Автомобильные шины вчера, сегодня и завтра

Со времени изобретения пневматической шины, без которой немыслимо само существование современного автомобиля, минуло свыше 140 лет. Сегодня трудно даже поверить, что сначала шина предназначалась вовсе не для автомобиля. На безлошадных экипажах она заменила массивные литые резиновые шины (так называемые грузоленты или гусматики) лишь через многие годы после своего появления на свет.

Первым, кто официально зарегистрировал изобретение пневматической шины, был Роберт Уильям Томсон, родившийся в Шотландии 29 июня 1822 г. в семье мелкого землевладельца. В 1844 г. в возрасте 22 лет он стал инженером железнодорожного транспорта, имел собственное дело и контору в Лондоне. Именно там и была изобретена пневматическая шина.

В патенте № 10990, датированным 10 июня 1846 г., написано: "Суть моего изобретения состоит в применении эластичных опорных поверхностей вокруг ободьев колес экипажей с целью уменьшения силы, необходимой для того, чтобы тянуть экипажи, тем самым облегчая движение и уменьшая шум, который они создают при движении". Патент Томсона написан на очень высоком уровне. В нем изложена конструкция изобретения, а также материалы, рекомендуемые для его изготовления.

На рис. 1.1 представлена конструкция "воздушного колеса" Томсона, описанная в названном патенте. Показано колесо телеги или экипажа. Шина накладывается на колесо с деревянными спицами, вставленными в деревянный обод, обитый металлическим обручем. Сама шина состояла из двух частей: камеры и наружного покрытия. Камера изготавливалась из нескольких слоев парусины, пропитанной и покрытой с обеих сторон натуральным каучуком или гуттаперчей в виде раствора. Наружное покрытие состояло из соединенных заклепками кусков кожи. Вся шина крепилась на обод болтами. Кожаная покрышка обладала необходимым сопротивлением износу и многократным изгибам, а зная, что кожа растягивается при намокании и раздувается под действием внутреннего давления, легко понять, почему камеру пришлось усиливать парусиной. Далее патент описывает клапан, через который накачивают шину.

Рис. 1.1. 'Воздушное колесо' Томсона

Томсон оборудовал экипаж воздушными колесами и провел испытания, измеряя силу тяги экипажа. Испытания показали уменьшение силы тяги на 38% на щебеночном покрытии и на 68% на покрытии из дробленой гальки. Особо отмечались бесшумность, удобство езды и легкий ход кареты на новых колесах. Результаты испытаний были опубликованы в журнале "Mechanics Маgazin" 27 марта 1849 г. вместе с рисунком экипажа.

Можно было констатировать, что появилось крупное изобретение: продуманное до конструктивного воплощения, доказанное проведенными испытаниями, готовое к совершенствованию. К сожалению, на том дело и закончилось. Не нашлось никого, кто бы занялся этой идеей и довел ее до массового производства с приемлемой стоимостью.

После смерти Томсона в 1873 г. "воздушное колесо" было забыто, хотя образцы этого изделия сохранились.

В 1888 г. идея пневматической шины возникла вновь. Новым изобретателем был шотландец Джон Данлоп, чье имя известно в мире как автора пневматической шины. Дж. Б. Данлоп придумал в 1887 г. надеть на колесо трехколесного велосипеда своего 10-летнего сына широкие обручи, сделанные из шланга для поливки сада и надуть их воздухом. 23 июля 1888 г. Дж. Б. Данлопу был выдан патент № 10607 на изобретение, а приоритет на применение "пневматического обруча" для транспортных средств подтверждал следующий патент от 31 августа того же года.

Камера из резины крепилась на обод металлического колеса со спицами обматыванием ее вместе с ободом прорезиненной парусиной, образующей каркас шины, в промежутках между спицами (рис. 1.2).

Преимущества пневматической шины были оценены достаточно быстро. Уже в июне 1889 г. на стадионе в Белфасте Уильям Хьюм выступил в гонках на велосипеде с пневматическими шинами. И хотя Хьюма описывали как среднего гонщика, он выиграл все три заезда, в которых участвовал.

Коммерческое развитие изобретения началось с образования маленькой компании в Дублине в конце 1889 г. под названием "Пневматическая шина и агентство Бута по продаже велосипедов". В настоящее время это "Данлоп" - одна из крупнейших фирм в мире по изготовлению шин. В 1890 г. молодой инженер Чальд Кингстн Уэлтч предложил отделять камеру от покрышки, вставлять в края покрышки проволочные кольца и сажать на обод, который впоследствии получил углубление к центру (рис. 1.3). Тогда же англичанин Бартлетт и француз Дидье изобрели вполне приемлемые способы монтажа и демонтажа шин. Все это определило возможность применения пневматической шины на автомобиле.

Рис. 1.2. Велосипедная шина Данлопа

Первым, кто стал использовать пневматические шины на автомобилях, были французы Андре и Эдуард Мишлен, которые уже имели достаточный опыт в производстве велосипедных шин. Они объявили, что к гонке в 1895 г. Париж - Бордо у них будут готовы пневматические шины для автомобилей и сдержали свое обещание. Несмотря на многочисленные проколы, автомобиль преодолел расстояние в 1200 км и достиг среди девяти других финиша своим ходом. В Англии в 1896 г. шинами "Данлоп" был оснащен автомобиль Ланчестер.

Рис. 1.3. Шина Уэлтча

С установкой пневматических шин существенно улучшились плавность хода, проходимость автомобилей, хотя первые шины были не надежны и не приспособлены к быстрому монтажу. В дальнейшем основные изобретения в области пневматических шин были прежде всего связаны с повышением безотказности и долговечности их, а также с облегчением монтажа-демонтажа. Потребовалось много лет постепенного совершенствования конструкции пневматической шины и способа ее изготовления, прежде чем она окончательно вытеснила литую резиновую.

Стали применяться все более надежные и долговечные материалы, появился в шинах корд - особо прочный слой из упругих текстильных нитей. В первой четверти текущего столетия все чаще стали использовать конструкции быстросъемных креплений колес к ступицам на нескольких болтах, что позволило заменять шины вместе с колесом в течение нескольких минут. Все эти усовершенствования привели к повсеместному применению пневматических шин на автомобилях и бурному развитию шинной промышленности. Во время первой мировой войны начались разработки конструкций шин для грузовых автомобилей и автобусов. Пионерами в этом отношении были США. К 1925 г. в мире насчитывалось порядка 4 млн. автомобилей с пневматическими шинами, т. е. практически весь парк, за некоторым исключением отдельных типов грузовиков.

Возникли крупные фирмы по производству шин, многие из которых существуют и сейчас, а именно "Данлоп" в Англии, "Мишлен" во Франции, "Гудьир", "Файрстоун" и "Гудрич" в США, "Континенталь", "Метцелер" в ФРГ, "Пирелли" в Италии.

К концу 20-х годов возможность создания конструкций шин за счет интуиции инженера, наугад, уходит в прошлое. Назревает настоятельная необходимость научного подхода к конструированию работоспособных пневматических шин. К этому времени уже имелась достаточно освоенная химическая технология, которую можно было использовать для решения проблем приготовления резиновых смесей шин. В области конструирования и испытания автомобильных шин опыт появился не сразу, а в результате практической деятельности фирм и научных исследований ряда стран. Создаются испытательные стенды для экспериментального определения эксплуатационных характеристик шин.

В 30-х годах продолжались работы над осмысливанием той роли, которую играет пневматическая шина в обеспечении управляемости и устойчивости автомобиля, а также над внешней формой и рисунком той части шины, которая входит в контакт с дорогой.

Вторая мировая война заставила принять ряд серьезных мер по использованию синтетического каучука (СК) вместо натурального в рецептурах резин шинной промышленности. Применение же СК в рецептуре шинных резин нашей страны относится еще к 1933 г., а к 1940 г. потребление СК в шинах, изготавливаемых в СССР, достигло 73%. Благодаря специфическим свойствам СК и их влиянию "а эксплуатационные характеристики шин появились перспективы создания новых типов усовершенствованных шин.

Другой значительный шаг связан с применением корда из вискозы и нейлона. Экспериментальные шины с вискозой сразу же выявили улучшение эксплуатационных характеристик и резкое сокращение случаев выхода шин из строя. Найлон позволил изготавливать шины с большой прочностью. Увеличение прочности и сопротивления ударным нагрузкам для шин с новыми материалами было столь значительным, что разрывы каркаса, которые были основной причиной выхода шин из строя, практически перестали иметь место.

В середине 50-х годов появилась новая разработка в конструкции шин. Основной особенностью новой шины, предложенной фирмой "Мишлен", был жесткий пояс в шине, состоящий из слоев "металлокорда. Нити корда располагались радиально от борта до борта. Такие шины получили название радиальных. Результатом испытания новой шины фирмы "Мишлен" явилось увеличение ходимости почти вдвое по сравнению со стандартными (при диагональном расположении нитей корда).

В конце 50-х годов повсеместно значительное внимание уделяется шинам, обеспечивающим высокие сцепные свойства как на сухом, так и на мокром полотне, и высокую износостойкость.

В 60-е годы значительное изменение претерпела такая характеристика конструкции шины, как отношение высоты шины Н к ширине профиля В. Первые шины в разрезе представляли собой почти правильный круг, высота которого равнялась ширине. Затем отношение величин Н/В последовательно уменьшалось до 0,7 и даже 0,6 к 1980 г. (рис. 1.4). Целью стремления к низким профилям шин явилось увеличение площади контакта с дорогой, что улучшает боковую устойчивость, тягово-сцепные свойства и продлевает срок службы шин. Преимущества радиальных шин проявляются в большей степени от того, что их изготавливают низкопрофильными.

Пневматическая шина в 70-е годы достигла уровня совершенства, который трудно было представить в 50-е годы. Удовлетворялись потребности автомобилистов в увеличении безопасности езды и снижении расхода топлива. Именно в 70-е годы произошел быстрый переход легкового транспорта на радиальные шины, которые к концу этого десятилетия стали использоваться практически по всему парку, что сопровождалось увеличением срока службы.

Рис. 1.4. Профили обычной (а) и низкопрофильной (б) шин сравнимой грузоподъемности

В 80-е годы появилась конструкция шины фирмы "Континенталь" с креплением на Т-образном ободе колеса (рис. 1.5), обеспечивающая безопасное движение на небольшой скорости даже при спущенных шинах. Фирма рассчитывает на массовое освоение производства таких шин в 90-е годы. Значительно продвинулись опытно-конструкторские и промышленные работы по изготовлению шин методом литья или жидкого формования из олигомеров. Если этот метод сможет обеспечить достаточно высокие свойства шин сложной конструкции, то в перспективе можно ожидать кардинальных перемен.

Дальнейшее усовершенствование шин идет и в направлении применения более современных материалов, уменьшения содержания резины в каркасе, повышения прочности корда, снижения слойности каркаса, улучшения связи карда с резиной, создания шин с малой высотой и большой шириной профиля, увеличения насыщенности рисунка и применения ребристых и комбинированных рисунков протектора.

Рис. 1.5. Безопасная шина фирмы 'Континенталь'

Усовершенствование шин направлено также на увеличение срока службы, допускаемых нагрузок, упрощения технологии производства, улучшения ряда технико-экономических показателей шин, увеличения безопасности движения транспортных средств.

Современное развитие шин характеризуется широкой специализацией в соответствии с их назначением. До недавнего времени наибольшее внимание уделялось улучшению конструкции обычных диагональных шин. За последние 20 лет масса таких шин уменьшилась на 20-30%, грузоподъемность повышена на 15-20%, срок службы увеличен на 30-40%, сопротивление качению уменьшилось "а 10-15%, дисбаланс и биение шин уменьшены на 15%, повысились тягово-сцепные качества. Однако ряд зарубежных фирм считает ненужным в дальнейшем развивать работы по совершенствованию диагональных шин, так как заложенные в (конструкцию таких шин возможности почти полностью исчерпаны.

В настоящее время большое внимание обращено на развитие и совершенствование конструкции радиальных шин, как наиболее перспективных.

Большое внимание уделяется разработке конструкции бескордных шин. Эти шины изготавливаются из однородной резино-волокнистой массы методом шприцевания или литьем под давлением. В опытном производстве бескордных шин достигнуты определенные успехи. Технические решения по созданию бескордных шин значительно упростят технологию производства шин.

Наиболее перспективными в настоящее время считаются радиальные бескамерные однослойные шины из металлокорда, предназначенные для монтажа на полуглубокие ободья с низкими закраинами.