ШИП ПРОТИВОСКОЛЬЖЕНИЯ

Настоящая полезная модель относится к шинной промышленности, в частности к пневматическим шинам, оборудованным дополнительными приспособлениями для улучшения сцепления - шипами противоскольжения и специально предназначенным для эксплуатации в зимних условиях.
Специализированные зимние шины, оснащенные шипами противоскольжения, имеют значительные преимущества по безопасности движения в зимних условиях перед обычными летними или всесезонными или даже так называемыми зимними фрикционными шинами. В условиях укатанного снега или ледового наста на дорогах шипы противоскольжения компенсируют низкий коэффициент сцепления между дорожным покрытием и протектором шин, обеспечивают повышение управляемости и снижение тормозного пути в экстремальных условиях.
Известны шипы противоскольжения, состоящие из фигурного корпуса, содержащего как минимум один верхний фланец с износостойкой вставкой, выступающей из верхнего фланца, переходную зону и нижний опорный фланец. В настоящее время наиболее распространенными являются шипы противоскольжения с корпусом и износостойкой вставкой цилиндрической формы. См. например шипы противоскольжения S, MAL или MR производства ф. Season Оу (www.scason.fi). Шипы такой конструкции обеспечивают приемлемые эксплуатационные свойства, относительно просты в изготовлении и не требуют специальной ориентации шипа при ошиповке шины.
В процессе эксплуатации шины шип противоскольжения непосредственно воздействует на дорожное покрытие, повышая износ дороги. Одним из наиболее значимых параметров, влияющих на износ дороги, является масса шипа противоскольжения. В связи с этим в настоящее время в ряде стран, в том числе и в РФ, введены ограничения по максимальной массе шипа противоскольжения. Данные ограничения (при неизменных материалах, например, применяемых в настоящее время стали или алюминия) требуют изменения геометрических размеров шипов противоскольжения, фактически перехода на шипы противоскольжения меньших размеров. Но уменьшение геометрических размеров шипов противоскольжения может ухудшить жесткость удержания шипа противоскольжения в протекторе шины и снизить эффективность сцепления шины с дорожным покрытием в процессе эксплуатации.
С целью повышения сцепных качеств и удержания шипа противоскольжения в протекторе шины в процессе эксплуатации в последние годы предложены конструкции шипов противоскольжения с корпусом и износостойкой вставкой, имеющие поперечное сечение, отличное от окружности. Например, в патенте RU 2319617 фирмы Нокиан Тайрс описана конструкция шипа противоскольжения, имеющего износостойкую вставку с квадратным поперечным сечением. Такое техническое решение позволяет увеличить протяженность режущих кромок износостойкой вставки и повысить показатели сцепления с дорогой. Однако получение необходимой эффективности сцепления требует строго определенной ориентации износостойкой вставки относительно направления движения шины и, соответственно, требует специального оборудования для обеспечения фиксированной ориентации шипа противоскольжения при ошиповке шины. Для обеспечения правильного ориентирования при ошиповке нижний фланец предлагается изготавливать большего размера и также квадратной формы, расположение которого согласуется с расположением квадрата сечения износостойкой вставки.
Однако увеличение сцепления с дорогой и необходимость передачи возросших моментов силы от шины к дороге через шип противоскольжения требует более надежного закрепления шипа противоскольжения в протекторе шины.
При неизменных геометрических параметрах увеличение боковых нагрузок на шип такой конструкции при повышении сцепления с дорогой снижает ресурс удержания шипа в шине в процессе эксплуатации.
С целью повышения надежности удержания шипа противоскольжения в шине в процессе эксплуатации в заявке WO 2009/068744 фирмы Sancus (Финляндия) описана конструкция шипа противоскольжения с износостойкой вставкой, в котором верхний и нижний фланцы в поперечном сечении имеют четырехугольную форму. Переходная зона между фланцами имеет цилиндрическую форму. Применение корпуса шипа с фланцами четырехугольной формы предотвращает проворачивание шипа под действием боковых сил и повышает надежность его удержания в шине в процессе эксплуатации. Недостатком данной конструкции является усложнение изготовления шипа и необходимость применения специального оборудования при ошиповке для обеспечения ориентации шипа относительно направления движения шины.
Другим примером технического решения для повышения надежности удержания шипа в протекторе шины является конструкция шипа противоскольжения, известная из патента ЕР 1642753 В1 фирмы Season Оу (Финляндия). Шип противоскольжения содержит корпус, включающий верхний фланец с выступающей износостойкой вставкой, нижний фланец и расположенную между фланцами промежуточную зону. Отличительной характеристикой данного технического решения является то, что все перечисленные выше элементы шипа противоскольжения имеют цилиндрическую форму. В нижней части верхнего фланца и части промежуточной зоны имеются вертикальные проточки, повышающие площадь контакта корпуса шипа с протектором шины, тем самым предотвращая проворачивание шипа и улучшая удержание шипа в протекторе шины. Такое решение также несколько снижает массу шипа, однако усложняет технологию его производства и потенциально ослабляет удержание износостойкой вставки в корпусе шипа. Кроме того предлагаемая конструкция фланца корпуса не обеспечивает повышение жесткости удержания шипа при приложении боковых сил.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой разработке является конструкция шипа противоскольжения, описанная в патенте RU 2292269 фирмы Нокиан Ренкаат Ойй (Финляндия). Согласно данному патенту шип противоскольжения содержит корпус и износостойкую вставку, выступающую из корпуса в его верхней части и имеющую в поперечном сечении форму пятиугольника. Корпус содержит верхний фланец (головку), промежуточную зону и нижний фланец. Оба фланца имеют цилиндрическую форму, а промежуточная зона выполнена с переменным поперечным сечением в виде усеченного конуса, большее основание которого примыкает к верхнему фланцу.
Преимуществом такой конструкции является отсутствие необходимости фиксации ориентировки шипа при ошиповке.
Однако при эксплуатации шин с описанным шипом противоскольжения возможно образование концентраторов напряжений в районе перехода промежуточной зоны в нижний фланец, приводящих к образованию трещин в зоне протектора, примыкающей к шипу противоскольжения. Основной износ происходит в местах концентрации напряжений, образующихся в зонах изменения размеров шипа, в частности в зонах перехода от верхнего фланца к промежуточной зоне и от промежуточной зоны к нижнему фланцу. При этом снижается усилие удержания шипа противоскольжения в протекторе и увеличивается вероятность проворачивания шипа, что снижает эффективность его работы и приводит к выпадению шипа противоскольжения из шины.
Анализ шин после эксплуатации показывает, что наиболее опасным является концентрация напряжений в резине в зоне перехода от нижнего фланца к переходной зоне. В данной зоне в процессе эксплуатации наблюдается наиболее интенсивный износ резины, вплоть до образования трещин и надрывов в массиве резины.
В основу настоящей полезной модели положена задача разработать шип противоскольжения с таким конструктивным выполнением переходной зоны, которое обеспечивает надежную фиксацию шипа противоскольжения в протекторе пневматической шины в течение длительного срока эксплуатации.
Поставленная задача достигается тем, что в шипе противоскольжения, содержащем корпус, состоящий из верхнего фланца с выступающей из него износостойкой вставкой, нижнего фланца и расположенной между верхним и нижним фланцами переходной зоной, согласно полезной модели, переходная зона имеет форму усеченной пирамиды, обращенной большим основанием к нижнему фланцу.
Предпочтительно, чтобы поперечном сечении усеченная пирамида имела форму квадрата или правильного шестиугольника.
Технологично, чтобы длина диагонали поперечного сечения меньшего основания усеченной пирамиды составляла 0,75-1,0 диаметра верхнего фланца, а длина диагонали поперечного сечения большего основания усеченной пирамиды составляла 0,8-1,0 диаметра нижнего фланца.
Возможно выполнение переходной зоны, в которой имеется дополнительный участок в виде тела вращения, примыкающий к верхнему фланцу, одним основанием примыкающий к верхнему фланцу, а другим - к меньшему основанию усеченной пирамиды. В частности, дополнительный участок может иметь форму усеченного конуса, обращенного большим основанием к верхнему фланцу, или форму цилиндра.
Выбор формы поперечного сечения переходной зоны в виде четырех- или шестиугольника обусловлен, с одной стороны, возможностью обеспечения минимальных различий в размерах поперечного сечения переходной зоны и фланцев (в отличие, например от треугольной формы), а с другой стороны, обусловлен получением достаточно больших боковых опорных ребер (в сравнении, например, с восьмигранной формой), препятствующих проворачиванию шипа противоскольжения в шине вокруг своей оси.
Техническим результатом является прочность и надежная фиксация шипа противоскольжения в протекторе пневматической шины, обусловленная значительным снижением образования концентраторов напряжения в резине в области перехода от переходной зоны к фланцам, что достигается плавным изменением площади поперечного сечения переходной зоны, выполненной в виде усеченной пирамиды. Наличие граней в усеченной пирамиде предотвращает проворачивание шипа противоскольжения в резине протектора.
Наряду со сказанным выше следует отметить высокие эксплуатационные характеристики патентуемого шипа противоскольжения. Проведенные испытания шин, оснащенными патентуемыми шипами противоскольжения показали лучшие показатели эффективности торможения, интенсивности разгона и управляемости при езде по льду и по укатанному снегу.
Дополнительные характеристики и преимущества полезной модели будут представлены в описании следующего исполнения, приведенного как показательный и не ограничивающий пример, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 изображает общий вид шипа противоскольжения, согласно полезной модели;
Фиг. 2 - шип противоскольжения, установленный в пневматической шине в продольном разрезе, один вариант выполнения, согласно полезной модели;
Фиг. 3 - разрез по линии А-А на фиг. 2, один вариант выполнения;
Фиг. 4 - разрез по линии А-А на фиг. 2, другой вариант выполнения;
Фиг. 5 - шип противоскольжения, установленный в пневматической шине в продольном разрезе, другой вариант выполнения, согласно полезной модели;
Фиг. 6 - разрез по линии Б-Б на фиг. 5;
Фиг. 7 - шип противоскольжения, установленный в пневматической шине в продольном разрезе, еще один вариант выполнения, согласно полезной модели.
Шип противоскольжения содержит корпус, который состоит из верхнего фланца 1 (фиг. 1-4) с выступающей из него износостойкой вставкой 2, нижнего фланца 3 и расположенной между верхним и нижним фланцами 1, 3 переходной зоны 4, которая выполнена в виде усеченной пирамиды, обращенной большим основанием к нижнему фланцу 3. Верхний и нижний фланцы 1, 3 выполнены в виде цилиндров с небольшими фасками.
В поперечном сечении переходная зона 4 имеет форму квадрата (фиг. 3) или правильного шестиугольника (фиг. 4), что позволяет достичь минимальных различий в размерах поперечного сечения переходной зоны 4 и фланцев 1, 3. Одновременно следует отметить, что площадь боковых граней четырех- или шестигранной усеченной пирамиды достаточно велика, что препятствует проворачиванию шипа противоскольжения в шине вокруг своей оси и надежному удержанию в протекторе в течение длительного срока эксплуатации.
Во избежание износа шипа в местах концентрации напряжений, а именно, в зонах перехода от верхнего фланца 1 к промежуточной зоне 4 и от промежуточной зоны 4 к нижнему фланцу 3, площадь контакта в этих зонах должна быть соизмерима с площадью опорных фланцев 1, 3. Экспериментально установлено, что данное условие соблюдается при длине диагонали поперечного сечения меньшего основания усеченной пирамиды от 0,75 до 1,0 диаметра верхнего фланца 1 и длине диагонали поперечного сечения большего основания усеченной пирамиды от 0,8 до 1,0 диаметра нижнего фланца 3.
В конкретном варианте выполнения шипа противоскольжения диаметр верхнего фланца 1 составляет 6,8 мм, диагональ поперечного сечения усеченной пирамиды в месте примыкания к верхнему фланцу 1 составляет 5,2 мм; отношение диагонали к диаметру составляет 0,85.
Диаметр нижнего фланца 3 в данном примере равен 8 мм, диагональ поперечного сечения усеченной пирамиды в месте примыкания к нижнему фланцу 3 составляет 7,1 мм; отношение диагонали к диаметру составляет 0,88.
В другом варианте конструкции шипа противоскольжения, представленному на фиг. 5-7, переходная зона 4 имеет дополнительный участок 5 в виде тела вращения, примыкающий к верхнему фланцу 1.
На фиг. 5 дополнительный участок 5 переходной зоны 4 выполнен в виде усеченного конуса, меньшее основание которого примыкает к основному участку 6 в виде усеченной пирамиды.
На фиг. 7 представлен еще один вариант конструкции шипа противоскольжения, в котором дополнительный участок 7 переходной зоны 4 выполнен цилиндрическим и примыкает к основному участку 6 в виде усеченной пирамиды.
Варианты исполнения шипа противоскольжения, когда в промежуточной зоне 4 выполнен дополнительный участок в виде тела вращения (конуса или цилиндра), достигается более плавный переход от промежуточной зоны 4 к верхнему фланцу 1, то есть снижаются напряжения в резине протектора в этой зоне и, как следствие, обеспечивается более надежное удержание шипа противоскольжения в протекторе в процессе эксплуатации.
Проведенные сравнительные дорожные испытания подтвердили эффективность предложенной конструкции шипа противоскольжения.
В таблице представлены данные по показателям эффективности сцепления шин 205/55R16, оснащенных шипами противоскольжения, на льду и на укатанном снеге, где:
- вариант А - «стандартная» конструкция шипа противоскольжения, имеющего износостойкую вставку и корпус, состоящий из верхнего фланца, переходной зоны и нижнего фланца, имеющих цилиндрическую форму.
- вариант Б - шип противоскольжения, имеющий износостойкую вставку и корпус, состоящий из верхнего фланца, переходной зоны и нижнего фланца, имеющих в поперечном сечении форму окружности. Переходная зона имеет форму усеченного конуса, большее основание которого ориентировано к верхнему фланцу.
- вариант В - заявляемая конструкция шипа противоскольжения, имеющего износостойкую вставку и корпус, состоящий из верхнего и нижнего фланцев и расположенной между ними переходной зоны с двумя участками переменного сечения. Верхний участок переходной зоны имеет форму усеченного конуса, большее основание которой ориентировано к верхнему фланцу, а нижний участок переходной зоны представляет собой усеченную четырехгранную пирамиду, большее основание которой примыкает к нижнему фланцу.
На основании анализа данных, приведенных в таблице, можно сделать вывод о том, что на льду патентуемый шип противоскольжения показал лучшие результаты по всем показателям - эффективность торможения, интенсивность разгона и управляемость. На укатанном снегу названные показатели сопоставимы с результатами для сравниваемых конструкций шипов противоскольжения.
Таким образом, лучшие показатели при езде по льду и аналогичные показатели при езде по укатанному снегу свидетельствуют о том, что заявленный шип противоскольжения обладает повышенными эксплуатационными характеристиками.