ШИНА СВЕРХНИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ

Техническое решение относится к силовым элементам пневматических шин и усиливающим слоям для них, в частности, к структуре или расположению ремней или брекеров и прежде всего к шинам сверхнизкого давления, предназначенным для использования на вездеходных транспортных средствах.
Широко известны пневматические шины низкого и сверхнизкого давления (см., например, стр.176, 177 Шины и колеса В.И.Кнороз, Е.В.Кленников. - М.: Машиностроение, 1975. - 184 с. и стр.12, 41-43 Работа автомобильной шины под ред. В.И.Кнороза, М.: «Транспорт», 1976. - 238 с.). Известно и выполнение подушечного слоя (брекера) (см. стр.10, 11 Автомобильные шины. Конструкция, расчет, испытание, эксплуатация под общей ред. В.Л.Бидермана - М.: Госхимиздат, 1963 - 384 с.).
В колесе низкого давления по RU 84784 и его вариациях (см. RU 84783, 85401 и 86142), шина представляет собой незамкнутую оболочку, выполняющую роль защитного слоя камеры, которую она охватывает частично, заходя за ободья и грунтозацепы и располагаясь между ними и камерой. Замкнутую силовую линию образуют ложементы с грунтозацепами, передающими крутящий момент на камеру с шиной за счет сил трения, что снижает износ камеры.
Силовой каркас шины по RU 2095256 перенесен из внутренней области на наружную поверхность шины, прижатый к ней давлением воздуха. Статические и динамические нагрузки воспринимает наружная кордная оплетка с грунтозацепами, бортовые кольца и их перемычки. Сама шина-трубка лишь герметизирует внутреннюю полость и противостоит проколам. В данном случае кордный каркас заменен одним слоем более легкого чефера.
Эти объекты имеют малый вес, они относительно просты в изготовлении, однако область их применения ограничена из-за низких сцепных свойств, недостаточной курсовой устойчивости на твердых покрытиях, а тонкостенная камера склонна к проколам, что существенно ограничивает их функциональность.
Существует группа технических решений применительно к каркасным слоям, направленная на защиту от проколов и от соприкосновения с бордюром. Так два варианта защиты зоны протектора от повреждений усиливающими слоями из стекловолокна представлены в US 3516465 и подобное им решение в SU 328555. Для защиты боковин шины от механических повреждений используют различные конструкции, как внешние накладные US 4235271, так и внутренние, встроенные, являющиеся элементами каркаса самой шины (см., US 5318643) с выходом каркасного слоя на внешнюю сторону боковины и JP 2003002016 с эластомерными концентрическими кольцами, усиливающими боковины. Дополнительный слой, расположенный между брекерным и каркасным, предохраняет шину по US 6116311 от проколов. Обеспечить безопасное движение при проколе и улучшить связь между протектором, брокером и каркасом пытаются в RU 8308. Повышение устойчивости к порезам, проколам и снижение внутренних напряжений в шине по SU 1032995 обеспечено захождением усиливающих слоев на плечевые зоны в направлении боковин на определенную величину. А применение в SU 1761555 дополнительных непрерывных или прерывистых усиливающих элементов боковины улучшает управляемость и защищает ее от механических повреждений.
Другой способ предотвращения проколов представлен в многослойных радиальных шинах по US 5368082, а также в EP 0663305 с усилением дополнительными слоями плечевых и зон боковин, выполненных по технологии run-flat. Наличие поддерживающего компонента позволяет им выдерживать вес автомобиля, без появления критической деформации, при отсутствии избыточного давления в шине, что повышает безопасность. Хотя на спущенном колесе можно проехать порядка 50 км, при полностью загруженой машине, при этом технология run-flat позволяет водителям избежать сложной и небезопасной смены колес среди потока машин. По утверждениям производителей покрышка остается пригодной для дальнейшего использования после вулканизации и накачивания до необходимого давления. Данный тип покрышек может устанавливаться только на автомобилях с системой электронного контроля устойчивости и встроенным датчиком давления воздуха, а это сложно и дорого. Тоже относится и к вседорожной безопасной шине по US 6530404. Шина с технологией run-flat по US 5685927 и ее вариант без усиленных боковин WO 9420316 имеют глубокую центральную канавку, разделяющую беговую часть шины. Хотя первая и выполнена по технологии run-flat с усиленными боковинами, но и та и другая оснащены дополнительными усиливающими слоями в зоне канавки препятствующими образованию проколов.
Представленные технические решения препятствуют механическим повреждениям, как боковины, так и зоны протектора шин, однако они либо сложны в изготовлении, либо чрезмерно утяжеляют шину, увеличивая ее цену. Что касается технологии Run-flat, то она не приемлема для шин сверхнизкого давления.
Иногда необычная форма шины определяет характер усиливающих слоев. Так расположение брекерного слоя во всю ширину профиля шины по DE 69831701 обусловлено его формой. Шина по US 3840060 с боковинами, разграниченными на зоны с заданной деформацией, имеет усиливающий слой по всей ширине дугообразной беговой части шины для более равномерного распределения нагрузки. В свою очередь, данные примеры поясняют влияние формы шины на расположение усиливающих слоев, однако специфичная геометрия профиля и условия эксплуатации шины сверхнизкого давления требуют особенного подхода к выбору мест усиления шины.
Известны силовые элементы пневматических шин и усиливающие слои для них, способствующие лучшему восприятию нагрузок. Так пневматическая шина с брекером переменной жесткости по US 3717191 имеет резиновую прослойку. В шинах представленных в US 2493614 и 3861440, как и в SU 1036240 и 1505436 брекер расположенный поверх основных кордных слоев каркаса, что повышает его сопротивляемость механическим повреждениям. Несколько слоев брекера в радиальной шине по US 4077455, 4934430, а также EP 332449 и JP 6305304 смягчают ударные нагрузки, и способствуют более равномерному их распределению, а матерчатый верхний слой в шине US 5365988 охватывающий другие слои корда служит для надежного их удержания. Шина с высокпрочным усилителем в US 6273160, также как и шина с брекером из органического полимера по US 6478063, способна воспринимать большую нагрузку. Тому же служит и комбинированный брекер в пневматической шине радиальной конструкции по RU 2549 и 2550 для грузовых автомобилей. Узкие резиновые прослойки US 6354350, размещенные между матерчатыми (тканевыми) слоями брекера, увеличивают прочность связи протектора с каркасом. Улучшение эксплуатационных качеств шины по SU 900797 достигается тем, что жесткость брекера в зонах, смежных каждой боковине, больше жесткости остальных частей брекера. При этом зона повышенной жесткости брекера образована введением дополнительного элемента, сопротивляющегося растяжению в окружном направлении. Дополнительные элементы, выполненные в виде кордной ленты, расположены в плечевых зонах шины. Оптимизация кривизны арматуры каркаса в SU 993811 и US 3910336 и применение массивного брекерного слоя улучшает комфортабельность автомобиля и повышает устойчивость к проколам.
На повышение срока службы покрышки путем снижения вероятности отрыва протектора направлено решение по SU 1593979. Представленная конструкция брекера предотвращает образование дефекта "отрыв протектора". Это достигается плавным переходом жесткостных свойств от жесткого каркаса резинокордной системы, к мягкому растяжимому подканавочному слою протектора через промежуточные свойства бреккера, и обратной зависимостью жесткостных свойств резин нижних и верхних слоев бреккера.
Повышению надежности способствует брекер в SU 1684097 и RU 2003486, а увеличение долговечности и ремонтопригодности шины по SU 1717407 достигается изменением слойности брокера. RU 2153421 относится к покрышкам пневматических автомобильных шин, усиленных проволкой из нержавеющей стали для повышения их прочности.
Пневматическая шина по RU 2169672, содержащая каркас, над которым в радиальном направлении расположены два рабочих слоя брекерного пояса из перекрещенного металлокорда и два блока-ограничителя, размещенные по сторонам от экваториальной плоскости. Они соединены в осевом направлении дополнительным усилителем, образованным, по меньшей мере, одним слоем корда, ориентированным в окружном направлении и центрированным на экваториальной плоскости. Прочность на растяжение корда составляет не более половины прочности на растяжение наиболее растяжимого слоя блоков-ограничителей. В результате повышается стойкость и срок службы шины.
Высокоэффективная шина по RU 2320495 и US 4407346 для экстремального вождения обеспечивает стабильность сцепления с дорогой и управляемость на скоростях до 240 км/час и выше. Она содержит каркас по внешнему радиусу которого уложен брекерный пояс, радиально наложенный на него протектор, и, по меньшей мере, один слой сшитого эластомерного материала по внутренней поверхности протектора, а также пару боковин, при этом, по меньшей мере, один слой сшитого эластомерного материала расположен между протектором и брокером. Еще отчетливее видна необходимость усиливающих слоев в шине без бортовых каркасных колец по US 3712362.
Хотя приведенная группа пневматических шин имеет силовые элементы, способствующие лучшему восприятию нагрузок, но решения, использованные для усиления их каркаса, не обеспечивают повышения устойчивости к проколам, а это важно для шины сверхнизкого давления.
Соотношение размеров, толщин и расположение усиливающих слоев характеризуют шину с усиленным брокером по US 3598165. Повышению устойчивости и комфорта транспортного средства служат дополнительные слои в шине по FR 6928426. Большая грузоподъемность низкопрофильной радиальной шины в US 4702293 определяет наличие трех усиливающих слоев ее протектора. А в шине по US 5630893 наличие брекера обусловлено профилем нестандартной кривизны. Изогнутый брекер, уложенный на подушечные слои, по DE 19528008 предназначен для повышения комфорта транспортного средства, подобный подушечный слой использован и в основании брекера по JP 2002146107. В SU 1484287 и US 4425953 повышение срока службы и предотвращение расслоений в области кромок брокера достигнуты тем, что между слоями брекера расположен составной слой из резинового элемента в зоне протектора и примыкающих к нему боковых резиновых элементов, зажатых одной стороной слоями брекера, а другой отогнутых радиально внутрь параллельно каркасу.
Во всех этих случаях приведены геометрические соотношения усиливающих слоев шин, эксплуатируемых в основном на дорогах общего пользования. Из-за иных параметров профиля шин сверхнизкого давления применять данные технические решения для их усиления дополнительными слоями нецелесообразно.
Известны примеры выполнения в шинах дополнительных слоев как сплошными, так и составными, а в некоторых случаях и прерывистыми, располагающимися в определенных зонах. Под и над слоями основного каркаса, а также между ними в US 2976905 расположены усиливающие слои. А, например, шина по US 3612136 с композитно-кордным брекером выполнена с перекрытием верхних слоев относительно друг друга. Разные цели преследуют при выполнении раздельного усиливающего слоя в FR 2405148 и US 4934429. Форма протектора, определяющая расположение и конфигурацию усиливающих слоев, в шине по FR 2405148 служит для улучшения распределения нагрузки, а в низкопрофильной радиальной шине US 4934429 усиливающий слой, состоящий из двух симметричных относительно экваториальной плоскости элементов, расположенных под канавками протектора препятствует проколам в зоне наименьшей его толщины. Шина по US 5435370, имеющая разделенный наружный каркасный слой, сложнее шины с полукаркасным (комбинированным) слоем по EP 0916522. Конструкция брекера диагональной широкопрофильной шины по RU 2220054 состыкована из трех частей внахлест с направлением ступеньки нахлеста в противоположные стороны слои металлокордного брекера, при этом нити корда в частях первого и второго слоев взаимно перекрещены, величина нахлеста частей слоев брекера составляет 30-50 мм. Углы наклона нитей корда в брокере составляют 50-60°. Хотя указанная величина нахлеста достаточна для предупреждения расслоений по кромкам частей брекера, и позволяет использовать брекерные полосы меньшей ширины при сборке широкопрофильных шин, которые могут быть изготовлены на стандартных резательных машинах, это снижает надежность из-за образования концентраторов напряжений. В шине по RU 2225296 с двумя степенями жесткости каркасной арматуры разделение на три части каркасной арматуры, закрепленной на бортовые кольца, и использование разрезанных усилительных элементов придает каркасной арматуре, расположенной под арматурой вершины, большую упругость, чем упругость частей арматуры, усиливающих боковины шины.
Такие дополнительные слои в некоторых случаях достаточно просто изготовить, они усиливают отдельные зоны, однако в тонкостенной оболочке шин сверхнизкого давления не всегда возможно выполнить усиливающие слои составными или прерывистыми.
На жесткость шин также влияет материал усиливающих слоев. В SU 144413 жесткость достигают перекрещиванием текстильного корда и металлокорда, а выполнение брекера из непрерывной нити металлокорда в SU 151206 повышает срок его службы. Применительно к шинам сверхнизкого давления материал усиливающих слоев, их расположение и тип непосредственно влияют на повышение надежности шины.
Пневмоколесный движитель, способный без разрушения поверхностного слоя двигаться по грунтам с очень низкой несущей способностью, болотам и снегам тундры при давлениях ниже 0,6 МПа известен из RU 74857. Повышение эксплуатационных характеристик и надежности данной шины при сохранении проходимости и исключении разрушающего воздействия на грунт, снижение сопротивления качению и повышение сцепления с грунтом, а также сохранение формоудержания шины при падении давления ниже заданного с сохранением ее несущей способности достигнуто тем, что для кордов каркаса и кордов боковин использован капроновый корд, а между слоями каркаса размещена резиновая прослойка.
Бескамерная пневматическая шина RU 2005083, ширина которой превышает высоту ее профиля, содержит борта с каркасными кольцами, боковые стенки и беговую часть с каркасом из корда, завернутого на каркасные кольца. Толщина боковых стенок и беговой части шины выполнена постоянной и составляет 0,010-0,015 высоты профиля ширины. Корд выполнен капроновым, уложен двумя перекрещивающимися слоями и имеет модуль угла наклона нитей каждого слоя 45-60° по отношению к меридиональному направлению. Высокая эластичность беговой части и боковых стенок, обеспечивает равномерное распределение удельных давлений в зоне контакта шины с опорной поверхностью, при внутреннем давлении воздуха 0,03 МПа. Хотя это повышает проходимость, снижает сопротивление качению и исключает разрушающее воздействие шины на грунты с низкой несущей способностью, но двухслойный капроновый каркас, не способен эффективно противостоять проколам, что значительно снижает ее функциональность.
У представленных технических решений не достаточна устойчивость к проколам из-за неоптимального выполнения или полного отсутствия усиливающих слоев. Все это приводит к снижению надежности шины в условиях лесных дорог и/или передвижении по каменистым поверхностям.
Известна пневматическая шина по RU 2042530 содержащая борта с каркасными кольцами, боковые стенки и беговую часть с протектором, имеющую каркас из корда, завернутый на упомянутые каркасные кольца. Ее корд выполнен двухслойным с углом наклона нитей в каждом из уложенных перекрестно слоев 45-60° к меридиальному направлению шины, при этом каркас в беговой ее части и боковин выполнен толщиной 0,003…0,080 высоты профиля шины. Указанная толщина стенок и беговой части является оптимальной для повышения проходимости и исключения разрушающего воздействия шины на грунты. Для равномерного распределения удельных давлений в зоне контакта шины с опорной поверхностью число слоев капронового корда в ней не превышает двух. Данная шина способна обтекать неровности поверхности, при этом для укрепления наиболее нагруженной части бортов в ней имеется дополнительная прослойка, укладываемая с наружной стороны на крыльевые зоны бортов. Данная прослойка препятствует расслоению корда и усиливает шину в зоне бортов, но она не может обеспечить устойчивость к проколам наиболее подверженных этому явлению плечевых и беговых ее частей.
Тем самым, надежность данной шины ограничена, что снижает ее функциональные возможности.
Задача - повысить надежность шины.
Создание устойчивой к проколам шины сверхнизкого давления, обеспечено усилением шины дополнительным слоем (слоями).
Для этого шина сверхнизкого давления, содержащая борта с каркасными кольцами, боковые стенки и беговую часть с протектором, имеющими каркас из корда, завернутый на упомянутые каркасные кольца, снабжена одним или двумя слоями, расположенными между протектором и каркасом.
Снабжение одним или двумя слоями, расположенными между протектором и каркасом, шины сверхнизкого давления, содержащей борта с каркасными кольцами, боковые стенки и беговую часть с протектором, имеющими каркас из корда, завернутый на упомянутые каркасные кольца, позволяет достичь технического результата, а именно повысить надежность шины, поскольку расположение между протектором и каркасом одного или двух слоев препятствует образованию проколов в наиболее подверженных этому явлению плечевых и беговых зонах шины, что повышает функциональные возможности шины.
Этому же способствует то, что слой располагается по всей ширине профиля с напуском на боковые стенки на величину 0,1÷0,5 высоты профиля шины. Такое расположение слоя сохраняет высокую эластичность шины, что позволяет ей обтекать неровности, не деформируя поверхность.
Дополнительно повышает функциональные возможности шины то, что нити корда в слое выполнены из крученого синтетического полиамидного волокна;
Изображено на:
фиг.1 - Профиль шины;
фиг.2 - Фрагмент плечевой зоны;
фиг.3 - Шина с дополнительным слоем;
фиг.4 - Фрагмент варианта плечевой зоны;
фиг.5 - Шина с дополнительными слоями;
Шина сверхнизкого давления, содержит борта 1 (фиг.1) с каркасными кольцами 2, боковые стенки 3 и беговую часть 4 с протектором 5. Каркас 6 из корда завернут на каркасные кольца 2 и снабжен одним 7 (фиг.2) или двумя 7 и 8 (фиг.4) слоями, расположенными между протектором 5 и каркасом 6.
Снабжение одним 7 или двумя 7 и 8 слоями, расположенными между протектором 5 и каркасом 6, шины сверхнизкого давления, содержащей борта 1 с каркасными кольцами 2, боковые стенки 3 и беговую часть 4 с протектором 5, имеющими каркас 6 из корда, завернутый на упомянутые каркасные кольца 2, позволило достичь технического результата, а именно повысить надежность шины, поскольку расположение между протектором 5 и каркасом 6 одного 7 или двух 7 и 8 слоев препятствует образованию проколов в наиболее подверженных этому явлению плечевых и беговых зонах шины.
Слой 7 (7 и 8) располагается по всей ширине B профиля. Напуск слоя 7 (7 и 8) на боковые стенки 3 на величину h равную 0,1÷0,5 высоты профиля H также способствует повышению надежности шины.
Нити корда в слое 7 (7 и 8) выполнены из крученого синтетического полиамидного волокна, что повышает функциональные возможности шины.
Шина сверхнизкого давления представлена на фиг.3. Наличие усиливающего слоя 7, корд в котором ориентирован продольно, позволяет защитить ее от проколов и выполнить достаточно легкой и податливой, что повышает проходимость и надежность.
Для более сложных условий эксплуатации предназначена шина с двумя усиливающими слоями 7 и 8 (фиг.5). Усиливающий элемент, состоящий из двух x-образно расположенных слоев 7 и 8, эффективнее противостоит механическим воздействиям и позволяет передвигаться транспортному средству в условиях леса, коряжистых болот, каменистых горных дорог, а также равномернее распределяет напряжения по каркасу 6, что увеличивает ресурс шины.
Шина функционирует так:
При качении шины сверхнизкого давления с дорожной поверхностью контактирует беговая часть 4 с протектором 5. Каркас 6 из корда, завернутый на каркасные кольца 2, размещенные в бортах 1 воспринимает основные нагрузки и поддерживает форму шины. Дополнительные слой 7 (или слои 7 и 8) смягчают ударные нагрузки на шину со стороны дороги, более равномерно распределяют их по каркасу 6 и повышают устойчивость к проколам. Напуск слоя 7 (7 и 8) на боковые стенки 3 на величину h равную 0,1÷0,5 высоты профиля Н препятствует повреждению шины ветками или камнями, а выполнение из крученого синтетического полиамидного нити корда в слое 7 (7 и 8) повышает функциональные возможности шины.
Снабжение одним 7 или двумя 7 и 8 слоями, расположенными между протектором 5 и каркасом 6, шины сверхнизкого давления, содержащей борта 1 с каркасными кольцами 2, боковые стенки 3 и беговую часть 4 с протектором 5, имеющими каркас 6 из корда, завернутый на упомянутые каркасные кольца 2, позволило достичь технического результата, а именно повысить надежность шины, поскольку расположение между протектором 5 и каркасом 6 одного 7 или двух 7 и 8 слоев препятствует образованию проколов в наиболее подверженных этому явлению плечевых и беговых зонах шины.