Пневматическая радиальная легковая шина
PNEUMATIC RADIAL CAR TIRE

Изобретение относится к пневматическим легковым шинам радиальной конструкции, максимальная нагрузка которых не менее 800 кг и не более 1450 кг, а максимально допустимая скорость эксплуатации которых составляет более 170 км/ч (категория скорости R, S, T и более), обрезиненное каркасное полотно которых состоит из одного слоя обрезиненного металлического корда.
Известны технические решения пневматических легковых шин с металлокордными и текстильными слоями в брекере: патент РФ № 2495760 на изобретение «Покрышка пневматической шины» опубл. 20.10.2013, патент РФ № 2495761 на изобретение «Покрышка пневматической шины» опубл. 20.10.2013, патент РФ № 121200 на полезную модель «Покрышка пневматической шины» опубл. 20.10.2012, патент РФ № 2729904 на изобретение «Пневматическая радиальная легковая шина» опубл. 13.08.2020.
Наиболее близким аналогом к разработанному решению является техническое решение по патенту № 2729904 «Пневматическая радиальная легковая шина» радиальной конструкции, состоящая из протектора, обрезиненного брекерного браслета, бортов, боковин, обрезиненного каркасного полотна, выполненного из двух слоев обрезиненного корда, структуры 1670 дтекс, отличающаяся применением слоев корда толщиной 0,6÷0,8 мм, разрывной прочностью нити корда не менее 220 Н, числом кручений нити основы первой и второй крутки 300÷340 оборотов на 1 м, с числом кручений нити утка не менее 300 оборотов на 1 м, с частотой нитей по основе 110÷130 нитей на 100 мм и по утку 7÷9 нитей на 100 мм, с толщиной обрезиненного корда в каркасе 0,9 мм÷1,1 мм, с применением каркасных резин, обеспечивающих прочность связи кордной нити с каркасной резиной не менее 150 Н/10 мм, с применением пропиточного состава на основе винилпиридинового латекса, при этом в готовой шине шаг нитей в обрезиненном каркасном полотне в зоне борта составляет 0,8-0,87, а в зоне беговой дорожки 1,2-1,45.
Недостатком данных решений является недостаточные работоспособность шин, высокое значение коэффициента сопротивления качению, а также низкое значение сопротивления шин боковому уводу при максимальной нагрузке не менее 800 кг и не более 1450 кг, а также максимально допустимой скорости эксплуатации более 170 км/ч.
Задачей данного изобретения является расширение арсенала технических средств и разработка пневматической радиальной шины с максимальной нагрузкой более 1450 кг и максимально допустимой скоростью эксплуатации более 170 км/ч, с увеличенной общей работоспособностью при значительном увеличении максимальной нагрузки на шину, обеспечивающей снижение гистерезисных потерь в каркасных материалах, что приводит к снижению показателя коэффициента сопротивления качению, а также обеспечивает увеличение упругости обрезиненного каркасного полотна и окружной жесткости шины, в результате повышающих характеристику сопротивления шин боковому уводу.
Для достижения поставленной задачи разработана конструкция пневматической радиальной шины (Фиг. 1), состоящей из протектора (1), обрезиненного брекерного браслета, состоящего из одного или двух текстильных слоев (2) и двух слоев обрезиненного металлического корда (3), брекерных прослоек (4), боковин (5), бортовых лент (6), бортовых колец (7), технологической прослойки (8), герметизирующего слоя (9), обрезиненного каркасного полотна, выполненного из одного слоя обрезиненного металлического корда (10) структуры 11Л14 SТ (Фиг. 2), с толщиной обрезиненного слоя металлокорда (0,9 ÷ 1,1) ± 0,03 мм, диаметром металлокорда 0,58 ± 0,05 мм, линейной плотностью металлокорда 1,32 - 1,36 г/м и разрывным усилием металлокорда в целом не менее 580 Н, относительным удлинением при разрыве не менее 1,5%, шагом металлокорда в обрезиненном каркасном полотне 1,11 - 1,25, а в слоях корда готовой шины число нитей металлокорда на 100 мм составляет по основе 80 ÷ 90 штук, причем металллокорд имеет конструкцию 3 + 8 × 0,14 SТ (Фиг. 2), выполнен из металлических нитей высокой прочности одинаковых диаметров 0,14 ± 0,01 мм, с латунным покрытием массой 4,6 ± 1,0 г/кг и массовой долей меди в латунном покрытии 63,5 ± 2,5%, свитых между собой по типу «S» с шагом свивки металлокорда 10,0 ± 0,5 мм и шагом свивки сердечника 5 ± 0,25 мм, с применением каркасных резин, обеспечивающих прочность связи металлокорда с каркасной резиной не менее 300 Н/20,0 мм. Конструкция шины в поперечном сечении приведена на Фиг. 1.
Обрезиненное каркасное полотно (13), являясь основной силовой частью покрышки, ограничивает внутренний объем шины и воспринимает нагрузки, действующие на шину, должно обладать значительной прочностью, а также определенной эластичностью. Из общего уровня техники известно, что каркасное полотно состоит из одного или нескольких наложенных друг на друга слоев обрезиненного корда и резиновых прослоек. Прочность покрышки определяется прочностью обрезиненного каркасного полотна и, главным образом, зависит от прочности корда, так как модуль его упругости на несколько порядков больше модуля упругости резины. Форма каркаса и число слоев корда в нем определяются расчетом исходя из заданного давления воздуха, нагрузки, типа и назначения шины. Каркасное полотно несет основную нагрузку во время работы шины, обеспечивая последней прочность, эластичность, износостойкость и сохранение заданной формы. Каркасное полотно в покрышке работает, главным образом, на растяжение и многократный изгиб. Эти напряжения возникают, как правило, в результате давления воздуха и действия центробежных сил, которые создают в корде растягивающие напряжения. Значительное влияние на работу каркаса оказывают толщина корда, его плотность, теплостойкость и другие физико-механические свойства.
В разработанном техническом решении каркас шины выполнен из 1 слоя металлокорда, и в слоях корда готовой шины число нитей металлокорда на 100 мм составляет по основе 80 ÷ 90, что позволяет заполнить промежутки между нитями и сделать каркасное полотно плотнее на просвет. В то же время по техническим требованиям к конечному продукту металлокорд должен обладать высокой круткой, для достижения необходимых прочностных свойств.
Необходимость скручивания нитей диктуется требованиями достижения заданной разрывной прочности, допустимых удлинений как при разрыве, так и при рабочих нагрузках, плюс необходимостью гарантировать стабильную связь с резиной каркаса. Кроме того, скручивание нитей в кордную нить дает возможность достижения необходимой долговечности при динамических нагрузках.
Применение обрезиненного металлического корда структуры 11Л14 SТ (Фиг. 2), с толщиной обрезиненного слоя металлокорда (0,9 ÷ 1,1) ± 0,03 мм, диаметром металлокорда 0,58 ± 0,05 мм, линейной плотностью металлокорда 1,32 - 1,36 г/м и разрывным усилием металлокорда в целом не менее 580 Н, относительным удлинением при разрыве не менее 1,5%, шагом металлокорда в обрезиненном каркасном полотне 1,11 - 1,25, причем металллокорд имеет конструкцию 3 + 8 × 0,14 SТ (Фиг. 2), обеспечивает необходимые и достаточные запасы прочности каркаса шины, ее жесткость и работоспособность, долговечность шины.
Каждая металлокордная нить каркаса изолирована от соседних и в то же время связана с ними уникальной резиновой смесью. Резина предохраняет кордные нити от влаги, перетирания и способствует равномерному распределению нагрузок между ними. Наличие резины между слоями кордных нитей увеличивает массу шины, а, следовательно, влияет на ее эксплуатационные характеристики. Расчетным (методом конечных элементов) и опытным путем в настоящем изобретении подобрана толщина обрезиненного корда и резиновых прослоек для соблюдения оптимальных характеристик шин по настоящему изобретению. Толщина обрезиненного слоя корда составляет от 0,9 мм до 1,1 мм.
Резиновые смеси, которыми обрезинивают латунированный металлокорд, в свою очередь, должны обладать высокой выносливостью при многократных деформациях и низкими гистерезисными потерями, иметь высокое сопротивление тепловому старению, а также высокую прочность связи с каркасным кордом и высокую прочность связи с прилегающими слоями боковины и бортовой ленты. В лучшей степени требованиям высокой эластичности, высокой прочности связи с другими деталями покрышки, температуро- и теплостойкости отвечает натуральный каучук, который применяется в рецептуре.
Резина в слое металлокаркасного полотна каркаса работает в режиме, близком к режиму заданной деформации. Величина деформации резины определяется нагруженностью боковой стенки (радиальным прогибом) и относительным резиносодержанием в слое (частота нитей корда). Особенностью нагружения резины в слое радиальных шин состоит в том, что при повороте шины на 10° направление главных деформаций меняется. При этом резина в слое каркасного полотна испытывает двухосное растяжение, и сдвиг резины в слое составляет около 40%.
В настоящем изобретении для достижения технического результата применена резиновая смесь на основе полиизопрена натурального, техуглеродного наполнителя, и модифицирующей системы, которая вводится для достижения высокого уровня прочности связи в резиновой смеси. За счёт модификации эластомерной матрицы улучшаются упруго-прочностные свойства резин в граничных областях, увеличивается густота пространственной сетки, обуславливающая возрастание прочности адгезионного соединения.
x
x
Одним из самых эффективных методов повышения адгезивных свойств резины со сталью является ее латунирование (сплав меди и цинка). Латунь характеризуется хорошей адгезией к обоим материалам, а также необходимыми механическими свойствами и стойкостью к коррозии. В процессе серной вулканизации происходит сульфидирование металлов, и между резиной и латунью образуется многослойная промежуточная пленка, состоящая из продуктов реакции: CuS, ZnS, ZnO. Образование CuS происходит в виде дендритов, которые врастают в фазу эластомера на глубину до 50 нм что приводит к формированию развитой поверхности соприкосновения с множеством точек физического взаимодействия. Скорость роста дендритов, их размеры и форма определяются диффузией меди из состава латуни через слои ZnO и ZnS, поэтому масса латунного покрытия и массовая доля меди в латунном покрытии оказывают на прочность связи регулирующее действие. Опытным путем выявлено, что применение латунного покрытия массой 4,7 ± 0,9 г/кг и массовой долей меди в латунном покрытии 63,5 ± 2,5% позволяет достичь прочности связи металлокордного каркаса с производственной резиновой смесью не менее 300 Н/20,0 мм. В разработанном решении применен металлокорд с латунным покрытием с вышеприведенными характеристиками.
Применение металлокорда высокой прочности конструкции 11Л14 SТ (3 + 8 × 0,14 SТ), нити которого свиты между собой по типу «S» с шагом свивки металлокорда 10,0 ± 0,5 мм и шагом свивки сердечника 5 ± 0,25 мм, с толщиной обрезинивания корда 0,9 ÷ 1,1 мм, обеспечивает необходимые и достаточные запас прочности каркасного полотна шины, окружной жесткости, работоспособности и долговечности шины.
Для достижения технического результата разработана опытная резиновая смесь, обладающая низкими гистерезисными потерями, высокой эластичностью, температуро - и теплостойкостью, со следующими прочностными показателями (значения приведены в таблице 1).
Таблица 1
Разработанное решение может быть осуществлено на стандартном оборудовании с использованием стандартной технологии.
По настоящему изобретению были изготовлены шины в нескольких вариантах исполнения. Конструктивные параметры для шин каждого варианта приведены в таблице 2. Комбинации конструктивных параметров шины по каждому варианту подобрана опытным и расчетным путем, являются оптимальными.
Таблица 2
Варианты исполнения опытных образцов шин
Показатель
Ед. измерения
Варианты исполнения по предлагаемому изобретению
Вар.1
Вар.2
Вар.3
1
2
3
4
5
Типоразмер шины, назначение
-
255/55R20
255/55R20
255/55R20
Количество слоев металлокордного слоя в каркасе
-
1
1
1
1
2
3
4
5
Структура металлического корда в каркасе
-
11Л14 SТ
11Л14 SТ
11Л14 SТ
Конструкция металлокорда
3 + 8 × 0,14 SТ
3 + 8 × 0,14 SТ
3 + 8 × 0,14 SТ
Толщина обрезиненного слоя металлокорда в каркасе
мм
0,9 ± 0,03
1,0 ± 0,03
1,1 ± 0,03
Диаметр металлокорда
мм
0,58 ± 0,05
0,58 ± 0,05
0,58 ± 0,05
Линейная плотность металлокорда каркаса
г/м
1,32 ± 0,1
1,34 ± 0,067
1,36 ± 0,1
Относительное удлинение металлокорда каркаса при разрыве
%
не менее 1,5
не менее 1,5
не менее 1,5
Шаг металлокорда в обрезиненном каркасном полотне
-
1,11
1,175
1,25
Количество металлических нитей в металлокорде одинакового диаметра
-
11
11
11
Диаметр металлической нити в металлокорде
мм
0,14 ± 0,01
0,14 ± 0,01
0,14 ± 0,01
Разрывное усилие металлокорда в целом
Н
не менее 580
не менее 580
не менее 580
Масса латунного покрытия
г/кг
4,6 ± 1,0
4,6 ± 1,0
4,6 ± 1,0
Массовая доля меди в латунном покрытии
%
63,5 ± 2,5
63,5 ± 2,5
63,5 ± 2,5
Тип свивки
-
«S»
«S»
«S»
Шаг сввивки металлокорда
мм
10,0 ± 0,5
10,0 ± 0,5
10,0 ± 0,5
Шаг свивки сердечника
мм
5 ± 0,25
5 ± 0,25
5 ± 0,25
Прочность связи металлокорда с каркасной резиновой смесью
Н/20,0 мм
не менее 300
не менее 300
не менее 300
В слоях корда готовой шины число нитей металлокорда на 100 мм составляет по основе
шт./100 мм
90
85
80
По итогам испытаний разработанные опытные шины расширяют арсенал технических средств и соответствуют всем законодательным требованиям и в сравнении с прототипом обеспечивают увеличение общей работоспособности пневматической шины до 9%, произошло увеличение максимальной нагрузки на шину, снижение гистерезисных потерь в каркасных материалах, что приводит к снижению коэффициента сопротивления качению до 8%, а также обеспечивают увеличение упругости каркасного полотна и окружной жесткости шины, влияющих на улучшение сопротивления шин боковому уводу, достигая заявленный технический результат всей заявляемой совокупностью существенных признаков данного изобретения.