Конструкции пневматических шин

Пневматическая шина - это упругая оболочка из камеры, покрышки и ободной ленты, жёстко смонтированная на ободе колеса и наполненная сжатым воздухом, который придаёт ей способность передавать тяговое усилие двигателя на дорогу, смягчать толчки и сохранять устойчивость автомобиля при движении (рис.1.1). Камера имеет вид торообразной эластичной резиновой трубки, снабжённой вентилем с обратным клапаном для накачивания воздуха, и предназначена для обеспечения герметичности пневматической шины. По размерам камера немного меньше полости покрышки, что облегчает её монтаж, а на внешней поверхности имеет ряд кольцевых выступов высотой 0,4-0,8мм и шириной 1-2мм для удаления воздуха из полости покрышки при накачивании собранной шины. Часть камеры у обода колеса называется бандажной, а прилегающая к покрышке в зоне протектора – беговой. Толщина камеры, как правило, одинакова по всему поперечному сечению. Ободная лента в виде профилированного эластичного резинового кольца располагается между ободом колеса и камерой для уменьшения её истирания об обод, в легковых и бескамерных шинах она не используется. Обод по способу крепления к ступице колеса может быть дисковым или бездисковым, по конструкции - разборным или неразборным, по конфигурации профиля - плоским, полуглубоким или глубоким, а также с цилиндрическими или коническими посадочными полками.

Рис.1.1. Основные элементы пневматической шины:

1-покрышка, 2-камера, 3-ободная лента, 4-обод.

Покрышка является общим, наиболее важным и сложным по конструкции элементом всех пневматических шин, который обеспечивает сохранение ими заданной формы при действии внутреннего давления и состоит из каркаса, протектора с боковинами, брекера и двух бортов (рис.1.2). Основа покрышки - каркас 1, ответственный за её прочность и эластичность, поэтому изготовляют его из нескольких слоев обрезиненного текстильного корда или металлокорда в виде тонкой стальной проволоки, покрытой слоем латуни или цинка для повышения прочности связи с резиной. Напряжения сдвига в каркасе уменьшают разделительными резиновыми прослойками между слоями корда, особенно расположенными ближе к протектору. Брекер 2 состоит из слоев обрезиненного корда и резиновых прослоек между ними и на границе с каркасом и протектором, служит для повышения прочности связи между ними и амортизации усилий, возникающих при качении шины в результате действия ударных нагрузок. Протектор 3 - наружная резиновая часть шины, ответственная за сцепление с дорогой и защиту от механических повреждений и проникновения влаги. Протектор включает беговую дорожку, подканавочный слой, две боковины 4, зоны усиления и изгиба и плечевые зоны (сухари).

Рис.1.2. Элементы конструкции покрышки: 1-каркас; 2-брекер; 3-протектор; 4-боковина;

5-борт; 6-носок борта; 7-пятка борта; 8-основание борта; 9-наполнительный шнур;

10-крыльевая лента; 11-обёртка; 12-провочное бортовое кольцо; 13-бортовая лента;

14-завороты слоев корда каркаса. Размеры покрышки: Н-высота профиля покрышки;

Н₁-расстояние от основания борта покрышки до горизонтальной осевой линии профиля;

Н₂-расстояние от горизонтальной осевой линии профиля покрышки до экватора; В-ширина профиля покрышки; В_б -ширина беговой дорожки протектора по хорде;R-радиус кривизны протектора; С-ширина раствора бортов; D-наружный диаметр шины; d-внутренний (посадочный) диаметр шины; h-стрела дуги протектора; a-ширина борта.

Борта покрышки 5, каждый из которых имеет носок 6, обращенный внутрь покрышки, основание 8 и пятку 7, соприкасающуюся с закраиной обода, предназначены для её крепления на ободе колеса и состоят из крыльев и бортовых лент 13. Основа крыла - проволочное бортовое кольцо 12 с наполнительным шнуром 9 и обёрткой 11, которое после закрепления на нём слоев каркаса 14 при сборке покрышки обертывают крыльевой тканевой лентой 10. Из габаритных размеров покрышки наиболее важны размеры наружных очертаний поперечного сечения – высоту профиля Н и ширину профиля В, а также наружный диаметр D и внутренний (посадочный) диаметр d. Последний примерно равен диаметру обода колеса.

В зависимости от расположения нитей корда в слоях каркаса различают диагональные и радиальные (меридиональные) шины (рис,1.3). В диагональных шинах (а) каркас состоит из чётного количества обрезиненных слоев корда, нити перекрещиваются, а угол их наклона на экваторе шины к меридиональной плоскости, проходящей через ось ее вращения, составляет 50-55^о и равен углу наклона нитей корда в брекере (как правило, двухслойном). В радиальных шинах (б), называемых часто шинами типа Р (R), нити корда в слоях каркаса покрышки располагаются в меридиональной плоскости, и каждый слой работает самостоятельно. Поэтому они могут иметь нечетное и примерно в два раза меньшее число слоев корда по сравнению с диагональными шинами, что повышает гибкость каркаса. Брекер состоит из нескольких слоев металлокорда, нити которых расположены под углом 70-85^о к меридиональной плоскости.

Рис 1.3. Строение покрышки диагональной (а) и радиальной (б) шины:

1-беговая дорожка протектора; 2-боковина; 3-слои каркаса; 4-брекер; 5-носок борта; 6-пятка борта; 7-борт; 8-бортовая лента; 9-крыльевая лента; 10-бортовое кольцо; 11-доплонительное металокордное крыло; 12-лента для обертки бортового кольца; 13- наполнительный шнур.

Металлокордный брекер, подобно малорастяжимому жёсткому поясу, может воспринимать основную часть усилий, возникающих в радиальной шине под действием внутреннего давления и внешних нагрузок. Благодаря сочетанию гибкого каркаса и жёсткого брекерного пояса радиальные шины превосходят диагональные по износостойкости и долговечности и при этом обеспечивают более низкие потери на качение и меньшее теплообразование. Радиальные шины с металлокордом в каркасе и брекере называются цельнометаллокордными (ЦМК) и характеризуются повышенными скоростными характеристиками, безопасностью и надежностью движения, меньшим расходом топлива и лучшей ремонтопригодностью. Они пригодны к 4-5 кратному восстановлению, что в 1,7-2 раза выше, чем у шин комбинированной конструкции. Применение метал-локорда в каркасе грузовых ЦМК-шин позволило стабилизировать их габариты; снизить теплообразование при эксплуатации на 15-20^оС, повысить грузоподъ-ёмность на 10% и полный ресурс шины с учетом многократного восстановления протектора - на 70-100%. Высокая износостойкость, многократное ремонто-восстановление и низкий расход топлива повышают экологическую безопасность эксплуатации ЦМК-шин. Однако их конструирование, требования к материалам и технология их производства требуют особых подходов.

Беговая дорожка - это наиболее массивная часть протектора с рисунком, от которого зависят удобство управления автомобилем, сцепление с дорогой и сопротивление качению шины, износостойкость и другие эксплуатационные характеристики покрышки. Рисунок протектора состоит из выступов в виде отдельных шашек или грунтозацепов и выемок, включая канавки и щелевидные прорези шириной до 1,5мм в массиве выступов. Под насыщенностью рисунка протектора понимают долю площади поверхности беговой дорожки, приходящуюся на выступы. Различают следующие типы рисунков (рис.1.4):

· дорожный рисунок, образованный узкими продольными канавками, – для дорог с усовершенствованным покрытием, например асфальтобетонным;

· универсальный рисунок с узкими канавками в средней части и широкими канавками по краям беговой дорожки, – для смешанных дорожных условий;

· рисунок повышенной проходимости, образованный массивными грунтозацепами с широкими канавками между ними, чаще в виде «косой ёлки», выходящими на край беговой дорожки, – для мягких грунтов и бездорожья;

· карьерный - рисунок с небольшим числом узких канавок и массивными малорасчлененными выступами – для скалистых и каменистых грунтов;

· «зимний» рисунок с узкими и глубокими, поперечными и диагональными щелевидными канавками - для дорог, покрытых слоем грязи, снега или льда. Каждый тип рисунка беговой дорожки имеет много разновидностей. Дорожный рисунок повышает износостойкость и грузоподъемность шин, скорость до 80¸100км/ч для грузовых автомобилей и до 120¸170 км/ч – для легковых, а универсальный рисунок, получивший наибольшее распространение, - сцепление с дорогой. Применение шин повышенной проходимости ограничивают из-за высокого износа (малой износостойкости) протектора. После выбора рисунка рассчитывают основные размеры протектора: ширину и кривизну беговой дорожки, глубину рисунка и ширину подканавочного слоя.

Рис 1.4. Типы рисунков беговой дорожки протектора грузовых шин:

а-дорожный, б-универсальный, в-повышенной проходимости, г-карьерный.

Шины РС являются разновидностью радиальных шин, в которых роль жёсткого брекерного пояса выполняют съёмные протекторные кольца, армированные металлокордом с перпендикулярным расположением нитей по отношению к меридиональному сечению (рис.1.5). Рисунок колец может быть дорожного или универсального типа или повышенной проходимости, а при износе рисунка они заменяются новыми без восстановительного ремонта шины. Существуют конструкции шин с одним и тремя протекторными кольцами, которые устанавливают между резиновыми направляющими выступами на наружной поверхности ненакачанного каркаса-корпуса. Конструкторские работы по повышению долговечности радиальных шин продолжаются в направлении использования дополнительных усиливающих слоёв по внутреннему профилю и между слоями покрышки и использования новых материалов с меняющимися по профилю жёсткостными характеристиками.

Рис.1.5. Шины РС с тремя (а) и одним (б) протекторным кольцом:

1-протекторные кольца, 2-направляющие выступы, 3-каркас, 4-обод.

Способ герметизации шин – важный конструктивный признак, по которому их подразделяют на камерные и бескамерные шины (рис.1.6). Бескамерная шина – это покрышка, отличающаяся от покрышки камерной шины наличием герметизирующего слоя толщиной 2-2,5мм из газонепроницпемой резины и уплотнительных бортовых лент, а также конструкцией бортов. Воздух, накачиваемый непосредственно в полость покрышки, удерживается в ней благодаря посадке шины на герметичный обод под натяжением. Разновидность бескамерных шин – двухполостные шины, разделенные внутри эластичной диафрагмой. При проколе таких шин воздух выходит только их одной полости, а диафрагма растягивается, облегая внутреннюю поверхность покрышки. Бескамерные шины превосходят камерные по безопасности движения вследствие небольшой утечки воздуха при проколе, по простоте обслуживания и ремонта, а также по массе, так как герметизирующий слой легче камеры. Однако для герметичной посадки бескамерной шины на обод требуются специальное монтажное оборудование и повышенная точность изготовления ободов из высокопрочных материалов. В зависимости от соотношения Н/В шины подразделяют на широкопрофильные, обычного профиля и низкопрофильные. При одном наружном диаметре ширина профиля В обычных шин в 1,5-1,9 раза меньше, чем широкопрофильных. Низкопрофильные шины при той же ширине профиля В имеют меньший наружный диаметр. Увеличение ширины профиля и уменьшение его высоты было одним из главных направлений совершенствования конструкций пневматических шин с момента их появления.

Рис.1.6. Сечение камерной (а), бескамерной (б) и двухполостной бескамерной (в) шин:

1-покрышка; 2-камера; 3-герметизирующий слой; 4-эластичная диафрагма; 5-ободная лента; 6-обод; 7-вентиль; 8-игольчатый клапан; Н-высота профиля; В-ширина профиля.

Системы обозначений шин разнообразны. В обозначении шин обычного профиля двумя числами первое и второе число указывают ширину профиля и посадочный диаметр в мм (например, 240-508, 170-380) или в дюймах (например, 6.70-15). При обозначении по другой системе первое число показывает округленный наружный диаметр шины, а второе – округленную ширину профиля в мм (например, 1140´700). В некоторых случаях обозначение состоит из трех чисел: первое – наружный диаметр, второе – ширина профиля, а третье - посадочный диаметр обода в мм (например, 1200´500-508). Первым числом обозначения легковых шин часто указывают ширину профиля в мм, вторым - высоту профиля в процентах к его ширине, третьим – диаметр обода в дюймах, а радиальных - буквой R после второго числа (например, 175/70R13). Шина имеет порядковый номер, который наносят на боковине, перед ним указывают завод-изготовитель и дату выпуска. Камеры и ободные ленты обозначают чаще так же, как и покрышки, для которых они предназначены.