Думаю, многие, кто пытался разобраться в устройстве шины сталкивались с тем, что оно какое-то запутанное: корд, каркас, брекер, чефер, протектор, боковины, борта, крылья – часто всё смешано в одну кучу, и невозможно понять, что есть что и зачем нужно. Взгляните на схемы из интернета и убедитесь сами:
Хуже того, перечень составных частей шины меняется от источника к источнику, а одни и те же элементы в разных статьях имеют разные названия.
Разобраться в этом море противоречивой информации не просто, но мы обязательно справимся и разложим конструкцию шины "по полочкам". А поможет нам в этом ГОСТ 22374–77, в котором за каждым элементом шины закреплено официальное название, и книга А.В. Салтыкова "Основы современной технологии автомобильных шин" 1974 года.
Начнём с того, что чётко разграничим понятия шина и покрышка. Если коротко, то покрышка – это часть шины, которая помимо неё включает камеру и ободную ленту. Так что, строго говоря, сегодня мы будем говорить о конструкции покрышек. Однако если шина бескамерная, то она состоит только из покрышки, то есть по сути ей и является. В этом случае оба термина можно считать равнозначными.
Геометрия покрышки
Для начала разберёмся с называниями частей шины, не вникая в их внутреннее устройство. Чисто геометрически в покрышке выделяют следующие зоны:
Беговая дорожка располагается в зоне, которая в некоторых источниках называется короной, и непосредственно контактирует с опорной поверхностью.
Плечевой зоной (или сухарём*) называется переходный участок от беговой дорожки к зоне боковины, который время от времени подвергается воздействию со стороны дорожных неровностей и тоже должен иметь повышенную прочность.
*согласно ГОСТ 22374-77 название "сухарь" для плечевой зоны является недопустимым
Зону боковины также иногда называют зоной изгиба или просто боковиной*. Как следует из названия, эта часть покрышки располагается сбоку и работает преимущественно на изгиб, поэтому должна быть тонкой и эластичной. А вот к её износостойкости особых требований не предъявляется.
*вариант "боковина" считается правильным по ГОСТ 22374-77, но мы оставим его для детали, закрывающей эту зону, чтобы избежать не очень удачного термина "резина боковины"
В зоне усиления толщина стенки шины вновь начинает увеличиваться и достигает максимума в бортовой зоне, которую обычно называют просто бортом шины.
Борт обеспечивает плотную посадку шины на обод колеса, поэтому он делается прочным и жёстким. В борте выделяют три подзоны:
- Основанием борта называется часть борта покрышки, прилагающая к полке обода колеса.
- Пяткой борта называется наружная часть основания борта покрышки, прилегающая к закраине обода колеса.
- Носком борта называется внутренняя часть основания борта покрышки.
Конструкция покрышки
Теперь давайте разберёмся, как устроена шина изнутри.
Каркас
В основе конструкции лежит каркас – силовая часть покрышки, состоящая из нескольких слоёв прорезиненной кордной ткани. Эта ткань изготавливается из корда* – кручёной нити большой прочности.
*следует отметить, что сегодня под словом "корд" в зависимости от контекста может пониматься и кордная ткань, и даже каркас шины целиком.
Каркас придаёт шине прочность, гибкость и упругость. Он должен быть достаточно прочным и эластичным, чтобы выдержать сильные толчки и удары, а также многократные деформации от радиальных, боковых и касательных усилий, возникающих при качении шины.
Ткань для каркаса бывает двух типов: уточная и безуточная. Первая состоит из продольных нитей корда (основы), которые связаны между собой очень тонким и редким утко́м; вторая – только из нитей корда. В ранних шинах использовался хлопчатобумажный корд, затем стали применять вискозные, полиамидные и полиэфирные волокна, а также стекловолокно и металлокорд.
Кордную ткань обрезинивают, чтобы слои каракаса прочно соединялись между собой, а нити корда не перетирали друг друга. Кроме того, резина смягчает ударные нагрузки и воспринимает сдвиговые усилия.
Полотно прорезиненной кордной ткани раскраивается на отдельные полосы под определенным углом, так чтобы после сборки шины нити корда были направлены под углом к центральной плоскости вращения колеса. В зависимости от величины этого угла различают:
- диагональные шины, в которых корд направлен под углом 50-54°
- радиальные шины, в которых корд направлен под углом 90°
Впрочем, практически все современные шины имеют радиальную конструкцию.
Чтобы шину не "перекашивало" под нагрузкой, направление корда в соседних слоях каркаса делают противоположным, а количество слоёв – чётным. Конкретное значение зависит от материала корда, нагрузки на шину и внутреннего давления. В старых диагональных шинах оно могло доходить до 14, а современные радиальные шины иногда и вовсе обходятся одним слоем.
В многослойных покрышках в каркас добавляют дополнительные резиновые прослойки (сквиджи*), которые призваны компенсировать различия в деформации верхних и нижних слоёв каркаса и предохранить его от расслоения.
*согласно ГОСТ 22374-77 этот элемент официально называется "прослойкой каракаса", а термин "сквидж" запрещён
Бортовые крылья
Края корда каркаса оборачиваются вокруг бортовых крыльев, задача которых – обеспечить надёжную посадку шины на обод. В зависимости от размера покрышки и количества слоев корда в каркасе борт может содержать различное число крыльев. Обычно покрышки с каркасом из восьми слоев корда и менее имеют в борте одно крыло.
Бортовые кольца придают жёсткость и прочность бортам шины, поэтому их изготавливают из обрезиненной стальной ленты или проволоки.
В покрышках с двумя и более крыльями на наружную поверхность проволочных колец по всей окружности накладывают наполнительный шнур. Он нужен, чтобы в борте покрышки не образовывались провалы.
Чтобы наполнительный шнур не смещался, бортовое кольцо обертывают тонкой прорезиненной текстильной обёрточной лентой, а для лучшего закрепления крыла в борте его дополнительно обертывают широкой прорезиненной крыльевой лентой, которую также иногда называют флиппером*.
*согласно ГОСТ 22374-77 название "флиппер" считается недопустимым
Крыльевая лента может быть многослойной и размещается вокруг бортового кольца так, чтобы края её слоёв располагались ступеньками величиной 10-15 мм, образуя плавный переход от толстого борта к тонкой гибкой боковине в зоне усиления.
В отдельных случаях покрышки, с одним крылом в борте без наполнительного шнура, могут не иметь обёртки.
Брекер
Со стороны беговой дорожки на каркас надевается брекер. Он служит для предохранения каркаса от толчков и ударов, распределения по окружности тяговых и тормозных усилий, а также для упрочнения связи между неодинаковыми по жесткости резиновым протектором и резинотканевым каркасом. В брекере сосредотачиваются наибольшие напряжения, возникающие в покрышке, и развиваются наивысшие температуры.
Особенно важную роль брекер играет в радиальных шинах. Он должен быть достаточно жёстким, чтобы предохранять каркас от растяжения в окружном направлении и обеспечивать прочность и устойчивость шины на дороге.
Брекер для радиальных шин изготавливают из высокопрочного корда, нити которого располагаются под углом 10-20° к плоскости вращения колеса. Наиболее широкое применение для изготовления брекера находит металлокорд. Число слоёв корда в брекере может достигать четырёх.
Брекер диагональных шин может быть сделан из резины без корда. В этом случае его также называют подушечным слоем.
Протектор
Над брекером располагается подпротекторный слой, а затем и сам протектор, внешняя поверхность которого образует беговую дорожку и плечевые зоны.
Протектор непосредственно контактирует с опорной поверхностью, поэтому от него требуется высокое сопротивление истиранию, порезу, надрыву и растрескиванию, а также хорошее сцепление с поверхностями, для которых предназначена покрышка.
Хорошее сцепление на асфальте достигается, в основном за счёт коэффициента трения. Например, для специализированных гоночных шин решающее значение имеет химический состав резины протектора, а беговая дорожка при этом может быть абсолютно гладкой.
Однако у подавляющего большинства шин на поверхности протектора выполняются выступы, выемки и канавки, совокупность которых называется рисунком протектора. Он нужен для того, чтобы обеспечивать сцепление с мягкими грунтами и отводить воду из пятна контакта колеса с дорогой.
Редкие массивные выступы, ориентированные под углом к плоскости вращения колеса, называются грунтозацепами. Если отдельные выступы различной конфигурации расположены близко друг к другу, то их называют шашками. Непрерывные выступы, ориентированные в плоскости вращения колеса, называются рёбрами.
Канавками называются углубления в протекторе между ребрами, шашками или в массиве выступов. Канавки, выходящие за пределы зоны контакта шины с дорогой называются водоотводными. Узкие щелевые канавки с шириной в 5-10 раз меньшей, чем остальные канавки называются прорезями рисунка. Местные уменьшения глубины канавки называются полумостиками.
Прорези рисунка протектора нередко называют ламелями, хотя изначально это слово, наоборот, обозначало выступы протектора, разделённые прорезями (анологично мебельным ламелям). А в ГОСТ 22374-77 этого термина вовсе нет.
Для контроля за состоянием покрышки в протекторе делают индикаторы износа, которые выполняются в виде выступов по дну канавок или цветных элементов в массиве выступов.
По назначению различают следующие типы рисунка протектора:
- дорожный, состоящий из шашек или рёбер, разделенных канавками;
- универсальный, состоящий из шашек или ребер в центральной зоне беговой дорожки и грунтозацепов по краям;
- повышенной проходимости, состоящий из грунтозацепов, разделенных выемками;
- карьерный, состоящий из массивных выступов различной конфигурации, разделенных канавками;
- зимний, выступы которого имеют острые кромки.
Рисунок протектора называется симметричным, если он симметричен относительно центральной плоскости вращения колеса. В ином случае рисунок протектора называется асимметричным.
Если же рисунок протектора симметричен относительно радиальной плоскости колеса, то он называется ненаправленным, а в ином случае – направленным.
Для лучшего сцепления со льдом протектор зимних шин может иметь шипы.
Основание протектора (подканавочный слой) служит для амортизации толчков и ударов. Его толщина зависит от качества применяемых резин и обычно составляет 25–60% от глубины канавок рисунка протектора.
Протектор с толстым подканавочным слоем прочнее, но имеет большую массу и страдает от повышенного тепловыделения при плохой теплоотдаче, из-за чего в нём развиваются довольно высокие температуры, которые могут привести к отслоению протектора от брекера.
Тонкий подканавочный слой лучше отводит тепло и менее склонен к отслоению, однако при многократных деформациях он быстро растрескивается и скорее изнашивается.
Беговая дорожка протектора должна обладать главным образом высокой износостойкостью, а подканавочный слой – высокой эластичностью, поэтому в современных покрышках они изготавливаются из разной по составу резины.
Боковины, ободные ленты и герметизирующий слой
Боковиной называется наружное резиновое покрытие, которое накладывается на боковые стенки каркаса для предохранения его от механических повреждений и различных внешних воздействий (влага, грязь, и т. п.).
В отличие от протектора боковина не испытывает больших напряжений и не подвержена истиранию. В основном, боковина работает на изгиб. Поэтому она может иметь сравнительно малую толщину, однако резина должна хорошо переносить многократные деформации и иметь хорошее сопротивление световому и озонному старению.
Иногда боковину изготавливают заодно с протектором, но даже в этом случае для неё используют отдельный состав резины.
Исторически для изготовления боковин использовали резину с меньшим содержанием сажи, поэтому на старинных шинах боковины были белыми. Затем некоторое время белые или цветные боковины делали из эстетических соображений, однако с переходом на низкопрофильные шины эта мода ушла.
В зоне усиления боковина сменяется бортовой лентой. Она предназначена для защиты бортов шины от повреждения о закраины обода и обычно делается из прочной прорезиненной ткани квадратного переплетения, например, чефера.
Иногда чефером называют и саму бортовую ленту, но это неправильно.
В бескамерных шинах от бортовой ленты требуется повышенная герметичность, поэтому её называют уплотнительной. Уплотнительная бортовая лента может быть цельнорезиновой или изготавливаться из прорезиненного вискозного или капронового моноволокна. Иногда для предотвращения диффузии воздуха в каркас через борт применяется дополнительный резиновый барьер.
Аналогичные требования предъявляются и к герметичности внутренних стенок бескамерных шин, поэтому их покрывают герметизирующим слоем. Он нужен для того, чтобы воздух под давлением не проникал в каркас и не вызывал его расслоение.
Герметизирующий слой изготавливают из специальной эластичной и газонепроницаемой резины толщиной 0,5–2 мм, которая зависит от давления воздуха и состава резины. Для повышения газонепроницаемости герметизирующий слой часто делают из нескольких тонких листов резины.
В заключение немного о технологии
Напоследок, пожалуй, стоит сказать пару слов об изготовлении шин. Технология может очень сильно отличаться, но ориентировочно шины делают так:
- подготавливают резиновые смеси, клеи и смазки;
- изготавливают протектор (без рисунка), боковины, наполнительные шнуры и другие профилированные детали из резины;
- обрезинивают и раскраивают ткани для производства каркаса, брекера, а также обёрточных, крыльевых и бортовых лент;
- обрезинивают проволоку для бортовых колец и изготавливают крылья;
- изготавливают брекер;
- собирают "сырую шину" на специальной оснастке, соединяя детали клеем;
- шину помещают в горячую пресс-форму, где она приобретает почти окончательный вид, а резина вулканизируется;
- с шины обрезают облой и заусенцы, а при необходимости в протекторе делают прорези и устанавливают шипы.
В итоге покрышка приобретает привычный нам вид. А если мы её разрежем, то увидим, как все вышеперечисленные детали выглядят на самом деле:
Думаю, теперь Вы без труда сможете разглядеть здесь каркас, брекер и крылья с бортовыми кольцами.
Я же на этом прощаюсь с Вами до следующей статьи!
Ссылки:
- А.В. Салтыков, Основы современной технологии автомобильных шин
P.S. Если же Вам интересно, какой путь проделали колёса до появлению шин, рекомендую к прочтению две предыдущих статьи: