книги из ГПНТБ / Салтыков, А. В. Основы современной технологии автомобильных шин

Г л а в а 4

КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ШИН

Расчет прочности покрышек и определение их габаритных раз­ меров не входили в задачу автора. Поэтому ниже рассматриваются лишь некоторые практические приемы расчета шин и составление спецификаций, которые могут оказаться полезными для техно­ логов шинной промышленности. Систематизированное обобщение расчетных данных, необходимых для построения шины, читатель найдет в книге В. Л. Бидермана *, а также в сборнике трудов НИИШП**.

ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ШИНАМ

При конструировании любой шины исходят из требований, об­ условленных типом автомобиля и состоянием дорожного полотна, из требований, предъявляемых к прочности и экономичности шин, а также из требований к комфортабельности и безопасности дви­ жения.

Большинство требований, предъявляемых к различным типам шин, настолько несовместимы, что практически невозможно соз­ дать единую универсальную шину, пригодную для любых условий эксплуатации.

Конструкция, размеры, характер рисунка протектора пневма­ тической шины и материалы, используемые для ее изготовления, определяются прежде всего типом и назначением автомобиля, мощностью двигателя, нагрузкой на шину, скоростью движения и состоянием дорог. Одним из важных требований к шинам яв­ ляется уменьшение сопротивления качению; это особенно важно, так как шина относится к неподрессоренным частям автомобиля и

еемасса существенно влияет на экономичность машины. Конструктивные размеры шин находятся в прямой зависимости

от максимальной нагрузки, приходящейся на шину; диаметра обо­

384с.

**Труды НИИШП, М., Госхимиздат, 1957, сб, № 3, с, 196,

62

Нодвески; максимальной скорости. В основном для определений размеров шин пользуются таблицами справочников по шинам, ГОСТ и ТУ, устанавливающими ширину профиля надутой шины, диаметр и ширину обода, наружный диаметр надутой шины, ста­ тический радиус под нагрузкой, допустимые нагрузки, внутреннее давление и др. Такие таблицы составлены на основании эмпи­ рических формул, полученных в результате долголетнего изуче­ ния работы шин при допустимых деформациях. В специальной литературе приводятся формулы для расчета грузоподъемности шин.

Нормы допускаемых нагрузок на шины время от времени пе­ ресматриваются в связи с улучшением качества материалов, раз­ работкой более совершенных конструкций шин и ободов. Так, в 1955 г. применение уширенных ободов с коническими полками, улучшением качества материалов, использованием пропиточных составов на основе метилвинилпиридинового латекса и высоко­

Тенденция повышения грузоподъемности грузовых шин про­ должается и этот процесс нельзя считать установившимся. По европейским нормам для одинарных шин допускается повышение нагрузок на 10—14% без увеличения внутреннего давления, при­ чем давление в шинах несколько выше, чем это принято в США. С 1970 г. в США для одинарных шин так же как и в Европе допускается повышение нагрузки на 10—14% при одновременном увеличении внутреннего давления в последних на 0,7 кгс/см2. Од­ нако нагрузки, допускаемые на шины одного и того же типа, мо­ гут быть неодинаковыми не только в разных странах, но и для различных фирм внутри страны.

Изменения нагрузок на грузовые шины по годам и нормы на­ грузок, принятые в США и Западной Европе, выборочно приве­ дены в табл. 4.1.

Как видно из табл. 4.1, в Европе и США шины одного размера имеют две-три нормы слойности. В Европе шины второй нормы слойности называют усиленными, а третьей — экстра.

Норма слойности характеризует прочность шины, соответствую­ щую данной грузоподъемности. При расчете нормы слойности не­ обходимо учитывать вид корда, используемого для изготовления шины. Например, шина 7,50—20 первой нормы слойности имеет восемь слоев корда типа супер прочностью не менее 14 кгс/нить. Применение более прочного корда дает возможность уменьшить число слоев, при этом на покрышке проставляется маркировка Н. С. 8, означающая, что нагрузка на шину соответствует первой норме слойности. Для шин 7,50—20 второй и третьей норм слойности число слоев корда (супер) соответственно равно 10 и 12. Норма слойности при данной нагрузке на шину должна обес­ печивать нормальную работу каркаса и ремонтоспособность шины.

63

* Европейские нормы для шин экстра. ** Данные для 1959 г.

Нормы давления, принятые для шин второй и третьей нормы слойности, предусматривают их эксплуатацию на дорогах первой категории, преимущественно на бетонном основании. Это отно­ сится также к шинам третьей нормы слойности (экстра).

С 1969 г. в США понятие «норма слойности» для легковых и

грузовых шин заменено нормой грузоподъемности, обозначаемой буквами:

в СССР выпускаются шины первой, второй и третьей нормы слой­ ности. Грузоподъемность шин в СССР соответствует принятой в международной практике.

Для грузовых автомобилей, работающих на дорогах всех ка­ тегорий также для скоростных междугородных автобусов и дру­ гих машин, работающих при высоких скоростях, применяются шины первой нормы слойности (Н. С.). Шины второй и третьей нормы слойности рекомендуются для внутригородского транспорта, в частности для автобусов и троллейбусов, эксплуатируемых на дорогах с усовершенствованным капитальным покрытием.

КОНСТРУКТИВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ ШИН

Покрышки

Определение габаритных размеров. Габаритные размеры по­

в вулканизованной покрышке соответственно по короне надутой шины и по форме.

Для шин диагонального типа желательно иметь отрицательные значения ARH, т. е. необходимо, чтобы при надувке покрышка не увеличивалась по диаметру, иначе уменьшается сопротивление шины порезам, проколам и растрескиванию (по беговой дорожке протектора).

Ширина профиля надутой шины Вп определяется по формуле

Значение Вя находят по номограмме *. Расчет ведется по кон­ туру первого слоя покрышки или по средней линии каркаса.

Выбрав основные габаритные размеры шины в надутом со­ стоянии, переходят к определению размеров покрышки по вулка­ низационной форме и установлению размеров и соотношений отдельных элементов конструкции, которые должны обеспечить выполнение технических требований, предъявляемых к данной шине, и ее долговечность.

Под действием внутреннего давления шина принимает равно­ весную конфигурацию. Напряжения, возникающие при этом в эле­ ментах шины, в зависимости от того, как выполнен профиль по­ крышки в вулканизационной форме, могут улучшить или ухудшить ее рабочие характеристики.

Равновесная конфигурация надутой шины определяется с по­ мощью номограмм, разработанных В. Л. Бидерманом и Б. Л. Бухиным *.

Вычерчивание профиля общего вида покрышки по вулканиза­ ционной форме. После того как определены габаритные размеры шин в надутом состоянии и ее прочностные показатели, присту­ пают к вычерчиванию профиля покрышки по вулканизационной форме.

При различных отношениях параметров профиля в форме и при постоянной длине нитей корда в каркасе эксплуатационные характеристики составных элементов покрышки неодинаковы. Так, протектор шины с большим отношением Н/В по форме лучше сопротивляется истиранию, растрескиванию и механическим по­ вреждениям. Однако боковины таких покрышек работают в более жестком режиме и, кроме того, увеличиваются отслаивающие на­ пряжения по короне.

На практике при построении профиля покрышки по вулканиза­

66

ния, предельные значения которых для покрышек диагональной и радиальной конструкций приведены ниже:

Нижний предел отношения Н/В для диагональных и радиаль­ ных покрышек относится к широкоободным низкопрофильным ши­ нам, верхний — к легковым шинам диагональной конструкции, монтируемых на обычный обод. При построении профиля покрыш­ ки наиболее часто используют следующие отношения Н/В:

При конструировании шин типа Р также пользуются так на* зываемым коэффициентом опоясанности Кои-

где Но — высота профиля по внутреннему контуру надутой шины со снятым жестким брекерным поясом; Н' — высота профиля по внутреннему контуру наду­ той шины с жестким брекерным поясом.

Коэффициент опоясанности зависит от отношения Н/В и для грузовых шин принимается в пределах до 0,12.

Отношение раствора бортов к ширине профиля С/В для лег­ ковых шин диагональной и радиальной конструкций принимается равным 0,7—0,75; для грузовых шин диагональной конструкции

0,69—0,7, а радиальной — 0,7—0,73.

Отношения ширины беговой дорожки к ширине профиля по­ крышки Ь/В приведены ниже:

Отношение h/H обычно колеблется для легковых шин от 0,03 до 0,04, для грузовых — от 0,03 до 0,05. Следует отметить постоян­ но существующую тенденцию увеличения ширины беговой дорожки и уменьшения ее кривизны (h/H). Для покрышек с большим от­ ношением Н/В принимают и большее отношение Hi/H2. Для ра­ диальных покрышек, так же как и для диагональных, Н\/Н2 при­ нимают равным 0,8—0,9.

Раствор бортов покрышки С в вулканизационной форме реко­ мендуется принимать меньше ширины обода, на который она монтируется. Благодаря этому улучшается износостойкость ради­ альных и диагональных шин, увеличивается их боковая жест­ кость, а для диагональных — и сопротивление рисунка протектора растрескиванию. Кроме того, уменьшается высота самой вулкани­ зационной формы, ее материалоемкость и масса. При вулканиза­ ции покрышек с варочными камерами ширина сердечника и масса камер уменьшаются. Раствор бортов рекомендуется уменьшать не больше чем на 15—25 мм.

Бескамерные шины для облегчения их монтажа следует вы­ полнять с раствором бортов по ободу или после вулканизации ставить шину на распорки для расширения расстояния между бортами.

Выбрав отношения Н/В, Нх/Н2 и значения b, h, С по вулкани­ зационной форме, приступают к вычерчиванию общего вида по­ крышки. К этому моменту должен быть определен тип и харак­ тер рисунка протектора (описание и вид протекторных рисунков приведены на стр. 35—39). На чертеже наносят ось симметрии про­ филя, контур обода и линии, ограничивающие размеры профиля по высоте и ширине.

Вверх от основания борта откладывают значение Н и затем проводят горизонтальную ось профиля и очерчивают беговую до­ рожку протектора. При конструировании профиля протектора для уменьшения толщины массива резины по углу и сохранения рессорности беговой дорожки при малой кривизне протектора его края скругляют. Экспериментом было установлено, что с уменьшением кривизны протектора повышается продолжительность его службы. При использовании плоского протектора (без скругления краев) езда становится более жесткой, в плечевой зоне покрышки возни­ кают значительные напряжения, способствующие повышению теплообразования и преждевременному ее разрушению.

Далее вычерчивают борт покрышки. При конструировании борта покрышки следует обратить особенное внимание на его под­ гонку к ободу, так как при плохой подгонке борт разрушается.

Для облегчения выемки из формы основание борта грузовых покрышек, монтируемых на уширенные обода с коническими пол­ ками шириной 36 мм, должно иметь уклон ЗО7. Больший уклон за­ трудняет монтаж покрышки на плоские разборные обода с ко­ ническими полками.

При проектировании покрышек по вулканизационной форме следует учитывать, что после выемки из формы они имеют усадку

63

по наружному диаметру 0,75—1,0%, по ширине беговой дорожки 2—3%, по периметру профиля покрышки 1—1,5%, по глубине рисунка протектора 2—4%.

Распределение материалов в вулканизованной покрышке. После определения наружного контура вулканизованной покрышки со­ ставляют чертеж распределения материалов в ней. Для этого определяют тип и глубину рисунка протектора; толщину подканавочного слоя; число и толщину брекеров, слоев каркаса и рези­ новых прослоек; число бортовых колец, обеспечивающих проч­ ность борта; схему борта, при которой надежно закрепляются слои каркаса в борте, необходимое количество материала под кольцами; ширину борта и соответствующую зону его усиления. Чертеж распределения материалов необходим для расчета специ­ фикации. Спецификация служит основным документом для заго­ товки деталей и сборки покрышки; в ней указаны размеры и рас­ пределение деталей в невулканизованной (сырой) покрышке.

Для шин типа Р при составлении чертежа распределения ма­ териалов дается конфигурация покрышки для двух стадий сборки (см. гл. 9). Наружный диаметр поддутой шины на второй стадии сборки определяется с учетом вытяжки брекера при вулканизации на 2,5—4%. При этом зазор между сырой покрышкой и вулкани­ зационной формой должен быть 7—10 мм. Увеличение вытяжки брекера ведет к снижению работоспособности шин. Для вулкани­ зации шин типа Р рекомендуется применять секторные формы. Это позволяет уменьшить вытяжку брекера и исключить срыв ша­ шек при выемке из них шин типа Р. Главное достоинство сектор­ ных форм в том, что они позволяют получать более однородную шину, так как при вулканизации в этих формах наблюдается меньшее перемещение и перетекание материала. В результате понижаются вибрации, особенно на дорогах, имеющих неровности.

Для шин типа PC при расчете протекторных колец необходимо учитывать натяг на каркас и внутреннее давление в шине. Угол наклона нитей корда в протекторных кольцах колеблется от 70 до 90°. Сила, растягивающая протекторное кольцо, равна произ­ ведению среднего контактного давления под кольцом на его ра­ диус и ширину.

Контактное давление каркаса на кольцо можно определить по формулам, предложенным В. Л. Бидерманом *. Каркас шин типа PC рассчитывают так же, как и каркас шин типа Р. Размеры де­ талей покрышек и число слоев корда определяют следующим об­

разом.

Толщину протектора по короне АПр определяют в зависимости от расчетного пробега и показателей износа (истираемости) ре­ зины с учетом характера рисунка протектора.

Обычно глубину рисунка /грис протектора рассчитывают по дан­ ным, полученным в результате эксплуатации шин, т. е. с учетом того, что средний износ протектора на 1000 км пробега составляет

* См. ссылку на стр. 62.

69

0,2—0,4 мм для шин диагонального типа и 0,07—0,20 мм для шин типа Р.

Толщина подканавочного слоя Дш, составляет 25—60% глубины рисунка. Она зависит от типа рисунка и качества резино­ вой смеси.

Толщина боковины Дбок в зависимости от размера и типа шины составляет 1,5—5 мм и более.

Брекер. Брекер изготавливают из более тонкого корда, чем

металлокорд.

Усилие в нитях корда брекера для диагональных шин учиты­ вается при расчете каркаса. Число слоев брекера и частота нитей

где ро — максимальное внутреннее давление в шине; F — площадь поперечного се­ чения надутой шины по внутреннему контуру покрышки; R' — радиус равновес­ ного профиля боковины; Го — радиус в самом широком месте профиля покрышки.

70

Площадь сечения F (рис. 4.1) может быть измерена планимет­ ром по чертежу покрышки или рассчитана по формуле

В приближенных расчетах для грузовых шин общего назна­ чения F может быть определена следующим образом

1UF = В ' (0,8/?к - 0,2г0)

Каркас. Число слоев корда в каркасе или слойность покрышки зависит от размера шины, ее типа (Р, диагональная), внутрен­ него давления, прочности кордной нити и принимаемого условного запаса прочности покрышки К- Число слоев корда выбирают так, чтобы отношение * = К находилось в пределах значе­ ний, указанных ниже:

Для радиальных шин запас прочности каркаса несколько ниже, чем для диагональных. При указанных условных запасах проч­ ности каркаса шин обеспечивается надежность их работы без раз­ рыва каркаса при соблюдении правил и норм эксплуатации.

Для диагональных и радиальных шин усилия в нитях корда каркаса определяют по следующим формулам [см. формулу (1)].

Для диагональных шин

71