ПРОТЕКТОРНЫЙ БРАСЛЕТ ЗИМНЕЙ ШИНЫ С ТРЕХМЕРНЫМИ ПРОРЕЗЯМИ
TREAD BRACELET OF WINTER TIRE WITH THREE-DIMENSIONAL GUTTERS

Область техники
Изобретение относится к протекторному браслету зимней шины. Протекторный браслет имеет прорези, выполненные в протекторных блоках и проходящие радиально от поверхности качения внутрь блоков.
Уровень техники
Одной из наиболее важных характеристик зимней шины является ее сцепление на снегу (т.е. на поверхности, покрытой снегом) и ее способность создания достаточного трения во время качения по покрытой снегом поверхности. Общая сила трения, возникающая между шиной и покрытой снегом поверхностью, представляет собой сумму усилия врезания протектора шины, проникающего в снег, и усилия сдвига от трения между снегом, захваченным протектором шины (в частности, в канавками протектора), и снегом на покрытой снегом поверхности. Для увеличения усилия сдвига необходимо увеличить количество снега, захватываемого (зажимаемого) протектором шины, для этого протектор имеет несколько, обычно зигзагообразных, прорезей, проходящих радиально от поверхности качения внутрь блоков.
Однако наличие прорезей имеет отрицательные аспекты, так как при улучшении характеристики на снегу или льду ухудшаются характеристики на сухих или (в меньшей степени) на мокрых поверхностях. В частности, наличие прорезей значительно увеличивает поперечную гибкость протекторных блоков (параллельно оси качения шины) и продольную (по окружности, т.е. по касательной к периферии шины), что значительно увеличивает деформацию протекторных блоков при воздействии поперечных сил (при повороте) или продольных сил (при торможении или ускорении). Значительная деформация протекторных блоков поперечными или продольными силами всегда является неблагоприятной из-за уменьшения площади контакта между поверхностью качения (т.е. внешней поверхностью протекторных блоков) и поверхностью дороги, что уменьшает общее усилие, которое шина способна передать на поверхность дороги.
В патентном документе ЕР 1669217 А1 раскрыт протекторный браслет зимней шины, содержащий продольные и поперечные канавки, которые ограничивают блоки, выступающие радиально вверх от поверхности основания протекторного браслета, и прорези, образованные по меньшей мере в блоках и проходящие радиально внутрь от верхней поверхности соответствующего блока, образующей поверхность качения протекторного браслета. Каждая прорезь выполнена с волнообразным профилем в плоскости, образованной продольной осью Тс и поперечной осью Tw, посредством сдвига этого волнообразного профиля вдоль радиальной оси Тг и волнообразно вдоль продольной оси Тс.
Прорези, описанные в патентном документе ЕР 1669217 А1, увеличивают жесткость блоков вдоль продольной оси Тс и поперечной оси Tw вследствие наличия двойного волнообразного профиля в плоскости, образованной продольной осью Тс и поперечной осью Tw, и в плоскости, образованной продольной осью Тс и радиальной осью Tr.
В патентном документе ЕР 1987964 А1 раскрыта пневматическая шина, которая включает в себя протекторные блоки, разделенные множеством кольцевых канавок, проходящих в окружном направления шины, и множеством боковых канавок, проходящих вдоль направления по ширине шины, причем в этих блоках выполнены кольцевые прорези, проходящие в окружном направления шины. Внутренние кольцевые прорези проходят вдоль радиального направления шины, а внешние кольцевые прорези проходят вдоль радиального направления шины зигзагообразно.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является создание протекторного браслета зимней шины с блоками высокой жесткости вдоль продольной и поперечной осей, а также недорогого, простого в изготовлении и не имеющего вышеуказанных недостатков.
В соответствии с изобретением разработан протекторный браслет зимней шины, раскрытый в формуле изобретения.
Изобретение поясняется чертежами.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 схематично показан фрагмент протекторного браслета зимней шины в соответствии с изобретением;
на фиг. 2 - блок с радиальными прорезями протекторного браслета, показанного на фиг. 1, схематичный вид в перспективе в увеличенном масштабе;
на фиг. 3 - блок, показанный на фиг. 2, с волнообразной конфигурацией прорезей в плоскости XY, вид сверху (т.е. в плоскости XY);
на фиг. 4 - блок, показанный на фиг. 2, с волнообразной конфигурацией прорезей в плоскости ZX, вид сбоку (т.е. в плоскости ZX);
на фиг. 5 - волнообразная конфигурация прорезей блока, показанного на фиг. 2, в плоскости YZ;
на фиг. 6 - другой вариант выполнения блока, показанного на фиг. 2, с волнообразной конфигурацией прорезей в плоскости ZX, вид сбоку (т.е. в плоскости ZX);
на фиг. 7 - прорезь блока протекторного браслета, показанного на фиг. 1, вид в перспективе;
на фиг. 8 - диаграмма, иллюстрирующая повышение жесткости, достигаемое при использовании изобретения.
Варианты осуществления изобретения
На фиг. 1 позицией 1 обозначен протекторный браслет зимней шины. Протекторный браслет 1 имеет тороидальную поверхность 2 основания, проходящую вокруг центральной оси вращения.
Протекторный браслет 1 имеет рельефный профиль, выступающий радиально вверх от поверхности 2 основания и ограниченный продольными (или кольцевыми) канавками 3 (т.е. проходящими вдоль окружности протектора поперечно оси вращения), и поперечными (или осевыми) канавками 4 (т.е. параллельными оси вращения и в связи с этим перпендикулярными продольным канавкам 3). Продольные и поперечные канавки 3 и 4 образуют блоки 5, которые выступают радиально вверх от поверхности 2 основания протекторного браслета 1. Каждый блок 5 имеет форму по существу параллелепипеда с прямоугольным поперечным сечением и содержит две продольные боковые поверхности 6, перпендикулярные к поверхности 2 основания и ограничивающие две соответствующие продольные канавки 3 на внутренних блоках 5; две поперечные боковые поверхности 7, перпендикулярные к поверхности 2 основания и ограничивающие две соответствующие поперечные канавки 4; верхнюю поверхность 8, параллельную поверхности 2 основания, определяющую поверхность качения, которая и опирается на поверхность дороги во время качения шины.
Как показано на фиг. 2, каждый блок 5 имеет зигзагообразные радиальные прорези 9, радиально проходящие через верхнюю поверхность 8 блока 5. Иными словами, каждая прорезь 9 проходит радиально (т.е. в радиальном направлении) внутрь от верхней поверхности 8 соответствующего блока 5 (т.е. от поверхности качения).
Как показано на фиг. 3-5, каждая прорезь 9 имеет волнообразную конфигурацию W1, W2, W3 в любой из трех взаимно перпендикулярных плоскостей XY, ZX, YZ, образованных продольной (окружной) осью х (т.е. касательной к окружности шины), поперечной (аксиальной) осью «y» (т.е. параллельной оси качения шины и перпендикулярной продольной оси «х») и радиальной осью «z» (т.е. перпендикулярной продольной и поперечной осям х» и «y»). Иными словами, каждая прорезь 9 имеет волнообразную конфигурацию W1, если смотреть на блок 5 (как на фиг. 3) в плоскости XY, ограниченной продольной осью «х» и поперечной осью у (т.е. если смотреть сверху); волнообразную конфигурацию W2, если смотреть на блок 5 (как на фиг. 4) в плоскости ZX, образованной радиальной осью «z» и продольной осью «х» (т.е. если смотреть сбоку); и волнообразную конфигурацию W3, если смотреть на блок 5 (как на фиг. 5) в плоскости YZ, образованной поперечной осью у и радиальной осью «z».
Иными словами, в плоскости XY каждая прорезь 9 имеет волнообразную конфигурацию W1, одинаковую, даже если блок 5 рассечен вдоль любой плоскости, параллельной плоскости XY, т.е. в любой радиальной точке z блока 5. В различных радиальных точках z волнообразная конфигурация W1 в плоскости XY остается одинаковой (имеет одинаковую форму, т.е. остается недеформированной), но сдвинутой (смещенной) вдоль продольной оси «х» по волнообразной конфигурации W2 и вдоль поперечной оси «у» по волнообразной конфигурации W3. Таким образом, каждая прорезь 9 вначале имеет волнообразную конфигурацию W1 в плоскости XY посредством сдвига волнообразной конфигурации W1 параллельно самой себе (т.е. без изменения формы или ориентации) вдоль радиальной оси «z», а также вдоль поперечной оси «у» по волнообразной конфигурации W2 и вдоль продольной оси «х» по волнообразной конфигурации W3 (без изменения формы волнообразной конфигурации W1).
В предпочтительном варианте выполнения три волнообразные конфигурации W1, W2, W3 отличаются формой и/или размером.
Как показано на фиг. 3, волнообразная конфигурация W1 прорези 9 в плоскости XY является кусочно-линейной (т.е. представляет собой зигзагообразную линию) и содержит последовательность прямых участков, расположенных под углами друг к другу. Предпочтительно шаг (период) Р1 волнообразной конфигурации W1 находится в диапазоне между 3 и 4 мм, а его амплитуда HI находится в диапазоне от 1,2 до 2,0 мм.
Как показано на фиг. 4, волнообразная конфигурация W2 прорезей 9 в плоскости ZX является кусочно-линейной с кривой, соединяющей каждый наклонный участок сверху и снизу (в качестве альтернативы он может являться кусочно-линейным с острыми углами, т.е. без соединительных кривых, что улучшает характеристики, но усложняет производство). Предпочтительно шаг (период) Р2 волнообразной конфигурации W2 находится в диапазоне от 2 до 3 мм, а ее амплитуда Н2 находится в диапазоне от 0,6 до 1,0 мм.
Как показано на фиг. 5, волнообразная конфигурация W3 прорезей 9 в плоскости YZ является кусочно-линейной с кривой, соединяющей каждый наклонный участок сверху и снизу (в качестве альтернативы он может являться кусочно-линейным с острыми углами, т.е. без соединительных кривых, что улучшает характеристики, но усложняет производство). Предпочтительно шаг (период) Р3 волнообразной конфигурации W3 находится в диапазоне от 1,5 до 2,0 мм, а ее амплитуда Н3 находится в диапазоне от 0,5 до 0,9 мм.
Как показано на фиг. 4, волнообразная конфигурация W2 прорезей 9 в плоскости ZX содержит полуволну А (т.е. половину полной волны), которая начинается на верхней поверхности 8 (т.е. поверхности качения) блока 5, и две последовательные полные волны 8 и С после полуволны А. Амплитуда Н2 полуволны А меньше (предпочтительно около половины) амплитуды Н2 двух полных волн В и С. Шаг (период) Р2 полуволны А отличается от шага двух полных волн В и С. Например, полуволна А имеет шаг (период) Р2 около 1,8 мм (относительно, разумеется, полной волны); полная волна В имеет шаг (период) Р2 около 2,7 мм; а полная волна С имеет шаг (период) Р2 около 3,1 мм.
Когда блок 5 подвергается воздействию продольной силы (т.е. силы, направленной вдоль продольной оси х, силы ускорения или торможения), волнообразная конфигурация W2 прорезей 9 в плоскости ZX создает блокирующее взаимодействие между двумя противолежащими поверхностями каждой прорези 9, и блокирующие усилия между двумя противолежащими поверхностями каждой прорези 9 имеют два положительных эффекта:
1. Продольная составляющая (параллельная поверхности дороги) блокирующих сил между двумя противолежащими поверхностями каждой прорези 9 непосредственно увеличивает продольную жесткость блока 5.
2. Радиальная составляющая (перпендикулярная поверхности дороги) блокирующих сил между двумя противолежащими поверхностями каждой прорези 9 создает моменты реакции, которые исключают или по меньшей мере уменьшают моменты, стремящиеся деформировать блок 5 радиально (радиальная деформация блока 5 имеет отрицательные эффекты из-за тенденции к уменьшению площади контакта между верхней поверхностью 8 блока 5 и поверхностью дороги).
Две полные волны В и С в волнообразной конфигурации W2 прорези 9 в плоскости ZX обычно выполнены с возможностью оптимизации двух описанных выше эффектов.
Основное назначение полуволны А в волнообразной конфигурации W2 прорези 9 в плоскости ZX заключается в увеличении моментов реакции, противоположных деформирующим моментам, что достигается посредством увеличения расстояния приложения (и в связи с этим плеча) блокирующих усилий между двумя противолежащими поверхностями каждой прорези 9. Вышеописанная функция увеличения моментов реакции полуволны А в волнообразной конфигурации W2 прорезей 9 в плоскости ZX является направленной, т.е. работает только в случае продольного или поперечного напряжения в зависимости от ориентации полуволны А. Иными словами, если полуволна А ориентирована, как показано на фиг. 4, вышеописанная функция увеличения моментов реакции работает только в случае продольного напряжения при ускорении; а если полуволна А ориентирована, как показано на фиг. 6, вышеописанная функция увеличения моментов реакции работает только в случае продольного напряжения при торможении. Полуволна А на фиг. 4 является зеркальным отражением полуволны А на фиг. 6. Две полные волны В и С являются потенциально независимыми от полуволны А и должны быть ориентированы согласно установленным целям: если волнообразная конфигурация W2 прорезей 9 в плоскости ZX выполнена с возможностью улучшения характеристики только в одном продольном направлении (т.е. только при ускорении или торможении), две полные волны В и С и полуволна А всегда обращены одинаковым образом, а если волнообразная конфигурация W2 прорезей 9 в плоскости ZX выполнена с возможностью компромисса, две полные волны В и С обращены противоположно к полуволне А (т.е. две полные волны В и С ориентированы для улучшения торможения или тяги на сухом покрытии, а полуволна А ориентирована противоположно для улучшения тяги или торможения на снегу).
Для обеспечения направленности эффектов полуволны А в волнообразной конфигурации W2 прорезей 9 в плоскости ZX центральные блоки 5 (т.е. расположенные вдоль или близко к осевой линии протекторного браслета 1) могут отличаться от боковых блоков 5 (т.е. расположенных вдоль или близко к плечам протекторного браслета 1): центральные блоки 5, которые подвергаются воздействию больших продольных сил ускорения, имеют волнообразную конфигурацию W2 прорезей 9 в плоскости ZX, показанную на фиг. 4 (для оптимизации тяги); а боковые блоки 5, которые подвергаются воздействию больших продольных усилий торможения, имеют волнообразную конфигурацию W2 прорезей 9 в плоскости ZX, которая показана на фиг. 6 (для оптимизации торможения).
Установлено, что полуволна А волнообразной конфигурации W2 прорезей 9 осуществляет микроврезание в снег (на покрытых снегом поверхностях), увеличивая количество снега, захватываемого в прорези 9, а также (незначительно) улучшая характеристику на снегу или льду.
В варианте выполнения, соответствующем показанному на фиг. 4, в каждом блоке 5 волнообразная конфигурация W2 прорезей 9 в плоскости ZX прекращается, немного не доходя до поверхности 2 основания (т.е. в нижней части блока 5), и на последнем элементе (т.е. на последних 0,3-0,5 мм до поверхности 2 основания) прорези 9 в плоскости ZX являются прямыми (т.е. не имеют волн). В другом варианте выполнения, не показанном на чертежах, волнообразная конфигурация W2 прорезей 9 в плоскости ZX сохраняется плавной от верхней поверхности 8 (т.е. верхней части блока 5) до поверхности 2 основания (т.е. нижней части блока 5). Иными словами, в каждом блоке 5 волнообразная конфигурация W2 прорезей 9 в плоскости ZX продолжается на полную радиальную глубину блока 5.
В варианте выполнения, соответствующем показанному на фиг. 5, в каждом блоке 5 волнообразная конфигурация W3 прорезей 9 в плоскости YZ сохраняется плавной от верхней поверхности 8 (т.е. верхней части блока 5) до поверхности 2 основания (т.е. нижней части блока 5). Иными словами, в каждом блоке 5 волнообразная конфигурация W3 прорезей 9 в плоскости YZ проходит полностью на радиальную глубину блока 5. В другом, не показанном на чертежах варианте выполнения, волнообразная конфигурация W3 прорезей 9 в плоскости YZ прекращается, немного не доходя до поверхности 2 основания (т.е. в нижней части блока 5), и на последнем элементе (т.е. на последних 0,3-0,5 мм до поверхности 2 основания) прорези 9 в плоскости YZ являются прямыми (т.е. не имеют волн).
На фиг. 7 представлен трехмерный вид прорезей 9.
Описанный протекторный браслет 1 зимней шины имеет некоторые преимущества.
Во-первых, по сравнению со стандартным протекторным браслетом описанный выше протекторный браслет 1 хорошо функционирует на снегу или льду благодаря прорезям 9, в то же время намного лучше функционируя на мокрых и сухих покрытиях. Это достигается благодаря конструкции прорезей 9, которые имеют волнообразную конфигурацию W1, W2, W3 при рассмотрении блока 5 в любой одной из трех взаимно перпендикулярных плоскостей XY, ZX, YZ.
Волнообразная конфигурация W1 в плоскости XY является вполне стандартной и служит исключительно для захвата большего количества снега на покрытых снегом поверхностях. Волнообразные конфигурации W2 и W3 в соответствующих плоскостях ZX и YZ способствуют исключительно увеличению жесткости блоков 5 вдоль поперечной оси «у» (для улучшения характеристик при повороте) и вдоль продольной оси «х» (для улучшения характеристик при ускорении и торможении) посредством улучшения блокировки между двумя противолежащими поверхностями каждой прорези 9. Важно отметить, что волнообразная конфигурация W2 в плоскости ZX главным образом способствует увеличению жесткости блоков 5 вдоль продольной оси «х», но посредством взаимодействия с волнообразной конфигурацией W3 в плоскости YZ также способствует увеличению жесткости блоков 5 вдоль поперечной оси «у». Таким образом, волнообразная конфигурация W3 в плоскости YZ, главным образом способствующая увеличению жесткости блоков 5 вдоль поперечной оси «у», также способствует увеличению жесткости блоков 5 вдоль продольной оси «х» посредством взаимодействия с волнообразной конфигурацией W2 в плоскости ZX.
Численное моделирование и испытания показали, что волнообразные конфигурации W2 и W3 в соответствующих плоскостях ZX и YZ обеспечивают достижение сверхсуммарного эффекта, т.е. эффекты при их объединении увеличиваются намного больше, чем их алгебраическая сумма. Иными словами, используя обе волнообразные конфигурации W2 и W3 в соответствующих плоскостях ZX и YZ можно достичь намного большей жесткости каждого блока 5 вдоль продольной оси «х», чем при использовании только волнообразного профиля W2 в плоскости ZX, а также достичь намного большей жесткости каждого блока 5 вдоль поперечной оси «у», чем при использовании только волнообразного профиля W3 в плоскости YZ. Это показано на диаграмме, приведенной на фиг. 8, ясно показывающей, как, используя все три волнообразные конфигурации W1, W2, W3, можно достичь намного большей жесткости Sx блоков 5 вдоль продольной оси «х» и намного большей жесткости Sy блоков 5 вдоль поперечной оси «у» по сравнению с использованием только волнообразных конфигураций W1 и W2 или волнообразных конфигураций W1 и W3.
Посредством регулирования формы и/или размера волнообразных конфигураций W2 и W3 в соответствующих плоскостях ZX и YZ можно регулировать жесткость блоков 5 вдоль продольной оси «х» и поперечной оси «у» для достижения заданной характеристики зимней шины (т.е. преимущественного сцепления на снегу и льду, преимущественного сцепления на мокром покрытии, преимущественного сцепления на сухом покрытии или для достижения хорошо сбалансированного компромисса). Иными словами, жесткости Sx и Sy блоков 5 могут регулироваться воздействием на два различных параметра (волнообразных конфигураций W2 и W3), позволяя тем самым достаточно точно достигать заданных показателей жесткости Sx и Sy.
Испытания показали, что по сравнению с подобной зимней шиной со стандартным протекторным браслетом описанная зимняя шина с протекторным браслетом 1 показывает увеличение продольного или поперечного сцепления на сухом или мокром покрытии более чем на 10% без заметного ухудшения сцепления на снегу или льду.
Более того, описанный протекторный браслет 1 зимней шины является недорогим и простым в производстве без включения значительных дополнительных расходов по сравнению со стандартным протекторным браслетом. К тому же, конструкция прорезей 9 просто требует соответствующей конструкции пластин, устанавливаемых внутрь пресс-формы для вулканизации и негативно копирующих форму прорезей 9 (пластины штампуются из листового металла и в связи с этим являются простыми для производства даже в сложных формах).