Анализ конструкций колёс и шин повышенной безопасности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализ конструкций колёс и шин повышенной безопасности

На сегодняшний день существует множество конструкций безопасных колес с опорами. Они применяются в различных сферах технических разработок от велосипеда до космической промышленности.

На листе 19060165.АВ06ДП.00000СВ графической части приведены варианты безопасных колес с упругими опорами.

Ежегодно на российских дорогах погибает 30 тысяч человек. 1000 - в день. 100 человек - в час. И причина - не всегда нарушение правил дорожного движения. Зачастую аварии случаются из-за механического повреждения шин. При сквозных механических повреждениях шины давление в ней резко падает, и на большой скорости это может привести к аварии.

Стремление повысить безопасность движения привело к появлению ряда новых конструктивных решений для шин и ободьев. Важнейшим шагом в этом направлении стало создание бескамерных шин. Их использование в специальной технике, а также применение на изделиях централизованной системы подкачки шин воздухом повышает стойкость к повреждениям. Однако система подкачки шин может компенсировать утечку воздуха и поддерживать давление в шине только до определенного предела, в зависимости от количества и характера сквозных повреждений. При сквозном повреждении обода колесо, как правило, выходит из строя, ибо система подкачки в этом случае не обеспечивает поддержания даже минимально допустимого рабочего давления в шине. Частично эта проблема решается за счет применения резинокордного распорного кольца.

Но это не решило кардинально проблему безопасности. Более того, выявилась необходимость создания специальных шин и систем, получивших название «безопасные» для обычных автомобилей, а для специальных автомобилей - «боестойкие». Цель таких конструкций - обеспечение достаточной герметизации отверстия при пробое колющим предметом и устойчивое движение автомобиля. Для обеспечения управления автомобилем, движущимся на спущенной шине, безопасные шины должны иметь высокое сопротивление боковому уводу, позволяющее управлять автомобилем без заноса на прямой дороге под воздействием боковых сил и при движении автомобиля на вираже, а также при выполнении маневров на дороге, сохранять свое положение на ободе так, чтобы борта не смещались и не сходили с полки обода. При этом ни одно из качеств, повышающих безопасность движения автомобиля, не должно быть достигнуто за счет ухудшения комфортабельности и скоростных свойств.

Стремление повысить безопасность движения привело к появлению ряда новых конструкций пневматических шин. Для сохранения управляемости и устойчивости транспортного средства при резком падении давления воздуха в шине были разработаны конструкции безопасных шин, которые первоначально применялись на автомобилях, предназначенных для перевозки высокопоставленных пассажиров, а также на военных и специальных транспортных средствах. В настоящее время безопасные пневматические шины получают широкое распространение на автомобилях общего пользования.

Известны различные конструкции пневматических безопасных шин, принцип работы которых состоит в том, что при повреждении шины всю нагрузку на колесо воспринимает обод специальной конструкции или дополнительная внутренняя опора, которая может быть как жёсткой, так и упругой. На рисунке 1, в качестве примера, изображены пневматические безопасные шины с дополнительными опорами.

а б

а - пневматическая шина Conti Support Ring компании Continental;

б - пневматическая шина Michelin PAX с эластичной кольцевой вставкой

Рисунок 1. Безопасные пневматические шины с дополнительными опорами

Такая шина представляет собой монолитный резиновый массив, жёстко закреплённый на ободе колеса или на специальном бандаже. К преимуществам массивных шин можно отнести то, что в эксплуатации они гораздо надёжнее пневматических - проколы, порезы, трещины, сколы резинового массива, внедрение в резину посторонних предметов не приводят к потере работоспособности колеса. Это обстоятельство позволяет эксплуатировать массивные шины в условиях металлообрабатывающих и машиностроительных заводов, где есть опасность повреждения колёс металлической стружкой или другими острыми предметами. Кроме того, массивные шины в сравнении с пневматическими имеют больший срок службы и грузоподъёмность и не требуют технического обслуживания в эксплуатации.

а)

б) в)

а - конструкция; б - клапан лепесткового типа; в - клапан электромагнитного типа; 1 - диск с ободом; 2 - ободная лента; 3 - перегородка; 4 - камера; 5 - покрышка; 6 - клапан; 7 - перепускные отверстия; 8 - вентиль

Рисунок 2. Колесо с пневматической шиной повышенного демпфирования

На рисунке 2 изображена пневматическая шина повышенного демпфирования, которая с успехом может использоваться и как безопасная.

Повышенные безопасность и боестойкость пневматической шины обеспечиваются тем, что стандартные колесо 1 и покрышка 5 комплектуются специальной камерой 4. Внутренний объём этой камеры разбивается на несколько полостей герметичными перегородками 3, на поверхности которых установлены перепускные клапаны 6.

Данная шина также позволяет улучшить плавность хода, повысить проходимость и снизить уровень динамических нагрузок на транспортное средство при движении по неровным дорогам и бездорожью за счёт следящего действия клапанов за изменением внутреннего давления воздуха в контактирующих с неровностями дороги полостях камеры.

Количество полостей определяется размерами шины и способностью каждой полости реагировать на различные неровности дорожного полотна существенным изменением внутреннего давления воздуха, а конструкция клапанов предусматривает их открытие в каком-либо направлении при возрастании давления на заданную величину, определяемую дорожными условиями и параметрами движения транспортного средства.

Принцип действия пневматической шины поясняется на рисунке 3. При наезде на неровность 9 происходит быстрый сброс воздуха из полостей, взаимодействующих с неровностью (например, полости А), в другие полости шины (B, C, D). Этот процесс приводит к уменьшению внутреннего давления в контактирующих с дорогой полостях и сопровождается дополнительными потерями на трение воздуха при перетекании через клапаны, что позволяет уменьшить вертикальную реакцию и, следовательно, снизить уровень динамических нагрузок на несущую систему транспортного средства. При этом будет существенно возрастать и поглощающая способность шины как за счёт увеличения деформации покрышки в зоне полостей, сбросивших давление, так и за счёт трения воздуха при перетекании через клапаны.

3 - перегородка; 4 - камера; 5 - покрышка; 6 - клапаны; 9 - неровность дороги; A, B, C, D, E, F, G, H - полости камеры; - линейная и угловая скорости колеса; М_кр - крутящий момент; М_р - реактивный момент

Рисунок 3. Схема работы колеса с шиной повышенного демпфирования

Перепускные клапаны могут выполняться как простой конструкции, например лепесткового типа (рисунок 2, б), так и более сложной, например, электромагнитного типа (рисунок 2, в), что позволяет управлять ими вручную и автоматически с заданием давления срабатывания в зависимости от дорожных и скоростных условий движения транспортного средства. Применение управляемых клапанов имеет ещё одно преимущество - при движении по дорогам с твёрдым покрытием клапаны можно закрыть и тогда шина будет иметь эксплуатационные свойства, сопоставимые со стандартной.

1 - обод; 2 - покрышка; 3 - полимерная спираль.

Рисунок 4. Колесо повышенной живучести

Примером безопасной шины, разработанной на базе бескамерной пневматической шины, может служить конструкция, представленная на рисунке 4.

Повышение безопасности и боестойкости такой шины достигается тем, что внутрь стандартной шины вместо накачанного воздуха устанавливается упругая спираль, жесткость которой вместе с покрышкой соответствует жесткости пневматической шины. Для уменьшения массы используется спираль из полимерного материала.

При деформации покрышки 2 в процессе качения колеса происходит сжатие витков спирали 3, которое компенсирует работу отсутствующего сжатого воздуха. В случае повреждения или разрушения покрышки несущая способность колеса изменится незначительно, т.к. в этом случае упругая спираль становится основным несущим элементом колеса подобной конструкции и не дает ему потерять форму и упругие свойства.

В настоящее время достижения химии полимеров позволяют разрабатывать самонесущие шины, упругость которых обеспечивается только свойствами применяемых для их изготовления материалов, в частности эластичных полиуретанов, и которые могут стать альтернативной заменой существующим пневматическим шинам.

1 - внутренний посадочный обод; 2 - резиновый протектор; 3 - упругие деформируемые спицы; 4 - наружный обод

Рисунок 5. Шина с упругими деформируемыми спицами.

На рисунке 5 изображена цельнолитая безопасная шина c упругими деформируемыми спицами, изготовленными из полиуретана, конструкция которой включает внутренний посадочный 1 и наружный 4 ободья, соединённые упругими деформируемыми спицами 3 и выполненные как единое целое.

Преимуществом предлагаемой шины является независимое изменение её радиальной и боковой жёсткости, которое обеспечивается за счёт переменного по толщине и ширине поперечного сечения упругих деформируемых спиц 3. Неравномерность радиальной жёсткости шины при качении колеса, которая может привести к колебаниям масс транспортного средства даже при движении по ровной дороге, устраняется в пределах статической деформации переменным поперечным сечением наружного обода 4.

Учитывая низкие сцепные свойства эластичного полиуретана, для обеспечения хорошего сцепления с дорожной поверхностью шина может иметь резиновый протектор. Этот же эффект можно получить путём добавления по периметру беговой дорожки порошков шинного вулканизата, например OKRubber, в процессе изготовления шины методом литья.

Основой наружного и внутреннего ободьев полиуретановой шины служат каркасы из тонких металлических нитей. В то же время, для повышения надёжности и прочности упругих элементов их крепление к ободьям осуществляется металлическими нитями, натянутыми в радиальном направлении 5. Армирование металлическими нитями не позволит растягиваться элементам шины при качении под действием центробежных сил.

Полумассивные шины, заполненные полиуретаном, обладают всеми положительными качествами цельнолитых массивных шин. Но в отличие от цельнолитых, шины, заполненные полиуретаном, распределяют динамические нагрузки со стороны неровностей дорожной поверхности вдоль каркаса, как показано на рисунке 1.6, что увеличивает срок службы агрегатов трансмиссии и повышает плавность хода транспортного средства.

а) б)

а - в полумассивной шине, заполненной полиуретаном; б - в цельнолитой массивной шине

Рисунок 6. Распределение динамической нагрузки со стороны неровностей дорожной поверхности.

Кроме того, температура нагрева протектора полумассивной шины, заполненной полиуретаном, при качении колеса намного меньше, что значительно увеличивает срок их службы в сравнении с цельнолитыми массивными шинами.

Колёса с шинами, заполненными полиуретаном, применяются на напольных и карьерных транспортных средствах, дорожно-строительных машинах и военной технике во всём мире. К сожалению, в России полумассивные шины такой конструкции не получили распространения. При этом следует отметить, что идея заполнения полости резиновой шины эластичным материалом для повышения её безопасности и долговечности принадлежит российскому учёному.

Рисунок 7. Автомобильное колесо с упругими деформируемыми спицами Amerityre

На рисунке 7 изображено автомобильное колесо американской фирмы Amerityre. Первоначально экспериментальное колесо Amerityre с упругими деформируемыми спицами из полиуретана было создано для применения в качестве нестандартного запасного колеса, предназначенного для хранения в багажнике вблизи топливного бака и снижающего риск взрыва паров бензина при дорожно-транспортном происшествии.

Испытания показали преимущества модели по сравнению с традиционной пневматической шиной - уменьшение массы и сопротивления качению и, как следствие, снижение расхода топлива на 10%.

На современных транспортных средствах специального назначения, эксплуатируемых в условиях, которые не позволяют использовать резинотехнические материалы, например перепады температуры окружающей среды в сотни градусов, жёсткие излучения и кислотные среды, получили распространение металлоупругие колёса.

Рисунок 8. Металлоупругое колесо планетохода, разработанное ВНИИТМ

Упругий каркас колеса планетохода, которое изображено на рисунке 8, выполнен из упругих элементов, установленных по периметру внутреннего жёсткого обода. Каждый элемент представляет собой две упругие боковины, соединённые жёсткими пластинами. В тангенциальном направлении пластины упругих элементов связаны гибкими титановыми лентами и вместе с покрытием из металлической сетки образуют нерастяжимую беговую дорожку. Достижения химии полимеров в настоящее время позволяют применять для изготовления колёс автомобиля неметаллические материалы, в частности пластики полиуретан.

Следует отметить, что в настоящее время разработкой колёс и шин из полимерных материалов занимаются ведущие мировые автомобильные компании.

Шведский изобретатель Ханс Эрик Ханссон разработал колесо, пружинящие спицы которого изготовлены из пластика. Резиновый протектор колеса (рисунок 9), крепиться к ободу химическим способом, а для уменьшения аквапланирования имеет сквозные отверстия в продольных канавках. К изобретению был проявлен интерес Volvo Cars и Nokian Tyres, а также научно-исследовательских институтов Польши и Швеции.

Рисунок 9. Колесо с пружинящими спицами из пластика

Следует отметить, что в настоящее время разработкой колёс и шин из полимерных материалов занимаются ведущие мировые автомобильные компании.

В 2004 г. на автомобильной выставке в Париже фирма Michelin представила автомобильную шину с упругими деформируемыми спицами из полиуретана. Шины Michelin Tweel в сравнении с традиционными пневматическими шинами имеют меньшую массу и высокую боковую жесткость, что, в свою очередь, улучшает большинство эксплуатационных свойств автомобиля.

Компания Michelin представила колёса Michelin Tweel, в качестве «амортизатора» в данном колесе выступают легкие композитные вставки между протектором и колесным диском (рисунок 10). Эксплуатационные качества которых были испытаны на автомобилях (рисунок 11; 12) и строительно-дорожной технике (рисунок 13).

Рисунок 10. Принципиальное устройство колеса Michelin Tweel

Рисунок 11. Колесо Michelin Tweel для автомобиля Audi A4

Рисунок 12. Автомобиль Audi A4 с колесами Michelin Tweel

Рисунок 13. Колесо Michelin Tweel на фронтальном погрузчике

В основу инновационной конструкции Tweel положена ступица, которая кажется очень простой, а также спицы. Сжатый воздух в конструкции не используется, хотя ее характеристики ни чем не уступают пневматическим покрышкам. Гибкие спицы интегрированы в гибкое колесо, и вся конструкция изменяет свою форму, с легкостью поглощая неровности покрытия по принципу амортизатора, работая на сжатие и отбой (рисунок 14).

Рисунок 14. Поглощение неровности покрытия колесом

Не используя воздух, который необходим для традиционных шин, Tweel обладает сопоставимыми характеристиками в плане нагрузки на ось, комфортабельности поездки и амортизационной способности.

В процессе разработки фирма Michelin выяснила, что характеристики гибридов Tweel можно регулировать независимо друг от друга, что является существенным отличием от традиционных покрышек. Это означает, что можно добиться оптимальных значений вертикальной жесткости (которая влияет, прежде всего, на качество поездки) и боковой/горизонтальной жесткости (которая влияет на управляемость и прохождение поворотов).

В краткосрочной перспективе компания Michelin будет использовать накопленный опыт при разработке традиционных покрышек. В будущем гибрид Tweel может изменить представление о движении транспортных средств. Могут исчезнуть такие неудобства, как проверка давления в шинах, ремонт, проколы и поиск компромисса между сцеплением с покрытием и комфортабельностью при движении.

Существуют так же конструкции безопасных шин с жесткими опорами. Жесткие опоры могут быть вращающимися и невращающимися. Колесо с вращающейся жесткой опорой состоит, например из бескамерной шины и секторов, вставленных по отдельности внутри шины и скрепленных между собой болтами. Герметизация обода осуществляется кольцевым резиновым шнуром, расположенным во впадине между половинками обода, стопорное кольцо удерживает борт шины на борте обода при падении давления воздуха в шине. Схемы боестойкой шины с внутренней вращающейся опорой представлены на рисунках 15 и 16.

Рисунок 15. Колесо с шиной и жесткой вращающейся опорой

Рисунок 16. Схема боестойкой шины с внутренней вращающейся опорой

При падении давления шина садится внутренней поверхностью на опору, которая ограничивает радиальный прогиб шины и воспринимает основную часть нагрузки, действующей на колесо. Для того, что бы уменьшить силы трения между внутренней поверхностью шины и опорой, последняя может вращаться относительно обода на подшипнике скольжения по наружной поверхности распорного кольца.

ADVAN Sport Z.P.S. - первая безопасная после прокола шина производства компании Yokohama (см.рисунок 17, 18). Такие шины позволяют продолжать движение автомобиля на протяжении определенной дистанции даже в случае прокола или полной потери шиной давления. Специально усиленная боковина и укрепленная бортовая проволока не позволяют шине сойти с обода. В случае потери давления, шина ADVAN ZPS может продолжать движение на расстояние 80 км при скорости не более 80 км/ч. Шина имеет специально усиленную внутреннюю конструкцию - усиленную боковину, изготовленную из стойкой к нагреву смеси, которая способна удержать вес автомобиля, когда давление воздуха в шине - нулевое. Специальное бортовое кольцо улучшает комфорт езды в нормальных условиях движения и в условиях "нулевого давления". Специальная широкая бортовая проволока в специальном "шестиугольном" обвитии обеспечивает легкость монтажа шины на обод и предотвращает схождение шины с обода в случае потери ею давления.

Рисунок 17. Шина компании Yokohama

Рисунок 18. Схема борта шины ADVAN ZPS

Лента безопасности TYRON® рисунок 1.19 представляет собой легкую ленту, которая устанавливается на обод колеса и фиксирует положение шины. Это делает колесо безопасным и обеспечивает возможность проехать некоторое расстояние на спущенном колесе.

Поскольку шина зафиксирована на месте, лента безопасности TYRON® помогает сохранить контроль над управлением, торможением и прохождением поворотов после прокола и даже разрыва шины во время движения.

Обеспечивает возможность проехать некоторое расстояние на спущенной шине, в зависимости от состояния дороги, шины и условий вождения, таким образом, вы можете отъехать в удобное место для замены колеса.

Помогает защитить колесо от повреждения в связи с контактом с дорогой и от возможных серьезных повреждений колеса и кузова автомобиля, когда шина сдувается и начинает «молотить» на ходу. Лента безопасности TYRON® настолько эффективны, что «Клуб Кемпинга и путешествий в автофургонах» при страховании в Великобритании предлагает 10% скидки своим членам, установившим ленты безопасности TYRON® на свои фургоны.

Эти устройства устанавливаются, после всех необходимых испытаний, начиная с 1979 года на полицейские, военные машины, автомобили Королевской семьи и служб безопасности, а последние разработки в настоящее время устанавливаются как стандартное оборудование производителями фургонов, автомобилей, автобусов и грузовиков.

Ленты безопасности TYRON® не оказывают влияния на балансировку и устанавливаются на стальные диски или на диски из легких сплавов. Это самая эффективная по стоимости модификация колеса для обеспечения безопасности.

Специальная колесная вставка TYRON является новым стандартом безопасности колес автомобиля и представляет собой металлический обод, предназначенный для установки на штампованные стальные и алюминиевые кованные или литые колесные диски размером от 10 до 18 дюймов для легковых и грузовых автомобилей весом до 42тонн. Это своего рода новая альтернатива применяющимся в настоящее время пластиковым колесным вставкам марки HUTCHINSON и ROADGARD.

TYRON состоит из двух металлических частей, скрепляющихся друг с другом при помощи стяжных болтов на монтажном углублении внутренней поверхности диска во время монтажа покрышек. Стяжка болтов производится специальным ключом, входящим к комплект поставляемых колесных вставок.

Эффективность использования TYRON зависит от скорости движения и веса автомобиля, а также от состояния дорожного покрытия. При снижении скорости движения автомобиля в случае повреждения покрышки дистанция движения автомобиля увеличивается до 32,5 км., что дает возможность доехать до пункта технического обслуживания. В случае, если обстоятельства не позволяют снизить скорость, то дистанция безопасного движения автомобиля будет ограничена до 4,5км.

При внезапном разрыве покрышки автомобиля во время его движения образуется так называемый “резиновый сэндвич”, где прослойкой между дорожным покрытием и колесным диском является непосредственно сама покрышка, что исключает возможность сползания покрышки с колесного диска и таким образом обеспечивает водителю возможность осуществления полного контроля за управлением автомобиля вместе с находящимся в нем пассажирами и грузом.

Вес колесной вставки может колебаться от 700 до 1500 гр. в зависимости от ее размера, что обеспечивает нормальную балансировку смонтированного колеса и его эксплуатацию.

Рисунок 19. Лента безопасности марки Tyron

Сравнение вариантов безопасных шин приведено на листе графической части 19060165.АВ01ДП.00000СВ.

шина автомобиль герметизация пробой

Размещено на Allbest.ru