Конструкція шини

Автомобільна шина – один з найважливіших елементів, який представляє собою пружну оболонку, розташовану на ободі колеса. Шина призначена для поглинання незначних коливань, викликаних недосконалістю дорожнього покриття, компенсації погрішності траєкторій коліс, реалізації та сприйняття сил, що виникають у плямі контакту та забезпечення високого коефіцієнта зчеплення.

Конструктивний склад шини

Основними матеріалами для виробництва шин є гума, яка виготовляється з натуральних та синтетичних каучуків та корд. Корд - відносно жорсткий матеріал, з якого виготовляється каркас шини. Кордова тканина може бути виготовлена з металевих ниток (металокорд), полімерних та текстильних ниток.

Всі шини поділяються на камерні та безкамерні. Відмінність перших від останніх полягає в наявності в складі шини окремого елементу – камери, яка утримує накачаний в шину газ (повітря). У безкамерної шини функцію камери виконує гермошар – тонкий прошарок герметичної для газу гуми на внутрішній поверхні шини. На сьогоднішній день безкамерні шини найпоширеніші завдяки своїй надійності, меншій масі та зручності експлуатації. На даному малюнку наведена саме безкамерна шина. 

Основні елементи шини: каркас, шари брекера, протектор, борт та бокова частина.

Каркас шини можна порівняти із скелетом – це основа, з якою зв'язуються всі інші елементи і яка утримує всі експлуатаційні навантаження. Каркас формується із корду, який може бути текстильним, полімерним або металевим. Текстильний і полімерний корд застосовуються в легкових та легковантажних шинах. Металокорд - у вантажних. Залежно від орієнтації ниток корду в каркасі шини розрізняють на радіальні та діагональні.
У радіальних шинах нитки корду розташовані вздовж радіуса колеса (як на схемі). У діагональних шинах нитки корду розташовані під кутом до радіуса колеса і нитки сусідніх шарів перехрещуються. Радіальні шини конструктивно твердіші, внаслідок чого мають більший ресурс, мають стабільність форми плями контакту, створюють менший опір коченню, забезпечують меншу витрату палива. Через можливість варіювати кількість шарів каркасу (на відміну від обов'язково парної кількості в діагональних) і можливості зниження кількості шарів, знижується загальна вага шини, товщина каркасу. Це знижує розігрів шини при коченні - збільшується термін служби. Брекер та протектор так само легше вивільняють тепло - можливе збільшення товщини протектора та глибини його малюнку для поліпшення прохідності по бездоріжжю. У зв'язку з цим на даний момент радіальні шини для легкових автомобілів практично повністю витиснули діагональні.

Брекер знаходиться між каркасом та протектором. Він призначений для захисту каркасу від ударів, додання шині твердості в області плями контакту шини з дорогою та для захисту шини (та камери у камерних шин) від наскрізних механічних пошкоджень. Виготовляється з товстого шару гуми (у легких шинах) або схрещених шарів полімерного корду та (або) металокорду.

Протектор необхідний для забезпечення прийнятного коефіцієнта зчеплення шини з дорогою, а також для запобігання пошкоджень каркасу. Протектор має певний малюнок, котрий відрізняється залежно від призначення шини. Шини високої прохідності мають глибший малюнок протектора і ґрунтозачіпи на його бокових сторонах. Малюнок і конструкція протектора дорожньої шини визначаються вимогами до відведення води та бруду з канавок протектора і прагненням знизити шум при коченні. Але, все ж таки, головне завдання протектора шини – забезпечити надійний контакт колеса з дорогою за несприятливих умовах, таких як дощ, бруд, сніг тощо, шляхом їхнього видалення з плями контакту за точно спроектованими канавками та жолобкам малюнку. Але ефективно видаляти воду з плями контакту протектору під силу лише до певної швидкості, вище якої рідина фізично не зможе повністю видалятися з плями контакту, і автомобіль втрачає зчеплення з дорожнім покриттям, а отже й керованість. Цей ефект називається аквапланування. Існує широко поширена хибна думка, що на сухих дорогах протектор знижує коефіцієнт зчеплення через меншу площу плями контакту в порівнянні з шиною без протектора (шини slick). Це невірно, тому що під час відсутності адгезії сила тертя не залежить від площі поверхонь, що стикаються. На гоночних автомобілях у суху погоду використовуються шини з гладким протектором або взагалі без нього для того, щоб знизити тиск на колесо, зменшивши його зношування, тим самим дозволивши застосовувати при виготовленні шин більше пористі м'які матеріали, що мають більше зчеплення з дорогою. У багатьох країнах існують закони, які регулюють мінімальну висоту протектора на дорожніх транспортних засобах, і багато дорожніх шин мають вбудовані індикатори зношування.

Борт дозволяє покришці герметично сідати на обід колеса. Для цього він має всередині сформовані з дроту міцні металеві кільця, що забезпечують його щільне зчеплення з ободом колеса. Герметчність безкамерної шини забезпечується шаром в’язкої повітронепроникної гуми, що називається гермошар.

Бокова частина оберігає шину від бокових пошкоджень та працює її амортизатором, подібно пружині. При цьому чим більша висота бокової частини шини відносно її ширини, тобто, чим вищща пружина (наприклад, у високопрофільних шин) – тим більша амортизація. З іншого боку, при зменшенні площі амортизації, іншими словами – при зменшенні висоти пружини (наприклад, у низькопрофільних шин) знижується також бічний вигин шини і суттєво поліпшується чіткість керованості автомобіля. Взаємодія протектора з дорогою зберігається навіть на крутих поворотах, і автомобіль не зносить. Найкраще така низькопрофільна шина поводиться на якісному асфальті. З іншого боку низькопрофільна шина більш чутливо реагує на нерівність дорожньої поверхні і на дорожню колію, ніж високопрофільна шина. Низькопрофільна шина також чутливо реагує на помилки геометрії кузова автомобіля.

Шипи. З метою підвищення безпеки руху автомобіля в умовах ожеледі та зледенілого снігу в протекторі шини застосовують металеві шипи протиковзання. Їзда на шипованих шинах має помітні особливості. На ходу автомобіль робиться помітно гучнішим, погіршується його паливна економічність. У сніжно-грязьовій каші або в глибокому пухкому снігу ефективність шипів невелика, а на твердому сухому або вологому асфальті шиповані шини навіть програють «звичайним»: через зниження площі плями контакту шини з дорогою, гальмівний шлях автомобіля збільшується на 5-10%. Хоча 70-відсоткове скорочення гальмівного шляху на льоду – їхня безсумнівна перевага.

Хімічний склад гумової суміші

Над процесом створення шини працюють шинні хіміки та конструктори, від яких залежать секрети шинної рецептури. Їхнє мистецтво полягає в правильному виборі, дозуванні та розподілі шинних компонентів, особливо для суміші протектора. На допомогу їх приходять професійний досвід і не в меншому ступені комп'ютери. Хоча склад гумової суміші в будь-якого солідного виробника шин - таємниця за сімома печатками, досить добре відомі близько 20 основних складових. Весь секрет полягає в їхній грамотній комбінації з урахуванням призначення самої шини.

Основні складові гумової суміші:

Каучук. Хоча шинний коктейль надзвичайно складний за своїм складом, основу його все-таки утворюють різні каучукові суміші. Натуральний каучук, що складається з висушеного соку (латексу) південноамериканського каучукового дерева (бразильська гевея), довгий час домінував у всіх сумішах, відрізняючись при цьому лише за рівнем якості. Так само каучуконосний молочний сік міститься в деяких видах бур'янистих трав та кульбаб. Вироблений з нафти синтетичний каучук був винайдений німецькими хіміками в 30-і рр., і сучасна швидкісна шина без нього просто немислима. На сьогодні синтезується кілька десятків різних синтетичних каучуків. Кожний з них має свої характерні риси і суворе призначення в різних деталях шини. Навіть після винаходу синтетичного ізопренового каучуку (СКІ) - близького за властивостями до натурального, гумова промисловість не може повністю відмовитися від використання останнього. Єдиний його недолік перед СКІ - дорожнеча.

Технічний вуглець (ТВ). Добра третина гумової суміші складається з промислової сажі (технічний вуглець), наповнювача, який пропонується в різних варіантах і надає шині її специфічного чорного кольору. Насправді використання саме промислової сажі у виробництві шин не є обов’язковим – можна було б використати і інший наповнювач з аналогічними параметрами, якщо б стояло завдання надавати шинам інший – не чорний колір. Але під час експлуатації шини на її поверхні неодмінно виникають дрібні тріщинки, у які забивається бруд, що стає дуже помітним. Така шина виглядає неестетично. Тому технічний вуглець став найоптимальнішим наповнювачем у виробництві шин завдяки як своїй відносній дешевизні, так і вдалому кольору. Окрім цього, сажа забезпечує в процесі вулканізації гарне молекулярне з'єднання, що надає покришці особливу міцність та зносостійкість. Сажу отримують шляхом спалювання природного газу без доступу повітря.

Кремнієва кислота. У Європі та США обмежений доступ до джерел природного газу змусив хіміків знайти заміну ТВ. При тому, що кремнієва кислота не забезпечує таку ж високу міцність гумам, як ТВ, вона поліпшує зчеплення шини з мокрою поверхнею дороги. Так само вона краще входить до структури каучуку і менше витирається з гуми при експлуатації шини. Це властивість менш згубна для екології. Чорний наліт на дорогах - технічний вуглець, витертий з шин. У рекламі та побуті шини з використанням кремнієвої кислоти називаються «зеленими». Гуми вулканізуються перекисами. Повністю відмовитися від використання технічного вуглецю на цей час не є можливим.

Масла та смоли. До важливих складових частин суміші, але в меншому обсязі, відносяться масла та смоли, що позначаються як пом’якшувачі, які слугують допоміжними матеріалами. Від досягнутої твердості гумової суміші багато в чому залежать їздові властивості та зносостійкість шини.

Сірка (та кремнієва кислота) – вулканізуючий агент. Зв'язує молекули полімеру «містками» з утворенням просторової сітки. Пластична сира гумова суміш перетворюється на еластичну та міцну гуму.

Вулканізаційні активатори, такі як оксид цинку та стеаринові кислоти, а також прискорювачі ініціюють і регулюють процес вулканізації в гарячій формі (під тиском і при нагріванні) та спрямовують реакцію взаємодії вулканізуючих агентів з каучуком у бік одержання просторової сітки між молекулами полімеру.

Екологічні наповнювачі. Нова і ще не розповсюджена технологія припускає застосування в суміші протектора крохмаль з кукурудзи (у перспективі картоплі та сої). За рахунок значно зменшеного опору кочення шина на основі нової технології виділяє в атмосферу майже вдвічі менше з'єднань вуглекислого газу в порівнянні зі звичайними шинами.