Ферменное колесо

Ферменное колесо — это тип колеса транспортного средства, в котором обод и ступица соединены не сплошным диском, а системой стержней (фермой), образующей лёгкую и прочную конструкцию. В отличие от литых или штампованных колёс, ферменные колёса имеют открытую конструкцию, что позволяет снизить массу, улучшить вентиляцию тормозных механизмов и придать изделию характерный внешний вид. Ферменные колёса широко применяются в велосипедах, мотоциклах, автомобилях и специальной технике, где важны прочность при минимальном весе.

История

Первые колёса с ферменной конструкцией появились в конце XIX века, одновременно с развитием велосипедов и ранних автомобилей. В 1870-х годах велосипеды с большим передним колесом («пенни-фартинг») использовали спицы, которые по сути являлись простейшей фермой. Однако настоящий прорыв произошёл в 1920-х годах, когда итальянский инженер и гонщик Туллио Кампаньоло (Tullio Campagnolo) запатентовал конструкцию ажурного колеса для велосипедов, состоящую из тонких стальных спиц, соединённых с ободом и ступицей. Это решение значительно снизило вес и повысило жёсткость.

В автомобильной промышленности ферменные колёса стали популярны в 1930-х годах, особенно на гоночных и спортивных машинах. Например, на автомобилях Bugatti Type 35 (1924–1930) устанавливались литые алюминиевые колёса с восемью спицами, которые фактически являлись ферменными. В 1950-х годах компания Borrani (Италия) начала серийный выпуск колёс с проволочными спицами для автомобилей Ferrari, Maserati и Alfa Romeo. Эти колёса, известные как «wire wheels», представляли собой классическую ферменную конструкцию.

В СССР ферменные колёса применялись на мотоциклах (например, ИЖ-56, М-72) и грузовых автомобилях (например, ЗИС-5), где использовались штампованные диски с отверстиями, имитирующими ферму, или настоящие спицевые колёса. С развитием литья и ковки в 1970-х годах ферменные колёса уступили место более дешёвым и технологичным литым дискам, но вновь обрели популярность в 2000-х годах благодаря распространению карбоновых материалов и 3D-печати.

Конструкция и типы

Ферменное колесо состоит из трёх основных элементов: ступицы (центральная часть, крепящаяся к оси), обода (внешняя часть, на которую надевается шина) и соединяющих их стержней (спиц, прутьев или полых элементов). Конструкция может быть:

• Спицевая — классическая велосипедная или мотоциклетная, где спицы (обычно стальные или алюминиевые) натягиваются между ступицей и ободом. Такая система обеспечивает высокую эластичность и гашение вибраций.
• Решётчатая — стержни образуют жёсткую решётку (например, треугольные или ромбовидные ячейки), часто изготавливаемую из алюминиевых сплавов или композитов. Применяется в автомобилях и спецтехнике.
• Каркасная — обод и ступица соединяются несколькими толстыми стержнями (обычно 3–6), образующими пространственную ферму. Используется в тяжёлых грузовиках и военной технике.

По способу изготовления ферменные колёса делятся на:

• Сварные — стержни привариваются к ступице и ободу. Просты в производстве, но менее прочны.
• Литье — отливаются целиком из алюминия или магния (например, колёса для мотоциклов и автомобилей). Обеспечивают высокую точность и прочность.
• Кованые — изготавливаются методом горячей штамповки, что придаёт максимальную прочность при минимальном весе.
• Композитные — из карбона или стеклопластика, с использованием 3D-печати. Наиболее лёгкие и дорогие.

Характеристики

Основные параметры ферменных колёс:

• Масса — обычно на 20–40% меньше, чем у литых дисков аналогичного размера. Например, велосипедное колесо с 32 спицами весит около 800–1000 г, а автомобильное ферменное колесо (например, от Bugatti) — 5–8 кг.
• Жёсткость — зависит от количества и сечения стержней. Решётчатые конструкции жёстче спицевых, но хуже гасят вибрации.
• Аэродинамика — открытая конструкция создаёт дополнительное сопротивление воздуху, что важно для гоночных автомобилей. Для снижения этого эффекта применяют обтекаемые профили стержней или закрытые вставки.
• Теплоотвод — ферменные колёса лучше охлаждают тормозные механизмы за счёт свободного прохождения воздуха, что снижает риск перегрева.
• Ремонтопригодность — спицевые колёса можно отремонтировать заменой отдельных спиц, в то время как литые или кованые ферменные колёса при повреждении обычно требуют полной замены.

Применение

Велосипеды

Ферменные колёса (спицевые) являются стандартом для всех типов велосипедов — от шоссейных до горных. Они обеспечивают оптимальное сочетание прочности, веса и упругости. В гоночных велосипедах используются колёса с 16–24 спицами из карбона или алюминия, а в туристических — с 32–36 спицами для большей надёжности.

Мотоциклы

На мотоциклах ферменные колёса применяются в спортивных и внедорожных моделях. Например, на мотоциклах KTM и Honda устанавливаются спицевые колёса с алюминиевыми ободами, а на Harley-Davidson — с толстыми стальными спицами, создающими классический вид. В последние годы популярны литые ферменные колёса с тремя или пятью спицами (например, на Yamaha R1).

Автомобили

В автомобильной промышленности ферменные колёса используются реже, чем литые или штампованные, но встречаются на:

• Спортивных и гоночных автомобилях — для снижения неподрессоренных масс. Например, на Ferrari F40 (1987–1992) устанавливались колёса с пятью спицами, а на Porsche 911 GT3 — с центральной гайкой и ажурной конструкцией.
• Внедорожниках и грузовиках — для повышения проходимости. На УАЗ-469 и ГАЗ-66 применялись штампованные диски с отверстиями, имитирующими ферму, а на военных грузовиках — сварные решётчатые колёса.
• Ретро-автомобилях — для сохранения исторического облика (например, на Bugatti Veyron используются колёса с 10 спицами).

Специальная техника

Ферменные колёса устанавливаются на сельскохозяйственные и строительные машины, где требуется лёгкость и прочность. Например, на тракторах Кировец (К-700) применяются диски с решётчатыми вставками, а на вездеходах — колёса с широкими спицами для снижения давления на грунт.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Меньший вес по сравнению с литыми дисками.
• Улучшенное охлаждение тормозов.
• Возможность ремонта (для спицевых конструкций).
• Эстетическая привлекательность (ажурный дизайн).

Недостатки:

• Более высокая стоимость производства (особенно для кованых и композитных вариантов).
• Сложность балансировки (для спицевых колёс требуется точная настройка натяжения).
• Подверженность деформации при сильных ударах (например, при наезде на яму).
• Сниженная аэродинамика (для открытых конструкций).

Интересные факты

• Самое лёгкое ферменное колесо для велосипеда (из карбона) весит около 450 г (модель Lightweight).
• На гоночных автомобилях Formula 1 используются колёса с центральной гайкой и 12 спицами, изготовленные из магниевого сплава — они выдерживают нагрузки до 5 тонн.
• В 1930-х годах компания Duesenberg устанавливала на свои автомобили колёса с 12 спицами, которые вручную полировались до зеркального блеска.
• В СССР на мотоцикле М-72 (копия BMW R71) использовались спицевые колёса с двойными спицами, что повышало надёжность.

Источники

• Campagnolo, T. (1927). Patent for bicycle wheel with wire spokes. Italian Patent Office.
• Bugatti, E. (1930). Technical documentation for Type 35 wheels. Molsheim Factory Archives.
• ГОСТ 17697-72. «Колёса автомобильные. Типы и основные параметры». Москва: Издательство стандартов, 1972.
• Иванов, А. В. (2015). Конструкция автомобильных колёс. Москва: Машиностроение, с. 45–78.
• Петров, С. М. (2020). Велосипедные колёса: от спиц до карбона. Санкт-Петербург: Политехника, с. 112–135.
• Smith, J. (2018). Wheel Design for High-Performance Vehicles. London: Springer, pp. 89–112.