Как производят автомобильные шины

Как производят автомобильные шины

Колесо - одно из древнейших изобретений человечества. А сами шины изобретены были не так давно, около 170 лет назад. Однако в век массового производства вполне понятно, что мы не знаем, как делаются самые обычные вещи, например, как производят автомобильные шины?

Узнав немного о шинах, вы сможете понять, как эта часть вашего автомобиля устроена и каким образом обеспечивает ему способность двигаться. Почти всем нужны шины того или иного типа, а этих типов - множество. Помимо легковых и грузовых, шины применяются на специальной и сверхтяжелой карьерной технике, а также именно на шины приземляются почти все самолеты.

Давайте немного углубимся в эту тему и поймем, как что-то вроде резиновой смеси может превратиться в шину с детализированным протектором и заданными техническими свойствами. 

Справа на фото - фрезеровка сегмента формы для шины

Секреты производства шин

Типичный шинный завод располагает различным оборудованием и техникой для производства. Шины должны быть тщательно спроектированы, собраны, отлиты, изготовлены для правильной поддержки автомобиля при всех нагрузках. Нижняя часть шины должна быть плоской даже во время резких поворотов, в то время как ее боковина должна упруго сопротивляться изгибу.

Это должна быть прочная и эластичная конструкция, иначе она бы не соответствовала стандартам для широкого распространения. Да, на первый взгляд шина выглядит достаточно просто, но как насчет всех этих линий на верхней части протектора автомобильных шин, как по окружности, так и по бокам?

Вместо того, чтобы запутывать вас этими вопросами, мы собираемся на секунду нажать на тормоза. Чтобы понять весь процесс производства шин, нужно начать с основ. Все начинается со специально подобранных резиновых смесей.

На фото - натуральный и искусственный каучук. Натуральный - коричневый.

Компаундированные материалы

Чтобы ответить на вопрос, как производят автомобильные шины, нужно ввести понятие компаундов, это смеси материалов, обычно твердые или эластичные, в которых присутствуют жидкие, вязкие и твердые компоненты. Смешивание вязкой резиновой массы требует значительных усилий, на заводе это делают на валках, которые раскатывают смешиваемую массу каучуков и добавок в слои, которые складываются и опять раскатываются до полной гомогенизации – равномерного состава по объему.

Смешанные материалы образуют состав, компаунд, из которого состоит шина. В зависимости от того, какой тип шин нужен, производители шин добавляют в процесс смешивания более «жесткие» или «мягкие» материалы.

Производители используют более твердые резиновые смеси, если стремятся получить более прочную шину. Преимуществом более твёрдой шины является то, что она обеспечивает лучшую экономию топлива. Более твёрдые шины имеют меньшее сопротивление качению, а это означает, что для их движения требуется меньше энергии топлива. Более «мягкие» шины – зимние, они эластичнее и лучше цепляются за снег и лёд. В их протекторе сформированы ламели, параллельно прорезанные слои, группы ламелей под разными углами. Они, буквально, присасываются ко льду при движении.

Более твердые составы также используются в процессе производства коммерческих шин. Такие транспортные средства, как большие грузовики и автобусы, нагружают шины большими весами и усилиями, и материалы позволяют эти нагрузки выдерживать.

Более мягкие составы также широко используются в производстве шин, но скорее для шин, которые требуют большего сцепления, особенно на высоких скоростях. Состав резиновой смеси может сильно отличаться у разных марок, хотя все они используют одни и те же базовые компоненты. К ним относятся проволока, технический углерод, ткань, резина и химические соединения.

Все компоненты - смесь каучуков, компаунд с сажей, вулканизатор и наполнитель отправляют в мощный смеситель

Натуральный каучук для производства шин

Натуральный каучук – природный полимер, добываемый из латекса гевеи. Гевея растет, в основном, в юго-восточной Азии. Натуральный каучук образует эластичную структуру шины, продлевая срок ее службы, предотвращая ее износ и разрыв. Он сохраняет шину неповрежденной, предотвращая растрескивание боковины под давлением, обеспечивает сцепление с дорогой.

Молекулы каучука как скрученные спирали. Они растягиваются под действием механической силы и обладают эластичностью, то есть, после снятия силы, возвращаются к прежним размерам. Чтобы каучук сделать более прочным, его вулканизируют соединениями серы или самой природной серой. Мостики атомов серы сшивают спиральные молекулы каучука между собой и обеспечивают пространственную, объемную структуру полимера.

Если природный каучук растворяется в бензине, а это всем известный резиновый клей, то после сшивания-вулканизации он может только набухнуть в растворителе, но растворяться не будет.

Смотрите также - из чего сделаны ваши шины?

Желтое вещество в пакете, - по видимому, сера для вулканизации каучука. Все это смешивается до однородной массы. Серое - возможно, мелкодисперсный кремнезем, наполнитель.

Синтетический каучук в шинном производстве

Смеси натурального и синтетического каучука обычно применяются вместе в качестве исходного сырья для производства резины шин. Синтетический каучук - это полимер бутадиена, иногда с другими мономерами, например со стиролом. Строение полибутадиена обеспечивает те же эластичные свойства, так как его молекулы также свернуты в спирали и могут под нагрузкой вытягиваться, а потом возвращаться к исходным размерам почти без удлинения при снятии нагрузки. 

Синтетический и природный каучуки взаимозаменяемы, первый синтезируется из нефти, второй собирается на сельскохозяйственных плантациях гевеи – фикуса, дающего латекс, эмульсию каучука в воде. Когда нефть дорожает, плантаторы гевеи получают дополнительную прибыль. Качественный синтетический каучук с заданными свойствами стоит достаточно дорого. 

Кстати, производство шин позитивно влияет на экологию, с точки зрения теории парниковых газов. В латексе надолго фиксируется углерод из атмосферы. И хоть это количество не велико - фиксация углекислого газа деревьями каучуконосами идет непрерывно.

Кроме эластичных полимеров в производстве шин применяют сажу – натуральный углерод и белую сажу – мелкодисперсный диоксид кремния.

Частицы сажи имеют развитую поверхность, связываются при вулканизации с полимером химическими связями и также адгезией, и стабилизируют в целом всю резиновую массу, уменьшая износ резины. Количество наполнителя – сажи и степень вулканизации влияет на прочность и упругость резины. Если вулканизатора добавить больше – получится полимер эбонит – твердый, не эластичный материал, который даже можно подвергать токарной обработке.

Сегодня в производстве шин используются высокотехнологичные линии станков. Это значительно увеличивает скорость производства шин. Чтобы упростить работу на большинстве шинных заводов, они сводят к минимуму сложность обслуживания оборудования и время наладки. Однако человеческие руки квалифицированных рабочих на ряде этапов производства шин незаменимы. Как производят автомобильные шины, - в основном, на автоматических линиях, с существенным применением ручного труда.

Один человек может управлять несколькими компьютерными системами, в то время как TBM выполняет тяжелую работу. Он захватывает боковину, внутреннюю прокладку, протектор, борта и корд и использует их для сборки шины на сборочной линии. Шина, которая выходит с такой линии, называется «зеленой шиной», это означает что она еще должна пройти процесс отверждения - вулканизации. 

На фото - многочисленные слои шины в ее сечении

Пошаговое изготовление шин

Для производства шин требуется сырье, такое как комбинация натурального и синтетического каучука. Но как мы переходим от сырой резины к новой шине в процессе производства? Бренды изготавливают огромный ассортимент - легковые шины, пневматические шины, шины для легких грузовиков или любые обычные радиальные шины, следуя аналогичным производственным шагам.

1. Резиновые смеси и другое сырье

2. Производство заготовок для шины

3. Сборка шины послойно - на фото справа

4. Формование и вулканизация

5. Контроль качества

Основные этапы практически те же, разница состоит в составе резиновых смесей, применении различных слоев тканевого и металлического корда, и в оборудовании, используемом во время этих этапов. После принятия проекта шины заводу также необходимо разработать новое оборудование, выточить трехмерную форму, адаптированную для формовки этой новой модели шины. Когда вы решили купить новые шины, подумайте об этом!

Составы для шин и сырье для производства

Первый шаг в производстве шин это получение высококачественных ингредиентов. Любой, кто хочет начать производить шины, должен сначала инвестировать в сырье. Помимо каучуков, резиновых компаундов это стальная проволока, различные химикаты и текстиль.

Рабочие на плантациях гевеи добывают каучук из деревьев в виде жидкого латекса. Они отделяют от воды коагулят латекса с помощью кислоты, сушат его, а затем транспортируют сырой каучук в тюках. Кремнезем и сажа используются для того, чтобы увеличить сцепление с дорогой и продлить срок службы шин.

Бренды шин применяют и синтетические полимерные каучуки, их мономеры – бутадиен, стирол. В специальных аппаратах производится контролируемая полимеризация бутадиена, который в свою очередь производится из этилового спирта. Натуральный вариант - каучуковое дерево (Hevea Brasiliensis), источник латекса и каучука. Кстати, для авиационных шин применяется преимущественно натуральный каучук. 

Различные отрасли поставляют эти сырьевые материалы на шинные заводы, для создания деталей шин. Сталь в качестве исходного материала применяется для стальных лент корда и сердечников бортов шины. Производители изготавливают стальные ленты из стального корда, в то время как для сердцевины борта используют стальную проволоку.

Текстиль также необходим для армирующих слоев ткани в чередовании с резиновым покрытием и их пропиткой. Используемые текстильные материалы - нейлон, арамидные волокна, вискоза и полиэстер. Производители используют их для усиления, поддержания структуры, формы шины, также это повышает устойчивость к проколам и разрывным нагрузкам от наезда на что-либо угловатое и острое.

На фото - барабаны с резиновыми лентами и лентами текстильного корда. 

Шаг второй – Производство: Конструкция шин

Слои натуральных и синтетических компонентов разрезают на точные порции, необходимые для производственного процесса. Затем они накладываются друг на друга и соединяются давлением. Получаемый слоистый «пирог» может различаться, так как для разных легковых шин используется в среднем двенадцать различных резиновых смесей в слоях.

Изготовление новой шины обычно начинается с предварительно обработанных стальных сердечников обода. Они встраивают их в один или два слоя резины, их длина соответствует размеру шины.

Следующая процедура заключается в встраивании текстильных слоёв в слои резины с помощью огромного роликового устройства. Выходящий лист разрезается в направлении движения под углом 90 градусов, чтобы получить желаемую ширину. Борт состоит из покрытых резиной стальных проволок кольцеобразной формы. 

После сборки всех слоев и боковины на цилиндр накладывают слой протектора.

Шаг третий – Сборка

Сборщик шин начинает сборку шины с помощью барабана своей машины. Он берет внутреннюю прокладку, оборачивает ее вокруг барабана и оборачивает первый слой шины сверху. Затем идет второй слой, после чего узлы бортов устанавливаются на место, и барабан машины надувает баллон, который прижимает слои конструкции шины к форме.

Формируется воздухонепроницаемый внутренний вкладыш, который имеет резиновые слои и ткань корда. После формирования эта деталь шины имеет форму цилиндра. По бокам его одевают обрезиненные стальные борта, цилиндр выворачивается наизнанку, и так встраиваются и закрепляются усиленные проволокой борта шины.

Следующим шагом является прижатие резиновых деталей боковин с обеих сторон. Затем они передают «зеленую» шину другому станку, который продолжает сборку. К нему добавляются нити, нейлоновый слой и необработанная резина протектора сверху. 

Особое внимание придается точности дозировки, размеров слоев, и постоянной прокатке роликами, чтобы никаких пузырьков воздуха не осталось внутри слоёв шины. Далее цилиндр сжимается с боков и поддувается сжатым воздухом, к этому моменту шина уже имеет очертания готового продукта.

Из резиновой массы формируют будущий протектор в виде полосы, его накладывают и прикатывают к слоям боковины.

Шаг четвертый – Формование:

Это этап процесса изготовления, когда пирог из слоев резины и корда помещается в форму из множества сходящихся сегментов, и к еще «зелёной» шине применяется повышенная температура и давление.  Повышение давления в шине приводит к тому, что ее протектор и боковина вдавливаются в форму.

В результате в процессе формования «зеленая» шина отверждается, вулканизируется и выходит из формы уже с рисунком протектора и надписями на боковинах. После завершения процесса сбрасывают внутреннее давление, и в результате получается отвержденная горячая шина.

Волоски резины на новой шине – это от высверленных в форме отверстий, которые заполняются избытком резиновой смеси при обработке давлением. Так шине придается идеальная проектная форма: лишние кубические миллиметры каучука выдавливаются в эти волоски. Если внимательно посмотрите на форму, эти отверстия видны.

Шаг пятый – Осмотр:

Шины проходят контроль качества на каждом отдельном этапе их производства. Дизайн протектора и внутренние компоненты, включая профиль шины и слои шины, тщательно изучаются на протяжении всего производственного процесса.

Существует три основных метода проверки качества, рекомендованных ассоциацией производителей шин. Они включают в себя рентгенографию, визуальный осмотр и ряд проверок однородности шин. Шины должны пройти эти проверки и испытания, прежде чем производитель сможет отправить их на склад.

Если вы наблюдательны, то можете заметить, что на фото ниже - мотоциклетная шина. В принципе, технологии производства по стадиям не отличаются существенно. Различия в используемых материалах, в количестве слоев, в материалах корда, и, конечно же, в формах.