ПНЕВМАТИЧЕСКАЯ ШИНА

Настоящая разработка относится к шинной промышленности, в частности к шинам, специально предназначенным для эксплуатации в зимних условиях и оборудованным дополнительными приспособлениями для улучшения сцепления - шипами противоскольжения.
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, повышение безопасности движения.
Однако шинам, оснащенным шипами противоскольжения, присущ и ряд недостатков, в частности, в процессе эксплуатации под воздействием окружных циклических нагрузок имеет место колебание шипов и расшатывание относительно оси, снижение плотности посадки шипов в шине, результатом чего является увеличение износа шипов вплоть до выпадения из шины.
Повышенная в результате износа осевая подвижность шипов негативно влияет на свойства торможения и управляемости шины.
Кроме того, при ослаблении фиксации шипа в образовавшийся зазор между боковой поверхностью шипа и резиной протектора в процессе эксплуатации попадает грязь, увеличивающая скорость износа данной зоны как шипа, так и протектора шины.
Надежность фиксации шипов противоскольжения в протекторе шины определяется конструкцией шипов и конструкцией протектора шины, в частности конструкцией отверстий для установки шипа противоскольжения в протекторе шины.
Известна конструкция пневматической шины, описанная в WO 2015/108081 А, в которой отверстие для шипа представляет собой два соединенных друг с другом цилиндра, диаметр нижнего из которых больше верхнего. На крае верхнего цилиндра выполнен фаска.
Такая конструкция достаточно технологична в изготовлении и обеспечивает необходимый уровень удержания шипа противоскольжения в новой шине. Недостатком данной конструкции является то, что при установке в такое отверстие как однофланцевого, так и многофланцевого, например, двухфланцевого шипа противоскольжения современного типа в местах установки шипа в резине протектора возникают концентраторы напряжений. Это, в свою очередь, приводит в процессе эксплуатации шины к разрушению резины протектора в таких зонах и ослаблению усилий удержания шипа вплоть до его выпадения из протектора шины.
Другим известным техническим решением является конструкция пневматической шины с отверстием для установки шипа противоскольжения, описанная в JP 2013180641. Согласно данной заявке отверстие для установки шипа противоскольжения образовано цилиндром с расширяющейся фаской в верхней части протектора и конусным расширением в нижней части.
Данная конструкция отверстия для шипа противоскольжения позволяет обеспечить хорошую работоспособность только для шипов противоскольжения однофланцевой конструкции, поскольку позволяет исключить концентраторы напряжений на краях нижнего фланца шипа, однако не обеспечивает снижение или исключение образования концентраторов напряжений в зоне сопряжения верхнего фланца с резиной протектора, в особенности по нижней границе верхнего фланца шипа противоскольжения. Кроме того, коническое расширение в нижней части отверстия в случае применения однофланцевого шипа ослабляет боковое удержание нижнего фланца шипа противоскольжения. Следствием этого могут иметь место колебательные перемещения шипа под действием боковых нагрузок в процессе эксплуатации, что фактически провоцирует образование новых концентраторов напряжений по боковым торцам нижнего опорного фланца, приводящие к растяжению и образованию трещин в резине в данной области протектора.
Ближайшим аналогом предлагаемой полезной модели является конструкция пневматической шины, описанная в SU 1718716, в которой шип противоскольжения монтируется в протекторе шины с применением специальной дополнительной втулки.
Втулка для установки шипа противоскольжения имеет отверстие переменного сечения с увеличением диаметра поперечного сечения в направлении к поверхности протектора шины в зоне расположения верхнего фланца шипа противоскольжения. В зоне нижнего фланца шипа противоскольжения отверстие втулки имеет коническое расширение поперечного сечения в направлении основания шипа противоскольжения. Центральная часть отверстия втулки имеет постоянный диаметр поперечного сечения.
Данная конструкция исключает непосредственный контакт между корпусом шипа противоскольжения и резиной протектора шины, однако не обеспечивает защиту шипа противоскольжения от абразивного износа и коррозии при попадании в зазор между втулкой и шипом противоскольжения грязи и влаги в процессе эксплуатации.
Кроме того, использование жесткой втулки требует применения строго соответствующей конструкции шипа противоскольжения, имеющего конфигурацию, аналогичную отверстию во втулке с сечением верхнего фланца, увеличивающимся в диаметре в направлении поверхности протектора шины. При этом размер шипа должен соответствовать или быть несколько меньше диаметра отверстия во втулке.
Применение дополнительной втулки и шипа строго определенной конструкции для нее усложняет технологию и удорожает процесс ошиповки шины.
Другим недостатком известной конструкции является предлагаемая конструкция втулки, представляющая из себя два соединенных друг с другом цилиндра с постоянным диаметром поперечного сечения. Такая конструкция фактически повторяет недостатки конструкции протектора шины с цилиндрическими отверстиями и установленными в них шипами противоскольжения. В местах изменения диаметра поперечного сечения выемки или втулки в этих зонах образуются концентраторы напряжений, приводящие в процессе эксплуатации шины к образованию усталостных трещин в резине протектора, ослабляющие усилия удержания втулки в протекторе шины, вплоть до ее выпадения из протектора шины вместе с шипом противоскольжения.
Опыт эксплуатации шин с шипами противоскольжения, например двухфланцевыми или многофланцевыми, установленными в выемки переменного сечения показывает формирование концентраторов напряжений в резине протектора по краям верхнего и нижнего фланцев, в местах перехода от одного поперечного сечения к другому. Результатом образования таких концентраторов напряжений в процессе эксплуатации шины является повышение температуры и размягчение резиновой смеси протектора в данных точках с последующим повышенным износом по границе между протектором и шипом противоскольжения, образованием трещин в протекторе. Конечным результатом процесса является снижение эффективности фиксации шипа противоскольжения, вплоть до его выпадения из протектора шины.
В основу полезной модели положена задача разработать пневматическую шину, оснащенную шипами противоскольжения, в которой конструктивное выполнение отверстий для шипов обеспечивает повышение работоспособности и надежное удержание шипов в протекторе при эксплуатации пневматической шины.
Поставленная задача решается тем, что в пневматической шине, содержащей протектор с множеством шипов, каждый из которых установлен в отверстии для шипа, имеющем на дне выступ для взаимодействия с выемкой на нижнем фланце шипа, согласно полезной модели, каждое отверстие для шипа по глубине имеет переменное поперечное сечение, уменьшающееся от верхней части к средней и расширяющееся от средней части к нижней, а боковая поверхность отверстия образована двумя поверхностями вращения.
Конструктивно выгодно, чтобы боковая поверхность отверстия для шипа образована боковыми поверхностями двух усеченных конусов, обращенными друг к другу меньшими основаниями.
Заявлено несколько вариантов выполнения отверстия для шипа: в верхней части отверстия для шипа имеется небольшой по высоте расширяющийся конусообразный участок; по меньшей мере одна из поверхностей вращения, формирующих отверстие для шипа, имеет выпуклую или вогнутую форму; на боковой поверхности нижней части отверстия для шипа выполнен небольшой по высоте цилиндрический участок.
Предлагаемое конструктивное решение отверстия для шипа в виде двух поверхностей вращения, которое по глубине отверстия сначала уменьшается, а затем увеличивается, позволяет исключить или значительно снизить вероятность образования концентрации напряжений в резине протектора по границе примыкания к шипу противоскольжения в местах изменения поперечного сечения фланцев.
Расширение верхней части отверстия, образованной, в частном случае верхним усеченным конусом, снижает концентрацию напряжений по краям верхнего фланца шипа противоскольжения и протектором, а суженная часть верхнего усеченного конуса обеспечивает надежное удержание средней части шипа противоскольжения в протекторе шины. Нижний усеченный конус сглаживает возникающие в резине напряжения в зоне перехода нижнего фланца в средней более узкой части шипа противоскольжения. Имеющийся на дне отверстия выступ обеспечивает в зоне основания шипа дополнительный объем резины для снижения интенсивности циклических напряжений растяжения резины протектора при угловом перемещении шипа под действием боковых сил, а также повышение надежности удержании шипа в протекторе шины в процессе эксплуатации.
В соответствие с действующей нормативной документацией (ГОСТ Р 52747-2007) для обеспечения надежного удержания шипа противоскольжения в протекторе шины сила удержания шипа в резине протектора новой шины должна составлять не менее 150 Н (15 кгс). Невыполнение данного требования приводит к избыточной подвижности шипа противоскольжения в протекторе шины, снижении эффективности его работы и увеличении износа шипа противоскольжения и примыкающей к нему части протектора в процессе эксплуатации шины. Для обеспечения необходимой силы удержания шипа в протекторе шины площадь верхнего фланца шипа должна в 3,5-6,0 раз превышать площадь верхней части отверстия для шина, а площадь нижнего фланца шипа должна в 3,5-4,5 раза превышать площадь нижней части отверстия для шипа.
Превышение верхней границы указанных диапазонов увеличивает начальные напряжения в резине протектора в зоне нахождения таких фланцев, повышает интенсивность износа и вероятность образования трещин в резине протектора, тем самым снижая надежность удержания шипа в протекторе шины в процессе эксплуатации.
Кроме того в этом случае усложняется процесс ошиповки, увеличивается его трудоемкость из-за необходимости применения больших усилий при установке шипов противоскольжения в соответствующие отверстия протектора шины.
В случае использования шипа противоскольжения, площадь верхнего и/или нижнего фланца которого менее чем в 3,5 раза превышает площадь отверстия для шипа, сила удержания шипа противоскольжения становится меньше необходимой для обеспечения надежной работы шипа противоскольжения при его эксплуатации в шине. Такой шип противоскольжения становится в шине излишне подвижным, снижается эффективность торможения шины с такими шипами. Кроме того, увеличивается износ протектора шины в зоне примыкания к фланцам шипа противоскольжения и в процессе эксплуатации возрастает вероятность выпадения шипа противоскольжения из протектора шины.
Дополнительные характеристики и преимущества полезной модели будут представлены в следующем описании исполнения, приведенного как показательный и не ограничивающий пример, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 - фрагмент протектора пневматической шины с отверстием для шипа, первый вариант;
Фиг. 2 - то же, что на фиг. 1, второй вариант выполнения отверстия для шипа;
Фиг. 3 - то же, что на фиг. 1, третий вариант выполнения отверстия для шипа;
Фиг. 4 - то же, что на фиг. 1, четвертый вариант выполнения отверстия для шипа;
Фиг. 5 - фрагмент протектора пневматической шины с установленным шипом.
Заявляемая пневматическая шина предназначена для эксплуатации в зимних условиях и содержит протектор с множеством шипов противоскольжения, каждый из которых установлен в отверстии для шипа, имеющем на дне выступ для взаимодействия с выемкой на нижнем фланце шипа. Каждое отверстие для шипа по глубине имеет переменное поперечное сечение, уменьшающееся от верхней части к средней и расширяющееся от средней части к нижней, а боковая поверхность отверстия образована двумя поверхностями вращения.
1
2
3
В протекторе пневматической шины, изображенном на фиг. 1, боковая поверхность отверстия для шипа образована двумя усеченными конусами 1, 2, обращенными друг к другу меньшими основаниями. На дне отверстия выполнен выступ 3. На фиг. 1 даны следующие обозначения: d - диаметр большего основания верхнего усеченного конуса 1; d - диаметр меньших оснований конусов 1, 2; d - диаметр нижнего основания нижнего конуса 2.
Второй вариант предлагаемой конструкции представлен на фиг. 2 выполнен в основном также, как описано выше. Отличие состоит в том, что на конической боковой поверхности верхней части отверстия для шипа выполнен небольшой по высоте расширяющийся конический участок 4.
Еще один вариант исполнения конструкции отверстия для шипа представлен на фиг. 3, на котором боковая поверхность 5 отверстия для шипа в верхней части выполнена вогнутой, а в нижней части конической. Нижний усеченный конус 2 на участке, примыкающем к дну отверстия, имеет небольшой по высоте цилиндрический участок 6.
На фиг. 4 представлен вариант заявляемой конструкции, согласно которому боковая поверхность 7 отверстия для шипа в нижней части выполнена выпуклой, по существу сферической.
На фиг. 5 представлен фрагмент протектора пневматической шины с установленным шипом противоскольжения, установленным в отверстие протектора пневматической шины. Отверстие для шипа выполнено в соответствии с конструкцией, представленной на фиг. 2. Между верхним и нижним фланцами 8, 9 расположена промежуточная зона, имеющая цилиндрический и конический участки 10, 11.
1
2
3
1
2
В данном варианте исполнения диаметр верхнего основания d составляет 2,8 мм, диаметр нижнего основания d составляет 4,2 мм, а диаметр общего основания d составляет 2,1 мм. Шип противоскольжения имеет цилиндрический верхний фланец диаметром D и цилиндрический нижний опорный фланец 9 диаметром D.
1
2
Для приведенного варианта D составляет 6,7 мм, a D равен 8,0 мм. Таким образом, площадь верхнего фланца шипа противоскольжения превышает площадь верхнего основания отверстия в 5,7 раз, а площадь нижнего опорного фланца шипа противоскольжения превышает площадь нижнего основания отверстия в 3,6 раза (в расчет приняты размеры отверстия в зоне расположения фланцев шипа противоскольжения).
Предлагаемое конструктивное решение позволяет исключить или значительно снизить вероятность образования концентрации напряжений в резине протектора по границе примыкания к шипу противоскольжения в местах изменения поперечного сечения фланцев.