Резинотехнические изделия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Резинотехнические изделия



Содержание

Введение

1. Активные наполнители

2. Снижение свойств резины

3. Свойства резины

4. Синтетический каучук

5. Автомобильные шины

6. Вопросы для повторения



Введение

Резина (от латинского resina, Ї смола), -- широко известный сравнительно мягкий конструкционный материал, который применяется для производства технических изделий практически во всех сферах человеческой жизни. Медицина, техника, быт, сельское хозяйство, промышленность, спорт, строительство, транспорт не могут обойтись без этого полимера. Во многих производственных процессах также используется резина. Общее количество изделий, изготовленных из резины, превышает более 60 000 разновидностей. Наиболее популярные из них, Ї сальники, кольца, кабельные изделия, обувь, транспортные ленты, приводные ремни, рукава, амортизаторы, трубки, сальники, прорезиненные покрытия и ткани, облицовочные материалы. Изделия из резины массово используются в производственных процессах. Этот материал также незаменим в производстве перчаток и непромокаемой ткани.

Резина, -- продукт вулканизации композиции, содержащей связующее вещество, -- натуральный или синтетический каучук. (Не читать, сразу диктовать) основным компонентом резины является натуральный или синтетический каучук. Процесс вулканизации при помощи серы заключается в нагреве резиновой смеси до определённой температуры и её выдержке при этой температуре в течение времени, достаточного для того, чтобы атомы серы соединили в некоторых местах двойных связей молекулы каучука, образовав резину, -- материал с пространственной структурой молекул, обладающий новыми свойствами, отличающимися от свойств каучука. Установлено, что при вулканизации происходят и некоторые другие реакции каучука с ингредиентами и кислородом воздуха.

Вулканизация резиновой смеси протекает в течение определённого времени и может осуществляться в широком диапазоне температур, начиная от нормальной. Скорость вулканизации зависит от состава резиновой смеси и температуры. При повышении температуры на каждые 10°С скорость вулканизации возрастает примерно в 2 раза. Температура вулканизации должна быть выше температуры плавления серы и ниже температуры плавления каучука. Для шинных резин она обычно равна 130 -- 160°С.

Оптимумом вулканизации называется наименьшая продолжительность вулканизации, обеспечивающая при прочих равных условиях наилучшие физико-химические и механические свойства резины. Различные свойства резин в процессе вулканизации изменяются по индивидуальным закономерностям, и достижение их максимальных значений не совпадает по времени. Поэтому оптимум вулканизации определяется по наиболее важным свойствам.

От количества серы зависит твёрдость резины. При содержании серы 40 -- 60% от массы каучука он превращается в эбонит, -- высокотвёрдый материал, поддающийся механической обработке резанием.

При растяжении каучука его молекулы распрямляются, ориентируясь по направлению растягивающего усилия, а при снятии нагрузки под действием внутреннего теплового движения возвращаются в прежнее состояние. При критической нагрузке происходит разрыв вследствие смещения молекул относительно друг друга. Способность растягиваться и быстро возвращаться в прежнюю форму сделала резину незаменимой во многих сферах жизни и экономики.

Резинотехнические изделия находят широкое применение в автомобилестроении. Их масса составляет до 10-ти % от общей массы автомобиля. Широкое применение резиновых изделий в автомобилестроении объясняется их уникальными и ценными свойствами:

эластичностью;Размещено на http://www.allbest.ru/

упругостью и стабильностью форм при малых деформациях;

Размещено на http://www.allbest.ru/

аморфностью, Ї Размещено на http://www.allbest.ru/

легко деформируются при незначительном нажатии;

относительной мягкостью;

Размещено на http://www.allbest.ru/

способностью поглощать ударные нагрузки и вибрацию;

Размещено на http://www.allbest.ru/

низкой теплопроводностью и звукопроводностью;

Размещено на http://www.allbest.ru/

высокой механической прочностью;Размещено на http://www.allbest.ru/

высокой сопротивляемостью к истиранию, многократным растяжению и изгибу;

Размещено на http://www.allbest.ru/

высокой электроизоляционной способностью;

Размещено на http://www.allbest.ru/

газо- и водонепроницаемостью;

Размещено на http://www.allbest.ru/

устойчивостью к агрессивным средам;

Размещено на http://www.allbest.ru/

и низкой плотностью.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основное свойство резины, -- это (эластичность) обратимая эластичная деформация, -- способность многократно изменять свою форму и размеры без разрушения в широком диапазоне температур под воздействием сравнительно небольшой внешней нагрузки и вновь возвращаться в первоначальное состояние после снятия этой нагрузки. Подобным свойством не обладают ни металлы, ни древесина, ни полимеры. Резина сочетает в себе свойства твёрдых тел (упругость, стабильность формы) и жидкостей (высокая деформируемость при малом объёмном сжатии). Упругие свойства резины зависят от режима нагружения, величины, времени, скорости, повторности деформаций и температуры. Деформация обратимого растяжения резины может достигать 500 Ї 1000 %. Верхний температурный предел эксплуатации резины связан с термической стойкостью каучуков и поперечных химических связей, образующихся при вулканизации.

Чрезвычайно важным ингредиентом резины являются наполнители. В состав резиновой смеси во время её вулканизации могут входить:

каучук;

Размещено на http://www.allbest.ru/

активные наполнители, (усилители), которые служат для улучшРазмещено на http://www.allbest.ru/

ения свойств резины;

неактивные наполнители;

Размещено на http://www.allbest.ru/

вулканизирующие агенты;

Размещено на http://www.allbest.ru/

ускорители вулканизации, которые сокращают время вулканизации, повышают физико-механические свойства и сопротивление старению резины;Размещено на http://www.allbest.ru/

активаторы вулканизации;

Размещено на http://www.allbest.ru/

противостарители, которые Размещено на http://www.allbest.ru/

добавляют к резиновым смесям в количестве 1 -- 2% от массы каучука для замедления протекания так называемого процесса старения резины;

красители, которые окрашивают светлые резиновые смеси в соответствующие цвета;Размещено на http://www.allbest.ru/

душистые вещества;

Размещено на http://www.allbest.ru/

мягчители;

Размещено на http://www.allbest.ru/

регенерат, который применяют для частичной замены каучука;Размещено на http://www.allbest.ru/

и ингредиенты специального назначения.

Размещено на http://www.allbest.ru/



1. Активные наполнители

Активные наполнители (сажа, песок) резко усиливают прочностные свойства резины. Чаще всего роль активного наполнителя выполняет технический углерод, то есть сажа. Сажа повышает предел прочности при растяжении резин на основе большинства синтетических каучуков в несколько раз (до 10-ти) и на основе натурального каучука на 20 -- 30%, а также повышает износостойкость, упругость и твёрдость. В то же время сажа понижает эластичность резины, ухудшает обрабатываемость резиновых смесей.

Сажу получают в результате неполного сгора

ния нефтепродуктов или природного газа. Содержание сажи в протекторной резине иногда по массе превышает 50% содержания каучука. В покрышке содержится около 25-ти % сажи от общей её массы. Так, покрышки грузового автомобиля при массе 48 килограммов содержат 13 килограммов сажи. Сажи различаются между собой размерами частиц, развитостью и шероховатостью поверхности. Кроме углеродных саж в качестве усилителей используют светлые наполнители: белую сажу (кремнезём), окись магния, окись цинка, углекислую магнезию и каолин (белую фарфоровую глину).

Неактивные наполнители (мел или асбестовая мука), которые применяют в количестве 30 -- 40% от массы каучука, служат для увеличения объёма резиновой смеси, что удешевляет изготовление резины, но её физико-механических свойств не улучшают (некоторые наполнители даже ухудшают). Основным вулканизирующим агентом для шинных резин служит сера. Её содержание в резиновой смеси, -- от 4-ёх до 15-ти % от массы каучука. Известны каучуки, вулканизирующиеся при нагреве без вулканизирующего агента.

От характера ускорителей зависит также температура вулканизации. Активаторы вулканизации активизируют действие ускорителей вулканизации и повышают предел прочности при растяжении и сопротивление раздиру. В виде активизаторов используют окислы некоторых металлов, главным образом окись цинка (цинковые белила), в количестве до 5-ти % от массы каучука. Окись цинка повышает также теплопроводность резины.

2. Снижение свойств резины

Старение, Ї снижение свойств резины (прочности, эластичности, электрического сопротивления) под воздействием эксплуатационных факторов (теплоты, холода, солнечного света, воздуха, кислорода или многократных изгибов при работе). При старении резины на её поверхности образуются трещины, она становится хрупкой и менее прочной, легче истирается. Старение уменьшает срок службы резиновых деталей, поэтому повышение сопротивления старению имеет важное значение для сокращения затрат на эксплуатацию резиновых деталей. Это в первую очередь касается автомобильных шин, которые, с одной стороны, работают в условиях, где действуют все факторы, ускоряющие старение, а с другой стороны являются дорогостоящими изделиями.

Мягчители или пластификаторы, которые способствуют лучшему смешиванию составных частей резиновых смесей, прежде всего активных и неактивных наполнителей, облегчают формование изделий, делают резиновую смесь более пластичной и улучшают эластичность резины при низких температурах. Однако их действие часто выходит за указанные пределы. Так, мягчители обычно уменьшают теплообразование, повышают относительное удлинение, морозостойкость, усталостную выносливость, понижают твёрдость, повышают или понижают клейкость. Эти свойства у разных мягчителей проявляются по-разному.

В большинстве своём в качестве мягчителей применяют смеси различных органических веществ, представляющих собой продукты переработки нефти (мазут, гудрон, парафин, церезин, минеральные масла), каменноугольные смолы, продукты растительного происхождения (растительные масла, канифоль, сосновую смолу), жирные кислоты (стеариновую или олеиновую), синтетические продукты (полидиены, сложные эфиры). Важно, чтобы введённый в резиновую смесь мягчитель не "выпотевал" на поверхность резиновой детали, ибо при этом ухудшаются технические свойства резины. Содержание мягчителей в резиновой смеси колеблется в широких пределах -- от 2-ух до 30-ти % от массы каучука. При больших количествах мягчитель может быть одновременно и наполнителем. В ряде случаев за счёт мягчителей снижается стоимость резины.

Регенерат представляет собой обработанную по специальной технологии резину из утильных покрышек, камер и других отработанных резинотехнических изделий. Использование регенерата позволяет снизить стоимость резиновых изделий и прежде всего тех, к которым предъявляются не слишком высокие технические требования (ободные ленты, коврики и другие изделия). Полученная таким способом резина не отличается хорошими эксплуатационными свойствами. В качестве красителей резины используют пигменты минерального и органического происхождения.

Особая роль отводится армирующим наполнителям. Они не входят в состав резиновой смеси, а вводятся на стадии формования изделия. Текстильная или металлическая арматура снижает нагрузку на резиновое изделие и ограничивает его деформацию. Изготавливают такие армированные резиновые изделия, как шланги, приводные ремни, ленты и автопокрышки, где для усиления прочности используют текстильный и металлический корды.

Обычно 5 Ї 95% перерабатываемой массы составляет каучук. Общее число ингредиентов может достигать 20-ти и более. В зависимости от назначения в резину может входить лишь часть перечисленных ингредиентов, но в её составе всегда содержатся каучук и вулканизирующий агент. Исходная резиновая смесь обладает хорошей пластичностью, обеспечивающей возможность формообразования различных изделий. После нагрева до нужной температуры смесь густеет. Каучуки, взаимодействуя с вулканизирующими веществами, претерпевают внутренние химические изменения, в результате чего образуется новый продукт, Ї резина. Набор компонентов определяется требуемыми свойствами, условиями эксплуатации, технологией использования готового резинового изделия и экономическими расчётами. Таким способом создаётся высококачественная резина.

3. Свойства резины

Свойства резины зависят прежде всего от свойств её основы, Ї каучука. Свойства могут существенно изменяться при комбинировании каучуков различных типов или их модификаций. Каучуки по своему происхождению разделяются на натуральные (или естественные) и синтетические (или искусственные). Натуральный каучук, -- природный полимер, представляющий собой так называемый непредельный углеводород, -- изопрен.

Натуральный каучук добывают главным образом из млечного сока (латекса) каучуконосных растений, в основном из бразильской гевеи, в котором его содержится до 40%. Латекс вытекает из коры дерева при её повреждении. Для выделения каучука латекс обрабатывают уксусной кислотой, под действием которой он свёртывается, и каучук легко отделяется. Затем его промывают водой, прокатывают в листы, сушат и коптят для устойчивости против окисления и действия микроорганизмов. Известны также каучуконосные растения (кок-сагыз, тау-сагыз), содержащие латекс в корнях. Натуральный каучук, Ї это природный полимер, обладающий при обычных температурах высокими эластическими свойствами. Это объясняется характером строения молекул, их регулярностью и влиянием сил межмолекулярного воздействия. Помимо высокой эластичности, натуральный каучук обладает достаточной прочностью, клейкостью, малым теплообразованием и другими положительными свойствами. Важнейшие типы натурального каучука, Ї рифлёный смокед-щит (продукт светло-янтарного цвета) и светлый креп (продукт светло-кремового цвета).

Производство натурального каучука требует больших затрат и не покрывает промышленных потребностей. Однако уже в конце 20-ых годов ХХ-го века во всём мире и прежде всего в высокоразвитых странах, где отсутствовали источники натурального каучука, возникла необходимость в его замене синтетическим продуктом. Причин здесь несколько: дефицитность, дороговизна, зависимость от импорта натурального каучука.



4. Синтетический каучук

В 1931-ом году в нашей стране впервые в мире был получен синтетический каучук в промышленных условиях по методу, предложенному академиком С. В. Лебедевым. Германия разрешила эту задачу только в 1937-ом году, а США, -- в 1942-ом году. В настоящее время в России натуральный каучук имеет ограниченное применение, а используется в основном синтетический каучук. Его доля, например, в шинном производстве составляет около 85-ти % и из года в год возрастает. Из натурального каучука чаще всего изготавливают только отдельные детали шин или же он используется в качестве добавки к резиновой смеси.

Сырьём для получения синтетических каучуков являются нефтепродукты, природный газ, ацетилен или древесина. Отечественная химическая промышленность производит десятки разновидностей синтетических каучуков, используя для этого в основном самое экономичное нефтяное сырьё. Это позволяет получать каучуки невысокой стоимости, так как затраты на сырьё и вспомогательные материалы при производстве каучука составляют 65% их себестоимости.

Синтетический каучук получают путём синтеза из органических веществ. Его свойства зависят от строения, состава и близки к свойствам натурального каучука. Выпускаемые разновидности синтетических каучуков отличаются механической прочностью, химической стойкостью, износостойкостью, газонепроницаемостью, термостойкостью и другими свойствами. По каждому из этих свойств некоторые синтетические каучуки превосходят натуральный, но длительное время уступали ему в эластичности. В то же время от эластичности зависят величина межмолекулярного трения в резине при деформациях и степень её нагрева, что очень важно для шинных резин. Промышленные виды синтетического каучука, которых насчитывается несколько десятков, различаются между собой как по исходному сырью и способам производства, так и по составу и физико-механическим свойствам.

Общепринятой является классификация синтетических каучуков по областям применения: каучуки общего назначения, применяемые в массовом производстве таких изделий, в которых реализуется основное свойство резины, Ї эластичность (шины, транспортные ленты, резиновая обувь), и каучуки специального назначения, применяемые в производстве изделий, которые, наряду с эластичностью, должны обладать стойкостью к воздействию различных агентов (растворителей, кислот, щелочей, нефтепродуктов, кислорода или озона), тепло- и морозостойкостью (то есть способностью сохранять эластические свойства в широком интервале температур) или другими специальными свойствами. Эта классификация по областям применения весьма условна. Так, многие синтетические каучуки обладают комплексом свойств, позволяющих применять их как каучуки общего и специального назначения; вместе с тем к ряду резин общего назначения предъявляют также и специфические требования (например, масло- и бензостойкость, Ї для резиновых перчаток и обуви, морозостойкость, Ї для шин).

Изопреновый синтетический каучук по своему составу и строению близок к натуральному каучуку, по некоторым показателям уступает ему, а по каким-то превосходит. Для получения применяют особо химически чистые исходные продукты и специально катализаторы. Промышленный выпуск этого каучука начат в 1964-ом году. Каучук обладает высокой клейкостью, а резина на его основе отличается газонепроницаемостью, достаточной стойкостью против воздействия многих органических растворителей и масел. Существенные его недостатки, -- низкая прочность при высоких температурах и низкая озоно- и атмосферостойкость.

Бутадиеновый синтетический каучук не уступает натуральному по эластичности и превосходит его по сопротивлению истиранию. Он обладает низким теплообразованием, хорошей тепло- и морозостойкостью. Эти качества весьма ценны при его применении в производстве шин, в том числе морозо- и теплостойких. Механическая прочность этого каучука несколько ниже, чем натурального каучука. Основная особенность бутадиенового каучука состоит в его низкой клейкости.

Использование изопренового и бутадиенового каучуков позволяет увеличить срок службы шин на 20 -- 30%. Присутствие износостойкого бутадиенового каучука особо благоприятно сказывается в протекторной резине, где его содержание (до 40 -- 50%) увеличивает на 30 -- 40% износостойкость по сравнению с натуральным каучуком.

Кроме указанных каучуков общего назначения, при производстве шин и резиновых автомобильных деталей используют другие каучуки, так называемые специального назначения. Бутилкаучук отличается высокой газонепроницаемостью и устойчивостью к действию кислорода, озона и других агрессивных сред. Его используют для изготовления камер и герметизирующего слоя бескамерных шин.

Xлорпреновый (наирит) и бутадиеннитрильный каучук характеризуются повышенной маслобензостойкостью. Из них изготавливают детали, работающие в контакте с маслами, топливами и другими растворителями, как, например, шланги системы смазки, манжеты и поршни гидравлического тормозного привода.

Бутадиен-стирольный и бутадиен-метилстирольный синтетические каучуки в автомобилестроении используются наиболее широко. Резины на основе этих каучуков имеют хорошие прочностные свойства, высокое сопротивление естественному старению, изнашиванию, паро-, водо-, газонепроницаемость, тепло-, морозо- и влагостойкость, однако нестойки при воздействии озона, топлива и масел. Резина на основе бутадиенового каучука эластична, износостойка, имеет хорошие физико-механические свойства при низких температурах, однако уступает натуральному каучуку по эластическим свойствам, теплостойкости, клейкости и морозостойкости. Существуют трудности при переработке таких резиновых смесей. Смесь имеет недостаточно прочную связь с металлокордом при производстве армированных изделий. Часть этих каучуков выпускается маслонаполненными. Они содержат примерно 15 -- 30% минерального (нефтяного) масла, что на 15 -- 20% понижает их теплообразование при многократных деформациях (особенно важно для шин) и снижает стоимость каучука.

Из синтетических каучуков специального назначения бутадиен-нитрильный каучук отличается высокой бензомаслостойкостью, сохраняет свои свойства в широком интервале температур, обеспечивает прочную связь с металлами, поэтому применяется для изготовления металлорезиновых изделий, работающих в контакте с нефтепродуктами. Недостаток, -- быстрое старение. Резины на основе фторкаучука и акрилатного каучука обладают очень высокими прочностными свойствами, стойки к воздействию топлив, масел, многих других веществ, высоких температур, однако низкая морозостойкость ограничивает их применение. Морозостойкость резины, Ї это её способность сохранять эластичность и другие свойства при низких температурах. Комплексом положительных свойств обладают силиконовые каучуки.

Молекулы синтетических каучуков являются полимерными цепями с небольшим числом боковых ответвлений. При нагревании с некоторыми вулканизирующими веществами между молекулами каучука образуются химические связи, -- "мостики", что резко изменяет механические свойства смеси. Чаще всего в качестве вулканизирующего ингредиента используют серу (1 -- 3%).

Однако ни натуральный, ни синтетический каучуки не обладают теми качествами, которые требуются от резины. Каучук при понижении температуры становится хрупким, а при нагреве теряет эластичность и превращается в пластичный, непрочный, легкорастворимый в нефтепродуктах материал. Поэтому каучук смешивается с другими ингредиентами в определённом количественном соотношении и подвергается вулканизации, в результате которой приобретает эластичность, прочность, нерастворимость в нефтепродуктах, температурную стойкость, износостойкость и другие ценные свойства.

По назначению различают следующие основные группы резин: общего назначения, тепло-, морозо-, водо-, маслобензостойкие, стойкие к действию химически агрессивных сред, протекторные, каркасные, брекерные (применяются в конструкции автошин), камерные, диэлектрические, электропроводящие, магнитные, огнестойкие, радиационностойкие, вакуумные, фрикционные, пищевого и медицинского назначения, для условий тропического климата; получают также пористые, губчатые, цветные и прозрачные резины. Резины характеризуются также высокой износостойкостью, сопротивлением раздиру и звукоизоляционными свойствами. Они хорошие диэлектрики, хотя могут быть получены токопроводящие, магнитные и резины с новыми свойствами. Резины незначительно поглощают воду и ограниченно набухают в органических растворителях. В готовом изделии резина находится в термостабильном состоянии, иногда она непластична.

Резина со временем утрачивает свои свойства и теряет форму, что проявляется разрушением и снижением прочности. Срок службы резиновых изделий зависит от условий использования и может составлять от нескольких дней до нескольких десятков лет. При длительном хранении механические свойства резины ухудшаются, прочность снижается, резина стареет, разрушается и становится непригодной к эксплуатации.

Дело в том, что каучук легко вступает в химические реакции с кислородом, водородом, серой и другими элементами. Так, уже при комнатной температуре кислород и особенно озон, внедряясь в молекулы каучука, разрывают их на более мелкие молекулы, а каучук, разрушаясь, становится хрупким и теряет свои ценные свойства. Подбором соответствующих каучуков, рецептуры резиновой смеси и условий вулканизации создают материалы, имеющие определённые свойства, что позволяет получать изделия, обладающие различными эксплуатационными свойствами, причём устойчиво сохраняющие свои качества продолжительное время и обеспечивающие функциональное назначение деталей и работоспособность узлов и агрегатов.

Для производства резиновых полуфабрикатов на предприятиях применяется технология смешивания каучука с другими компонентами в специальных смесителях или вальцах, предназначенных для изготовления полуфабрикатов (шприцованных профилей, каландрованных листов, прорезиненных тканей, корда), с последующей порезкой и раскройкой, сборку заготовок изделия сложной конструкции. В производственном цикле используются прессы, автоклавы, барабанные и тоннельные вулканизаторы. При этом используется высокая пластичность резиновых смесей, благодаря которой им придаётся форма будущего изделия, закрепляемая в результате вулканизации.

Резина является основным материалом в производстве автомобильных шин. Этот процесс начинается с приготовления резиновой смеси из натурального и синтетического каучука. Затем к резиновой массе добавляется силика (песок), сажа и другие химические компоненты. После тщательного перемешивания смесь отправляется по конвейерной ленте в печь. На выходе получаются резиновые ленты определённой длины. На следующем этапе происходит обрезинивание корда. Текстильный и металлический корд заливается горячей резиновой массой. Таким способом изготавливается внутренний, текстильный и брекерный слой шины. Брекер, -- часть шины, состоящая из слоёв корда и расположенная между каркасом и протектором шины.

Все производители автомобильных шин используют разные рецептуры и технологии изготовления резины. Для придания готовому изделию прочности и надёжности могут добавляться разные пластификаторы и усиливающие наполнители. Для производства шин используют натуральный каучук. Его добавление в резиновую смесь уменьшает нагревание покрышки. Бульшую часть резиновой смеси занимает синтетический каучук. Этот компонент придаёт шинам упругость и способность выдерживать большие нагрузки. Благодаря вышеуказанным свойствам, а также лёгкости и невысокой стоимости резина в ряде случаев является незаменимым материалом для автомобильных деталей.

В конструкции современных автомобилей используют несколько сот изделий, выполненных из резины. Резину используют для изготовления опор двигателя, деталей для электро- и виброизоляции, шлангов, систем охлаждения, питания, смазки, отопления, вентиляции, ремней привода вентилятора, генератора, компрессора и водяного насоса, уплотнителей кузова и кабин, втулок рессор и других деталей подвески, манжет, герметиков, шлангов, чехлов, диафрагм тормозной системы, деталей пневматической подвески, шумоизолирующих элементов передней и задней подвесок, ограничителей хода подвески, амортизирующих прокладок и втулок, колёсных грязевых щитков, ковриков для пола кабины и кузова и другие. И всё же главное применение резины па автомобиле, -- это для изготовления шин и камер. В шинных резиновых смесях содержание каучука составляет по массе примерно 50 -- 60%. Шинные заводы используют более 60-ти % производимого в стране каучука.

Использование в конструкции автомобиля резиновых деталей позволило улучшить его эксплуатационные качества и, в частности, снизить собственную массу из-за уменьшения ударных нагрузок и вибраций, снизить шум, проникающий в кузов автомобиля, повысить скорость движения, улучшить комфортабельность езды. Применение резиновых уплотнительных деталей позволяет также упростить и удешевить производство автомобилей, так как при этом изготавливать и собирать детали кузовов и кабин можно с менее жёсткими допусками.

5. Автомобильные шины

Автомобильные шины выполняют ответственные функции, работают в трудных, разнообразных и сложных условиях, а также испытывают значительные статические и динамические нагрузки. Шина передаёт нагрузку автомобиля на дорогу и смягчает удары, воспринимаемые колесом при движении автомобиля. Кроме этого, материал шин испытывает постоянную нагрузку от внутреннего давления воздуха, а также действия динамических нагрузок и инерционных сил при движении автомобиля.

Основной вид нагрузки на шину, -- это вертикальная составляющая массы автомобиля. Вертикальная нагрузка, действующая на неподвижную шину, возрастает в несколько раз при движении автомобиля. Вследствие этого в 2 -- 3 раза увеличивается и вертикальный прогиб шины (например, с 30 -- 40 до 60-ти -- 100 миллиметров). Шина должна не только передавать максимальное тяговое усилие на колесе, развиваемое двигателем автомобиля, но и обеспечивать при этом минимальные потери на качение колес.

При качении колеса по дороге с твёрдым покрытием сопротивление качению складывается из следующих потерь: внутреннее трение в материале шины 90 -- 95%, трение в контакте шины с дорогой 5 -- 10% и аэродинамические потери 1,5 -- 3%. Таким образом, основным видом потерь при качении по дорогам с твёрдым покрытием являются затраты энергии на внутреннее трение в материале шины, что приводит к её нагреву и понижению механической прочности.

Материал шины в контакте с дорогой и участках, прилегающих к нему, подвергается изгибу, сжатию, сдвигу и растяжению. Усилия изменяются как по величине, так и но направлению. Например, при входе в контакт резина протектора подвергается сжатию, а при выходе из контакта, -- растяжению. Такая цикличность повторяется за срок службы шины десятки миллионов раз. В процессе эксплуатации материал шины постоянно испытывает воздействие кислорода воздуха и солнечных лучей. Не исключается также контакт шины с нефтепродуктами и другими материалами, оказывающими разрушающее действие.

Исходя из назначения и условий работы к автомобильным шинам предъявляются следующие требования:

быть эластичными и смягчать удары, воспринимаемые колесом от дороги, что снижает нагрузки на детали автомобиля и дорогу, повышает комфортабельность езды и сохранность перевозимых грузов;

Размещено на http://www.allbest.ru/

обеспечивать безопасность движения автомобиля и в том числе на больших скоростях;Размещено на http://www.allbest.ru/

обладать необходимой прочностью и износостойкостью, обеспечивающими длительный срок службы;

Размещено на http://www.allbest.ru/

быть недорогостоящими и не требовать для изготовления дефицитного сырья;

Размещено на http://www.allbest.ru/

иметь минимальную массу, не вызывать больших нагрузок в деталях трансмиссии и потерь на качение;Размещено на http://www.allbest.ru/

обеспечивать высокую проходимость, продольную и боковую устойчивость автомобиля;

Размещено на http://www.allbest.ru/

надёжно работать при практически встречающихся температурах воздуха;

Размещено на http://www.allbest.ru/

не вызывать значительного шума при движении автомобиля;Размещено на http://www.allbest.ru/

обеспечивать надёжное крепление на ободе колеса, удобство и лёгкость операций монтажаРазмещено на http://www.allbest.ru/

на обод колеса и демонтажа с него;

не разрушать дорогу;

Размещено на http://www.allbest.ru/

и быть ремонтоспособными.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Важность некоторых из перечисленных выше требований изменяется в зависимости от условий эксплуатации шин. Так, при работе по бездорожью первостепенное значение приобретает проходимость, а при работе по плохим дорогам, -- механическая прочность шин. Для шин, используемых в северных и южных районах, важно сохранение их работоспособности при высоких и низких температурах, для шин, устанавливаемых на легковых автомобилях, -- обеспечение безопасности движения на больших скоростях.

Учитывая сложность требований, автомобильные шины в настоящее время выпускают нескольких разновидностей: обычные и повышенной грузоподъёмности, камерные, бескамерные, с радиальным расположением нитей корда в каркасе, со съёмным протектором, с регулируемым давлением, арочные, широкопрофильные, низкопрофильные, для каменных карьеров, для лесозаготовок, морозостойкие, для тропического климата, с рисунком протектора дорожным, универсальным, повышенной проходимости, зимним и карьерным. Зимние шины предназначены для эксплуатации на заснеженных и обледенелых дорогах и в том числе с шипами.

Все указанные шины могут отличаться комплектностью, исходными материалами, конструктивными элементами и соотношением основных их размеров. Так, шины повышенной грузоподъемности изготавливаются из высокопрочных материалов. Морозостойкие шины выпускают для районов с температурой ниже --45°С, где обычные шины не могут быть использованы. Они отличаются от обычных тем, что при их изготовлении применяют морозостойкие резины. Шины для тропического климата отличаются от обычных также в основном качеством резины. Для их изготовления используют более теплостойкие резины. Специальные шины предназначены для работы в тяжёлых условиях (карьерах или на лесоразработках). У них более прочный каркас и толще протектор с рисунком, имеющим широкие выступы и узкие канавки.

В результате применения новых типов шин удалось повысить такие важные эксплуатационные качества автомобилей, как проходимость, грузоподъёмность, топливную экономичность, скорость и безопасность движения. Этому способствует, в частности, применение для изготовления шин современных высококачественных резин и тканей.

Различают шины, предназначенные для легковых и грузовых автомобилей, прицепов и автобусов.

Размер шин или её торговое обозначение состоит из двух групп цифр, написанных через тире. По цифрам до тире можно судить о примерной величине ширины профиля, а по цифрам после тире, -- о внутреннем диаметре шины или посадочном диаметре обода колеса, предназначенного для данной шины. Эти величины указываются в миллиметрах, но могут встретиться и в дюймах. Так, в обозначениях: 260-508; 150-330; 12,00-20; 7,35-14 первая цифра указывает примерную ширину профиля В. Причём целое число из трех знаков (260; 150) выражает её в миллиметрах, а цифра, состоящая из целого числа и двух десятичных знаков (12,00; 7,35), -- в дюймах. Вторая трехзначная цифра (508; 330) или двухзначная (20;14) выражает внутренний диаметр шины d или посадочный диаметр обода соответственно в миллиметрах и дюймах. На боковинах покрышек, кроме того, указывают наименование или товарный знак завода-изготовителя, модель, а также знак направления вращения в случае направленного рисунка протектора.

Камерными называются шины, имеющие в своем комплекте камеру. Камерная шина, монтируемая на плоский обод, состоит из покрышки, камеры и ободной ленты. В комплект камерной шины, монтируемой на глубокий обод, входят только покрышка и камера.

Основными частями покрышки являются каркас, брекер (подушечный слой), протектор, боковины и борта. Каркас служит основой покрышки, придаёт ей необходимую прочность, гибкость и упругость. Он состоит из наложенных друг на друга и соединённых между собой нескольких слоёв прорезиненного корда.

Покрышка шины грузового автомобиля: 1 -- беговая часть; 2 -- боковина; 3 -- борт; 4 -- протектор; 5 -- брекер; 6 -- каркас; 7 -- слои корда; 8 -- резиновые прослойки; 9 -- усилительные ленты; 10 -- проволочное кольцо; 11 -- прорезиненная лента.

Повышение качества шин связано прежде всего с усовершенствованием конструкции каркаса. Улучшение конструкции каркаса достигается как в результате применения более качественных материалов, так и при изменении устройства и геометрических параметров элементов каркаса. Так, большое значение на эксплуатационные качества шины оказывает расположение нитей корда в каркасе и брекере. По расположению нитей в корде все шины можно подразделить на диагональные и радиальные. Радиальные шины отличаются от диагональных конструкцией каркаса и брекера, что обеспечивает им хорошую износостойкость, экономию материалов и хорошую эластичность.

Виды шин: а -- диагональные; б -- радиальные; 1 -- слои каркаса; 2 -- слои брекера.

Радиальная шина: 1 -- слои брекера; 2 -- каркас с радиальным расположением нитей корда.

Брекер у радиальных шин изготавливают многослойным (два -- восемь слоёв), практически нерастяжимым. Нити корда в слоях брекера расположены под углом 70 -- 80° к меридиональному сечению покрышки, то есть почти по окружности. Для брекера используют чаще всего металлический корд. Это способствует уменьшению напряжения в нитях корда, вызываемого внешними нагрузками и внутренним давлением воздуха, а также уменьшению деформации сжатия, сдвиговых деформаций резин и внутренних потерь на трение. Поэтому у радиальных шин число слоёв корда в каркасе меньше, чем у обычных, и, кроме того, их количество может быть нечётным.

Уменьшение количества слоёв корда в каркасе в радиальных шинах при сохранении его прочности на 6 -- 10% снижает массу покрышки, теплообразование и сопротивление качению. Указанное расположение нитей корда в каркасе и брекере создаёт по короне покрышки нерастяжимую и несжимаемую как в окружном, так и в поперечном направлениях систему, что резко снижает проскальзывание элементов протектора в продольном и поперечном направлениях в зоне контакта с дорогой и является основным фактором, повышающим износостойкость протектора.

У радиальных шин бульшая площадь контакта с дорогой и лучшее сопротивление боковому уводу. Опыт эксплуатации радиальных шин показывает, что благодаря лучшей работоспособности каркаса, более высокой износостойкости протектора, меньшей работе трения в контакте срок службы радиальных шин на твёрдых дорогах с ровным покрытием увеличивается в 1,5 -- 2 раза по сравнению с обычными диагональными шинами. Кроме того, установлено, что радиальных шины обладают более высокими тягово-сцепными качествами, создают на 10 -- 15% меньшие потери на качение, благодаря чему на 3 -- 5% повышается топливная экономичность, и улучшаются динамические качества автомобиля. Радиальные шины считают самыми перспективными, с их внедрением успешно решается задача по увеличению срока службы шин.

Ткань корда состоит из крученых нитей основы и тонких, редко расположенных поперечных уточных нитей. У безуточного корда поперечных нитей нет. Такое строение ткани корда позволяет после пропитки пропиточным составом покрыть резиной каждую отдельную нить, изолировав их друг от друга резиновой прослойкой, что предохраняет нити от быстрого перетирания, снижает трение и теплообразование, придаёт каркасу покрышки прочность и эластичность.

Лучшим кордом является тот, который более прочен при одном и том же калибре нитей, имеет меньшее удлинение и утомляемость, более эластичен, теплостоек и влагостоек, создаёт меньшие потери на трение, обеспечивает хорошее обрезинивание. Качество корда зависит от типа используемого волокна, которое бывает природным (хлопковое), искусственным (вискозное) и синтетическим (капрон, нейлон, тревира). Искусственные синтетические волокна называют химическими. Искусственные волокна получают в результате химической обработки природных высокомолекулярных соединений (клетчатки или целлюлозы), а синтетические, -- из синтетических высокомолекулярных соединений (капролактама или полиэфирной смолы).

Хлопчатобумажный корд характеризуется высоким теплообразованием, низкими теплостойкостью и прочностью, поэтому он не применяется для изготовления современных шин. Вискозный корд более качественный, его прочность почти не изменяется при температурах, достигающих 100°С. Шины, изготовленные из вискозного корда, имеют пробег в 1,5 -- 1,7 раза больший, чем из хлопчатобумажного. Производство сырья для вискозного корда почти в 4 раза менее трудоёмко, чем для хлопчатобумажного. Недостатки вискозного корда, -- пониженное сцепление с резиной, повышенная гигроскопичность и заметное (до 40%) снижение прочности при увеличении влажности.

Полиамидный корд (из капрона и нейлона) превосходит вискозный и тем более хлопчатобумажный. Капроновое волокно гниёт, устойчиво к истиранию и к действию многократных деформаций, более теплостойко (плавится при 215-ти °С). Применение капронового и нейлонового корда сокращает расход каучука при изготовлении автомобильных шин примерно на 15%, удлиняет срок службы шин на 30 -- 40%, а также уменьшает потери на качение. конструкционный вулканизация температура резиновый

К недостаткам капронового корда относится значительное упругое удлинение нити, что способствует разнашиваемости каркаса. Однако качество химических волокон непрерывно повышается и создаются новые, более совершенные их виды. В частности, перспективным считают корд из синтетического полиэфирного волокна (тревира), который при той же высокой прочности отличается высокой эластичностью, теплостойкостью и усталостной прочностью (в 1,5--2 раза выше, чем у вискозы).

В последние годы нашел применение металлокорд. Его изготавливают из стальных тросиков толщиной 0,5 -- 1,5 миллиметра, свитых из проволоки диаметром 0,1 -- 0,25 миллиметра. Стальная металлическая проволока, применяемая для металлокорда, намного превосходит прочность нитей из природных и искусственных волокон. Прочность металлокорда практически не снижается при температурах, которые развиваются в шине. Он обладает высокой теплопроводностью, незначительной разнашиваемостью. Шины с металлокордом на автомобильных дорогах с усовершенствованным покрытием служат примерно в 2 раза больше, чем обычные. Недостаток металлокорда заключается в невысокой усталостной прочности, а также в значительной стоимости, что ограничивает его применение.

В каркасе диагональных шин нити соседних слоёв корда перекрещиваются между собой под определённым углом (95 -- 115°), а угол наклона нитей корда к радиальной линии профиля покрышки по короне составляет примерно 52°. В каркасе этих шин всегда чётное количество слоёв корда. Это позволяет обеспечить равномерное распределение нагрузки на шину. Общее количество слоёв корда в покрышке зависит от нагрузки, назначения, давления воздуха в шине, а также от материала корда. Так, у покрышек грузовых автомобилей число слоёв корда бывает от 6-ти до 28-ми, а у легковых, -- от 2-ух до 6-ти. Счёт слоёв корда ведётся от внутренней стороны покрышки к внешней. У многослойных покрышек между некоторыми, главным образом последними, слоями корда имеются резиновые прослойки, которые создают упругую связь между слоями корда, допуская относительное смещение слоёв при резких деформациях.

При работе диагональной шины в её контакте с дорогой происходит изменение угла наклона нитей корда, что вызывает сдвиг слоёв, неравномерное распределение нормальных и касательных напряжений, повышенные деформации и теплообразование. Всё это отрицательно сказывается на сроке службы автомобильной шины. Диагональные шины не являются перспективными, и их выпуск сокращается.

Для конструкции каркаса шин всех указанных видов характерна тенденция к уменьшению отношения высоты к ширине профиля. Если у шин производства 30-х годов прошлого века это отношение было более единицы, 40-ых -- 50-ых, -- близкое к единице, то в настоящее время выпускаются шины с отношением высоты профиля к ширине 0,8 -- 0,7. Такие шины называются низкопрофильными и выпускаются для автомобилей ВАЗ.

Низкопрофильные шины благодаря небольшой высоте боковин обеспечивают лучшую устойчивость автомобилю, а благодаря большей площади контакта с дорогой, -- лучшее сцепление. Важное достоинство этих шин, -- больший срок службы по сравнению с обычными диагональными шинами примерно на 40%.

Борта шины служат для крепления покрышки на ободе колеса. Борт состоит из крыла и слоёв корда, завёрнутых вокруг крыла. Крыло представляет собой проволочное бортовое кольцо и профильный резиновый шнур, совместно обёрнутые тонкой прорезиненной тканью (обёрткой) и усилительными лентами, служащими для закрепления крыла в покрышке. У покрышек легковых автомобилей профильный резиновый шнур и обёртку не применяют. У грузовых покрышек с восемью и более слоями корда для большей прочности и лучшей устойчивости на ободе имеются два бортовых кольца. Бортовое кольцо делает борт покрышки жёстким, не растягивающимся, а профильный шнур придаёт ему монолитность и требуемую форму.

Для защиты от повреждений при монтаже покрышек и в процессе работы борта по наружной поверхности покрывают одной или двумя прорезиненными лентами из чефера, Ї прокладочный холст. Протектор представляет собой толстую резиновую полосу, расположенную по беговой части покрышки, с рисунком на наружной поверхности, выполненным в виде выступов и канавок между ними. Площадь выступов составляет 40 -- 80% всей поверхности беговой дорожки протектора.

Шины с характерными рисунками протектора, предназначенные для работы в различных дорожных условиях: а, -- на дорогах с твёрдым покрытием; б, -- в условиях бездорожья; в, -- на смешанных дорогах.

Протектор обеспечивает шине необходимое сцепление с дорогой, предохраняет каркас и камеру от повреждений, смягчает толчки и колебания, воспринимает тяговое и тормозное усилия, придаёт шине необходимую износостойкость, от которой зависит срок службы шин. Например, износ протектора шины 6,70-15 легкового автомобиля составляет 0,15 -- 0,3 миллиметра на 1000 километров пробега, а радиальные шины автомобилей ВАЗ 0,1 миллиметра на 1000 километров пробега.

Толщина протектора у обычных шин грузовых автомобилей 14 -- 32 миллиметра, а легковых 7 -- 17 миллиметров. Подканавочный слой составляет 20 -- 40% толщины протектора. Более толстый протектор имеет больший пробег и надёжнее защищает каркас от внешних воздействий, но в то же время он утяжеляет шину, увеличивает сопротивление качению, момент инерции колеса и нагрев шины, что может привести к расслаиванию покрышки. Рецептура резины протектора оказывает большое влияние на его износ и сцепные качества шины. Иногда протектор выполняется из двух резин: верхний слой, -- из жёсткой износоустойчивой резины; нижний (подканавочный слой), -- из эластичной резины.

От формы рисунка протектора зависит сцепление шипы с поверхностью дороги, причём поперечные канавки на протекторе способствуют восприятию окружных усилий, а продольные, -- боковых, то есть удерживают автомобиль от заносов. От рисунка зависит эластичность протектора, мягкость и бесшумность хода. Форма рисунка влияет также на нагрев покрышки и её износ, на разбрызгивание грязи и воды при движении автомобиля по мокрой или грязной дороге и на проходимость автомобиля.

При работе на дорогах с усовершенствованным покрытием рисунок протектора покрышки должен быть дорожный и состоять из продольно расчленённых, волнообразных, зигзагообразных или прямых канавок, рассечённых в поперечном направлении щелевидными канавками. Для работы по бездорожью используют шины с рисунком протектора повышенной проходимости, который имеет глубокие выемки и выступы в виде рёбер. В условиях смешанных дорог применяют покрышки с универсальным (комбинированным) рисунком протектора, состоящим из продольных рёбер или шашек в средней части беговой дорожки и крупных массивных выступов, разделённых широкими впадинами по краям дорожки. Минимальный шум при движении автомобиля обеспечивают покрышки, имеющие рисунок протектора с продольными канавками без поперечных.

Брекер является одной из наиболее ответственных деталей покрышки, он работает в условиях многократных деформаций на растяжение, сжатие и сдвиг. В брекерном слое обычно развиваются высокие температуры, достигающие 120-ти °С и более. В радиальных шинах брекер выполняется чаще всего из металлокорда. Брекер изготавливают также из прорезиненного стеклопластика.

Боковины представляют собой эластичный резиновый слой, которым покрывают боковые стенки каркаса покрышки для предохранения их от механических повреждений и влаги. Толщина боковины 1,5 -- 3,5 миллиметра. На боковинах нанесены обозначения покрышек.

Камеры различаются между собой размерами, конструкцией вентилей и их креплением. Камеры изготавливают из мягкой резины с толщиной стенки 1,5 -- 3 миллиметра, причём иногда по беговой (при усовершенствованных дорогах) или бандажной части (при повышенных скоростях) стенки камеры делают более толстыми. Размеры камер несколько меньше внутренней полости покрышки, чтобы в накачанном состоянии камера не имела складок. Помимо хорошей герметичности и эластичности камера должна обладать достаточной прочностью и стойкостью против окислительного и теплового старения, а также небольшим остаточным удлинением.

Вентили: а -- металлический с обрезиненной пяткой; б -- резино-металлический; в -- бескамерных шин; г -- золотник; в -- схема золотника; 1 -- корпус; 2 -- резьба под колпачок-ключ; 3 -- стенка камеры; 4 -- резиновая пятка; 5 -- металлическая втулка; 6 -- металлическая пятка; 7 -- колпачок-ключ; 8 -- шпилька, 9 -- резиновая манжета; 10 -- чашечка с резиновым кольцом; 11 -- пружина.

Вентиль камеры представляет собой привулканизированный к стенке камеры обратный клапан, автоматически запирающий выход воздуха из камеры, но позволяющий нагнетать его внутрь. На камерах отечественного производства устанавливают металлические и резино-металлические вентили с пружинными клапанами-золотниками. Металлические вентили с корпусом, изогнутым под прямым или тупым углом, применяют для шин грузовых автомобилей. Характер изгиба корпуса (одно или два колена) и его длина зависят от типа и размера обода колеса, а также от того, сдвоенное оно или одинарное.

Вентиль состоит из корпуса, золотника (показанного на рисунке отдельно) и колпачка-ключа, а у бескамерной шины, кроме того, имеются детали крепления вентиля к ободу. Вентили всех типов имеют стандартные размеры основных отверстий и взаимозаменяемые золотники и колпачки-ключи.

Ободная лента, помещаемая между камерой и ободом колеса, служит для защиты камеры от перетирания ободом колеса и от её защемления бортами покрышки. Форма, длина, толщина и ширина ободной ленты зависят от типа обода и размера шины.

Автотранспортные предприятия используют резину в виде ремонтного материала для ремонта шин. Резины для ремонта шин, кроме клеевой, поставляют в виде листов, закатанных в рулон с миткалевой или целлофановой прокладкой на деревянные или картонные ролики. Каждый рулон должен иметь бирку с соответствующими данными.

Протекторная резина имеет толщину 2 ± 0,2 миллиметра и предназначена для заполнения вырезанных при ремонте участков протектора и боковин покрышек. Прослоечная резина толщиной 0,9 ± 0,1 миллиметра предназначена для обкладки вырезанных участков покрышек, пластырей и манжет с целью лучшего их соединения с покрышкой. Камерная резина служит для изготовления заплат при ремонте камер, теплостойкая, -- для изготовления варочных камер. Клеевая резина поставляется в кусках толщиной 10 миллиметров и предназначается для изготовления клея.