Покрышка пневматической шины

Полезная модель относится к шинной промышленности, а именно к конструкции каркаса покрышек пневматических грузовых шин радиальной конструкции.
В настоящее время имеется устойчивая тенденция требования повышения нагрузочной характеристики грузовых шин без изменения (увеличения) их размеров. Каркас шины является одним из основных несущих нагрузку элементов шины. Как правило, каркас грузовой шины состоит из нескольких слоев обрезиненного текстильного корда. Повышение нагрузочной характеристики грузовой шины может быть достигнуто путем увеличения количества слоев обрезиненного корда в каркасе, однако такое решение повышает массу шины, увеличивает ее стоимость и снижает показатели топливной экономичности и скоростной выносливости.
Задачей разработки конструкции каркаса современных грузовых шин является максимальное снижение количества слоев корда в каркасе с целью снижения массы каркаса и шины в целом, повышения топливной экономичности и управляемости. Основным направлением в решении данной задачи является применение кордов повышенной прочности.
Известна конструкция каркаса пневматических грузовых и легкогрузовых шин радиальной и диагональной конструкции, выполненный из текстильной кордной ткани с разрывной прочностью нити более 400 Н, с числом кручений нити 180-290 на метр, удельной прочностью более BS/tex более 0,78 и удлинением нити корда менее 3% при нагрузке 39-45Н. При этом резиносодержание в слое корда составляет 18-27% (патент РФ на изобретение RU 2456167 от 20.12.2017 «Пневматическая шина», Бюллетень № 20, МПК B60C 9/04, ООО «Холдинговая Компания «ЛОйл НЕФТЕХИМ»).
Недостатком данной конструкции является применение слоев корда с одинаковым резиносодержанием для всех слоев каркаса, что приводит:
- к увеличенному расходу текстильного корда;
- к возникновению резкого перепада по жесткости между слоями каркаса и покровными резиновыми слоям боковины.
Известна также конструкция каркаса покрышки пневматической шины с посадочным диаметром 20 дюймов, состоящей из слоев обрезиненного корда с разрывной прочностью нити не более 35 кгс/нить и двумя видами плотности: более плотной во внутренних слоях и разреженной в наружных слоях каркаса (патент РФ на полезную модель № 17307 от 27.03.2001 «Покрышка пневматической шины», Бюллетень № 9, ГУП «Научно-исследовательский институт шинной промышленности»).
Недостатком данной конструкции является применение для каркаса корда невысокой прочности, что приводит к увеличению числа слоев каркаса при повышении нагрузки на шину, увеличивает ее массу, ухудшает топливную экономичность и управляемость.
Ближайшим аналогом к предлагаемой полезной модели является конструкция каркаса пневматических автомобильных шин, содержащего слои с различной плотностью нитей в слое и разрывной прочностью нитей более 35 кгс/нить и коэффициентом соотношения между толщиной нити текстильного обрезиненного корда и величиной разрывной прочности нити меньше 0,021 (коэффициент удельной прочности) м²/с². По меньшей мере в одном слое каркаса плотность нитей меньше на 25-30%, а резиносодержание больше в 1,6-3,5 раза чем в остальных слоях каркаса (патент РФ на изобретение № 2525344 от 10.08.2014 «Покрышка пневматической шины», Бюллетень № 22, ОАО «КОРДИАНТ»).
Недостатком данной конструкции является значительная разница в резиносодержании между слоями каркаса, создающая температурную разницу в массиве каркаса и наличие существенных сдвиговых деформаций между слоями с различной плотностью нитей корда. Кроме того, увеличение резиносодержания также повышает массу шины.
Другим недостатком конструкции является необходимость применения в слоях корда с различными прочностными характеристиками для обеспечения равной прочности в слоях каркаса шины с указанными в патенте условиями. Это усложняет процесс производства, увеличивает трудоемкость и себестоимость шин.
Плотность нитей корда в слое каркаса (и количество слоев) определяет показатели прочности каркаса при нагружении шины внешней нагрузкой.
Применение обрезиненного корда с различной плотностью во внутренних и внешних слоях каркаса шин обусловлено различиями в типах напряжений, возникающих во внутренних и внешних слоях многослойного каркаса шины. (Внутренние слои каркаса являются основой силовой конструкции каркаса и в большей части подвергаются растяжению, воздействию окружных и угловых моментов при эксплуатации шин. Наружные слои каркаса являются вспомогательными и работают преимущественно на изгиб.)
В слоях каркаса с различной плотностью корда резиносодержание также различно.
Показатель резиносодержания в слое обрезиненного корда наряду с плотностью нитей корда является характеристикой для оценки свойств (работоспособности, теплообразования) резинокордного слоя в условиях динамических напряжений.
Резиносодержание в обрезиненном слое корда каркаса определяется по формуле:
T= (1 – d/t) 100%, где:
t – расстояние между центрами соседних нитей в слое каркаса,
d – диаметр нити корда.
Величина показателя резиносодержания в обрезиненном слое корда каркаса зависит от конструкции и назначения шин (условий ее работы). Для шин радиальной конструкции резиносодержание в слое обычно находится в пределах 40–65%.
Уменьшение резиносодержания в слое каркаса повышает вероятность появления трещин на границе между нитью корда и резиной и требует повышенных требований к материалам для повышения уровня прочности связи между кордом и резиновой смесью, примененной для его обрезинивания.
Повышение резиносодержания в слое обрезиненного корда свыше 65% увеличивает массив резиной смеси, снижает жесткость слоя каркаса и увеличивает температуру, развивающуюся в слое при динамических напряжениях.
Техническая задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, заключается в создании каркаса покрышки шины с оптимальным соотношением количества слоев и резиносодержания в них, обеспечивающих повышение максимальной нагрузки на шину при сохранении или уменьшении числа слоев корда в каркасе.
Поставленная задача решается установлением совокупности оптимальных параметров корда, а именно его прочностных и геометрических характеристик, диаметра нити, с его плотностью и резиносодержанием в различных слоях каркаса.
Для решения поставленной задачи в покрышке пневматической шины радиальной конструкции, включающей протектор, боковины, брекер и бортовые кольца, каркас содержит 4 слоя обрезиненного текстильного корда с прочностью более 35 кгс/нить и с коэффициентом удельной прочности менее 0,021 и различной плотностью нитей корда во внутренних и наружных слоях каркаса.
Плотность нитей корда трех внутренних слоев корда каркаса в покрышке составляет 48–52 нити на 100 мм, резиносодержание в этих слоях находится в диапазоне от 50 до 55%, а плотность нитей корда в одном наружном слое меньше плотности нитей корда во внутренних слоях каркаса на 12–16% и составляет 42–44 нитей на 100 мм.
При этом резиносодержание во внешних слоях каркаса с плотностью нитей корда 42–44 нити на 100 мм выше резиносодержания внутренних слоев каркаса с плотностью корда 48–52 нитей на 100 мм на 11–13% и составляет 60–62%.
Плотность нитей корда во внутренних и внешних слоях каркаса выбрана исходя из характеристик применяемого корда каркаса и требования необходимого запаса прочности шины.
Резиносодержание во внутренних и наружном слоях определено исходя из следующего:
При наличии в конструкции каркаса слоев обрезиненного корда с различной плотностью нитей корда в наружных и внутренних слоях на границах между такими слоями каркаса из-за различного резиносодержания и жесткости слоев возникают повышенные сдвиговые напряжения, которые могут стать причиной появления расслоений и разрушений в слоях каркаса в процессе эксплуатации шины.
Показатель межслойного резиносодержания позволяет оценить работоспособность резинокордной многослойной конструкции.
Величина межслойного резиносодержания определяется по формуле:
r = (1 – d/h) 100%, где:
d – диаметр нити корда;
h – расстояние между центрами нитей корда в соседних слоях каркаса.
Расстояние между центрами нитей корда в соседних слоях каркаса зависит от толщины обрезиннивания каждого отдельного слоя.
При увеличении толщины обрезинивания слоя корда увеличивается расстояние между нитями корда в соседних слоях и увеличивается межслойное резиносодержание.
Увеличение межслойного резиносодержания снижает сдвиговые напряжения между слоями обрезиненного корда, но увеличивает массу и снижает температурную выносливость шин.
Уменьшение толщины обрезиненного слоя корда и снижение межслойного резиносодержания в общем случае снижает массу и увеличивает жесткость каркаса шин, повышая тем самым температурную выносливость шины, но увеличивает сдвиговые напряжения между слоями обрезиненного корда каркаса.
Кроме того, в зависимости от характеристик резиновой смеси, используемой для обрезинивания корда, и точности применяемого оборудования у конкретного изготовителя шин минимальная величина толщины обрезинивания корда и, соответственно, межслойного резиносодержания обычно имеет технологические ограничения.
Для повышения технологичности толщина обрезинивания корда в слое каркаса обычно принимается единой для всех слоев каркаса, независимо от плотности нитей корда в них, и зависит в основном от диаметра нити применяемого корда.
Показатель межслойного резиносодержания в каждом конкретном случае выбирается опытном путем с учетом назначения шины и технологических возможностей ее производства.
Для технологически реализуемой толщины обрезинивания нитей корда прочностью более 35 кгс/нить и коэффициентом удельной прочности нити карда меньше 0,021 межслойное резиносодержание содержание между слоями каркаса для обеспечения надежной работоспособности шины составляет от 27 до 33%.
На Фиг. 1 представлен пример меридионального сечения покрышки с каркасом согласно предлагаемой полезной модели.
На Фиг. 2 представлен фрагмент сечения каркаса покрышки со слоями обрезиненного корда.
На Фиг. 3 представлен фрагмент сечения каркаса покрышки с бортовыми кольцами.
Покрышка, представленная на фиг. 1-3, содержит:
1- протектор,
2 - боковины,
3 - брекер,
4 - бортовые кольца,
5 - каркас, выполненный из обрезиненного текстильного корда,
6 - внутренние слои обрезиненного корда,
7 - внешние слои обрезиненного корда.
Два внутренних слоя 6 каркаса 5 выполнены из корда 45А и имеют плотность 48 нитей/100 мм, а два внешних слоя 7 выполнены из корда 452А и имеют плотность 42 нити/100 мм.
При этом межслойное содержание во всех слоях каркаса одинаково и составляет 31%.
Снижение плотности в основных, так называемых несущих слоях каркаса менее 48 нитей/100 мм приводит к снижению запаса прочности покрышки и снижает ее работоспособность. Также увеличивается масса. Увеличение плотности корда свыше 52 нитей/100 мм приводит к снижению резиносодержания в слое и увеличивает сдвиговые напряжения между нитью корда и окружающей нить резиной, что ведет к увеличениюриска потери связи между нитью корда и резиновой смесью и разрушению каркаса шин при эксплуатации.
Внешние, дополнительные слои каркаса работают в режиме повышенных изгибных напряжений и для снижения возникающих сдвиговых напряжений в слоях имеют пониженную плотность нитей корда и повышенное резиносодержание.
Экспериментально установлено, что для достижения поставленных целей плотность корда по меньшей мере трех внутренних слоев составляет 48–52 нитей на 100 мм при резиносодержании 50–55%
Как показали исследования, если резиносодержание в слое каркаса при плотности нитей корда 48–52 нитей на 100 мм будет меньше 50%, то это потребует применения корда с большим диаметром нитей и увеличения его толщины обрезинивания, что, в свою очередь, приведет к увеличению массы и снижению температурной выносливости шины.
Если резиносодержание в слое каркаса при плотности нитей корда 48–52 нитей на 100 мм будет больше 55%, то это потребует применения корда с меньшим диаметром нитей и большей прочности, т.е. увеличения стоимости корда. Кроме того, снизится жесткость каркаса, ухудшится управляемость шины.
Для предложенных параметров конструкции внутренних слоев каркаса экспериментально установлено что для достижения поставленных целей плотность корда по меньшей мере в одном наружном слое должна составлять 42–44 нитей на 100 мм при резиносодержании 60–62%.
Если плотность корда будет меньше 42 нитей на 100 мм при резиносодержании 60–62%, то это снизит прочностные характеристики шин.
Если плотность корда будет больше 44 нитей на 100 мм при резиносодержании 60–62%, то это потребует применения иного корда с меньшим диаметром нитей, отличного от принятого во внутренних слоях корда каркаса. Применение дополнительного типа корда увеличивает трудоемкость и стоимость изготовления шин.
Если резиносодержание в наружном слое каркаса при плотности корда по меньшей в одном наружном слое, составляющем 42–44 нитей на 100 мм, будет меньше 60%, то это потребует применения корда с большим диаметром нитей и увеличения его толщины обрезинивания, что, в свою очередь, приведет к увеличению массы и снижению температурной выносливости шины
Если резиносодержание в наружном слое каркаса при плотности корда по меньшей мере в одном наружном слое, составляющем 42–44 нитей на 100 мм, будет больше 62, то это потребует применения корда с меньшим диаметром нитей и большей прочности, т.е увеличения стоимости корда. Кроме того, снизится жесткость каркаса, ухудшится управляемость шины.
Уменьшение межслойного резиносодержания менее 27% для выбранного типа корда требует усложнения (и увеличения стоимости) технологического процесса обрезинивания для достижения меньшей толщины обрезинивания, повышения уровня прочности связи резиновой смеси с нитью корда из-за увеличения сдвиговых напряжений между соседними слоями обрезиненного корда, увеличению стоимости резиновой смеси.
Увеличение межслойного резиносодержания в слоях каркаса свыше 33% требует увеличения толщины обрезинивания корда, приводит к снижению жесткости каркаса, увеличивает массу шины и снижает показатели управляемости и температурной выносливости.
В таблице 1 представлены характеристики и результаты сравнительных стендовых испытаний шин 12,00R18 серийной конструкции и шин с каркасом согласно предлагаемой полезной модели.
Таблица 1
Наименование показателя
Серийная конструкция
Предлагаемая конструкция
Относительная прочность корда в каркасе
0,028
0,020
Количество слоев корда в каркасе
3 + 2
3 + 1
Плотность нитей корда во внутренних/наружных слоях каркаса, шт/100 мм
60/48
48/44по формуле 48–52 и 42–44
Резиносодержание во внутренних/наружных слоях каркаса, %
58/66
55/61по формуле 50–55 и 60–62
Межслойное резиносодержание в слоях каркаса, %
39
31
Масса шины, %
100
100
Максимальная нагрузка на шины, %
100
109
Максимальная скорость шины, %
100
100–105
Таким образом, предлагаемая полезная модель обеспечивает повышение нагрузочной характеристики при сохранении массы и скоростной выносливости шин.
Полезная модель может быть реализовано на стандартном оборудовании в условиях массового производства.