Пневматические шины

Введение

 

Главным направлением в области  технологии производства шин является создание максимальной поточности производства, а также предельной автоматизации  комплексных технологических линий, практически полностью исключающих  ручные операции в технологическом  процессе. Успешно эксплуатируются  оправдавшие себя поточно-автоматизированные линии сборки и вулканизации автомобильных  шин, а также линии вулканизации камер. В области конструкции  шин особое значение приобрели шины с радиальным расположением нитей  корда в каркасе, с капроновым кордом в каркасе и металлокордом в брекере. Кроме того, выпускаются шины с металлокордом в каркасе.

Серьёзное внимание уделяется улучшению свойств резины (особенно свойств граничных слоёв полимеров в микрогетерогенной многокомпонентной эластомерной матрице), выбору оптимальной комбинации каучуков для каждой детали шин, разработке новых наполнителей и методов их диспергирования.

Ведутся работы по увеличению реальной прочности резин путём разработки новой технологии переработки каучуков большой молекулярной массы и изыскания вулканизующих и стабилизирующих систем, обеспечивающих наименьшую степень деструкции молекулярных цепей в процессе изготовления и эксплуатации изделий из резиновых смесей.

К новой технике для  серийного многотоннажного производства сейчас предъявляются высокие требования. В этой сфере промышленного производства широкое распространение получают автоматизированные поточные линии с оптимальным управлением при помощи электронных вычислительных машин. Автоматизированные поточные линии создаются на основе безотходной технологии с учётом социальных, экологических проблем, проблем управления качеством продукции и сокращения сроков внедрения новой техники.

1. История

 

Первая в мире резиновопарусинная шина была сделана Робертом Уильямом Томсоном (англ.). В патенте № 10990, датированным 10 июня 1846 года, написано: «Суть моего изобретения состоит в применении эластичных опорных поверхностей вокруг ободьев колёс экипажей с целью уменьшения силы, необходимой для того, чтобы тянуть экипажи, тем самым, облегчая движение и уменьшая шум, который они создают при движении». Патент Томсона написан на очень высоком уровне. В нём изложена конструкция изобретения, а также материалы, рекомендуемые для его изготовления. Шина накладывается на колесо с деревянными спицами, вставленными в деревянный обод, обитый металлическим обручем. Сама шина состояла из двух частей: камеры и наружного покрытия. Камера изготавливалась из нескольких слоёв парусины, пропитанной и покрытой с обеих сторон натуральным каучуком или гуттаперчей в виде раствора. Наружное покрытие состояло из соединённых заклёпками кусков кожи. Томсон оборудовал экипаж воздушными колёсами и провёл испытания, измеряя силу тяги экипажа. Испытания показали уменьшение силы тяги на 38 % на щебёночном покрытии и на 68 % на покрытии из дроблёной гальки. Особо отмечались бесшумность, удобство езды и лёгкий ход кареты на новых колёсах. Результаты испытаний были опубликованы в журнале «Mechanics Magazine» 27 марта 1849 года вместе с рисунком экипажа. Можно было констатировать, что появилось крупное изобретение: продуманное до конструктивного воплощения, доказанное проведёнными испытаниями, готовое к совершенствованию. К сожалению, на том дело и закончилось. Не нашлось никого, кто бы занялся этой идеей и довёл её до массового производства с приемлемой стоимостью. После смерти Томсона в 1873 году «воздушное колесо» было забыто, хотя образцы этого изделия сохранились.

В 1888 году идея  пневматической   шины  возникла вновь. Новым изобретателем  был шотландец Джон Данлоп, чьё  имя известно в мире как автора  пневматической   шины. Дж. Б. Данлоп придумал в 1887 году надеть на колесо трёхколёсного велосипеда своего 10-летнего сына широкие обручи, сделанные из шланга для поливки сада, и надуть их воздухом. 23 июля 1888 года Дж. Б. Данлопу был выдан патент № 10607 на изобретение, а приоритет на применение « пневматического  обруча» для транспортных средств подтверждал следующий патент от 31 августа того же года. Камера из резины крепилась на обод металлического колеса со спицами обматыванием её вместе с ободом прорезиненной парусиной, образующей каркас  шины, в промежутках между спицами. Преимущества  пневматической   шины  были оценены достаточно быстро. Уже в июне 1889 года на стадионе в Белфасте Уильям Хьюм выступил в гонках на велосипеде с  пневматическими   шинами. И хотя Хьюма описывали как среднего гонщика, он выиграл все три заезда, в которых участвовал. Коммерческое развитие изобретения началось с образования маленькой компании в Дублине и конце 1889 года под названием « Пневматическая   шина  и агентство Бута по продаже велосипедов». В настоящее время «Данлоп» — одна из крупнейших фирм в мире по изготовлению  шин.

В 1890 году молодой инженер  Чальд Кингстн Уэлтч предложил отделять камеру от покрышки, вставлять в края покрышки проволочные кольца и сажать на обод, который впоследствии получил углубление к центру (ручей обода). Тогда же англичанин Бартлетт и француз Дидье изобрели вполне приемлемые способы монтажа и демонтажа  шин. Всё это определило возможность применения  пневматической   шины  на автомобиле. Первым, кто стал использовать  пневматические   шины  на автомобилях, были французы Андре и Эдуард Мишлен, которые уже имели достаточный опыт в производстве велосипедных  шин. Они объявили, что к гонке в 1895 году Париж - Бордо у них будут готовы  пневматические   шины  для автомобилей и сдержали своё обещание. Несмотря на многочисленные проколы, автомобиль преодолел расстояние в 1200 км и достиг, среди девяти других, финиша своим ходом. В Англии в 1896 году  шинами  «Данлоп» был оснащён автомобиль Ланчестер. С установкой  пневматических   шин существенно улучшились плавность хода, проходимость автомобилей, хотя первые  шины  были ненадёжны и не приспособлены к быстрому монтажу. В дальнейшем основные изобретения в области пневматических   шин были, прежде всего, связаны с повышением безотказности и долговечности их, а также с облегчением монтажа-демонтажа. Потребовалось много лет постепенного совершенствования конструкции   пневматической   шины  и способа её изготовления, прежде чем она окончательно вытеснила литую резиновую. Стали применяться всё более надёжные и долговечные материалы, появился в  шинах  корд - особо прочный слой из упругих текстильных нитей. В первой четверти XX века всё чаще стали использовать  конструкции быстросъёмных креплений колёс к ступицам на нескольких болтах, что позволило заменять  шины  вместе с колесом в течение нескольких минут. Все эти усовершенствования привели к повсеместному применению  пневматических   шин на автомобилях и бурному развитию шинной промышленности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Конструкция пневматической шины. Радиальная шина

 

Основными материалами для  производства шин являются резина, которая изготавливается из натуральных  и синтетических каучуков, и корд. Кордовая ткань может быть изготовлена  из металлических нитей (металлокорд), полимерных и текстильных нитей.

Основные параметры  шин:

1. Профиль  шины  — ее контур в  радиальной  плоскости колеса. Параметры профиля  пневматической   шины  определяются на монтированной на рекомендуемом ободе ненагруженной шине  при заданном внутреннем давлении.
2. Наружный диаметр (D) — диаметр наибольшего сечения  шины  плоскостью вращения колеса.
3. Посадочный диаметр (d) — диаметр окружности, являющейся линией пересечения по­верхности основания борта шины  с его наружной поверхностью.
4. Ширина профиля (В) — расстояние между двумя плоскостями вращения колеса, каса­ющимися внешних поверхностей боковин  шины.
5. Высота профиля (Н) — полуразность между наружным и посадочным диаметрами  шины.
6. Серия профиля — номинальное отношение высоты профиля Н к ширине профиля В, из­меряется в процентах.
7. Ширина профиля обода (А) — смотрите на схеме.

 

Пневматическая   шина  представляет собой упругую оболочку, предназначенную для установки  на ободе колеса и заполняемую  воздухом под давлением. В зависимости  от способа герметизации  пневматические   шины  производятся в камерном и  бескамерном исполнении. Камерная  шина  состоит из покрышки и ездовой камеры с вентилем.  Шины, монтируемые на плоские разборные обода, включают также ободные ленты.

Бескамерная  шина  представляет собой усовершенствованную покрышку, которая одновременно выполняет  функции обычной покрышки и камеры. Воздушная полость в бескамерной  шине  образуется покрышкой и  ободом колеса.

Покрышка — упругая  резинокордная оболочка  пневматической   шины, воспринимающая тяговые и тормозные усилия и обеспечивающая сцепление шины  с дорогой. Основными элементами покрышки являются каркас, брекер, протектор, боковины и борта.

Ездовая камера — кольцевая  резиновая трубка со специальным  вентилем, заполняемая воздухом.

Каркас — резинокордная  основа (силовая часть) покрышки; выполнен из одного или нескольких слоев прорезиненного корда с резиновыми прослойками, закрепленных на бортовых кольцах.

 

Брекер состоит из одного и более слоев разреженного прорезиненного корда, разделенных резиновыми прослойками, и расположен между каркасом и протектором.

Текстильный и полимерный корд применяются в легковых и легкогрузовых  шинах. Металлокорд — в грузовых. В зависимости от ориентации нитей корда в каркасе различают  шины:

- радиальные

 - диагональные

В  радиальных   шинах  нити корда расположены вдоль  радиуса колеса (как на схеме, позиция 3). В диагональных  шинах нити корда расположены под углом к радиусу колеса, нити соседних слоёв перекрещиваются.

 Радиальные   шины  конструктивно более жёсткие,  вследствие чего обладают большим  ресурсом, обладают стабильностью  формы пятна контакта, создают  меньшее сопротивление качению,  обеспечивают меньший расход топлива. Из-за возможности варьировать количество слоёв каркаса (в отличие от обязательно чётного количества в диагональных) и возможности снижения слойности, снижается общий вес шины, толщина каркаса. Это снижает разогрев  шины  при качении — увеличивается срок службы. Брекер и протектор так же легче высвобождают тепло — возможно увеличение толщины протектора и глубины его рисунка для улучшения проходимости по бездорожью. В связи с этим, в настоящее время,  радиальные   шины  для легковых автомобилей практически полностью вытеснили диагональные

Структура  шины: 1 — протектор; 2 — плечевая часть; 3 — каркас;

4 — боковая часть (крыло шины ); 5 — брекер и подушечный слой;

6 — дополнительная вставка  в плечевой зоне (зелен.цв.);

7 — бортовое кольцо; 8 — бортовая часть.

 

Брекер находится между каркасом и протектором. Предназначен для защиты каркаса от ударов, придания жёсткости шине в области пятна контакта шины с дорогой и для защиты шины и ездовой камеры от сквозных механических повреждений. Изготавливается из толстого слоя резины (в лёгких шинах) или скрещённых слоёв полимерного корда и (или) металлокорда.

Протектор необходим для  обеспечения приемлемого коэффициента сцепления шин с дорогой, а  также для предохранения каркаса  от повреждений. Протектор обладает определённым рисунком, который, в зависимости  от назначения шины различается. Шины высокой проходимости имеют более глубокий рисунок протектора и грунтозацепы на его боковых сторонах. Рисунок и конструкция протектора дорожной шины определяется требованиями к отведению воды и грязи из канавок протектора и стремлением снизить шум при качении. Но, всё же, главная задача протектора шины — обеспечить надёжный контакт колеса с дорогой в неблагоприятных условиях, таких как дождь, грязь, снег и т. д., путём их удаления из пятна контакта по точно спроектированным канавкам и желобкам рисунка. Но эффективно удалять воду из пятна контакта протектор в силах лишь до определённой скорости, выше которой жидкость физически не сможет полностью удаляться из пятна контакта, и автомобиль теряет сцепление с дорожным покрытием, а следовательно и управление. Этот эффект носит название аквапланирование. Существует широко распространённое заблуждение, что на сухих дорогах протектор снижает коэффициент сцепления из-за меньшей площади пятна контакта по сравнению с шиной без протектора (slick tire). Это неверно, так как в отсутствие адгезии сила трения не зависит от площади соприкасаемых поверхностей. На гоночных автомобилях в сухую погоду используются шины с гладким протектором либо вообще без него для того, чтобы снизить давление на колесо, уменьшив его износ, тем самым позволив применять в изготовлении шин более пористые мягкие материалы, обладающие большим сцеплением с дорогой. Во многих странах существуют законы, регулирующие минимальную высоту протектора на дорожных транспортных средствах, и многие дорожные шины имеют встроенные индикаторы износа.

Борт позволяет покрышке герметично садиться на обод колеса. Для  этого он имеет бортовые кольца и  изнутри покрыт слоем вязкой воздухонепроницаемой (для бескамерных шин) резины.

Боковая часть предохраняет шину от боковых повреждений.

Шипы противоскольжения. В целях повышения безопасности движения автомобиля в условиях гололёда и обледенелого снега применяют  металлические шипы противоскольжения. Езда на шипованных шинах имеет заметные особенности. На ходу автомобиль делается заметно более шумным, ухудшается его топливная экономичность. В снежно-грязевой каше или в глубоком рыхлом снегу эффективность шипов невелика, а на твёрдом сухом или влажном асфальте шипованные шины даже проигрывают «обычным»: из-за снижения площади пятна контакта шины с дорогой, тормозной путь автомобиля увеличивается на 5-10 %. Хотя 70-процентное сокращение тормозного пути на льду — их несомненное преимущество.

 

2.1 Маркировка

 

Метрическая система

Пример: LT205/55R16 91V

LT (опционально, обязательное  обозначения по DOT) — функция   шины  (P — легковой автомобиль (Passenger car), LT — лёгкий грузовик (Light Truck), ST — прицеп (Special Trailer), T — временная (используется только для запасных  шин )

205 — ширина профиля,  мм

55 — отношение высоты  профиля к ширине, %. Если не  указан — считается равным 82 %.

R —  шина  имеет каркас  радиального  типа (если буквы  нет —  шина  диагонального  типа). Частая ошибка — R — принимают  за букву радиуса. Возможные  варианты: B — bias belt (диагонально-опоясанная  шина. Каркас  шины тот же, и у диагональной  шины, но имеется брекер, как у  радиальной   шины ), D или не указан — диагональный тип каркаса.

16 — посадочный диаметр  шины (соответствует диаметру обода  диска), дюйм

91 — индекс нагрузки (на  некоторых моделях в дополнение  к этому может быть указана  нагрузка в кг — Max load)

V — индекс скорости (определяется  по таблице)

 

2.2 Дюймовая система

 

Пример: 35×12.50 R 15 LT 113R

35 — внешний диаметр   шины, в дюймах

12.50 — ширина  шины, в дюймах (обратите внимание, что это ширина именно  шины, а не протекторной части. Например, для  шины  с указанной шириной 10.5 дюймов ширина протекторной части будет равна не 26.5, а 23 см, а протекторная часть 26.5 см будет у  шины  с указанной шириной 12.5.). Если не указан внешний диаметр, то профиль высчитывается следующим образом: если ширина  шины  оканчивается на ноль (например 7.00 или 10.50), то высота профиля считается равной 92 %, если ширина  шины  оканчивается не на ноль (например 7.05 или 10.55), то высота профиля считается равной 82 %