Конструктивные особенности и эксплуатационные свойства автомобильных шин

Автомобильное колесо, и шина в частности, является важным элементом, влияющим на основные эксплуатационные показатели автомобиля: динамичность, проходимость, безопасность, плавность хода и экономичность. Специфика автомобильной шины заключается в том, что она является продуктом другой отрасли, далекой от автомобилестроения. Для лучшего понимания процессов изменения эксплуатационных свойств автомобиля, инженер должен хорошо представлять не только устройство шины, но и технологию изготовления, существенно влияющую на свойства автомобильной шины.

Основными конструктивными элементами шины служат каркас из корда, бортовые кольца и резина с различным набором свойств, в зависимости от места ее расположения в шине. Материалом корда является кордовая ткань, состоящая из параллельно расположенных прочных нитей основы, переплетенных тонкими нитями утка. Нити основы могут быть вискозными, капроновыми, нейлоновыми и т. д. В качестве нитей может использоваться стальная проволока. Бортовые кольца на всех типах шин изготавливают из стальной проволоки, обеспечивающей надежное удержание шины на ободе.

Резина представляет собой смесь каучуков, вулканизирующих веществ (сера, селен и т. д.), веществ, ускоряющих вулканизацию (окись цинка, щелочь и т. д.), усилителей (сажа, каолин и т. д.), мягчителей (парафин, канифоль и др.), противостарителей. Всего в состав резины может входить более 20 наименований веществ, количество их определяется рецептурой резины, обеспечивающей получение определенных ее свойств.

Резина приготовляется механическим перемешиванием входящих в нее компонентов путем многократного пропускания через каскад шнеков и валков. Следует знать, что концентрация многих компонентов, сильно влияющих на свойства резины, не превышает одного процента.

Для воздухонепроницаемой резины используют особые виды каучука; после перемешивания смесь продавливается сквозь сито, очищающее резину от посторонних частичек, которые могут разрывать камеру или герметизирующий слой бескамерной шины.

Технология сборки шины существенно зависит от ее конструкции. Различают диагональные и радиальные шины. В радиальных шинах нити корда, проходя от одного борта до другого, располагаются в диаметральных плоскостях, т. е. имеют радиальное направление. В диагональных шинах нити корда образуют с диаметральной плоскостью угол порядка 50°. Каркас диагональной шины всегда имеет четное число слоев корда, послойно имеющих зеркальное направление нитей. Наложенные друг на друга нити корда в просвете образуют ромбы (рис. 2.46, а). Ромб является легкодеформируемой фигурой, что обеспечивает высокую эластичность шины. Однако пересекающиеся нити могут перетирать друг друга, и для повышения прочности приходится в каркас вводить много слоев корда. Это утяжеляет шину, увеличивает гистерезисные потери при деформации шины при ее качении, вызывает нагрев шины и увеличение коэффициента сопротивления качению.

Рис. 2.46. Расположение нитей корда в зоне беговой дорожки диагональной (а) и радиальной (б) шины

В радиальной шине нити каркаса не пересекаются друг с другом, поэтому боковина может быть тоньше. В коронной части шины (в зоне беговой дорожки) имеются пояса корда, нити которых расположены под углами, противоположными друг другу. При этом, как видно на рис. 2.46, б, склеенные нити корда образуют в просвете треугольник. В отличие от ромба, треугольник является «жесткой» фигурой, поэтому радиальная шина, оставаясь легкодеформируемой в радиальном направлении, имеет плохо деформируемую беговую дорожку под действием боковых сил. В силу всего этого, радиальная шина имеет гораздо больший коэффициент сопротивления боковому уводу, меньше нагревается при движении, имеет меньший коэффициент сопротивления качения. Однако технология изготовления радиальной шины существенно сложнее технологии изготовления шины диагональной.

Таким образом, делаем вывод: качество автомобильных шин зависит и от состава резины, и от тщательности сборки. Если слои корда будут состыкованы неаккуратно, если слои корда и резины плохо прикатаны, и между ними будет оставаться воздух или водяной конденсат (в цехе сборки обычно большая влажность из-за утечек пара, используемого для вулканизации), то долговечность шины будет низкой. Несмотря на то, что по индивидуальному номеру шины может быть установлен ее сборщик, который несет персональную ответственность за качество сборки, выпускаемые шины обычно имеют большой разброс по качеству и долговечности.

Под долговечностью автомобильных шин обычно понимают срок их службы и наработки до полного износа рисунка протектора или выхода из строя из-за разрывов каркаса и расслоений. Имеются данные, что по износу протектора выбывает из эксплуатации около 70 % шин, а по разрыву каркаса и другим эксплуатационным повреждениям — около 30 %.

Связь интенсивности износа шины и крутящего момента, воздействующего на колесо, выражается степенной зависимостью с показателем степени 2...3. Таким образом, ведущие колёса, при равных прочих условиях, изнашиваются быстрее, чем ведомые. Износ шин автомобиля тягача больше износа шин одиночного автомобиля. Тормозной момент сильнее сказывается на износе шин, поскольку при торможении трущиеся участки шины по времени находятся в контакте с дорогой дольше, чем при буксовании шины. Нагрев участков шины будет больше, а соответственно, и интенсивность износа выше.

Рис. 2.47. Зависимость срока службы Рис. 2.48. Зависимость срока службы шины от радиальной нагрузки шины от давления воздуха

На рис. 2.47, по данным разных авторов, испытывавших различные шины, усреднено представлена зависимость срока службы шины от радиальной нагрузки (в процентах превышения номинального значения нагрузки). Как следует из графика, превышение на 50 % нормальной нагрузки на колесо сокращает срок службы шины примерно вдвое.

Специфическим вариантом радиальной перегрузки шины являются динамические нагрузки вследствие дисбаланса колеса. Признаком несбалансированности колеса служит износ протектора шины. Дисбаланс колеса зависит как от самой шины, так и обода, и ступицы колеса.

Внутреннее давление воздуха в шине весьма существенно влияет на ее долговечность. Оптимальное значение давления воздуха устанавливается заводом-изготовителем на основании доводочных испытаний автомобиля с учетом требований управляемости, плавности хода и долговечности самой шины. Усреднено, характер влияния давления воздуха в шине на ее ресурс показан на рис. 2.48.

При снижении давления воздуха в шине увеличивается деформация каркаса и за счет гистерезисных потерь повышается температура шины при ее работе. Как следствие, снижается прочность шинных материалов, возможны расслоения, перетирания нитей корда. Износ протектора получается неравномерным (больше изнашивается плечевая зона шины).