Эксплуатационные свойства автомобильных покрышек

Покрышка является основным элементом колеса, представляет собой многослойную упругую оболочку в виде облитого резиной каркаса, и, будучи установленной на обод диска обеспечивает транспортному средству полный контакт с дорожным покрытием. Её главное назначение заключается в компенсировании погрешностей траектории движения, поглощении вызываемых неровностью дороги колебаний. Какие эксплуатационные свойства автомобильных шин позволяют решить эту задачу, и как взаимодействуют друг с другом, мы и расскажем далее.

Немного о конструктиве шины

Существует два типа конструкции шин: диагональные и радиальные, от которых зависит их состав. В диагональных шинах кордовые нити располагаются под углом 65 градусов, при радиальной ориентации они идут от борта к борту без наклона, охватывая колесо по радиусу — отсюда и название. Второй вариант, по мнению специалистов, более перспективен для развития, поэтому диагональными сегодня делают только шины для спецтехники и больших грузовиков.

Все легковые шины имеют радиальную конструкцию, и состоят из таких элементов:

• Силового каркаса, включающего в себя 2-3 текстильных или один металлический кордовый слой.
• Протектора, предохраняющего каркас от повреждения.
• Боковины, как продолжения протектора от плеча шины (самая эластичная часть).
• Брекера — упрочняющей прослойки между каркасом и протектором.
• Экрана — защитного слоя, предохраняющего от повреждений брекер.
• Бортов, как наиболее жёсткой части покрышки.
• Герметизирующего слоя (у бескамерных шин).

Преимущества радиальных покрышек

Главное достоинство радиально ориентированного корда заключается в том, что его нити не позволяют резине растягиваться поперечно (от продольного растяжения её удерживает брекер). При движении автомобиля в корде возникают напряжения, но при радиальном положении нитей оно почти вдвое меньше, чем при диагональном. Это даёт возможность уменьшить количество слоёв корда, и, соответственно, вес покрышки — а от него зависят многие другие эксплуатационные характеристики.

Кроме того, у радиальной шины есть и такие преимущества:

1. За счёт меньшей толщины каркаса выше эластичность и меньше внутреннее трение, поэтому шина при движении нагревается медленнее и дольше служит.
2. Пятно контакта с дорогой у радиальных шин имеет более стабильную форму, что уменьшает сопротивление качению и способствует экономии топлива.
3. Покрышки с радиальным кордом могут иметь любое соотношение высоты профиля к ширине (например, всего 35%). Такую шину называют низкопрофильной, и давно доказано, что она позволяет достичь наилучших показателей устойчивости (именно поэтому и предназначена для скоростных автомобилей).

От чего зависят сопротивление качению и расход топлива

Благодаря упругим свойствам резины и наличию в шине сжатого воздуха, она способна в процессе деформации поглощать много энергии. Большая её часть обратима, но определённое количество теряется из-за механического трения как на молекулярном уровне, так и между слоями покрышки, и в результате её взаимодействия с дорогой. Вот эти потери и называют сопротивлением качению шины.

• Кроме качения, вращающееся колесо испытывает сопротивление из-за трения в подшипниках, и сопротивление воздуха, возникающее при движении автомобиля. Чем ниже скорость машины, тем ниже и эти сопротивления, но при ускорении они возрастают в квадратной степени.
• Суммарный эффект всех этих сопротивлений называется силой сопротивления движению, и чтобы поддержать возможность нормального движения, маневрирования и торможения, эту самую силу нужно к автомобилю приложить. В условиях стабильной скорости, сила сопротивления движению идентична толкающей силе, воздействующей на центр колеса (она же сила крутящего момента, которую выдаёт мотор).

• Чем выше сопротивление движению, тем выше и расход топлива, но тут большую роль играет скорость движения машины. Покрышка поглощает большую часть расходуемой при вращении энергии, а доля потерь энергии (их называют гистерезисными потерями) целиком зависит от совокупности свойств шинных материалов.
• Наибольшее значение имеет коэффициент деформации упругих элементов, и их способность к восстановлению формы после снятия нагрузки. Из-за внутреннего трения разгрузка происходит медленнее, чем деформирование — то есть возвращается энергии меньше, чем затрачивается.
• Чем выше разница между затраченной и вернувшейся энергией, тем коэффициент сопротивления качению выше. Порядка 60-80% поглощаемой шиной энергии расходуется на сопротивление качению колёс, остальное она расходует на износ шины при тяге и торможении, на шумообразование.

Обратите внимание: Степень упругости резины обуславливает её гистерезисные свойства, а они, в свою очередь, влияют на такие характеристики, как прочность шины, её износ и качество сцепления с дорогой. Однако улучшение одной характеристики нередко приводит к снижению другой — а значит, идеальных по всем характеристикам покрышек просто не бывает.

Преимущества двухслойного протектора покрышки

Резина с низкими гистерезисными свойствами на небольших скоростях даёт 40-процентное уменьшение сопротивления качению, если сравнивать с обычными покрышками. Но её использование влечёт за собой удорожание шин, поэтому многие производители стремятся снизить потери на качение за счёт создания более эффективных кордов.

Совокупность конструкции протектора с рецептурой резины является главным компромиссом между экономичностью, долговечностью и требованиями безопасности. Так как сама по себе гистерезисная резина не может всё это обеспечить, современные производители используют её только для внутреннего слоя протектора, сверху закрывая его обычной, устойчивой к износу резиной.

Применение двухслойного протектора даёт возможность уменьшить потери энергии в среднем на 5%, хотя эффект во многом зависит от эксплуатационных условий:

1. состояния дороги и типа покрытия;
2. технического состояния машины;
3. давления воздуха в покрышках и воспринимаемой ими нагрузки;
4. скорости движения и его продолжительности.

Влияние условий эксплуатации покрышки на сопротивление качению

Обратите внимание: Скоростная езда на недостаточно накачанных шинах провоцирует теплообразование. А оно — один из факторов, увеличивающих потери на качение, и как следствие, расход топлива.

При длительном безостановочном движении (не менее 1,5 часов) по дороге с хорошим покрытием шина тоже нагревается, но при этом возрастает внутреннее давление, уменьшающее деформации.

Резина приобретает равновесное состояние, при котором межмолекулярное трение уменьшается, и гистерезисные потери энергии сокращаются, автоматически снижая коэффициент сопротивления качению. Если сравнить коэффициенты нагретой и холодной шины, в нагретой он будет примерно на 20% ниже.

Увеличение температуры окружающей среды тоже способствует равномерному нагреву шины, и соответственно, снижает коэффициент сопротивления качению (на 1 градус — 1%). Зимой же, когда температура воздуха низкая и шина меньше нагревается, этот коэффициент увеличивается в 2-3 раза.

Возрастает он и на мокрой дороге по сравнению с сухой, так как вода, играя роль охлаждающей среды, снижает трение в пятне контакта, а шинам приходится тратить энергию ещё и на выдавливание воды.

На грунтовой дороге часть энергии приходится тратить на деформирование грунта. Чем он пластичнее, тем покрышкам труднее создать колею, и они теряют больше энергии, чем на асфальте.

На твёрдом покрытии имеет значение степень шероховатости поверхности: она влияет на количество энергии, затрачиваемой не только на трение и износ протектора, но и на амплитуду и частоту вызванных качением колебаний, образующих шум. Чем выше крутящий момент, тем выше и коэффициент сопротивления качению.

Что такое критическая скорость

Нагрев шины способствует уменьшению потерь энергии, но только до определённого предела — примерно до +93 градусов. Резкое возрастание температуры происходит на высокой скорости, когда частота колебаний шины совпадёт с частотой её деформаций. Когда температура достигает критического значения (у современных шин это порядка +120 градусов), начинается разрушение резины. Именно поэтому после скоростных гонок болидов никакая шина не выживает.

Шина должна быть приспособлена для работы на скоростных автомобилях, и здесь немалое значение имеет её вес. С его уменьшением — особенно в протекторе, как самой разогреваемой части — повышается критическая скорость, при которой начинаются необратимые последствия. Очень важно так же снизить степень деформации шины путём максимально допустимого увеличения давления воздуха (но не следует перекачивать!).

Когда машина набирает критическую скорость, до полного разрушения шины остаётся всего лишь несколько минут, поэтому максимально допустимая скорость для шин устанавливается на 15-20% ниже критической. Индекс категории скорости, указанный производителем на каждой покрышке, определяет максимальную скорость, с превышением которой может начаться разрушение. То есть, данный показатель, обозначаемый латинскими буквами А…W, обеспечивает запас прочности шины и её надёжности.

Как взаимодействуют скорость и грузоподъёмность

Максимально допустимые значения скорости устанавливаются для определённых величин деформации. То есть, имеет значение величина нагрузки на колесо, поэтому в нанесённой на покрышку маркировке рядом с индексом скорости всегда присутствует и индекс нагрузки. Например, 95H обозначает, что согласно принятым нормам (они представлены в таблице), шина рассчитана на максимальную нагрузку 690 кг на колесо, и не должна превышать скорость в 210 км/ч.

Примечание: Если колёса нагрузили больше допустимого, индекс скорости нужно снизить на величину превышения. В большей степени это касается грузовых автомобилей, перевозящих неделимые тяжёлые грузы — ведь вряд ли владельцу легковой машины придёт в голову загрузить нечто слишком тяжёлое, да при этом развивать высокие скорости.

Грузоподъёмностью шины называют величину максимально допустимой вертикальной нагрузки, статично воздействующей на колесо. Соблюдение указанных производителем величин обеспечит способность покрышек выдерживать вес нагруженного транспортного средства в течение всего срока службы.

На грузоподъёмность шин влияют их габариты, конструкция (тип корда и его слойность), эксплуатационные условия. На их основе устанавливают давление в баллонах, оптимальное значение которого обеспечит минимум потерь энергии на качение и нагрев. Всё здесь взаимосвязано: растущая нагрузка увеличивает прогиб покрышки, в связи с чем растёт температура и потери на качение. Если поставить шину, не соответствующую весу автомобиля, срок эксплуатации шины может уменьшиться вдвое.

Чем обусловлено сцепление покрышки с дорогой — заключение

Сцеплением шины называется её способность воспринимать касательные силы и передавать их дороге, несмотря на воздействие тяговых и тормозных усилий. Это свойство — решающий фактор дорожной безопасности, потому что кроме указанных сил возникают и другие моменты, появление которых спровоцировано:

1. маневрированием;
2. поперечными уклонами дороги;
3. боковым ветром;
4. обледенением покрытия;
5. углом схода и развала колёс.

Под суммарным действием боковых усилий направление движения может отклоняться от плоскости качения колеса, образуя, так называемый, угол бокового увода. До определённого момента шина удерживается и только деформируется, но потом в зоне контакта начинает проскальзывать. Дальнейшее увеличение угла бокового увода приводит к полной потере колесом сцепления с дорогой.

На заметку: Чем большую площадь пятна контакта с дорожным покрытием имеет покрышка, тем лучше у неё сцепление, поэтому лучшими в этом плане являются низкопрофильные шины. У них и пятно контакта больше, и боковые стенки жёстче, поэтому они более устойчивы и лучше управляемы даже на высокой скорости.

Выше мы указали внешние факторы (воздействующие на колёса извне), влияющие на сцепление протектора с дорогой, но есть и внутренние, связанные с конструкцией шины. К числу внешних факторов можно отнести не только погодные условия и качество дорожного покрытия, но и тип автомобиля, техническое состояние тормозной системы, подвески, дисков.

Значение имеет и стиль вождения — например, скорость прохождения крутого поворота дороги. На мокрой дороге коэффициент сцепления в полтора раза ниже, чем на сухой — а на обледенелой в два, а то и в три. Из-за этого существенно удлиняется тормозной путь автомобиля, что в критической ситуации чревато столкновением.

На сухой дороге сцепление может ухудшаться из-за пыли, но наибольшую осторожность при торможении важно соблюдать именно зимой и во время дождя. Наибольшее значение здесь имеет правильный выбор конструкции и протектора покрышек, которые должны соответствовать климатическим условиям местности в целом.

Для зимы нужна более мягкая и эластичная шина, которая хоть и деформируется при качении колеса, но на твёрдой поверхности стремится как можно быстрее восстановиться. Чем лучше шина держит форму, тем меньше степень проскальзывания протектора — а соответственно, выше и коэффициент сцепления с дорогой.