ПНЕВМАТИЧЕСКАЯ ШИРОКОПРОФИЛЬНАЯ ШИНА

Техническое решение относится к шинам транспортных средств, прежде всего к надувным пневматическим шинам, и в частности, к рисунку протектора шин сверхнизкого давления, предназначенных для использования на транспортных средствах, передвигающихся по бездорожью и грунтам с малой несущей способностью.
Давно известны пневматические шины (см. например, стр. 18,19 Автомобильные шины. Конструкция, расчет, испытание, эксплуатация. Под общей ред. В.Л. Бидермана - М.: Госхимиздат, 1963. - 384 с), которые предназначены для повышения проходимости по слабонесущим грунтам. Однако недостаточные сцепные свойства и проходимость данных шин по грунтам с низкой несущей способностью, неоптимальные размеры, форма и эластичность, а также высокое, более 0,5 кгс/см, внутреннее давление, приводят к их значительному внедрению в грунт, что оказывает на него чрезмерное разрушающее воздействие.
Ширина профиля, его форма, толщина резинокордной оболочки, а также рисунок протектора, имеют определяющее значение для увеличения тяговых возможностей, улучшения самоочищения и снижения шумности при движении по твердым поверхностям.
Так монолитная бескамерная шина сверхнизкого давления по RU 115198, предназначенная для достижения высокой проходимости и тяговых свойств на мягких и увлажненных поверхностях, выполнена в форме арки. Но из-за относительно жесткого каркаса, низких бортов и высокого протектора она имеет большую массу, и проблемы с регулированием давления.
Движитель по US 2821949 имеет поперечные лопатки на всю ширину беговой части, это способствует перемещению по водонасыщенным поверхностям (например, болоту) однако исключает движение по твердым поверхностям.
Шина по US 4538657 с изменяемым пятном контакта, способна двигаться по различным поверхностям, подстраиваясь под конкретные условия, однако для нее необходим специальный диск, что ограничивает область применения и снижает ее функциональность.
Известны соотношения линейных размеров протектора в шине сельскохозяйственного назначения по RU 2025288, а также соотношение ширины срединных и периферийных грунтозацепов во внедорожной шине см. US 6250353 и 7048022, а также размеры продольных канавок см. US 6401774 и 6929044.
Разделение протектора срединной продольной канавкой в шинах по US Des. 308038 и Des. 345950 улучшает тяговые характеристики и самоочищение, однако снижает поперечную устойчивость, а выполнение шин по US 6401774, 6533007, 6929044 с четко выраженными продольными канавками, повышает курсовую устойчивость при сохранении тяговых возможностей.
Во вседорожной шине по US Des. 384013 центральные грунтозацепы отделены от периферийных и зацепов боковин продольными канавками, что улучшает курсовую устойчивость, но отсутствие четко выраженных поперечных канавок ухудшает самоочищение, что снижает проходимость.
Протектор по US Des. 305630 и 504103 разделен пятью продольными канавками отделяющими грунтозацепы, расположенные в шахматном порядке. Такое выполнение протектора упрощает технологию изготовления, но уменьшает устойчивость в поперечном направлении при движении на косогоре.
Расположение канавок граней грунтозацепов шин по RU 39348 и 40529, а также центральной канавки по US 6189586, 6250353, Des. 261257 и шины с защитой от проколов по EP 1533142 зигзагообразно улучшает тягово-сцепные свойства, однако малая эластичность этих шин приводит к разрушающему воздействие на грунт, а следовательно снижает проходимость.
Чередование коротких и длинных ребер через ряд в окружном направлении и расположением ребер по дуге с углом уменьшения от 50 до 25° от центра к краю беговой дорожки относительно меридиана в рисунке протектора по RU 47529 способствует самоочищению, на вязких грунтах.
Согласование направления вращения шины и направления рисунка протектора (см. RU 41560, 1372778, а также US Des. 512957) способствует увеличению тяговых свойств, в отличии от равномерного распределения протектора по беговой части в US 4253512, Des. 275383 и JP 3946696.
Рисунок протектора низкопрофильной шины по RU 35492 и 42475 имеет сильно разреженную центральную беговую часть и увеличивающуюся к периферии насыщенность протектора. Такая компоновка приводит к неравномерному распределению давления в пятне контакта при движении по слабонесущим грунтам, а также препятствует самоочищению и создает повышенный шум при движении по твердой опорной поверхности.
Известна пневматическая шина для снегоболотохода по RU 50470, ширина профиля которой равна или меньше высоты, состоящая из протектора с грунтозацепами и каркаса. В данном случае шина выполнена из обрезиненного корда с количеством слоев от одного до четырех, при этом слои завернуты на бортовые кольца, а по внутренней поверхности каркаса имеются углубления, повторяющие конфигурацию и расположение элементов рисунка протектора. Такое выполнение внутренней поверхности каркаса шины усложняют технологию ее изготовления, а переменная высота грунтозацепов увеличивает сопротивление качению.
Также не расширяет функциональные возможности протектор шины сверхнизкого давления по RU 52774, с грунтозацепами типа «елочка», направленными под углом к экваториальной плоскости и разделенные канавками с ребрами U-образной формы, в котором канавки протектора ориентированы в меридиональном направлении под углом 45° к экваториальной плоскости, а канавки боковых грунтозацепов, ориентированы в меридиональном направлении под углом 90° к экваториальной плоскости. Выполнение рисунка протектора с разнесенными относительно друг друга грунтозацепами, сформированными в поперечные ребра по типу «косой елочки», по расположению грунтозацепов в экваториальной зоне в каждом ребре под углом в 45° к экваториальной плоскости, и расположению грунтозацепов в шахматном порядке перекрытия впадин между грунтозацепами одного ряда способствует самоочищению, однако недостаточно увеличивает проходимость на грунтах с низкой несущей способностью.
Подобным образом выполнен протектор и в диагональной широкопрофильной шине сверхнизкого давления по RU 103088. Она состоит из протектора с грунтозацепами, расположенными по рисунку симметричной «елки», каркаса, выполненного из двух слоев корда и боковины. Протектор содержит грунтозацепы центрального, бокового и плечевого ребер, отделенных друг от друга продольными канавками, расположенными симметрично. Использование в каркасе полиамидного корда, и выполнение из мягкой прослоечной резины бортовых колец и поверхностей, прилегающих к посадочным полкам обода, снижает устойчивость каркаса и способствует образованию складок на боковине при пониженном внутреннем давлении, а увеличение в два раза числа грунтозацепов в плечевом ребре по сравнению с центральным ребром, увеличивает насыщенность протектора, что ухудшает его самоочищение.
В низкопрофильной сверхнизкого давления диагональной пневматической шине по RU 74857, отношение ширины профиля к его высоте равно 0,596 при номинальном внутреннем давлении 0,5-0,6 МПа. Она состоит из протектора с грунтозацепами и каркаса, выполненного из обрезиненного корда, боковин, слои корда в которых завернуты на бортовые кольца. В корде каркаса и боковин использован капроновый корд, между слоями каркаса размещена резиновая прослойка. Это способствует сохранению формоудержания шины при падении давления ниже заданного и сохранению несущей способности шины, однако приводит к значительному внедрению движителя в грунт, что снижает проходимость и ухудшает его экологичность. Выполнение рисунка протектора с шашечными элементами, образующими центральное, два боковых и три плечевых ребра, отделенных друг от друга продольными канавками и расположенных симметрично относительно центра беговой дорожки, способствует равномерному распределению нагрузки в пятне контакта однако, такое распределение элементов протектора по ширине беговой части, нерационально при движении по грунтам с различной несущей способностью и преодолении водных преград. Кроме того, составление боковых ребер из ромбовидных шашек, расположенных в шахматном порядке относительно центрального ребра, верхние и нижние грани шашек повернуты относительно оси вращения на угол 45°, а плечевые ребра образованы шашками соответственно Г-образной, квадратной и прямоугольной формы, боковые грани которых параллельны, снижает сопротивления качению и повышает сцепление с грунтом, но значительно усложняет изготовление и снижает курсовую устойчивость.
2
2
2
2
Пневматическая шина по RU 19279, содержит боковые стенки, беговую часть с протектором и борта. Отношение ее массы к внутреннему объему составляет 35-80 кг/м, а геометрические параметры определены следующим соотношением: отношение массы шины к площади S ее условной наружной поверхности, определяемой как: S=1,57(Д-d+2ВД), составляет 4,0-11,0 кг/м, где S - площадь условной наружной поверхности шины, м; Д - наружный диаметр шины, м; B - ширина профиля шины, м; d - посадочный диаметр бортов шины, м.
Ширина B бескамерной пневматической шины по RU 2005083 превышает высоту ее профиля H. Она содержит борта с каркасными кольцами, боковые стенки и беговую часть с каркасом из корда, завернутого на каркасные кольца. Толщина боковых стенок и беговой части шины выполнена постоянной и составляет 0,010-0,015 высоты профиля ширины H. Корд выполнен капроновым, уложен двумя перекрещивающимися слоями и имеет модуль угла наклона нитей каждого слоя 45-60° к меридиональному направлению. Благодаря такому выполнению достигается очень высокая эластичность шины в зоне беговой части и боковых стенок обеспечивающая равномерное распределение удельных давлений в зоне контакта шины с опорной поверхностью при внутреннем давлении воздуха 0,03 МПа. Это повышает проходимость, снижает сопротивление качению и исключает разрушающее воздействие шины на грунты с низкой несущей способностью.
Пневматическая шина по RU 2042530 ширина профиля которой превышает его высоту, а центральная часть беговой дорожки выполнена в виде формы, приближенной к цилиндрической образующей, параллельной оси вращения шины, содержит борта с каркасными кольцами, боковые стенки и беговую часть с каркасом из корда, завернутого на упомянутые каркасные кольца и протектор. Ее корд выполнен двухслойным с углом наклона нитей в каждом из слоев 45-60° к меридиальному направлению шины, расположенных между собой перекрестно, а каркас в беговой части шины и в зоне боковин выполнен толщиной 0,003-0,080 высоты профиля шины. Данная шина не оказывает разрушающего воздействия на поверхность перемещения, но при этом имеет недостаточные грузоподъемность и тяговые возможности на слабонесущих грунтах.
Толщина оболочки шины полноприводного вездехода по RU 2466877, содержащей оснащенную каркасом оболочку, составляет 0,007-0,030 высоты профиля шины.
Шина вездехода по RU 2467882, имеет номинальное внутреннее давление 0,005-0,070 МПа. Она содержит протектор и выполненный из обрезиненного корда каркас, боковины, слои корда которых завернуты на бортовые кольца. Отношение высоты профиля шины к его ширине лежит в пределах от 0,45 до 0,7.
Пневматическая шина вездеходного транспортного средства по RU 104517, содержит каркас, выполненный из обрезиненного корда, беговую часть с протектором, борта для закрепления на ободе колеса, боковую часть, расположенную между беговой частью и бортами, при этом ширина профиля шины превышает высоту профиля шины, при номинальном внутреннем давлении. Отношение массы шины к ее внутреннему объему составляет 30-120 кг/м3, толщина стенок беговой части и боковой части составляет 0,004-0,03 высоты профиля шины, а высота выступов составляет 0,012-0,075 высоты профиля шины.
Шина сверхнизкого давления по RU 124632, содержит борта с каркасными кольцами, боковые стенки и беговую часть с протектором, имеющие каркас из корда, завернутый на упомянутые каркасные кольца. Она снабжена одним или двумя слоями, расположенными между протектором и каркасом. Слой располагается по всей ширине профиля с напуском на боковые стенки на величину 0,1-0,5 высоты профиля, а нити корда в слое выполнены из крученого синтетического полиамидного волокна.
Хотя приведены многочисленные варианты форм и конструкций профилей шин низкого и сверхнизкого давления, нет оптимальной формы и конструкции, при которой повышена грузоподъемность вездеходной шины сверхнизкого давления при сохранении ее эластичности.
Известны примеры выполнения рисунка протектора, в которых выступы срединной части протектора расположены зигзагообразно (см. например US 3237669 и JP 2706250).
Рисунок протектора шины повышенной проходимости по RU 1372778 содержит направленные грунтозацепы, чередующиеся с выемками. Образующие передних и задних боковых граней выполнены радиусами, расстояние от центров которых до линии пересечения плечевых зон и беговой дорожки относится к ширине ”г” беговой дорожки в пределах: 0,115-0,190 - для передней 4 и 0,03-0,10 - для задней граней грунтозацепов, а величина радиусов составляет 0,75-1,15 ширины беговой дорожки протектора. При этом центры радиусов находятся с внешней стороны беговой дорожки.
Во внедорожной шине YOKOHAMA GEOLANDAR M/T+ (см. сайт www.yokohama.ru) выступы грунтозацепов расположены с перекрытием в окружном направлении. А в шине MAXXIS M-8080 Mudzilla (см. сайт www.mudzilla.ru) грунтозацепы, ориентированы наклонно к продольной плоскости и разделены выемками.
Шина транспортного средства повышенной проходимости по RU 119684, содержит рабочую поверхность, выполненную в виде центральной и двух симметричных периферийных плечевых зон, причем в центральной зоне расположена направляющая беговая дорожка. Направляющая беговая дорожка выполнена эластичной, а плечевые зоны имеют криволинейные зоны с толщиной, в 1,2-5 раз большей, чем центральная зона. При этом периферийные плечевые зоны имеют сферическую форму.
Шина для вездеходных транспортных средств по RU 81124, представляет собой доработанную шину Belshina Бел-44, в которой уменьшена высота грунтозацепов и выполнены канавки в меридиональном направлении глубиной, равной высоте грунтозацепа.
Рисунок протектора шины сверхнизкого давления по RU 102326 содержит длинные грунтозацепы, направленные под углом к экваториальной плоскости, разделенные впадинами и ориентированными в окружном направлении канавками. Грунтозацепы одного ряда расположены со смещением на ½ шага относительно грунтозацепов другого ряда. Расстояние между соседними длинными грунтозацепами, равно расстоянию между соседними короткими грунтозацепами и составляет шаг t=175-181 мм. Выступы боковины расположены в месте соединения плечевой и бортовой зон шины, а ширина длинных и коротких грунтозацепов и выступов составляет h=(0,16-0,19)t мм. Каждая узкая изогнутая центральная шашка имеет радиальное скругление у экваториальной плоскости. Наличие длинных грунтозацепов в срединной части протектора, образованных узкими изогнутыми центральными шашками, состоящими из двух равновеликих частей, одна из которых составляет с экваториальной плоскостью угол α=62°-67°, а другая ориентирована в радиальном направлении и расположение их со смещением на ½ шага относительно грунтозацепов другого ряда, снижает шумность при движении с максимальным внутренним давлением по твердым поверхностям. Однако, сильно разреженная срединная часть и более насыщенные периферийные зоны, препятствуют эффективному самоочищению протектора, что снижает тяговые возможности шины.
Пневматическая шина вездеходного транспортного средства по RU 129457, содержит каркас, выполненный из слоев обрезиненного корда, протектор с грунтозацепами, борта, сформированные завернутыми вокруг бортовых колец слоями корда каркаса, боковые стенки переменной толщины, при этом ширина профиля шины больше его высоты. Количество слоев обрезиненного корда в каркасе составляет от одного до шести, а соотношение высоты грунтозацепов протектора к наружному номинальному диаметру шины составляет 0,01-0,02 при номинальном внутреннем давлении в шине 0,01-0,03 МПа.
Хотя приведены многочисленные варианты выполнения основных размеров профиля, его формы, толщины резинокордной оболочки, а также рисунка протектора, нет оптимальной конструкции пневматической широкопрофильной шины с рабочим внутренним давлением воздуха 4-80 кПа, в которой увеличены тяговые возможности, улучшено самоочищение и снижена шумность при движении по твердым поверхностям.
Известна диагональная широкопрофильная пневматическая шина сверхнизкого давления по RU 127339, содержит протектор с грунтозацепами, расположенными по рисунку симметричной «елки», и каркаса, выполненного из двух слоев корда и боковины. Протектор образован грунтозацепами центрального ребра, бокового ребра и плечевого ребра, отделенными друг от друга продольными канавками и расположенными симметрично относительно центра беговой дорожки. Центральное ребро выполнено из грунтозацепов стреловидной формы, боковые ребра центрального ребра выполнены ромбовидными, а плечевые ребра - Г-образной и прямоугольной формы. Разделение продольной канавкой грунтозацепов центрального ребра и составление боковых ребер из трех рядов грунтозацепов, а плечевых - из четырех рядов, обеспечивает равномерное удельное давление на грунт. Однако выполнение шага грунтозацепов боковых ребер в диапазоне 80-150 мм, грунтозацепов плечевых ребер в диапазоне 110-120 мм, при шаге грунтозацепов центрального ребра не более 240 мм и то, что плечевые ребра ориентированы перпендикулярно экваториальной плоскости шины, увеличивает шумность, ухудшает самоочищение протектора и как следствие снижает тяговые возможности.
Задача - улучшить эксплуатационные характеристики пневматической широкопрофильной шины.
Улучшение эксплуатационных характеристик пневматической широкопрофильной шины обеспечено рациональным выполнением рисунка ее протектора.
Для этого в пневматической широкопрофильной шине, с рабочим внутренним давлением воздуха 4-105 кПа, содержащей протектор, на беговой дорожке которого выполнены грунтозацепы, ориентированные наклонно к экваториальной плоскости и разделенные выемками, ширина выемок выполнена с увеличением от центра к краю беговой дорожки, а выступы грунтозацепов разделены канавками расположенными под углом к экваториальной плоскости, ширина которых составляет 0,5-1,1 от наибольшего размера выступов.
Достигаемый при этом технический результат заключается в улучшении проходимости.
Выполнение ширины выемок с увеличением от центра к краю беговой дорожки, и разделение выступов грунтозацепов канавками расположенными под углом к экваториальной плоскости, ширина которых составляет 0,5-1,1 от наибольшего размера выступов, в пневматической широкопрофильной шине, с рабочим внутренним давлением воздуха 4-105 кПа, содержащей протектор, на беговой дорожке которого выполнены грунтозацепы, ориентированные наклонно к экваториальной плоскости и разделенные выемками, позволило достичь технического результата, а именно улучшить проходимость, поскольку выполнение ширины выемок с увеличением от центра к краю беговой дорожки, и разделение выступов грунтозацепов канавками расположенными под углом к экваториальной плоскости, ширина которых составляет 0,5-1,1 от наибольшего размера выступов, повышает тяговые возможности шины на различных поверхностях и в полной мере отвечает условиям ее эксплуатации.
Тому же способствует то, что угол наклона грунтозацепов к экваториальной плоскости шины составляет 30-70°.
Выполнение выступов составляющих грунтозацепы в форме усеченной четырехугольной пирамиды также улучшает проходимость.
То, что площадь опорной поверхности выступов составляет 15-45% площади протектора, увеличивает тяговые возможности.
Расположение выступов составляющих грунтозацепы с перекрытием в окружном направлении, также повышает тягу.
Достижению указанного технического результата также способствуют зигзагообразно расположенные выступы срединной части протектора.
Соединение плечевого выступа с грунтозацепом боковины и выполнен его в форме треугольной призмы, а грунтозацепа боковины в форме четырехугольной призмы увеличивает тяговые возможности при движении в колее и/или по сильно деформируемым грунтам.
Изображено на:
Фиг. 1 - Профиль шины;
Фиг. 2 - Рисунок протектора;
Фиг. 3 - Шина вид 3/4;
Фиг. 4 - Шина вид сбоку;
Фиг. 5 - Шина вид спереди;
Пневматическая широкопрофильная шина, с рабочим внутренним давлением воздуха 4-105 кПа, содержит протектор 1 (Фиг. 1), на беговой дорожке 2 которого выполнены грунтозацепы 3 (Фиг. 2), ориентированные наклонно к экваториальной плоскости 4 и разделенные выемками 5. Ширина выемок 5 выполнена с увеличением от центра к краю беговой дорожки, а выступы 6 грунтозацепов 3 разделены канавками 7 расположенными под углом к экваториальной плоскости 4, ширина которых составляет 0,5-1,1 от наибольшего размера выступов 6. Модель пневматической широкопрофильной шины представлена на Фиг. 3, 4, 5.
Выполнение ширины выемок 5 с увеличением от центра к краю беговой дорожки, и разделение выступов 6 грунтозацепов 3 канавками 7 расположенными под углом к экваториальной плоскости 4, ширина которых составляет 0,5-1,1 от наибольшего размера выступов, в пневматической широкопрофильной шине, с рабочим внутренним давлением воздуха 4-105 кПа, содержащей протектор, на беговой дорожке которого выполнены грунтозацепы, ориентированные наклонно к экваториальной плоскости и разделенные выемками, позволило достичь технического результата, а именно улучшить проходимость, поскольку выполнение ширины выемок 5 с увеличением от центра к краю беговой дорожки, и разделение выступов 6 грунтозацепов 3 канавками 7 расположенными под углом к экваториальной плоскости 4, ширина которых составляет 0,5-1,1 от наибольшего размера выступов 6, повышает тяговые возможности шины на различных поверхностях и в полной мере отвечает условиям ее эксплуатации.
Угол наклона грунтозацепов 3 к экваториальной плоскости 4 шины составляет 30-70°. Выступы 6 составляющие грунтозацепы 3 выполнены в форме усеченной четырехугольной пирамиды. Площадь опорной поверхности 8 выступов 6 составляет 15-45% площади протектора 1. Выступы 6 составляющие грунтозацепы 3 расположены с перекрытием в окружном направлении. Выступы 6 срединной части 9 протектора 1 расположены зигзагообразно. Плечевой выступ 10 соединен с грунтозацепом 11 боковины 12. Плечевой выступ 10 выполнен в форме треугольной призмы, а грунтозацеп 11 боковины 12 в форме четырехугольной призмы.
Пневматическая широкопрофильная шина на различных поверхностях функционирует следующим образом.
При качении вездеходной шины сверхнизкого давления с дорожной поверхностью контактирует протектор 1 и его грунтозацепы 3, ориентированные наклонно к экваториальной плоскости 4 и разделенные выемками 5.
При движении по твердой опорной поверхности давление в шине максимальное (60-105 кПа), а деформация грунта мала, поэтому с поверхностью соприкасается центральная часть беговой дорожки. При этом расположение выступов 6 срединной части 9 протектора 1 зигзагообразно позволяют снизить шумность.
По мере снижения несущей способности грунта внедрение движителя увеличивается, при этом рекомендуется снизить давление в шине (до 4-25 кПа) для увеличения пятна контакта с поверхностью. Ширина выемок 5 выполненная с увеличением от центра к краю беговой дорожки, в данных условиях, увеличивает тяговые возможности и улучшает самоочищение. А разделение выступов 6 грунтозацепов 3 канавками 7 расположенными под углом к экваториальной плоскости 4, ширина которых составляет 0,5-1,1 от наибольшего размера выступов 6 и расположение их с перекрытием в окружном направлении также повышает тягу.
При этом следует учитывать, что при внутреннем давлении в шине менее 4 кПа практически полностью теряется управляемость, а при давлении выше 105 кПа происходит значительное повреждение растительного покрова.
Для повышения тяги и улучшения управляемости в колее служат плечевые выступы 10 и соединенные с ними грунтозацепы 11 боковины 12.