Анализ патентных технических решений и направлений совершенствования конструкций шин низкого давления

Повышение проходимости колесных транспортных средств является одной из основных задач современного транспортного машиностроения. Размер и конструкция колес в значительной степени определяют опорную проходимость автомобиля [1]. В частности, решение задачи опорной проходимости связано с уменьшением величины удельного давления в контакте колеса с грунтом за счет применения шин низкого и сверхнизкого давления. В этой связи представляют интерес современные тенденции совершенствования конструкций шин данного типа на примере патентования технических решений.

Цель работы – анализ технических решений конструкций шин низкого давления (ШНД) с выявлением доминирующих направлений совершенствования.

Особенности технических решений конструкций шин

Определение конструктивных особенностей технических решений и направлений совершенствования ШНД проведено на основе патентных исследований глубиной 25 лет. В процессе ис- следования рассмотрены 43 патента [2–44], систематизированных по срокам публикаций. Для примера представлены некоторые типичные технические решения ШНД.

RU124632U1 Шина сверхнизкого давления [2]

Техническое решение относится к силовым элементам пневматических шин сверхнизкого давления, предназначенным для использования на вездеходных транспортных средствах.

Задача – повысить надежность шины.

Для этого шина сверхнизкого давления (рис. 1), содержащая борта с каркасными кольцами, боковые стенки и беговую часть с протектором, имеющим каркас из корда, завернутый на упомянутые каркасные кольца, снабжена одним или двумя слоями, расположенными между протектором и каркасом.

Снабжение шины одним или двумя слоями корда, расположенными между протектором и каркасом, позволяет достичь технического результата, а именно повысить надежность шины, поскольку расположение между протектором и каркасом одного или двух слоев препятствует образованию проколов в наиболее подверженных этому явлению плечевых и беговых зонах шины, что повышает функциональные возможности шины.

a)                                                        b)

Рис. 1. Шина сверхнизкого давления: а – общий вид; b – профиль шины в меридиональном сечении

Fig. 1. Ultra-low-pressure tire: a – general view; b – tire profile in a meridional section

Этому же способствует то, что слой располагается по всей ширине профиля с напуском на боковые стенки на величину 0,1–0,5 высоты профиля шины. Такое расположение слоя сохраняет высокую эластичность шины, что позволяет ей обтекать неровности, не деформируя поверхность.

Дополнительно повышает функциональные возможности шины то, что нити корда в слое выполнены из крученого синтетического полиамидного волокна.

RU142613U1 Шина сверхнизкого давления [3]

Техническое решение относится к шинам транспортных средств, в частности, к шинам, отличающимся относительными размерами сечения и прежде всего к шинам сверхнизкого давления, предназначенным для использования на вездеходных транспортных средствах, перемещающихся по слабонесущим поверхностям.

Задача – повышение грузоподъемности при сохранении вездеходных свойств шины сверхнизкого давления на слабонесущих поверхностях.

Шина сверхнизкого давления с рабочим внутренним давлением 0,04…0,9 кГ/см² (0,004...0,09 МПа) содержит каркас 1 (рис. 2) из обрезиненного корда 2, протектор 3 и боковины 4. На бортовые кольца 5 завернуты по меньшей мере два слоя корда 2. Ее наружный диаметр D выполнен равным 1500…1700 мм, ширина профиля B выполнена равной 550…850 мм, посадочный диаметр d выполнен равным 550…680 мм, при этом толщина ее оболочки a не превышает 0,03 ширины профиля B . Высота h грунтозацепов 6 протектора 3 выполнена равной 0,8…1,2 толщины оболочки а .

a)                                           b)

Рис. 2. Шина сверхнизкого давления: а – общий вид; b – профиль шины в меридиональном сечении

Fig. 2. Ultra-low-pressure tire: a – general view; b – tire profile in a meridional section

Технический результат – повышение грузоподъемности при сохранении вездеходных свойств шины на слабонесущих поверхностях обеспечено оптимальным соотношением ее внешних геометрических параметров и толщины оболочки.

RU195307U1 Пневматическая шина [4]

Техническое решение относится к пневматической шине, имеющей рисунок протектора, предназначенный для эксплуатации на внедорожных транспортных средствах.

Задача:

• 1)    повышение проходимости транспортных средств на грунтах с низкой несущей способностью, особенно на снежной целине и болотах за счет увеличенного пятна контакта с опорной поверхностью;

• 2)    увеличение самоочищаемости протектора за счет повышенной эластичности беговой дорожки;

• 3)    обеспечение дополнительной защиты от проколов за счет усиленной плечевой зоны и увеличенного пятна контакта.

Предлагается пневматическая шина (рис. 3), состоящая из протектора с грунтозацепами и выемками, и каркаса, выполненного из двух слоев корда и боковины, при этом протектор включает грунтозацепы, расположенные относительно центра беговой дорожки, образующие центральное ребро, два боковых ребра и плечевые ребра. При этом центральное ребро составлено из двух рядов дистантно расположенных относительно друг друга грунтозацепов Г-образной формы, расположенных асимметрично относительно центра беговой дорожки, боковые ребра по бокам центрального ребра выполнены в виде ряда, образованного из элементов в виде двух перекрещивающихся дуг, составленных из нескольких грунтозацепов меньшей формы, плечевое ребро состоит из трех рядов разных грунтозацепов.

a)                                                          b)

Рис. 3. Широкопрофильная шина: а – общий вид шины; b – рисунок беговой части протектора Fig. 3. Wide-profile tire: a – general view of the tire; b – tread pattern

Технический результат – улучшение самоочищаемости протектора шин и надежности, по- вышение проходимости транспортных средств.

RU2805565C1 Покрышка пневматической шины [5]

Изобретение относится к автомобильной промышленности, в частности к покрышке грузовой пневматической шины радиальной конструкции.

Техническая задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в снижении теплообразования в каркасе и повышении его работоспособности, повышении

Рис. 4. Меридиональное сечение шины:

1 – протектор; 2 – боковины; 3 – брекер;

4 – бортовые кольца; 5 – внутренние слои каркаса из обрезиненного корда;

6 – внешние слои каркаса из обрезиненного корда

Fig. 4. Meridional section of the tire: 1 – tread; 2 – sidewalls; 3 – breaker;

4 – bead rings; 5 – inner layers of the rubberized cord frame; 6 – outer layers of the rubberized cord frame

скоростной выносливости шины при одновременном сохранении нагрузочной характеристики шины и снижении ее массы путем установления оптимального межслойного резиносодержания между слоями каркаса шины.

Покрышка включает протектор, брекер, боковины, бортовые кольца и каркас, содержащий внутренние и внешние слои из обрезиненного текстильного корда с различной плотностью нитей. Межслойное резиносодер-жание по меньшей мере одного внешнего слоя каркаса на 40–55 % больше межслойного содержания внутренних слоев каркаса. При этом межслойное резиносодержание внешних слоев каркаса находится в пределах 0,49–0,55. Покрышка (рис. 4) содержит протектор 1, боковины 2, брекер 3, бортовые кольца 4 и каркас, выполненный из 6 слоев обрезиненного текстильного корда, завернутых вокруг бортовых колец, с разрывной прочностью 45 кгс/нить. Четыре внутренних слоя 5 каркаса имеют плотность 48 нитей/100 мм, а два внешних слоя 6 имеют плотность 44 нити/100 мм. При этом межслойное содержание во внутренних слоях каркаса составляет 0,33–0,35, а величина межслойного резиносодержания во внешних слоях каркаса равна 0,49–0,53, т. е. межслойное резино-содержание внешних слоев каркаса в 1,5 раза больше межслойного резиносодержания внутренних слоев каркаса.

Технический результат – улучшение эксплуатационных характеристик шины.

RU2578566C1 Резиновая смесь и шина, содержащая указанную резиновую смесь [6]

Изобретение относится к резиновой смеси, способной давать сшитую резиновую смесь с улучшенной износоустойчивостью (т. е. устойчивостью к разрыву и устойчивостью к истиранию) шине.

Резиновая смесь содержит каучуковый компонент, который, в свою очередь, включает, по меньшей мере, один полимер, представляющий собой синтезированный полиизопрен или сополимер изопрена, содержащий 20% или меньше гелевой фракции.

Технический результат – получение резиновой смеси с повышенной износоустойчивостью шины.

RU2677170C1 Резиновая смесь для производства протектора шин [7]

Изобретение касается получения резины для изготовления протектора пневматических шин.

Резиновая смесь содержит натуральный каучук, бутадиеновый каучук, хлорбутилкаучук, полученный взаимодействием при механическом инициировании реакции бутилкаучука и хлорированного углеводорода общей формулы С 4 Н (2n+2)–x Cl x , где n = 10–30, х = 7–24 в температурном диапазоне 80–150 °C, серу, технический углерод, диоксид цинка, олеиновую кислоту, каптакс, сульфенамид Ц, масло ПН-6, N-фенил-N-изопропил-пара-фенилдиамин.

Технический результат – улучшение сопротивления истиранию, динамической выносливости и сцепления с мокрым дорожным покрытием протектора шин.

RU2 703207C1 Зимняя шина [8]

Изобретение относится к зимней шине, состоящей из определенной резиновой смеси.

Целью настоящего изобретения является обеспечение зимней шине, превосходной в отношении ходовых характеристик на обледенелом дорожном покрытии, подавления забивания снегом, подавления налипания снега и эффективности использования топлива.

• •    Зимняя шина, содержащая протектор, состоящий из резиновой смеси, включающей от 2,5 до 20 масс. ч. смолы на основе циклопентадиена и от 5 до 100 масс. ч. диоксида кремния на 100 масс. ч. каучукового компонента, включающего натуральный каучук и бутадиеновый каучук, где смола на основе циклопентадиена представляет собой гидрированную дициклопентадиеновую смолу, имеющую значение параметра растворимости (ПР) не менее 7,9 и не более 8,4.

• •    Зимняя шина, в которой бутадиеновый каучук имеет содержание цис-1,4 связей не менее 90 масс.%. Зимняя шина, в которой температура размягчения смолы на основе циклопентадиена составляет от 100 до 120 °С.

• •    Зимняя шина, в которой бутадиеновый каучук имеет содержание цис-1,4 связей не менее 96 масс.%.

• •    Зимняя шина, в которой диоксид кремния представляет собой диоксид кремния, полученный влажным способом.

• •    Зимняя шина, в которой резиновая смесь дополнительно включает сажу.

Изобретение обеспечивает улучшение сцепления шины с обледенелой и заснеженной дорогой, подавление забивания снега и экономию топлива.

Анализ информации

К числу основных обладателей патентов на конструкции и способы производства автомобильных шин в РФ относятся :

• -    Общество с ограниченной ответственностью «НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ЦЕНТР -АВТОРОС»;

• -    Общество с ограниченной ответственностью «НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ФИРМА - ТРЭКОЛ»;

• -    Ассоциация «АРКТИКТРАНС» по разработке, изготовлению и реализации экологичных вездеходных транспортных средств на пневматиках.

Диаграмма процентного распределения патентных документов в зависимости от вида патентуемых элементов устройства шины и показателей представлена на рис. 5.

Рис. 5. Диаграмма процентного распределения патентных документов

Fig. 5. Percentage distribution chart of patent documents

Представленная информация свидетельствует о том, что большинство (71 %) заявленных технических решений направлено на совершенствование элементов протектора широкопрофильных шин низкого давления и только около одной трети (29 %) - на совершенствование формы и внутреннего устройства.

Диаграмма процентного распределения направлений технических решений элементов протектора представлена на рис. 6. Она показывает, что основное направление патентования технических решений элементов протектора ориентировано на улучшение самоочищаемости протектора (28 %), снижение сопротивления качению и повышение проходимости (27 %), улучшение тягово-сцепных свойств при сохранении поверхностного слоя грунтов низкой несущей способностью (18 %), улучшение шумовых характеристик (18 %), повышение устойчивости к износу (9 %).

Следует отметить, что в большинстве технических решений в патентах РФ, независимо от направления патентования элементов протектора, предпочтение отдается протекторам с грунтозацепами, расположенными по рисунку различных вариантов «елки».

Рис. 6. Диаграмма процентного распределения направлений технических решений элементов протектора Fig. 6. Diagram of the percentage distribution of technical solutions for tread elements

самоочищаемость протектора сопротивление качению и проходимость

| тягово-сцепные свойства

Ц шумовые характеристики

к износу

При эксплуатации автомобилей на зимних дорогах (заснеженные дороги, гололед) рекомендуется протектор, имеющий множество узких глубоких и щелевидных канавок (поперечных и диагональных). Канавки создают концентрацию давления на дорогу по кромкам выступов рисунка, предотвращая буксование ведущих колес.

При проектировании рисунка протектора его коэффициент полноты k_n (насыщенность) выбирается в зависимости от эксплуатационного назначения шин. Под коэффициентом полноты k_n понимается отношение площади выступающих частей протектора к общей площади беговой части шины. Для шин вездеходного типа k_n наименьший ( k_n = 0,40-0,60). Протекторы с k_n<  0,40

проектировать не рекомендуется.

Примерно такой же формы, как и для гололеда, рекомендуется протектор для песчаных дорог, только канавки выполняются еще более узкими, коэффициент полноты k_n = 0,70-0,80. Это позволяет снизить заглубление колес в песчаный грунт за счет снижения удельного давления и уменьшения выгребания песка грунтозацепами.

Рис. 7. Диаграмма процентного распределения направлений технических решений формы и внутреннего устройства шины

Fig. 7. Diagram of the percentage distribution of technical solutions for the shape and internal structure of the tire

Диаграмма процентного распределения направлений технических решений формы и внутреннего устройства шины представлена на рис. 7. Из нее видно, что в основном патентование ориентировано на повышение грузоподъемности при сохранении вездеходных свойств (40 %), снижение теплообразования в каркасе и повышение его работоспособности (40 %), достижение оптимальной эластичности и исключение эффекта буксования (20 %).

Заключение

Направление патентования технических решений ШНД по результатам патентных исследований ориентировано на рассмотрение технических решений, определяемых в основном такими конструктивными характеристиками шин, как размеры и формы поперечного сечения шины, конфигурации и размеры рисунка протектора, давление воздуха в шине и возможность его регулирования, материал и число слоев корда, качество резины. Доминирующим является направление патентования технических решений по оптимизации конфигурации и размеров рисунка протектора. Несмотря на то, что показатель несущей способности (грузоподъемности), т. е. максимальной нагрузки на шину, является одной из основных характеристик грузовых шин, количество патентов по нему весьма незначительно.

Технические решения в части характеристик применяемой резиновой смеси при производстве шин направлены в основном на снижение гистерезисных потерь и термостойкость, повышение прочности, сокращение сырья нефтяного происхождения, улучшение износостойкости и сцепления с мокрым, обледенелым и заснеженным дорожным покрытием.

Оптимальная конструкция шины, обеспечивающая повышение грузоподъемности при сохранении вездеходных свойств на слабонесущих поверхностях, не найдена и поиск ее продолжается.

Существенная часть технических патентных решений по оптимизации конструкции широкопрофильных шин низкого и сверхнизкого давления указывает на то, что они в значительной степени преследуют маркетинговые цели.