияние его на управляемость автомобиля и безопасность движения изучается и по сей день.