От шины до машины: разбор автомобильной резины для чайников

Собрали об автомобильной шине все, что вы хотели знать, но стеснялись спросить

Автомобильная шина (покрышка) изготовлена из резины на основе каучуковых смесей. Форму ей придает кордовая ткань, выполненная из полимерных, металлических или текстильных нитей.

Задача автомобильной шины смягчить поездку, обеспечить сцепление с дорогой для передвижения автомобиля и курсоустойчивости.

Показатели качества автомобильной покрышки

Основные показатели шины – коэффициент сцепления с дорогой, износостойкость, коэффициент сопротивления качению. Сцепление и износостойкость зависят друг от друга: чем мягче протектор, тем лучше будет сцепление с дорогой, но и износ будет быстрее. Чем мягче резина, тем быстрее изнашивается. Более подробная взаимосвязь характеристик шины показана на рисунке ниже. Перетягивание центра «паутинки» в одну из сторон показателя колеса, отнимает показатель у противоположной характеристики.

https://zap-online.ru/info/sites/default/files/ot_chego_zavisyat_harakteristiki_pokryshek.jpg

Сопротивление качению – это физические законы, которые действуют на колесо во время движения по заданному направлению. В результате противодействия физики теряется энергия, а следовательно двигателю машины приходится выдавать больше мощности для кручения колес, т.е. расходовать больше топлива. При снижении сопротивления качению колес на 10 процентов, расход топлива снижается на 1-2 процента.

Что влияет на сопротивление качению

что мешает движению шиныНа сопротивление качению влияет деформация шин и аэродинамическое сопротивление. С аэродинамикой все понятно, это сила сопротивления воздуха, а как деформация шины влияет на сопротивление качению, разберем на примере.
Во время движения боковины и пятно контакта протектора при соприкосновении с поверхностью земли постоянно деформируются и возвращаются в исходное положение. На деформацию и восстановление покрышки теряется до 90% энергии заданной колесу для движения. Представьте себе колеса поезда. Они скользят по рельсам не деформируясь. Путь им задан направлением рельс по которым они катятся, им не нужно удерживать курсоустойчивость чтобы не уйти в занос, поэтому не нужен протектор, коэффициент сцепления с рельсами им важен только для качения вперед. Колесо машины едет по дороге, по которой, если не будет хорошо сцепления, может унести в занос. Курсоустойчивость колесо получает за счет зацепов за дорожное покрытие. Зацепы за дорожное покрытие происходят когда резина как бы растекается по асфальту, цепляясь мягкими частями протектора за все шероховатости и неровности асфальта. Место соприкосновения с дорогой называется пятном контакта. Чем больше площадь пятна контакта, тем больше коэффициент сцепления с дорогой. Как раз во время появления пятна контакта и происходит гистерезис.
Гипертезис – это отставание (в переводе с греческого языка), то есть явление, при котором шина деформация шинысоприкасаясь с дорогой, деформируется с запаздыванием, а потом с запаздыванием возвращается (отскакивает) в первоначальную форму из-за внутреннего трения в своих компонентных материалах. Во время деформации (гипертезиса) теряется энергия раскручивающая колеса. Представьте подспущенные колеса. Площадь пятна контакта у них будет больше, сцепление лучше, но расход топлива с ними будет выше, так как энергия будет расходоваться на деформацию большей площади резины.

Еще один пример шин с высоким коэффициентом сопротивления качению – фрикционные шины или в простонародии «липучка». Это зимние или всесезонные шины, которые сцепляющиеся с дорожным покрытием за счет повышенного коэффициента трения. Летом на них ездить нельзя. В них мягкая резина, которая вдавливается даже в микротрещины наледи, за счет чего держит дорогу зимой и сложный рисунок цепляющийся за все мелкие неровности на дороге. У фрикционной резины высокий коэффициент трения, высокий гистерезис, высокое сопротивление качению. Резина с с низким гистерезисом будет обладать меньшим сопротивлением качению, а следовательно низким расход топлива. Коэффициент гипертезиса покрышки плотно связан коэффициентом сопротивления качению. Над уменьшением потери энергии во время деформации покрышек при движении, т.е. гипертезиса, работают инженеры. Но сделать это, не в ущерб другим характеристикам автомобильной покрышки, ой как не просто.

Шины с низки коэффициентом качению

Первое поколение автомобильной резины с низким сопротивлением качению было не комфортным. Любая кочка, встретившаяся по дороге, ощущалась в салоне автомобиля как маленькое землетрясение. Такие шины не отличалось хорошим сцеплением с поверхностью дороги, поэтому были не безопасны.
Производители снижают коэффициент сопротивления качению шин за счет новых резиновых смесей, дизайна каркаса покрышки, конструкции, рисунка протектора. При этом не в ущерб силе трения, отвечающей за сцепление с дорогой и тормозному пути. Меньше сопротивление качению, меньше расход топлива, это вы уже усвоили.
На Парижском автосалоне 2012 года, компания Michelin рекламировала новые модели покрышек с уменьшенным коэффициентом сопротивления качению. Поставив сферическую рампу, как у скейтеров и роллеров, они установили на одном конце рампы 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 вскоре останавливался, а второй еще катался. Первый был обут в шины старых моделей, а на втором были надеты новые покрышки Michelin с низким сопротивлением качению.

Строение шины

Автомобильная покрышка состоит из:схема колеса

  • протектора, контактирующего с дорогой;
  • слоев брекера стабилизирующих протектор;
  • боковых стенок, защищающих колесную резину от деформации при наезде на бордюр и другие препятствия;
  • бортового стержня, слоев каркаса, определяющих форму покрышки;
  • герметизирующего слоя, поддерживающего покрышку в накачанном состоянии.

Каждый из этих компонентов влияет на характеристики шины. Тонкий герметизирующий слой, например, снижает сопротивление качению и вес. Он расположен на первом слое каркаса бескамерной шины. Низкое сопротивление качению благоприятствует низкому расходу топлива, а небольшой вес колеса способствует лучшей управляемости. Но если герметизирующий слой сделать слишком тонким, то поддержание постоянного давления воздуха в шинах и их срок службы уменьшаться.
Конструкция каркаса влияет на грузоподъемность покрышек, управляемость, торможение и комфорт. Конструкций каркаса две – радиальная, когда нити слоев каркаса, расположены радиально от борта к борту не пересекаясь, и диагональная, когда нити слоев корда перекрещиваются между собой. Радиальные шины выпускаются в большей части в бескамерном исполнении, диагональные с камерой. У радиальных лучше сопротивление качению, большая площадь соприкосновения с дорогой. У диагональных пробег 20-40 тысяч километров, у радиальных 60-80 тысяч километров
 

радиальные и диагональные шины

Запатентованные компанией Michelin еще в 1946 году, радиальные шины очень медленно завоевывали рынок. Вначале они сыскали популярность в автоспорте.  Радиальная модель Michelin X считалась последним писком моды среди гонщиков в конце 1950-х годов, потому что износ у них был меньше, чем у распространенных диагональных . Но за рамки автоспорта радиальные шины не выходили до 1968 года. В 1968 году Ford выпустила новую линейку автомобилей и у некоторых из них были радиальные шины. Несмотря на преимущества радиальных шин, в 1982 году компании Avon и Goodyear, выпускающие диагональные шины, все еще опережали на Формуле 1 компании Michelin и Pirelli, которые перешли на производство радиальных шин. Но финальную победу одержали радиальные покрышки. Последняя гонка, в которой участвовали автомобили с диагональными шинами, состоялась в 1992 году. О том, какие шины лучше, читайте здесь.
Радиальные нити корда, определяющие форму каркаса, как правило, выполнены из полиэстера, в отличие от пояса находящегося непосредственно под протектором – брекера. Брекер делают из металлокорда – троса свитого из стальной латунированной проволоки.  Укладывают металлокорд как диагонально, так и радиально.
Эластичные элементы колесной покрышки содержат как природный, так и синтетический каучук. Лучше натурального каучука ничего делать из синтетики пока не научились, поэтому заменить его на 100% в составе резины не получается. Резина для гоночных автомобилей на 65 % состоит из синтетики. Пропорция синтетика/ натуральный материал в шинах для пассажирских автомобилей – 55/45. Покрышки внедорожников на 80 процентов и более, состоят из натурального каучука.
В эластомерную смесь, кроме каучука входят армирующие материалы – углерод и кремний. Кремний уменьшает компромисс между сцеплением на мокрой поверхностью, сухим сцеплением и сопротивлением качению. Некоторые из примесей являются антиоксидантами стабилизирующими синтетический каучук, другие же улучшают прилипание резины к стали и шнурам из полиэстера или выступают как отвердители и технологические добавки.

Рисунок протектора, угол скольжения, недостаточная и избыточная поворачиваемость

Рисунок протектора может быть ассиметричным (неравномерными по осевой линии протектора) и симметричным (с зеркальной левой и правой половиной от центральной плоскости вращения). Симметричные и ассиметричные рисунки бывают направленными (ставятся по направлению строго в определенную сторону) и ненаправленные (не зависящие от направления вращения). Рисунок протектора влияет на управляемость автомобилем, уровень шума, способность отводить воду через бороздки не допуская аквапланирования.
Передвигаясь по прямой дороге, сжатие переднего края поля зацепления шины и отскок задней кромки происходят с запозданием, не одновременно. С этим свойством связано уже описанное гистерезисное трение. Добавьте боковую нагрузку на колесо при поворотах и появляются такие показатели шины как угол скольжения (или угол увода), недостаточная и избыточная поворачиваемость.

Угол увода или угол скольжения

угол увода покрышки

Понятие «угол увода» (угол скольжения, англ. Slip Angle) не имеет никакого отношения к скольжению по поверхности. Представьте себе шину при повороте и проследите за местом соприкосновения колеса с асфальтом (пятно контакта). Из-за боковой нагрузки резина будет деформироваться в месте соприкосновения с поверхностью земли, так как при боковой нагрузке, новое направление сцепления не будет совпадать с предыдущим направлением движения шины. При повороте машины образуется угол между направлением кручения колесного диска и углом вращения шины. Угол между этими двумя направлениями и есть угол увода при боковой нагрузке. Этой мерой измеряется уровень деформации шины при боковой нагрузке.
У каждого колеса свой предел угла скольжения в повороте, при превышении которого колеса потеряют сцепление с дорогой и начнут скользить по поверхности, что приведет к потере управляемости автомобилем и заносу.

Избыточная и недостаточная поворачиваемость

недостаточная и избыточная поворачиваемостьТеперь представьте себе ускоряющийся на повороте автомобиль. Если изменение угла скольжения передних колес больше, чем задних, то у автомобиля будет недостаточная поворачиваемость, машину начнет сносить на край дороги, она не впишется в поворот. Если изменение угла скольжения задних колес превышает изменение угла скольжения колес передних, то почувствуется избыточная поворачиваемость, зад машины начнет заносить вперед. Избыточная поворачиваемость свойственна заднеприводным автомобилям, а недостаточная переднеприводным. Автомобили с избыточной поворачиваемостью любят дрифтеры, подробнее здесь.
Если ехать по гоночному кругу, при избыточной поворачиваемости автомобиль съедет на внешнюю сторону трассы носом вперед. При недостаточной поворачиваемости машину закрутит на трассе, занеся в занос.

Расшифровка значений боковины автопокрышки

маркировка шинРазберем для примера маркировку покрышек Mazda MX-5 Miata – 205/50R16 с оценкой скорости V. 205 – это номинальная ширина профиля покрышки, от боковины до боковины, измеряется в миллиметрах. 50 – это процент отношения высоты профиля к его ширине. R указывает на то, что покрышка радиальная. 16 – диаметр колесных дисков. Оценка скорости V означает, что максимальная безопасная скорость для этих шин 240 км/ч.

Обсчитав шину при помощи арифметики, получим о ней больше информации. Как показано на рисунке, 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. Так, диаметр шины и 16-дюймового колеса в сборе, составляет 24,1 дюйма, а окружность колеса составляет 75, 7 дюйма. Подробней о том, как читать маркировку автомобильной резины, читайте тут.

Имеет ли смысл ставить широкие колеса

Сейчас развенчаем заблуждение, что чем шире шины, тем лучше сцепление с дорогой, меньше тормозной путь, лучше разгон автомобиля. Если переобуть Miata с 205/50R16 в катки с протектором шириной 235 мм, быстрее ехать и тормозить она бы не стала.
У колес шириной 235мм, пятно контакта с асфальтом будет шире, но при этом оно будет более узкое вдоль диаметра протектора. Все потому что давление на шину будет распределяться по ее ширине, в длину площадь пятна контакта уменьшится. Если измерить площадь пятна контакта резины 205 мм и 235 мм, она будет одинакова. Виной всему то, что давление воздуха в шине и вес автомобиля, которые влияют на площадь пятна соприкосновения покрышки с землей, не изменятся. Вес Mazda MX-5 Miata так и останется 1207 кг., а давление в шинах по регламенту также 1.8 атмосфер.
Но у широких колес есть одно неоспоримое достоинство, они лучше входят в повороты. Широкое пятно контакта лучше справляется с боковыми нагрузками, поэтому вхождение в повороты лучше.  Для езды по прямым дорогам увеличение ширины покрышки роли не играет.
Низкопрофильная резина
На низкопрофильной резине машина острее входит в виражи, лучше управляется, более предсказуема. Минусы низкопрофильной резины в том, что она бьет по подвеске и плохо амортизирует неровности на дороге.
Еще в 1980-х годах, когда стандартная колесная покрышка имела отношение ширины и боковины около 78 %, было легко распознать «низкопрофильную» резину с соотношением ширины и боковины 60 %, по тому, как тряслись дворники и зеркала автомобиля на каждой кочке. В 80-е резина из которой выплавляли покрышки была грубовата, поэтому добиться комфорта при соотношении ширины к высоте 60 % было тяжело. Сейчас обычные новые седаны мягко, не в ущерб подвеске, передвигаются на резине с соотношением ширины и высоты боковика – 45 %.
В 2020 году, при нынешних технологиях производства покрышек, более-менее мягкая езда для легкового автомобиля получается на низкопрофильной резине 255/20R-24. Если соотношение борта шины к ширине будет составлять менее 20 % или диаметр дисков будет больше 24 дюймов, такие «катки» на машине будут стоять только для красоты, ездить на них будет некомфортно и не безопасно. Подбор низкопрофильной резины на ретро дисках, редакция Zap-Online.ru собрала тут.
Если на низкопрофильной резине хорошая управляемость и острое вхождение в повороты, почему их не ставят на болиды Формулы-1? Да потому что у Международной федерации автоспорта свое мнение по этому поводу. Правила Формулы-1 очень плотно регулируют размер и соотношение колеса/ шины. Поэтому в болидах Формулы-1 ставят колеса с высоким соотношением ширины к высоте: передние примерно 245/65R-13, задние 325/50R-13. Любопытно то, что накачивают такие колеса относительно низким давлением в 1,4 бар (или 1,4 кг на квадратный сантиметр) и только воздухом или азотом. Цель у федерации одна, уравниловка участников гонки.

Накачиваем колеса азотом – польза или понты

Атмосфера Земли на 78 процентов состоит из азота, на 21 процент из кислорода, а также из водяных паров и других газов. Молекулы азота больше молекул кислорода, поэтому покрышка заполненная азотом, будет менее восприимчива к утечке. Низкий процент утечки азота позволяет поддерживать равномерное давление в широком диапазоне изменения температур шины. Азотом можно уже давно накачать колеса на некоторых шиномонтажных станциях. Подробнее здесь.

Мониторинг давления в автомобильных покрышках

Tire Pressure Monitoring System по проводамПервой моделью с электронной системой контроля давления в шинах (TPMS – Tire Pressure Monitoring System) стал Chevrolet Corvette 1997 года. После технология пошла в массы. Однако не все TPMS одинаково хороши. Косвенно система зависит от блока управления ABS (1). ABS оценивает время за которое колесо совершило полный оборот при определенной скорости и сравнивает с временем полного оборота трех других колес. Если колесо спустило, диаметр его уменьшится, а время прохождения на единицу времени увеличится. Время оборота будет отличаться от времени трех других колес, данные улетят в блок ABS и на панели управления загорится датчик указывающий какое колесо спустило (2). 

Tire Pressure Monitoring System по блютузОднако такой способ измерения не поймает постепенного снижения давления во всех четырех колесах. Лучше себя показывают датчики с цифровым протоколом Bluetooth или Wi-Fi. Такие датчики меряют давление в колесах индивидуально, передавая информацию на центральный компьютер. Минус таких датчиков в системе питания. Батареи хватит на один – два года использования. На всякий случай не помешает в машине иметь личный манометр для измерения давления в колесах.

Электронные датчики давления в шинах (1) излучают беспроводные сигналы на приемный блок (2), установленный в автомобиле. Индикатор на приборной панели загорается, когда давление в шинах опускается ниже 25% от установленного. Некоторые индикаторы определяют, какое именно колесо спустило (4), а другие — нет (3). Подробнее здесь.

Где мое запасное колесо?

докаткаЗапасные колеса занимают много пространства, добавляют вес и стоимость автомобилю, поэтому запасное колесо становится вымирающим видом. Внедорожники и легкие грузовики, как правило, имеют запасное колесо. В легковые автомобили автопроизводители сейчас кладут временную запаску минимальных размеров или ставят на колеса покрышки RunFlat. На колесах обутых в RunFlat можно продолжать движение на скорости до 60 км/ч, то есть спокойно доехать до шиномонтажа. Декоративная, выкрашенная в яркий желтый цвет запаска кладется в автомобиль вместо обычного колеса, чтобы водитель не катался на ней до следующего прокола, а починил или заменил пробитое колесо. Кроме того декоративное запасное колесо занимает мало места в багажнике и облегчает вес машины экономя топливо.

Будущее

Производители вынашивают идею создания колес без воздуха, спицы у которых будут из переработанных смол. Они экологически чистые и не требуют контроля за давлением воздуха. Подробнее в статье «Концепт покрышек без воздуха от Bridgestone».

 

Рейтинг: 

© Все права защищены

Комментарии

Добавить комментарий (появится после одобрения администратора)

-->