• обозначения, указывающие на особые свойства шины. В частности, покрышки RunFlat (RSC – RunFlat System Component) позволяют некоторое время передвигаться с проколотым колесом. Кроме того, есть модели, обеспечивающие защиту обода диска. Как правило, такие шины используют производители автомобилей премиум-сегмента.
Материалы, применяемые для производства шин
Камерные и бескамерные шины изготавливают из резины, кордной технической ткани, металлокорда и проволоки, а камеры и ободные ленты – из резины. В подавляющем большинстве шины изготавливают из резины, основой которой является синтетический каучук (СК). Камеры производят также из резин на основе синтетического бутилкаучука, ободные ленты – на основе регенерата старых автомобильных покрышек.
Резину (вулканизат) получают вулканизацией резиновой смеси, представляющей собой механическую смесь каучука с различными органическими и неорганическими веществами. Основные компоненты резиновых смесей делят на следующие группы: каучуки и регенерат, вулканизирующие вещества, ускорители вулканизации, активаторы вулканизации, противостарители, пластификаторы (мягчители), активные и неактивные наполнители, красители. В зависимости от назначения изготавливают различные резиновые смеси: протекторную, каркасную, брекерную, камерную.
Натуральный каучук (НК) добывают из млечного сока каучукового дерева – гевеи, произрастающей в странах с тропическим климатом. Резиновые смеси на основе НК обладают хорошей клейкостью, когезионными, адгезионными и другими технологическими свойствами. Резины, содержащие НК, высокоэластичны, характеризуются небольшими гистерезисными потерями и низким теплообразованием при многократных деформациях, сохраняют прочность при высокой и низкой температурах. Они могут использоваться в различных климатических условиях.
Известно достаточное число групп СК, обладающих различными специфическими свойствами, которых не имеет натуральный каучук. Бутадиеновый каучук придает шинам высокую износостойкость и морозоустойчивость, поэтому его используют для производства протекторных резин. Бутадиенстирольные и бутадиенметилстирольные каучуки используют для изготовления камер, так как они обладают хорошей клейкостью.
Регенерат резины – пластичный продукт, получаемый в результате специальной обработки старых резиновых изделий (покрышек, камер) путем отделения резины от тканевых материалов. Регенерат применяют для некоторого уменьшения расхода каучука при изготовлении шин. Ободные ленты шин изготавливают полностью из регенерата.
Вулканизирующие вещества добавляют для осуществления процесса горячей вулканизации резиновой смеси, т. е. превращения ее в резину. Основным вулканизирующим веществом является сера, добавляемая в смесь в виде порошка от 1 до 4 % от массы каучука. Каучук служит растворителем серы. Сера в количестве 3,5 % растворяется в каучуке уже при 54 °С. В процессе вулканизации (при температуре 140–160 °С) сера взаимодействует с каучуком и смесь превращается в эластичную и твердую резину.
Ускорители вулканизации – вещества, присутствие которых в резиновой смеси сокращает время и понижает температуру вулканизации, а также улучшает такие физико-механические свойства резины, как сопротивление старению и истиранию. Действие ускорителей объясняется их влиянием на увеличение активности соединения серы с каучуком.
Активаторы вулканизации – окислы металлов цинка, магния и другие – активируют действие ускорителей и улучшают определенные свойства резины. Их вводят в резиновые смеси в количестве 2–5 % от массы каучука.
Замедлители подвулканизации – производные фталемида, бензойная кислота и ангидриды – предотвращают преждевременную подвулканизацию резиновых смесей при их изготовлении и переработке, а также увеличивают время до начала вулканизации. Их вводят в резиновые смеси в количестве 0,2 – 0,5 % от массы каучука.
Пластификаторы – жирные кислоты, воски, вазелиновое масло. Пластификаторы вводят в резиновые смеси для повышения их пластичности и мягкости, что необходимо для облегчения изготовления и обработки смесей. Их вносят в смеси в количестве 5–15 %.
Активным наполнителем (усилителем) является технический углерод – сажа, необходимая для повышения прочности и износостойкости резин. Применяют гранулированный активный технический углерод различных марок в количестве 30–60 % от массы каучука.
Красители вводят в резиновую смесь для окраски резины боковины шины. Применяют неорганические красители – двуокись титана, цинковые белила, сернистый цинк, окись хрома и др.
Также в шинном производстве используют синтетические латексы в пропиточных составах при обработке корда и тканей для повышения прочности их связей с резиной. В различных конструкциях шин используют технические ткани – корд, чефер, доместик и бязь, а также металлокорд и стальную проволоку.
Корд представляет собой ткань, состоящую из прочных толстых нитей двойного кручения с большей частотой на основе и из слабых тонких нитей одинарного кручения с малой частотой по утку. Корд является основной тканью, из которой изготавливают главную часть покрышки – каркас.
Чефер идет на изготовление крыльев и усилительных лент бортов покрышки, также его используют в качестве прокладочного материала. Доместик и бязь идут в качестве усилительных и оберточных лент в тех случаях, когда требуется малая толщина этих лент.
Масса текстильных материалов составляет примерно 10–20 % общей массы покрышки, стоимость – 25–30 % стоимости всех материалов, расходуемых на нее. Ткани для покрышек изготавливают из вискозного шелка, капрона, нейлона, тефлона.
Особое место в производстве шин занимает металлокорд, который служит для изготовления брекера радиальных шин, металлокордных бортовых лент, дополнительных крыльев, а также каркаса.
Металлокорд представляет собой трос, состоящий из стальных латунированных проволок диаметром 0,15–0,25 мм. Проволоку латунируют для создания необходимой прочности связи металлического корда с резиной. Первоначально металлический корд применялся преимущественно в брекере грузовых радиальных шин. В последние годы его стали применять в каркасе, что позволило улучшить качество и повысить производительность труда. В брекере легковых радиальных шин используют, как правило, два слоя тонкого металлического корда. По сравнению с текстильным он отличается высокой прочностью и малым удлинением, обладает высокой стойкостью к тепловому старению и обеспечивает повышенную износостойкость протектора.
Шины с металлическим кордом, благодаря его высокой прочности, работают даже при полном износе рисунка протектора. К недостаткам металлического корда относятся малая эластичность, низкая влагостойкость и высокая плотность материала, которая приводит к увеличению массы шины и создает трудности в обрезинивании и раскрое корда.
На изготовление бортовых колец легковых и грузовых шин идет стальная и латунированная проволока. Бортовые кольца крупногабаритных шин изготавливают из стальной латунированной ленты различного сечения. Проволоку латунируют для повышения прочности ее связи с резиной.
Колесные диски
В наиболее общем случае автомобильное колесо состоит из пневматической шины, обода и диска. Ободом автомобильного колеса называют часть колеса, на котором монтируют пневматическую шину. Ободья, как правило, состоят из трех основных компонентов: центральной цилиндрической части, полок и фланцев, называемых также закраинами обода (рис. 4, а).
Рис. 4. Автомобильный колесный диск: а – основные элементы конструкции диска; б – основные элементы неразборного обода; в – разборный трехкомпонентный обод; 1 – центральная цилиндрическая часть обода; 2 – полки обода; 3 – фланцы (закраины обода); 4 – диск колеса; 5 – цилиндрическая часть; 6 – резиновое кольцо; 7 – съемный фланец; 8 – пружинное запорное кольцо; α – угол наклона полки обода
Конструктивное исполнение и геометрические параметры ободьев определяются в первую очередь размером и типом шин, для которых они предназначены: для легковых, грузовых, авиационных или других, для камерной или бескамерной конструкции, для специальных, безопасных и т. д. Основными переменными параметрами ободьев при этом являются их посадочный диаметр, угол наклона полок и расстояние между закраинами (рис. 4, б). Конструкции ободьев внутри каждого типа колес унифицированы. Конкретные геометрические параметры – толщина обода, их радиусы скругления и другие образуют комплекс размеров и определяются изготовителями колес в зависимости от нагруженности.
Центральная цилиндрическая часть по своему профилю может быть плоской в сечении или иметь ручьевые углубления, облегчающие монтаж/демонтаж шин, что определяется типом и размером шин, которые должны монтироваться на ободе.
Фланцы (закраины) обода непосредственно взаимодействуют с бортами шины и воспринимают передаваемые ими усилия. Они ограничивают деформацию бортов шины и защищают их от внешних повреждений.
Полки обода служат опорой для подошвы борта шины. Они передают усилия и моменты между колесом и шиной, а также обеспечивают герметичность посадки шин бескамерной конструкции.
По своему конструктивному исполнению ободья могут быть разборными и неразборными. Разборные ободья имеют съемный фланец (закраину) и/или полку обода (рис. 4, в). В некоторых конструкциях съемный фланец выполняется единой деталью с полкой. Конструкцией таких ободьев предусматривается запорное устройство, в простейшем случае представляющее собой пружинное запорное кольцо, крепящееся в специальной проточке на цилиндрической центральной части обода. Если разборный обод применяется для бескамерной шины, то герметизация стыка осуществляется уплотнительным резиновым кольцом. Основным преимуществом разборной конструкции обода является простота операций монтажа/демонтажа шин, так как при этом не требуется деформировать борт шины. Особенно это свойство ценно для шин больших размеров высокой грузоподъемности.
К недостаткам этого типа ободьев относят трудность их надежной герметизации, а также необходимость повышенных требований безопасности при монтаже/демонтаже, поскольку пружинное запорное кольцо при неаккуратном обращении может нанести травму.
Кроме того, разборная конструкция обода имеет ограничение по надежности в эксплуатации, так как запорное кольцо при определенных условиях, например при потере давления шиной или по недосмотру шиномонтажника, может разблокироваться при движении автомобиля. Разборные ободья применяют в основном для камерных грузовых шин, крупногабаритных шин, сельскохозяйственной техники и некоторых других машин.
Ободья неразборной конструкции, в которых фланцы, полки и центральная часть выполнены единой деталью, являются лучшим решением для бескамерных шин, поскольку целостность изделия автоматически обеспечивает его герметичность.
При выборе колесных дисков для монтажа взаимозаменяемых шин необходимо учитывать, что посадочный диаметр обода колеса должен соответствовать монтажному диаметру шины. Ширина обода должна быть на 25–30 % меньше ширины профиля шины. Допускается отклонение ширины обода колеса от указанной расчетной величины в сторону увеличения до 1 дюйма, уменьшения – до 0,5 дюйма. Однако в каждом конкретном случае следует придерживаться рекомендаций изготовителя автомобиля по выбору колес и шин, изложенных в руководстве по эксплуатации этого автомобиля. Соответствие ширины профиля шины посадочным размерам обода колеса приведено в таблице 4 Приложения.
Из-за такой существенной разницы в диаметрах при монтаже/демонтаже шины на неразборный обод ее борта приходится деформировать. Для того чтобы уменьшить эту деформацию и снизить вероятность повреждения шины, закраины неразборного обода имеют относительно небольшой диаметр, а центральная часть выполняется с глубоким ручьем. Уже продетый через закраину первый борт покрышки свободно размещается внутри ручья, и обработка второго борта облегчается. Для удобства монтажа широкопрофильных шин ручей обода может быть смещен к одной из закраин. Такой обод называют глубоким и асимметричным.
Камерные легковые шины обычно монтируют на те же ободья, что и бескамерные. Такая унификация возможна, поскольку конструкция борта у обоих типов легковых шин близка по наполнению, жесткости и геометрическим параметрам. Конструкции борта грузовых шин в камерном и бескамерном исполнении существенно отличаются друг от друга. С точки зрения применения обода, наиболее существенным отличием является разница в посадочных диаметрах. Например, посадочный диаметр обычных среднегрузовых камерных шин приблизительно равен 20 дюймам (508 мм), а соответствующие им бескамерные шины имеют посадочный диаметр 22,5 дюйма (571,5 мм). Посадочные диаметры ободьев соответствуют этим размерам.
Обод и смонтированная на нем шина не должны прокручиваться друг относительно друга в процессе эксплуатации. Иными словами, крутящий момент, подводящийся к автомобильному колесу, должен без потерь передаваться шине. Выполнение этого условия обеспечивают в первую очередь созданием достаточной силы трения в контакте между подошвой борта шины и полкой обода. Для этого посадку шины на обод осуществляют с натягом за счет разницы в диаметрах и геометрии (углов наклона) между бортом шины и полкой обода. Таким образом, величина натяга задается конструкцией бортовой зоны шины с учетом параметров полки обода и может несколько отличаться для разных моделей и типоразмеров шин в зависимости от их нагруженности и условий эксплуатации, для которых они предназначены. Величина натяга бортов камерных шин на посадочных полках обода составляет 0,75–1,0 мм на диаметр, а бескамерных – 1,2–1,5 мм.
Ободья могут иметь плоские или конические полки. Угол наклона α конических полок ободьев составляет 5° ± 1°, что создает необходимую надежность посадки и обеспечивает герметичность колеса в сборе с бескамерной шиной. Выпускаются также ободья с углом наклона полок 10° и 15°. Больший угол наклона облегчает посадку шины на обод. Полки обода с углом 5° делают для шин общего назначения, 10° – для арочных шин и пневмокатков, 15° в сочетании с глубокими ободьями – для бескамерных шин.
По способу крепления на автомобиле колеса могут быть дисковыми или бездисковыми. Колесо называется бездисковым, если диски, спицы или другие крепежные элементы, осуществляющие посадку, центрирование и крепление обода к ступице автомобиля, не составляют единое целое с ободом, а являются элементами ступицы колеса. Бездисковые колеса применяются, как правило, на грузовых автомобилях, автобусах, прицепах различного назначения и сельскохозяйственной технике, поскольку бездисковая конструкция позволяет сдваивать колеса для машин большой грузоподъемности.
Дисковые колеса, как это следует из их названия, крепятся к ступице автомобиля с помощью диска. Диск приваривается к ободу либо образует с ободом единую деталь, изготовленную методами литья или формования. На всех легковых и большинстве грузовых автомобилей устанавливают дисковые колеса.
Дисковые колеса различаются вылетом обода. Значение вылета определяется взаимным расположением привалочной плоскости (плоскости крепления диска к ступице) и плоскости симметрии, которая делит обод пополам (рис. 5). Этот параметр колеса входит в комплекс конструктивных параметров ходовой части автомобиля, обеспечивающих его оптимальную устойчивость и управляемость, наименьшую нагрузку на подшипники ступиц колес и подвеску. Вылет обычно обозначается буквами "ЕТ", "е" или словом "offset" и измеряется в миллиметрах.