Технология пневматических шин

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

"МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГИЙ И УПРАВЛЕНИЯ имени к.г. Разумовского"

Филиал ФГБОУ ВПО "МГУТУ имени К.Г.Разумовского" в г. Омске

Кафедра Технологий промышленности

Учебное пособие

ТЕХНОЛОГИЯ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ ШИН

Ю. Н. Никитин

Омск

2014



Рецензенты:

И. В. Мозговой, д-р техн. наук, профессор,

профессор кафедры нефтехимических технологий и оборудования

ФГБОУ ВПО "Омский государственный технический университет";

Вад. И. Суриков, канд. физ.-мат. наук, профессор,

профессор кафедры физики ФГБОУ ВПО "Омский государственный технический университет".

Никитин Ю.Н.

Технология пневматических шин: учеб. пособие. Омск: Изд-во филиала ФГБОУ ВПО "МГУТУ имени К.Г.Разумовского" в г. Омске , 2014.-176с.

В первой главе учебного пособия "Технология пневматических шин" даны краткие сведения о конструкциях и рабочих характеристиках шин различного назначения, а также требования к резинам, каучукам и другим материалам для их производства. Во второй главе пособия изложены особенности основных технологических процессов производства полуфабрикатов для автомобильных шин в дополнение к единой технологии производства резиновых изделий. Особое внимание уделено современному аппаратурному оформлению процесссов приготовления резиновых смесей, профилирования протекторной ленты, обработки и раскроя кордных тканей и изготовления деталей покрышки. Третья глава посвящена сборке и вулканизации покрышек, технологии ездовых камер и велосипедных шин, восстановительному ремонту шин и переработке отходов шинного производства. резина каучук полуфабрикат автомобильный

Учебное пособие предназначено для будущих инженеров-технологов специальности 240502 - "Технология переработки пластических масс и эластомеров", а также для бакалавров направления подготовки 240100.62 - "Химическая технология", профиль "Технология и переработка полимеров".



Оглавление

Предисловие

Введение

Глава 1. Краткие сведения о пневматических шинах и требования к материалам для их производства

1.1 Конструкции пневматических шин

1.2 Рабочие характеристики шин

1.3 Краткое описание шин различного назначения

1.4 Требования к шинным резинам, типовые рецепты резиновых смесей и методы их испытания

1.5 Материалы для изготовления шин

Контрольные вопросы к главе 1

Глава 2. Изготовление полуфабрикатов для шин

2.1 Приемка, складирование, хранение и предварительная подготовка материалов

2.2 Приготовление резиновых смесей

2.3 Профилирование протекторных заготовок и других деталей покрышек

2.4 Обработка и раскрой корда

2.5 Изготовление деталей покрышек

Контрольные вопросы к главе 2

Глава 3. Технологические процессы производства и восстановления шин и утилизации отходов

3.1 Сборка покрышек

3.2 Формование, вулканизация и контроль качества покрышек

3.3 Технологический процесс производства ездовых камер

3.4 Технологии производства велосипедных шин

3.5 Технологии восстановления шин и использование отходов

Контрольные вопросы к главе 3

Библиографический список

Предисловие

Идея пневматической шины родилась в 1845 году, когда Р.В. Томсон предложил использовать принцип сжатого воздуха, заключённого в эластичную оболочку, для смягчения толчков и ударов при движении. Датой рождения технологии резины считают 1850 год, когда известный европейцам с XV века натуральный каучук (НК), через 11 лет после открытия процесса его вулканизации серой (1839г), нашел применение в качестве первого природного эластомера при изготовлении галош, шин для велосипедов и других изделий. Технология пневматических шин получила особенно бурное развитие с появлением первого автомобиля (1895г), превратившись к 1900г в крупнейшую самостоятельную область потребления НК. В то время ещё не знали о полимерах, растворы НК относили к коллоидам, а их высокую вязкость объясняли ассоциацией малых молекул в крупные частицы за счет сил межмолекулярного притяжения (теория ассоциатов). Только в 1920году, после 10 лет исследований, Г. Штаудингер усомнился в теории ассоциатов, а к 1935г создал теорию цепных молекул и ввел термин "макромолекула". Кун изучил свойства макромолекул, а Гут, Джеймс и Флори развили научные представления о газовой природе упругости эластомеров (каучуков). К 50-м годам XX века сложилась наука о полимерах, положившая начало многочисленным исследо-ваниям взаимосвязи структуры вулканизационных сеток со свойствами резин.

Первые композиционные пневматические шины на основе НК состояли из протектора и каркаса, вулканизацию их ускоряли большими количествами оксидов металлов (цинка, реже свинца), а с 1906г - добавками анилина, тиокарбанилида или гексаметилентетрамина. Открытие явления усиления НК одни источники (Доннэ Дж.) относят к 1892 году, другие (Аллигер Г, Сьетун И.) - к 1912 году, но применение первого усиливающего наполнителя - канального техуглерода началось с 20-х годов. В 30-х годах с появлением на рынке дифенилгуанидина и меркаптобензтиазола началось широкое применение органических ускорителей вулканизации и массовое внедрение синтетических каучуков, а введением стеариновой кислоты снизили количество оксида цинка. С 1943 года в США началось внедрение печного техуглерода, а с 50-х годов - стереорегулярных каучуков. Из достижений XX века открытие явления усиления эластомеров техуглеродом было выдающимся, превратившим резину в уникальный конструкционный материал, который и обеспечил мировой технический прогресс не только в автомобилестроении, но и во всех других сферах человеческой деятельности, включая успехи в космосе.

В 60-е годы углеродная технология пневматических шин в конкуренции с бессерными способами вулканизации (Гиллер А., Теламон К., Догадкин Б.А. и др.) отстояла серу в качестве главного сшивающего агента, уступив алкилфенолоформальдегидным смолам лишь в рецептуре диафрагм на основе бутилкаучука для форматоров-вулканизаторов. В 80-е годы серьезную угрозу углеродной технологии шин создало на Западе мощное движение "зеленых" в защиту среды обитания человека от выхлопных газов автомобиля и продуктов износа шин, поскольку техуглерод признали опасным для здоровья человека канцерогенсодержащим материалом. В ответ на требования "зелёных" разработан органосилановый вариант технологии шин, предусматривавший полную замену активного печного техуглерода на коллоидную кремнекислоту, однако внедрён он был лишь частично - только на Западе, только в протекторе легковой шины и с сохранением 25% техуглерода. В углеродном варианте технологии техуглерод усиливает вулканизацию каучука, локализуя этот процесс в коллоидных углеродо-каучуковых частицах, что повышает функциональность и прочность узлов пространственной сетки резины. В органосилановом варианте кремнекислота становится основным усиливающим наполнителем резины, а техуглерод улучшает её диспергирование. Россия не внедрила и остановила дальнейшее продвижение этого вариагта на Восток и увеличила объёмы производства техуглерода по технологии, экологически опасной для человека, что позволило западным фирмам за счет этого ещё больше сократить его производство. Выгодно ли это России - покажет будущее.

Композиционные шины обоих вариантов углеродной технологии имеют свои плюсы и минусы и мало различаются между собой, уступая по показателям качества новым более экологичным и безопасным в эксплуатации полиуретановым литьевым шинам. Литьевые технологии позволяют получать шины любой окраски, подбираемые под цвет автомобиля, и не нуждаются в энергоёмких процессах смешения и вулканизации. Они практически готовы к внедрению, но это требует больших затрат. Поэтому оба варианта углеродной технологии шин пока продолжают успешно развиваться, и начало процесса их замены на литьевые технологии предсказать невозможно.

Новая концепция развития автомобильной промышленности России привела к увеличению выпуска автомобилей почти в три раза, что влечёт за собой рост поставок шин на их комплектацию. При этом доля устаревших автомобилей сократилась с 50 до 30%. Структурные изменения в ассортименте продукции выражаются в опережающем росте выпуска легковых шин, а в составе грузовых - легкогрузовых и крупногабаритных. С ростом грузоподъёмности и скоростей движения автомобилей растут требования автомобилестроителей к качеству шин, которые удовлетворяются путем перехода на выпуск шин радиальной, бескамерной и цельнометаллокордной конструкций. Это сопровождается повышением качества применяемых материалов и реконструкцией технологических процессов, которая проходит в условиях жесткой конкурентной борьбы за выживание на мировом рынке.

В последние годы происходят грандиозные качественные изменения отечественной технологии шин в направлении автоматизации технологических процессов и модернизации оборудования. С автоматизацией операций приёмки и складирования материалов, дозирования и подачи их в производство, с освоением подвесных толкающих конвейеров и герметичных пневмосистем транспорта, высотных стеллажных складов и складских штабеллеров резко сократилась доля ручного труда. С применением резиносмесителей большой единичной мощности и смесителей непрерывного действия, червячных машин холодного питания и их агрегатов, автоматизированных сборочных станков и многопозиционных вулканизаторов покрышек резко повысилось качество и прецизионность пневматических шин.



Введение

Пневматическая шина относится к группе эластичных резинокордных оболочек, состоящих в основном из резины, и является важной деталью подвески автомобиля, самолета или другой машины. Резину получают вулканизацией (химическим структурированием) весьма сложных композиций - резиновых смесей, в которых в качестве полимерной основы применяют каучуки (эластомеры). Кроме каучуков, шинные резиновые смеси содержат до 15-20 ингредиентов - вулканизующих агентов, ускорителей и активаторов вулканизации, наполнителей и мягчителей, антиоксидантов, антиозонантов и противоутомителей, а иногда и замедлителей подвулканизации. Детали для изготовления шины (полуфабрикаты) получают листованием резиновых смесей и обрезинкой кордных тканей на каландре, профилированием протекторных лент, автокамерных и других заготовок на шприцмашине и раскроем резинотканевых лент на резательных машинах различных конструкций.

Резина является наиболее уникальным полимерным композиционным материалом, обладающим способностью к высокоэластическим деформациям - при небольшой нагрузке легко деформируется до 500-1000% и восстанавливает свою первоначальную форму после снятия нагрузки. Применение резины в шинах обусловили также её высокая прочность, усталостная выносливость, водо- и газонепроницаемость и стойкость к действию агрессивных сред. Благодаря уникальным свойствам резины автомобилестроение развилось до такого уровня, что пневматические шины составляют половину мирового объема производства резиновых изделий и потребляют 50% всех каучуков.

Металлокорд в виде троса, свитого из латунированной стальной проволоки, становится лидером в ряду армирующих материалов для каркаса и брекера покрышки, вытесняя кордные ткани полотняного переплетения с прочной основой из крученых нитей на основе химических волокон и редким утком. Эксплуатационные свойства шин, содержащих кордные ткани, определяются только прочностью нитей основы, а уток лишь удерживает нити в ткани при её переработке - пропитке, обрезинивании и раскрое. Кроме кордных тканей, для армирования бортов покрышки применяют также проволочную плетёнку и другие текстильные ткани - чефер и бязь.

Технология пневматических шин является частью единой технологии производства резиновых изделий, дополняя её, и поэтому начинается также с общих процессов приемки, складирования и хранения каучуков, ингредиентов и армирующих материалов. Далее следует предварительная подготовка материалов - освобождение их от тары и подачи транспортом на дозирование. Каучуки для облегчения дозирования часто подвергают гранулированию, а НК для улучшения технологических свойств - декристаллизации и механической пластикации. Далее идут операции изготовления полуфабрикатов для производства шин, которые включают приготовление резиновых смесей, обработку и раскрой кордной и других тканей на полосы различной ширины и под различными углами к направлению нитей основы, профилирование протекторной ленты и изготовление других деталей покрышки. Конфигурация и размеры заготавливаемых полуфабрикатов определяются конструкцией и габаритными размерами шины. Только после этих операций становится возможным приступить к выполнению весьма трудоемких технологических процессов производства основного и самого сложного резинокордного элемента пневматической шины - её покрышки. Собственно технология пневматических шин включает основные процессы сборки и вулканизации покрышек, заключительные операции обрезки выпрессовок, разбраковки и балансировки покрышек, а также законченные технологии изготовления других её элементов - ездовых камер и ободных лент. При кажущейся простоте технология очень сложна и имеет множество вариантов аппаратурного оформления, особенно операции приготовления резиновых смесей, сборки и вулканизации покрышек, формирующие качество шин. Поэтому технология каждой ведущей фирмы имеет свои особенности. Поскольку на технологию шин влияют не только используемые материалы, но также назначение и конструкция шины, в первой главе приводятся краткие сведения о конструкции и рабочих характеристиках шин различного назначения и о материалах для их производства.



Глава 1. Краткие сведения о пневматических шинах и требования к материалам для их производства

1.1 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 80100км/ч для грузовых автомобилей и до 120170 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, 1140700). В некоторых случаях обозначение состоит из трех чисел: первое - наружный диаметр, второе - ширина профиля, а третье - посадочный диаметр обода в мм (например, 1200500-508). 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.

1.2 Рабочие характеристики шин

На неподвижную шину действуют силы внутреннего давления и статической нагрузки на колесо, а при её качении добавляются динамические нагрузки и нагрузки от перераспределения массы автомобиля между его осями и колесами. Под их действием шина испытывает циклические деформации, величина и направление которых в разных её зонах различны. За время амортизационного пробега число циклов деформации шины достигает десятков миллионов, а температура эксплуатации вследствие теплообразования - 60-90^оС. Важной функцией шины является защита автомобиля от возмущений дороги, но на хорошей дороге выявляется ещё один источник возмущений - сама шина с колесом автомобиля, которые не являются идеально однородными конструкции-ями. Возмущающие силы являются периодическими с периодом, равным времени одного оборота колеса, а вклад шины в общую неоднородность колеса - основным, состоящим из геометрической неоднородности (биение), неоднородного распределения масс (дисбаланс) и неоднородности по жёсткости. Суммарная неоднородность колеса получила название силовой неоднородности и является причиной появления дополнительных сил при качении шины. К основным требованиям, предъявляемым к шинам, относятся:

· передача нагрузки автомобиля, а также приводных, тормозных и направляющих сил на поверхность дороги;

· образование поперечных сил для поворота и удерживания направления движения, точное и быстрое реагирование на управление;

· амортизация ударов, обеспечение достаточной эластичности и способности преодолевать препятствия, низкий уровень шума и комфортабельность езды;

· хорошее сцепление с поверхностью дороги и низкое сопротивление качению;

· долговечность, безопасность движения и минимальная масса.

Рабочие характеристики шин определяют их эксплуатационные свойства и включают грузоподъёмность, долговечность, сцепление с дорогой, сопротивление качению, амортизационная способность, комфортабельность, шум при движении, проходимость, надёжность, экономичность и др.

Грузоподъёмность является важнейшей рабочей характеристикой шины и выражается максимальной допустимой статической нагрузкой, при которой обеспечиваются заданные значения долговечности и других ее технических характеристик. От этого показателя зависят габариты и другие конструктивные параметры шин, внутреннее давление и число слоев корда в них. С нагрузкой на шину связана также ее радиальная деформация (прогиб), определяющая режим работы корда и резины. Зависимость между грузоподъёмностью Q и шириной профиля В выражается приближённым соотношением: Q=КВ², где К - коэффициент грузоподъемности, равный 1,4-1,8 для легковых и 2,3-3,3 для грузовых шин. Грузоподъёмность шин изменяется в зависимости от условий их эксплуатации. Так, при снижении скорости движения она может быть увеличена, а при работе с большими динамическими нагрузками, особенно в плохих дорожных условиях, должна быть уменьшена.

Долговечность шины характеризуют пробегом до износа выступов рисунка протектора. По условиям безопасности движения и для защиты каркаса от повреждений минимальная высота выступов рисунка грузовых и легковых изношенных шин должна быть соответственно 0,5 и 1,0-1,5 мм. Долговечность выражают пробегом L в км в зависимости от высоты выступов рисунка h в мм новой шины и определяют по формуле: L=1000(h-h₁)/Дh, где h₁-минимально допустимая высота рисунка; Дh-удельный износ рисунка на 1000 км пробега. Долговечность шин зависит от эксплуатационных факторов, снижаясь при ухудшении дорожных и климатических условий, превышении допустимой нагрузки и увеличении скорости движения. На дорогах с булыжно-щебёночным покрытием долговечность шины составит 80-85%, а на дорогах в неудовлетворительном состоянии на лесоразработках, стройплощадках и в каменных карьерах - 50-60% долговечности на дорогах с усовершенствованным покрытием. По сравнению с пробегом шины на равнинных дорогах пробег на горных дорогах снижается на 15-20%.

Износ и разрушение шины ускоряется превышением допустимой нагрузки из-за увеличения деформаций и напряжений в материале покрышки. Коэффициент K_L^Q, учитывающий зависимость пробега L от нагрузки Q, определяют приближённо по формуле: K_L^Q=L_Q1/L_Q=[0,72/(K_Q-0,4)]-0,2. При этом

L_Q и L_Q1 характеризуют пробег при максимально допустимой нагрузке Q и нагрузке Q₁ соответственно, а K_Q=Q₁/Q. При увеличении скорости движения автомобиля износ протектора и теплообразование в шине растут вследствие большего проскальзывания элементов его рисунка по поверхности дороги. Коэффициент K_L^V, учитывающий изменение пробега L от скорости V, определяют приближённо по формуле: K_L^V=L_V1/L_V=[0,72/(K_V-0,15)]-0,2, где L_V и L_V1 -пробег при скорости 50 км/ч и скорости V₁ соответственно, K _V=V₁/V.

Правильная эксплуатация и достижение максимального пробега шины обеспечиваются поддержанием в них оптимального внутреннего давления. При повышении его уменьшается амплитуда напряжений и деформаций в шине, что способствует снижению теплообразования, но возрастают напряжения и соответственно опасность разрыва каркаса при наезде на препятствие. Изменение конфигурации шины под нагрузкой и рост удельного давления в площади её контакта с дорогой при повышении внутреннего давления вызывают ускоренный износ протектора. С повышением давления в шине растут амплитуды деформаций и напряжений, теплообразование и усталостное разрушение, что проявляется в отслоении от резины и разрыве нитей корда, а с повышением - перераспределяется давление по площади контакта с дорогой. Оно снижается в центральной части беговой дорожки протектора и повышается по ее краям, что обуславливает ускоренный износ протектора в этой зоне. Коэффициент K_L^p учитывает зависимость пробега L от внутреннего давления p и определяется по формуле: K_L^p=L_p1/L_p=-1,2K²_p+2,9K_p-0,7, где L_p и L_p1 - пробег при оптимальном давлении p и при давлении p₁ соответственно, а K_p=p₁/p.

Сцепление шины с дорогой - один из важнейших факторов безопасного движения автомобиля. Недостаточное сцепление является причиной 25-40% дорожно-транспортных происшествий на мокрых дорожных покрытиях и 5-10% - на сухих. Сцепление оценивают коэффициентом ц=Р_ц/Q, где Р_ц - сила сцепления шины с дорогой. Минимальные допустимые значения ц изменяются от 0,4 до 0,6 в зависимости от дорожных условий. Конструктивные особенности рисунка протектора не оказывают существенного влияния на сцепление шины с сухим твердым дорожным покрытием, но в значительной степени определяют сцепление с мокрым дорожным покрытием. В частности, от рисунка протектора зависит критическая скорость качения шины, выше которой вода на мокрой дороге не успевает выдавливаться из-под выступов рисунка (эффект аквапланирования). В этом случае тонкий слой воды, отделяющий шину по всей поверхности её контакта от дороги, снижает коэффициент сцепления до 0,02. В последние десятилетия активно решали также проблемы экологической безопасности путем уменьшения расхода топлива автомобилем и количества техуглерода в составе протекторных резин, загрязняющих среду обитания человека продуктами горения и износа.

Сопротивление качению шины определяет динамические качества автомобиля и расход топлива на его движение, от которого зависит количество выбрасываемых в атмосферу вредных продуктов его горения. При скоростях до 100 км/час на преодоление сопротивления качению затрачивается основная часть мощности двигателя автомобиля. Этот показатель существенно зависит от массы шины и конструкции протектора, а также от материалов, из которых они изготовлены. Коэффициент сопротивления качению f=Р_к/Q, где Р_к - сила сопротивления качению. При эксплуатации на мягких грунтах f=0,3-0,4 и на хороших дорогах с асфальтобетонным покрытием f=0,014-0,015.

Амортизационная способность - это свойство шины как элемента подвески автомобиля гасить динамические нагрузки, что проявляется в снижении уровня шума и повышении комфорта езды. Она зависит от жёсткости шины и измеряется нагрузкой на единицу радиального прогиба в кН/м или кгс/см. Амортизационная способность улучшается с увеличением отношения Н/В и ухудшается с увеличением толщины каркаса, угла наклона нитей корда в нём и внутреннего давления в шине. Оптимальная амортизация автомобиля достигается при правильном сочетании значений амортизационной способности шины и других элементов подвески автомобиля.



1.3 Краткое описание шин различного назначения

Пневматические шины по назначению подразделяют на группы:

· легковых и легкогрузовых шин, являющихся наиболее массовыми;

· грузовых шин, включая строительно-дорожные, крупногабаритные (КГБ), сверхкрупногабаритные (СКГБ) и шины-гиганты;

· шин для тракторов и сельскохозяйственных машин;

· авиашин;

· мотошин и велошин.

Классификация шин по назначению определяет основные требования к их конструкции. В каждую группу шин этой классификации могут частично или полностью входить шины с различными конструктивными признаками.

Легковые шины должны обеспечивать высокую безопасность при больших скоростях движения, комфортабельность езды и хорошие ходовые качества автомобиля. Современные легковые шины массовых размеров (165/80R13, 175/70R13) - это шины радиальной конструкции с каркасом из одного слоя обрезиненного анидного корда 13АЛТДУ, брекером из двух слоёв металлокорда 4Л27, бортом с одним кольцом из 20 проволочек и многообразием рисунков протектора (рис.1.7). Обводные змеевидные канавки рисунков предохраняют протектор от скольжения, а многочисленные щели и ламели оригинальной формы повышают сцепление его с мокрым дорожным покрытием, прорезая водяную плёнку своими острыми краями. Для предотвращения закупоривания под давлением или на поворотах их укрепляют полукруглыми стабилизаторами. Рифлёная поверхность боковой беговой части протектора способствует охлаждению покрышки при высоких скоростях езды, а скруглённые края выступов - формированию более развитого и полного контакта с дорогой. Выступы протектора мягко контактируют с дорогой и жёстко воспринимают действие внешних сил, чему способствуют глубокие ламели в средней его части, соединение частей каждого выступа в "ласточкин хвост" и изначально притёртая форма каждого выступа. Оптимизация сочетания размеров выступов и порядка их чередования по окружности снижают их резонансные колебания и уменьшают шумообразование. Улучшение геометрии внешнего профиля протектора в форме гиперболической спирали и резинокордной структуры поперечного сечения повышают площадь контакта и оптимизируют её форму и распределение удельных давлений в ней.

Рис.1.7. Современные легковые шины массовых размеров

для скоростных автомобилей: а-MXL, б-MXV, в-MXX.

При качении шины внутри её резинокордной оболочки образуется жёсткая область объёмного сжатия в результате распрямления беговой дорожки протектора в плоскость дороги и расплющивания выступов под нагрузкой, и чем больше её величина, тем хуже эксплуатационные свойства шины. В легковых шинах нового поколения величина этой области минимальна. Для эксплуатации на грязных, заснеженных и покрытых льдом горных дорогах разработаны так называемые шины M+S (грязь+снег), работающие как стандартные шины с цепями противоскольжения (рис.1.8). Пояса открытых остроугольных выступов обеспечивают таким шинам плотное прилегание к поверхности, а глубокие змеевидные обводные канавки облегчают держать направление движения на дороге с размокшей поверхностью. Бортовые рёбра, действующие как лопатки или маленькие вёсла, облегчают езду по заснеженным дорогам. Многочисленные узкие щели в выступах улучшают сцепление шины с дорогой.

Рис.1.8. Шины для сложных условий эксплуатации легковых автомобилей:

а-XM+S 100, б-XM+S 300, в-XM+S 200.

Рис.1.9. Общий вид шины с шипами противоскольжения (а), устройство шипа (б)

и схема его установки в покрышку (в): 1-корпус, 2-сердечник, 3-фланец, 4-пятка,

А - правильная установка шипа, Б - неправильная установка шипа.

В зимних условиях на обледенелых дорогах используются обычные шины, в протектор которых запрессованы шипы противоскольжения диаметром 8-9мм в количестве 100-250 штук (рис.1.9). Сердечник шипа изготавливается из твёрдого сплава порошка карбидов вольфрама и кобальта и должен выступать над поверхностью протектора на 1,5-2мм, а корпус - из стали или пластмассы. Эффективность применения шипованных шин растёт с уменьшением коэффициента сцепления, а недостатки - они повышают износ дорог и опасность аквапланирования и разрушают разметку дорог. Для снижения износа дорог рекомендуют ограничивать скорость движения, уменьшать высоту выступающей части шипов и применять шипы из пластмасс.

Рис.1.10. Шины с асимметричным рисунком протектора для легкогрузовых автомобилей:

а - Х4Ч4, б - ХС4, в - ХРS.

Асимметричные рисунки протектора создаются в шинах легкогрузовых автомобилей для улучшения сцепления с заснеженными или покрытыми льдом дорогами (рис.1.10). В современной конструкции шины рисунки протектора имеют многочисленные варианты, и даже небольшие изменения могут изменять её работоспособность. Конструкцию рисунка отрабатывают годами от модели к модели, совершенствуя по результатам испытаний и опыту эксплуатации.

Скоростные легковые шины для гоночных и спортивных автомобилей делят на три категории: для шоссейно-кольцевых, горных и трековых дорог. К ним относятся также шины для рекордных заездов на короткие дистанции, для которых главное - скорость движения, а износостойкость не имеет значения, и шины для повышенных скоростей движения в обычных условиях, которые должны удовлетворять всем требованиям к обычным шинам. Работа шины при высоких скоростях связана с возникновением больших динамических нагрузок, развитием повышенных температур, деформацией отдельных элементов и ростом потерь на качение. При критической скорости качения шины за выходом её из контакта с дорогой возникает стационарная волна, сопровождающаяся увеличением сопротивления качению, перераспределением давлений в зоне контакта и снижением долговечности шины. Конструкция скоростной шины должна обеспечить высокую критическую скорость качения.

При взаимодействии протектора с мокрой дорогой возникает явление "всплытия" шины, и колесо начинает работать на грани аквапланирования (рис.1.11). На участке "А" в передней части контакта вода не успевает отводиться в канавки протектора и в стороны, поэтому возникает водяной клин, а коэффициент сцепления падает почти до нуля. Участок "В" - переходная зона, в которой водяной слой частично разорван, в результате чего имеется жидкое и сухое трение, и только на участке "С" передаются силы от колеса к дороге. Поэтому число аварий на мокрой дороге растет с 7% до 20-40%. С увеличением скорости движения автомобиля растёт также опасность потери внутреннего давления в шине из-за пробоев и проколов, что также приводит к аварии.

Рис.1.11. Взаимодействие протектора шины с мокрой дорогой:

А-передняя часть контакта, В-переходная зона, С-задняя часть контакта.

Бескамерные шины, созданные в 1954-1958 годах, явились важным шагом в решении проблемы безопасности езды. Проникновение посторонних предметов уже не вызывало в них резкого падения давления, но после прокола они не давали большого пробега. Дальнейшие работы привели к созданию более безопасных систем колесо-шина и методов их самогерметизации при пробоях и проколах. Наиболее перспективны самоподдерживающиеся конструкции "Деново-2", системы шин с шиной-вставкой и герметизация проколов по беговой дорожке протектора герметизирующимися композициями. Большая группа безопасных шин сконструирована по схеме "шина в шине", и одна из них - "Трипгард" японской фирмы Бриджстоун (рис.1.12). Шина TGS-1 - самонесущая конструкция с усиленной боковой стенкой и дополнительным креплением бортов упругими камерами, способными удерживать боковые стенки для продолжения движения автомобиля на расстояние до 200км со скоростью 80км/ч. Шина TGS-2 состоит из основной шины бескамерной конструкции с усиленными бортами и смазкой на внутренней поверхности под беговой дорожкой. При проколе основной шины нагрузку воспринимает камерная шина-вставка, которая накачивается через специальный вентиль, фиксирует и прижимает к ободу её борта, что обеспечивает устойчивое продолжение движения автомобиля.

Рис.1.12. Шины системы "Трипгард" для автомобилей среднего класса (TGS-1)

и для легкового автомобиля большого класса (TGS-2).

Грузовые шины должны удовлетворять требованиям высокой грузоподъёмности, надежности, долговечности, проходимости в различных дорожных условиях и минимальной массы. Поэтому в зависимости от дорожных условий применяют шины камерной и бескамерной конструкции с дорожным рисунком протектора с насыщенностью 65-85% и универсальным с насыщенностью 50-70%. На городские автобусы ставят радиальные шины с утолщённой боковиной, защищающей тонкий каркас от повреждений о бордюрные камни тротуаров. В плохих дорожных условиях работы на самосвалах и прицепах иногда применяют широкопрофильные шины вместо двух обычных, а также арочные с регулируемым давлением и пневмокатки.

Строительно-дорожные шины эксплуатируются при невысоких скоростях движения машин, для уплотнения дорожных покрытий имеют гладкий протектор, а мягких грунтов - с рисунком повышенной проходимости. Шины для землеройных машин (скреперы, автогрейдеры, бульдозеры и др.) должны обладать высокой проходимостью и стойкостью к механическим повреждениям, выдерживать большие нагрузки, передавать большие тяговые усилия. Они являются крупногабаритными с массивным протектором и рисунком повышенной проходимости. Шины для самоходных катков и автопогрузчиков работают на строительных площадках или промышленных предприятиях при скоростях до 5 км/час, имеют высокопрочный каркас и толстый протектор для защиты от механических повреждений и работают при сравнительно высоких внутренних давлениях (до 0,5-0,7МПа).

Широкопрофильные шины (рис.1.13) работают при меньшем давлении и отличаются от обычных в 1,5-1,9 раз большей шириной профиля В и обода С колеса, что уменьшает отношение Н/В с 0,9-1,05 до 0,65-0,85 и увеличивает отношение С/В с 0,55-0,65 до 0,70-0,75. Арочные шины, у которых отношение Н/В достигает 0,35-0,5 при большей в 2,0-2,5 раза ширине профиля В по сравнению с обычными равной грузоподъемности, а ширина обода С близка к В, особенно эффективны в условиях осенней и весенней распутицы. С помощью централизованной системы контроля в шинах с регулируемым внутренним давлением его снижают при работе на мягких грунтах и повышают при движении по твердым дорогам. Пневмокатки работают на глубоком снегу, рыхлом песке и в болотистых местностях при низком давлении (0,4кгс/см²), являются шинами сверхвысокой проходимости, имеют бочкообразную форму с малыми наружным и внутренним диаметрами и очень широким профилем. Отношение ширины профиля к наружному диаметру В/D для них равно 1-2, наружного диаметра к посадочному D/d - 4, а высоты профиля к ширине Н/В лежит в пределах 0,25-0,375.

Рис.1.13. Внешний вид арочной шины (а) и пневмокатка (б).

Схема применения широкопрофильной шины (1) вместо двух обычных (2).

Крупногабаритные (КГШ) и сверхкрупногабаритные (СКГШ) шины для карьерных автомобилей большой единичной мощности (27-45т и 75-180т соответственно) и землеройно-транспортных машин имеют толстый рисунок протектора повышенной проходимости, выдерживают значительные нагрузки и передают большие тяговые усилия. Армируют их кордом повышенной прочности и теплостойкости, герметизируют внутреннюю поверхность бескамерных шин гермослоем шириной более 3000мм из нескольких по ширине полос смеси на основе комбинации НК и ХБК. Герметичность соединения колеса с шиной достигается специальной конструкцией борта и обода (рис.1.14).



Рис.1.14. Конструкция бортовой зоны бескамерной СКГШ и её сопряжение с ободом: 1-герметизирующий слой, 2-первая группа слоёв каркаса, 3-крыльевая лента, 4-наполни-тельный шнур, 5-бортовое кольцо, 6-наполнитель между группами слоёв, 7-корпус обода, 8-съёмная посадочная полка обода, 9-резиновое уплотнительное кольцо, 10-замочное кольцо обода, 11-закраина обода, 12-бортовая лента, 13-бортовая лента на основе монофиламентной сеточной ткани, 14-замочная группа слоёв; д-натяг борта на полке обода, ?-гарантированный зазор между бортом и корпусом обода.

Радиальные широкопрофильные КГШ с регулируемым давлением и асимметричным рисунком протектора применяют для тяжёлых условий работы, а шины диагональной конструкции - для лёгких и средних условий. В вездеходах используют КГШ и СКГШ различных типов и размеров с внешним диаметром 0,75-3м и низким внутренним давлением (0,02, а пневмокатки - даже 0,005МПа), СКГШ размеров 27.00-49, 33.00-51 и 40.00-57 имеют бескамерную конструкцию и наиболее высокую слойность каркаса (табл.1.1).

...