БЕЗОПАСНАЯ ШИНА КАРКАСНОГО ТИПА
SAFE TYRE OF FRAME TYPE

Изобретение относится к пневматическим шинам, предназначенным для автотранспортных средств и позволяющим продолжать их движение при отсутствии в шинах избыточного давления воздуха.
Известна шина, разработанная "Эластомер А.Г." (патент ФРГ № 2614689, В60С), которая имеет отформованный наполнитель, изготовленный на основе сложных полуэфиров из пенистого полиуретана, полученного литьевым способом. Данный метод получения безопасных шин дорогостоящий, трудоемок и его применение ограничено низкими скоростями транспортного средства в условиях эксплуатации, так как шина разрушается вследствие избыточного теплообразования [1].
Дальнейшие поиски конструкторов в области создания безопасных шин были направлены на использование жестких вставок, а также других приспособлений. Однако дорожные испытания таких шин показали низкую их работоспособность, так как при проколе или простреле с потерей избыточного давления в шине происходит полное разрушение и шины и вставки при незначительном (до 3-3,5 км) пробеге автомобиля.
Известны конструкции специальных безопасных многополостных шин. Наиболее характерной из них является конструкция трехполостной шины фирмы "Клебер-Коломб" модели "ТТТ" (Франция) [2]. Шина имеет три пневматические камеры (полости): основную и две дополнительные, привулканизованные к внутренним поверхностям боковых стенок шины. Дополнительные полости поддуваются отдельно до более высокого давления, чем основная камера. При проколе основной камеры боковые дополнительные камеры увеличиваются в объеме и поддерживают давление воздуха в шине. Однако такая конструкция безопасной шины не нашла распространения из-за недостаточной ее работоспособности и усложнения технологии изготовления.
Одним из вариантов конструкции шин, позволяющих продолжать движение после прокола (пробоя) или прострела, является созданная фирмой "Гудрич" шина "Голден Лайфсейвер" с повышенной самогерметизацией проколов (патент Великобритании № 1423380, В60С 5/12). Шина представляет собой низкопрофильную бескамерную радиальную конструкцию. На внутреннюю поверхность герметизирующего слоя этой шины наложен дополнительный ячеистый слой, состоящий из модифицированной губчатой резины, который предназначен для самогерметизации небольших отверстий. Наружная поверхность губчатого слоя покрыта полиэтиленовой пленкой, которая в результате разогрева шины при движении расплавляется и после прокола шины, и даже в случае удаления предмета затекает в отверстие, герметизируя его. Одновременно она служит также своеобразным катализатором разбухания губчатого слоя. Губчатый резиновый слой образуется в процессе вулканизации шины, когда нанесена на ее внутреннюю поверхность смесь, содержащая химикаты, способные выделять при нагревании азот. В результате выделения азота образуется множество изолированных друг от друга пузырьков. При хранении шины в поддутом состоянии ячейки губки дополнительного гермослоя расширяются и насыщаются воздухом. После стабилизации давление газа в каждом отдельном пузырьке становится равным давлению воздуха внутри шины, благодаря чему и осуществляется герметизация отверстий.
Однако поврежденные боковины таких шин не затягиваются, в этом случае требуется дополнительный ремонт. Кроме того, для шин данной конструкции требуются более широкие ободья, чем для обычных шин.
Существует большая группа безопасных шин, сконструированных по схеме "шина в шине" (с пневматическими эластичными вставками), "шина -вставка" (с утолщенной боковой стенкой и упругой вставкой), "шина - вставка и камера" (восприятие нагрузки после прокола основной камеры), "треугольная шина" (с широкой беговой дорожкой и очень узким ободом), "шина-колесо" (со специальными закраинами обода, обеспечивающими равномерное распределение напряжений в шине от давления и растяжения), "колесо-шина" (со специальным седлом обода меньшего размера, чем у стандартных колес), "самогерметизация пробоев шины" (с дополнительными аэрозолями, вспененными слоями, жидкими композициями, пастообразными веществами - гелеобразующими, волокнистыми и грубодисперсными наполнителями) и другим схемам.
Однако все эти конструкции имеют разнообразное количество серьезных недостатков, ограничивающих их применение, не позволяющих обеспечить надежную и долговременную работоспособность шин на всех дорогах и при различных условиях их применения.
Наиболее близким (прототип) из известных технических решений является "шина самонесущей конструкции" (шина высокой собственной жесткости) фирмы "Сумимото Р.И.Л." (патент ЕВП № 0545681), в которой боковина содержит усилительный слой из двух резин, расположенных с внутренней стороны каркаса. Шина отличается тем, что толщина покрышки в нижней части боковины больше, чем в центральной и верхней ее частях. Сочетание низкопрофильности с широкой беговой дорожкой придает конструкции жесткость и свойство сохранять несущую способность при падении давления в шине.
Недостатком такой конструкции шины является низкая комфортабельность и управляемость автомобиля при движении по неровностям дороги вследствие повышенной жесткости и передачи сильных толчков на кузов автомобиля, а также повышенного нагрева и шума от трения шины об обод.
Кроме того, такая конструкция обладает большим весом, сложностью монтажа шины на обод, высокой стоимостью и невозможностью установки на ободе серийно-выпускаемых шин (требует специального, узкого в сравнении с обычным и плоского разъемного обода). А наличие в конструкции двухслойного каркаса исключает также и возможность сборки колеса в полевых условиях.
В этой связи важнейшей задачей обеспечения подвижности автомобиля является создание новой конструкции безопасной шины каркасного типа (фиг.1), позволяющей шине работать или при нормальном атмосферном давлении в ее полости, или при небольшом избыточном давлении, сохраняя профиль и габариты пневматической шины. Возможность работать без избыточного давления заявленная шина получила в результате замены нитей корда каркаса, работающих на растяжение, на упругие, определенным образом установленные пружинящие элементы, воспринимающие радиальную нагрузку на шину, с оптимальным их расположением по упругости в каркасе шины.
Упругий каркас в виде двух слоев непрерывно намотанного двухвиткового элемента (фиг.2) формировался на трубке (шаблоне), надутой воздухом с проверкой на дорне. Витки, образующие первый слой, формировались путем навивки непрерывной обрезиненной проволоки по спирали вокруг трубки. Витки второго слоя формировались под прямым углом к виткам первого.
Проволоке придавалась форма, соответствующая профилю накаченной шины (фиг.3). Сборка шины осуществлялась методом навивки узкой профилированной резиновой ленты и укладки упругих элементов в меридиональном направлении на дорн с последующей фиксацией на спиральновитом проволочном бортовом кольце (фиг.4 и 5). Бездиафрагменная вулканизация собранных шин осуществляется на этом же металлическом тороидальном дорне. Предлагаемая конструкция безопасной шины каркасного типа устанавливается на серийно-выпускаемые ободья, в том числе неразъемного типа.
Техническим результатом заявленной безопасной шины каркасного типа является сохранение подвижности транспортного средства по всем видам дорог и бездорожью при отсутствии избыточного давления воздуха в шине, повышение надежности, долговечности и ресурса шины.
Указанный технический эффект по сохранению подвижности транспортного средства достигается следующими решениями в отличие от имеющихся конструкций:
- с целью обеспечения безопасности при сбросе давления и проколе каркас шины выполнен из упругих стальных элементов (с высокой динамической выносливостью диаметром от 0,5 до 5 мм, прямоугольного сечения, причем плоскость проволоки с наибольшей шириной расположена по образующей тора шины, концы проволок каркаса загнуты за бортовые кольца), расположенных радиально (в 2 слоя и наклонены под углом друг к другу) и воспринимающих всю или часть нагрузки на шину;
- с целью повышения жесткости брекер шины выполнен из упругих проволок круглого или плоского сечения;
- с целью снижения концентрации напряжений, образованной концами проволок, брекер выполнен в виде намотанной по спирали по окружности шины проволоки, причем концы проволок спрятаны под последний (первый) виток брекера;
- с целью повышения упругости каркаса или (и) брекера армирующие элементы выполнены в виде спирали или зигзагообразными;
- с целью обеспечения работы шины в режиме регулируемого давления жесткость армирующих элементов выбирается таким образом, что в отсутствие внешнего давления в шине ее прогиб соответствует прогибу обычной шины с регулируемым давлением, работающей при его минимальной рабочей величине;
- с целью обеспечения большей жесткости каркаса, армирующие элементы заложены ближе к наружной поверхности боковин шин.
Шины каркасной конструкции могут использоваться в комбинированном варианте, как шины с регулируемым давлением. При этом относительно небольшое внутреннее давление в сочетании с каркасом шины «пониженной» жесткости позволит эксплуатировать шины при высоких скоростях на дорогах улучшенного типа, а при снижении давления - в условиях, требующих повышенной проходимости.
Учитывая некоторые результаты (табл.1, фиг.6) натурных и стендовых испытаний [3, 4] заявленной безопасной шины каркасного типа транспортного средства, можно утверждать, что применение изобретения позволит повысить надежность, долговечность и ресурс шины, а также сохранить подвижность транспортного средства по твердым дорогам и бездорожью при разгерметизации шины.
Проведенные испытания позволили также сформулировать уточненные требования к материалам и конструкции безопасных шин:
7
- упругие элементы каркаса должны выдерживать не менее 5×10 циклов деформаций, что соответствует 100 тыс.км пробега;
- в ряде случаев для снижения напряжений в элементах каркаса шину целесообразно использовать в накаченном состоянии, чтобы использовать ее с регулированием давления, при этом жесткость каркаса следует выбирать из условия обеспечения неразрушающего пробега шины в объеме 250 км при отсутствии в ней избыточного давления.
Кроме того, при испытаниях на шины были нанесены повреждения в виде сквозных сверлений диаметром 12,5 мм (2 по боковине и 2 по протекторной части шины). Наличие сверлений, как показали стендовые испытания, не оказывает влияния на скоростные и нагрузочные характеристики шин и их ходимость.
Таблица 1
Результаты сравнительных натурных испытаний шин на работоспособность в условиях нулевого давления
Типоразмер, модель шины, изготовитель
Конструкция элемента безопасности
Работоспособность шины в условиях нулевого давления, Р=0 МПа
Причины разрушения шин
Шина250/70R16 модель И-396 НИИШП
пневматическая вставка-опора «шина в шине»
V=40 км/ч S=17 км
разрушение боковины шины: излом и расслоение
Шина 250/70R16 модель И-396 НИИШП
двухсекционная твердая вставка-опора
V=40 км/ч S=6,2 км
излом боковины шины, сход бортов с полок обода
Шина235/75Я15 Goodyear
пневматическая вставка-опора «шина в шине»
V=40 км/ч S=9 км
разрушение боковины
Шина235/75Я15 Goodyear
твердая вставка-опора
V=40 км/ч S=7 км
тепловое разрушение шины
Шина 250/65R450 модель И-278 НИИШП
усиленная боковина
V=40 км/ч S=28 км
разрушение боковины, сход бортов с полок обода
Полиуретановый экспериментальный образец 175/70R13
упругие элементы
V=80 км/ч S=300 км
разрушений нет
Резиновый экспериментальный образец 175/70R13
упругие элементы
V=80 км/ч S=300 км
разрушений нет
Источники информации
1. Tifil-Reifenpannenschuts // RFZ-Anzeiger, 1986. - No.l4. - S.30.
2. Seifert. Kornrnt der Sicherheitsreifen // AMZ - Auto, Motor und Zubehor. Coburg, 1984, No.6; Bd.62, S.185-192.
3. Разработка Типажа шин для серийных и перспективных образцов ВАТ// Отчет о НИР, шифр «Гидроген». ФГУ «21 НИИИ МО РФ». 2002. - 257 с.
4. Разработка шин и ободъев для перспективной военной автомобильной техники. Отчет о НИР, «НТЦ «НИИШП», инв. № 13297, 2008. - 203 с.