Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор. 6
1.1. Средства обеспечения кратковременного устойчивого движения автомобиля 6
1.1.1. Шины с эластичными наполнителями внутри полости. 6
1.1.2. Шины с резинометаллическими вставками. 8
Ы.З. Специальные многополостные шины . 9
1.1.4. Шины повышенной самогерметизации. 10
1.2. Конструкции безопасных шин, обеспечивающих длительное движение на поврежденной шине. 12
1.2.1 шина в шине. 12
1.2.2. Шины «самонесущей» конструкции 16
1.2.3. Системы «колесо-шина». 28
1.3. Обеспечение безопасности двжения автомобиля путем самогерметизации механических пробоев шин . 32
1.4. Обзор методов изготовления шин. 35
1.5. Обзор методов расчета напряженно-деформированного состояния радиальных шин. 46
Выводы по литературному обзору. 53
2. Объекты и методы исследования. 55
2.1. Объекты исследования. 55
2.2. Методы исследования. 59
3. Обоснование выбора кострукции безопасной шины. 62
3.1. Обоснование выбора упругого элемента. 62
3.2. Испытания макетных образцов безопасных шин типоразмера 3,5-10 . 65
4. Разработка экспериментальных образцов безопасных шин типоразмера 175/70r13. 72
4.1. Разработка модели и методики расчета безопасных шин,
способных работать без избыточного внутреннего давления. 72
4. 2. Разработка технологии изготовления экспериментальных
образцов безопасных шин типоразмера 175/70R13. 88
4.2.1. Разработка технологии изготовления экспериментальных образцов безопасных шин типоразмера 175/70R13 из полиуретановых эластомеров. 88
4.2.2. Разработка технологии изготовления экспериментальных образцов безопасных шин типоразмера 175/70R13 из традиционных резиновых смесей, применяемых в шинном производстве. 96
5. Сравнительные испытания разработанных экспериментальных образцов безопасных шин.
103
Выводы. 110
Список литературы.
- Специальные многополостные шины
- Обеспечение безопасности двжения автомобиля путем самогерметизации механических пробоев шин
- Испытания макетных образцов безопасных шин типоразмера 3,5-10
- Разработка технологии изготовления экспериментальных образцов безопасных шин типоразмера 175/70R13 из полиуретановых эластомеров.
Введение к работе
Проблемы обеспечения безопасного движения автомобилей в ситуации внезапного повреждения шины, приводящего к полной потере избыточного давления воздуха, никогда не теряли своей актуальности.
Потеря внутреннего давления приводит к деформации, сходу бортов с полки обода и разрушению шины. Это нарушает устойчивость автомобиля и в большинстве случаев ведет к аварии. По данным исследований фирмы «Данлоп» (Англия), выход из строя шин на европейских дорогах вследствие механических повреждений составляет 40%. По оценке Статистического Федерального Бюро (Германия), в Германии происходит более 1500 аварий в год из-за дефектов шин. Стремление повысить безопасность движения при потере давления в шине привело к появлению новых конструктивных вариантов шин и ободов.
Важнейшим шагом в этом направлении было создание бескамерных шин в 1954-1958 годах. Проникновение постороннего предмета уже не вызывает резкого падения давления, однако после повреждения шины имеют небольшой пробег, но больший чем у камерных шин.
Ведущими фирмами шинной промышленности проводятся работы по созданию безопасных шин, направленные на выполнение требований обеспечения возможности продолжения движения транспортного средства при падении давления в шине в результате проколов, пробоев и других механических повреждений. Однако конструкторские решения, использованные в этих работах, не обеспечивают работоспособности шины в условиях нулевого внутреннего давления.
Таким образом, наиболее актуальным на данный момент является разработка конструкции и технологии изготовления безопасной шины, сохраняющей профиль, габариты и массу пневматической шины с высоким уровнем эксплуатационных характеристик при нулевом внутреннем давлении.
Специальные многополостные шины
Одним из вариантов конструкции шин, позволяющих продолжать движение после прокола или пробоя шины, является созданная фирмой «Гудрич» (США) шина «Голден Лайфсейвер» с повышенной самогерметизацией проколов [11].
Шина «Голден Лайфсейвер» 195/70HR14 представляет собой низкопрофильную бескамерную радиальную шину. На внутреннюю поверхность герметизирующего слоя этой шины наложен дополнительный ячеистый слой, состоящий из модифицированной губчатой резины, который предназначен для само герметизации небольших отверстий. Наружная поверхность губчатого слоя покрыта полиэтиленовой пленкой, которая в результате разогрева шины при движении расплавляется и после прокола шины, и даже в случае удаления предмета, затекает в отверстие, герметизируя его. Одновременно она служит также своеобразным катализатором разбухания губчатого слоя (рис. 1.5).
Губчатый резиновый слой образуется в процессе вулканизации шины, когда нанесена на ее внутреннюю поверхность смесь, содержит химикаты, способные при нагревании выделять азот. В результате выделения азота в резине образуется множество изолированных друг от друга пузырьков. При хранении шины в поддутом состоянии в течение не менее 7 дней ячейки губки дополнительного гермослоя расширяются и насыщаются воздухом. После стабилизации давление газа в каждом отдельном пузырьке становится равным давлению воздуха внутри шины, благодаря чему и осуществляется герметизация отверстий.
В шине герметизируются отверстия диаметром до 6,4мм при пробое по протектору. Проколы боковин самостоятельно не затягиваются, и в этом случае она нуждается в ремонте. Для шин этой конструкции требуются более широкие обода, чем для обычных легковых шин. Большая группа безопасных шин сконструирована по схеме «шина в шине», то есть шины с пневматическими эластичными вставками. Примерами такой конструкции являются шины «Трипгард» фирмы «Бриджестон» (Япония), шины «Лайфгард» фирмы «Гудьир» (США).
Шина системы «Трипгард» для легковых автомобилей среднего класса является шиной самонесущей конструкции (рис. 1.6). Боковая стенка шины усилена специальным слоем из упругой резины. Борта шины на ободе дополнительно закрепляются с помощью специальной упругой вставки -пневматической камеры, которая вступает в действие при повреждении шины. При проколе шины боковые стенки ее удерживают нагрузку [12].
Безопасная шина по системе «шина в шине» состоит из основной шины обычной конструкции, имеющей на внутренней поверхности под беговой дорожкой смазку, нанесенную на гермослой бескамерной шины [13].
Борта шины-вставки усилены одним бортовым кольцом с каждой стороны. При проколе основной шины всю нагрузку воспринимает камерная шина-вставка со специальной камерой «воздушным контейнером», протектор которой при движении автомобиля проскальзывает по внутренней поверхности (за счет разницы диаметров шины) и смазки, нанесенной на внутреннюю поверхность основной шины, снижающей трение между основной шиной и шиной-вставкой [14].
Обеспечение безопасности двжения автомобиля путем самогерметизации механических пробоев шин
Проколы являются основной трудностью, с которой сталкиваются потребители шин, приводящей к аварийной ситуации на дороге при спуске внутреннего давления воздуха в шине и ее разрушению. Проникновение в шину осколков камней, гвоздей и подобных предметов - частое явление. Устранение этих повреждений не было надежным.
Разработаны и широко применяются различные способы герметизации проколов. Они осуществляются специальными аэрозолями, введением дополнительных слоев, состоящих как из вспененной резиновой смеси без наполнителей, так и с различными наполнителями, а также герметизирующими слоями специального вещества, нанесенными на внутреннюю поверхность шины.
Многие зарубежные фирмы разработали специальный жидкий материал, впрыскиваемый во внутреннюю полость шин и предохраняющий их от потери внутреннего давления при возможных проколах путем затягивания повреждений.
Другим типом герметизирующих композиций являются жидкие композиции. Жидкие композиции подают в шины через вентиль перед накачиванием воздуха. Они состоят из воды и растворенных в ней полимеров (поливинилового спирта, поливинилацетата, поливинилакрилата), содержат волокнистый наполнитель и различные добавки. Впрыснутая через вентиль жидкая гермокомпозиция не должна испаряться из накачанной шины и оставаться в жидком состоянии в течение всего срока службы шин. В результате вращения шины герметизирующая жидкость распределяется равномерно под беговой дорожкой протектора.
Вследствие прокола шины колющими предметами через отверстия происходит утечка воздуха, и жидкость, подвергаясь воздействию наружного воздуха, испаряясь, образует пробку, быстро герметизируя отверстие.
Применение герметизирующей жидкости «Шимекс» (Швейцария) обеспечивает сохранение начального давления в шинах при проколах стержнями диаметром до 5мм достаточно долго, а при проколе стержнем диаметром 8 мм в течение одного часа [31].
Герметизирующие жидкости не должны быть агрессивными по отношению к резине и металлу.
Одним из вариантов герметизирующих композиций для, радиальных бескамерных и камерных шин является вещество «TBS» производства Индии[32]. Оно представляет собой неоднородную массу на основе водного раствора с антифризом с добавкой растительных волокон и окислов кремния и магния.
Применение герметизирующего вещества в бескамерных шинах обеспечивает герметизацию отверстий от проколов острыми предметами диаметром до 16мм и тупыми до 10мм, как во время движения, так и при длительной стоянке.
В камерных шинах происходит полная герметизация отверстий камеры от проколов острыми предметами диаметром до Змм. Нагнетание герметизирующего вещества производится через вентиль шины с помощью специального насоса.
Неоднократно проведенная в ходе испытаний балансировка камерных и бескамерных шин с герметизирующим веществом «TBS» показала изменение величины дисбаланса, что объясняется отеканием герметизирующего вещества вследствие его малой вязкости. Для повышения пр околостойкости бескамерных радиальных шин применяют герметизирующие композиции, представляющие собой либо пастообразные вещества, либо легкотекучие жидкости [33].
Пастообразные гермокомпозиции наносят на внутреннюю поверхность шин перед монтажом на обод. Они состоят из различного типа полимеров или олигомеров, содержат также гелеобразующие вещества и волокнистые или грубодисперсные наполнители.
Композиции на основе высокомолекулярных каучуков недостаточно эффективны, а технология их нанесения в шины довольно сложна, поэтому большее распространение получили олигомерные системы[34].
В качестве олигомерной основы чаще всего используют полиокси-алкилены или полибутены. Характерным представителем этого типа композиций является композиция Полиджел фирмы «Данлоп». Полиджел представляет собой черную смолообразную массу на основе лолиизобутилена, включающую мелкую эластичную крошку. Содержит в качестве гелеобразователя полиэтилен.
Масса наноситься специальным приспособлением на внутреннюю поверхность готовой шины слоем толщиной в 3-5мм, шириной, равной ширине беговой дорожки протектора шины.
Испытания макетных образцов безопасных шин типоразмера 3,5-10
В конце каждого часа испытаний измеряли температуру по углу каркаса. Испытания на работоспособность макетных образцов проводили также в условиях ступенчатого повышения скорости и нагрузки с предварительным нанесением специальных повреждений в виде четырех просверленных отверстий диаметром 12,5 мм (два по боковине и два по протекторной части образца). Испытания проводили в трех режимах:
Испытания по определению коэффициента сопротивления качению в зависимости от скорости проводили на испытательном стенде "Hasbah"c диаметром барабана 2000мм в условиях ступенчатого повышения скорости в диапазоне 30-160км/ч. Продолжительность испытаний на каждой ступени - 5 мин. Увеличение скорости на каждой ступени - 10км/ч,
Результаты испытания по определению жесткостных характеристик приведены в таблице 3.2. Сравнение результатов показывает, что жесткостные характеристики макетных образцов шин вариантов конструкций №№2,3,4 приближаются к значениям контрольного образца. Значение радиальной жесткости макетного образца №1 более чем на 60% превышает этот показатель у контрольного образца, значения боковой и окружной жесткости находятся на уровне контрольного образца.
Показатели силовой неоднородности у макетных образцов вариантов конструкций №№2,3,4 находятся на уровне контрольного образца. У макетного образца варианта конструкции №1 колебания радиальной силы более чем в два раза превышают значения контрольного образца (таблица 3.3).
На графике (рис.3.3) представлены результаты испытаний макетных образцов вариантов конструкций №№ 1, 4 и контрольной шины по определению коэффициента сопротивления качению в зависимости от скорости. Из графика видно, что наилучшие результаты имеет макетный образец варианта конструкции №4: в диапазоне скоростей от 30 до 160км/ч коэффициент сопротивления качению находился на уровне 0,020. Макетный образец варианта конструкции №1 показал неудовлетворительные результаты. Его коэффициент сопротивления качению находился на уровне 0,030 в диапазоне скоростей от 30 до
ЮОкм/ч. При скоростях свыше ЮОкм/ч наблюдался значительный рост коэффициента сопротивления качению. Контрольный образец имел коэффициент сопротивления качению на уровне 0,030 в диапазоне скоростей то 30 до 160км/ч. Рис. 3.3, Зависимость коэффициента сопротивления качению от скорости.
При проведении испытаний на работоспособность при постоянной скорости и трех режимах нагрузки макетные образцы вариантов конструкций №№ 1,2,3 получили серьезные дефекты, и их пробег не превысил 8км. В таблице 3.4 приведены результаты испытаний макетного образца варианта конструкции №4, так как остальные макетные образцы показали неудовлетворительные результаты. Общий пробег определялся методикой испытаний и составил 2730км, при этом макетный образец не имел повреждений. Результаты испытаний макетного образца варианта конструкции №4 на работоспособность с нанесенными повреждениями представлены в таблице 3.5. Испытания проводили в объеме 225 км, при этом не наблюдалось роста дефектов в местах повреждений. Из приведенных данных видно, что коэффициент сопротивления качению у поврежденного макетного образца остается практически на одном уровне (0,020).
Проведенные испытания показали, что основные характеристики макетного образца с упругими элементами в виде профиля накачанной шины превосходят характеристики контрольной шины и макетного образца с двухвитковым упругим элементом. Кроме того, макетный образец безопасной шины с упругими элементами в виде профиля накачанной шины сохранил работоспособность даже при нанесении серьезных повреждений.
Таким образом, на основании полученных экспериментальных данных для дальнейших исследований по созданию безопасных шин выбран упругий элемент, имеющий форму профиля накачанной шины.
Разработка технологии изготовления экспериментальных образцов безопасных шин типоразмера 175/70R13 из полиуретановых эластомеров.
Полиуретановые эластомеры не являются традиционными шинными материалами, однако использование этих материалов позволяет осуществить быстрое и менее трудоемкое изготовление экспериментальных образцов шин с целью проверки различных конструкций на жизнеспособность.
Работы по изготовлению экспериментальных образцов из полиуретановых эластомеров проводили на специально разработанном сборочно-вулканизационном тороидальном дорне для шин типоразмера 175/70R13, состоящем из восьми полых стальных секторов. Для обеспечения возможности извлечения секторов из внутренней полости шины дорн состоит из двух групп секторов: у первой группы секторов, извлекаемых в первую очередь, плоскости стыка сходятся в направлении от центра, у второй группы - наоборот, плоскости расходятся при удалении от оси дорна. Сборку и разборку дорна осуществляли на специальном устройстве, имеющем ложемент с фиксаторами дорна, механизмы перемещения в осевом направлении бортовых колец и отжимное приспособление с винтовой парой для радиального извлечения секторов из шины. Наружная поверхность дорна соответствует внутренней поверхности накачанной шины.
Формование деталей экспериментального образца из полиуретановых эластомеров проводили в специальной формующей оснастке (рис.4.16.). Данная оснастка представляет собой электрообогреваемую секторную форму, в которую устанавливают дорн.
Формирование деталей из полиуретана осуществляли при наклонном расположении форм под углом 30-35 градусов. Жидкая полиуретановая композиция подается в литниковый канал, расположенный в нижней части формующей полости, а выходной литник - в верхней части формующей полости, при этом исключается блокировка воздуха в процессе заполнения форм. Перевод форм из горизонтального положения в наклонное осуществляется посредством специального гидроцилиндра форматора.
Упругие элементы каркаса изготавливали из пружинной стальной проволоки (сталь75) диаметром 1,2мм на специальном шаблоне. Шаблон разработан таким образом, чтобы стальная проволока, снятая с шаблона, разгибалась с учетом упругих деформаций настолько, чтобы повторить профиль накачанной шины. Для фиксации на бортовых кольцах упругие элементы имели специальные загибы. Схема изготовления упругих элементов представлена на рисунке 4.17. Заготовка (1) представляла собой кусок проволоки длиной 60см, отрезанный из общего мотка., На одном из концов заготовки делали загиб под бортовое кольцо, при помощи которого заготовку крепили на шаблоне. Закрепленную таким образом заготовку изгибали по шаблону (2), При этом важно, чтобы изгибание заготовки по шаблону осуществлялось в одной плоскости, в противном случае упругие элементы имеют перекос в разных плоскостях, что может привести к неравномерному распределению напряжений в них. После снятия заготовки с шаблона на втором конце также делали загиб под бортовое кольцо. Готовый упругий элемент представлен на рисунке 4.17 б. Каждый упругий элемент осматривали на предмет перекосов и примеряли на дорне. Если упругий элемент имел перекосы или не соответствовал по форме и размерам, то он отбраковывался.
Упругие элементы собирали в стопки по десять штук и оборачивали полиэтиленовой пленкой. Процесс сборки экспериментальных образцов безопасных шин типоразмера 175/70R13 состоял из пяти стадий. На первой стадии на дорне формировали внутренний слой каркаса из полиуретановых эластомеров методом жидкого формования под вакуумом в секторной литьевой форме.
Вторая стадия заключалась в накладывании элементов армирующего каркаса на отформованную полиуретановую подложку (рис. 4.18). Армирующие элементы укладывали в радиальном (меридиональном) направлении с одновременной фиксацией на одном спиральновитом проволочном бортовом кольце. По окончании процесса армирования осуществляли фиксацию упругих элементов на втором спиральновитом проволочном бортовом кольце. Бортовые кольца с фиксированными на них упругими элементами, для предотвращения смещения последних при проведении последующих стадий сборки, крепили к дорну шпильками. Заключительным процессом второй стадии являлось нанесение клея CILBOND-49, позволяющего увеличить адгезию между полиуретаном и металлом.
