Покрышка пневматической шины

Полезная модель относится к шинной промышленности, а именно к конструкции каркаса покрышек пневматических грузовых шин диагональной конструкции.
Потребителями постоянно повышаются требования к нагрузочной характеристике грузовых шин без изменения (увеличения) их размеров. Одним из основных несущих нагрузку элементов шины и определяющим ее нагрузочную характеристику является каркас шины. Как правило, каркас грузовой шины диагональной конструкции состоит из нескольких слоев обрезиненного текстильного корда.
Повышение нагрузочной характеристики грузовой шины может быть достигнуто путем увеличения количества слоев обрезиненного корда в каркасе, однако такое решение повышает массу шины, увеличивает ее стоимость и снижает показатели топливной экономичности и скоростной выносливости.
При повышении нагрузочной характеристики шины с целью уменьшения массы каркаса и шины в целом, повышения топливной экономичности и управляемости шин основной задачей при разработке конструкции каркаса современных грузовых шин является максимальное снижение количества слоев корда в каркасе.
Основным направлением в решении данной задачи является применение в каркасе шин кордов повышенной прочности. Однако повышение нагрузочной характеристики шин путем простого применения более прочных кордов в каркасе шин обычно ограничено как их стоимостью, так и ухудшением их ремонтопригодности в случае механических повреждений по каркасу при значительном уменьшении (например, при применении металлокорда до 1-2 слоев) количества слоев корда.
Известна конструкция каркаса пневматических грузовых и легкогрузовых шин радиальной и диагональной конструкции, выполненная из текстильной кордной ткани с разрывной прочностью нити более 400 Н, с числом кручений нити 180-290 на метр, удельной прочностью более BS/tex более 0,78 и удлинением нити корда менее 3% при нагрузке 39-45 Н. При этом резиносодержание в слое корда составляет 18-27% (патент РФ на изобретение RU 2456167 от 20.12.2017 «Пневматическая шина», B60C 9/04, бюллетень №20, ООО «Холдинговая Компания «ЛОйл НЕФТЕХИМ»).
Недостатками данной конструкции является применение слоев корда с одинаковым резиносодержанием для всех слоев каркаса, что приводит:
к увеличенному расходу текстильного корда;
к возникновению резкого перепада по жесткости между обрезиненными слоями корда каркаса и покровными резиновыми слоям боковины.
Известна также конструкция каркаса покрышки пневматической шины с посадочным диаметром 20 дюймов, состоящего из слоев обрезиненного корда с разрывной прочностью нити не более 35 кгс/нить и двумя видами плотности: более плотной во внутренних слоях и разреженной в наружных слоях каркаса (патент РФ на полезную модель №17307 от 27.03.2001 «Покрышка пневматической шины», B60C 9/00, бюллетень №9, ГУП «Научно-исследовательский институт шинной промышленности»).
Недостатком данной конструкции является применение для каркаса корда невысокой прочности, что приводит к увеличению числа слоев каркаса при повышении нагрузки на шину, увеличивает ее массу, ухудшает топливную экономичность и управляемость.
Ближайшим аналогом к предлагаемой полезной модели является конструкция каркаса пневматических автомобильных шин, содержащего слои с различной плотностью нитей в слое, с разрывной прочностью нитей более 35 кгс/нить и коэффициентом соотношения между толщиной нити текстильного обрезиненного корда и величиной разрывной прочности нити меньше 0,021 (коэффициент удельной прочности). По меньшей мере в одном слое каркаса плотность нитей меньше на 25-30%, а резиносодержание больше в 1,6-3,5 раза, чем в остальных слоях каркаса (патент РФ на изобретение № 2525344 от 10.08.2014 «Покрышка пневматической шины», B60C 9/04, бюллетень № 22, ОАО «КОРДИАНТ»).
Недостатком данной конструкции является значительная разница в резиносодержании между слоями каркаса, создающая при циклическом нагружении шины при эксплуатации температурную разницу в слоях каркаса, и наличие существенных сдвиговых деформаций между слоями с различной плотностью нитей корда. Кроме того, увеличение резиносодержания в слоях каркаса с меньшей плотностью нитей корда повышает массу шины.
Другим недостатком конструкции является необходимость применения в слоях каркаса корда с различными прочностными характеристиками для обеспечения равной прочности в слоях каркаса шины с указанными в патенте условиями. Это усложняет процесс производства, увеличивает трудоемкость и себестоимость шин.
Плотность нитей корда в слое каркаса в сочетании с количеством слоев корда определяет показатели прочности каркаса при нагружении шины внешней нагрузкой.
Применение обрезиненного корда с различной плотностью в различных слоях каркаса шин обусловлено различиями в типах напряжений и деформаций, возникающих во внутренних, средних и внешних слоях многослойного каркаса шины. В шинах диагональной конструкции внешние и внутренние слои каркаса подвергаются более значительным изгибным деформациям, чем средние слои, что обуславливает необходимость их большей эластичности (гибкости).
Кроме того, внешний слой корда каркаса должен иметь меньшую изгибную жесткость для обеспечения более плавного перехода жесткости от обрезиненных слоев корда каркаса к резине боковины шин.
В слоях каркаса с различной плотностью корда резиносодержание также различно.
Показатель резиносодержания в слое обрезиненного корда наряду с плотностью нитей корда является характеристикой для оценки свойств (работоспособности, теплообразования) резинокордного слоя в условиях динамических напряжений.
Резиносодержание в обрезиненном слое корда каркаса определяется по формуле:
T=(1-d/t)·100%,
где t- расстояние между центрами соседних нитей в слое каркаса;
d - диаметр нити корда.
Величина показателя резиносодержания в обрезиненном слое корда каркаса зависит от конструкции и назначения шин (условий ее работы).
Уменьшение резиносодержания в слое каркаса повышает вероятность появления трещин на границе между нитью корда и резиной и обуславливает повышение требований к материалам для обеспечения необходимого уровня прочности связи между кордом и резиновой смесью, примененной для его обрезинивания.
Чрезмерное повышение резиносодержания в слое обрезиненного корда увеличивает массив резиновой смеси, снижает жесткость слоя каркаса и увеличивает температуру, развивающуюся в слое при динамических напряжениях, повышает массу каркаса шины.
Техническая задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, заключается в создании каркаса шины диагональной конструкции с оптимальным соотношением количества слоев и резиносодержания в них, обеспечивающих повышение максимальной нагрузки на шину при сохранении или уменьшении числа слоев корда в каркасе.
Поставленная задача решается установлением совокупности оптимальных параметров корда, а именно его прочностных и геометрических характеристик, диаметра нити в сочетании с его плотностью и резиносодержанием в различных слоях каркаса и между слоями.
Для решения поставленной задачи в покрышке пневматической шины диагональной конструкции, включающей протектор, боковины, брекер, бортовые кольца и каркас, каркас содержит слои обрезиненного текстильного корда с прочностью более 35 кгс/нить, коэффициентом удельной прочности корда менее 0,021, а нити каркаса имеют различную плотность нитей корда во внутренних, средних и наружных слоях каркаса.
Плотность нитей корда по меньшей мере двух внутренних и двух наружных слоев корда каркаса в покрышке составляет от 55 до 60 нитей на 100 мм, резиносодержание в этих слоях находится в диапазоне от 46 до 49%, а плотность нитей корда по меньшей мере в двух средних слоях больше плотности нитей корда во внутренних слоях каркаса на 20-24% и составляет 72-76 нитей на 100 мм.
При этом резиносодержание в средних слоях каркаса с плотностью нитей корда от 72 до 76 нитей на 100 мм меньше резиносодержания внутренних и внешних слоев каркаса с плотностью корда 55-60 нитей на 100 мм на 35-40% и составляет 32-35%.
При этом каркас содержит, в частности шесть слоев обрезиненного текстильного корда.
Параметры плотности нитей корда во внутренних и внешних слоях каркаса выбраны исходя из характеристик доступного для применения корда каркаса и обеспечения требования необходимого запаса прочности шины под нагрузкой.
При наличии в конструкции каркаса слоев обрезиненного корда с различной плотностью нитей корда на границах между такими слоями каркаса из-за различного резиносодержания и жесткости слоев возникают повышенные сдвиговые напряжения, которые могут стать причиной появления расслоений и разрушений в слоях каркаса в процессе эксплуатации шины.
Дополнительный показатель межслойного резиносодержания позволяет оценить работоспособность резинокордной многослойной конструкции.
Величина межслойного резиносодержания определяется по формуле:
r=(1-d/h)·100 %,
где d - диаметр нити корда;
h - расстояние между центрами нитей корда в соседних слоях каркаса.
Расстояние между центрами нитей корда в соседних слоях каркаса зависит от толщины обрезинивания каждого отдельного слоя. Как правило, при увеличении диаметра корда увеличивается и толщина обрезинивания.
При увеличении толщины обрезинивания слоя корда увеличивается расстояние между нитями корда в соседних слоях и увеличивается межслойное резиносодержание.
Увеличение межслойного резиносодержания снижает сдвиговые напряжения между слоями обрезиненного корда, но увеличивает массу каркаса и снижает температурную выносливость шин. Также уменьшается величина окружной жесткости каркаса, тем самым снижая показатели управляемости шины.
Уменьшение толщины обрезиненного слоя корда и снижение межслойного резиносодержания в общем случае снижает массу и увеличивает жесткость каркаса шин, повышая тем самым температурную выносливость шины, но увеличивает сдвиговые напряжения между слоями обрезиненного корда каркаса. При этом увеличивается вероятность возникновения расслоений между слоями корда и трещин в шине.
Кроме того, в зависимости от характеристик резиновой смеси, используемой для обрезинивания корда, и точности применяемого оборудования у конкретного изготовителя шин минимальная величина толщины обрезинивания корда и, соответственно, межслойного резиносодержания обычно имеет технологические ограничения.
Для повышения технологичности толщина обрезинивания корда в слое каркаса обычно принимается единой для всех слоев каркаса независимо от плотности нитей корда в них и зависит в основном от диаметра нити применяемого корда.
Показатель межслойного резиносодержания в каждом конкретном случае выбирается опытном путем с учетом назначения шины, требуемых технических характеристик по нагрузке и скорости, а также технологических возможностей ее производства.
В предлагаемой полезной модели резиносодержание во внутренних и наружных слоях определено исходя из следующего.
Для технологически оптимальной толщины обрезинивания нитей корда прочностью более 35 кгс/нить и с коэффициентом удельной прочности нити карда меньше 0,021 межслойное резиносодержание между слоями каркаса для обеспечения надежной работоспособности шины составляет от 27 до 33%.
На фиг. 1 представлен пример меридионального сечения покрышки с каркасом согласно предлагаемой полезной модели.
На фиг. 2 представлен фрагмент сечения каркаса покрышки со слоями обрезиненного корда.
Покрышка, представленная на фиг. 1, 2, содержит:
1 - протектор,
2 - боковины,
3 - брекер,
4 - бортовые кольца,
5 - каркас, выполненный из 6 слоев обрезиненного текстильного корда,
6 - внутренние слои обрезиненного корда каркаса,
7 - внешние слои обрезиненного корда каркаса,
8 - средние слои обрезиненного корда каркаса,
9 - внутренний резиновый слой.
В каркасе 5 шины имеется шесть слоев обрезиненного текстильного корда. Два внутренних слоя 6 и два внешних слоя 7 каркаса 5 выполнены из корда 452А и имеют плотность 58 нитей на 100 мм, а два средних слоя 8 выполнены из корда 45А и имеют плотность 72 нити на 100 мм.
При этом межслойное содержание во всех слоях каркаса одинаково и составляет 31%.
Внутренние и внешние слои каркаса работают в режиме повышенных изгибных напряжений и для снижения возникающих сдвиговых напряжений в слоях имеют пониженную плотность нитей корда и повышенное резиносодержание.
Экспериментально установлено, что для достижения поставленных целей плотность корда по меньшей мере двух внутренних и двух внешних слоев составляет 55-60 нитей на 100 мм при резиносодержании 46-49%.
Как показали исследования, если резиносодержание в слое каркаса при плотности нитей корда 55-60 нитей на 100 мм будет меньше 46%, то это потребует применения корда с большим диаметром нитей и, соответственно, увеличения его толщины обрезинивания, что, в свою очередь, приведет к увеличению массы и снижению температурной выносливости шины.
Если резиносодержание в слое каркаса при плотности нитей корда 55-60 нитей на 100 мм будет больше 49%, то это потребует применения корда с меньшим диаметром нитей при сохранении или увеличении их прочности, т.е. увеличения стоимости корда. Кроме того, снизится боковая жесткость каркаса, ухудшится управляемость шины.
Для предложенных параметров конструкции средних слоев каркаса с учетом обеспечения необходимого запаса прочности под нагрузкой экспериментально установлено что для достижения поставленных целей плотность корда по меньшей мере в двух средних слоях должна составлять 72-76 нитей на 100 мм при резиносодержании 32-35%.
Снижение плотности в средних слоях каркаса менее 72 нитей на 100 мм приводит к снижению запаса прочности шины, снижает ее жесткость и работоспособность. Также увеличивается масса.
Увеличение плотности корда свыше 76 нитей на 100 мм приводит к снижению резиносодержания в слое и увеличивает сдвиговые напряжения между нитью корда и окружающей нить резиной, что ведет к увеличению риска потери связи между нитью корда и резиновой смесью и разрушению каркаса шин при эксплуатации.
Если плотность корда в средних слоях будет меньше 72 нитей на 100 мм при резиносодержании 32-35%, то это потребует применения корда с большим диаметром нитей, приводит к необходимости увеличения толщины обрезинивания корда, увеличивает массу шины.
Если плотность корда в средних слоях будет больше 76 нитей на 100 мм при резиносодержании 32-35%, то это потребует применения иного корда с меньшим диаметром нитей, отличного от принятого во внутренних и внешних слоях корда каркаса. Применение дополнительного типа корда увеличивает трудоемкость и стоимость изготовления шин.
Если резиносодержание в средних слоях каркаса при плотности корда по меньшей в одном наружном слое, составляющем 72-76 нитей на 100 мм, будет меньше 32%, то это потребует применения корда с большим диаметром нитей и увеличения толщины его обрезинивания, что, в свою очередь, приведет к увеличению массы и снижению температурной выносливости шины.
Если резиносодержание в средних слоях каркаса при плотности корда по меньшей мере в одном среднем слое, составляющем от 72 до 76 нитей на 100 мм, будет больше 35%, то это потребует применения корда с нитями меньшего диаметра и большей прочности, т.е. увеличения стоимости корда. Кроме того, снизится изгибная жесткость каркаса, ухудшится управляемость шины.
Уменьшение межслойного резиносодержания менее 27% для выбранного типа корда требует усложнения (и увеличения стоимости) технологического процесса обрезинивания для достижения меньшей толщины обрезинивания, повышения уровня прочности связи резиновой смеси с нитью корда из-за увеличения сдвиговых напряжений между соседними слоями обрезиненного корда, увеличению стоимости резиновой смеси.
Увеличение межслойного резиносодержания в слоях каркаса свыше 33% требует увеличения толщины обрезинивания корда, приводит к снижению жесткости каркаса, увеличивает массу шины и снижает показатели управляемости и температурной выносливости.
В таблице 1 представлены характеристики и результаты сравнительных стендовых испытаний диагональных шин 1150-400-457 с каркасом серийной конструкции и с каркасом согласно предлагаемой полезной модели.
Таблица 1
Наименование показателя
Серийная конструкция
Предлагаемая конструкция
Относительная прочность корда в каркасе
0,028
0,020
Количество слоев корда в каркасе
2+4+2
2+2+2
Плотность нитей корда во внутренних и наружных слоях каркаса, шт/100мм
72-76*
56-60*
Плотность нитей корда в средних слоях каркаса, шт/100мм
88
76
Резиносодержание во внутренних и наружных слоях каркаса, %
47-50*
46-49*
Резиносодержание в средних слоях каркаса, %
39
35
Межслойное резиносодержание в слоях каркаса, %
40
31
Масса шины, %
100
95
Максимальная нагрузка на шины, %
100
110
Максимальная скорость шины, %
100
105
* - различные показатели плотности и резиносодержания в слоях каркаса готовой шины обусловлены различным процентом вытяжки слоев при изготовлении шин
Таким образом, предлагаемая полезная модель обеспечивает повышение нагрузочной характеристики при снижении массы и повышении скоростной выносливости шин.
Полезная модель может быть реализована на стандартном оборудовании в условиях массового производства.