ПНЕВМАТИЧЕСКАЯ ШИНА

Настоящая полезная модель относится к компонентам транспортных средств, в частности к пневматическим шинам.
Пневматические шины являются конструктивно сложными изделиями, к которым предъявляются такие технические требования как механическая прочность, жесткость, высокая износостойкость в сочетании с хорошим сцеплением и небольшим тормозным путем. Создать пневматическую шину, в которой сочетается большинство названных требований, весьма сложная задача, требующая применения новых эластомерных материалов.
В настоящее время разработчики особое внимание обращают на эластомерный материал - полиуретан, который обладает высокими физико-механическими характеристиками, такими, как прочность, износостойкость, низкие гистерезисные потери, высокие относительное удлинение при разрыве и сопротивление раздиру. Технология изготовления сложных изделий из полиуретана также значительно проще, чем технология изготовления изделий из резины. Требуется меньше технологических операций, площадей, энерго- и трудозатрат и единиц производственного оборудования. Полиуретан легко окрашивается в любой цвет, что делает изделия из него еще более привлекательными.
Известен рад конструкций шин, в которых используются эластичные полиуретановые вставки и заполнители, обеспечивающие безопасность движения даже в случае прокола таких шин. Такая конструкция известна из патента ЕР 1950057, где описана гибкая полиуретановая вставка, которая расположена в подпротекторной зоне, и шина с такой прослойкой. Вставка напрессована на внутреннюю поверхность шины, что позволяет эффективно подавлять повреждения, такие, как порезы и трещины и деформации, а также снижать уровень шума при движении автомобиля с такими шинами.
Известна конструкция пневматической шины, описанная в патенте ЕР 2067634, которая предусматривает использование двухслойной вставки из полиуретана, расположенной в подпротекторной зоне шины. Первый слой, контактирующий с внутренней поверхностью шины, выполнен из более прочного материала по сравнению со вторым слоем. Такая конструкция направлена на повышение устойчивости к механическим повреждениям и увеличению звукопоглощения.
Также известна пневматическая шина, описанная в патентной заявке US 2015151592, внутренняя стенка которой покрыта слоем вспененного полиуретана. Такая конструкция направлена на поглощение шума при движении автомобиля и частично на повышение устойчивости к проколам и порезам.
Однако все описанные выше конструкции шин имеют жесткость и износостойкость, характерные для большинства пневматических шин из резины.
Также известна ламинированная неармированная шина, описанная в патенте FR 2394407, которая содержит протектор и боковины, выполненные из слоев эластомерных материалов с разными показателями твердости, причем показатели твердости возрастают от внутренних слоев к наружным. Слои могут быть выполнены из различных видов одного и того же материала или могут содержать различные материалы. Например, в качестве материалов слоев, удаленных от внутреннего слоя, может использоваться нейлон, поликарбонат, полистирол и другие. Внутренние слои могут быть выполнены из полиуретана, натурального каучука или синтетических каучуков. В некоторых конструкциях в состав промежуточных слоев могут быть включены слои из полиэстера, блок-сополимеров или иономеров.
Слоистая структура описанной шины позволяет снизить образование трещин и проколов как на протекторе, так и на боковинах. Однако такие шины имеют невысокую прочность из-за отсутствия армирующего брекера, каркаса и бортовых колец, обеспечивающих надежное крепление шины к диску колеса.
Кроме того, известна волоконно-армированная пневматическая шина, описанная в ЕР 0018539 и принятая за прототип, содержащая протектор и боковины, выполненные из полиуретана, каркас, армирующий брекер и бортовые кольца. В описанной выше шине внутренняя поверхность шины образована волокнистым материалом, усиленным нитями каркаса, которые намотаны на бортовые кольца. Волокнистый материал прикреплен к бортовым кольцам и залит эластомерным материалом, в частности, полиуретаном. Описанная конструкция волоконно-армированной шины имеет невысокую надежность крепления, так как внутренняя поверхность шины, выполненная из волокнистого материала, не достаточно эластична и не обеспечивает надежную герметизацию шины при монтаже на обод колеса. Кроме того, навивка нитей каркаса может быть осуществлена с неравномерным шагом навивки, нахлестами, разряжениями, складками, следствием чего может быть геометрическая и статическая неоднородность шины, негативно сказывающаяся на ее эксплуатационных свойствах.
В основу полезной модели положена задача создать пневматическую шину, конструктивное выполнение которой обеспечивает высокие прочностные и эксплуатационные характеристики и надежную герметизацию при монтаже шины на обод колеса.
Поставленная задача решается тем, что в пневматической шине, содержащей протектор и боковины, выполненные из полиуретана, каркас, армирующий брекер и бортовые кольца, согласно полезной модели, на бортовых кольцах смонтированы штифты для закрепления нитей каркаса, протектор и боковины выполнены из трех слоев полиуретана переменной толщины и с разными показателями твердости, при этом первый слой образует внутреннюю поверхность пневматической шины и имеет наименьшую твердость, между первым и вторым слоями радиально от одного бортового кольца к другому на штифтах закреплены нити каркаса, на втором слое в зоне наибольшего диаметра выполнены спиральные канавки, в которых уложены кордные нити армирующего брекера, а третий слой формирует протектор и его твердость определяется сезонностью пневматической шины.
Возможно, чтобы третий слой формировал по меньшей мере часть наружной поверхности боковин пневматической шины, примыкающих к протектору.
Целесообразно, чтобы первый слой выполнен из полиуретана твердостью 40-55 единиц Шора А, второй слой выполнен из полиуретана твердостью 55-70 единиц Шора А, а третий слой выполнен из полиуретана твердостью 50-62 единиц Шора А для зимней пневматической шины и 57-78 единиц Шора А для летней пневматической шины, при этом нити каркаса выполнены из капрона, анида, кевлара, полиэфира или другого синтетического материала.
Предложенная система крепления нитей каркаса на штифтах, вмонтированных в бортовые кольца, позволяет получить однородную структуру намотки без образования зон окружного стыка с дефектами кордной структуры, такими, как нахлесты, разряжения, складки и др. Слоистая структура боковин и протектора пневматической шины позволяет удачно сочетать свойства эластичности внутреннего слоя, что обеспечивает герметичность при монтаже шины на обод колеса, и прочности наружных слоев, придающих шине необходимую жесткость и прочность.
Технический результат настоящей полезной модели заключается в повышении прочностных и эксплуатационных характеристик пневматической шины.
Благодаря намоточно-литьевой технологии, обеспечивающей получение пневматических шин с хорошими показателями геометрической и силовой неоднородности и уникальному комплексу физико-механических свойств, полиуретановые шины имеют преимущества по сравнению с традиционными шинами, в частности, снижение массы шины на 15-20% и сопротивления качению до 30%, следствием чего возможно снижение потребления горючего при эксплуатации автомобиля до 5-8%; повышение износостойкости на 30-50% и однородности шин, что способствует увеличению их ресурса при эксплуатации; улучшение комфортабельности езды на автомобиле, повышение скоростных характеристик и безопасности; малоотходность технологического процесса производства, возможность повторного применения при производстве шин используемого полиуретана и другие.
Полезная модель описывается детально в нижеприведенном примере, не являющемся при этом исключительным и единственным в рамках патентуемой полезной модели, со ссылкой на прилагаемые фигуры, на которых:
Фиг. 1 - пневматическую шину на первом этапе изготовления, в поперечном сечении;
Фиг. 2, 3 - варианты установки штифтов в бортовых кольцах;
Фиг. 4 - пневматическую шину на втором этапе изготовления, в поперечном сечении;
Фиг. 5 - один вариант изготовленной пневматической шины, в поперечном сечении;
Фиг. 6 - другой вариант изготовленной пневматической шины, в поперечном сечении.
Патентуемая пневматическая шина (далее по тексту шина) содержит протектор и боковины, выполненные из трех слоев полиуретана переменной толщины и с разными показателями твердости, а также каркас, армирующий брекер и бортовые кольца со штифтами для крепления нитей каркаса.
Для лучшего понимания сущности полезной модели приводится описание процесса изготовления патентуемой шины, который осуществляется в несколько этапов. Для изготовления шины используется разборный металлический дорн 1 (фиг. 1), на наружную поверхность которого методом литья в форму наносится первый слой 2, выполненный из относительно мягкого полиуретана. Первый слой 2 выполнен заодно целое с загибом 3, который в шине выполняет роль подошвы и носка бортовой части, которые должны быть достаточно эластичны для обеспечения надежной герметизации шины при монтаже на обод колеса. Обычно для шин из резины твердость материала в этой зоне составляет 50-60 единиц Шора А, так как при меньшей твердости резина менее прочна и при монтаже возможны ее порывы. При использовании полиуретана, который является более прочным материалом, твердость материала первого слоя составляет 40-55 единиц Шора А, например, Диенур Т18. Толщина первого слоя 2 выбирается из конструктивных соображений и может находиться в пределах от 1,5 до 4,0 мм. Увеличение толщины слоя 2 приводит к неоправданному увеличению массы шины, а при уменьшении толщины ниже 1,5 мм может иметь место разрезание кордом слоя 2 из мягкого полиуретана при накачивании шины воздухом.
Затем осуществляется намотка каркаса 4 методом машинной намотки одиночной кордной нити (или прядей нитей) без образования зон окружного стыка с дефектами кордной структуры (нахлесты, разряжения, складки). В качестве нитей каркаса может использоваться любой текстильный синтетический корд, желательно имеющий небольшую степень удлинения в процессе эксплуатации, например капрон, анид, кевлар, полиэфир или другой синтетический материал.
Для закрепления непрерывной нити каркаса 4 на бортовых кольцах 5 по всей окружности равномерно с заданным шагом смонтированы штифты 6, проходящие через центры сечения бортовых колец 5. Штифты 6 могут быть расположены радиально (фиг. 1, 2, 4), параллельно или под углом к оси бортового кольца 5 (фиг 3). Зацепление нитей каркаса 4 на бортовых кольцах 5 посредством штифтов 6 является простым и надежным, вследствие чего повышается статическая и геометрическая однородность шины после ее изготовления.
После намотки нитей каркаса 4 бортовые кольца 5 поджимаются к первому слою 2 полиуретана и вслед за этим осуществляется нанесение (заливка) второго слоя 7 (фиг. 4) полиуретана, который имеет переменную толщину от 1,5 до 10 мм и формирует боковину 8 шины и подбрекерный слой 9 в зоне наибольшего диаметра шины. Твердость полиуретана этого слоя 7 составляет от 55 до 75 единиц Шора А (например Сурэл ТЛ2934-1), что обеспечивает требуемые прочностные свойства и достаточно высокий модуль упругости. На подбрекерном слое 9 выполнены канавки 10, идущие по спирали по окружности шины В канавки 10 уложены кордные нити армирующего брекера 11 (фиг. 5), которые могут выполняться из капрона, анида, кевлара, полиэфира или другого синтетического материала.
Поверх намотанных нитей армирующего брекера 11 заливается третий слой 12 полиуретана, который формирует протектор 13 с соответствующим рисунком. Такой вариант выполнения пневматической шины представлен на фиг. 5.
В другом варианте выполнения пневматической шины, представленном на фиг. 6, третий слой 12 полиуретана заливается так, что он формирует протектор 13 и наружную поверхность боковин 8 или части боковин 8 (на чертеже не показано), примыкающих к протектору 13.
Твердость третьего слоя 12 определяется сезонностью пневматической шины. Для зимних шин используется мягкий полиуретан с твердостью 50-62 единиц Шора А (например СКУ-Ф-34 марка В), который обеспечивает хорошее сцепление с зимней дорогой и с обледеневшей поверхностью. Для летних шин применяется более твердый полиуретан с твердость 57-78 единиц Шора А (например СКУ-Ф-34 марка А), что обеспечивает более высокую износостойкость протектора, его более высокие физико-механические характеристики, в частности, устойчивость к проколам и механическим повреждениям.
Изготовленная пневматическая шина благодаря слоистой полиуретановой структуре отличается высокой эластичностью внутреннего слоя шины, что обеспечивает герметичность при монтаже шины на обод колеса, и прочностью наружных слоев, придающих шине необходимую жесткость и прочность.
Формирование описанной выше структуры шины из деталей кольцевой конфигурации путем агрегирования или последовательного наложения эластичных и армирующих деталей шины осуществляется на жестком секторном тороидальном дорне по известной технологии.