Чем шина отличается от покрышки? | Обслуживание | Авто
Еще на заре автомобилестроения пневматические шины изготавливались из нескольких составляющих. Давление воздуха держала резиновая камера, а сверху нее надевалась прочная покрышка из жесткой резины. Позднее на ней появились крошечные грунтозацепы.
Колесо в калошах
В 1910 году американская фирма B. F. Goodrich Company для увеличения прочности стала добавлять в каучуковую смесь высокодисперсный аморфный углерод или попросту сажу. Резина меньше истиралась, но эластичность колеса тут же снизилась. Поэтому инженеры решили делать протектор и покрышку отдельными элементами.
Тогда шины изготавливали из природного сырья и они были белого или бежевого цвета. А протектор с углеродосодержащей сажей внутри оказался черным. В итоге нижняя черная оболочка шин выглядела как калоши. Одноразовый протектор ставили на многоразовые покрышки и эксплуатировали колесо гораздо дольше обычного. Такие черно-белые покрышки можно увидеть и сейчас на отреставрированной технике, а также в кинофильмах двадцатых годов.
Съемный протектор для некоторых разновидностей шин применялся вплоть до шестидесятых годов. Подобные составные колеса в шестидесятые годы изготавливал Ярославский шинный завод для грузовиков ГАЗ. Однако с ростом скорости и нагрузки подобная конструкция оказалась неэффективной.
Для избежания проскальзывания съемного протектора и его срыва стали делать монолитную покрышку. Протектор наваривался сверху, как и другие слои резины. Рудиментом этих технологических процессов сейчас является так называемая вулканизация, при которой старые грузовые шины получают новый протектор.
Совместный труд
Рост скоростей потребовал новой конструкции колеса. Шины пришлось делать бескамерными, так как они лучше выдерживали многочасовые заезды по автострадам со скоростями свыше 120 км/ч. Они не боялись резких торможений и боковых перегрузок во время прохождения поворотов. С появлением бескамерных шин покрышка стала объединять все составляющие резинового колеса.
Современная шина состоит из нескольких основных частей: из каркаса (корда), протектора, а также боковин и бортов, а роль камеры играет внутренний герметизирующий слой. Именно он слезает и крошится, если проехать на спущенных колесах несколько метров. Без этой прослойки колесо понемногу стравливает воздух.
Фото: Shutterstock.comОснование бортовой зоны бескамерной шины плотно прилегает к диску и обеспечивает ее герметичность. Поэтому диск для бескамерной шины отличается от обычного наличием уплотняющих буртиков на ободе. С нарастанием давления воздуха резина сильнее примыкает к ним и плотно обжимает отшлифованную поверхность. Кроме того, перед установкой буртики смазывают герметиком.
Чтобы протектор шины хорошо держался за асфальт, он должен быть гибким, а вот его основание совсем наоборот. Поэтому сама шина пронизана кордами из разных материалов. В каркасе используют металлическую проволоку, текстильные и даже углеродистые нити. Они препятствуют растяжению материала.
В самых распространенных радиальных шинах нити корда расположены под прямым углом по отношению к бортам. Это позволяет лучше сбалансировать колесо. Но шины нужно защищать от порезов и проколов.
За это отвечает брекерный слой, который представляет собой тонкую «броню», расположенную между протектором и каркасом и защищающую колесо от механических воздействий извне.
Боковая часть шины имеет выпуклые фрагменты, которые тоже защищают покрышку и диск от притираний к бордюрам.
В некоторых моделях колес боковины имеют свои жесткие включения и даже держат нагрузку. На таких покрышках в спущенном виде можно проехать до 80 км. В целом понятие «покрышка» в обиходе стало обозначать шину.
В общем, для подавляющего большинства легковых автомобилей используются бескамерные шины. Но и сейчас можно встретить специальные покрышки, которые эксплуатируются вместе с внутренними камерами. Они устанавливаются на старую историческую технику, на тракторные телеги и даже на велосипеды. Для автомобильных покрышек нужны не только внутренние камеры, но и специальные диски. Категорически нельзя их использовать без камер вместо современных шин. Иначе покрышки не смогут держать давление воздуха.
До чего докатилась покрышка: факты из истории автомобильной резины
Сейчас каждый автомобилист знает, что хорошая резина – это залог отличной управляемости и безопасности. Но пристальное внимание на качественные характеристики автомобильной шины стали обращать сравнительно недавно. На заре автомобилестроения лучшие инженерные умы в первую очередь колдовали над двигателями и трансмиссией, во что «обут» автомобиль, их волновало мало. Сейчас ситуация кардинально изменилась. На выбор автомобилиста десятки марок и тысячи моделей шин. Kolesa.Ru предлагают вспомнить историю и разобраться: чего в современной авторезине больше – инноваций или маркетинга?Из «ямы» с любовью
Сложно поверить, но автомобильная резина обязана своему появлению долговой тюрьме. В начале позапрошлого века молодой и амбициозный Чарльз Гудьир много и долго «колдовал» с составом резины. Главным требованием было сделать популярный в то время каучук безразличным к температурным скачкам. «Резиновые» опыты довели Гудьира до банкротства и долговой ямы. Но именно в переполненной американской тюрьме не самый удачливый торговец из Филадельфии сделал главное открытие в своей жизни. В 1839 году впервые был описан процесс, который впоследствии назвали вулканизацией. Химическая реакция превратила «хрупкий» к температурным перепадам каучук в выносливую резину. Однако самому Гудьиру изобретение принесло больше проблем, чем пользы. «Вулканизатор» резины умер в 1860 году в нищете, оставив долг в 200 000 долларов, но его опыты перевернули автомобильную индустрию.
Перебороть зависимость
Вулканизация – дело хорошее! Но все равно основным ингредиентом резины оставался каучук, который добывали на бразильских плантациях гевеи и перепродавали с выгодой до 1 000%. Тогда перед мировыми умами встал другой вопрос: как синтезировать каучук, чтобы не зависеть от своенравных южноамериканских плантаторов, которые ежегодно заламывали цены? Тут на помощь автомобилестроительной (и не только) общественности пришел русский ученый Сергей Лебедев, который первым в 1927 году сумел синтезировать драгоценный и баснословный по стоимости материал. Наступила новая «резиновая» эра.
Обруч с воздухом
Вернемся в XIX век и ближе к автомобильным колесам. Сначала Чарльз Макинтош придумал, как придать каучуку воздухо- и водонепроницаемые свойства. Тогда у учёного получились отличные непромокаемые плащи. «Резиновые» инновации перекачивали в автомобильную сферу благодаря другому американцу – Джону Данлопу. В 1887 году он пристально наблюдал за своим сыном, который резво катался на велосипеде. Когда неказистое двухколёсное транспортное средство в очередной раз подпрыгнуло на упругом резиновом шланге, Данлопа осенило. Он отрезал кусок шланга по размерам колеса, вмонтировал его в обод и примастерил к этой конструкции обыкновенный по сегодняшним меркам ниппель. Не прошло и года, как бойкий американец запатентовал изобретение «пневматического обруча». Правда, первое время этим изобретением пользовались исключительно велосипедисты.
Доехать до финиша
Только в 1895 году братья Андрэ и Эдуард Мишлен «обули» свой автомобиль «Молния» в пневматические колеса и отправились на гонку Париж – Бордо – Париж. Сражаясь против соперников с «литой» резиной на колесах, Мишлены заслужили только насмешки и неодобрительные оскорбления, так как в соревнованиях пришли последними. Этот факт братьев нисколько не расстроил. Несмотря на то что во время гонки им пришлось менять резину не менее 60 раз, они верили, что будущее – за ниппелем и воздушной подушкой. Братьям приходилось бесплатно раздавать непопулярные шины владельцам первых парижских таксомоторов. Со временем «пневматика» окончательно вытеснила литую резину. А Мишлены открыли на Лазурном побережье собственную фабрику. Впрочем, «шинная» эволюция на этом не закончилась.
Без шипа и задоринки
Первые зимние шины вошли в автомобильный обиход в начале прошлого века, но популярность к ним пришла спустя несколько десятилетий. Отличить «зиму» от «лета» было очень просто: первые имели на протекторе большие шипы, причем химический состав резины для разных погодных условий ничем не отличался. В этом и крылась главная ошибка, которую активно взяли на вооружение современные инженеры. От шипа как такового, конечно, зависит очень много, но далеко не все: за «цепкость» отвечает также мягкость и прочность протектора. Отсюда и выросла «липучка» – зимняя шина без шипов. Вопросы о ее эффективности оставим экспертам. Но факт остается фактом – Европа борется с шипованой резиной на всех фронтах, но побеждают в этом противостоянии в первую очередь маркетологи. Кстати, несколько слов о так называемой «внесезонке» – шине для европейской мягкой зимы, которую можно использовать круглогодично. Для России – не лучший вариант, так как зима в Мурманске и Ницце – это две большие разницы.
Не без проколов
В 1974 году на «шинном» рынке появился принципиально новый игрок, который свел угрозу безопасности водителя и пассажиров на нет, во всяком случае так утверждали создатели инновационной шины. Подобный тип колёс называется ранфлэт (run-flat), и особенно часто его стали ставить на свои творения немецкие автопроизводители. Если попробовать перевести это выражение на русский, то получится что-то типа «плоскокатящийся». Словечко корявое, но правильное. Шины ранфлет по своей специфике – те же бескамерные шины, но с единственным и довольно принципиальным отличием: боковые края у ранфлета намного жестче «стандартной» резины.
Фото: BMK, Germany, wikipedia.org
Разбалованные мягкой подвеской автолюбители утверждают, что такой рецепт безопасности негативно сказывается как на комфорте, так и на семейном бюджете: на российских дорогах ранфлет шумит, «жестит» и норовит покрыться «грыжами», а стоимость у такой резины – заоблачная. Изюминка в том, что в случае прокола можно смело ехать дальше, правда, медленно и недолго, не больше 50 километров. Машину в рабочем состоянии удерживает не столько сжатый воздух, сколько сама резина, точнее, ее усиленная боковина. Ранфлет, кстати, можно подобрать далеко не для каждого авто. Дело в том, что по соображениям безопасности, run-flat-покрышки могут корректно работать только на современных машинах, оборудованных системой электронного контроля устойчивости и датчиком давления воздуха, встроенным в «мозги» автомобиля.
Вывод
Известную поговорку о том, что «история нас ничему не учит», можно смело отнести и к автомобильным шинам. Казалось бы, все уже придумано, но с каждым годом в шинной индустрии появляются инновации. Известные производители то отказываются от шипов, то, наоборот, увеличивают их количество. Индустрия не стоит на месте, но сейчас ее двигателем является скорее не инженерная мысль, а находчивый маркетинг. Согласитесь, многие подбирают резину, опираясь не на характеристики, а на «красивый» рисунок протектора, что является уже чистой победой продающих.
Азот, покрышки и пятнадцатый радиус: все мифы о колёсах автомобиля
Бессмертные шины
Многие из нас почему-то уверены, что шины не имеют возраста. Мол, есть протектор — можно ездить. Это совсем не так. Как и у любого другого узла автомобиля, срок работы шины ограничен не только пробегом и износом, но и временем и старением. Производители устанавливают разный срок службы, в среднем – пять-семь лет. Дело в том, что в её составе есть натуральный каучук, который стареет. Вследствие этого печального и неизбежного процесса шина разрушается.
В первую очередь она “дубеет” (особенно быстро это делает летняя шина, которая изначально жёстче зимней), что заметно сказывается на управляемости. Кстати, зимняя тоже не вечна, и деформируется она даже быстрее летней (опять-таки из-за своей природной мягкости), и расслаивается. А затем на старой резине появляются грыжи на беговой дорожке.
Обучающий специалист компании, который помог в написании материала, рассказал о случае, который прекрасно иллюстрирует последствия старения. На шиномонтаж приехал клиент с боковым порезом, который нельзя было отремонтировать. Он попросил поставить вместо испорченной шины шину с запасного колеса. Она была новой (читай — без пробега), но всю свою уже длинную жизнь провела в багажнике. Колесо собрали, отбалансировали и поставили на машину. Хватило её на две недели, потом её пришлось выкинуть: она просто состарилась и, несмотря даже на внешне идеальное состояние, работать не смогла.
Так что ездить по десять лет на одной резине и радоваться, как она прекрасно сохранилась, опасно. И если бесконечно растягивать жизнь шины невозможно, то возможность не убить шину раньше положенного срока есть.
Секреты долголетия
Вполне очевидно, что на долголетие шины влияет множество факторов. Но есть три основные вещи, которые позволяют проездить на шине хотя бы те самые гарантированные производителем годы. Это балансировка и правильные давление и хранение. Начнём с балансировки.
О том, что балансировать колёса обязательно, знают все. А о том, как часто это нужно делать, большинство даже не догадывается. На самом деле есть одно простое правило: поменял масло — отбалансируй колёса. Звучит, наверное, странно, но 10-15 тысяч километров — оптимальный пробег между проверкой балансировки. И это — для колёс от 16 дюймов. Маленькие колёса (от 13 до 15 дюймов) балансировать нужно ещё чаще — раз в 7-8 тысяч.
Ну, к чему приводит дисбаланс, знают все: неравномерный износ шашек протектора, в особо запущенных случаях ещё и бьёт руль. Не так дорого стоит балансировка, как потом новая шина (или даже ремонт ходовой части).
Проверять давление пинком по колесу — занятие такое же интеллектуальное, как пальцем оценивать температуру отработавших газов (только увечий не принесёт). Делать это надо манометром, притом не манометром, купленным в 1998 году и сделанным в провинции Сычуань, а манометром, который хотя бы проходит периодическую поверку. И те манометры, которые есть на некоторых АЗС, к таковым тоже не относятся, ибо показывают давление в зависимости от погоды, настроения китов у западных берегов Австралии и твитов Трампа. Одним словом, манометр нужен хороший, потому что между 1,8 и 2,1 атмосферы разница действительно большая, а некачественные приборы имеют очень большие погрешности.
Давление, которое надо поддерживать в колёсах, указано в инструкции по эксплуатации автомобиля и (обычно) на наклейке в дверном проёме. То, что давление должно отличаться в зависимости от времени года (кто-то думает, что зимой давление должно быть меньше или больше, чем летом) — миф. Оно всегда должно соответствовать тому, что указано в инструкции.
Но что верно, так это то, что при перепадах температуры (например, при резком похолодании) будет нелишним проконтролировать давление внепланово: оно действительно зависит от внешних условий. Кратковременно снижение возможно только для того, чтобы выехать из грязи. Такой приём используют, он работает, но после преодоления сложного участка колёса нужно подкачать. В конце концов, правильное давление сохранит жизнь не только шинам, но и… да, ходовой части.
Ну и, наконец, хранение. Тут мы обычно делаем больше всего ошибок. Есть такой ГОСТ Р54266-2010, где весьма подробно расписано, как правильно хранить шины. Сказано об этом уже очень много, поэтому подробно останавливаться не будем. Основное правило в том, что хранить на балконе, в железных гаражах, залитыми водой и замерзшими, под прямыми солнечными лучами — неправильно. Колёса в сборе нужно складывать стопкой или хранить подвешенными, шины отдельно – стоймя. А если вы хотите сдать колёса на хранение компании, которая предлагает такие услуги, узнайте, как хранят колёса там. В солидных конторах все условия обычно соблюдают.
Если всё же храните шины где-нибудь в гараже, хорошо их отмойте. Особенно зимние: после сезона на них остаётся очень много дорожной химии, которая сильно сокращает их ресурс.
Больше — не лучше
Знаете, как вывести из себя хорошего шиномонтажника? Назовите шину покрышкой, баллоном или скатом. И добавьте: пятнадцатого радиуса. Действительно, покрышка — это привет из камерного прошлого, баллон и скат — ещё из более древнего времени. А цифра в сочетании R15 или R16 — это не радиус, а диаметр. Буква R обозначает тип шины — радиальная.
Неудивительно, что, путая терминологию и размерности, многие совершают ещё большую ошибку, “обувая” свой автомобиль в колёса неподходящего размера. Почем-то жертвы NFS считают, что Приора на 18-дюймовых дисках и шинах с низким профилем — это круто, красиво и спортивно. На самом деле, конечно, всё не так. Во-первых, 79-80% плавности движения обеспечивает как раз шина, и ездить на “изоленте” просто не комфортно. Во-вторых, риск повредить и шину, и диск вырастает многократно, а с учётом стоимости колеса получается и вовсе грустно.
Справедливости ради признаем, что иногда смысл в установке больших колёс есть. Например, если машина — спортивный снаряд. Ну, или установлены тормозные механизмы такого размера, что стандартный диск на них не налезает. Но признайтесь, вы часто видели такие машины?
Зато недостатков и вправду много. Самое главное — это увеличение площади контакта, что критично для управляемости на зимних шинах, особенно на шипованных. Чем больше пятно контакта — тем меньше удельное давление, а значит, и сцепление с дорогой. А так как диски большого диаметра как правило подразумевают и большую ширину шины, то снижение давления при малом весе малолитражки получается очень значительным. И управляемость может стать хуже. Летом ситуация несколько иная, и большое пятно действительно пойдёт на пользу управляемости. Но во вред топливной экономичности.
Вместо воздуха
Кстати, тут возникает вопрос: а есть ли смысл накачивать колёса азотом? Ведь на первый взгляд, вся эта азотная история больше смахивает на хитрый план маркетологов. На самом деле, смысл в этом есть. Хотя бы исходя из того, что закон Шарля (для тех, кто не помнит школьный курс: давление газа фиксированной массы и фиксированного объёма прямо пропорционально абсолютной температуре газа) работает только для идеального газа.
Другими словами, для снижения разницы давления между горячей и холодной шиной подойдёт любой чистый газ без примесей (любой чистый газ ближе к идеальному, чем воздух, являющейся смесью газов). Качают азотом, потому что его больше всего в воздухе, и стоимость его выделения минимальна. А вот утверждение, что азот предпочтительнее воздуха из-за снижения коррозии дисков (в азоте, в отличие от обычного воздуха, нет воды) — миф. Нужно ездить очень много десятков лет на одних дисках, чтобы заметить разницу. Раньше сгниёт машина, так что коррозии диска из-за воздуха бояться не надо, у него для этого есть совершенно другие причины.
Ну и если говорить о мифах, напомним ещё одно заблуждение, которое утверждает, что большой разницы между импортными и отечественными шинами нет, потому что и то, и другое сделано из российского каучука. В этом утверждении есть только доля истины, которая заключается в том, что наш синтетический каучук в качестве базы действительно используется практически во всём мире.
Но это не значит, что разницы между “ярославкой” и “хаккой” нет никакой. Тут важнее то, какие присадки используются, как соблюдается точность изготовления, каков рисунок протектора и конструкция шины в принципе. Так что из одного каучука можно сделать и хорошую шину, и плохую. Собственно, так оно и происходит. Справедливости ради отметим, что и среди российской резины есть хорошая. Но модель называть не станем, нам за это пока не заплатили.
Теперь перейдём к ещё одной интересной теме, в которой спорных моментов больше, чем в толковании пророчеств Ванги. Речь пойдёт о ремонте шин.
Вулканизация, жгут и дошиповка
Повреждение шины — вещь обыденная. На дороге всякое бывает, и избежать этого невозможно. Зато можно избежать нежелательных способов, которыми потом можно шину восстановить.
Нет ничего опасного в боковых порезах. Ведущие мировые производители материалов для ремонтов шин допускают размер повреждений размером до 50 х 30 мм. Если повреждение не превышает этих размеров и находится в ремонтной зоне, то хорошие шиномонтажки предложат восстановить шину с пожизненной гарантией. Но если мастерская, в которой пришлось отремонтировать колесо, вызывает сомнения, лучше его всё равно переставить назад.
А вот такой модный нынче жгут специалисты ставить вообще никогда не советуют. Он пришёл к нам вместе с бескамерными шинами. В те времена автолюбители были ещё настолько рукастыми, что считали полевой ремонт колеса не слишком сложной работой, поэтому в машине ездили не только запаски, но и монтажки для сборки и разборки колёс. И если с камерой это сделать было можно, то с бескамерным колесом фокус не выйдет, для его сборки (и разборки) обязательно нужен станок.
Вот тогда жгут стал чем-то вроде “успокоителя нервов”: при желании прокол можно заделать за несколько минут, причём часто даже не придётся снимать колесо. Тем временем при установке жгута шине причиняется дополнительный вред (вы же наверняка видели, как при этом расширяют отверстие). Рано или поздно в этом месте появляется грыжа, поэтому если есть возможность добраться до шиномонтажки с помощью регулярной подкачки, лучше жгут не ставить. А уже в мастерской поставить заплатку или “грибок”. Причём заплатка восстанавливает шину до заводского состояния. Интересный факт: жгут специалист называет “последним патроном”. Наверное, не случайно.
Ремонт жгутом допустим только в двух случаях: когда нет другой возможности доехать до мастерской и если шина уже настолько старая, что её не жалко испортить. Во всех других случаях жгутом лучше не пользоваться. И уж тем более не надо соглашаться на такой ремонт в шиномонтажке. Там нужно выбирать вулканизацию. Обратите внимание, что горячая вулканизация занимает часа три, холодная – минут 20, но если повреждение расположено в наиболее мягкой части (например, на боковине) горячая вулканизация будет предпочтительнее.
А вот про дошиповку ничего плохого сказать нельзя. Но опять же — про качественную дошиповку. Раньше новые шипы ставили рядом со штатным гнездом от старого шипа, высверливая новое гнездо. Ставили при этом обычный заводской шип. Этот способ имеет большие недостатки: и новые гнёзда пользы не приносят, и рисунок ошиповки меняется. Сейчас есть другие технологии: новые шипы с увеличенным донцем ставят в старые отверстия. Они там держатся надёжно, а эксплуатационные характеристики шины не снижаются. Обкатывать такую дошипованную шину нужно как новую: километров 300-500 без резких манёвров и с максимальной скоростью не более 80 км/ч.
Вместо заключения
Большую часть неприятностей, которые могут принести колёса, можно избежать при внимательном ним отношении. Неисправности обычно незаметны, особенно на современных тяжёлых машинах, нашпигованных электроникой, которая часто устраняет признаки неисправности шин (например, система курсовой устойчивости снижает эффект ведения в сторону при недостаточном давлении в каком-либо колесе). Да и последняя стадия — биение в руль — тоже обычно заметно уже поздно, когда геометрия колеса нарушена окончательно. А внимания колёса требуют не меньше, чем другие системы автомобиля.
Только представьте: вентиль (да-да, вентиль, а не “пипка” и не “сосок”) на скорости 60 км/ч на 14-дюймовом колесе оттягивается с силой 1,3 кг. А ведь он на первый взгляд — очень маленькая и незаметная деталь. Но даже его лёгкий “тюнинг” в виде колпачков с Алиэкспресса может привести к печальным последствиям: они намного тяжелее штатных пластиковых, и центробежная сила выходит за грань дозволенного.
Наличие грыжи, жгута, пореза, прокола — всё это должно вовремя находиться и устраняться. Ну, и следите за износом. Индикаторы износа на любых шинах имеют стандартную высоту в 1,6 мм, в то время как зимняя шина считается непригодной при остаточной высоте протектора 4 мм. Да и летняя шина с высотой 1,6 мм окончательно перестаёт отводить воду, а это — прямая предпосылка к аквапланированию.
Внешний осмотр – это хорошо, но недостаточно. Колёса тоже должны проходить периодическую диагностику, их тоже нужно показывать специалистам.
В общем, правильно говорят, что безопасность начинается с колёс. И понять это надо вовремя.
Опрос
Увидели для себя что-нибудь новое в подборке?
Всего голосов:
Идеальное колесо
Шины — удивительный объект с точки зрения химии и материаловедения. Наверное, самое странное в них заключается в том, что если взять всю резину в одной шине, то окажется, что она образует одну огромную молекулу. С другой стороны, мало кто задумывается над тем, что резина составляет меньше половины массы обыкновенной шины. А почему так? И что еще входит в состав шин помимо резины? На эти вопросы мы ответим в нашем материале, созданном в партнерстве с производителем шин Toyo Tires.
Магический треугольник
Создание идеального колеса — сложнейшая задача оптимизации, к которой человечество идет уже сотни лет. К колесу предъявляется огромное количество требований, но есть три самых главных («магический треугольник»): высокое сцепление с дорогой, низкое трение качения и маленький износ. Шина на пути к этому идеальному колесу появилась не так давно — всего лишь в XIX веке.
Сцепление с влажной поверхностью позволяет колесам катиться по дороге без проскальзывания и быстрее тормозить. За сцепление отвечает рисунок протектора, а также сама поверхность шины и ее химические и адгезионные свойства.
Трение качения — это сила, которая сопротивляется вращению колеса. Вообще говоря, потери на трение качения возникают из-за неупругих деформаций колес. Чем сильнее эти потери, тем больше топлива надо на то, чтобы проехать те же самые сто километров (закон сохранения энергии никто не отменял).
Износ шины — самая простая и интуитивно понятная из этих величин. Во время езды колесо подвергается миллионам сжатий и растяжений, и каждое медленно, но неумолимо разрушает материалы, из которых оно сделано. Чем больше таких циклов сжатия и растяжения колесо сможет выдержать, тем дольше оно прослужит.
Обретение вулканизации
В 1830-х годах американский изобретатель и химик Чарльз Гудьир экспериментировал с каучуком, природным полимером, содержащемся в соке гевеи. На тот момент различные компании уже пытались использовать каучук. Например, Чарльз Макинтош пропитывал им ткани для изготовления непромокаемых плащей, а сам Гудьир участвовал в разработке трубок для надувания спасательных плавсредств. Из каучука также делали ластики для карандашей.
Однако серьезный недостаток натурального каучука состоит в том, что он быстро портится при контакте с воздухом: окисление полимера делает материал хрупким, легко поддающимся разрушению. Над тем, чтобы избавить его от этого качества, и работал американский химик.
Сейчас понятно, что нестойкость каучука связана с самой структурой полимера. Каучук — это цис-полиизопрен, как и многие органические полимеры его можно представить себе как цепочку из углеродных атомов, на которую, с определенным шагом, навешены небольшие группы из других атомов.
От крайне стойкого к окружающим воздействиям полиэтилена или полипропилена каучук отличается тем, что некоторые связи между атомами углерода в его основной цепочке — двойные. Именно они являются слабым местом природного каучука. Кислород (точнее, его активные формы) способен легко атаковать эти кратные связи и разрушать их, сильно меняя при этом свойства материала в целом.
В 1839 году Гудьир обнаружил, что нагретая печью смесь каучука с серой превращается в необыкновенно плотный черный эластичный материал, гораздо более устойчивый по сравнению с исходной легкоплавкой полимерной массой. Некоторые свидетельства указывают на то, что это открытие было сделано случайно — якобы химик попросту уронил каучуковый шарик с серой на печь. Но с другой стороны, известно, что Чарльз Гудьир изучал возможность обезвоживать каучук серой. Так или иначе химику удалось открыть процесс вулканизации.
С точки зрения химии суть этого процесса заключается в преобразовании части тех самых двойных связей в цепях каучука. Сера способна точно так же, как и кислород, атаковать их, но вместо полного разрушения в случае серы образуются так называемые сульфидные мостики — прочные связи, соединяющие между собой соседние цепочки каучуков и образующие сетчатую структуру. Полимер становится более упругим и плотным, при этом уменьшается количество «слабых мест» в его структуре.
В пределе можно считать, что все молекулы каучука в вулканизированном образце оказываются связаны в единую молекулу этими сульфидными мостиками.
Победоносный путь каучука
В 1888 году британский ветеринар Джон Данлоп создал и запатентовал шину из вулканизированного каучука — для велосипеда своего сына. По сути, она представляла собой надутый шланг, закрепленный на ободе колеса.
В 1895 году первые шины из вулканизированной резины были установлены на автомобиле, участвовавшем в гонке Париж-Бордо-Париж. Авторы идеи — Андре и Эдуард Мишлен. К сожалению, гонку машине выиграть, мягко говоря, не удалось, но тем не менее автомобиль справился с почти 1200 километрами трассы.
Одновременно с ростом популярности автомобилей росло и потребление шин — так за пару десятков лет возникла новая огромная промышленность.
Почему вулканизированный каучук стал таким удобным материалом для колес? В первую очередь, это определяется той самой тройкой свойств — сцепление с поверхностью, трение качения и износ. Благодаря эластичности шина из резины обеспечивает плотное сцепление даже с неровной дорогой, к тому же отсутствие хрупких элементов уменьшает износ по сравнению с металлическими или тем более деревянными колесами.
Стоит заметить, что резиновые шины во многом хороши для обычных дорог, но если мы сменим типичное асфальтовое покрытие на стальные рельсы, то ситуация радикально поменяется. Стальные колеса обладают гораздо меньшим трением качения — оно в 5, а то и в 10 раз меньше, чем у современных автомобильных шин. Сцепление стальных колес с поверхностью определяется во многом весом поезда, для легких автомобилей такой подход не подойдет.
Но можно вспомнить, что резиновые шины используются и на поездах, к примеру на линии M2 метро Лозанны (Швейцария). Там они позволяют бороться с высокой крутизной путей, которая в другой ситуации потребовала бы наличия зубчатой передачи.
Не каучуком единым
С точки зрения механических свойств каучук очень хорош — до сих пор нет дешевых искусственных аналогов, обладающих теми же свойствами. Никакого секрета в этом нет — цепочки природного каучука устроены так, что все боковые «висят» строго по одну сторону от цепи. Добиться того же в промышленном синтезе каучука практически невозможно — тот контроль над сборкой цепи, который обеспечивают сложные ферменты растений, не могут повторить сравнительно более простые металлорганические катализаторы Циглера-Натта.
Но есть и недостатки, причем химической нестабильностью природного каучука они вовсе не ограничиваются. Выращивают каучуконосные культуры в основном в Юго-Восточной Азии и Бразилии, к тому же сырьевая база ограничена и едва ли покрывает весь спрос на каучуки.
Поэтому в шинах доля природного каучука составляет всего около 10-15 процентов, еще около 20 процентов приходится на искусственные полимеры — полиизопрен, полибутадиен, сополимеры полибутадиена с полистиролом и с полиизобутиленом. Главное преимущество искусственных каучуков заключается в относительно большей устойчивости к окислению и ультрафиолетовому излучению.
К нерезиновой части шины относятся стальные корды и всевозможные наполнители: сажа, диоксид кремния (основной компонент стекла и песка) и антиоксиданты. Роль антиоксидантов заключается в том, чтобы «отлавливать» опасные для каучуков и других полимеров активные формы кислорода (например, озон или перекись) и превращать их в безвредную воду или другие молекулы. Кроме того, в шинах остаются различные активаторы вулканизации, например оксид цинка.
Точно спрогнозировать, как различные добавки влияют на свойство шин, достаточно сложно. Для этого необходимо моделировать поведение микро- и наноразмерных частиц, а также окружающих их полимерных цепей и сетей на наноуровне. Компания Toyo Tires впервые в шинной отрасли воспользовалась методами молекулярной динамики, чтобы предсказать энергетические потери в шине по ее микроструктуре.Грубо говоря, специалисты компании способны оценить, как сильно нагреется шина от наезда на неровность на дороге. Это помогает понять, как уменьшить этот нагрев. Например, расчеты показывают, что подавление физического перемещения молекул резины снижает те самые энергетические потери в шинах. Поэтому в шинах необходимо добиваться более прочных связей между молекулами полимеров и наполнителем.
Интересно заметить, что методы молекулярной динамики часто применяются для прогнозирования поведения белковых молекул и поиска новых лекарств.
Эта и другие разработки Toyo Tires, связанные со строением шины на наноуровне, являются частью технологии Nano Balance, которая, по своей сути, позволяет спроектировать материал с требуемыми оптимальными свойствами, а затем создать его и испытать.
Трехмерное исследование структуры резиновой смеси: слева обычная резиновая смесь, справа – усовершенствованная.
Сажа и диоксид кремния могут составлять до 40 процентов массы всей шины — их главная роль состоит в армировании (усилении) вулканизированной резины. Такие добавки дополнительно увеличивают упругость шины в 10-20 раз, что уменьшает трение качения.
Стоит отметить, что сажа используется в шинах уже довольно давно, примерно с 1920-х годов. Последние десятилетия все чаще начинает использоваться диоксид кремния — он оказывается гораздо эффективнее с точки зрения уменьшения трения качения и усиления сцепления с влажной дорогой, а каждый процент эффективности означает не только уменьшение расхода топлива, но и уменьшение выбросов углекислого газа в атмосферу. Поэтому шины с добавкой диоксида кремния иногда называют «зелеными».
Главное — маскировка
Но с диоксидом кремния есть и свои проблемы. В химии есть такой принцип — подобное растворяется в подобном. К сожалению, каучуки и другие полимеры совершенно не похожи по химическим свойствам на диоксид кремния, место их контакта можно сравнить с несмешивающимися маслом и водой.
Это означает, что при простом смешивании компонентов мы получим отдельные большие слипшиеся комки наполнителя и отдельные блоки резины, в которых наполнителя нет. При сжатии-растяжении наполнитель будет растрескиваться и разрушаться, на это будет расходоваться лишняя энергия, а значит, увеличится трение качения.
Но и здесь есть свое решение. Чтобы все-таки смешать масло с водой и получить эмульсию (например, молоко), нужны поверхностно активные вещества, такие как мыло.
Так и с шинами — требуется вещество, способное покрыть поверхность диоксида кремния и «замаскировать» ее, сделав внешне похожей на окружающие полимеры. Такими веществами являются, например, бис-(триэтоксисилилпропил)тетрасульфид и его аналоги. Их молекулы состоят из двух частей, одна из которых легко связывается с диоксидом кремния, а другая — с сеткой вулканизированного полимера.
Даже имея такое почти идеальное «средство маскировки», не обойтись без надежной технологии распределения его по поверхности частиц. Если маскирующих молекул будет слишком мало, то частицы диоксида кремния все равно слипнутся. Молекулы маскирующего агента, увы, сами по себе способны агрегировать — не связываясь с поверхностью частиц. Для борьбы с этим явлением у компании Toyo Tires, например, есть специальная методика высокоточного смешивания — контроля над соотношением различных компонентов в смеси. Она основана на возможности отслеживать скорость реакции между маскирующим агентом и окисью кремния.
По оценкам представителей шинной промышленности, с 1890-х годов за счет добавок и модификации строения колес трение качения удалось снизить примерно втрое.
Добавка диоксида кремния, по сравнению с классической сажей, позволяет увеличить и сцепление с влажной поверхностью дороги. Дело здесь в том же самом принципе «подобное растворяется в подобном».
Сажа и резина — так называемые неполярные вещества, а вода — полярная, как и диоксид кремния. Полярность означает, что в молекуле вещества есть область с небольшим избытком отрицательного заряда и область с небольшим избытком положительного заряда. У воды это, соответственно, атом кислорода, с одной стороны, и два атома водорода, с другой.
Любопытно заметить, что и сцепление с дорогой и трение качения на самом деле регулируются одним и тем же параметром — коэффициентом потерь, или tg σ. Просто за трение качения отвечает коэффициент потерь при небольших частотах деформаций в шине, а за сцепление с дорогой — высокочастотный. Поэтому при прямых попытках увеличить сцепление будет увеличиваться и трение качения. В результате оказывается, что наращивать одновременно оба параметра чрезвычайно сложно. То, что это удалось сделать с помощью окиси кремния — большой успех.
Прогнозирование изменения кривой tg σ у наполнителей и полимеров с различиями в прочности. Слева полимер со слабыми связями, справа – с сильными.
На микроскопическом уровне
Свойства готовой шины, как теперь понятно, зависят не только от массовых долей добавок, но и от их распределения в резине. И для проверки того, насколько свойства готовых шин соответствуют предсказаниям моделей Toyo Tires привлекла синхротронные методы, которые позволяют напрямую, на наноуровне, посмотреть, как деформируется материал.
Синхротронное излучение — это вид рентгеновского излучения, получаемого на ускорителях элементарных частиц. Благодаря малой длине волны такое излучение легко проникает сквозь тонкую пластинку резиновой смеси, оставляя тени на детекторе на месте частиц-наполнителей. Высокая интенсивность излучения позволяет записывать «кино» — изменения, происходящие в микро- и наноструктуре образца за доли секунды.
Так, впервые в шинной индустрии, компанией были получены синхротронные данные о том, как ведут себя частицы-наполнители, равномерно и неравномерно распределенные по резиновой смеси. В последнем случае под действием динамических нагрузок возникают дополнительные энергетические потери.
Микродеформация резиновой смеси при контакте с выступом на поверхности в рентгеновском излучении во время торможения.
Внимательно следя как за химическим составом, так и за поведением резиновых смесей на микроскопическом уровне, ученые и инженеры приближаются к созданию идеального колеса. Каждое следующее поколение материалов позволяет выиграть еще несколько процентов и немного расширить «магический треугольник» свойств, делая шины безопаснее, надежнее и эффективнее.
Но материалами возможность оптимизировать шину не ограничивается — о том, как разработать правильный рисунок протектора и внутреннюю структуру покрышки мы расскажем в следующий раз.
Владимир Королёв