ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ШИНЫ

Пневматическая шина, являющаяся одним из наиболее важных элементов автомобиля, состоит из покрышки и камеры, расположенных на ободе колеса. Шина воспринимает вер­ тикальную нагрузку, от веса автомобиля, и все усилия, возникающие в пятне контакта ши­ ны с дорогой при ускорении, торможении и повороте автомобиля. Шина также поглощает и смягчает удары, возникающие при движении автомобиля по дороге. Во время движения автомобиля эластичная пневматическая шина в нижней части деформируется, мелкие неров­ ности дороги поглощаются за счет деформации шины, а большие вызывают плавное пере­ мещение оси колеса. Такая способность шины называется сглаживающей. Сглаживающая способность шины обусловлена упругими свойствами сжатого воздуха, которым заполне­ на шина. При деформации шины неизбежно возникают потери энергии, обусловленные внутренним трением в материале шины. Внутреннее трение повышает температуру шины, что неблагоприятно сказывается на ее долговечности. Чем больше деформация шины, тем больше затраты энергии на внутренние потери и тем большая мощность затрачивается на движение автомобиля. Свойства и работоспособность шины в значительной степени зависят от ее конструкции.

КОНСТРУКЦИЯ ШИНЫ

Современная шина имеет довольно сложную конструкцию (рис. 4.6). Основным материалом для изготовления шины служит резина и специальная ткань — корд. Если изготовить шину только из резины, то при заполнении ее воздухом, она будет значительно изменять свои раз­ меры и форму. Резина, использующаяся для производства шины, изготавливается из каучу­ ка (натурального и синтетического), к которому в процессе производства добавляются раз­ личные наполнители: сера, сажа, смолы и др.

При изготовлении пневматических шин для первых автомобилей использовался только натуральный каучук, который получали из смолы деревьев — каучуконосов. Синтетический каучук был впервые получен в нашей стране. Это изобретение принадлежит академику С. В. Лебедеву, который в 1931-1932 г. впервые в мире разработал технологию производства синтетического каучука. Для того чтобы эластичный каучук с наполнителями превратился в упругую резину, он должен пройти процесс вулканизации (соединение серы с каучуком, ко­ торое происходит при повышенной температуре). Шины вулканизируются в специальных пресс-формах, внутренняя поверхность которых соответствует наружной поверхности шины. Перед тем как шина попадает в пресс-форму, она собирается из составляющих ее элементов на специальных станках.

Покрышка конструктивно состоит из каркаса, брекера, протектора, боковины и борта. Каркас шины изготавливается из нескольких слоев прорезиненного корда, представля­

ющего собой ткань, состоящую из близко расположенных друг к другу продольных и редких поперечных нитей. Чем прочнее нити корда, тем долговечнее шина. В качестве нитей для из­ готовления корда в настоящее время применяют синтетическое волокно, стекловолокно и стальные нити (металлокорд). С увеличением слоев корда в каркасе увеличивается проч­ ность шины, но одновременно растет ее масса и увеличивается сопротивление качению.

Рис. 4.6. Конструкция пневматической шины:1 — двухслойный протектор (красным выде­ лена мягкая резина); 2 — специальная форма бортового кольца; 3 — плечевые части, устой­ чивые к порезам; 4 — защитный бортовой слой

Борт шины имеет определенную форму, необходимую для плотной посадки ее на обод ко­ леса. Борта шины не должны растягиваться, чтобы обеспечить плотную посадку шины на ободе и предотвращать возможность соскакивания шины с обода. С этой целью внутри бортов шины вставляются разрезные или неразрезные бортовые кольца, изготовленные из нескольких слоев прочной стальной проволоки. Снаружи борта покрыты прорезиненным кордом и тонким слоем резины.

Боковина шины представляет собой нанесенный на каркас тонкий слой эластичной и проч­ ной резины. Она предохраняет шину от боковых повреждений и воздействия влаги.

Протектор шины обеспечивает сцепление шины с дорогой и предохраняет каркас от по­ вреждений. Для его изготовления используется прочная, износостойкая резина. Внешняя часть протектора выполняется в виде четкого рисунка, под которым находится так называе­ мый, подканавочный слой. Рисунок протектора определяется типом и назначением шины.

Брекер представляет собой специальный пояс, выполненный из нескольких слоев про­ резиненного корда, который находится между каркасом и протектором. От конструкции бре- кера в значительной степени зависит форма пятна контакта шины с дорогой. Брекер предо­ храняет каркас от толчков и ударов и передает усилия различным частям шины.

Внутренняя поверхность шины покрыта тонким слоем резины. Состав применяющей­ ся для этого слоя резины может быть раз­ ным в зависимости от типа шины (камерная или бескамерная).

В камерной шине для удержания сжато­ го воздуха используется камера, которая представляет собой эластичную, воздухоне­ проницаемую оболочку в виде замкнутой трубы. Для того чтобы при монтаже шины на обод камера не образовывала складок, размеры камеры должны быть несколько меньше, чем внутренние размеры шины. Поэтому заполненная воздухом камера находится в растянутом состоянии. Для на­ качивания и выпуска воздуха камера соеди­ няется с вентилем (рис. 4.7) — специальным клапаном, форма и размеры которого зави­ сят от типа шины. При монтаже шины на обод колеса вентиль должен проходить через специальное отверстие, выполненное в этом ободе.

Бескамерные шины внешне мало отли­ чаются от камерных (рис. 4.8). Внутреннее покрытие такой шины должно быть изготов­ лено из слоя воздухонепроницаемой рези­ ны толщиной 2- 3 мм, а на наружную по­

Рис. 4.7. Вентиль камеры:1 — стержень зо­ лотника; 2 — резьбовая головка; 3 — втулка; 4 — уплотнитель; 5 — верхняя чашечка; 6 — уп- лотнительное кольцо золотника; 7 — нижняя чашечка; 8 — корпус вентиля; 9 — пружина золотника; 10 — направляющая чашечка; 11 — обрезиненный кожух

верхность борта наносят эластичную резину, которая обеспечивает герметичность при посадке шины на обод. Вентиль бескамер­ ной шины образует герметичное соединение при установке его в отверстие обода колеса. При проколе бескамерной шины небольшим предметом этот предмет растягивает возду-

Рис. 4.8. Конструкция колеса (а) с бескамерной шиной:1 — протектор; 2 — герметизиру­ ющий воздухонепроницаемый резиновый слой; 3 — каркас; 4 — вентиль колеса; 5 — обод; (б) колеса с камерной шиной:1 — обод колеса; 2 — камера; 3 — шина (покрышка); 4 — вентиль

хонепроницаемый внутренний слой резины бескамерной шины и обволакивается ею. При этом воздух из бескамерной шины выходит очень медленно, в отличие от камерной, в которой камера находится в растянутом состоянии, и, следовательно, любое ее повреждение вызыва­ ет увеличение образовавшегося отверстия. Поэтому бескамерные шины более безопасны.

Ремонт небольших повреждений бескамерных шин можно производить без снятия шины с обода, герметизируя образовавшееся отверстие специальным материалом.

Важным преимуществом бескамерных шин по сравнению с камерными является мень­ шая масса и нагрев при движении. Последний обусловлен отсутствием трения камеры о ши­ ну и лучшим охлаждением. Так как износ шин в значительной степени зависит от рабочей температуры, бескамерные шины долговечнее. Не рекомендуется устанавливать в беска­ мерные шины камеры, поскольку при накачивании камеры между шиной и камерой могут образоваться воздушные подушки, которые будут мешать отводу тепла и приведут к местно­ му перегреву шины. К недостаткам бескамерных шин следует отнести большую сложность ремонта в пути в случае сильных повреждений, а также необходимость в высокой чистоте и гладкости закраины обода для обеспечения герметичности.

КЛАССИФИКАЦИЯ ШИН

Автомобильные шины различаются по назначению, габаритам, конструкции и форме профиля. По назначению автомобильные шины делят на две группы: для легковых и для грузовых автомобилей. Шины, предназначенные для легковых автомобилей, могут применяться

на грузовых автомобилях небольшой грузоподъемности и соответствующих прицепах.

Конструкция шин определяется расположением нитей корда в каркасе. Различают два конструктивных типа автомобильных шин: диагональные и радиальные (рис. 4.9).

Долгое время на автомобилях применяли только диагональные шины, пока в 1947 г. фирма Michelin не разработала радиальную конструкцию шины. В настоящее время боль­ шинство автомобилей комплектуется радиальными шинами. В каркасе диагональной шины слои корда располагают под углом к радиусу колеса. Нити соседних слоев каркаса перекре­ щиваются. В каркасе должно быть только четное число слоев корда. У радиальной шины ни-

Рис. 4.9. Конструкция диагональной (а) и радиальной (б) шины:1 — борта; 2 — бор­ товая проволока; 3 — каркас; 4 — брекер; 5 — боковина; 6 — протектор

Рис. 4.10. Конструктивные элементы и основные размеры шины:D — наруж­ ный диаметр; Н — высота профиля шины; В — ширина профиля шины; d — посадоч­ ный диаметр обода колеса (шины); 1 — кар­ кас; 2 — брекер; 3 — протектор; 4 — боко­ вина; 5 — борт; 6 — бортовая проволока; 7 — наполнительный шнур

ти корда в каркасе расположены по крат­ чайшему расстоянию между бортами вдоль радиуса колеса. Число слоев в каркасе мо­ жет быть нечетным.

Расположение нитей в радиальной шине обеспечивает лучшее постоянство формы пятна контакта шины с дорогой, меньшие перемещения элементов протектора и, как следствие, такие шины меньше нагреваются и изнашиваются. Этот фактор стал решаю­ щим при переходе от диагональных шин к радиальным. Кроме того, современные радиальные шины обладают меньшим сопротивлением качению и обеспечивают лучшую устойчивость и управляемость авто­ мобиля.

По форме профиля шины могут быть обычного профиля, широкопрофильные, низкопрофильные, сверхнизкопрофильные, арочные и пневмокатки. Профиль обычных шин близок к окружности (рис. 4.10). Отно­ шение высоты профиля к ширине у обычных шин составляет больше 90 %.

В целом наблюдается тенденция к умень­ шению отношения высоты профиля к его ширине (рис. 4.11).

Если шины первых автомобилей имели обычный профиль, то шины современных автомобилей, в особенности легковых, низ­ копрофильные или сверхнизкопрофильные. у которых отношение высоты профиля к ши­ рине составляет от 70 % до 60 % и меньше.

Уменьшение высоты боковых стенок ши­ ны при неизменной ширине шины, дает воз­ можность сделать колесо большего разме­ ра без увеличения общего диаметра шины. При этом увеличивается пространство для

Рис. 4.11. Изменение профиля автомобильных шин

размещения большого, а значит, и более эффективного дискового тормоза. Прицепы и полу­ прицепы современных автопоездов часто комплектуют сверхнизкопрофильными шинами, для того чтобы понизить уровень пола и увеличить полезный грузовой объем этих транспорт­ ных средств. Уменьшение высоты профиля повышает жесткость боковых стенок шины, а это обеспечивает более быструю реакцию шины на командные сигналы рулевого управления. Уменьшение деформации боковых стенок шины снижает количество выделяемого при этом тепла и обеспечивает безопасную работу при более высоких скоростях. С другой стороны, боковые стенки становятся жестче, а это приводит к ухудшению сглаживающей способности шин, а форма пятна контакта становится короче и шире. Такие шины могут отрицательно по­ влиять на управляемость автомобиля. Эти недостатки сдерживают широкое применение сверхнизкопрофильных шин для автомобилей массового производства, на которых обычно используются шины с отношением высоты к ширине профиля 60, 65, и 70 %. Встречаются легковые автомобили, оборудованные сверхнизкопрофильными шинами, у которых высота профиля составляет 30 % ее ширины.

Широкопрофильные и арочные шины устанавливают на колеса грузовых автомобилей с целью улучшения их проходимости. Одна такая шина может заменить сдвоенные шины.

Наилучшую проходимость на мягкой опорной поверхности (снег, песок, грязь) обеспечи­ вают пневмокатки, имеющие бочкообразный профиль и высокую эластичность. Отношение высоты профиля к ширине составляет 25-40 %. Пневмокатки выпускаются только беска­ мерными, работают они при очень низком давлении воздуха (порядка 0,01-0,05 МПа). Вы­ сокая упругость и низкое внутреннее давление воздуха в пневмокатках обеспечивает очень низкое удельное давление на грунт.