Реферат: Больше, чем воздух: автомобильная шина - вчера и сегодня

Больше, чем воздух: автомобильная шина - вчера и сегодня

Конструкция современной шины на примере Goodyear Eagle F1

Обозначения на боковинах современной шины

Телега не нуждалась в шинах. В том числе построенная Никола Жозефом Кюньо в 1769–1770 гг. паровая телега – первый самодвижущийся экипаж. Все ее три колеса были деревянными – для движения со скоростью 4 километра в час это было вполне подходящее техническое решение. XIX век подарил человечеству новые скорости, и проблема комфортного передвижения экипажей по тогдашнему отнюдь не идеальному дорожному покрытию встала в полный рост. Частично она решалась за счет рессорной подвески, но и колесам нужно было обеспечивать более плавное движение. Разработанный Чарльзом Гудьиром в 1839 году процесс вулканизации дал для решения этой проблемы отличный материал – эластичную резину. Известные до этого резиноподобные смеси на основе натурального каучука обладали серьезным недостатком – их свойства сильно менялись под воздействием температуры. В холод они становились очень твердыми, а в жару – слишком мягкими и липкими.

Полоски из вулканизированной резины на ободах колес в достаточной степени улучшали плавность хода и акустический комфорт карет и прочих конных колясок. Поэтому, когда в 1845 году некто Роберт В. Томпсон предложил закреплять на ободе полую резиновую трубку, накачанную воздухом, его придумка была встречена без энтузиазма. Первый рабочий образец пневматической шины разработал в 1888 году Джон Данлоп. Неказистая конструкция состояла из обернутого вокруг обода подобия садового шланга, обшитого несколькими слоями кожи. Велосипедисты быстро оценили комфорт, который давали первые «пневматики». Правда, шины Данлопа не могли бы выдержать веса не только «самобеглого экипажа», но и конной повозки. Символично, что почти в это же время Готлиб Даймлер сконстурировал первый автомобиль с бензиновым двигателем. Автомобиль и шина были рождены друг для друга, и вскоре их судьбы соединились. Выяснилось, что на больших скоростях без пневматических шин просто не обойтись: тогдашняя несовершенная подвеска не успевала «проглатывать» неровности дороги. В 1898 году был преодолен важный психологический барьер – обутый в шины братьев Мишлен электромобиль «Jamais Contente» впервые в автомобильной истории превысил скорость 100 км/ч. Скорости росли, автомобили уже выпускались массово, и разработчикам шин нужно было всерьез задуматься о совершенствовании своего детища.

Проколы

Главным недостатком первых шин была их высокая подверженность проколам. Наезд на любой острый предмет, гвоздь (а их немало выпадало из подкованных лошадиных копыт и валялось на дорогах) означал неминуемый прокол накачанной воздухом камеры. Слишком тонкая резиновая или кожаная оболочка камеры не обеспечивала должной защиты. К тому же заменить шину было довольно сложно – с помощью специального разборного обода она привинчивалась к колесу винтами. А менять их нужно было часто – даже при отсутствии проколов в конце XIX века ресурс шины составлял всего лишь порядка 200 километров...

Поэтому усовершенствование конструкции шин на заре автомобилестроения шло по двум направлениям сразу. Упростить систему крепления к колесу удалось довольно быстро – появилось стопорное кольцо, удерживающее шину без прикручивания резины к ободу.

Вторая проблема, повышение ресурса и стойкости к проколам, оказалась посложнее. Дело в том, что конструкция шины по сути своей противоречива. С одной стороны, она должна быть довольно жесткой, чтобы не разрушаться и противостоять острым предметам на дороге, с другой – достаточно мягкой и упругой. Да, в шине «работает» воздух – он закачан туда при давлении в несколько атмосфер и в этом состоянии начинает проявлять необходимую упругость (по такому же принципу, как и шины, работают газонаполненные амортизаторы). Но для того, чтобы амортизирующие свойства воздуха оптимально служили плавности хода, и сама оболочка шин должна быть не слишком жесткой.

Защита от гвоздей

Принципиальное решение вопроса состояло в том, что появилась разница в толщине боковин (более тонких, чтобы обеспечить шине демпфирующие свойства) и протектора, призванного защитить самую уязвимую, катящуюся по дороге часть шин.

Жесткий протектор спасал от гвоздей, а для улучшения сцепных свойств в толстом слое его резины стали делать различные канавки. Появился рисунок протектора – тот самый рисунок, который конструкторы шинных компаний в поисках идеала «перерисовывают» до сих пор... Они же ищут оптимальное сочетание мягкости и жесткости шины, поскольку «мягкие» шины, дающие наибольший комфорт сидящим в машине, водитель будет ругать, справедливо обвиняя в ухудшении управляемости своего автомобиля. Наверное, это дистанция без финиша...

Вдоль и поперек

Идеальную шину на все случаи жизни создать невозможно. Помогает специализация. Например, спортсмен на трассе может примириться с тряской, однако хорошая управляемость машины для него обязательна. Поэтому довольно быстро появились спортивные шины, не применяющиеся на дорогах общего пользования. После Второй мировой разработали специальные зимние шины, а в восьмидесятых годах XX века широко распространенным стало «переобувание» машин два раза в год – весной и осенью. Впрочем, зимняя «резина» – это отдельная тема, которой мы планируем коснуться ближе к осени...

Важнейшим пунктом эволюции стала разработанная в пятидесятые годы прошлого столетия радиальная шина. В применявшейся ранее диагональной шине набор слоев корда (текстильных или металлических нитей) располагался диагонально, под углом 45 градусов к направлению качения. В радиальной шине нити основного каркаса расположены поперечно, а требуемую жесткость шине придают продольные слои корда под протектором. Это позволяет обеспечить гораздо большую стабильность формы шины и повысить ее жесткость при тех же демпфирующих свойствах.

Окончательно свой современный облик шина приняла, сделавшись бескамерной. По нашим дорогам до сих пор еще колесят автомобили, в которых шина работает в паре с камерой. Однако с каждым годом камерных шин становится все меньше – сейчас они ставятся разве что на отечественные грузовики. На легковых машинах от камер давно отказались – так безопаснее. Сколь угодно надежный протектор все-таки не дает гарантии от прокола. Камера, герметичная часть шины, при проколе мгновенно теряет давление. Поскольку покрышка в этом случае монтируется на колесном диске негерметично, воздух быстро выходит – и на больших скоростях это чревато аварией, машина может перевернуться. В бескамерной шине конструкция «покрышка–обод» герметична. На внутренней поверхности шины присутствует специальный герметизирующий слой. Конечно, и он не спасает от прокола, но воздух выходит гораздо медленнее, водитель успевает заметить неприятность, не попадая в аварийную ситуацию.

Бесчувственные покрышки

Производителям шин не дает покоя идея создания шины, вообще нечувствительной к проколам. Скажем прямо, задача эта сродни созданию вечного двигателя... Заменив в шине воздух какой-то поролонообразной массой, мы вроде бы добьемся искомого. Но одновременно в значительной степени потеряем способность шины демпфировать неровности дороги, ведь любой другой наполнитель не будет столь же упругим, как воздух под избыточным давлением. Однако кое-какие меры в деле повышения живучести шин предпринимаются. Западные производители решили, что после прокола шина должна выдерживать скорость автомобиля до 80 километрв в час и давать возможность водителю с этой скоростью добраться до мастерской. Естественно, речь не идет о стране, в которой ближайший шиномотаж может оказаться за сотни километров от места, где случилась неприятность... Так что у нас без запаски по-прежнему не обойдешься. А вот где-нибудь в Европе может помочь располагающийся внутри шины пластиковый бандаж, на который покрышка садится в случае падения давления воздуха. Есть и другой подход к делу, разработка фирмы Goodyear, при которой боковины шины усиливаются. Производитель сознательно идет на некоторое снижение эластичности – ведь за счет «мясистых» боковин шина и в случае прокола какое-то время не разрушается и позволяет проехать расстояние как минимум 80 километров.

Прокол – это ситуация, увы, не столь уж редкая, однако все-таки экстремальная. Главное – обеспечить отличные свойства шин в штатных режимах их эксплуатации. Каждая шина оптимизирована для определенного типа покрытия. Среди летних покрышек можно выделить асфальтовые и внедорожные. Последние, обладая мощными грунтозацепами, должны помогать автомобилю выходить победителем из схваток с бездорожьем. Правда, грязи в Европе и США куда меньше, чем асфальта – поэтому джипам делают также резину, предназначенную для «цивилизованной» эксплуатации в городе и на скоростных автобанах.

Лицо шины

«Лицо» шины – рисунок ее протектора. Раньше блоки протектора имели одинаковый шаг и размер, однако в этом случае при качении возникали акустические резонансы – иначе говоря, шины довольно сильно шумели. «Разговорчивость» удалось убрать, сделав блоки протектора разновеликими. Следующим шагом были шины, имеющие указанное направление вращения. В них рисунок протектора складывался в канавки, служащие для отвода воды (расположенные своеобразной «елочкой»), – на мокрой дороге они были куда надежнее. Сейчас все больше применяются асимметричные покрышки, которые наряду с повышенной сопротивляемостью аквапланированию обеспечивают машине отличную управляемость. На внутренней стороне таких покрышек больше канавок для отвода воды, а на внешней – больше массивных блоков, которые лучше «цепляются» за асфальт в повороте и не дают автомобилю соскальзывать с нужной траектории.

Вообще сохранение траектории в поворотах и сопротивление различным заносам и сносам – фетиш активных водителей. Они только и мечтают, чтобы машина на большой скорости шла «как по рельсам». Что ж, это можно обеспечить путем некоторого снижения комфорта. Шины со спортивным характером обычно делают низкопрофильными. Почему? Для лучшей управляемости важно обеспечить как можно большее пятно контакта покрышки с асфальтом (то есть для повышения сцепных свойств шина должна быть шире). Чтобы при этом она не получалась слишком громоздкой, при увеличении ее ширины профиль понижают. Это, в свою очередь, ведет к более быстрым реакциям автомобиля на повороты руля – ведь деформация низкопрофильной шины куда меньше, чем высокопрофильной.

Однако понижение профиля тоже должно соответствовать условиям эксплуатации. Самые низкопрофильные шины – гоночные, которые будут ездить только по идеальному асфальту автодромов. Далее следуют покрышки спортивных машин вроде Ferrari и Lamborghini. А вот водитель, выбирающий низкопрофильные шины для эксплуатации на российских дорогах, сильно рискует. На неровностях асфальта существует опасность пробоя боковин. Ведь низкая шина в случае удара может «сложиться» так, что резина невысокой боковины окажется просто раздавлена в «тисках» между диском и асфальтом...

При прочих равных условиях чем ниже профиль шины, тем лучше характеристики управляемости и тем ниже ездовой комфорт. Так что водителю приходится учитывать свой стиль и условия вождения, а производители дают ему возможность выбирать. И работают для того, чтобы в этом выборе было все меньше и меньше компромисса. Спортивные шины становятся комфортнее, обычные лучше держат автомобиль на дороге. Эволюция шин продолжается. За век с лишним изменилось практически всё! Пожалуй, единственное, что объединяет современные покрышки с неказистым творением Джона Данлопа, – это воздух внутри. Впрочем, и его кое-где стали заменять азотом, который вроде бы не так активно просачивается из шины на свободу...