Шина сверхнизкого давления

Техническое решение относится к шинам транспортных средств, прежде всего к пневматическим шинам низкого и сверхнизкого давления, и в частности к рисунку протектора и относительным размерам шин, предназначенных для использования на снегоболотоходах и транспортных средствах повышенной и высокой проходимости в условиях бездорожья и на грунтах с малой несущей способностью, в том числе в районах Крайнего Севера и Арктики.
Повышение проходимости транспортных средств по слабонесущим грунтам за счет правильного выбора типа шин, физико-механических свойств шин, рисунка протектора, и в целом, за счет улучшения эксплуатационных свойств шин известно давно. С середины прошлого столетия по конструкциям шин предлагалось большое количество решений. В книге «Автомобильные шины» (конструкция, расчет, испытания, эксплуатация) (М.: Госхимиздат, 1963. - 384 с.) под общей ред. В.Л. Бидермана на стр. 18, 19 представлены специальные шины - арочные шины, широкопрофильные шины и пневмокатки, существенно повышающие проходимость транспортных средств по мягкому грунту. Аналогичные конструкции шин представлены на стр. 12, 41-43 в книге «Работа автомобильной шины» (М.: Транспорт, 1976. - 238 с.) под редакцией В.И. Кнороза. Однако не достаточные сцепные свойства, не оптимальные размеры и формы шины, высокая жесткость шины, обусловленная давлением воздуха в шине свыше 0,05 Мпа, приводят к снижению проходимости транспортных средств на опорных поверхностях с низкой несущей способностью. При этом наблюдается повышенная деформация грунта, возникновение глубокой колеи и разрушению грунта.
Диаметр шины, форма профиля шины, толщина резинокордной оболочки и рисунок протектора имеют важные значения при оценке возможностей проходимости машины. При этом важно обеспечить и высокую долговечность шины, минимизируя износ грунтозацепов.
В патенте на изобретение RU 2025288 представлен рисунок протектора шины сельскохозяйственного назначения типа «косая елка», имеющей грунтозацепы и выемки, при этом грунтозацепы расчленены канавками в меридиональном направлении под углом 85-95° к экваториальной плоскости и окружном направлении с отклонением не более, чем на 20° в ту или другую сторону. Известны рисунки протектора шины сверхнизкого давления по патенту RU 52774, низкопрофильной сверхнизкого давления диагональной пневматической шины по патенту RU 74857, диагональной широкопрофильной пневматической шины сверхнизкого давления по патенту RU 127339, диагональной широкопрофильной пневматической шины по патенту RU 103088, у которых рисунок протектора выполнен в виде «елочки». Известны шины Авторос моделей M-TRIM, X-TRIM, MAX-TRIM (https://avtoros.info/shop/shiny/) с наружным диаметром шины 900-1300 мм, имеющие подобные рисунки протектора. Этот рисунок проектора позволяет на грунтах с низкой несущей способностью реализовывать хорошую силу тяги и иметь неплохую самоочищаемость шины. Однако из-за малых размеров грунтозацепов на их контактных поверхностях с опорной поверхностью возникают высокие нормальные давления, существенно превышающие средние давления в пятне контакта, что приводит к интенсивному износу грунтозацепов и снижению долговечности шины. Грузоподъемность шин Авторос, характеризуемая индексом нагрузки шины, составляет 96 (710 кг.) для M-TRIM (2 слоя корда), (https://avtoros.info/shop/shiny/koleso-v-sbore-m-trim-s-diskom-6kh139-7-dia-110/), 90 (600 кг.) для X-TRIM (2 слоя корда) (https://avtoros.info/shop/shiny/shina-nizkogo-davleniya-avtoros-x-trim-2-sloya-korda/), 108 (1000 кг.) для M-TRIM (4 слоя корда) (https://avtoros.info/shop/shiny/shina-nizkogo-davleniya-avtoros-m-trim-4-sloya/) и для X-TRIM (4 слоя корда) (https://avtoros.info/shop/shiny/shina-nizkogo-davleniya-avtoros-x-trim-4-sloya-korda/), 100 (800 кг.) для MAX-TRIM (2 слоя корда) (https://avtoros.info/shop/shiny/shina-nizkogo-davleniya-avtoros-max-trim-2-sloya-korda/) и 115 (1215 кг.) для MAX-TRIM (4 слоя корда) (https://avtoros.info/shop/shiny/shina-nizkogo-davleniya-avtoros-max-trim-4-sloya-korda/). Водоизмещение колес на шинах MAX-TRIM, пропорциональное объему воздуха в шине (зависящему от наружного диаметра шины, ширины шины, посадочного диаметра диска колеса, формы профиля шины, толщины резинокордной оболочки) составляет 612 кг по данным ООО «Пневмодиск» (https://vk.com/topic-65159853_35667150). Сравнение показателей грузоподъемности и водоизмещения шин Авторос позволяет сделать заключение, что грузоподъемность шин существенно больше их водоизмещения. В результате, это факт не позволит снегоболотоходам заданной грузоподъёмности только за счет использования указанных шин достичь одновременно хорошее сочетание показателей проходимости и амфибийности. Параметры грузоподъёмности шин Авторос позволяют их успешно применять на 2-осных, 3-осных и 4-осных снегоболотоходах с грузоподъемностью до 1,5-2 т (например, 4-х осный снегоболотоход Шаман, https://avtoros.info/landings/shaman/). На 2-3-х или 4-осных снегоболотоходах грузоподъемностью 2,5-3 т использование указанных шин Авторос невозможно.
В патенте RU 145072 для повышения грузоподъемности шины предлагается использовать переменную толщину оболочки, увеличивающуюся в зоне бортов, а для более эффективной герметизации стыка при монтаже шины на обод колеса основание борта выполнено с углом наклона к линии максимальной ширины профиля.
Известна пневматическая широкопрофильная шина по патенту RU 141583 с рабочим внутренним давлением 4-105 кПа, содержащая протектор, на беговой дорожке которого выполнены грунтозацепы, ориентированные наклонно к экваториальной плоскости и разделенные выемками, выполненными с увеличением от центра к краю беговой дорожки.
В патенте RU 141583 для увеличения тяговых возможностей предложено площадь опорной поверхности выступов принимать 15-45% площади протектора. Следует отметить, что в этом патенте указан чрезвычайно большой разброс значений отношений площадей опорных поверхностей выступов и протектора. В книге «Автомобильные шины» (конструкция, расчет, испытания, эксплуатация) (М.: Госхимиздат, 1963. - 384 с.) под общей ред. В.Л. Бидермана на стр. 101-103 отношение площадей опорной поверхности выступов к площади протектора называют насыщенностью рисунка протектора. Там же описано влияние коэффициента насыщенности протектора на распределение нормальных давлений в зоне контакта шины с опорной поверхностью. В книге «Работа автомобильной шины» (М.: Транспорт, 1976. - 238 с.) под редакцией В.И. Кнороза на стр. 80-85 подробно описано распределение давлений и удельных усилий в контакте, формирующих тяговые возможности шины. В связи с эти, можно утверждать, что известным фактом является то, что тяговые свойства шин с разной насыщенностью рисунка протектора разительно отчитаются друг от друга, тем более, когда отличие в насыщенности рисунка протектора в три раза, как в патенте 141583.
В книге «Работа автомобильной шины» (М.: Транспорт, 1976. - 238 с.) под редакцией В.И. Кнороза на стр. 30-33 рассмотрено влияние рисунка протектора на износостойкость шины и сцепление шины с опорной поверхностью. Здесь же отмечено, что переменный шаг рисунка протектора способствует уменьшению шума, но отрицательно влияет на работу трансмиссии транспортного средства ввиду переменной жёсткости шины по окружности колеса, создающей пульсацию нагрузки в трансмиссии транспортного средства.
2
В патенте RU 142613, выбранным в качестве прототипа, представлена шина сверхнизкого давления с рабочим внутренним давлением 0,04…0,9 кг/см, содержащая каркас из обрезиненного корда, протектор, боковины, на бортовые кольца которых завернуты, по меньшей мере 2 слоя корда, имеющая наружный диаметр D=1500…1700 мм, ширину профиля B=550…850 мм, посадочный диаметр d=570…650 мм, при этом толщина оболочки a не превышает 0,03 ширины профиля В. В этом же патенте описана шина, выполненная со следующими номинальными параметрами: наружный диаметр D=1600 мм, ширина профиля В=700 мм, посадочный диаметр d=645 мм, при этом толщина оболочки a не превышает 20 мм, высота грунтозацепов протектора h=15 мм.
Параметры шины по патенту RU 142613 совпадают с характеристиками известной шины Трэкол 1600х700-635 (https://www.trecol.ru/catalog/tires/shina-trekol-1600700-635.html). Насыщенность протектора этой шины порядка 0,2. Шина Трэкол 1600х700-635 имеет индекс грузоподъемности 108 (1000 кг.) и водоизмещение 879 кг по данным ООО «Пневмодиск» (https://vk.com/topic-65159853_35642913). Увеличение наружного диаметра шины, при сохранении ширины, как у моделей Авторос MAX-TRIM, позволило существенно повысить водоизмещение шины и приблизить его к значению грузоподъемности, что в свою очередь улучшило сочетание проходимости и амфибийности тяжелых 3-х или 4-осных снегоболотоходов, имеющих грузоподъёмность 2,5…3,0 т. Однако сравнительно малые размеры грунтозацепов шины Трэкол 1600х700-635 (например, высота грунтозацепов, длина, ширина, насыщенность рисунка протектора) приводят к возникновению высоких нормальных давлений в контакте шины с опорной поверхностью, что увеличивает износ грунтозацепов протектора шины и снижает долговечность шины, в особенности при эксплуатации на твердых грунтах, скальных грунтах и дорогах. Кроме этого, из-за сравнительно небольших размеров грунтозацепов в сечении при низких температурах внешней среды возможен их срез по основанию протектора.
В связи с этим решаемой задачей является повышение долговечности шины сверхнизкого давления при обеспечении показателей по грузоподъёмности, водоизмещению и проходимости на слабонесущих поверхностях на уровне прототипа.
2
1
2
3
3
1
Технический результат достигается тем, что шина сверхнизкого давления с рабочим внутренним давлением воздуха 0,04…0,9 кг/см, содержит каркас из обрезиненного корда, протектор, боковины, на бортовые кольца которых завернуты, по меньшей мере два слоя корда, наружный диаметр D=(1600…1700) мм, ширина профиля В=(600…700) мм, посадочный диаметр d=(600…700) мм, переменную толщину оболочки, составляющую в зоне бортов a =(0,03…0,04) В, в зоне боковины a=(0,01…0,02)В, в зоне подканавочного слоя протектора a=(0,012…0,025)В, высоту грунтозацепов h равна (0,9…2) a, основание бортов, выполненное с углом наклона к линии максимальной ширины профиля 3…10°, ширину С основания бортов не более 2,5 a, имеет рисунок протектора типа «ёлочка», насыщенностью 25…40%, включающий 24 ряда равномерно расположенных грунтозацепов, направленных под углом к экваториальной плоскости, и канавки протектора между ними, одни из которых расположены эквидистантно экваториальной плоскости, так что в каждом ряду грунтозацепов образованы два центральных, два средних и два боковых грунтозацепа, имеющие часть расположенную на боковине и часть расположенную на беговой дорожке, при этом центральные грунтозацепы разнесены относительно экваториальной плоскости канавкой шириной 10…20 мм и с другой стороны отделены от средних грунтозацепов канавкой шириной 30…60 мм, расположенной эквидистантно экваториальной плоскости, а средние грунтозацепы, отделены аналогичной канавкой шириной 30…60 мм от боковых грунтозацепов; а другие канавки расположены в меридиональном направлении, разделяя центральные, средние и боковые грунтозацепы соседних рядов, при этом между центральными и средними грунтозацепами канавки ориентированы под углом 45° к экваториальной плоскости, между частью боковых грунтозацепов, расположенных на боковине, - под углом 90° к экваториальной плоскости; а между частью боковых грунтозацепов, расположенных на беговой дорожке, канавки ориентированы под углом 45° к экваториальной плоскости в передней части каждого грунтозацепа и под углом 80° к экваториальной плоскости в задней части каждого грунтозацепа, кроме того, центральные и средние грунтозацепы имеют параллелограммную форму, а боковые грунтозацепы - шестиугольную форму, причем одна сторона этих боковых грунтозацепов, расположенная на беговой дорожке и отделённая от среднего грунтозацепа канавкой, эквидистантной экваториальной плоскости, имеет длину большую в 1,1…1,2 раза, чем противоположная ей сторона боковых грунтозацепов, находящаяся на боковине; и на центральных, средних и на части боковых грунтозацепов, расположенных на беговой дорожке, выполнены скругления углов радиусом 3…10 мм, а боковые стенки грунтозацепов наклонены к основанию протектора под углом 5...20°.
Заявленное техническое решение иллюстрируется чертежами и фотографиями.
Фиг.1 - Профиль шины.
Фиг.2 - Развертка рисунка протектора.
Фиг. 3 - Образец шины сверхнизкого давления, вид 3/4.
Фиг. 4 - Образец шины сверхнизкого давления, вид сбоку
Фиг. 5 - Образец шины сверхнизкого давления, вид спереди.
2
1
2
3
3
1
Шина сверхнизкого давления с рабочим внутренним давлением 0,04…0,9 кг/см (фиг. 1), содержащая каркас из обрезиненного корда 1, протектор 2 с беговой дорожкой b и боковины 3. На бортовые кольца 4 завернуты по меньшей мере два слоя корда 1. Для того чтобы показатели грузоподъёмности, водоизмещения и проходимости на слабонесущих поверхностях не уступали прототипу, выбраны следующие параметры шины: наружный диаметр шины D=(1600…1700) мм, ширина профиля В=(600…700) мм, посадочный диаметр d=(600…700) мм, толщина оболочки переменная, составляющая в зоне бортов a=(0,03…0,04)В, в зоне боковины a=(0,01…0,02)В, в подканавочном слое протектора a=(0,012…0,025)В, высота грунтозацепов h = (0,9…2) a. Для более эффективной герметизации стыка при монтаже шины на обод колеса (на фиг. не показано) основание С бортов 5 выполнено с углом наклона к линии максимальной ширины профиля 3…10°, а ширина основания С бортов 5 не более 2,5 a. Также для повышения проходимости на слабонесущих поверхностях шина имеет рисунок протектора 2 типа «ёлочка» (фиг. 2), насыщенностью 25…40%, включающий 24 ряда равномерно расположенных грунтозацепов 6, 7, 8, направленных под углом к экваториальной плоскости 9, и канавки протектора между ними, при этом одни из которых расположены эквидистантно экваториальной плоскости, так что в каждом ряду грунтозацепов образованы два центральных 6, два средних 7 и два боковых 8 грунтозацепа, имеющие часть расположенную на боковине 3 и часть расположенную на беговой дорожке b, при этом центральные 6 грунтозацепы разнесены относительно экваториальной плоскости 9 канавкой шириной 10…20 мм и с другой стороны отделены от средних 7 грунтозацепов канавкой шириной 30…60 мм, расположенной эквидистантно экваториальной плоскости 9, а средние 7 грунтозацепы, отделены аналогичной канавкой шириной 30…60 мм от боковых 8 грунтозацепов; а другие канавки расположены в меридиональном направлении, разделяя центральные 6, средние 7 и боковые 8 грунтозацепы соседних рядов, при этом между центральными 6 и средними 7 грунтозацепами канавки ориентированы под углом 45° к экваториальной плоскости 9, между частью боковых 8 грунтозацепов, расположенных на боковине 3 - под углом 90° к экваториальной плоскости 9; а между частью боковых 8 грунтозацепов, расположенных на беговой дорожке b, канавки ориентированы под углом 45° к экваториальной плоскости 9 в передней части 10 каждого грунтозацепа 8 и под углом 80° к экваториальной плоскости 9 в задней части 11 каждого грунтозацепа 8, кроме того центральные 6 и средние 7 грунтозацепы имеют параллелограммную форму, а боковые 8 грунтозацепы - шестиугольную форму, причем одна сторона 13 этих боковых 8 грунтозацепов, расположенная на беговой дорожке b и отделённая от среднего 7 грунтозацепа канавкой, эквидистантной экваториальной плоскости 9, имеет длину большую в 1,1…1,2 раза, чем противоположная ей сторона 14 боковых 8 грунтозацепов, находящаяся на боковине 3; и на центральных 6, средних 7 и на части боковых 8 грунтозацепов, расположенных на беговой дорожке b, выполнены скругления R углов радиусом 3…10 мм, а боковые стенки грунтозацепов 6, 7, 8 наклонены к основанию протектора 2 под углом 5...20°.
Указанные значения насыщенности и параметры рисунка протектора 2 способствуют уменьшению нормальных давлений в контакте шины с опорной поверхностью по сравнению с прототипом, снижают износ и вероятность среза грунтозацепов 6, 7, 8 протектора 2 шины, что, повышает долговечность шины, в особенности при эксплуатации на твердых грунтах, скальных грунтах и дорогах, а также при низких температурах окружающей среды.
Шина функционирует следующим образом.
2
3
1
При качении шины сверхнизкого давления с рабочим внутренним давлением 0,04…0,9 кг/см с дорожной поверхностью контактирует протектор 2 с беговой дорожкой b. Восприятие основных нагрузок и поддержание формы шины обеспечивает каркас из обрезиненного корда 1. Грунтозацепы 6, 7, 8 протектора 2, выполненные высотой h=(0,9…2) a, взаимодействуют с неровностями дорожной поверхности, обеспечивая передачу вертикальных, продольных и поперечных усилий в контакте на боковины 3 и в зону бортов 5 шириной а, основанием C и кольцами 4, где шина соединяется с ободом колеса (на фиг. не показано), и, далее, на обод колеса.
Приведенная совокупность признаков использована в изготовленном образце шины сверхнизкого давления, представленном на фотографиях (фиг. 3-5). Проведенные испытания показали, что шины можно использовать на снегоболотоходах грузоподъемностью 2,5…3,0 т.