Шины автомобильные:Анатомия покрышек для авто от А до Я

Возможно, вы этого не знали, но шины являются одним из самых сложных компонентов в автомобиле

автомобильные шины и девушкаНикогда не думайте о шинах как об однородном шаре из формованной резины, потому что ничто не может быть так далеко от истины. На самом деле, шины более правильно было бы определить как высокопроизводительный композитный материал, содержащий около 60 различных элементов. Вполне возможно, что шины самый сложный компонент в вашем автомобиле. Подготавливая данный материал, мы проконсультировались со специалистами из Goodyear, Michelin, Pirelli. Мы выслушали мнение автомобильных производителей и посетили наиболее информативный веб-сайт, посвященный вопросу шин. Вот, что нам удалось почерпнуть.

Проблемы с которыми сталкиваются производители покрышек для авто

Каждый элемент, из которого состоит автомобильная шина, несет ответственность за сцепление вашей машины с дорогой, как продольно, так и по бокам, как на мокрой дороге, так и на сухой. Они поддерживают комфорт в автомобиле, обеспечивая низкое сопротивление качению и не создавая излишнего шума. И они, шины, продолжают делать это километр за километром, километр за километром.

Каждая характеристика шины напрямую связана с другой и во время инженерной оптимизации зачастую приходится жертвовать красотой ради сцепления шины, либо сцеплением шины ради износостойкости, и так по всем параметрам.

Сцепление и износостойкость, очевидно, являются зависящей друг от друга парой компонентов: чем мягче протектор, тем лучше он будет выполнять свои захватывающие действия межмолекулярного сцепления, но, увы, чем мягче протектор, тем быстрее они износятся.

Тем не менее, производители шин сделали колоссальную работу по уменьшению этих компромиссов с каждым новым поколением конструкций автомобильной покрышки. В последние годы прекрасным примером по совершенствованию шин является вклад в экономичный расход топлива путем снижения сопротивления качению. В целом, было доказано, что при снижении сопротивления качению на 10 процентов, потребление топлива снижается на 1-2 процента.

Сопротивление качению и гистерезис в авто покрышках

«Что это за магия слов – сопротивление качению» - спросите вы? Сопротивление качению – это сила, которая мешает вашим колесам, КАТИТЬСЯ с той скоростью, которую вы им зададите. То есть представьте себе: работает двигатель, крутит ваши колеса, но на пути у них встречаются разные препятствия, которые гасят задаваемую им скорость. В результате теряется энергия, а следовательно двигателю машины приходится выдавать больше энергии для кручения колес и как следствие потреблять больше топлива. Сопротивление качению неизбежно приводит к деформации шин. Чисто в качестве мысленного эксперимента представьте себе колеса поезда. Ясней ясного, что железнодорожные колеса из стали практически не сопротивляются качению, так как их предназначение заключается лишь плыть по рельсам, не цепляясь за них и не деформируясь. В контраст этому шина обладает гистерезисом. «Опять непонятные слова» -  подумаете вы: «Что такое гипертезис?». А мы ответим: Гипертезис – это отставание (по крайней мере, если перевести это слово с греческого языка), то есть явление, при котором шина соприкасаясь с дорогой,  деформируется с запаздыванием, а потом с запаздыванием возвращается в первоначальную форму из-за внутреннего трения в своих компонентных материалахНа практике шины с высоким гистерезисом – к примеру с клейким протектором – будут обладать более сильным сопротивлением качению, шины же с низким гистерезисом будут обладать явно меньшим сопротивлением, что будет более экономить ваше топливо. То есть, гипертезис это неотъемлемая часть такого понятия как сопротивление качению. Над уменьшением деформации шин (т.е. гипертезиса) и работают шинные инженеры. Но сделать это, не причинив вред другим характеристикам автомобильной покрышки, ой как не просто.

На одной из выставок в Парижском автосалоне, компания Michelin рекламировала свои новые шины с уменьшенным коэффициентом сопротивления качению. Делала она это следующим образом: они поставили сферическую рампу, которую вы могли видеть на тренировках у скейтеров и роллеров. На одном из концов рампы стояло две машины, прицепленные к крюку. По команде работника Michelin, эти два автомобиля одновременно отцеплялись от крюка и начинали кататься по сферической рампе туда-сюда. Один из этих автомобилей вскорее остановился, а второй еще катался. Первый был обут в обычные шины, а на втором были надеты шины Michelin, которые обладали низким сопротивлением качению.

Быть может вы подумаете: "Так давайте делать шины тверже, снижая их гипертезис, тем самым уменьшая сопротивления качению".  В ответ мы вам приведем немного истории: первое поколение шин с низким сопротивлением качению было крайне неудобно для езды и не отличалось хорошим сцеплением с поверхностью дороги. (Мы уже упоминали о межмолекулярном сцеплении, но существует еще один аспект, который также участвует в процессе сцепления – гистерезисное трение.) К тому же жесткие шины не безопасны, а  любая кочка, встретившаяся вам по дороге, ощущается в салоне автомобиля как маленькое землетрясение.

Новые достижения в создании резиновой смеси, дизайне каркаса шины и ее конструкции уменьшают такие явление как сопротивления качению, а, следовательно, уменьшают количество потребления топлива автомобилем.

Преобразование сложных композитов автомобильной шины

Основными элементами шин являются протектор, который осуществляет контакт с дорогой; пояс, лежащий в основе шины и стабилизирующий протектор; схема колесабоковые стенки, которые защищают шину от бордюров и других схожих препятствий, которые могут деформировать колесо; борт покрышки на интерфейсе колеса; слои каркаса, определяющие его форму, а также герметизирующий слой, поддерживающий шины в накачанном состоянии. С самого начала создания шины каждый из этих компонентов влияет на ее производительность. Тонкий герметизирующий слой, например, способствует низкому сопротивлению качению и небольшому весу (что очень выгодно для управляемости), но если сделать его слишком тонким, то поддержание постоянного давления воздуха в шинах и их срок службы станут под угрозу.

Дизайн каркаса диктует грузоподъемность шин, сбалансированность их управляемости, торможения и комфортности езды. Слои каркаса, по существу, расположенны самым простым образом, радиально от борта к борту, из-за этого шины и получили название «радиальные», в отличие от традиционных диагональных шин. Что бы вам было еще понятней,  у радиальных покрышек нити корда в прослойках каркаса не перекрещиваются, как у диагональных покрышек, а имеют радиальное расположение, то есть нити корда идут от борта к борту.
Выпускаются эти шины в камерном и бескамерном исполнениях. У диагональных же шин нити корда в прослойках каркаса идут от борта к борту в диагональном направлении.

 диаметральная и радиальная шинаЗапатентованные компанией Michelin еще в 1946 году, радиальные шины очень медленно завоевывали рынок. Шины Michelin X считались последним писком моды среди гонщиков в конце 1950-х годов, потому что их калибровочный пробег был более равномерным по сравнению с распространенными диагональными шинами. Но радиальные шины не выходили за рамки гоночных автомобилей вплоть до 1968 года. Именно тогда компания Ford выпустила новую линейку автомобилей и у некоторых из них были радиальные шины. Но даже в 1982 году компании Avon и Goodyear, производящие диагональные шины, все еще опережали на Формуле 1 компании Michelin и Pirelli, которые перешли на производство радиальных шин. Но все же, финальную победу одержали радиальные шины. Последняя гонка, в которой использовались шины диагональные, состоялась в 1992 году.

Эти радиальные шнуры, определяющие форму каркаса, как правило, выполнены из полиэстера, в отличие от пояса, находящегося непосредственно под протектором, который делают из металлокорда и расположен он как диагонально, так и радиально.

Эластичные элементы шины содержат как природный, так и синтетический каучук. Как это ни странно, но в наш век, где практически во всем отдается предпочтение синтетике, жесткость, обеспечиваемая натуральным каучуком, остается непревзойденной. Резина шин для гоночных автомобилей на 65 процентов состоит из синтетики, пропорция синтетика/ натуральный материал в шинах для пассажирских автомобилей равна 55/45 соответственно, что касается шин для внедорожников, то они более чем на 80 процентов должны состоять из натурального материала, т.е. резины.

Кроме того, частью эластомерной смеси являются армирующие материалы, такие как углерод и кремний, последний из которых полезен при уменьшении компромисса между сцеплением на мокрой поверхности, сухим сцеплением и сопротивлением качению. Некоторые из примесей являются антиоксидантами, другие же улучшают прилипание резины к стали и шнурам из полиэстера, некоторые выступают в качестве отвердителей и технологических добавок в процессе вулканизации шин.

Протектор, угол скольжения, недостаточная и избыточная поворачиваемость автомобильной шины

Рисунок протектора шины влияет на все аспекты ее производительности, точно так же, как и на ее внешний вид. Все мы привыкли к шинам, которые являются ассиметричными как по рисунку протектора, так и по его направленности. Эти тонкости очень важны в оптимизации многих аспектов, начиная управляемостью и снижением шума, и заканчивая отводом воды из бороздок протектора.

Даже во время езды по прямой дороге, сжатие переднего края поля зацепления шины и отдача задней кромки остаются нетривиальными. (Частью этого процесса является гистерезисное трение.) Добавьте боковую нагрузку при поворотах и вещи приобретают совершенно другую, еще более сложную окраску – с этого момента появляются такие понятия, как угол скольжения, недостаточная и избыточная поворачиваемость.

На самом деле очень жаль, что в определении используется слово «скольжение», т.к. складывается впечатление, что шина скользит, чего на самом деле не происходит. Представьте себе шину при повороте и проследите за вращением поля зацепления. Из-за деформации шины при боковой нагрузке, новое направление сцепления не будет совпадать с предыдущим направлением шины. Угол между этими двумя направлениями и есть угол скольжения при данной нагрузке. Несмотря на слово «скольжение», это понятие является мерой неотъемлемой деформации шины, но никак не скольжением.

Теперь представьте себе ускоряющийся на повороте автомобиль. Если изменение угла скольжения передних колес больше, чем задних, то у автомобиля недостаточная поворачиваемостьнаблюдается недостаточная поворачиваемость. Если изменение угла скольжения задних колес превышает изменение угла скольжения колес передних, то мы наблюдаем избыточную поворачиваемость.

Ускорение на постоянном радиусе – например, на скользкой испытательной трассе для искусственных заносов автомобиля – при недостаточной поворачиваемости потребует все большего и большего ограничения поворота управляемых колес для того чтобы оставаться на заданном курсе; избыточная поворачиваемость будет требовать для этого все меньшее и меньшее ограничение. При экстремальных ситуациях автомобиль начнет «пахать» носом при недостаточной поворачиваемости, при избыточной поворачиваемости автомобиль опишет дугу. Если же избыточная и недостаточная поворачиваемость произойдут в нейтральной обстановке, то поведение автомобиля будет чем-то средним между этими двумя крайностями.

Расшифровка значений боковины автопокрышки

маркировка шинНи для кого не является секретом то, что шины бывают разных размеров, так что давайте вместе расшифровывать некоторые пункты из системы условных обозначений, вытесненных на боковине покрышки. Например, стандартной шиной для Mazda Miata является 205/50R16 с оценкой скорости V. 205 – это номинальная ширина профиля шины, от боковины до боковины, измеряется в миллиметрах. 50 – это цифра, показывающая отношение высоты профиля шины к его ширине. R указывает на то, что шина радиальная. Цифра 16 обозначает, что этой шине подходит колесо диаметром в 16 дюймов. Оценка скорости V означает, что максимальная безопасная скорость для этих шин 240 км/ч.

Немного арифметики могут сказать многое о размере данной шины. Как показано на рисунке ниже, наша шина 205/50R16 имеет секцию, ширина которой 8,1 дюйма (205 мм). Каждая боковина составляет 50 процентов от этой величины, т.е. около 4,05 дюйма. Таким образом, диаметр шины и 16-дюймовое колесо в полной сборке составляет 24,1 дюйма, а окружность колеса составляет 75, 7 дюйма. Понятно? Уверены, что да, поэтому идем дальше.

Miata также представлена в комплектации «Pus 1» с опциональными шинами 205/45R-17. Как следствие их размер больше. Кстати, это более производительный вариант, его оценка скорости W, что означает максимальную безопасную скорость в 270 км/ч.

Размер имеет значение, но не так как вы могли бы подумать

Для улучшения производительности широка практика использования более широких шин, при условии, конечно, что добавочная ширина совместима с геометрией пружин и рычагов автомобильной подвески, а также зазором крыла. Например, почему бы не использовать в Miata вместо шин 205/50R16 шины с шириной протектора 235 мм? Разве это не предоставило бы большее поле зацепления?

Лучшее, что мы можем сказать в этом случае «не обязательно». Безусловно, шины в 235мм будут предоставлять более широкое поле контакта с дорожным покрытием, но соразмерно короче, и таким образом, площадь поля зацепления будет приблизительно такой же. Чтобы разгадать это странное явление, помните, что мы имеем дело с пневматической структурой резины. И, как показывают любые плоские шины, без должного накачивания воздухом такие колеса не выдерживают больших нагрузок.

То есть, мы можем получить довольно хорошую площадь поля зацепления только благодаря должному давлению воздуха в шинах: например, шина выдерживающая нагрузку в 454 кг и имеющая давление воздуха в 2,5 кг на квадратный сантиметр, будет иметь поле зацепления площадью в 184,5 квадратных сантиметров. А именно, каждый квадратный сантиметр инфляционного давления выдерживает 2,5 кг из 454.

Тогда почему более широкие шины улучшают вхождение в повороты? Потому что форма поля зацепления так же важна, как и его площадь. Широкое поле зацепление широких шин лучше при борьбе с боковыми нагрузками и, таким образом, обеспечивают лучшее вхождение в повороты, но для езды по прямым дорогам от широты шины вы много не выиграете.

Любопытные факты профиля, в том числе и история успеха компании-производителя автомобильных шин

Как правило, более низкий профиль предоставляет более острое вхождение в виражи, лучшую управляемость и, по сути, более предсказуемую производительность. Первоначально, однако, концепция была обременена огромным компромиссом в области комфорта. Еще в 1980-х гг., когда соотношение боковины к ширине составляло около 78, с легкостью можно было распознать «низкопрофильные шины» с пропорцией 60, наблюдая за лобовым стеклом (дрожащие дворники) и чувствуя каждую расщелину в асфальте, в то время как автомобиль ехал по зеркально ровной дороге. Теперь же, седаны вполне комфортно чувствуют себя и на шинах с соотношением в 45, хотя многие специалисты утверждают, что такое соотношение пагубно влияет на состояние подвески авто.

В настоящее время наблюдается тенденция к более низкому профилю и более высоким колесам. Шины 255/20R-24 являются примером предельных возможностей автомобильной резины, но с ними приходят и компромиссы. Резина легче, чем большинство металлов, и существует определенная точка, в которой металлическая конструкция большого колеса становится чрезвычайно неблагоприятной. Кроме того, минимальный пневматический объем делает шины и колеса уязвимыми к выбоинам и подобным дефектам на дорогах. Если соотношение борта шины к ширине будет составлять менее 30 или диаметр металлической конструкции колес будет больше 20 дюймов, то такие «катки» будут расположены на автомобили лишь для его красоты, ездить на них будет крайне некомфортно.

У многих может возникнуть вопрос: если низкопрофильные шины настолько хороши, то почему бы их не использовать на болидах Формулы 1? Да потому что у Международной федерации автоспорта свое мнение по этому поводу. Правила Формулы 1 очень плотно регулируют пакет колеса/ шины, и в результате мы имеем очень высокие колеса: передние примерно 245/65R-13 и задние 325/50R-13. Любопытно то, что они работают на относительно низком давлении в 1,4 бар (или 1,4 кг на квадратный сантиметр). Кроме того, по правилам Формулы 1, газом, которым можно накачивать колеса, может быть только воздух или азот. Цель у федерации одна, уравниловка всех участников гонки.

Азот в автомобильной шине – дефицит или общенародный компонент?

Наша атмосфера на 78 процентов состоит из азота, на 21 процент из кислорода, а также из водяных паров и других газов. Молекулы азота сами по себе больше, чем молекулы кислорода, таким образом, шина, заполненная этим газом, будет менее восприимчива к утечке. Устранение утечки позволяет поддерживать равномерное давление в широком диапазоне температур шины. Как известно, азотом можно уже давно заправиться на некоторых шиномонтажных станциях (некоторые заполняют шины этим газом даже бесплатно). Меньшая утечка азота из шины является большим плюсом. Тем не менее, специалисты смотрят скептически на эту выведенную формулу и у нее есть противники.

Более важным аспектом является мониторинг давления в шинах вашего автомобиля. В настоящее время новые автомобили производятся с системой контроля давления в шинах (TPMS – Tire Pressure Monitoring System). Однако не все TPMS одинаково хороши. Косвенно система зависит от аппарата ABS, который оценивает окружность качения и определяет ненакачанные шины. Следует отметить, однако, что косвенные измерения не поймают постепенного снижения давления во всех четырех колесах. Прямые системы отслеживают давление в отдельно взятой шине, но, увы, они не застрахованы от ложных срабатываний. Приобретение собственного качественного манометра станет для вас отличным вложением денег.

Кроме того, конечно, следите за признаками того, что срок эксплуатации шин истекает, а именно обращайте внимание на изношенность рисунка протектора.

Что вы сделали с моей запаской?

Автопроизводители ненавидят запасные колеса. Они занимают много пространства, добавляют вес и стоимость автомобилю. Производители шин не имеют ничего против того, чтобы поставлять комплекты из пяти полноразмерных шин, но даже они чувствуют, что запаска становится вымирающим видом. Это в большей мере является вопросом маркетинга, чем охраны и безопасности. Внедорожники и легкие грузовики, как правило, не лишаются в комплектации стандартной пятой шины. Что касается пассажирских автомобилей, то большинство из них сейчас оснащаются временной запаской минимальных размеров или же просто набором нагнетательного насоса. Делается это для того чтобы во первых вы по своей халатности не катались на запасном колесе до следующего прокола, а поскорей починили пробитое колесо или заменили его новым, а во вторых для увеличения пространства в машине, которое занимает запаска.

Кроме общедоступных нашему пониманию шин, существует также ряд концептов, которые быть может уже скоро войдут в нашу автомобильную жизнь как неотъемлемое целое. К примеру как вам идея безвоздушных шин спицами которым служат переработанные смолы. Такие колеса по нраву Greenpeace и снимают вопросы по поводу контроля за их давлением. Совсем недавно мы описывали данную идею в материале «Концепт шин без воздуха от Bridgestone».

А еще существуют шины, на которых можно ездить, даже если они спущены. Каркас и боковины спроектированы таким образом, что шины можно эксплуатировать в спущенном виде для аварийной эвакуации, т.е. чтобы доехать до ближайшего шиномонтажа ( не думайте, что вы сможете рассекать на таких шинах еще около месяца). 

Рейтинг: 
5

© Все права защищены

Комментарии

Добавить комментарий (появится после одобрения администратора)