ШИНА С ВЫДВИЖНЫМИ ШИПАМИ
TIRE WITH EXTENDING STUDS

Пневматическая шина автомобиля включает в себя два нерастяжимых бортовых кольца, соединенных между собой параллельными слоями обрезиненными нерастяжимыми нитями - кордами с образованием максимального объема - тора при изготовлении и создании давления воздухом между ними и ободом колеса, где обод также служит опорной частью натянутых корд, причем число слоев не может быть меньше двух из-за однонаправленной работы нитей только на растяжение, где у шины диагональной конструкции оба параллельных слоя корд, лежащих друг на друге без пересечений, идут под углом друг к другу от одного бортового кольца к другому для их уравновешивания и противодействия разнонаправленным силам в зоне контакта с дорогой, а у шины радиальной конструкции только один слой обрезиненных корд идет от одного бортового кольца к другому по наименьшей радиальной уравновешенной траектории, а второй слой корд представляет собой параллельные ряды нерастяжимых колец в виде пояса, охватывающие радиальные по внешней окружности, что в сумме также составляет два слоя под углом к друг другу, но в обоих случаях контактным силам противодействует только один внешний или наружный слой, поэтому между протектором, или толстым слоем резины и внешним слоем параллельных корд располагается предохранительный брекерный слой, состоящий из ненагруженных слоев разнонаправленных прорезиненных нитей для предохранения последнего от расслоения.
На шипы, противоположные стороны которых различаются по функциональным назначениям, одна из которых предназначена для взаимодействия с дорожным покрытием, а другая - для закрепления в шине, действуют силы, в том числе от зацепления от образованных углублений и вмятин на поверхности контакта, которые при их установке в протекторный слой резины не обеспечивают надежного соединения как протектор, соединенный с силовыми кордами, но непосредственное крепление шипов к каркасу шины, образованному нерастяжимыми нитями и кольцами корд, проблематично из-за требований к ним сохранения герметичности и прочности, которые нарушатся при соединении к ним шипов, поэтому шипованная резина имеет ограничения в процессе эксплуатации и недолговечна, при этом по мере износа протектора шип теряет зону крепления.
В зимний или переходный сезонный период образование ледяной, снежной, влажной или другой скользкой поверхности на дорожном покрытии носит кратковременный случайный характер, когда необходимы шипы, что делает предпосылки к созданию шин с выдвижными шипами с управляемым переходом их с окружности меньшего диаметра, чем внешняя окружность протектора, на окружность большего диаметра за окружность протектора с возможностью сопротивления увеличенным поперечным силам зоны контакта.
Известные конструкции шин с выдвижными шипами (US 5810451, 5707463, 3942572, 3872908), сложность и массивность которых увеличена за счет механизма выдвижения и обратного хода шипов, основанные на размещении их снаружи или внутри пневматической шины, что вызывает еще большие проблемы с работоспособностью шин шипованного типа, т.к. при размещении их снаружи в кольцевых канавках между протектором без нарушения структуры корд ведет к увеличению толщины протектора на высоту установленного механизма с последующим неполным износом протектора и снижением других эксплуатационных показателей, размещение внутри шины ведет к необходимости разрыва корд шины для выхода шипов на рабочую поверхность за окружность протектора с возникающими отсюда проблемами герметичности, прочности и долговечности самой шины.
Предлагаемая конструкция шины с выдвижными шипами основана на соединительной части шипов, выполненной в виде раздвоенного конца с поперечными или перпендикулярными окончаниями, односторонними или двухсторонними, через зазор между которыми возможен только последовательный проход соединяемых сторон замкнутой ленты из корд, утолщенных в зоне их соединения нерастяжимыми кольцами с формированием из нее каркаса шины, ограниченной бортовыми нерастяжимыми кольцами и каркаса внутренней камеры, ограниченной с другой внутренней стороны нерастяжимым кольцом.
Шипы, введенные с зазором, образованным между раздвоенным концом соединительной части в параллельные ряды утолщенных соединяемых сторон или краев кольцевой ленты в чередующемся порядке с двух противоположных сторон с последующим полуоборотом до общего среднего положения с перекручиванием их вследствие невозможности поворота в зазоре двух и более одновременно, образуют соединение, в котором утолщенные нерастяжимыми кольцами соединяемые стороны корд меняются местами в зазорах сопряженных соседних шипов и из параллельного положения принимают пересеченное состояние с переменой положения, которые удерживаются при натяжении присоединенных к ним ленты или колец корд на выходе поперечными окончаниями раздвоенных концов при свободном смещении утолщенных сторон до образования продольного натяжения в начальной части зазора при их последовательном расположении в нем.
Полученный шов из пересеченных соединяемых сторон герметичен, т.к. продольные силы натяжения направлены постоянно под углом друг к другу, равнодействующие которых направлены на противодействие поперечной силе внутреннего давления в образованных камерах в отличие от их параллельного состояния при соединении, например, соединительными звеньями типа «молнии» или разносторонним присоединении к ним шипов, при котором эти силы противодействия возникают только после разгерметизации.
Важным условием герметизации соединения является свободное прохождение в зазоре шипа по очереди по одному утолщенному краю, предопределяя их съемность, что позволяет их натянуть и сжать между собой на всей длине, что недостижимо при узком выходе из зазора, ширина которого предназначена только для размещения в нем присоединенных к ним лент корд, т.к. даже при пересеченном положении утолщенных сторон между собой в остальной части зазора узкий выход, получаемый, например, путем изгиба или сжатия раздвоенного окончания, является препятствием для натяжения утолщенных сторон и сжатия их между собой с потерей герметизации в зоне между шипами.
Наличие утолщенных краев или сторон соединяемых лент обязательно, т.к. при их отсутствии соединяемые края лент не будут образовывать пересеченные зоны с их последующим свободным выходом из соединительной части шипа, зазор в которой будет равен толщине соединяемых лент.
Прочность шва определяется прочностью раздвоенного конца шипа, работающего на изгиб от растягивающего действия корд каркаса шины, расположенных между двумя бортовыми нерастяжимыми кольцами и зависит от применяемого твердого материала, его толщины и расстояния поперечной составляющей от основания раздвоенного конца шипа, сжимаемости утолщенных сторон, что прочнее и надежнее, чем присоединение шипов или их направляющих к каркасу корд с разрывом их и удержанием силами трения.
Образованная структура шины отличается от известной по патенту RU 2099199, где обрезиненные нити корд каркаса шины соединены с внутренними нерастяжимыми кольцами вертикальными нитями путем полуоборота вокруг них с возможностью образования между ними каркаса внутренней камеры тем, что соединение нитей корд и вертикальных нитей выполнено в общем зазоре соединительной части шипов без раздельного соединения каждой нити друг с другом, что позволяет сохранить минимальное расстояние между параллельными рядами обрезиненных корд в каркасах обеих камер с сохранением технических характеристик как у обычных пневматических шин.
При создании давления в камере, образованной между шиной и ободом колеса, максимально возможная форма тора ограничена нерастяжимыми кольцами с вытягиванием корд, соединяющий их и корды шины через общий зазор соединительной части шипа, длина которых достаточна для выхода контактной части шипа за пределы окружности протектора с занятием пересеченных утолщенных нерастяжимыми кольцами соединяемых сторон менее максимально возможной длины меньшим их изгибом в вертикальной плоскости путем соответствующего смещения в вертикальной части зазора соединительной части шипа под действием постоянного натяжения присоединенных к ним ленты корд, при этом шипы одновременно соединены с двумя разнонаправленными нитями - кордами и перпендикулярными к ним нерастяжимыми кольцами, что дает возможность разнонаправленного противодействия контактным силам в отличие от однонаправленного внешнего слоя корд каркаса шины с необходимостью присоединения к нему протектора через брекерный слой.
Боковому уводу колеса при качении на шипах противодействуют разнонаправленное натяжение корд при выходе из зазора действием на поперечные части раздвоенного конца шипов, их взаимное вхождение друг в друга и другие фиксирующие приспособления, не препятствующие их выдвижению и обратному ходу.
При создании давления во внутренней камере между слоями вертикальных корд, превышающего давление в окружающей камере шины, вертикальные нити корд приобретают криволинейное положение с уменьшением расстояния между внутренним нерастяжимым кольцом и соединенными утолщенными сторонами в зазоре соединительной части шипов, из которых сжимаются и уменьшают свою длину соединяемые стороны с образованием большего изгиба в вертикальной плоскости, соответствующего смещению утолщенных сторон в вертикальной части зазора при неизменном упоре пересеченной зоны в горизонтальной части с втягиванием шипов внутрь с выходом протектора в плоскость контакта с дорогой, при этом утолщенные соединяемые пересеченные стороны находятся под постоянным растягивающим натяжением кольцевых лент обрезиненных корд, чем сохраняется герметичность обеих камер, а изменение положения протектора шин диагональной конструкции компенсируется изгибом боковин шины, а у шин радиальной конструкции протектор остается в неизменном положении изгибом кольца близлежащих корд, расположенных между бортовыми кольцами, не опоясанных поясом нерастяжимых колец.
В случае внезапной потери давления во внешней камере шины, внутренняя камера, давление в которой выше внутренней, может служить дополнительным средством безопасности в качестве альтернативы уже установленному запасному колесу, при этом из-за резкого увеличения давления в ней при смене окружающего давления на атмосферное она может состоять из отдельного более прочного каркаса с отдельными утолщенными краями, при этом увеличиваются плечи раздвоенной соединительной части шипов со снижением прочности соединения.
Противоположная сторона соединительных частей шипов вместо острого окончания может иметь другую поверхность, например плоскую или закрепленную к ней части твердого протектора с отличительными свойствами от основного резинового протектора, что при наличии раздельного кругового ряда соединительных звеньев с шипами с раздельным управлением ими может значительно повысить функциональность транспортных средств.
Что касается привода управления давлением во внешней и внутренних камер, то подобные решения известны из конструкций шин, в том числе с выдвижными шипами с использованием стационарного раздельного изменения давления в каждой камере или во время движения (US 5707463, 6905564), сводящиеся к размещению их на ободе колеса с автономным питанием и беспроводным управлением или размещением их в автомобиле с взаимодействием через переходные устройства между вращающимися частями с учетом изменяемого объема внешней камеры от расширения или сжатия внутренней камеры, но наиболее оперативным и быстродействующим способом выдвижения шипов является перепуск давления из одной камеры в другую, например, через дополнительные камеры переменного объема со свойствами длительного сохранения давления, связанные между собой с возможностью синхронного изменения объема.
Таким образом предложенный вариант шин с выдвижными шипами отличается от известных аналогичного назначения тем, что:
- шипы расположены между кольцами протектора, но не увеличивают их толщину,
- шипы с механизмом их выдвижения соединены с разнонаправленными нерастяжимыми кордами и кольцами шины, но не нарушают их целостности, прочности, герметичности,
- механизм выдвижения шипов расположен во внутренней полости шины, который соединен с шипами, находящимися с внешней стороны каркаса шины, без нарушения его структуры корд.
Дальнейшая сущность поясняется графическими изображениями, где на:
фиг.1 - сечение варианта шины диагонального типа, собранной из отдельных кольцевых кордных лент во втянутом положении шипа;
фиг.2 - увеличенный вид соединительного звена фиг.1 с положением в нем пересеченных нерастяжимых колец и направлением кордных лент;
фиг.3 - сечение сборной шины в выдвинутом положении шипа;
фиг.4 - увеличенный вид соединительного звена фиг.3 с положением и направлением корд;
фиг.5 - сечение шины радиальной конструкции с общими кордами обеих камер с переходом их в соединительных частях шипов в их втянутом положении;
фиг.6 - увеличенный вид соединительного звена фиг.5 с положением общих корд шины и внутренней камеры;
фиг.7 - сечение шины радиального типа с общими кордами в выдвинутом положении шипа;
фиг.8 - увеличенный вид соединительного звена фиг.7;
фиг.9, 10, 11 - схемы действия сил и изменение параметров при работе шины на протекторе;
фиг.12, 13, 14 - схемы действия сил и параметров в выдвинутом положении шипа;
фиг.15, 16 - общие проекции шины с регулировочными камерами в выдвинутом положении шипа;
фиг.17, 18 - проекции шины с регулировочными камерами при работе шины на протекторе;
фиг.19 - положение шипов с раздвоенными и поперечными окончаниями между собой в выдвинутом, а на фиг.20 во втянутом положении;
фиг.21, 22 - изометрия шин при работе на шипах и на протекторе.
Шина с выдвижными шипами состоит из следующих основных деталей, обозначенные позициями:
1 - обод колеса, 2 - нити корд шины, 3 - бортовые нерастяжимые кольца, 4 - протектор с брекерным слоем, 5 - вертикальные нити корд, 6 - внутреннее нерастяжимое кольцо, 7 - внешняя камера, 8 - внутренняя камера, 9 - пересеченные нерастяжимые кольца, 10 - опоясывающие нерастяжимые кольца пояса радиальных шин, 11 - шипы с раздвоенными и поперечными окончаниями, 12 - воздухопроводы, 13 - вентиль, 14 и 15 - управляющие камеры, 16 - механизмы синхронного изменения объема и давления в камерах, Р - давление внутренней камеры, F - давление внешней камеры, Rp - равнодействующая натяжения корд внутренней камеры, Rf - натяжение корд внешней камеры, R - сила давления шипа, N - высота шипа до внутреннего кольца во втянутом положении, М - высота протектора, L - максимальная высота шипа до внутреннего кольца, Н - максимальное выдвижение шипа от протектора.
Качение шины на резиновом протекторе. Фиг.1, 2, 5, 6, 9, 10, 11, 17, 18, 20, 22.
Через вентили 13 и воздухопроводы 12 создается необходимое давление F воздуха на корды 2 в основной внешней камере 7 и большее давление Р на корды 5 во внутренней камере 8 со втягиванием соединительных звеньев 11 или шипов уменьшением их расстояния N до внутреннего нерастяжимого кольца 6 занятием криволинейного положения кордами 5 внутренней камеры 8 с преодолением силы натяжения корд 2 камеры 7 с занятием ими более вогнутого положения и более волнистой поверхности около соединительных звеньев 11, при этом соединяемые нерастяжимые кольца 9 приобретают больший изгиб в радиальной плоскости качения с уменьшением длины их окружности без снятия натяжения от действия давлений Р и F в камерах 8 и 7.
Управляющие камеры 14 и 15 предварительно занимают максимальный и минимальный объем путем смещения механизма 16 изменения объема также в крайнее положение, камера 15 с минимальным объемом соединена трубопроводами 12 с внутренней камерой 8, а соответственно камера 14 с максимальным объемом соединена с внешней камерой 7 шины, при этом возможно использование съемных управляющих камер 14 и 15 с их механизмом 16 изменения на основе диафрагмы с автономным приводом и беспроводным управлением, которые можно устанавливать на любые автомобили или по мере необходимости в зависимости от сезона, или специально сконструированные на основе переходного подшипника между вращающимся колесом и относительно неподвижной рамы.
Качение пневматической шины на резиновом протекторе 4 происходит по тем же принципам, что и у обычных шин радиальной или диагональных конструкций с нахождением втянутых шипов 11 в кольцевых зазорах протектора 4 на внешней границе корд 2 внешней камеры 7, при этом создаются условия до полного пробега шин.
Внутренняя камера 8 может выполнять роль запасного колеса в случае внезапной потери давления в основной внешней камере 7, где натяжение корд 5 резко повысится из-за большего перепада давлений Р по отношению к атмосферному, что необходимо предусмотреть при создании шины путем предварительного запаса прочности корд 5, 2 или использовать отдельную внутреннюю камеру 8 с увеличенным запасом прочности корд 5 по отношению к кордам 2 шины.
Качение шины с выпущенными шипами. Фиг.3, 4, 7, 8, 12, 13, 14, 15, 16, 19, 21.
При необходимости выпуска шипов 11 поступает команда различными возможными способами (ручным или автоматическим) на перемену объема в управляющих камерах 14 и 15 исполнительным механизмом 16, что приводит к снижению давления Р во внутренней камере 8 с сохранением давления F во внешней камере 7, при этом для более точной их корректировки изменяемые объемы управляющих камер 14 и 15 могут быть соответственно разные с распрямлением корд 5 при неизменном положении внутреннего кольца 6 из-за свойств нерастяжимости и равнозначности действия на него вертикальных корд 5 с увеличением расстояния с N до L до шипов 11 с выпуском его на максимальную высоту Н с меньшим давлением R на опорную поверхность, чем их реакция Rp во втянутом положении и с возможностью регулирования, при этом незначительно увеличивается ширина шины.
Соединяемые пересеченные кольца 9 утолщенных сторон лент с кордами 2 и 5 принимают в зазорах соединительных звеньев 11 минимальный изгиб с увеличением окружности и расхождением звеньев 11 между собой с занятием также положения большей окружности, а для предотвращения бокового увода шины боковые поверхности звеньев 11 выполнены с пазами и выступами с возможностью сопротивления повороту от боковых контактных сил вхождением их друг в друга, что при условии разностороннего сопротивления раздвоенных окончаний шипов 11 нерастяжимыми кольцами 9 и перпендикулярно расположенными нитями корд 2 и 5 даст положительный результат, при этом шипы 11 могут соединятся между собой через слой предохранительной резины.
Источники информации
1. US 3712358, 3872908, 4676289, 5609700, 5707463, 6905564.
2. RU 2099199.
3. Колесник П.А. Материаловедение на автомобильном транспорте. «Транспорт», 1987 г.