6. ОСОБЕННОСТИ ШИН РАЗНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
По основным конструктивным особенностям шины разделяют:
— в зависимости от расположения нитей корда в каркасе
— на
шины радиальные (R) и диагональные (D);
— по типу корда в каркасе и брекере — на комбинированные или
целиком
— по форме профиля поперечного сечения — на шины обычного
профиля, широкопрофильные, низкопрофильные, сверхнизкопрофильные,
арочные.
Рис. 6.1. Конструкция диагональной шины без брокера (а), с брекером (б) и радиальной
шины (в):
1 - протектор шины; 2 - перекрещивающиеся слои каркаса диагональной
шины; 3 - перекрещивающиеся слои брекера; 4 -меридионально
расположенные слои каркаса радиальной шины
6.1. Диагональные В зависимости от направления
и радиальные шины нитей корда в каркасе различают
шины диагональные (D) и ради
альные (R) (рис. 6.2.). В диагональных шинах нити корда образуют
по экватору угол с меридианом от 55° до 60° и перекрещивают
ся в смежных слоях (рис. 6.1 а, б). Для обеспечения симметричности в
диагональных шинах каркас должен состоять из четного числа слоев.
В процессе эксплуатации слои корда и межслойная резина деформируются,
шина нагревается. Это ограничивает скорость качения диагональных
шин, превышение допустимой скорости резко увеличивает
потери на качение, приводит к внутренним расслоениям.
В радиальных шинах нити корда в каркасе расположены вдоль
меридиана (от борта до борта), угол (3 = 0, а в брекерном поясе - под
углом.
Рис. 6.2. Схема расположения нити корда в
слое корда каркаса диагональной
шины:
-наклон нити корда к меридиану
в любой точке;
-наклон нити корда каркаса к
меридиану по экватору
(sin
-r/R sin
При меридиональном расположении нитей корда в каркасе усилие в
нитях корда
значительно меньше, чем при диагональном. В брекере
шины типа R усилие в нитях корда
снижается с увеличением угла (3,
т.е. с приближением их расположения к окружному (вдоль экватора).
В каркасе радиальной конструкции отпадает необходимость соблюдения
четности количества слоев. В шинах типа R с текстильным
кордом в каркасе одинаковая с диагональной шиной прочность дости
вдвое меньшим числом слоев. Брекер шин типа R изготавливают
из металлокода с направлением нитей, близким к окружному. Он
обладает высокой прочностью и жесткостью. Шина типа R, опоясанная
труднорастяжимой гибкой лентой брекера, ведет себя при качении
колеса подобно гусенице. В результате рисунок протектора
руется меньше, чем у шин диагональной конструкции, уменьшается
проскальзывание элементов его рисунка в зоне контакта с дорогой, в
1,5—2 раза снижается износ протектора, улучшается сцепление с дорогой.
Уменьшенная слойность каркаса и соответственно повышенная
его гибкость понижает теплообразование, сопротивление качению,
что в сочетании с пониженной массой позволяет снизить расход топлива
автомобилем. Наиболее массивная часть шины (корона) деформируется
меньше, чем в диагональных шинах, а более тонкие боковые
стенки оказывают меньшее сопротивление радиальной деформации.
В результате при качении шиной поглощается меньше энергии, что
выражается в меньшем теплообразовании: температура в работающих
шинах радиального типа в среднем на 10
°С меньше, чем в диагональных
шинах с такой же глубиной рисунка протектора. Понижение
температуры приводит к повышению усталостной прочности материалов
шины и прочности связи между резиной и кордом, к повышению
долговечности шины в целом. Снижение потерь на качение при
применении шин типа R способствует экономии топлива на 3 — 8%.
Усилие
в нитях корда каркаса, возникающее под действием давления воздуха в
шине (р), снижается с уменьшением угла наклона нитей корда к меридиану (Р) обратно
пропорционально квадрату косинуса этого угла:
где j — коэффициент, характеризующий профиль шины, число слоев корда в каркасе,
плотность нитей корда в этих слоях.
Напротив, усилие
в нитях корда брекера, возникающее под действием давления
воздуха в шине (р), снижается с увеличением угла наклона нитей корда к меридиану (Р)
обратно пропорционально квадрату синуса этого угла:
где у -коэффициент, характеризующий профиль шины, его кривизну по экватору, число
слоев корда в брекере и плотность нитей корда в этих слоях.
Сравнительные эксплуатационные характеристики радиальных и диагональных
шин даны в таблице 6.1.
Таблица
Сравнительная оценка
Эксплуатационные показатели
Диагональная
Радиальная шина
шина
Масса Меньше Больше
Эластичность каркаса Выше Ниже
Внутреннее трение Меньше Больше
Сопротивление качению Ниже Выше
Расход топлива автомобилем Ниже Выше
Сопротивление боковому уводу (сопротивление
отклонению направления движения автомобиля
от заданной траектории под действием внешних
Меньше Больше
Управляемость автомобиля Лучше Хуже
Пробег шин Заметно больше Заметно
меньше
Разогрев в процессе качения Меньше Больше
Выше Ниже
Подверженность каркаса разрушению в процессе
эксплуатации шины
Выше Ниже
Требования к прецизионности производства и
качеству материалов
Выше Ниже
Прочность и долговечность каркаса для шин с
металлокордным брекером
На хороших дорогах
— лучше,
на плохих дорогах
— хуже
На хороших
дорогах —
хуже,
на плохих дорогах
— лучше
Радиальные шины были впервые выпущены французской фирмой
Michelin в
году с обозначением «X». Для того чтобы подчеркнуть
отличия и преимущества радиальных шин, фирма впервые ввела для
них метрическое обозначение типоразмеров (до этого времени шины
имели только дюймовые обозначения). В настоящее время в мировой
практике для обозначения радиальной шины в ее размер добавляется
буква «R».
На рис. 6.3 показаны темпы роста доли производства радиальных
шин в разных странах с
по 2000 год. Во Франции доля радиальных
шин достигла 100% к 1975 году, а в целом в Европе — к 1985 году.
Комбинированными принято назы
6.2. Комбинированные и целиком
вать шины с текстильным каркасом
(ЦМК)
ной конструкции
и металлокордным брекером. Каррадиальных
комбинированных
среднегабаритных грузовых шин
Рис. 6.3. Темпы роста доли производства радиальных шин с
1950 по 2000 год в разных странах. Обозначения цветных
желтый - Франция, красный - Европа,
фиолетовый -Северная Америка, зеленый -Япония,
коричневая точка - Южная Америка, синяя точка остальной
мир
обычно состоит из пяти и более слоев обрезиненного нейлонового или
капронового корда, а брекер — из слоев металлокорда. Сочетание
в радиальных шинах каркаса с меридиональным расположением
нитей корда и брекерного пояса с направлением нитей, близким
к окружному, обусловливает их отмеченные выше преимущества по
сравнению с диагональными шинами.
Комбинированная радиальная шина с текстильным каркасом уже в
годы перестала удовлетворять растущим требованиям автомо
билистов, прежде всего по надежности, безопасности и максимальной
скорости, особенно в условиях длительного безостановочного движения.
Применение металлокорда в каркасе и брекере позволило существенно
улучшить эксплуатационные характеристики шин вследствие
его высокой жесткости при растяжении, усталостной выносливости и
теплопроводности. Впервые металлокорд в каркасе радиальных шин
применила фирма Michelin еще в конце 40-х — начале 50-х годов прошлого
века. Однако потребовались десятилетия, в течение которых
были усовершенствованы сам металлокорд и технологический процесс
его производства, а также созданы новые технологические процессы и
оборудование для производства ЦМК шин. В настоящее время в мире
шины выпускаются практически для всего ассортимента грузовых
шин (по всему спектру нагрузок и условий эксплуатации). Последние
лет происходит активное техническое перевооружение
предприятий отечественной шинной промышленности для выпуска
шин. Если не считать некоторых технологических деталей, ЦМК
шина состоит из тех же элементов, что и традиционная комбинированная.
При этом если сравнить меридиональные сечения этих шин,
то видно, что одна металлическая кордная нить заменяет «пучок» из 5,
7, 12 и более текстильных кордных нитей (рис. 6.4, 6.5). Для крепления
такого количества слоев каркаса в некоторых типах комбинированных
грузовых шин используются два и даже три бортовых кольца в каждом
борте. В ЦМК шинах необходимый запас прочности обеспечивает
однослойный каркас. Один слой в каркасе в сочетании
с металлокордным брекером (по сравнению с комбинированными
шинами) обеспечивает повышение прочности и грузоподъемности
шины, снижение ее массы, снижение потерь на качение, уменьшает
теплообразование, улучшает отвод тепла из зоны контакта, обеспечивает
лучшую топливную экономичность и износостойкость, высокую
максимальную скорость, стабильное сохранение габаритов в процессе
эксплуатации {см. рис. 6.6— 6.10).
Меньшая толщина однослойного каркаса ЦМК шин по сравнению
с комбинированными позволила увеличить толщину подкана
6.4. Целиком шина
(ЦМК):
1- бортовое кольцо; 2 - однослойный
радиальный металлокордный каркас;
3 - металлокордные слои брекера;
4 - экранирующий защитный слой
обрезиненного нейлонового корда;
5 - протектор
вочного слоя протектора. Это
обеспечивает возможность
углубления изношенного рисунка
протектора путем его
нарезки (рис. 6.6,
для увеличения
доремонтного ресурса
шины. На боковине шин
с утолщенным подканавочным
слоем имеется надпись
«Regroovable».
Минимальные гистерезисные
потери и благоприятный
температурный режим
(рис. 6.8) обусловливают
высокий запас усталостной
прочности каркаса, прочности
связи корда с резиной.
Все это в сочетании с практическим
отсутствием разнашивания
в эксплуатации
(рис. 6.9) сообщает ЦМК ши
Рис. 6.5. Зона борта грузовых шин с многослойным
каркасом из текстильного
корда (а) и с однослойным
каркасом из металлокорда (б):
1 — многослойный каркас из текстильного
корда;
2 - однослойный каркас из металлокорда;
3- зона борта
нам высокую ремонтопригодность, возможность многократного восстановления
протектора и в результате обеспечивает им суммарный
эксплуатационный ресурс, почти вдвое больший, чем у комбинированных
шин, и другие преимущества, показанные
рис. 6.10.
ЦМК шины выпускают в бескамерном варианте. Как легковые, так
и грузовые бескамерные шины почти полностью вытеснили в настоящее
время камерные шины из ассортимента ведущих мировых производителей.
ЦМК шины обычно имеют на боковине надпись «All Steel».
Для изготовления этих шин используют специальные резины, обладающие
высокой прочностью связи с обеспечивающие
хорошую защиту корда от проникновения влаги и коррозии, глубокое
затекание в структуру корда для предохранения нитей от перетирания
при многократных циклических нагрузках. Совершенствование конструкций,
технологии производства и материалов привело к созданию
широкой гаммы ЦМК шин практически для всех типов и назначений
— от легковых до сверхкрупногабаритных шин.
Рис. 6.6. Меридиональный срез новой шины (слева) и изношенной шины (справа) с изношенным
рисунком протектора, углубленным путем нарезки:
1- сохраняемая толщина подканавочного слоя (равна 2 мм); 2 -толщина подканавочного
слоя резины для нарезания; 3 - протектор новой шины; 4 —индикатор
глубины нарезки;
5 - индикатор износа; 6 - основание канавки рисунка протектора; 7 - углубленная
канавка рисунка протектора после нарезки; 8 -протектор изношенной
шины перед нарезкой; 9 - канавка рисунка изношенного протектора до нарезки
Рис. 6.7. Углубление рисунка протектора
путем нарезки электрообогреваеПрофиль
Рис. 6.8. Распределение температуры в
брекере по ширине беговой дорожки:
-комбинированная
шина; 2 - ЦМК шина
Рис. 6.9. Увеличение ширины профиля
шин в процессе эксплуатации:
1 - комбинированная шина (до
5%); 2 - ЦМК шина (до 1,5%)
Комбинированная шина
ЦМК шина
Рис. 6.10. Преимущества ЦМК шин по сравнению с комбинированными шинами
6.3.
Особенности формы Конфигурацию профиля шин принято
характеризовать отношением
высоты профиля к его ширине —
Н/В. Как видно
рис.
высота профиля Н определяется половиной
разности между наружным и посадочным диаметрами шины. Ширина
профиля — В — это ширина шины в самом широком ее месте. Технологические
выступы, гравировки, надписи на поверхности шины не
учитываются. Ширина профиля определяется на накачанной шине.
Соотношение Н/В выражается десятичной дробью с двумя значащими
цифрами после запятой: 0,80; 0,75 или в процентах: 80%, 75% и
т.д. Отношение Н/В, выраженное в процентах, называют серией шины
(знак процента при этом опускается), например, шина серии 80, серии
55, 35 и т.д. Шинами обычного профиля называются шины с Н/В свыше
0,80, низкопрофильными — серии ниже 80, сверхнизкопрофильными —
серии 65 и ниже.
Низкопрофильные и сверхнизкопрофильные шины выпускаются
для легковых и грузовых автомобилей, автобусов и троллейбусов.
Форма профиля радиальной шины в значительной степени определяется
длиной и шириной брекерного пояса, влияние которого на форму
шины (рис. 6.11) оценивается коэффициентом опоясанности К:
К =
где:
— высота равновесного профиля шины (без брекера) с нитями
каркаса, расположенными в меридиональном направлении;
Н — высота профиля шины (с брекером).
При прочих равных условиях увеличение коэффициента опоясанности
радиальных шин приводит к уменьшению усилий в нитях каркаса
и увеличению нагрузки, воспринимаемой брекером. В отличие от
диагональных шин, в которых каркас воспринимает до 80—90% усилий,
возникающих под воздействием внутреннего давления воздуха, в
грузовых радиальных шинах брекер воспринимает 60—70% этого усилия.
Изменения геометрических размеров профиля шины дают
Зависимость профиля шины от коэффициента опоясанности К
можность изменять ее боковую и радиальную жесткость и тем самым
влиять на устойчивость и управляемость автомобиля.
Шины, эксплуатируемые на скоростных автомобилях по дорогам
с усовершенствованным покрытием, изготавливают низкопрофильными
с большим коэффициентом опоясанности. При этом разгружается
каркас, увеличивается натяжение и жесткость брекера, уменьшается
радиальная жесткость шины, в результате чего увеличивается площадь
контакта и сцепление с дорогой, уменьшается тормозной путь
(рис. 6.12). Одновременно снижаются интенсивность износа рисунка
протектора и потери на качение, улучшается проходимость автомобиля
по снегу и рыхлому грунту. Уменьшенная высота боковых стенок
низкопрофильных шин повышает их боковую жесткость, улучшает
устойчивость автомобиля на виражах
6.13).
Наружный диаметр низкопрофильной шины меньше чем обычной
при их одинаковом посадочном диаметре (рис.
поэтому при
замене, например, шины обычного профиля серии 80 на низкопрофильную
серии 70 приходится выбирать шину другого типоразмера,
часто с большим посадочным диаметром, соответствующую оригинальной
шине по наружному диаметру (рис. 6.15). Допустимое отклонение
длины окружности низкопрофильной шины от заменяемой
стандартной шины, эксплуатируемой на том же автомобиле, должно
находиться в пределах от —2,5% до +
Чем шина шире при задан
Тормозной путь, м
Пятно контакта (отпечаток) и тормозной
путь автомобиля со скорости 100 км/ч на
взаимозаменяемых низкопрофильных
шинах
ной длине ее окружности, тем больше посадочный диаметр и ширина
обода. С ростом посадочного диаметра увеличивается внутреннее про
странство в ободьях. Это позволяет использовать более мощные тормо
за, что существенно повышает безопасность автомобиля. Кроме того,
шины, смонтированные на
широкий обод, поглощают
при своем качении примерно
на 10% меньше энергии,
чем шины, смонтированные
на более узкий обод.
Оптимальное отношение
ширины обода к ширине
профиля шины для современных
диагональных и радиальных
шин находится в
пределах 0,72-0,76, отклонение
от которых увеличивает
потери на качение.
Сегодня появились
сверхнизкопрофильные
шины с высотой боковой
6.13. Изменение профиля обычной (слева) и низкопрофильной (справа) шин под
действием боковой силы во время маневра. Боковая сила направлена слева
направо. Посадочный диаметр низкопрофильной шины больше, высота
боковой стенки меньше, жесткость больше, курсовая устойчивость выше
Рис. 6.14. Низкопрофильные шины разных серий с одинаковым посадочным диаметром
Рис. 6.15. Взаимозаменяемость шин разных серий
стенки, составляющей до 25% ширины ее профиля (серия 25). Однако
такие сверхнизкопрофильные шины предназначены для эксплуатации
на высококлассных дорогах с гладким покрытием. Небольшие
выбоины и препятствия чреваты защемлением боковой стенки между
закраиной обода и препятствием, с последующим разрушением шины.
Для некоторого снижения этой опасности рекомендуют несколько повышать
давление воздуха в шинах при эксплуатации на менее качественных
дорогах, но не более чем 50
В практике при замене штатных шин на низкопрофильные в случае
их одинаковой несущей способности (индексов нагрузки) нормы давления
воздуха в шинах не меняют. Если у низкопрофильной шины несущая
способность ниже, то давление воздуха повышают: на каждую
ступень снижения индекса нагрузки (например, 81 вместо 82) давление
повышают на ние повышают на
В документах на современные автомобили указываются допустимые
типоразмеры взаимозаменяемых шин разных профилей, нормы
давления и типы применяемых ободьев. Нормы давления иногда указываются
в нише водительской двери или на лючке заливной горловины
топливного бака. Данные рекомендации учитывают соответствие
шин весовой нагрузке и максимальной скорости, с одной стороны,
и геометрии ходовой части и колесной ниши кузова автомобиля — с
другой. Отступление от этих рекомендаций изготовителя автомобиля
влечет за собой ухудшение управляемостью автомобилем, его комфортабельности,
снижение сроков службы узлов ходовой части. Таблица
взаимозаменяемости шин приведена в Приложении 10.4.
Шины серии 80 и ниже, в которых изменение соотношения высоты
и ширины профиля достигается без изменения наружного диаметра,
называются широкопрофильными.
Такие шины применяются на автомобилях большой грузоподъемности,
полноприводных автомобилях и прицепах. Наибольший эффект
достигается применением широкопрофильной грузовой шины
взамен двух спаренных шин
обычного профиля
Это позволяет исключить недостатки
сдвоенных колес
грузовых автомобилей и автопоездов
из-за неравномерного
распределения между сдвоенными
шинами нормальных
нагрузок и крутящих моментов,
разницы их геометрических
размеров и внутреннего
неравномерности
износа протектора, различия
температур и прочих причин.
Кроме того, снижается
суммарный вес шин. Грузовая
шина обычного профиля
весит в среднем около 65 кг,
а широкопрофильная — приблизительно
85 кг. Таким об
6 Применение одинарной широкопрофильной
шины вместо двух сдвоенных:
1- спаренные шины обычного профиля;
2 - одинарная широкопрофильная
шина
разом, замена спаренных шин на одинарные позволяет облегчить автопоезд
(с двумя прицепами) на 360 кг. В итоге при замене сдвоенных
колес на одинарные уменьшается сопротивление качению и расход
моторного топлива как за счет прогрессивной конструкции шины, так
и благодаря суммарному снижению массы автопоезда.
Широкопрофильные шины, применяемые на внедорожной технике,
называются арочными шинами. Арочные шины выпускаются бескамерными.
Они устанавливаются на заднюю ось грузовых автомобилей
по одной шине вместо двух обычного профиля. Протектор арочной
шины имеет редкорасположенные грунтозацепы. Использование этих
шин резко повышает проходимость автомобилей по мягким грунтам,
песку, снежной целине, заболоченным участкам. Применение их на
дорогах с твердым покрытием ограничено.
Низкопрофильные шины по сравнению с шинами обычного профиля
той же грузоподъемности позволяют снизить погрузочную высоту
грузовых автомобилей, высоту пола в общественном транспорте,
улучшить аэродинамические характеристики легковых автомобилей
на высоких скоростях. Широкопрофильные грузовые шины дополнительно
позволяют повысить проходимость автомобиля, сократить
расход материалов, снизить эксплуатационные расходы. Этим объясняется
устойчивая тенденция к снижению Н/В от серии 80 к серии 70 в
годы прошлого века до серии 35 в настоящее время.
Вместе с тем каждый водитель должен что при использовании
низкопрофильных и широкопрофильных шин вследствие
труднения отвода воды из зоны контакта протектора с дорожным
покрытием повышается опасность аквапланирования транспортного
средства (см. параграф 7.5).