Самоподкачивающиеся шины: принцип работы
В мире кольцевых гонок говорят так: если колеса еще не скользят, значит, ты едешь недостаточно быстро, а если уже скользят — значит, слишком быстро. По сути все, что есть в автомобиле — двигатель, трансмиссия, подвеска, да и собственно водитель, — нужно лишь для того, чтобы полностью реализовать потенциал шин.
Michelin Primacy 3 Края блоков протектора летней шины Michelin Primacy 3 закруглены с целью снижения тормозного пути. Традиционные прямоугольные края в скольжении могут зацепиться за дорожное полотно, тем самым наклонив и приподняв весь блок над асфальтом. Закругленные блоки даже в скольжении соприкасаются с дорогой всей своей поверхностью.
За пределами гоночного трека требований к шинам становится еще больше, хотя бы потому, что у нас нет возможности заехать на пит-стоп и заменить слики на дождевую резину, даже если начнется библейский ливень. Шины, которые мы используем, должны уметь всё и сразу. Новые разработки в этой области появляются постоянно. И если над безвоздушными шинами Tweel инженеры Michelin бьются без малого десять лет, то цветные покрышки эта марка готова производить хоть завтра — был бы спрос.
Есть и более практичные разработки, как, например, самоподкачивающаяся шина Goodyear. Эта экспериментальная система получила название Air Maintenance Technology. Между прочим, ничего запредельно сложного в ней нет. Вдоль протектора уложили трубку, которая сдавливается в пятне контакта. При вращении колеса создается эффект, как будто валик прокатывается вдоль трубки, выжимая из нее воздух. В такой покрышке будут также датчик давления и клапан.
По словам разработчиков, в серию такая шина попадет не скоро, лет через десять.
|
|
А ведь проблема существует уже сегодня: исследования, проведенные Goodyear, показали, что в Европе 40% водителей вообще не следят за давлением в шинах. Такая беспечность, к слову, свойственна не только автомобилистам. Специалисты Dunlop выяснили, что на 85% мотоциклов заднее колесо недостаточно хорошо накачано. Что касается автомобилей, то дефицит воздуха в покрышке оборачивается сразу двумя неприятными последствиями: повышенным расходом топлива и увеличением вредных выхлопов.
Чтобы посмотреть, как работают современные летние покрышки, мы решили разделить их «поле деятельности» на четыре основных режима: езда по прямой, поворот, торможение и движение по мокрому покрытию.
Полный вперед
Самый естественный режим движения для покрышек, подвески, коробки передач, мотора и водителя — это езда по прямой с постоянной скоростью. Однако даже при такой езде покрышки страдают от нескольких врожденных «болезней», с которыми стараются бороться все крупные производители.
Одна из важнейших проблем — это шум. По действующим в Европе правилам на скорости 80 км/ч покрышка не должна повышать голос свыше 84 дБ. Уровень шума зависит от множества факторов, в том числе ширины протектора и жесткости смеси, из которой он сделан. Именно поэтому спортивные шины слышны лучше обычных.
Ради снижения уровня шума разработчики покрышек пускают в ход довольно экзотические приемы. Например, в протекторе покрышек Bridgestone Turanza T001 есть специальные шумопоглощающие канавки, работающие по принципу резонатора Гельмгольца.
Этот простейший акустический прибор изначально представлял собой сосуд сферической формы с открытой горловиной, который позволял усиливать или, наоборот, глушить звуковые волны определенной частоты. В покрышке эта конструкция выглядит, конечно, иначе, но принцип работы у нее тот же. Судя по предоставленным маркой Bridgestone графикам, использование этих резонаторов позволило снизить уровень шума в частотном диапазоне 750−1250 Гц.
|
|
Инженеры Continental поступили проще, разработав для модели ContiCrossContact LX 2 протектор, плечевые зоны которого работают еще и как барьер против шума, исходящего от блоков центральной части шины. Эта модель предназначена для кроссоверов и внедорожников, а потому имеет несколько специфических особенностей. Например, протектор покрыт системой мелких поперечных канавок, которые на бездорожье работают как грунтозацепы, повышая проходимость. А форма крупных продольных канавок способствует самоочищению протектора.
Еще один интересный способ борьбы с шумом изобрела компания Nokian. Стенки продольных канавок на протекторах покрышек семейства Hakka сделаны негладкими. Их покрывают небольшие полусферические углубления, как на мяче для гольфа. При качении они снижают сопротивление воздуха, тем самым уменьшая и уровень шума, и сопротивление качению, и склонность к перегреву. Технология получила название Silent Groove.
Сопротивление качению — это еще одна проблема, связанная с движением по прямой. Прижимаясь к асфальту в пятне контакта, покрышка деформируется, и эта деформация поглощает часть энергии, которая могла бы быть потрачена собственно на движение.
|
|
На самом деле сопротивление качению — это комплексное явление, состоящее из почти десятка отдельных физических процессов, но нас в данном случае больше волнует другое: его реальное влияние на динамику автомобиля намного более существенно, чем может показаться. Сопротивление качению в среднем действует на машину примерно так же, как аэродинамическое сопротивление на скорости за 70 км/ч.
Известно, что холодные покрышки сопротивляются качению значительно сильнее, чем прогретые. Но мы-то ездим не по гоночному треку, и прогревочных кругов у нас нет. А в штатных режимах движения выход на оптимальную рабочую температуру происходит через пару-тройку десятков километров, тогда как в городских условиях машина за одну поездку проезжает значительно меньше. Дополнительное сопротивление качению возникает на недокачанных шинах.
Снизить подобные потери стремятся все разработчики покрышек. Например, инженеры марки Cordiant, создавая модель Road Runner, использовали смесь на основе натурального каучука и высокодисперсного техуглерода. Это позволило получить быстро прогревающийся, но не склонный к перегреву протектор с низким сопротивлением качению. Дополнительный эффект удалось получить, увеличив жесткость протектора за счет использования полумостов в соединении шашек.
Право руля
Пока машина едет по прямой, ее правые и левые колеса загружены одинаково. Когда водитель поворачивает руль, все меняется, причем не в лучшую сторону. Ведь когда автомобиль проходит поворот, его вес перераспределяется и ложится главным образом на внешние колеса.
Чем больший вес приходится на колесо, тем выше его коэффициент сцепления с дорожным полотном, и наоборот. Но беда в том, что эта зависимость не линейная. Коэффициент сцепления увеличивается медленнее, чем растет приходящийся на колесо вес, а уменьшается существенно быстрее, чем колесо разгружается. На практике это означает, что в повороте общее «количество» сцепления с дорогой меньше, чем при движении прямо, а как раз в момент маневра оно и нужно больше всего.
Ведь здесь на колесо действует центробежная сила, которая стремится сорвать его с траектории. В результате получается, что в повороте основная часть нагрузки приходится даже не на две покрышки из четырех, а на внешние боковины этих покрышек.
Чтобы водителю было проще контролировать машину на высокой скорости, компания Nokian применяет в модели Hakka Black многослойный протектор. Его внешний слой изготовлен из смеси Nordic Intelligent UHP Silica, специально разработанной для северных стран.
Он обеспечивает надежное прилегание к дорожному полотну как в жаркий летний день, так и холодным осенним утром, не твердея при низких температурах. При этом более жесткий внутренний слой на основе наносилики дает острую реакцию на управляющие действия и надежную обратную связь.
Стоп машина
В момент торможения повышенная нагрузка приходится на все пятно контакта. Именно торможение в наибольшей степени сокращает ресурс покрышки. Здесь она одновременно получает и абразивное повреждение от контакта с асфальтом, и резкий нагрев, который понемногу разрушает структуру смеси.
Чтобы хоть отчасти уменьшить негативное влияние теплового фактора, в покрышках Bridgestone MY-02 используется технология Nano-Pro-Tech, суть которой в более продуманном и равномерном распределении углерода в материале покрышки. Она позволяет в два раза уменьшить нагрев колеса в условиях работы под нагрузкой.
Не меньше эффективность торможения зависит от надежности контакта колеса с дорогой. Чтобы этот контакт улучшить, инженеры Michelin сделали края блоков протектора скругленными. Идея в том, что острый край блока при контакте с дорогой может зацепиться за неровность на асфальте, блок деформируется и не будет обеспечивать нормального сцепления с дорожным полотном. А вот скругленные края позволяют избежать нежелательного эффекта. Эту технологию можно встретить на покрышках Michelin Primacy 3.
Далеко не последнее качество покрышки — надежность, потому как встреча на дороге с ямой или посторонним предметом может плохо закончиться не только для самой резины, но и для машины с водителем. Технология Michelin Ironflex делает покрышки более устойчивыми к механическим повреждениям. Этого удалось достичь за счет использования гибких, но очень прочных нитей каркаса и особой структуры боковины, позволяющей распределить энергию удара по всей покрышке. Впервые система Ironflex была использована в модели Michelin Energy XM2.
Водные процедуры
Главная опасность, которая подстерегает водителя в сырую и дождливую погоду, — эффект аквапланирования. На практике это выглядит следующим образом: каждое колесо гонит перед собой крохотную волну, однако с ростом скорости шина начинает понемногу «всплывать». Аквапланирование возникает не внезапно, площадь пятна контакта сокращается постепенно.
И тут многое зависит от состояния колес. Например, на абсолютно новых хороших шинах при езде со скоростью 100 км/ч по водяной пленке толщиной 2 мм пятно контакта уменьшится примерно на 20%. А вот на похожих, но предельно изношенных покрышках с глубиной протектора около миллиметра в тех же условиях оно сократится почти в десять раз.
Скорость — это, пожалуй, важнейший фактор, способствующий возникновению аквапланирования, но все-таки не единственный. Недостаточное давление в шинах тоже уменьшает пятно контакта, если под колесами водяная пленка. На первый взгляд это может показаться странным, ведь на внедорожниках, чтобы увеличить площадь соприкосновения покрышек с грунтом, их надо основательно приспустить.
Дело в том, что на шоссейных скоростях жидкость затекает под центральную часть протектора, и колесо опирается на боковины. Дефицит давления в пол-атмосферы может уменьшить пятно контакта вдвое при скорости 80 км/ч и достаточно толстой водяной пленке.
Аквапланирование — как пожар: его намного проще предотвратить, чем прекратить. Чтобы успешно справляться с большими объемами воды, современной покрышке требуется сложный, тщательно продуманный рисунок. Большую часть попадающей под колесо воды берут на себя глубокие продольные канавки, но они не всегда успевают вывести всю воду из пятна контакта.
Поэтому рисунок приходится совершенствовать. Например, в Nokian Hakka Black реализована технология Hydro-Grooves. Это продольные ребра, расположенные рядом с внутренними плечевыми зонами. Во время сильного дождя они помогают отвести воду в продольные канавки и тем самым предотвратить аквапланирование.
В плечевой зоне протектора шины Nokian Hakka Green используются так называемые вентурные канавки, расширяющиеся по ходу течения воды. Согласно эффекту Вентури, при течении потока через расширяющийся канал в жидкости создается разрежение. Оно буквально всасывает воду из-под протектора в канавки.
Комплексная система защиты от аквапланирования, примененная в шинах Cordiant Road Runner, называется Wet Cor. Основную массу воды выталкивает из пятна контакта система продольных и поперечных канавок, а оставшуюся на асфальте тонкую водяную пленку осушает система микроламелей. Благодаря микроламелям поведение автомобиля на влажной дороге (конечно, не в проливной дождь) максимально приближено к езде в сухую погоду.
Bridgestone Turanza T001
· 
ТЕХНОЛОГИЯ NANO-PRO-TECH призвана бороться с перегревом шины. В составе шинной резины присутствуют такие компоненты, как сажа (углерод), диоксид кремния, различные полимеры. При деформации покрышки молекулы различных компонентов взаимодействуют между собой, при этом выделяется тепло, энергия движения расходуется на нагревание, увеличивается сопротивление качению. Технология Nano-Pro-Tech помогает распределить молекулы в смеси более равномерно и упорядоченно, сводя к минимуму их нежелательное взаимодействие.