Чтобы уменьшить деформацию боковин шины, давление воздуха в шинах типа R должно быть несколько выше (до 30–50 %), чем в шинах диагонального строения, но при этом радиальная деформация шин типа R все же на 10–20 % выше из-за их большей эластичности.
Покрышка имеет сложную конфигурацию и состоит из нескольких конструктивных элементов.
Каркас, являясь основной силовой частью покрышки, ограничивает объем накачанной камеры и воспринимает нагрузки, действующие на шину. Основной нагрузкой на шину являются собственный вес автомобиля и вес перевозимого груза или пассажиров. Каркас должен обладать значительной прочностью, а также определенной эластичностью. Он состоит из нескольких наложенных друг на друга слоев прорезиненного корда и резиновых прослоек – сквиджей. Материалом корда могут служить нити из полимерных волокон (капрон, лавсан и т. д.), а также трос из стальной латунированной проволоки (металлокорд). Прочность покрышки определяется прочностью каркаса и зависит главным образом от прочности корда, так как модуль его упругости на несколько порядков больше модуля упругости резины.
Каждая нить корда изолирована от соседних и в то же время связана с ними резиной. Резина предохраняет кордные нити от влаги, перетирания и способствует равномерному распределению нагрузок между ними.
Форму каркаса и число слоев корда в нем определяют расчетом, исходя из заданного давления воздуха, нагрузки, типа и назначения шины. Кордные нити несут основную нагрузку во время работы шины, обеспечивая последней прочность, эластичность, износостойкость и сохранение заданной формы. Кордная нить в покрышке работает главным образом на растяжение и многократный изгиб. Эти напряжения возникают, как правило, в результате давления воздуха и действия центробежных сил, которые создают в корде растягивающие напряжения.
Значительное влияние на работу каркаса оказывают толщина корда, его плотность, теплостойкость и другие физико-механические свойства. Под действием приложенных к колесу сил шина деформируется только на определенном участке окружности – в рабочей зоне, расположенной в области контакта шины с дорогой и равной приблизительно одной трети длины окружности как для легковых, так и для грузовых автомобилей.
Брекер шины представляет собой резинокордный слой, расположенный между каркасом и протектором. Он состоит из двух и более слоев разреженного корда, перемежающихся утолщенными слоями резины. Чаще всего материалом для корда брекера служит стальная проволока. Утолщенные слои резины обеспечивают возможность перемещения нитей корда брекера в процессе работы шины. Конструкция брекера зависит от типа и назначения покрышки. Брекер нужен для усиления каркаса и улучшения связи между каркасом и протектором, которая должна быть максимально возможной. Необходимая связь достигается правильным подбором материала брекера. Брекерная резина должна обеспечивать плавный переход жесткости от каркаса к протектору, что оказывает серьезное влияние на интенсивность износа протектора шины. Брекер также смягчает воздействие ударных нагрузок на каркас шины и способствует более равномерному распределению их по поверхности покрышки. Брекер воспринимает многократные деформации на растяжение, сжатие и сдвиг, что приводит к значительному теплообразованию в связи с недостаточной теплопроводностью резины. Поэтому брекерный слой, как правило, имеет более высокую температуру в сравнении с другими элементами покрышки (до 120 °С).
Протектор представляет собой толстую профилированную резину, расположенную на внешней стороне покрышки и входящую в непосредственный контакт с дорогой при качении колеса. Протектор обеспечивает необходимый эксплуатационный ресурс шины, надлежащее сцепление с дорогой, смягчает воздействие толчков и ударов на каркас шины, уменьшает колебания (в первую очередь крутильные) в трансмиссии автомобиля, а также предохраняет каркас от механических повреждений. В процессе качения колеса элементы протектора работают на двухстороннее сжатие и сдвиг, а также на растяжение. Эти деформации по абсолютной величине больше, чем у каркаса и брекера.
Протектор состоит из расчлененной части – рельефного рисунка – и подканавочного слоя, который обычно составляет 20–30 % от толщины протектора. Слишком тонкий подканавочный слой способствует растрескиванию протектора, повышению деформаций нитей корда первого слоя каркаса, уменьшению прочности каркаса при воздействии сосредоточенной нагрузки. Излишне толстый слой ухудшает условия охлаждения шины, увеличивает гистерезисные потери, приводит к перегреву и расслоению покрышки. Протектор имеет неодинаковую толщину у шин различных конструкций и назначения. Чем толще протектор, тем больше пробег шин до его полного истирания, тем лучше он защищает каркас от внешних воздействий. Однако толстый протектор делает шину тяжелее, приводит к ее перегреву и расслоению, повышает начальную интенсивность износа, увеличивает момент инерции колеса и его сопротивление качению. Толстый протектор вызывает повышение теплообразования при больших скоростях движения, когда появляются дополнительные деформации протектора ввиду значительного увеличения инерционных сил. Толщина протектора у шин легковых автомобилей колеблется от 7 до 12 мм, у шин обычных грузовых автомобилей – от 14 до 22 мм, а у арочных шин – от 40 до 60 мм.
На поверхности протектор имеет рельефный рисунок, разновидность которого зависит от типа и назначения шины. Выбор целесообразной глубины рисунка и толщины подканавочного слоя производят с учетом условий работы шины (характера дорожного покрытия, скорости качения, климатических условий, характера работы шины), а также характеристики материалов, применяемых в шине. Ширина протектора ориентировочно составляет 70–80 % ширины профиля шины.
Автомобильные шины изготавливают с различными рисунками протектора. Применительно к легковым автомобилям их можно разделить на три вида.
1. Шины с летним (или дорожным) рисунком протектора. Протектор имеет множество составляющих элементов, которые образуют продольные канавки и ребра. Микрорисунка на них, как правило, нет. Такие шины предназначены для асфальтобетонных дорог с сухим и мокрым покрытиями и малопригодны для езды по проселочным дорогам, особенно в увлажненном состоянии. Тем более они непригодны для заснеженных дорог в любом состоянии.
2. Шины с универсальным рисунком протектора (всесезонные). Канавки между составляющими элементами достаточно широкие в продольном и поперечном направлениях. Протектор имеет еще и микрорисунок – узкие («ножевые») прорези. Универсальный рисунок дает хорошее зацепление с мягким грунтом. Универсальные шины ведут себя на зимних дорогах значительно лучше, чем летние. Однако на твердом покрытии (асфальтобетон) универсальный протектор изнашивается на 10–15 % быстрее летнего.
3. Шины с зимним рисунком протектора, который образуется отдельными блоками, разделенными широкими канавками. На канавки приходится 25–40 % всей площади протектора. Зимние шины имеют широкий диапазон типов и форм протектора – от сравнительно гладких универсального использования (для очищенных зимних дорог) до грубых с развитыми грунтозацепами, предназначенными для заснеженных дорог со льдом.
Зимние шины зачастую снабжены шипами. На асфальтобетонных покрытиях в летний период такие шины изнашиваются весьма интенсивно и отличаются высокой шумностью. Более удачными выглядят ламелированные покрышки, оснащенные тонкими металлическими пластинками-ламелями. Они не только обеспечивают спокойную езду зимой, но и могут успешно конкурировать с летними при движении по сухой поверхности, а кроме того, шумят существенно меньше, чем шипованные.
Рисунок протектора с продольными канавками имеет достаточно высокое сцепление шины с дорогой в боковом направлении и недостаточное сцепление на мокрых и скользких дорогах в продольном направлении. Рисунок протектора с поперечными канавками имеет противоположные показатели, поэтому широкое применение получили рисунки протектора, которые имеют продольно-поперечные канавки.
