Устройство пневматической шины

Типовая камерная пневматическая шина (рис. 4.1) состоит из трех основных элементов: покрышки 3, камеры и ободной ленты (последняя применяется только для шин грузовых автомобилей). У камерных шин вентиль является элементом камеры.



Бескамерная пневматические шина - это шина, в которой воздушная полость образуется покрышкой и ободом колеса (рис. 4.2). Бескамерные шины не содержат камеры и ободной ленты. В этом случае понятия покрышки и шины терминологически сливаются и часто используются как синонимы.





Бескамерные шины по сравнению с камерными обладают рядом эксплуатационных преимуществ. Они легче, меньше нагреваются вследствие лучшего отвода тепла через открытую поверхность обода и, соответственно, обладают большей прочностью при движении на высоких скоростях. Их легче обслуживать в эксплуатации, так как проколы бескамерной шины диаметром до 10—12 мм можно ремонтировать без их демонтажа. Просто и надежно крепится вентиль — на ободе колеса, а не на резиновой камере. Важнейшим преимуществом бескамерных шин является их повышенная безопасность: при проколах воздух из них стравливается постепенно и водитель успевает остановить машину до полной потери воздуха шиной, в то время как при проколе камерной шины воздух практически мгновенно выходит из полости камеры шины. Вместе с тем использование бескамерных шин требует особой осторожности при монтаже-демонтаже: борта шины и обод не должны иметь механических повреждений, нарушающих герметичность посадки шины на полки обода.

Бескамерные шины для легковых автомобилей монтируют на глубокие ободья такой же конструкции, как и для камерных шин. Наличие на глубоких ободьях наклона полки обода в 5° обеспечивает плотную посадку бортов.

Наклон полки и конфигурация плоского обода грузовых камерных шин не может обеспечить натяг при посадке борта шины и герметизацию бескамерной грузовой шины. Бескамерные грузовые шины монтируются на специальном, глубоком ободе, а геометрия и внутренняя структура борта этих шин отличается от камерных. Посадочный размер обода бескамерной грузовой шины больше, чем у заменяемого камерного аналога. Увеличение внутреннего пространства в ободьях позволяет использовать более мощные тормоза, что существенно повышает безопасность автомобиля.



Меридиональное сечение шины, т.е. сечение плоскостью, проходящей через ось вращения колеса, принято также называть профилем шины. Геометрические параметры профиля шины и обода и их соотношения в совокупности с параметрами несущей нагрузки и внутреннего давления имеют определяющее значение при характеристике любых пневматических шин. Это связано с тем, что напряженно-деформированное состояние шины, ее прочностные, жесткостные и демпфирующие свойства непосредственно связаны с конфигурацией ее конструктивных элементов. На рис. 4.3 показаны основные параметры геометрии профиля типичной пневматической шины.

Покрышка

Покрышка воспринимает тяговые и тормозные усилия, обеспечивает сцепление с дорогой и реализует другие свойства пневматической шины. Основными типичными элементами покрышки являются каркас, брекер, протектор, боковина, борт и внутренний (герметизирующий у бескамерной шины) слой (рис. 4.4).

Камера

Ездовая камера представляет собой торообразную оболочку из воздухонепроницаемой резины, в которую встроен вентиль, служащий для поддержания рабочего давления в шине. Камера вставляется внутрь покрышки, а вентиль выводится наружу через специальное отверстие в ободе. При накачивании воздухом камера раздувается и придает шине проектную форму и размер. Ненакачанная камера в зоне беговой дорожки имеет большую толщину, так чтобы в накачанном состоянии стенки камеры имели одинаковую толщину по периметру. Типоразмер камеры должен точно соответствовать размеру шины и ни в коем случае не быть больше, так как в противном случае при накачивании шины у камеры образуются складки, которые приведут к ее повреждению и повреждению каркаса. В случае повреждения крепления вентиля или прокола камера может быть отремонтирована.

Резиновая ободная лента

Ободная лента предохраняет камеру грузовой шины от перетирания об обод колеса. Ободная лента изготавливается из наиболее дешевых резиновых смесей и в случае повреждения обычно не ремонтируется, а перерабатывается в регенерат.

Каркас

Каркас — это силовая основа шины, обеспечивающая ее прочность, воспринимающая внутреннее давление воздуха и нагрузку от дорожного покрытия. Каркас состоит из одного или нескольких наложенных друг на друга слоев обрезиненного корда, опоясывающих покрышку от борта до борта. В смежных слоях нити корда могут перекрещиваться между собой под определенным углом (в диагональных шинах) либо располагаться во всех слоях параллельно друг другу в меридиональном направлении от борта до борта (в радиальных шинах) (см. параграфы 6.1, 6.2). В зависимости от конструкции каркаса, типоразмера шины, допустимой нагрузки и давления воздуха число слоев корда в каркасе может изменяться от 1 до 16 и более (в грузовых, авиационных, сельскохозяйственных, крупногабаритных шинах и пр.).



Кордные нити несут основную нагрузку во время работы шины, обеспечивая последней прочность и эластичность. Сами по себе кордные нити выдерживают только растягивающую нагрузку и не способны противостоять изгибу или сжатию. Однако в процессе обрезинивания и последующей вулканизации возникают механические и частично химические связи корда с резиной, резинокордное полотно приобретает необходимые свойства. Резина предохраняет кордные нити от влаги, перетирания и способствует равномерному распределению нагрузок между ними. Каркас защищается от внешних воздействий покровными резиновыми деталями — протектором в зоне контакта шины с дорогой, боковиной, бортовыми лентами в зоне крепления шины на ободе.

Брекер

Брекер вместе с каркасом обеспечивает восприятие шиной силовых нагрузок и состоит из двух или более слоев обрезиненного корда, расположенных в зоне беговой дорожки шины между каркасом и протектором. Нити корда в слоях брекера принимают на себя значительную часть напряжений, возникающих от внутреннего давления воздуха, разгружая, таким образом, нити корда каркаса и одновременно защищая каркас от механических повреждений со стороны беговой дорожки.

Брекер также смягчает воздействие ударных нагрузок на каркас шины и способствует более равномерному распределению их по поверхности покрышки. Кроме того, брекер придает дополнительную жесткость резиновому протектору, способствуя повышению его износостойкости. Конструкция брекера зависит от типа и назначения покрышки и оказывает серьезное влияние на работоспособность шины в целом. В брекере нити корда в смежных слоях пересекаются друг с другом и с нитями корда смежного слоя каркаса, т.е. расположены диагонально, независимо от конструкции шины.



В конструкции брекера современных шин металлокордные слои комбинируются с более «мягкими» текстильными кордами. Типичная конструкция брекера содержит не менее двух основных слоев с углом наклона нитей корда около 70° к меридиану. Кроме того, для придания брекеру дополнительных свойств часто применяются вспомогательные слои с углом наклона от 30° до 90° к меридиану, т.е. в последнем случае ориентированных в окружном направлении. Вспомогательные слои расположены под протектором над основными слоями брекера. Ширина основных слоев брекера обычно близка к ширине беговой дорожки протектора. Ширина вспомогательных слоев варьируется в широких пределах и определяется их назначением. Брекер воспринимает многократные деформации на растяжение, сжатие и сдвиг, что приводит к значительному теплообразованию. В связи с недостаточной теплопроводностью резины брекерный слой, как правило, имеет более высокую температуру в сравнении с другими элементами покрышки (до 120°C). Поэтому он более уязвим для внутренних разрушений, чем другие элементы конструкции шины, особенно по кромкам. Для повышения работоспособности в брекере применяются специальные резины, которые должны обеспечивать плавный переход жесткости от каркаса к протектору. Этой цели служат и упомянутые вспомогательные слои в его конструкции.

Протектор

Протектор обладает износостойкостью и обеспечивает доремонтный ресурс шины, сцепление колеса с дорогой, а также существенно влияет на топливную экономичность, уровень шума и вибраций. Кроме того, протектор защищает брекер и каркас от толчков, ударов, проникновения влаги и других внешних воздействий. Ширина протектора ориентировочно составляет 70—80% ширины профиля шины.



На наружной поверхности протектор имеет рельефный рисунок в виде выступов и канавок. Выступы часто бывают дополнительно расчленены прямыми или зигзагообразными щелевыми прорезями. Дизайн и глубина рисунка протектора оказывают чрезвычайно важное влияние на свойства шины, определяя ее ресурс и способность работать в тех или иных условиях эксплуатации. Более глубокий рисунок обеспечивает больший ресурс шины и дольше защищает каркас и брекер от внешних воздействий. Однако при этом повышаются гистерезисные потери (см. параграф 7.1) и теплообразование в резине, шина перегревается, ухудшаются физико-механические свойства резины протектора, в том числе его износостойкость. Обычно глубина рисунка протектора у шин легковых автомобилей колеблется от 6 до 12 мм, у шин грузовых автомобилей — от 12 до 22 мм, у крупногабаритных и арочных шин достигает 40—70 мм и более.

Нерасчлененная смежная с брекером часть протектора называется подканавочным слоем. Подканавочный слой защищает брекер от повреждений и обеспечивает переход от жесткого относительно малодеформируемого брекера к подвижным в контакте с дорогой элементам рисунка протектора. Слишком тонкий подканавочный слой не способен выдержать возникающие в нем напряжения и приобретает склонность к растрескиванию. Кроме того, при этом ухудшается защитная функция протектора, особенно по мере износа рисунка. Более толстый подканавочный слой лучше защищает каркас и брекер от внешних воздействий. Однако при этом ухудшаются условия теплоотвода от внутренних элементов конструкции шины, повышаются гистерезисные потери и теплообразование в самом протекторе, шина перегревается, создаются условия для появления внутренних расслоений и трещин. Обычно толщина подканавочного слоя составляет 20—30% от общей толщины протектора.



Центральная часть протектора, постоянно находящаяся в контакте с дорожной поверхностью, называется беговой дорожкой. Ширина беговой дорожки либо равна ширине протектора, либо может быть уже до 10—15%. Ширина и кривизна беговой дорожки, а также дизайн рисунка протектора в сочетании с шириной, кривизной и структурой брекера существенным образом влияют на интенсивность и равномерность износа рисунка протектора в эксплуатации.

Часть протектора, расположенная между беговой дорожкой и боковиной шины образует плечевую зону шины. Эта зона характеризуется резким изменением толщины от беговой дорожки к боковине. Элементы конструкции шины, находящиеся в этой зоне способствуют увеличению боковой жесткости шины, воспринимают часть боковых нагрузок, передаваемых беговой дорожкой, и таким образом оказывают существенное влияние на устойчивость и управляемость автомобиля.

Конструкция рисунка протектора

По типу рисунка протектора шины легковые делятся на летние, зимние и всесезонные, грузовые — на дорожные и универсальные. Все они значительно отличаются друг от друга как строением протектора, так и составом резиновой смеси. Кроме того, и легковые и грузовые шины могут иметь направленный, или асимметричный, рисунок протектора.

Особенности конструкции рисунка протектора легковых шин

Летние шины обеспечивают управляемость и хорошие тягово-тормозные характеристики на сухой и мокрой дороге при отсутствии на ней снега и льда. Типичный летний рисунок протектора состоит из относительно несложных по конфигурации блоков (выступов), обеспечивающих оптимально возможный по площади контакт с дорогой. Блоки разделены узкими открытыми канавками, направленными от центра наружу под углом к плоскости качения, служащими для эффективного отвода воды из зоны контакта при езде по мокрой дороге. Центральная часть рисунка может содержать продольные канавки или ребра, призванные улучшить устойчивость, способность шины к сохранению направления движения (рис. 4.5).



Зимние шины имеют максимальное сцепление с дорогой при движении по снегу и льду. Характерный рисунок протектора обеспечивает отвод снега из зоны пятна контакта, и отличается повышенными сцепными свойствами, а применение специальной рецептуры протекторных резиновых смесей способствует сохранению этих свойств даже при очень низких температурах. Элементы зимнего рисунка протектора обычно снабжены глубокими канавками и специальными прорезями — ламелями, которые отводят, впитывают влагу и, подобно присоскам, сцепляются с обледеневшей или заснеженной трассой.

На рис. 4.6 показаны примеры рисунков протектора зимних фрикционных (нешипованных) шин производства компании Amtel-Vredestein. В таблице 4.1 представлены результаты сравнительных испытаний летних (Planet 2Р) и зимних фрикционных шин (NordMaster CL) (в характерных для Европы зимних условиях эксплуатации — при температуре от 0 до 5-7°C). Как видно из таблицы, зимние шины, по сравнению с летними, на 10% сократили тормозной путь автомобиля на влажной дороге.

Таблица 4.1

Тип шин	Коэффициент сцепления	Тормозной путь
Зимние шины	0,647	21,87
Летние шины	0,581	24,36

Шины, предназначенные для зимних условий эксплуатации, всегда имеют специальные обозначения на боковине в виде текста, например SNOW (снег) или MUD+SNOW (грязь + снег). Иногда используются первые буквы этих слов — M+S либо вместо текста гравируется снежинка (см. рис. 10.4) или какое-либо другое понятное обозначение.

У некоторых моделей часто имеются и специальные отверстия для монтажа шипов противоскольжения либо шипы, установленные непосредственно производителем (рис. 4.7).



Применение зимних шин на заснеженных и обледеневших дорогах существенно повышает безопасность движения. Поэтому законодательства некоторых стран обязывают использовать их в зимнее время. В то же время улучшение сцепных свойств зимних шин может сопровождаться снижением управляемости, повышением внутреннего трения и теплообразованием на сухом покрытии, а также более высоким уровнем шума при движении и достаточно быстрым износом протектора. Кроме того, шипы разрушают поверхности не заснеженной дороги. Поданным Института дорог и транспорта Швеции, автомобиль с шипованными шинами за 1 км проезда по асфальту «выгрызает» в среднем 30 г дорожного покрытия. На момент исследований в 1989 году при парке легковых автомобилей Швеции около 3 млн (меньше, чем сейчас в Москве) загрязнение атмосферы асфальтовой пылью и другими вредными взвешенными в воздухе частицами было оценено в объеме 450 000 тонн. Поэтому езда на зимних шинах в летнее время не рекомендуется, а применение шипов ограничивается или даже запрещается в некоторых странах и районах.

Известен положительный опыт использования зимних шин с рисунком протектора, наполненным твердыми включениями (шиныфирмы Bridgestone), мелкими абразивными гранулами корунда, карборунда (шины Green Diamond) и даже мелкодробленой скорлупой грецких орехов (шины фирмы Тоуа), повышающих сцепление с обледенелым дорожным покрытием и не разрушающих его. По результатам сравнительных испытаний в Институте дорог и транспорта Швеции (рис. 4.8, б) шины Green Diamond по сцепным свойствам находятся на уровне лучших шипованных шин. В отличие от последних, они сохраняют эти свойства до полного износа рисунка протектора При езде по дорогам с твердым покрытием разрушение дорожного полотна (рис. 4.8, г) и загрязнение окружающей среды на порядок меньше. Существенно снижается шумообразование.



(Статья основана на данных сайта: www.lrman.ru)

Зимние шины по сравнению с аналогичными летними имеют худшие показатели сопротивления качению и топливной экономичности из-за их большей массы, глубины и расчлененности рисунка протектора. Применение в рецептуре резин зимних шип активных высокодисперсных наполнителей Silica позволяет улучшить характеристики их топливной экономичности при одновременном улучшении параметров сцепления протектора с мокрой и заснеженной дорогой (см. параграф 5.1).

Всесезонные шины (рис. 4.9) сочетают хорошие сцепные свойства и управляемость на мокрой или заснеженной дороге с достаточным комфортом и высокой износостойкостью протектора. Конечно, всесезонные шины по своим характеристикам уступают зимним шинам зимой, а летним—летом. Это — компромиссный вариант.



Наибольшее распространение такие шины имеют в районах с умеренным климатом и в городах, где в зимний период дороги очищаются ото льда и снега. Типичный рисунок протектора всесезонной шины в центральной своей части близок к рисунку летних шин, но по углам он продлевается за пределы беговой дорожки и имеет поперечные расчленения, образующие «грунтозацепы» для лучшего сцепления на грязной или заснеженной дороге.

Шины с направленным рисунком протектора (рис. 4.10) наилучшим образом позволяют реализовать заложенные в них характеристики только при вращении шины в одном направлении. Неправильная установка такой шины не только снижает ее эффективность, но и может отрицательно повлиять на безопасность движения. Не всегда по конфигурации рисунка протектора можно однозначно определить, должна шина устанавливаться исключительно в определенном направлении или нет. На боковине таких шин обязательно гравируется надпись «Directional» или «Rotation» и дополнительно стрелкой указывается правильное направление вращения и/или размещается другая интуитивно понятная символика, позволяющая избежать ошибки.



Асимметричный рисунок протектора (рис. 4.11) имеет различный дизайн на наружной и внутренней стороне беговой дорожки. Конструкцией такого рисунка учитываются углы наклона, с которыми колесо с шиной устанавливается на автомобиле. Это позволяет улучшить условия контакта с дорожным покрытием, снизить износ и шумообразование.



Типичный асимметричный рисунок имеет более глубокие канавки на внутренней стороне. На боковине асимметричной шины гравируется указание об этом — «Asymmetric» и обязательно указывается, какая сторона наружная (outside или outer) (рис. 4.12). Кроме того, производители могут наносить на боковине дополнительные знаки, такие как указание внутренней стороны шины (inside), разнонаправленные стрелки и другие интуитивно понятные знаки, уменьшающие вероятность ошибки при установке шины.



В ряде случаев шина может иметь рисунок протектора асимметричный и однонаправленный одновременно. В этом случае на боковине шины гравируются указатели на обе особенности конструкции (рис. 4.13).



Шины с рисунком протектора, состоящим преимущественно из окружных зигзагообразных ребер, имеют меньшие потери, чем с рисунком из отдельно стоящих элементов, так как последние во время качения шины деформируются в большей степени. Чем больше глубина рисунка протектора, тем более он энергоемок. Поэтому шины с зимним рисунком протектора (или универсальным для грузовых шин), состоящим преимущественно из относительно глубоких грунтозацепов и шашек, уступают по экономичности летним (дорожным) шинам с неглубокими элементами, объединенными в продольные ленты. В комбинированных условиях эксплуатации применяется компромиссная конструкция рисунка протектора, состоящая из грунтозацепов по углам беговой дорожки и продольных ребер в центральной ее части. С точки зрения потерь на качение шина с таким рисунком занимает промежуточную позицию между летними (дорожными) и зимними (универсальными) шинами.

Очевидно, что грамотная эксплуатация шин требует их своевременной сезонной замены. Использование летних шин зимой чревато аварией, эксплуатация зимних шин летом — повышает расход топлива и сокращает срок их службы.

Особенности конструкции рисунка протектора грузовых шин

Принято разделять рисунки протектора грузовых шин на три группы в соответствии с дорожными условиями, в которых будет преимущественно эксплуатироваться шина. Парис. 4.14 представлены типы рисунков каждой из этих групп.



Дорожный рисунок обычно состоит из расположенных в окружном направлении зигзагообразных ребер, расчлененных многочисленными ножевыми прорезями. Рисунок не развит по углам беговой дорожки. Такой рисунок хорошо держит дорогу, имеет большую площадь контакта с поверхностью дороги и обеспечивает хорошее сцепление на сухой дороге. Канавки такого рисунка обычно имеют относительно небольшую глубину — 13—14 мм. Шины этого типа особенно эффективны на передних осях автотягачей и автобусов.

Рисунок грузовых шин повышенной проходимости имеет глубокие — до 22 мм и более — поперечные канавки, образующие грунтозацепы и заходящие на боковины. Такой рисунок обеспечивает прекрасные тягово-тормозные характеристики, в том числе и на загрязненной дороге, но обладает повышенным сопротивлением качению и уровнем шума на больших скоростях. Этот тип шин наиболее эффективен при использовании на задних тяговых осях автомобилей и автобусов.

Универсальный рисунок протектора является комбинацией дорожного и повышенной проходимости. Центральная его часть имеет окружные ребра и канавки, а по углам располагаются массивные грунтозацепы. Шины с таким рисунком используются как на передних, так и на задних осях автомобилей и автобусов.

Боковина

Боковиной называется покровная резина боковой стенки шины, расположенная между плечевой зоной и бортом. Эго относительно тонкий слой эластичной резины, являющийся продолжением протектора, предохраняющий каркас от влаги и механических повреждений. На боковинах нанесены маркировка шины и другие надписи и обозначения.

Борт

Борт — это деталь шины, которой она «сажается» на обод автомобильного колеса. Конструкция борта должна обеспечивать надежную фиксацию шины на ободе, исключающую проскальзывание относительно обода при резком разгоне или торможении автомобиля, а также герметичность контакта с ободом в бескамерных шинах. Необходимая прочность и стабильность формы борта обеспечиваются бортовым кольцом, навитым или сплетенным из металлической проволоки, и наполнительным шнуром из резины повышенной твердости. Бортовое кольцо служит также для крепления каркаса, а конструкция и резина наполнительного шнура позволяют поддерживать необходимую конфигурацию каркаса в зоне борта и сглаживают переход от жесткого кольца к эластичной боковой стенке шины. В зависимости от нагруженности шины и конструкции ее каркаса в борте некоторых грузовых, крупногабаритных, авиационных и других шин используют два и более бортовых колец. С наружной стороны борта располагается бортовая лента из резины, прорезиненной ткани или корда, предохраняющая борт от истирания об обод и повреждения при монтаже и демонтаже.

Внутренний (герметизирующий) слой

Внутренняя поверхность покрышки от борта до борта закрывается специальным резиновым слоем, который защищает каркас от повреждения при возможных смещениях и трении о камеру в процессе ее накачивания и эксплуатации. В бескамерных шинах этот внутренний слой изготавливается из газонепроницаемой резины с целью герметизации шины и в этом случае его называют герметизирующим слоем.