Пневматические шины
Введение
Главным направлением в области
технологии производства шин является
создание максимальной поточности производства,
а также предельной автоматизации
комплексных технологических
Серьёзное внимание уделяется улучшению свойств резины (особенно свойств граничных слоёв полимеров в микрогетерогенной многокомпонентной эластомерной матрице), выбору оптимальной комбинации каучуков для каждой детали шин, разработке новых наполнителей и методов их диспергирования.
Ведутся работы по увеличению реальной прочности резин путём разработки новой технологии переработки каучуков большой молекулярной массы и изыскания вулканизующих и стабилизирующих систем, обеспечивающих наименьшую степень деструкции молекулярных цепей в процессе изготовления и эксплуатации изделий из резиновых смесей.
К новой технике для серийного многотоннажного производства сейчас предъявляются высокие требования. В этой сфере промышленного производства широкое распространение получают автоматизированные поточные линии с оптимальным управлением при помощи электронных вычислительных машин. Автоматизированные поточные линии создаются на основе безотходной технологии с учётом социальных, экологических проблем, проблем управления качеством продукции и сокращения сроков внедрения новой техники.
- История
Первая в мире резиновопарусинная шина была сделана Робертом Уильямом Томсоном (англ.). В патенте № 10990, датированным 10 июня 1846 года, написано: «Суть моего изобретения состоит в применении эластичных опорных поверхностей вокруг ободьев колёс экипажей с целью уменьшения силы, необходимой для того, чтобы тянуть экипажи, тем самым, облегчая движение и уменьшая шум, который они создают при движении». Патент Томсона написан на очень высоком уровне. В нём изложена конструкция изобретения, а также материалы, рекомендуемые для его изготовления. Шина накладывается на колесо с деревянными спицами, вставленными в деревянный обод, обитый металлическим обручем. Сама шина состояла из двух частей: камеры и наружного покрытия. Камера изготавливалась из нескольких слоёв парусины, пропитанной и покрытой с обеих сторон натуральным каучуком или гуттаперчей в виде раствора. Наружное покрытие состояло из соединённых заклёпками кусков кожи. Томсон оборудовал экипаж воздушными колёсами и провёл испытания, измеряя силу тяги экипажа. Испытания показали уменьшение силы тяги на 38 % на щебёночном покрытии и на 68 % на покрытии из дроблёной гальки. Особо отмечались бесшумность, удобство езды и лёгкий ход кареты на новых колёсах. Результаты испытаний были опубликованы в журнале «Mechanics Magazine» 27 марта 1849 года вместе с рисунком экипажа. Можно было констатировать, что появилось крупное изобретение: продуманное до конструктивного воплощения, доказанное проведёнными испытаниями, готовое к совершенствованию. К сожалению, на том дело и закончилось. Не нашлось никого, кто бы занялся этой идеей и довёл её до массового производства с приемлемой стоимостью. После смерти Томсона в 1873 году «воздушное колесо» было забыто, хотя образцы этого изделия сохранились.
В 1888 году идея пневматической шины возникла вновь. Новым изобретателем был шотландец Джон Данлоп, чьё имя известно в мире как автора пневматической шины. Дж. Б. Данлоп придумал в 1887 году надеть на колесо трёхколёсного велосипеда своего 10-летнего сына широкие обручи, сделанные из шланга для поливки сада, и надуть их воздухом. 23 июля 1888 года Дж. Б. Данлопу был выдан патент № 10607 на изобретение, а приоритет на применение « пневматического обруча» для транспортных средств подтверждал следующий патент от 31 августа того же года. Камера из резины крепилась на обод металлического колеса со спицами обматыванием её вместе с ободом прорезиненной парусиной, образующей каркас шины, в промежутках между спицами. Преимущества пневматической шины были оценены достаточно быстро. Уже в июне 1889 года на стадионе в Белфасте Уильям Хьюм выступил в гонках на велосипеде с пневматическими шинами. И хотя Хьюма описывали как среднего гонщика, он выиграл все три заезда, в которых участвовал. Коммерческое развитие изобретения началось с образования маленькой компании в Дублине и конце 1889 года под названием « Пневматическая шина и агентство Бута по продаже велосипедов». В настоящее время «Данлоп» — одна из крупнейших фирм в мире по изготовлению шин.
В 1890 году молодой инженер Чальд Кингстн Уэлтч предложил отделять камеру от покрышки, вставлять в края покрышки проволочные кольца и сажать на обод, который впоследствии получил углубление к центру (ручей обода). Тогда же англичанин Бартлетт и француз Дидье изобрели вполне приемлемые способы монтажа и демонтажа шин. Всё это определило возможность применения пневматической шины на автомобиле. Первым, кто стал использовать пневматические шины на автомобилях, были французы Андре и Эдуард Мишлен, которые уже имели достаточный опыт в производстве велосипедных шин. Они объявили, что к гонке в 1895 году Париж - Бордо у них будут готовы пневматические шины для автомобилей и сдержали своё обещание. Несмотря на многочисленные проколы, автомобиль преодолел расстояние в 1200 км и достиг, среди девяти других, финиша своим ходом. В Англии в 1896 году шинами «Данлоп» был оснащён автомобиль Ланчестер. С установкой пневматических шин существенно улучшились плавность хода, проходимость автомобилей, хотя первые шины были ненадёжны и не приспособлены к быстрому монтажу. В дальнейшем основные изобретения в области пневматических шин были, прежде всего, связаны с повышением безотказности и долговечности их, а также с облегчением монтажа-демонтажа. Потребовалось много лет постепенного совершенствования конструкции пневматической шины и способа её изготовления, прежде чем она окончательно вытеснила литую резиновую. Стали применяться всё более надёжные и долговечные материалы, появился в шинах корд - особо прочный слой из упругих текстильных нитей. В первой четверти XX века всё чаще стали использовать конструкции быстросъёмных креплений колёс к ступицам на нескольких болтах, что позволило заменять шины вместе с колесом в течение нескольких минут. Все эти усовершенствования привели к повсеместному применению пневматических шин на автомобилях и бурному развитию шинной промышленности.
- Конструкция пневматической шины. Радиальная шина
Основными материалами для производства шин являются резина, которая изготавливается из натуральных и синтетических каучуков, и корд. Кордовая ткань может быть изготовлена из металлических нитей (металлокорд), полимерных и текстильных нитей.
Основные параметры шин:
- Профиль шины — ее контур в радиальной плоскости колеса. Параметры профиля пневматической шины определяются на монтированной на рекомендуемом ободе ненагруженной шине при заданном внутреннем давлении.
- Наружный диаметр (D) — диаметр наибольшего сечения шины плоскостью вращения колеса.
- Посадочный диаметр (d) — диаметр окружности, являющейся линией пересечения поверхности основания борта шины с его наружной поверхностью.
- Ширина профиля (В) — расстояние между двумя плоскостями вращения колеса, касающимися внешних поверхностей боковин шины.
- Высота профиля (Н) — полуразность между наружным и посадочным диаметрами шины.
- Серия профиля — номинальное отношение высоты профиля Н к ширине профиля В, измеряется в процентах.
- Ширина профиля обода (А) — смотрите на схеме.
Пневматическая шина представляет собой упругую оболочку, предназначенную для установки на ободе колеса и заполняемую воздухом под давлением. В зависимости от способа герметизации пневматические шины производятся в камерном и бескамерном исполнении. Камерная шина состоит из покрышки и ездовой камеры с вентилем. Шины, монтируемые на плоские разборные обода, включают также ободные ленты.
Бескамерная шина представляет
собой усовершенствованную
Покрышка — упругая резинокордная оболочка пневматической шины, воспринимающая тяговые и тормозные усилия и обеспечивающая сцепление шины с дорогой. Основными элементами покрышки являются каркас, брекер, протектор, боковины и борта.
Ездовая камера — кольцевая резиновая трубка со специальным вентилем, заполняемая воздухом.
Каркас — резинокордная основа (силовая часть) покрышки; выполнен из одного или нескольких слоев прорезиненного корда с резиновыми прослойками, закрепленных на бортовых кольцах.
Брекер состоит из одного и более слоев разреженного прорезиненного корда, разделенных резиновыми прослойками, и расположен между каркасом и протектором.
Текстильный и полимерный корд применяются в легковых и легкогрузовых шинах. Металлокорд — в грузовых. В зависимости от ориентации нитей корда в каркасе различают шины:
- радиальные
- диагональные
В радиальных шинах нити корда расположены вдоль радиуса колеса (как на схеме, позиция 3). В диагональных шинах нити корда расположены под углом к радиусу колеса, нити соседних слоёв перекрещиваются.
Радиальные шины
конструктивно более жёсткие,
вследствие чего обладают
Структура шины: 1 — протектор; 2 — плечевая часть; 3 — каркас;
4 — боковая часть (крыло шины ); 5 — брекер и подушечный слой;
6 — дополнительная вставка в плечевой зоне (зелен.цв.);
7 — бортовое кольцо; 8 — бортовая часть.
Брекер находится между каркасом и протектором. Предназначен для защиты каркаса от ударов, придания жёсткости шине в области пятна контакта шины с дорогой и для защиты шины и ездовой камеры от сквозных механических повреждений. Изготавливается из толстого слоя резины (в лёгких шинах) или скрещённых слоёв полимерного корда и (или) металлокорда.
Протектор необходим для
обеспечения приемлемого
Борт позволяет покрышке герметично садиться на обод колеса. Для этого он имеет бортовые кольца и изнутри покрыт слоем вязкой воздухонепроницаемой (для бескамерных шин) резины.
Боковая часть предохраняет шину от боковых повреждений.
Шипы противоскольжения. В целях повышения безопасности движения автомобиля в условиях гололёда и обледенелого снега применяют металлические шипы противоскольжения. Езда на шипованных шинах имеет заметные особенности. На ходу автомобиль делается заметно более шумным, ухудшается его топливная экономичность. В снежно-грязевой каше или в глубоком рыхлом снегу эффективность шипов невелика, а на твёрдом сухом или влажном асфальте шипованные шины даже проигрывают «обычным»: из-за снижения площади пятна контакта шины с дорогой, тормозной путь автомобиля увеличивается на 5-10 %. Хотя 70-процентное сокращение тормозного пути на льду — их несомненное преимущество.
2.1 Маркировка
Метрическая система
Пример: LT205/55R16 91V
LT (опционально, обязательное обозначения по DOT) — функция шины (P — легковой автомобиль (Passenger car), LT — лёгкий грузовик (Light Truck), ST — прицеп (Special Trailer), T — временная (используется только для запасных шин )
205 — ширина профиля, мм
55 — отношение высоты профиля к ширине, %. Если не указан — считается равным 82 %.
R — шина имеет каркас радиального типа (если буквы нет — шина диагонального типа). Частая ошибка — R — принимают за букву радиуса. Возможные варианты: B — bias belt (диагонально-опоясанная шина. Каркас шины тот же, и у диагональной шины, но имеется брекер, как у радиальной шины ), D или не указан — диагональный тип каркаса.
16 — посадочный диаметр шины (соответствует диаметру обода диска), дюйм
91 — индекс нагрузки (на
некоторых моделях в
V — индекс скорости (определяется по таблице)
2.2 Дюймовая система
Пример: 35×12.50 R 15 LT 113R
35 — внешний диаметр шины, в дюймах
12.50 — ширина шины, в дюймах (обратите внимание, что это ширина именно шины, а не протекторной части. Например, для шины с указанной шириной 10.5 дюймов ширина протекторной части будет равна не 26.5, а 23 см, а протекторная часть 26.5 см будет у шины с указанной шириной 12.5.). Если не указан внешний диаметр, то профиль высчитывается следующим образом: если ширина шины оканчивается на ноль (например 7.00 или 10.50), то высота профиля считается равной 92 %, если ширина шины оканчивается не на ноль (например 7.05 или 10.55), то высота профиля считается равной 82 %
R — шина имеет каркас радиального типа
15 — посадочный диаметр шины, в дюймах, то же что в метрической системе
LT — функция шины (LT — light trucks, для лёгких грузовиков)
113 — индекс нагрузки
R — индекс скорости
2.3 Дополнительные сведения
На шинах обязательно должны быть указаны следующие сведения:
- Максимально допустимое давление (MAX PRESSURE).
Давление воздуха в шинах существенно влияет на поведение автомобиля на дороге, безопасность на высоких скоростях, а также на износ протектора. Давление в шинах обязательно должно быть приведено в норму до регулировки углов установки колёс.
- Материалы, используемые в конструкции каркаса и брекера (Tire construction materials)
- Цветовые метки. Отметки в виде «точек» либо «кружков»:
красный — точка наибольшей силовой неоднородности (самое жёсткое место шины). Рекомендуется совмещать с белой точкой на колесе (если есть);
жёлтый — самое лёгкое место шины (определяется при контроле дисбаланса шины).
Данные отметки необходимы
для минимизации массы
Устаревшие отметки в виде полос в бортовой зоне (использовались только на территории США):
- нет — хорошее качество;
- красный — косметические дефекты;
- жёлтый — нарушение состава каучуковой смеси (без гарантии);
- зелёный — внутренние дефекты.
Назначение для определённых условий эксплуатации:
- англ. Winter — зимние шины.
- англ. Aqua, Rain и т. д. — высокоэффективны на мокрой дороге.
- англ. AS (all season) — всесезонные шины.
- англ. M+S (Mud+Snow) — буквально — «грязь+снег» — пригодны для движения по грязи и снегу.
3. Процесс изготовления шин
Изготовление шин включает в себя четыре различных этапа: изготовление резиновых смесей, изготовление компонентов, сборка, вулканизация.
I. Производство шины начинается
с приготовления резиновых
II. На следующем этапе
создаётся протекторная
Скелет шины — каркас и брекер — изготавливаются из слоёв обрезиненного текстиля или высокопрочного металлокорда. Прорезиненное полотно раскраивается под определённым углом на полосы различной ширины в зависимости от размера шины.
Важным элементом шины является борт — это нерастяжимая, жёсткая часть шины, с помощью которой последняя крепится на ободе колеса. Основная часть борта — крыло, которое изготавливается из множества витков обрезиненной бортовой проволоки.
III. На сборочных станках
все детали шины соединяются
в единое целое. На сборочный
барабан последовательно
IV. После сборки шину
ожидает процесс вулканизации. Собранная
шина помещается в пресс-форму
вулканизатора. Внутрь шины
3.1 Химический состав резиновой смеси
Над процессом создания шины
работают шинные химики и конструкторы,
от которых зависят секреты шинной
рецептуры. Их искусство заключается
в правильном выборе, дозировке и
распределении шинных компонентов,
в особенности для смеси
Основные составляющие резиновой смеси:
- Каучук. Хотя шинный коктейль необычайно сложен по своему составу, основу его всё же образуют различные каучуковые смеси. Натуральный каучук, состоящий из высушенного сока (латекса) южноамериканского каучукового дерева (бразильская гевея), долгое время доминировал во всех смесях, различаясь при этом лишь по уровню качества. Так же каучуконосный млечный сок содержится в некоторых видах сорных трав и одуванчиков. Производимый из нефти синтетический каучук был изобретён немецкими химиками в 30-е гг. и современная скоростная шина без него просто немыслима. В настоящее время синтезируется несколько десятков различных синтетических каучуков. Каждый из них имеет свои характерные особенности и строгое назначение в разных деталях шины. Даже после изобретения синтетического изопренового каучука (СКИ) — близкого по свойствам к натуральному, резиновая промышленность не может полностью отказаться от использования последнего. Единственный его недостаток перед СКИ — дороговизна. На территории СССР не было возможности получать натуральный каучук из растений, а покупать его за границей приходилось за валюту. Это спровоцировало развитие богатой химии синтеза каучуков и других полимеров.
- Технический углерод. Добрая треть резиновой смеси состоит из промышленной сажи (технический углерод), наполнителя, предлагаемого в различных вариантах и придающего шине её специфичный цвет. Сажа обеспечивает в процессе вулканизации хорошее молекулярное соединение, что придаёт покрышке особую прочность и износостойкость. Сажу получают путём деструкции природного газа без доступа воздуха. В СССР при доступности этого «дешёвого» сырья было возможно широкое применение технического углерода. Резиновые смеси с использованием ТУ вулканизуются серой.
- Кремниевая кислота. В Европе и США ограниченный доступ к источникам природного газа вынудил химиков найти замену ТУ. При том, что кремниевая кислота не обеспечивает такую же высокую прочность резинам, как ТУ, она улучшает сцепление шины с мокрой поверхностью дороги. Так же она лучше внедряется в структуру каучука и меньше вытираются из резины при эксплуатации шины. Это свойство менее пагубно для экологии. Чёрный налёт на дорогах — технический углерод, вытертый из шин. В рекламе и обиходе шины с использованием кремниевой кислоты называются «зелёными». Резины вулканизуются перекисями. Полностью отказаться от использования технического углерода в настоящее время не представляется возможным.
- Масла и смолы. К важным составным частям смеси, но в меньшем объёме, относятся масла и смолы, обозначаемые как мягчители и служащие в качестве вспомогательных материалов. От достигнутой жёсткости резиновой смеси во многом зависят ездовые свойства и износостойкость шины.
- Сера. Сера (и кремниевая кислота) — вулканизующий агент. Связывает молекулы полимера «мостиками» с образованием пространственной сетки. Пластичная сырая резиновая смесь превращается в эластичную и прочную резину.
- Вулканизационные активаторы, такие как оксид цинка и стеариновые кислоты, а также ускорители инициируют и регулируют процесс вулканизации в горячей форме (под давлением и при нагреве) и направляют реакцию взаимодействия вулканизующих агентов с каучуком в сторону получения пространственной сетки между молекулами полимера.
- Экологические наполнители. Новая и ещё не распространённая технология предполагает собой применять в смеси протектора крахмал из кукурузы (в перспективе картофеля и сои). За счёт значительно уменьшенного сопротивления качения шина на основе новой технологии выделяет в атмосферу почти вдвое меньше соединений углекислого газа по сравнению с обычными шинами.
3.2 Методы сборки покрышек
Сборка покрышек в промышленности осуществляется в основном тремя методами: браслетным, послойным и комбинированным. При браслетном методе сборки, кольцевые браслеты из прорезиненного корда (изготовленные на специальном браслетном станке) последовательно надеваются а сборочный барабан. При послойном методе слои корда и брекера попадают на сборочный барабан из специального устройства, называемого питателем. Этот метод получил широкое распространение.
В шинной промышленности достаточно широко используется классификация методов сборки в зависимости от конструкции сборочного барабана, на котором осуществляется сборка покрышек. В соответствии с этой классификацией различают методы сборки на плоском, полуплоском, полудорновом и дорновом барабанах.
При дорновом способе сборки собранная покрышка имеет форму, близкую к форме готовой покрышки, и не требует специальной операции формования перед вулканизацией. Однако в связи со сложностью получения заготовок и трудностями механизации технологических операций сборки этот способ не нашел широкого распространения в промышленности.
В промышленном производстве наиболее распространены методы сборки на плоском, полуплоском и полудорновом барабанах. Выбор одного из них зависит от от размеров и конструкции покрышки, экономических и технологических особенностей производства. Методы сборки на плоском и полудорновом барабанах предполагают обязательное наличие второй стадии сборки – формование каркаса и наложение нерастяжимого брекера и протектора на сформованный каркас.
В последние годы разработаны
новые методы сборки покрышек: из уширенных
слоёв корда на разжимном плоском
барабане, на изменяющем форму жестком
барабане, на комбинированном барабане,
а также сборка покрышек на специальных
диафрагменных сборочных
Последовательность сборки покрышек в каждом конкретном случае определяется технологической схемой сборки и технологическим регламентом. В общем случае традиционная сборка всех покрышек независимо от их размера осуществляется последовательным наложением деталей на сборочный барабан.
Сборка покрышки диагональной конструкции начинается с надевания первого браслета на сборочный барабан, а при послойной сборке – с накладывания первых слоёв обрезиненного корда из питателя на сборочный барабан станка. Этот браслет (или слои корда) называют первой группой слоёв; они образуют первые слои каркаса покрышки. Затем свисающая с барабана часть первого браслета обжимается по заплечикам сборочного аппарата, к нему приклеивается крыло и оставшиеся концы браслета заворачиваются на цилиндрическую часть барабана. Эта операция называется формированием, её называют операцией обработки или заделки борта. При наличии в борте покрышки второго крыла на барабан надевается второй браслет или накладывается второй слой либо вторая группа слоёв из питателя. Свисающие с барабана части корда обжимаются по первой группе слоёв, затем к ним приклеиваются вторые крылья и концы браслета, как и в первом случае, заворачиваются на цилиндрическую часть барабана.
Третий браслет (или группа
слоёв) обжимается по борту покрышки
и заворачивается внутрь покрышки за
так называемый носок бортового
крыла. Далее на бортовую часть накладываются
и приклеиваются бортовые ленты,
а на наружную часть каркаса после
тщательного центрирования
В зависимости от размера, назначения покрышки, числа слоёв прорезиненного корда в каркасе или числа крыльев в борте, сборка покрышек с диагональным расположением нитей корда проводится на специальных станках или поточных линиях.
Процесс сборки покрышек диагональной
конструкции может
Для обеспечения необходимой
долговечности автомобильных
Покрышки разных типов изготавливают (собирают) на разных сборочных станках. Технология сборки каждой покрышки имеет определённую последовательность выполнения отдельных операций.
Сборка покрышек типа Р может осуществляться двумя способами:
- Двухстадийным;
- Одностадийным.
При двухстадийном способе сборки, когда брекер и протектор накладываются на сформованный каркас, можно использовать два метода.
Метод раздельной сборки, при котором каркас покрышки собирается на одном барабане специального станка для сборки первой стадии (первая стадия). При этом на первой стадии сборки производится полное оформление бортовой части покрышки. Формование каркаса и окончательная сборка покрышки – наложение брекера и протектора – осуществляется на другом эластичном сборочном барабане специального сборочного станка для второй стадии сборки радиальных покрышек (вторая стадия).
Метод совмещённой сборки,
при котором вся сборка радиальной
покрышки проводится на одном универсальном
сборочном барабане. В этом случае
сборочный барабан может
Одностадийный способ сборки радиальных покрышек осуществляется двумя методами:
- метод наложения брекера и протектора на несформованный каркас с последующим формованием покрышки на том же сборочном барабане;
- метод сборки покрышки на специальном дорне (тороидальном барабане.
Раздельная сборка покрышек при двухстадийном способе проводится на двух различных станках. На первом станке собирается каркас радиальной автопокрышки (первая стадия сборки). Вторая стадия (сборка покрышки) осуществляется на другом барабане и другом станке.
Сборка каркаса автопокрышки радиальной конструкции может проводиться на двух принципиально различных сборочных барабанах – двумя различными методами. В первом случае сборка каркасов (первая стадия сборки радиальной покрышки) осуществляется на складном четырёхсекторном сборочном барабане, исходный размер которого больше диаметра кольца бортового крыла (полуплоский метод). Этот метод включает в себя следующие операции:
- операция наложения на барабан бортовых лент и одного или нескольких слоёв каркаса покрышки;
- начало операции формирования борта, захват слоёв корда каркаса кольцевой пружиной и обжимным рычагом;
- обжатие слоёв каркаса по периметру заплечиков барабана и посадка бортовых крыльев шаблоном;
- заворот слоёв каркаса на крыло;
- заворот слоёв каркаса на цилиндрическую часть барабана;
- отвод кольцевой пружины и распорных рычагов в исходное положение.
Вторая сборка радиальных покрышек в данном случае состоит из следующих операций, выполняемых на втором – эластичном сборочном барабане второго сборочного станка:
- установка и центрирование собранного каркаса покрышки на эластичный сборочный барабан с подвижными фланцами;