Анализ технического текстиля, применяемого для автомобильных шин

УДК 677.017

В. В. Иевлева, В. В. Хамматова АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ТЕКСТИЛЯ, ПРИМЕНЯЕМОГО ДЛЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ШИН

Ключевые слова: шины, кордная ткань, металлокорд, полиэфирный корд, полиамидный корд.

В статье проведен обзор технических материалов, применяемых для автомобильных шин. Рассматриваются виды кордных тканей, из которых состоит каркас шины и их свойста. В результате изучения характеристик и особенностей кордных нитей, выявлены их преимущества и недостатки.

Keywords: tyre cord fabric, steel cord, polyestercord, nyloncord.

The article reviews the technical materials used for automobile tires. The types of cord fabrics, of which the carcass of the tire and their property consists, are considered. As a result of studying the characteristics and characteristics of cord yarns, their advantages and disadvantages are revealed.

Введение

Наиболее распространенным техническим текстильным материалом, используемым в производстве шин является корд. Для резино-тканевых изделий ответственного назначения (тяжелые автомобильные, авиационные и некоторые другие виды шин) наиболее пригоден корд из полиамидных волокон (капроновый корд). Корд - плотная, особо прочная ткань, применяемая при изготовлении автопокрышек.

Корд используют преимущественно в производстве шинных покрышек. Корд отличается от обычных тканей тем, что основа его состоит из нитей двойного кручения, а уток - из обыкновенной некрученой пряжи. Редкий уток служит только для связи нитей основы и сохранения равномерности их расположения при обрезинивании. Таким образом основа кордной технической ткани принимает на себя большую часть нагрузки, испытываемой покрышкой.

Это очень важно, именно шины обеспечивают безопасность, комфорт езды, управляемость и проходимость. Составные части шины представлены на рис.1 [1].

Снаружи автомобильная резина делится на такие элементы:

- протектор - главная рабочая часть ската автомобиля, который расположен на поверхности диаметра снаружи. От особенностей протекторного рисунка зависит назначение резины в зависимости от погодных условий, ее проходимость и скоростные характеристики. Протекторный рисунок выполнен из чередующихся между собой блоков и канавок (ламелей);

- боковина или плечо - находится сбоку шины. Устройство автомобильной шины, рассчитанной на преодоление бездорожья, включает в себя дополнительный боковой протектор, расположенный на плече колеса.

- посадочный бортик - круговое утолщение, которое проходит вдоль внутреннего диаметра. Бортик «заправляется» под изогнутость края диска. Такое устройство шины автомобиля позволяет хорошо зафиксировать покрышку на диске колеса.

Каркас шины - выполнен на тканевой основе. Он изготавливается из специальной прорезиненной ни-

ти корда. Нитяные слои чередуются с прослойками резины, которые называются сквиджами.

Высокая динамическая нагрузка требует от шины гибкости. В матрицу резины, которая придает шине форму и работает одновременно как эластичная оболочка, вводится каркас повышения прочности. Он воспринимает действующие на шину нагрузки.

Рис. 1 - Составные части шины

Основными требованиями к каркасу являются:

- прочность;

- стабильная размерность (высокий модуль, низкая усадка);

- усталостная прочность;

- адгезия к резине (прочность связей с резиной);

- устойчивость к действию химических компонентов резины.

В зависимости от области применения имеются различные конструкции шин.

В легковых машинах в настоящее время используются два вида шин: радиальные и диагональные (рис.2). В сравнении с диагональными радиальные отличаются низким сопротивлением качению, истиранию и общему износу, лучшим боковым управлением и мягким поведением рессор при высоких скоростях. Диагональные шины более мягки при невысоких скоростях и более легкие. Однако, они все

более вытесняются на рынке легковых машин радиальными.

Радиальная конструкция Диагональная конструкция

Рис. 2 - Шины легковых машин

Устройство шины автомобиля с нитями, направленными радиально, является наиболее распространенным. В таких покрышках кордовые нити расположены между собой радиально, то есть параллельно. Благодаря такому расположению обеспечивается минимальное взаимодействие слоев и волокон корда. За счет этого уровень напряжения корда, направленного радиально, меньше в несколько раз. Поэтому толщина кордового слоя и всего каркаса в скате радиального типа меньше [1].

Корд в автомобильных шинах в настоящее время изготовляется из искусственного волокна, что обеспечивает высокую ходимость шин. Еще больший эффект дает применение синтетического волокна.

Корд является основным несущим элементом, а за счет резины достигается гфметичкость камеры. При создании пакеров, воспринимающих перепады давления до 30 МПа, эластичные камеры бронируются по наружному диаметру рядами тонкостенной стальной ленты или проволочной сеткой.

Корд укладывается в каркасе покрышки слоями, соединенными между собой резиновыми прослойками, что способствует прочному соединению отдельных слоев кордной ткани, предотвращает перетирание нитей друг о друга и защищает их от действия влаги.. Слои корда в покрышке находятся один над другим, отдельные нити в этих слоях разделены резиной и не соприкасаются друг с другом как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении.

Корд в каркасе автошины все время находится в напряженном, состоянии, так как воспринимает давление сжатого воздуха. При толчках и ударах, которые возникают при движении автомобиля, корд воспринимает дополнительную нагрузку и испытывает дополнительные деформации. Если движение шины происходит по ровной дороге или встречающиеся препятствия и неровности имеют небольшую высоту, то деформации и напряжения, которые испытывает корд в покрышке, меньше критических деформаций и напряжений при разрыве корда. При встрече шины с препятствием большой высоты или с препятствиями, имеющими острые выступающие углы, напряжения и деформации в корде могут достичь критических значений и тогда происходит разрыв корда. Разрыв корда и разрушение резины в

каркасе может происходить и при нормальных условиях вследствие усталости материала, наступающей при многократных деформациях при небольших величинах деформаций и нагрузок по сравнению с критическими.

Корд, нити которого изготовляются из вискозы, полимерных материалов или хлопка, применяется для основной и наиболее ответственной части покрышки - ее каркаса.

Корд представляет собой специальную техническую ткань, состоящую в основном из продольных нитей диаметром 0,6-0,8 мм с очень редкими поперечными нитями. В зависимости от типа и назначения шины корд может быть хлопчатобумажный, вискозный, капроновый, перлоновый, нейлоновый и металлический. Наиболее дешевым из всех является хлопчатобумажный корд, но он имеет наименьшую прочность, которая к тому же существенно уменьшается при нагреве шины. Прочность капронового корда приблизительно в 2 раза больше, чем хлопчатобумажного, а перлонового и нейлонового кордов еще выше. Наиболее прочным является металлический корд, нити которого скручены из высококачественной стальной проволоки диаметром 0,15 мм. По сравнению с хлопчатобумажным кордом прочность металлического корда выше более чем в 10 раз, и она не снижается при нагреве шины. Шины из такого корда имеют небольшое число слоев ( 1 - 4), меньшие вес и потери на качение, они более долговечны и допускают нагрузку на 20-30 % больше номинальной. Нити корда располагают под некоторым углом р к плоскости, проведенной через ось колеса. Угол наклона нитей зависит от типа и назначения шин.

Корд - основной армирующий материал пневматических шин. Он применяется в каркасе и брекере пневматических шин самого широкого ассортимента, а в последнее время и в производстве съемных протекторных колец радиальных шин.

Корд из полиэфирного волокна имеет более высокие модуль, теплостойкость и влагостойкость, а также большую плотность (1,38 г/см3), чем полиамидный корд.

Корд из полиамидного волокна (капрона) отличается высокой прочностью единичной нити при малой ее толщине, что позволяет, при одинаковой елейности пластыря, значительно уменьшить его толщину и массу. Применение такого пластыря снижает дисбаланс покрышки, улучшает условия теплоотвода в зоне ремонта и, следовательно, повышает работоспособность отремонтированной шины. Капрон мало увлажняется, а при увлажнении лишь незначительно теряет прочность.

Корд является техническим материалом шин и резиновых технических изделий, воспринимающим нагрузки, поэтому выносливость изделий в эксплуатации в значительной степени определяется как комплексом физико-механических свойств корда, так и прочностью связи между кордом и резиной.

Корд из стеклянного технического волокна может быть предварительно обработан силаном, можно также вводить силан в модифицированный смолой латекс. К другим модифицированным силанами

полимерам перед смешением рекомендуется добавлять резорцин-формальдегидные смолы для получения пленкообразователей с улучшенной окраской, стабильностью и адгезией к различным поверхностям.

Корд, имеющий большой калибр, обладает большим удлинением, что влечет за собой более быструю разнашиваемость покрышек.

Производство корда. Несущей частью шины является каркас. Он состоит из нескольких слоев технической ткани, которые охватывают сердечник борта. Изготовленный из нейлоновых или стальных нитей пояс служит для стабилизации ходовой поверхности. Ходовая поверхность образуется резиной с хорошей адгезией и, по возможности, устойчивой к истиранию. Место прилегания камеры - внутренняя поверхность шины - также покрыта слоем резины. Слои технической ткани в диагональных шинах переходят от борта к борту под углом 30-45 градусов, то в радиальных шинах слои ткани располагаются радиально. Пояс радиальной шины представляет собой диагонально расположенные друг к другу слои ткани под углом 20-25 градусов. Пояс обеспечивает прочность шины. Он состоит преимущественно из тканей со стальными нитями, так как радиальные шины при этом демонстрируют превосходство над шинами с текстильными поясами. В последние годы слой из слабо крученой полиамидной пряжи располагают поверх пояса этот так называемый контрслой снижает опасность расслаивания канта пояса и повышает эфирные, полиамидные и в редких случаях арамидные ткани.

Для повышения усталостной прочности технического материала в условиях сжатия за процессом прядения следует процесс кручения. При этом получается корд - безуточная ткань, нити которой свиты из 2-3 и более тонких нитей-стренг. В свою очередь каждая стренга свита из 1-5 нитей пряжи. Каждая нить пряжи скручена из волокон. Этот процесс состоит из двух отдельных этапов - первой и второй (окончательной) круток. При первой крутке образуется комплексная нить с круткой направления Ъ (Ъ-нить). Соответственно на втором этапе эти предварительно крученые нити скручиваются в S-направлении. При вторичной крутке ^-крутка) исключается Ъ-крутка нити первой крутки. На коль-цекрутильных машинах некрученая комплексная нить заправляется в шпулярник машины первой крутки, скручивается и поступает на фланцевую шпулю. Эти шпули вставляются в шпулярник крутильной машины окончательной крутки, которая скручивает нити первой крутки и перекладывает на фланцевые шпули. При однопроцессномссучивании выпадает этап первой крутки. Шпуля с некрученой комплексной нитью находится в неподвижной прядильной кружке веретена (внешняя нить). Внутренняя нить ведется в осевом направлении прямо вверх к точке соединения с внешней нитью. Внешняя нить вводится снизу во вращающуюся часть веретена, выходит у фланцевого накопителя, образует нитяной баллон и обвивает внутреннюю нить над прядильной кружкой.

Внутренняя и наружная нити ведутся корд-регулятором так, что к точке соединения нити под-

ходят одинаково напряженные. Если напряжение нитей различно, то образуется корд различной длины. Это отрицательно сказывается на прочности и усталостной прочности. В результате кручения образуется шинный корд. Так как обычная структура ткани с приблизительно равной по основе и утку плотностью нитей не обнаруживает хороших формовочных и вулканизующих свойств, то для шинной кордовой ткани была разработана специальная конструкция. Шинный корд в каждых 10 см содержит только 10 нитей утка из хлопчатобумажной пряжи и, вследствие этого, имеет очень открытую структуру. Уток не выполняет в шине несущей функции. Он служит только как опорная нить, чтобы облегчит обработку на следующих этапах.

Для повышения адгезии к резине, изменения усадки и модуля для лучшей размерной стабильности, шинная кордная ткань подвергается импрегни-рованию. Шинная кордная ткань снимается с роликов и проходит импрегнирующую ванну с резорци-но-латексно-формальдегидным раствором, который улучшает адгезию к резине. Если для вискозных и полиамидных нитей достаточно импрегнирования, то для полиэфирных и арамидных необходима дополнительная обработка с помощью адгезивов на эпоксидной основе.

После сухой зоны ткань проходит зону горячей вытяжки, где она подвергается обработке при определенных температуре и напряжении для установления модуля и усадки. В зависимости от используемого материала может быть необходима зона нормализации для выравнивания внутренних напряжений и/или вторая импрегнирующая ванна с последующей сухой зоной. После прохождения установки ткань наматывается на ролик. Импрегнированная ткань в процессе каландрования покрывается тонким слоем резины. На последнем этапе обработки перед изготовлением шины ткань разрезается под определенным углом на желаемую ширину [3].

Виды корда. Металлокорд, стеклокорд, а также полимерные и текстильные виды корда - основные армирующие материалы, применяемые в шинной промышленности. Масса таких материалов обычно составляет около 30-40% от общей массы автомобильной шины. Для повышения прочностных характеристик, вместо хлопчатобумажного корда применяют полимерный корд и/или металлокорд.

Металлокорд представляет собой трос, свитый из стальной латунированной проволоки. Металлокорд применяется в качестве армирующего материала при производстве различных резинотехнических изделий: конвейерных лент, клиновидных ремней, шлангов высокого давления и т. д. Но самое широкое применение металлокорд нашел при производстве автомобильных и других резиновых шин. Шины, армированные металлокордом, имеют ходимость в 1,5 — 2 раза выше, чем шины, армированные хлопчатобумажным кордом.

Металлокорд применяют для:

- легковых шин;

- легко-грузовых шин;

- грузовых шин;

- крупногабаритных и сверхкрупногабаритных шин.

Шины с металлокордом выпускаются трех типов: 1) с металлокордом в каркасе и брекере; 2) с нейлоновым кордом в каркасе и металлокордом в подканавочном слое; 3) с меридиональным расположением нитей стального или нейлонового - корда в каркасе и металлокордом в брекере.

Шины с металлокордом имеют более широкие борта, чем у обычных шин. Концы слоев корда завернуты попарно около одного или двух бортовых колец, навитых из одиночной проволоки.

На внутренней стороне каркаса в зоне беговой дорожки шины с металлокордом имеют привулка-низированный слой резины. Он служит для предохранения камеры от проколов п более равномерного распределения напряжений в теле шины в зоне беговой дорожки.

Высокая прочность стального корда позволяет изготовлять шины даже для грузовых автомобилей большой грузоподъемности с 2—4 слоями корда в каркасе вместо 8—14. Это приводит к значительному уменьшению толщины каркаса, его резино-содержакия, потерь на качение, позволяет увеличить толщину протектора, а следовательно, и срок службы шины. Металлокорд, обладая высокой теплопроводностью и теплостойкостью., способствует уменьшению напряжений и более равномерному распределению температуры в теле покрышки. Указанное улучшает условия работы резины в шине, обеспечивает сохранность ее физико-механических свойств. Ввиду малого относительного' удлинения стального корда под нагрузкой каркас шины практически не разнашивается, а резина протектора не испытывает растяжения. Это повышает сопротивление резины истиранию и разрастанию повреждений. Срок службы шин с металлокордом при эксплуатации их в различных дорожных условиях примерно в 2 раза выше, чем у обычных шин, эксплуатируемых в аналогичных условиях.

Шины с нейлоновым кордом в каркасе и метал-локордом в подканавочном слое имеют несколько больший по сравнению с обычными шинами срок службы. Применение металлокорда в подканавоч-ном слое позволяет увеличить прочность каркаса в зоне беговой дорожки, снизить температуру в наиболее напряженных точках шины, защитить каркас шины от повреждений, препятствует разрастанию трещин в протекторе.

Меридиональное расположение нитей корда увеличивает нормальную и окружную эластичность шины, повышает сцепление шины с дорогой, значительно уменьшает потери на качение колеса. Метал-локорд брекера повышает прочность каркаса в окружном направлении, улучшает температурный режим шины. Шипы с металлокордом могут успешно работать на дорогах с усовершенствованным покрытием и в условиях бездорожья при больших скоростях движения.

При производстве кордной ткани основными служат нити из полиэфирных, полиамидных, вискозных волокон. Нитями утка выступают нити из

хлопчатобумажной пряжи. Чаще всего используются полиэфирные и полиамидные волокна [4,5].

Полиэфирные кордные нити характери-зуются высокими эксплуатационными характеристиками, аналогичными полиамидному, а по усталостной прочности превосходит его. Использование полиэфирных нитей обеспечивает повышенную износоустойчивость и теплостой-кость шин, стабильность их размеров и мягкую бесшумную езду. Существенное преимущество полиэфирного корда, по сравнению с полиамидным, заключается в том, что он может применяться для изготовления шин радиальной конструкции. Особенно перспективен полиэфирный корд в опоясанно-диагональной конструкции шин для легковых автомобилей [6].

Полиэфирный корд в отличие от полиамидного не содержит реакционноспособных групп, поэтому адгезия резиновой смеси к нему невелика. Ранее для повышения адгезии полиэфирного корда к резине использовали растворы изоцианатов в органических растворителях либо блокизоцианатов в водной среде, однако достигаемая адгезия не отвечала требованиям технологии. В последнее время разработаны пропиточные составы, при применении которых достигается требуемая адгезия корда к резине при пропитке на существующем оборудовании шинных заводов [7].

Недостатком полиэфирных нитей является большая термическая усадка, поэтому для него, как и для полиамидного корда, требуется проведение термофиксации. По комплексу свойств полиэфирные кордные нити превосходят полиамидные кордные нити [6].

Полиамидные кордные нити являются наиболее прочным текстильным материалом, используемым в шинном производстве. Благодаря высокой прочности полиамидного корда, удается изготовить найло-новую шину, по прочности не уступающую вискозной, но такая шина легче вискозной, имеет высокую ударную прочность и способна выдерживать большие пробеги. Сравнительные испытания грузовых шин, изготовленных из вискозного и полиамидного кордов, на очень плохих дорогах показали, что с применением последнего пробег шин увеличивается примерно в 1,5 раза.

Кордные нити, изготовленные из полиамида, обладают высокой прочностью. Он отличается легкостью (плотность 1,14 г / см3) и высокой усталостной прочностью. При увлажнении он мало понижает свою прочность, сохраняя 87 % исходной прочности. Полиамидные кордные нити выдерживают более значительные динамические деформации по сравнению с вискозным кордом, так как он отличается высокой упругостью, низким модулем и большим разрывным удлинением [8].

Полиамидные кордные нити, обладающие хорошим сопротивлением ударным нагрузкам, применяется в грузовых шинах больших размеров, работающих в тяжелых дорожных условиях, и в легковых шинах высокого класса. Высокая разрывная прочность полиамидного корда дает возможность уменьшить толщину каркаса и, следовательно, теплообразование в шине, определяет перспективность

этого корда для шин на основе синтетических кау-чуков.

Эти нити наряду с достоинствами, которые рассмотрены выше, имеют такие недостатки, как ползучесть, разнашиваемость, повышенная усадка при высоких температурах. В процессе эксплуатации увеличиваются размеры изделия. Это вызывает дополнительное напряжение в резине, что приводит к образованию трещин и преждевременной порче изделий [9].

Недостатком полиамидного корда является повышенная разнашиваемость его в процессе эксплуатации шин, которая частично устраняется специальной горячей вытяжкой корда при пропитке и вытяжкой сырых покрышек при вулканизации, а также охлаждением шин под давлением после вулканизации.

В результате изучения характеристик и особенностей кордных нитей, выявлены их преимущества и недостатки в зависимости от сырьевого состава. Использование полиэфирных нитей обеспечивает повышенную износоустойчивость и теплостойкость шин, стабильность их размеров и вследствие этого мягкую бесшумную езду. Полиамидные кордные нити, обладающие хорошим сопротивлением ударным нагрузкам, что дает возможность применять их в грузовых шинах больших размеров, работающих в тяжелых дорожных условиях, и в легковых шинах высокого класса [10].

Свойства кордной технической ткани определяются также и способом их переплетения. Строение ткани определяется взаимным расположением продольных (основа) и поперечных (уток) нитей, видом и толщиной основных и уточных нитей, числом нитей по основе и утку, приходящимся на единицу длины ткани, видом переплетения нитей в ткани. При изменении толщины нитей основы или утка изменится и их изгиб в ткани, что приведет к изменению строения ткани, а, следовательно, и к изменению ее физико-механических свойств [11].

Полотняное переплетение технических тканей является одним из наиболее простых и распространенных. Технические ткани полотняного переплетения имеют ровную матовую поверхность и одинаковый внешний вид лицевой и изнаночной сторон. При большой разнице в линейной плотности основной и уточной пряжи в ткани полотняного переплетения образуются продольные или поперечные рубчики [12].

Кордные технические ткани для изготовления шин имеют чаще всего полотняное переплетение с основой из крученых кордных нитей различной линейной плотности (обычно используются нити в интервале линейных плотностей 125-500 текс) и очень редким утком из тонких нитей (около 15-25 текс). Такая конструкция кордных тканей обуслов-

лена конструкцией каркаса шин, в котором механические напряжения должны действовать в направлении нитей основы [13].

Таким образом, при изучении свойств и видов кордной технической ткани было выявлено, что их эксплуатационные свойства определяются свойствами кордных нитей. Уток необходим лишь для того, чтобы основа технической ткани не распадалась в процессе производства шин. В производство все более прочно входят радиальные шины, которые все чаще имеют полотняное переплетение.

Литература

1. Особенности устройства шины автомобиля разных типов. Автомобильный информационный сайт: полезные статьи и новости о машинах[Электронный ресурс]. Режим доступа:http://365cars.ru/remon1/ustroystvo-sЫnyi-avtomobilya.html, свободный

2. Корд. Технический словарь. Том IV [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.ai08.org/index.php/term/,9da4ac975b545ba09f5 c525f56aea9589c56535c59649e61a86b5b63929da260666b5 3976b545da253a8975a549fad.xhtml, свободный

3. Б. Вульфхорст, ФукинВ.А., БузовБ.А., КостылеваВ.В. Глава 4 . Технический текстиль /Текстильные материалы. Производство и строение: учебник// Б. Вульфхорст, В.А. Фукин, Б.А. Бузов, В.В. Костылева. М: ИИЦ МГДТ, 2002. - 300 с.

4. Шмурак И.Л. Шинный корд и технология его обработки / И.Л.Шмурак - М.: Легпромбытиздат, 2007. - 220 с.

5. Шины с металлокордом. Волшебство науки [Электронный ресурс]. Режим доступа:http://magic-sci.ru/avtodrom/shiny-metallokord, свободный.

6. Семенченко Г.В. Свойства текстильных изделий: учебное пособие / Г.В. Семенченко. - Димитровград: ДИТУД УлГТУ, 2009. - 42 с.

7. Кнунянц И.Л. Химическая энциклопедия. Т.3.- М.: изд-во «Большая Российская Энциклопедия», 1992. -639 с.

8. Гарцева Л.А. Химическая технология текстильных материалов: учеб. пособие / Л.А. Гарцева, В.В. Васильев. - Рязань: филиал ИГТА, 2004. - 124 с.

9. Лепетов В.А. Резиновые технические изделия. - 3-е изд. испр. / В.А. Лепетов. - Л.: Химия, 1976. - 440 с.

10. Кошелев Ф.Ф. Общая технология резины / Ф.Ф. Ко-шелев, А.Е. Корнеев, А.М. Буканов - М.: Химия, 1978. -528 с.

11. Гордеев В.А. Ткацкие переплетения и анализ тканей: учеб. для проф.-техн. училищ / В. А. Гордеев. - М.: Легкая индустрия, 1969. - 116 с.

12. Ефремов Д.Е. Теория переплетений. Часть 1. Главные и производные переплетения: метод. указ. / Д.Е. Ефремов. - Иваново, ИГТА, 2007. - 33 с.

13. Корд. Кордная ткань [Электронный ресурс]. - Режим доступа:

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D1%80 %D00/oB4_(%D0%BA%D0%BE%D0%BD%D1%81%D1% 82%D1%80%D1%83%D0%BA%D1%82%D0%B8%D0% B2), свободный.

© В. В. Иевлева - асп. каф. дизайна КНИТУ, dtheyxbr_83@mail.ru; В. В. Хамматова - д.т.н., проф., зав. каф. дизайна КНИТУ, venerabb@mail.ru.

© V. V. Ievleva - graduate student of the Department of design, Institute of technology of light industry of fashion and design, Kazan national research technological University, dtheyxbr_83@mail.ru; V. V. Khammatova - doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Design, Institute of technology of light industry of fashion and design, Kazan national research technological University, venerabb@mail.ru.