КОЛЕСО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
VEHICLE WHEEL

Изобретение относится к шинной промышленности, в частности, к конструкции колес для машин высокой проходимости с регулируемым давлением в шинах.
Известно колесо с пневматической шиной, преимущественно регулируемого давления, содержащей протектор, многослойный каркас из текстильных нитей полиамидного или других видов кордов (с радиальным или диагональным расположением нитей), брекер, борта с бортовыми кольцами [1].
Числом слоев в каркасе и бортовых колец определяется грузоподъемность шины. Чем больше грузоподъемность шины, тем большее количество слоев корда в каркасе и тем большее количество бортовых колец, на которых фиксируются слои или группы слоев каркаса [1].
В крупногабаритных шинах количество бортовых колец в борте доходит до 5-6 шт. В радиальных конструкциях шин, где уменьшается число слоев в каркасе, количество бортовых колец доходит до 2-3 шт. С применением высокопрочных текстильных кордов количество слоев в каркасе может уменьшаться и, соответственно, уменьшается число бортовых колец. Любое количество слоев в каркасе должно обеспечивать определенный статический запас прочности [2].
При этом следует отметить, что снижение числа текстильных слоев в каркасе грузовых шин до 1-2 слоев, при сохранении требуемого показателя запаса прочности, приводит к ухудшению (потере) эксплуатационных свойств шин.
В настоящее время в тяжелых грузовых шинах, а шины с регулируемым давлением относятся к этому классу, в борте имеется 2 и редко 3 бортовых кольца [1].
При снижении внутреннего давления и сохранении эксплуатационных нагрузок увеличивается радиальный прогиб шины. В этом случае происходит изменение напряженно-деформированного состояния многослойного каркаса, внешние слои каркаса перегружаются и, соответственно, перегружаются бортовые кольца, на которых они закреплены. Бортовые кольца, расположенные дальше от закраины обода, дополнительно нагружаются изгибающим моментом. Таким образом, увеличивается вероятность их разрыва и раннего выхода колеса из строя.
Очевидно, что при сборке любых шин на обод колеса должна обеспечиваться передача крутящих и тормозных моментов от обода к шине, а также других видов нагрузок (радиальных, боковых, изгибных).
Это можно обеспечить как с помощью гарантированной посадки шины на ободе колеса, так и осевым прижатием борта шины к закраинам обода.
При монтаже шин регулируемого давления на обод колеса требуются большие осевые усилия для полной посадки шины на обод колеса.
Ввиду этого в настоящее время для снижения трудозатрат при проведении монтажно-демонтажных работ с шинами регулируемого давления, монтаж шины на обод производят с помощью распорного кольца на разъемном ободе практически без гарантированного натяга шины на посадочной полке обода.
При этом необходимы большие осевые усилия, которые создаются распорным кольцом за счет стяжки (закручивания) шпилек двух половин обода. Уровень надежности крепления всей конструкции обеспечивается только значением усилия, получаемом при закручивании шпилек (болтов). Кроме того, необходимо обеспечение герметичности между бортами шины и закраинами обода колеса, а также между распорным кольцом и внутренними зонами бортов.
Такое техническое решение требует наличия высокопрочных конструкций закраин обода и распорного кольца, что увеличивает материалоемкость колеса и не обеспечивает требуемого уровня надежности крепления шины на ободе. Это связано с тем, что этот уровень определяется субъективными усилиями закручивания шпилек, что зачастую приводит к неконтролируемой потере внутреннего давления при недостаточно плотном поджимании борта шины к закраине обода. Для демонтажа шины с обода откручиваются шпильки и шина отделяется от обода, точнее от закраин обода.
Цель изобретения - увеличение работоспособности колеса, снижение материалоемкости и трудоемкости при проведении монтажно-демонтажных работ с шиной и ободом.
Это достигается тем, что шина монтируется на обод с посадочной полкой, имеющей наклон от 12 до 22 град., при этом бортовые кольца, расположенные дальше от закраины обода, выполняются с большим статическим запасом прочности по сравнению с бортовыми кольцами, расположенными ближе к закраинам обода.
Предлагаемое колесо транспортного средства включает обод (1) с закраинами (1а), наклонными посадочными полками (1б), пневматическую шину, преимущественно регулируемого давления, которая содержит протектор (2), многослойный каркас (3) из текстильных нитей с внешними (3а) и внутренними (3б) слоями (с радиальным или диагональным расположением нитей), брекер (4) из текстильных или металлических кордов, борта (5) с бортовыми кольцами (5а), (5б). Распорное кольцо (6), расположенное между бортами шины (фиг. 1).
В случае снижения внутреннего давления в шине происходит увеличение прогиба шины и перераспределение нагруженности слоев в каркасе шины. При этом возникает дополнительный момент в зоне борта, поворачивающий борт вокруг закраины обода, что приводит к дополнительному растяжению внутренних бортовых колец (5б) (фиг. 2).
Естественно, в этих бортовых кольцах (5б) снижается статический запас прочности, что может привести к разрыву колец и выходу колеса из строя.
С учетом этого, предлагается увеличить статический запас прочности бортовых колец, расположенных дальше от закраины обода, путем увеличения количества проволок в бортовом кольце или применять при их изготовлении проволоку или корд с большим диаметром сечения. Для экономии и сохранения общего количества армирующих материалов в борте шины возможно перераспределение его путем уменьшения сечения бортовых колец, расположенных ближе к закраине обода, и увеличения их в бортовых кольцах, расположенных дальше от закраины обода.
Пневматическая шина должна крепиться на ободе колеса (1) за счет трения и создания гарантийного натяга борта и бортовых колец на наклонных посадочных полках обода (1б). Этот натяг создается конструктивно за счет разности диаметров борта, бортовых колец и посадочных диаметров полок ободьев на которые монтируется шина. Величина натяга должна обеспечивать передачу крутящего и тормозных моментов от обода к шине, а также других видов нагрузок (радиальных, боковых, изгибных).
Кроме того, должна быть обеспечена герметичность в случае бескамерных шин. Все эти свойства должны сохраняться как при внутреннем рабочем давлении в шине, так и при его снижении.
В настоящее время посадочные полки в ободе колес выполняются с углом наклона 0; 5; 15 град.
Профиль основания борта шины (7) фиг. 2 выполняется в каждом случае с определенным углом наклона (β) отличным на 0,5-1 град от угла наклона посадочной полки обода (α), и с определенным гарантийным натягом по диаметру, который обеспечивает передачу всех нагрузок (крутящих, тормозных, боковых, изгибных и т.д.) от обода колеса к шине.
Во всех этих вариантах (0; 5; 15) возможно обеспечение гарантийного натяга и посадки борта шины на обод колеса. Но при этом имеются существенно различные напряженно-деформированные состояния посадочных полок ободьев [3].
Во всех типах шин, а в случае шин с регулируемым давлением в частности, возникает важный вопрос проведения монтажно-демонтажных работ с меньшей трудоемкостью, особенно в полевых условиях. Это требование особого периода.
Очевидно, что при проведении монтажно-демонтажных работ шин с ободьями, имеющими угол наклона посадочных полок 0; 5 град., имеется больше сложностей, чем в случае с ободьями, имеющими угол наклона посадочных полок 15 град.
Чем больше угол наклона посадочной полки обода колеса, тем меньше требуется смещение бортовой части шины относительно посадочной полки обода при сдвиге боковой силой при демонтаже и монтаже шины.
Учитывая это, предлагается для снижения трудоемкости при проведении монтажно-демонтажных работ принять наклон полки обода от 12 до 22 град.
Этот диапазон определяется условиями равновесия между усилиями трения и скатывания, действующими вдоль посадочной полки обода колеса и величиной коэффициента трения между основанием борта шины и полки обода. Распределение основных сил при посадке шины на посадочной полке обода показано на фиг. 3.
нат
F - усилие натяга борта шины на посадочной полке обода
скат
F - усилие скатывания борта шины с посадочной полки обода
N - усилие реакции полки обода от усилия натяга борта шины
μ - коэффициент трения между резиной основания борта и полкой обода
α - угол наклона посадочной полки обода
После проведения простых математических действий при условии равновесия получаем, что коэффициент трения между резиной основания борта и посадочной полкой обода равен тангенсу угла наклона полки обода колеса:
μ=tgα
Из [2] стр. 142 имеем: коэффициент трения между резиной и полкой обода равен 0,2-0,4. Тогда:
Таким образом, для обеспечения гарантированной посадки шины угол наклона полки должен быть в пределах от 12 до 22 градусов.
Особо следует отметить, что при увеличении угла наклона полки обода колеса, при обеспечении требуемого гарантийного натяга между шиной и полкой обода колеса, изменяется в сторону улучшения напряженно-деформированного состояния обода при посадке на него шины. Разгружается закраина обода, и это позволяет существенно уменьшить размеры самой закраины обода, и тем самым снизить массу обода.
Следует отметить также, что отпадает необходимость в применении (изготовлении) высокопрочного распорного кольца, так как в предлагаемом варианте посадка шин на обод колеса происходит при значительно меньших усилиях.
На фиг. 1 показан радиальный срез колеса в сборе (шины), где:
1 - обод колеса
1а - закраина обода
1б - посадочная полка обода
2 - протектор
3 - многослойный каркас
3а - внешние слои каркаса
3б - внутренние слои каркаса
4 - брекер
5 - борт шины
5а - бортовые кольца расположенные ближе к закраине обода
5б - бортовые кольца расположенные дальше от закраины обода
6 - распорное кольцо
α - угол наклона посадочной полки обода
На фиг. 2 показано колесо при сниженном внутреннем давлении в шине
1 - обод колеса шины
1а - закраина обода колеса
3 - многослойный каркас
4 - брекер
5 - борт шины
5а - бортовое кольцо расположенное ближе к закраине обода
5б - бортовое кольцо расположенное дальше от закраины обода
7 - основание борта шины
β -угол наклона основания борта шины
на фиг. 3 распределение усилий натяга борта шины, реакции полки обода, трения и скатывания.
нат
F - усилие натяга борта шины на посадочной полке обода
скат
F - усилие скатывания борта шины с посадочной полки обода
N - усилие реакции полки обода от усилия натяга борта шины
μ - коэффициент трения между резиной и полкой обода
α - угол наклона посадочной полки обода
литература:
1. Бидерман В.Л. Автомобильные шины, М., Госхимиздат, 1963, стр. 384.
2. Цукерберг С.М. и др., Пневматические шины, М., Химия, 1973, стр. 264.
3. Балабин И.В. и др. Конструктивные параметры соединительной поверхности «ШИНА-ОБОД» и их влияние на работу автомобильного колеса. Журнал автомобильных инженеров, М, №1 (90) 2015.