В части первой данной статьи представлена классификация пневматических шин, в которой главным признаком является назначение — но их различают и по некоторым конструкционным особенностям. Например, по расположению кордовых нитей в каркасе (диагональная или радиальная шина), или типу корда (цельнометаллическому или комбинированному). Немалое значение имеет и форма профиля покрышки в поперечном сечении, от которой во многом зависят эксплуатационные характеристики.
Чем радиальная шина лучше диагональной
По отношению к шине тоже существуют такие, сугубо географические понятия, как экватор и меридиан – экватор по кругу, меридиан от борта к борту. В диагональных шинах нити корда каркаса располагаются так, чтобы между этими линиями образовался угол порядка 55 градусов, а чтобы обеспечить всему «пирогу» симметричность, слоёв корда должно быть чётное количество (брекера здесь нет).
Примечание: В процессе движения автомобиля резина нагревается, и чем больше в ней слоёв корда – тем сильнее. Это не только ограничивает скоростные качества шин, но и способствует внутреннему расслоению, поэтому от диагональных шин, во всяком случае, легковых, большинство производителей отказались.
В радиальных шинах нити корда расположены вдоль меридиана (только в брекере они под углом). В этом случае возникает гораздо меньше усилий, поэтому соблюдать чётность слоёв нет необходимости. Прочность радиальных шин такая же, как и диагональных при вдвое меньшем количестве слоёв. Это даёт не только эксплуатационные преимущества, но и снижает стоимость покрышек, поэтому шины типа R столь активно и вытесняют диагональные.
Слойность и типы корда радиальных шин
Так как радиальная конструкция для современных шин является основной, по умолчанию будем говорить только о ней. Радиальная шина моет быть комбинированной — в ней каркас сделан из текстильного корда, а брекер из металлического – и цельнометаллокордные (ЦМК). Комбинированные в основном грузовые: каркас среднегабаритной шины состоит минимум из пяти слоёв обрезиненного текстиля (нейлона, капрона), а брекер, который всё это защищает – металлокордный.
Однако комбинированные конструкции шин давно уже перестали удовлетворять требованиям по надёжности, безостановочному движению и максимальной скорости, поэтому предпочтения сегодня отдаются цельнометаллокордной шине.
Она обладает большей жёсткостью, меньше греется и обладает более высокой усталостной выносливостью. В настоящее время ЦМК-шины выпускают практически для всех грузовых автомобилей — да и сельскохозяйственных тоже, так как один слой корда в металлическом каркасе аналогичен по прочности пятислойному текстильному каркасу.
Примечание: Текстильный корд (полиэстеровый, арамидный) сегодня если и применяют, то только в качестве, так называемого, бандажа. Это экранирующий слой над брекером, который предусматривается в шинах с небольшой толщиной подканавочного слоя для обеспечения шине дополнительной жёсткости. На фото снизу он выделен зелёным цветом.
Сам каркас в радиальных шинах состоит всего из одного слоя металлокорда, реже двух. Уменьшение его толщины позволило увеличить толщину подканавочного слоя, что даёт возможность углублять изношенный протектор дополнительной нарезкой рисунка.
Шины (в основном грузовые), которые можно подобным образом восстанавливать, имеют на боковине надпись Regroovable. Так что, с применением радиальной конструкции и полностью металлического корда, ремонтопригодность шин ЦМК тоже возросла.
Что нужно знать о профиле шин
Конфигурация профиля является немаловажным признаком классификации шин, ведь она тоже влияет на тяговые и ходовые характеристики. Она характеризуется отношением высоты к ширине профиля накаченной шины. Ширина измеряется в самом широком месте профиля, выпуклые технологические гравировки и надписи не учитываются.
Это соотношение выражается десятичной дробью с сотыми долями, либо просто как процент в виде двухзначного числа. Например, у шины с размером 215/65 высота профиля составляет 65% от ширины в 215 мм. Профиль 80% и более процентов является обычным, 65-75% низким, а при 55% и меньше шина называется сверхнизкопрофильной (сегодня есть уже шины с профилем 25%).
В низкопрофильных шинах увеличивается коэффициент опоясанности — то есть, слоёв брекера может быть не один, а два, да ещё такое же количество слоёв бандажа, о котором говорилось выше. Конструкция получается более дорогой, но и скоростные возможности таких шин выше, да и площадь контакта с дорогой больше. Это даёт и более качественное сцепление колёс с дорогой, и снижение интенсивности износа протекторного рисунка. Проходимость низкопрофильных шин тоже улучшается, в том числе и на мягком грунте и рыхлом снегу.
Обратите внимание: При снижении профиля наружный диаметр покрышки получается меньше, чем у варианта с обычным профилем при том же посадочном диаметре. Поэтому при желании установить на автомобиль шину с более низким профилем, приходится иной раз выбирать не просто другой типоразмер, но и увеличивать на одну ступень посадочный диаметр. Например, если родной размер у шины 175/65 R14, то чтобы поставить более низкий профиль 195/50 нужно брать шины 15 диаметра, а заодно менять и диски.
Сопротивление качению и явление гистерезиса
Наличие в пневматической шине сжатого воздуха, вкупе с упругостью резины даёт шине возможность поглощать большое количество энергии. Её часть утрачивается необратимо – из-за трения между слоями и контакта с дорогой, и эти потери называют потерями на качение, или сопротивление качению. А ещё движущееся колесо вынуждено сопротивляться трению в подшипниках, хотя оно и незначительное; преодолевать сопротивление воздуха; а под наклоном действует ещё и сила тяжести.
- Суммарно все эти явления называют силой сопротивления, которую требуется приложить к машине для обеспечения движения, маневрирования и торможения. Эта сила равна тяговой силе двигателя, приложенной к центру колеса, и сопротивление, которое оно оказывает (сопротивление качению), не может не влиять и на динамические характеристики в целом, и на расход топлива в частности.
- Эту характеристику обязательно оценивают эксперты, когда проводят сравнительные тесты шин. Чем выше лобовое сопротивление воздуха при движении автомобиля, тем больше он тратит топлива. Это значит, что на деформирование шины затрачивается больше энергии, чем её возвращается при разгрузке шины (возникает явление гистерезиса).
- Каждый производитель старается компенсировать гистерезисные потери, и для этого все способы хороши. Например, создаются специальные рецептуры резиносмесей, которые должны быть и мягкими, и устойчивыми к износу. То, что при улучшении одного свойства обычно ухудшается другое, сильно затрудняет задачу, но над её решением бьются учёные по всему миру.
- Немалое значение в борьбе с гистерезисом имеет структура корда, о чём говорилось в предыдущей главе. Последним прорывом, позволившим улучшить упругость резины, стало применение высокодисперсных кремнезем-силановых наполнителей под названием силика. Их присутствие в рецептуре шин позволяет на 40% снизить сопротивление качению, особенно на средних и малых скоростях.
Из-за дорогостоящих добавок низкогистерезисная резина возрастает в цене, поэтому производители используют её только для формирования подканавочного слоя, который больше греется, но не истирается, так как не контактирует с дорогой, а находится внутри. Протекторная же часть покрышки изготавливается из обычной резины, обеспечивающей высокий уровень сцепления и хорошо сопротивляющейся износу.
Взаимодействие скорости и грузоподъёмности
Скорость неразрывно связана с качением колеса, так как при её повышении растёт и частота циклов деформации шины. Наступает момент, когда частота деформаций начинает совпадать с частотой колебаний шины – в этом случае её температура резко возрастает, что приводит к разрушению.
- Критическим температурным пределом для современных шин является +120 градусов. Скорость, при которой нагрев достигает такого значения, называется критической скоростью, и чем она выше, тем лучше. Чтобы увеличить критическую скорость, производители стараются снизить вес шин, особенно в наиболее разогреваемой подпротекторной части. Так же это свойство регулируется путём увеличения давления воздуха при накачке шины (хотя перекачивать тоже нельзя).
- При достижении критической скорости шина сохраняет работоспособность не более нескольких минут. Поэтому так важно, чтобы её максимально допустимая скорость (выражается индексом скорости), была ниже критической на 10-20%. Скоростная категория той или иной модели шин показывает даже не скорость, которую можно выжать из них при движении, а то, насколько большой запас прочности они имеют.
- Не только скорость вызывает в шинах деформацию, но и нагрузка на автомобиль. Если нагрузка превышает нормативную, указанную производителем на боковинах покрышек, скорость непременно нужно значительно снижать. Это особенно важно для грузового транспорта, перевозящего неделимые тяжёлые грузы.
- Грузоподъёмностью называют максимально допускаемую вертикальную нагрузку, приложенную к статичной шине. Выражается она двух- или трёхзначным числом с буквенным префиксом, и характеризует способность шины выдерживать заданный вес в течение всего срока эксплуатации.
Конкретные значения грузоподъёмности зависят от габаритов и конструктивных особенностей шины (типа корда и количества слоёв). Имеет значение давление закачанного внутрь воздуха, поэтому производитель автомобиля и указывает оптимальный диапазон давлений, обеспечивающий минимальные потери энергии колёс на качение.
Чем обусловлено шумообразование — заключение
Накачанную воздухом шину можно сравнить с барабаном, по которому в данном случае бьют неровности дороги, генерирующие звуки, которые в итоге сливаются в шум. Соответственно, чем рельефнее покрытие, тем больше шума, хотя имеет значение и рисунок протектора. Чем он глубже, тем всё печальнее, поэтому всесезонки, грязевые и зимние шины являются самыми шумными.
Всё дело в том, что протекторный рисунок цикличен, в нём регулярно повторяются одни и те же элементы. При определённой скорости в канавках протектора может образоваться стабильная звуковая волна, и шина начинает не просто шуршать, но и гудеть.
Уровень гула, да и скоростной порог, при котором он возникает, зависит не только от рисунка протектора, но и от степени неоднородности шины. Чтобы добиться снижения шума, на скоростных моделях шин элементы рисунка по окружности формируют с переменным шагом, предусматривают дополнительные резонирующие канавки.
Особенно это касается зимней шипуемой резины, так как она наиболее шумная. Одной из инновационных технологий производства зимней шины является применение абразивных вкраплений (карборунда) вместо шипов, но её из-за дороговизны в основном используют на резине для большегрузного транспорта и автобусов.
Абразивные покрышки издают в два-три раза меньше шума, чем шипованные, меньше утомляя и водителей, и пассажиров. Хотя шумность в салоне транспортного средства зависит ещё и от степени износа шин (истёртые гудят больше), давления в баллонах. И конечно, имеет значение качество шумоизоляции самого автомобиля, ведь если он изначально «тихий», то общий уровень шума бывает практически незаметен.
