Назначение, классификация и устройство шин

Шины оказывают большое влияние на многие эксплуатацион­ные свойства автомобиля: тягово-скоростные, тормозные, топливную экономичность, проходимость, устойчивость, управляемость, поворачиваемость, плавность хода и безопасность движения. Шины являются одной из наиболее важных и дорогостоящих частей автомобиля. Так, стоимость комплекта шин составляет значительную часть первоначальной стоимости автомобиля, а в про­цессе эксплуатации из общих расходов примерно 10... 15 % приходится на расходы по восстановлению шин.

К шинам, как наиболее ответственным частям автомобиля, кро­ме общих требований, предъявляются специаль­ные дополнительные требования, в соответствии с которыми шины должны иметь: минимальное сопротивление качению; надежное сцепление с дорогой; низкую удельную нагрузку в месте контакта с дорогой; максимально возможное сопротивление боковому уводу; минимальные массу и момент инерции; высокие упругие свойства, способствующие повышению плавности хода; высокую герметичность (надежно удерживать сжатый воздух); статическую и динамическую уравновешенность; минимальное биение, соответствующее допустимым пределам; минимально допустимый уровень шума при движении авто­мобиля; рисунок протектора, соответствующий дорожным условиям эксплуатации; высокую самоочищаемость протектора на деформируемых дорогах; высокую прочность, износостойкость, долговечность и противостояние проколам и другим видам повреждении; достаточную ремонтопригодность (в том числе быть удобны­ми при монтаже и демонтаже).

Значения указанных требований неодинаковы для шин авто­мобилей различных типов и назначения, что объясняется боль­шим разнообразием конструкций и размеров существующих шин.

Камерная шина состоит из по­крышки, камеры и ободной ленты (в шинах легковых авто­мобилей ободная лента отсутствует).

Покрышка шины воспринимает давление сжатого воздуха, на­ходящегося в камере, предохраняет камеру от повреждений и обес­печивает сцепление колеса с дорогой. Покрышки шин изготавли­вают из резины и специальной ткани – корда. Резина для произ­водства покрышек состоит из каучука, к которому добавляют серу, сажу, смолу, мел, переработанную старую рези­ну и другие примеси и наполнители. Покрышка состоит из про­тектора, подушечного слоя (брекера), каркаса, боковин и бортовс сердечниками. Каркас является основой покрышки. Он соединяет все ее части в одно целое и придает покрышке не­обходимую жесткость, обладая высокой эластичностью и проч­ностью. Каркас покрышки выполнен из нескольких слоев корда толщиной 1,0... 1,5 мм. Число слоев корда составляет обычно 4...6 для шин легковых автомобилей.

Корд представляет собой специальную 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 может применяться хлопчатобумажный, вискозный, капроновый, перлоновый, нейлоновый и металлический корд. Протектор обеспечивает сцепление шины с дорогой и предох­раняет каркас от повреждения. Его изготавливают из прочной, твердой, износостойкой резины. В нем различают расчлененную часть (рисунок) и подканавочный слой. Ширина протектора составляет 0,7...0,8 ширины профиля шины, а толщина - пример­но 10...20 мм у шин легковых и 15...30 мм у шин грузовых авто­мобилей. Рисунок протектора зависит от типа и назначения шины. Подушечный слой (брекер) связывает протектор с каркасом и предохраняет каркас от толчков и ударов, воспринимаемых протектором от неровностей дороги. Он обычно состоит из несколь­ких слоев корда. Толщина подушечного слоя равна 3...7 мм. У шин легковых автомобилей подушечный слой иногда отсут­ствует. Подушечный слой работает в наиболее напряженных температурных условиях по сравнению с другими элементами шины (до 110... 120 °С). Боковины предохраняют каркас от повреждения и действия влаги. Их обычно изготавливают из протекторной резины толщи­ной 1,5...3,5 мм. Борта надежно укрепляют покрышку на ободе. Снаружи борта имеют один-два слоя прорезиненной ленты, предохраняющей их от истирания об обод и от повреждений при монтаже и демонта­же шины. Внутри бортов заделаны стальные проволочные сердеч­ники. Они увеличивают прочность бортов, предохраняют их от растягивания и предотвращают соскакивание шины с обода коле­са. Шина с поврежденным сердечником непригодна для эксплуа­тации. Камера удерживает сжатый воздух внутри шины. Она представ­ляет собой эластичную резиновую оболочку в виде замкнутой трубы. Для плотной посадки (без складок) внутри шины размеры каме­ры несколько меньше, чем внутренняя полость покрышки. Толщина стенки камеры обычно составляет 1,5...2,5 мм для шин лег­ковых автомобилей. На наружной поверхности камеры делаются радиальные риски, которые способствуют отводу наружу воздуха, остающегося между камерой и покрышкой после монтажа шины. Камеры изготавливают из высокопрочной резины. Для накачивания и выпуска воздуха камера имеет специаль­ный клапан-вентиль. Он позволяет нагнетать воздух внутрь ка­меры и автоматически закрывает его выход из камеры.

Бескамерная шина не имеет камеры. По устройству она близка к покрышке камерной шины и по внешнему виду почти не отличается от нее. Особенностью бескамерной шины является наличие на ее внутренней поверхности герметизирующего воздухонепроницаемого резинового слоятолщиной 1,5...3,0 мм, который удерживает сжатый воздух внутри шины. На бортах шины имеется уплотняющий резиновый слой, обеспечивающий необходимую герметичность в местах соединения бортов и обода колеса. Материал каркаса бескамерной шины также характеризуется высокой воздухонепроницаемостью, так как для него используют вискозный, капроновый или нейлоновый корд. Посадочный диаметр бескамерной шины уменьшен, она мон­тируется на герметичный обод. Вентиль шины посредством гайки с шайбой герметично закреплен на двух резиновых уплотняющих шайбах непосредственно в ободе колеса. Бескамерные шины по сравнению с камерными повышают безопасность движения, легко ремонтируются, во время работы меньше нагреваются, более долговечны, проще по конструкции, имеют меньшую массу. Повышение безопасности движения объясняется меньшей чув­ствительностью бескамерных шин к проколам и другим повреждениям. При повреждении камерной шины камера не охватывает прокалывающий предмет, так как находится в растянутом состо­янии. Воздух через образовавшееся отверстие поступает внутрь покрышки и свободно выходит через неплотности между ее бортами и ободом колеса. При повреждениях бескамерной шины про­калывающий предмет плотно охватывается нерастянутым герметизирующим слоем резины, и воздух выходит из шины очень мед­ленно. В результате обеспечивается возможность остановки авто­мобиля. В некоторых случаях, когда проколовший предмет остался в шине, воздух из нее вообще не выходит. Легкость ремонта бескамерных шин объясняется тем, что мно­гие повреждения могут быть устранены без снятия шин с колес, что важно в дорожных условиях. При ремонте в место повреждения вводят посредством специальной иглы уплотнительные пробки. Меньший нагрев бескамерных шин объясняется лучшим отво­дом теплоты через обод колеса, который не закрыт камерой, и отсутствием трения между покрышкой и камерой, которое имеется у обычных шин. Улучшение теплового режима является од­ной из причин повышенной долговечности бескамерных шин, срок службы которых на 10...20%больше, чем у камерных. Однако, стоимость бескамерных шин более высокая, чем ка­мерных. Такие шины требуют специальных ободьев, а монтаж и демонтаж их более сложны, для выполнения этих операций нуж­ны специальные приспособления и устройства.

Рисунки протектора шин.Большое влияние на движение авто­мобиля оказывает рисунок протектора шин. Шины могут иметь различные типы рисунка протектора в зависимости от назначе­ния и типа автомобилей, для которых предназначены шины, а также от условии их эксплуатации. Наиболее распространенными являются следующие рисунки протектора:

- дорожный рисунок протектораимеют шины, пред­назначенные для работы на дорогах с твердым покрытием. Он обыч­но представляет собой продольные зигзагообразные ребра и ка­навки. Рисунок такого типа придает протектору высокую износо­стойкость, обеспечивает бесшумность работы шины и достаточ­ную сопротивляемость заносу.

- шины с направленным рисунком протектора лучше отводят воду и грязь из места контакта их с дорогой, чем шины с обыч­ным дорожным рисунком. Эти шины менее шумны. Однако рису­нок запасного колеса при его установке совпадает по направле­нию вращения только с колесами одной стороны автомобиля. Временная установка его против указанного направления враще­ния допустима только при условии движения с меньшими скоро­стями.

- шины с асимметричным рисунком протектора хорошо рабо­тают в различных условиях эксплуатации. Так, наружная сторона шин лучше работает на твердой дороге при положительной тем­пературе, а внутренняя — в зимних условиях при пониженной температуре.

- универсальный рисунок протектораиспользуется для шин автомобилей, эксплуатируемых на дорогах смешанного типа (с твердым покрытием и грунтовых). Протектор с таким рисунком имеет мелкую насечку в центральной части и более крупную - в боковой. При движении по плохим дорогам боковые выступы входят в зацеп­ление с грунтом, в результате чего улучшается проходимость. Одна­ко при таком рисунке протектора повышается его изнашивание во время движения по сухим твердым дорогам. Рисунок обеспечивает хорошее сцепление на фунтовых дорогах, а также на мокрых, гряз­ных и заснеженных дорогах с твердым покрытием. Универсальный рисунок протектора также называется всесезонным, а шины с универсальным рисунком – всесезонными.

- рисунок повышенной проходимостиимеют шины, работающие в тяжелых дорожных условиях и в условиях бездорожья. Он характеризуется высокими грунтозацепами. Протектор с таким рисунком обеспечивает хорошее сцепление с грунтом и хорошее самоочищение колес от грязи и снега, защемляемых между грун­тозацепами. При движении по дорогам с твердым покрытием ускоряется изнашивание шин с этим рисунком протектора, возрастает шум, ухудшается плавность хода и устойчивость автомобиля.

- карьерный рисунок протектораимеют шины, пред­назначенные для работы в карьерах, на лесозаготовках и т.п. Этот рисунок аналогичен рисунку повышенной проходимости, но имеет более широкие выступы и более узкие канавки. Выступы выпол­няются массивными, широкими в основании и суживающимися к верху. Карьерный рисунок протектора обеспечивает высокое сопротивление шины механическим повреждениям и изнашива­нию.

- зимний рисунокпредназначен для шин, эксплуа­тируемых на заснеженных и обледенелых дорогах. Он состоит из отдельных резиновых блоков угловатой формы, расчлененных над­резами, и достаточно широких и глубоких канавок. Площадь выс­тупов зимнего рисунка составляет примерно 60...70% площади беговой дорожки протектора. Протектор с зимним рисунком обладает хорошей самоочищаемостью и интенсивным отводом вла­ги и грязи из зоны контакта. При движении по сухим дорогам с твердым покрытием, особенно в летнее время, шины с зимним рисунком протектора ускоренно изнашиваются, имеют значитель­ное сопротивление качению и большую шумность. Эти шины до­пускают движение с максимальными скоростями на 15... 35% ниже, чем обычные шины. Зимний рисунок протектора обеспечивает возможность уста­новки шипов противоскольжения для повышения безопасности движения на обледенелых и укатанных заснеженных дорогах. С этой целью в протекторе шины делают гнезда для шипов. Ошипованные шины повышают сцепление колес на скользких и обледене­лых дорогах, на 40...50 % сокращают тормозной путь, значитель­но повышают безопасность криволинейного движения и сопро­тивление заносу. Ошипованные шины должны устанавливаться на всех колесах автомобиля. Частичная установка их на автомобиле приводит к нарушению безопасности движения. Давление в ши­нах с шипами на 0,02 МПа больше, чем в обычных шинах. Длина шипов зависит от толщины протектора шин и составля­ет 10 мм и более. Число шипов, устанавливаемых в шине, зависит от массы ав­томобиля, мощности двигателя и условий эксплуатации. В месте контакта шины с дорогой должно быть 8... 12 шипов. Наибольшая эффективность достигается, если длина выступающей части ши­пов составляет 1,0... 1,5 мм для легковых шин.

Шины различного профиля.Применяемые на автомобилях шины могут иметь различный по форме профиль:

- шины обычного профиля(тороидные) выполняются камерными и бескамерными. Их профиль близок к окружности. Отношение высоты И профиля шины к его ширине В более 0,9. Тороидные шины являются наиболее распространенными. Их устанавливают на легковых и грузовых автомобилях, автобусах, прицепах и полу­прицепах, т. е. на автомобилях, эксплуатируемых преимуществен­но на благоустроенных дорогах.

- широкопрофильные шиныимеют профиль овальной формы, отношение Н/В = 0,6...0,9 и могут быть камерными и бескамерными. Они работают как с постоянным, так с переменным давлением воздуха и выполняются с одной или двумя вы­пуклыми беговыми дорожками. Нормальное внутреннее давление воздуха для широкопрофильных шин примерно в 1,5 раза ниже, чем для обычных шин. Широкопрофильные шины с регулируе­мым давлением и одной беговой дорожкой применяются на авто­мобилях для повышения их проходимости, а с постоянным дав­лением и двумя беговыми дорожками на автомобилях ограниченной проходимости для замены обычных шин сдвоенных зад­них колес, при этом достигается экономия расхода материалов на 10...20 % и уменьшение массы колес на 10... 15 %. По сравнению с обычными шинами широкопрофильные имеют повышенную гру­зоподъемность и пониженное сопротивление качению. Они улуч­шают управляемость, устойчивость и повышают проходимость автомобиля, уменьшают расход топлива. Недостатком широкопро­фильных шин является необходимость использования на одном автомобиле двух типов шин (обычных и широкопрофильных) и соответственно двух запасных колес (для переднего и заднего мо­стов) в тех случаях, когда они устанавливаются на сдвоенные зад­ние колеса вместо обычных шин.

- низкопрофильные шины имеют Н/В = 0,70...0,88, а у сверхнизкопрофильных шин Н/В не превышает 0,7. Оба типа шин име­ют пониженную высоту профиля, что повышает устойчивость и управляемость автомобиля. Низкопрофильные и сверхнизкопрофильные шины предназначены главным образом для легковых ав­томобилей и автобусов.

- арочные шиныимеют профиль в виде арки пере­менной кривизны с низким мощными бортами, Н/В - 0,35...0,50. Каркас шин прочный, тонкослойный, обладает малым сопротив­лением изгибу. Арочные шины выполняются бескамерными. Внут­реннее давление воздуха составляет 0,05... 0,15 МПа. Ширина про­филя у арочных шин в 2,5 — 3,5 раза больше, чем у обычных шин, а радиальная деформация выше в 2 раза. Рисунок протектора — повышенной проходимости с мощными расчлененными грунтозацепами эвольвентной формы почти на всю ширину профиля шины. Высота грунтозацепов составляет 35...40 мм, а шаг между ними 100...250 мм. В средней части рисунка протектора по окружности шины находится специальный пояс, состоящий из одного или двух рядов расчлененных грунтозацепов. Пояс предназначен для уменьшения изнашивания протектора шины при движении по дорогам с твердым покрытием. Широкий профиль с высокими грунтозацепами, пластичность шины и низкое давление воздуха обеспечивают большую площадь контакта шины с опорной по­верхностью, малые удельные давления, небольшое сопротивле­ние качению и возможность реализации большой тяговой силы на мягких грунтах. При качении по мягкому грунту арочные шины интенсивно уплотняют грунт в направлении к центру контакта шин с опорной поверхностью. Вследствие этого значительно по­вышается проходимость автомобиля в условиях бездорожья (по размокшим грунтам, заснеженным дорогам и т. п.). Арочные шины используют как сезонное средство повышения проходимости ав­томобилей. Их устанавливают вместо обычных шин сдвоенных зад­них колес на специальном ободе. Арочные шины по сравнению с обычными имеют более высокую стоимость, повышенный износ протектора на дорогах с твер­дым покрытием, их монтаж и демонтаж более сложный.

- пневмокаткипредставляют собой высокоэластичные оболочки бочкообразной формы. Они имеют П-образный профиль, ширина которого составляет 1...2 наружного диаметра пневмокатка, а отношение Н/В= 0,25...0,40. Протектор снабжен невысокими, редко расположенными грунтозацепами, которые наряду с основным своим назначением повышают также проч­ность пневмокатка и обеспечивают сохранность (устойчивость) его формы. Эластичность пневмокатков в 3 – 4 раза выше, чем у обычных, и в 1,5 – 2 раза выше, чем у арочных шин. Пневмокатки изготавливают бескамерными. Внутреннее давление воздуха в них 0,01... 0,05 МПа. Высокая эластичность и малое внутреннее давле­ние воздуха обеспечивают пневмокатками очень низкие давления на грунт, хорошую приспособляемость к дорожным условиям и высокую сопротивляемость к проколам и повреждениям. В случае прокола воздух из пневмокатка выходит очень медленно из-за незначительного внутреннего давления. Однако пневмокатки из-за низкого давления воздуха в них при достаточно больших размерах имеют относительно малую грузоподъемность. Значитель­ная ширина и малая грузоподъемность пневмокатков ограничива­ют их применение на автомобилях. Кроме того, на ровных дорогах с твердым покрытием пневмокатки имеют относительно низкий срок службы. Пневмокатки предназначены для автомобилей, работающих в особо тяжелых условиях. Их монтируют на ободьях специальной конструкции. Автомобили с пневмокатками могут двигаться по снежной целине, сыпучим пескам, заболоченной местности и т.п.

- крупногабаритные шиныимеют ширину профиля 350 мм и бо­лее, независимую от посадочного диаметра. Эти шины имеют тонкослоиныи каркас и эластичный протектор с сравнительно не­глубоким рисунком протектора. Они выпускаются бескамерными. Наружный диаметр крупногабаритных шин достигает 2...3 м и более. Давление воздуха в шинах очень низкое (0,020...0,035 МПа) и регулируется водителем. Крупногабаритные шины имеют боль­шую площадь опоры на грунт и предназначены для работы в осо­бо тяжелых условиях — по пескам, болотам, снежной целине, неровной местности.

Шины с регулируемым давлением могут быть камерными и бескамерными. По сравнению с обычными шинами, они имеют увеличенную шири­ну профиля (на 25...40%), меньшее число слоев корда каркаса (в 1,5 – 2 раза) и мягкие резиновые прослойки между слоями кор­да, увеличенную площадь опоры на грунт (в 2 – 4 раза при сниже­нии давления), меньшее удельное давление на грунт, хорошее сцепление с ним и большую эластичность. Протектор шин также отличается повышенной эластичностью и имеет специальный ри­сунок с крупными, широко расставленными грунтозацепами, до­пускающий большие деформации. Высота грунтозацепов состав­ляет 15... 30 мм. Вентиль этих шин не имеет золотника. Такие шины могут работать с переменным давлением воздуха 0,05...0,35 МПа, значение которого выбирается водителем в соответствии с до­рожными условиями. Давление воздуха в шинах регулируют с по­мощью специального оборудования, установленного на автомо­биле, которое позволяет не только поддерживать в шинах требуе­мое давление в зависимости от условий эксплуатации, но и не­прерывно подавать воздух в шины при проколах и мелких повреж­дениях. Шины с регулируемым давлением предназначены для работы на дорогах всех категории во всех климатических зонах страны при температурах от -60 до +55 °С. При прохождении тяжелых уча­стков пути (заболоченная местность, снежная целина, сыпучие пески) давление воздуха в шинах снижают до минимума, а на дорогах с твердым покрытием доводят до максимального значе­ния. Шины с регулируемым давлением применяют на автомоби­лях высокой проходимости. В связи с тем, что они работают в более тяжелых условиях и при пониженных давлениях воздуха, срок их службы в 2—2,5 раза меньше, чем у обычных шин. Кроме того, эти шины имеют пониженную грузоподъемность по сравне­нию с обычными шинами того же размера.

Диагональные и радиальные шины имеют различную конструкцию каркаса:

- диагональные шиныимеют каркас, нити корда которого располагаются под углом 50...52° к оси колеса и перекрещиваются в смежных слоях. Нити корда подушечного слоя также расположены под некоторым углом к оси колеса. Каркас диагональных шин менее подвержен повреждению от ударов, по­резов и пр.

- радиальные шиныотличаются от диагональных шин расположением нитей корда в каркасе, формой профиля, слойностью, особенностями подушечного слоя, бортовой части, протектора и применяемыми материалами. Шины имеют радиальное расположение нитей корда, кото­рые идут параллельно друг другу от одного борта шины к другому. Число слоев корда в два раза меньше, чем у шин с диагональным расположением нитей корда. Подушечный слойизготовлен из металлического или вискозного корда. Высота профиля шин не­сколько сокращена, Н/В- 0,70...0,85. Шины бывают камерные и бескамерные. Радиальные шины по сравнению с шинами с диаго­нальным расположением нитей корда характеризуются большей грузоподъемностью (на 15...20%), большей радиальной эластич­ностью (на 30...35 %), меньшим сопротивлением качению (на 10 %), они меньше нагреваются (на 20... 30 °С). Такие шины лучше сглаживают микронеровности дороги, улучшают управляемость автомобиля, уменьшают расход топлива и обладают большей из­носостойкостью. Срок службы радиальных шин в 1,5 – 2 раза выше, пробег составляет 75... 80 тыс. км. Однако радиальные шины имеют высокую стоимость и повышенную боковую эластичность, что создает повышенный шум при качении по неровной дороге.

Размеры и маркировка шин.Размеры и маркировка шин про­ставлены на их боковой поверхности. Основными размерами шины являются ширина В и высота H профиля, посадочный d и наружный D диаметры.

Размер диагональных шин обозначается двумя числами в виде сочетания размеров В – d. Для выпускаемых отечественных шин принята дюймовая система обозначения, т.е. размеры Bud даются в дюймах (например 6,95 – 16).

Размер радиальных шин обозначается тремя числами и буквой R. Например, 175/70R13, где 175 – ширина профиля шины В в мм; 70 – отношение высоты H ширине профиля В в процентах; R – радиальная; 13 – посадочный диаметр d в дюймах.

Кроме размеров в маркировке шины указываются завод-изготовитель, модель шины, ее порядковый номер и другие данные. На шинах при необходимости наносят дополнительные обозначе­ния. Например, надпись «Tubeless» - для бескамерных шин; знак М + S – для шин с зимним рисунком протектора; буква Ш – у шин, предназначенных для ошиповки, и ряд других обозначений.