Понятная наука: сцепление машины с дорогой
За счет чего автомобиль держит дорогу? Что такое сцепление с дорогой?
Главное требование для любой машины — это ее способность сцепляться с той поверхностью, по которой она едет. Чем сильнее сцепление, тем лучше и тем безопасней машина ведет себя на поворотах.
Чем выше предел сцепления, тем быстрее едет машина. Однако дело не только в характере езды. Высокий предел сцепления при нормальной скорости позволяет удерживать контроль над автомобилем в непредвиденной ситуации.
Смотрите также: Что нужно знать о шинах, накаченных азотом
Многие водители особо не задумываются о сцеплении, пока не столкнутся с ситуацией, когда хорошее сцепление оказывается крайне важным для движения. Вообще, это интересная тема для обсуждения и мы попытаемся рассказать о ней просто, но с научной точки зрения.
ШИНЫ
Единственное, что связывает машину с дорогой — это шины. Конечно, если только от машины что-нибудь не отвалится и не будет тащится за ней по дороге.
Поэтому шины крайне важны для сцепления, и этому есть две причины. Во-первых, они сами по себе обеспечивают сцепление с дорогой. Во-вторых, от них зависят все остальные части машины, которые влияют на сцепление. Главное, чтобы на шины не была наложена чрезмерная нагрузка.
Необходимо соблюдать баланс. Самые лучшие шины не должны хорошо сцепляться с дорогой, если другие части машины не позволяют им этого сделать. С другой стороны, даже если машина идеально отлажена, она не сможет обеспечить хорошее сцепление с дорогой, если шины не справляются со своей функцией.
ТИПЫ ШИН
Разным машинам нужны разные шины. Разработать универсальные шины для современных дорог очень сложно, потому что они должны будут обеспечить отличное сцепление и с сухой, и с мокрой дорогой, экономить топливо и контролировать выброс CO2, а также не быть слишком шумными.
Для внедорожников и раллийных автомобилей нужны шины с особым рисунком, чтобы обеспечивать сцепление с дорогой с поврежденным покрытием. Для снежной погоды нужны узкие шины с высоким профилем.
Хотя сейчас, наоборот, все стремятся купить широкие шины с низким профилем. Именно поэтому рекомендуют иметь два набора шин: летний и зимний. В гоночных автомобилях используются шины без протектора (если позволяют правила) и без рисунка, чтобы обеспечить максимальную область контакта шины с дорожным полотном и свести к минимуму трение. Однако на мокрой трассе эти шины будут бесполезны и их нужно заменить на шины с рисунком.
СОСТАВ ШИН
Если говорить в общем, то чем мягче резина, тем выше сцепление. Это можно сравнить с макаронами: приготовленные макароны хорошо прилепятся к стене, а вот сырые — нет.
Более мягкая резина быстрее подстраивается к окружающей температуре, но может также быстро перегреться. У драгстеров экстремально мягкие шины, но даже самые мощные из них способны только на четырехсекундный заезд, поэтому для обычных машин это даже не обсуждается.
Шины для обычных дорог должны прослужить на несколько тысяч километров, поэтому резина должна быть жестче. Так как обычный автомобиль не ездит при экстремальных условиях, как гоночный, ему не требуется очень сильное сцепление с дорогой.
ПОДВЕСКА
Правильная настройка пружин и стабилизатора важна не только для комфортной езды, но и для хорошего сцепления. До сих пор многие водители не совсем понимают, что чем мягче подвеска, тем выше сцепление. Мягкое движение и хороший крен в повороте обеспечивают меньшее давление на шины, чем, когда машина практически не наклоняется.
Если это действительно так, почему же подвеска современных автомобилей высокого класса такая жесткая? Дело в том, что если уйти дальше от нерабочего положения машины, то меняется геометрия подвески и ее работа становится менее эффективной.
Смотрите также: Большие диски и шины: Плюсы и минусы
Следовательно, мы стремимся двигаться как можно меньше, а это приводит к дополнительной нагрузке на шины. Решение — заменить шины на другие. Чем более высокое сцепление обеспечивают шины, тем жестче может быть подвеска.
Есть также нюансы с аэродинамикой, мы обсудим это позже. Крылья машин, участвующих в Формуле 1, наиболее эффективны, когда они расположены под особым углом. Достичь такого угла можно только за счет очень жесткой подвески.
АЭРОДИНАМИКА: ФОРМА КУЗОВА
Раньше было обычным делом, когда у машин был более или менее вертикальный нос и длинный плоский капот. Все бы ничего, ведь скорости были не такие высокие. Однако, когда стали выпускать более мощные машины, то такая форма корпуса стала проблемой.
Воздух поднимался вверх после контакта с носом автомобиля, но после этого практически не касался машины, пока не опускался на лобовое стекло. Над капотом образовывалась большая область с низким давлением, и это было настоящей аэродинамической катастрофой, потому что воздуха, который бы давил на капот и не давал машине приподниматься, было недостаточно.
При высоких скоростях это означает, что шины оказывали очень слабое давление на дорогу. В экстремальных ситуациях, шины не обеспечивали нормального сцепления для поворота. Более низкий нос и капот, расположенный под углом у современных машин были разработаны в первую очередь для экономии топлива, но этот подход помог также решить проблему со сцеплением.
АЭРОДИНАМИКА: КРЫЛЬЯ
В 1960-х, представители мотоспорта совершили большой прорыв в аэродинамике, прикрепив к своим автомобилям крылья. Крылья были разработаны таким образом, что под ними воздух проходил быстрее, чем над ними. Быстродвижущийся воздух менее плотный, чем воздух, который движется медленно, поэтому больше давления оказывается на верх, чем на низ автомобиля. Крылья пришлось убрать.
Смотрите также: Аэродинамика автомобиля: Технология появилась в 1800-х годах
С тех пор как крылья стали частью шасси, то вся машина тоже немного опустилась. Теперь шины имеют большее сцепление с дорогой, потому что на них можно надавить сильнее, прежде чем они начнут скольжение.
Крылья обеспечивают серьезное аэродинамическое сопротивление, но его недостаточно, чтобы нейтрализовать дополнительное сцепление (при условии хорошей конструкции крыльев). Если с гоночной машины убрать крылья, то она будет в разы быстрее на прямой дороге, но замедлит свое движение на поворотах, от чего серьезно пострадает время прохождения гоночного круга.
Крылья современных автомобилей Формулы 1 имеют очень сложную конструкцию и совершенно непрактичны для использования на дороге. Однако можно нередко увидеть более простые варианты крыльев на мощных машинах и даже на горячих хэтчбеках.
АЭРОДИНАМИКА: ОСНОВАНИЕ КУЗОВА
Следующим шагом в совершенствовании аэродинамики автомобилей Формулы 1 стала переделка основания кузова в одно большое крыло и добавление «юбки», чтобы не выпускать воздух со боковых сторон.
Однако вскоре это было запрещено правилами гонок, так как машины достигали пугающих скоростей. Сегодня нельзя использовать «юбку» и дно автомобиля должно быть плоским.
Тем не менее, плоское дно приносит пользу, потому что оно помогает снизить сопротивление под машиной. Это особенно эффективно, если диффузор располагается в задней части днища. Это усиливает скорость воздуха под машиной, уменьшает давление и придавливает машину.
Влияние всех этих переделок на обычную машину будет минимальным, так как очень сложно сделать плоское днище.
Да, на дороге можно встретить машины с чем-то похожим на диффузор (производители называют эту деталь именно так), но обычно он расположен слишком высоко, чтобы быть хоть сколь нибудь эффективным и стоит он там просто для красоты.
ВЕС
Легковесные машины оказывают меньше давления на шины, чем тяжелые автомобили, поэтому они будут иметь более высокое сцепление при прочих равных условиях.
В идеале хотелось бы, чтобы вес приходился на центр автомобиля. В реальности, вес приходится только на один конец, именно здесь шины работают более интенсивно. В таком случае, нужно настраивать подвеску или выбирать шины с учетом этого факта.
Идеальная ситуация — это, когда двигатель располагается перед задними колесами. Это отлично подходит для суперкаров и некоторых недорогих спортивных автомобилей, но совершенно неприемлемо для обычных машин, потому что тогда не останется места для
пассажиров сзади и для багажа.
ЦЕНТР ТЯЖЕСТИ
Еще один аспект, связанный с весом машины — это центр тяжести. Мы можем очень понятно объяснить этот научный факт, если возьмем в качестве примера спичечный коробок или даже карандаш.
Проще всего уронить эти предметы, когда они стоят на одном конце (высокий центр тяжести), чем, когда они лежат всей плоскостью на поверхности (низкий центр тяжести).
Чем ниже центр тяжести, тем сложнее перенести вес с одной стороны машины на другую.
Меньший перенос веса означает меньшую нагрузку на внешние шины, что в свою очередь позволяет машине быстрее ездить на поворотах, так как колеса не успевают потерять сцепление.
Гоночные автомобили, созданные на заказ, очень низкие и все в них располагается, как можно ближе к земле именно по этой причине.
Это невозможно сделать в дорожных машинах, но у спортивных моделей все же есть неоспоримое преимущество перед семейными авто и даже перед SUV.
РАСПОЛОЖЕНИЕ КОЛЕС
Расстояние между правыми и левыми колесами, которое называется колеей, очень важно.
Чем оно больше, тем меньше переносится вес автомобиля при движении на повороте. То есть, машина с высоким центром тяжести может переносить значительный вес, если колея достаточно широкая.
Более распространенное название колеи — колесная база, но оно означает расстояние между передними и задними колесами.
Автомобили с длинной базой более устойчивы на динамических поворотах, но менее маневренны при медленном движении. У автомобилей с короткой колесной базой, соответственно, все наоборот.
Большую роль играет взаимосвязь колеи с колесной базой. Автомобиль с короткой базой может иметь характеристики аналогичные машине с длинной базой, если сама машина очень узкая. В идеале, конечно, она должна быть еще и очень низкой.
КУДА УХОДИТ СИЛА
Шины деформируются, когда им передается сила, а точнее крутящий момент. Если речь идет о сцеплении, то решающим является фактор, какие колеса работают, а какие нет.
Переднеприводные автомобили обычно теряют сцепление спереди. Нужно учитывать еще и то, что задние шины уже находятся под напряжением, потому что на них переносится вес двигателя и коробки передач.
Заднеприводные автомобили лучше удерживают баланс, но все же склонны терять
сцепление сзади.
Лучший вариант — это полноприводный автомобиль и не потому что здесь обеспечивается лучшее сцепление, а потому что потеря сцепления менее вероятна.
Да, в полноприводных автомобилях на шины приходится дополнительный вес, но каждая шина принимает на себя только четверть мощности двигателя, а не половину, поэтому давление на шины меньше.
Полный привод идеален для быстрых дорожных автомобилей, раллийных авто и SUV, но не для машин Формулы 1, так как в этом случае придется многим пожертвовать в плане конструкции гоночной машины.
САМОЕ ВАЖНОЕ
Неважно, на какие уловки идет производитель, чтобы обеспечить машине хорошее сцепление, единственным и самым важным фактором остается сам водитель.
Даже если вы небольшой знаток автомобилей, вы можете сохранять высокий уровень сцепления, наблюдая за поведением своей машины, плавно управляя рулем, не включая мощность двигателя на полную без необходимости, выбирая оптимальную скорость на поворотах и внимательно наблюдая за дорогой и условиями езды. Только в этом случае, в любой ситуации вы всегда сможете плавно затормозить без негативных последствий.
Вы не только сами станете более умелым водителем, но и ваша машина будет лучше.
От чего зависит сцепление шин с дорогой? Часть 1
Дорогие друзья! Два года назад я написал статью «Сцепление шин с дорогой не зависит от площади пятна контакта?», и она вызвала бурную реакцию аудитории. Статья до сих пор находится в блоге, и на ее странице много комментариев, вопросов, споров, рассуждений. Кто-то, прочитав, поблагодарил меня за развенчивание мифов и простое, доступное объяснение физики процесса. Кто-то, наоборот, раскритиковал за излишнюю упрощенность и ограниченность моих рассуждений и аргументов.
За два года, что прошли с момента написания этой статьи, я поучаствовал во многих дискуссиях на эту тему, познакомился с новой литературой, пообщался с другими физиками (сам я – тоже физик по специальности), гонщиками и кое-что переосмыслил. Суть моих размышлений не поменялась, они стали более систематизированы и поменялись формулировки. Вот их я и изложу ниже. Поехали.
Сила трения покоя: закон Амонтона-Кулона
Снова вернусь к школьной физике. Напомню, школьная физика и классическая механика достаточно точно описывают повседневные явления. Пока речь не заходит об очень маленьких масштабах или релятивистких скоростях, классическая механика отлично работает. Более того, в какие бы научные труды о сцеплении шин с дорогой я не заглядывал, я видел в них много страшных зубодробящих формул, интегралов, рядов, но в конце концов все сводилось к одной простой школьной формуле, которая называется законом Амонтона-Кулона:
F = µN = µmg (1)
где µ — коэффициент сцепления, N – сила, прижимающие одно тело к другому (в данном случае, вес шины плюс вес части автомобиля, приходящейся на эту шину), m — масса тела (шины и части автомобиля, приходящейся на эту шину), g — ускорение свободного падения.
То есть сила трения пропорциональна силе, прижимающей одно тело к другому, и коэффициенту трения. В самом простом случае эта сила — вес и представляет собой силу тяжести, то есть произведение массы тела на ускорение свободного падения. И тогда сила трения покоя пропорциональна коэффициенту трения, массе тела и ускорению свободного падения.
Сила трения покоя – она же сила сцепления
Автомобиль движется благодаря силе трения покоя в области контакта шины с дорожным полотном, а не силе трения качения, как иногда думают. Сила трения качения – следствие деформации шины. Она наоборот тормозит движение автомобиля. А пятно контакта шины с дорогой покоится относительно дороги в случае качения шины. Конечно, во время качения в пятне контакта всегда присутствуют элементы протектора, проскальзывающие относительно дороги, но в случае равномерного прямолинейного движения автомобиля в первом приближении их можно не учитывать и считать силу трения силой трения покоя или еще ее называют силой сцепления шины с дорогой, а коэффициент трения покоя – коэффициентом сцепления. При торможении большая часть элементов протектора может скользить вдоль дорожного полотна. В этом случае вращение колеса (и следовательно автомобиль) тормозится силой трения скольжения. Стоит отметить, что обычно сила трения скольжения меньше силы трения покоя.
Перераспределение веса авто между шинами и сцепление с дорогой
Теперь разберем, что есть что в формуле Амонтона-Кулона. Ускорение свободного падения постоянно, его из обсуждения исключаем. Масса в целом тоже постоянна. Конечно, вес автомобиля распределен между 4 шинами, и при изменении скорости и/или траектории движения распределение веса может существенно меняться: какие-то шины разгружаются, а какие-то нагружаются дополнительно.
Перераспределение веса автомобиля между шинами тоже косвенно влияет на их сцепление с дорогой. Скажем, при торможении вес машины частично смещается с задней оси на переднюю, следовательно, сила прижатия задних шин к дороге уменьшается и поэтому сила их сцепления с дорогой ухудшается. Это повышает вероятность заноса автомобиля, но на тормозной путь не влияет, потому что сила сцепления передних колес с дорогой увеличивается из-за перераспределенной нагрузки. Если на одних и тех же шинах будут тормозить Porsche 911 и Porsche Cayenne, у последнего вследствие большей высоты смещение веса с задних шин на передние будет в большей степени, и Cayenne больше рискует попасть в занос. Но тормозной путь от этого меньше не станет. То, что Cayenne тяжелее – тоже не влияет, об этом читайте статью «Тормозной путь не зависит от массы авто?». Поворачивать Cayenne будет конечно же хуже 911-го и на меньших скоростях – как раз из-за более высокого центра тяжести и большего смещения веса и больших кренов.
Кроме того, на перераспределение веса влияет манера вождения. При аккуратном вождении, когда водитель избегает резких поворотов, перестроений, ускорений и торможений (читай, чем меньше нажата педаль тормоза или чем на меньший угол поворачивается руль), запас сцепления шин с дорогой максимален, то есть шины находятся «максимально далеко» от перехода в состояние полного скольжения и, как следствие, управление автомобилем максимально безопасно. Во-вторых, одно и то же перемещение педалей или руля можно совершить по-разному: быстро, резко или по нарастающей, прогрессивно. Резкое нажатие на педаль или поворот руля приведет к соответствующему резкому перераспределению веса с одних шин на другие, и это чревато их срывом в скольжение и сходом с траектории движения. Постепенное же воздействие на органы управления приводит к столь же плавному перераспределению веса, что позволяет шинам цепляться за дорогу без риска скольжения и потери управляемости или устойчивости автомобиля. Убедиться в этом на практике вы можете на курсах контраварийной подготовки водителей, например, при выполнения упражнения «экстренный объезд препятствия».
Практические рекомендации
1. Если вы хотите водить машину по дорогам общего пользования безопасно, а по гоночному треку быстро, перемещайте органы управления (руль, педали газа и тормоза) плавно и постепенно.
Теперь поговорим о том, что в самой шине влияет на ее сцепление.
Коэффициент сцепления шины с дорогой
Остается последний параметр в формуле силы трения Амонтона-Кулона – коэффициент сцепления µ, который, в первую очередь, зависит от природы соприкасающихся поверхностей. Самый показательный пример – сцепление резины с асфальтом куда лучше, чем той же резины со снегом и тем более льдом, несмотря на разные механизмы трения между шиной и этими тремя покрытиями. А при одном и том же дорожном покрытии коэффициент сцепления будет зависеть уже от состава резины и конструкции протектора. Например, на зимних шинах автомобиль куда лучше держит скользкую дорогу, чем на летних. И главное отличие зимних и летних шин – именно разный состав резины и конструкция протектора.
А если вы когда-нибудь смотрели по телевизору Формулу 1, наверняка слышали о разных типах шин и разных составах: «мягкий состав, сверхмягкий состав, жесткий состав». Именно это и оказывает ключевое влияние на коэффициент сцепления, даже в Формуле 1.
Так что же, все? Больше ничего не влияет? И что, этот коэффициент сцепления постоянен? Влияет, и как раз потому, что коэффициент сцепления не является постоянным и зависит от некоторых факторов. Но для начала расскажу о пресловутой площади пятна контакта.
Влияет ли площадь пятна контакта на сцепление шины с дорогой?
На всякий случай напомню, что такое пятно контакта. При контакте с плоским дорожным покрытием ВСЯ шина деформируется, сминаясь и становясь плоской в зоне контакта. Эту зону и называют пятном контакта. Пятно контакта имеет площадь, примерно равную размеру ладони. Обыватели часто думают, что чем больше площадь пятна контакта, тем лучше сцепление шины с дорогой. И еще многие думают, что чем шире шина, тем больше площадь пятна контакта. А следовательно, думают, что чем шире шина, тем лучше ее сцепление с дорогой. Ниже я расскажу обо всем этом по порядку.
Как видно из формулы Амонтона-Кулона, площадь пятна контакта в силу трения не входит. Почему? Ведь, казалось бы, чем больше площадь, тем больше элементов шины участвует в зацеплении и тем больше сила трения. С одной стороны – да, а с другой – чем больше площадь соприкосновения, тем меньше давление шины на дорогу. Выходит баш на баш, и площадь не играет никакой роли. Теперь объясню то же самое на языке физики.
Чтобы было понятнее, куда же делась площадь, можно формулу Амонтона-Кулона (1) переписать иначе, с учетом площади пятна контакта и отразить влияние пятна на давление. Все просто: давление тела на опору или, в нашем случае, шины на асфальт равно весу тела (шины), деленному на площадь контакта:
P = N/S = mg/S (2)
где P — давление шины на дорогу, N = mg — все тот же вес шины.
Тогда отсюда можно выразить вес через давление:
N = PS (3)
Теперь, если подставить эту формулу в закон Амонтона-Кулона, получим:
F = µPS (4)
Или, выражаясь человеческим языком, сила сцепления шины с дорогой пропорциональна коэффициенту сцепления, давлению шины на дорогу и площади пятна контакта. Это именно то, как воспринимает силу сцепления большинство людей. Но здесь зарыта собака – в том, что давление напрямую зависит от площади пятна контакта и обратно пропорционально ему. Об этом нам говорит формула (2). Подставляя сюда выражение для давления, получим:
F = µmgS/S (5)
Тогда площадь мы успешно сокращаем и приходим к закону Амонтона-Кулона (1) и силе сцепления, не зависящей от площади пятна контакта.
Влияние адгезии на коэффициент сцепления
Многие интуитивно полагают, что механизм трения резины объясняется адгезией — её приклеиванием к дорожному покрытию: чем больше площадь соприкосновения, тем больше приклеивание и тем больше сцепление. При этом приклеивание, вроде бы, не очень зависит от прижимающей силы. Действительно, тот же скотч липнет к гладким чистым поверхностям без всякого усилия, обеспечивая великолепное сцепление. Ключевое слово тут – гладкие чистые поверхности. Если поверхность шероховатая и грязная, как асфальт, то скотч будет держать гораздо хуже. На этом эффекте основан принцип защиты поверхностей в городской среде от наклеивания объявлений. И скотч, и объявления не держатся на неровных поверхностях потому, что реальная площадь контакта гораздо меньше площади самого скотча или бумаги. Если материал текучий и его контакт с неровной поверхностью сохраняется достаточно долго, то склеивание будет возможно. Обычная резина – материал мягкий, но не текучий, а времена ее контакта с дорожным полотном довольно малы. В результате, вкладом прилипания в формирование коэффициента трения можно пренебречь. Для желающих разобраться в вопросе самостоятельно, я могу порекомендовать ознакомиться с теориями Гринвуда-Вильямсона и Джонсона-Кендалла-Робертса и последующим развитием теории механики контактного взаимодействия.
Что же касается езды по гоночному треку на спортивных и гоночных шинах, там эффект прилипания шины к поверхности трека может быть более заметным. Отчасти это связано со специфическим составом резины протектора и отчасти – с более высокой температурой, до которой прогреваются шины при гоночной езде. Этот эффект и объясняет, почему коэффициент сцепления гоночных шин может быть заметно больше 1 (у шин в Формуле 1 – около 1,8).
И вот как такой коэффициент сцепления сказывается на практике:
Тормозной путь гоночного болида F1 со скорости 140 км/ч оказался короче на 32 метра, чем обычного дорожного автомобиля, 48 метров против 80, то есть в 1,66 раза короче. Во столько же раз коэффициент сцепления гоночной шины в этом видео больше, чем у дорожной.
Влияние аэродинамической прижимной силы на силу сцепления
Не стоит путать эффект прилипания шин к поверхности трека с эффектом аэродинамической прижимной силы, благодаря которой пилоты Формулы 1 при торможениях, ускорениях и поворотах могут испытывать перегрузки, в несколько раз превышающие величину ускорения свободного падения. А болиды, соответственно, иметь в несколько раз большую динамику торможения и скорость прохождения поворотов, чем обычные дорожные машины. То есть в повороте боковое ускорение величиной 4g (где g – ускорение свободного падения) болиды развивают не за счет прилипания шины и коэффициента сцепления, якобы, в 4 раза большего, чем у дорожных шин, а за счет большой прижимной силы, которая создается антикрыльями на большой скорости и в несколько раз превышает силу тяжести болида.
Увеличенное пятно контакта – спущенные шины
Из практики, площадь пятна контакта можно увеличить, уменьшив давление в шинах. Если спустить шины до 1 атмосферы, то при норме в 2 атмосферы это вдвое меньшее давление и вдвое большая площадь пятна контакта. Так что же, ездовые характеристики машины улучшатся в 2 раза? Конечно же нет и, более того, они ухудшатся. Хотя… тормозной путь уменьшится, но не из-за увеличившегося пятна контакта, а из-за увеличившейся силы трения качения вследствие более мягкой шины и большей ее деформации. А ускорение не станет лучше и будет только хуже – все из-за той же силы трения качения. Ну а в поворотах… машина будет вести себя, как будто водитель сильно пьян 🙂 В общем, не делайте этого – не спускайте шины без необходимости, и, кстати, об этой необходимости…
Увеличение площади пятна контакта за счет спускания шин реально может помочь, если нужно проехать через какие-то рыхлые, зыбучие места. За счет большей площади контакта с поверхностью уменьшится давление шин на поверхность, а значит, и риск провалиться или увязнуть.
Увеличим ширину шин в 10 раз и спасем мир от ДТП?
Обратный пример, узкие шины мотоцикла не делают его более медленным, чем машина, и, более того, он заметно быстрее ее. Быстрее он по другим причинам, но значительно меньшая ширина шины негативного влияния точно не оказывает.
И еще идея – а давайте увеличим ширину шины в 10 раз и тем самым увеличим сцепление в 10 раз, и раз и навсегда решим все проблемы зимней езды, а на асфальте машина вообще будет останавливаться, как вкопанная! И всем всегда будет хватать тормозного пути! Что, вам не нравится эта идея? Правильно, если б все было так просто, это бы давно уже сделали…
В итоге:
увеличение площади пятна контакта => увеличение количества элементов шины, участвующих в зацеплении, и одновременно уменьшение давления шины на дорогу => оба эффекта компенсируют друг друга в равной степени => сцепление шины с дорогой не меняется
Влияет ли ширина шины на площадь пятна контакта?
Более того, увеличив ширину шины, хоть в 10 раз, мы не увеличим площадь пятна контакта, а лишь изменим его форму. Пока вы не закидали меня тухлыми помидорами после этой фразы, я попробую успеть доказать ее :)))
Вспомним, что такое давление – это сила (в нашем случае – сила тяжести, прижимная сила), приходящаяся на единицу площади. Об этом нам говорит формула (2), продублирую ее:
P = N/S = mg/S (2)
где m – масса тела (шины и части машины, приходящейся на эту шину), а S – площадь соприкосновения тел, то есть, в нашем случае площадь пятна контакта.
Отсюда площадь пятна контакта равна
S = mg/P (6)
То есть площадь пятна контакта шины с дорогой тем больше, чем больше вес машины, приходящийся на эту шину, и чем хуже она накачана. И, конечно, на площадь влияет и жесткость боковин шины. Чем жестче боковины, тем меньше деформируется шина и тем меньше деформируется шина при уменьшении давления воздуха в ней. Хороший пример – современные шины с усиленными боковинами Run Flat, которые даже будучи полностью спущенными могут довезти автомобиль до места назначения, не особо проседая. От ширины шины площадь пятна контакта при одном и том же давлении и одной и той же нагрузке не зависит (в первом приближении).
Ширина шины влияет на форму пятна контакта
Прекрасно! А куда же делась ширина шины??? Очень просто, и тут опять работает принцип «баш на баш». Пятно контакта – следствие деформации шины, которая, в свою очередь, возникает вследствие приложенной сверху силы, то есть cилы тяжести самой шины и автомобиля. Чем шире шина, тем шире пятно контакта, что, казалось бы, должно увеличить площадь пятна. С другой стороны, чем шире шина, тем меньшее давление она оказывает на дорогу и тем меньше деформируется. В итоге, при увеличении ширины профиля шины мы имеем ту же площадь пятна контакта, но более вытянутую по ширине и узкую его форму.
В одном из серьезных научных трудов, который попался мне на глаза за последнее время (Автомобильные шины, диски и ободья, Евзович В.Е., Райбман П.Г.), авторы привели результат эксперимента с тремя шинами, две из которых были одной и той же модели, но разного диаметра ширины:
205/55 R16 с площадью отпечатка 173*143 мм = 247,39 см2
225/45 R17 с площадью отпечатка 185*134 мм = 247,90 см2
Как видим, у более широкой шины пятно более вытянутое и узкое, чем у более узкой шины. При этом в квадратных сантиметрах площадь пятна контакта практически одна и та же.
То есть, да, при одном и том же давлении у широкой шины пятно контакта по площади больше, чем у узкой. Но насколько? В данном примере на десятые доли процента, а вообще – максимум на несколько процентов. Теоретически, мы можем поставить на машину вместо шин с шириной профиля 195 мм шины с профилем, скажем, 245 мм. Но на практике это недопустимо по требованиям завода-изготовителя автомобиля. В любом случае, как я писал выше, площадь пятна контакта непосредственно не влияет на силу сцепления, поэтому ни эти доли процента, ни большее увеличение площади (например, за счет снижения давления в шине) погоды нам не сделают.
В итоге:
увеличиваем ширину профиля шины => увеличиваем ширину пятна контакта и одновременно уменьшаем давление шины на дорогу и деформацию шины в зоне контакта => уменьшаем длину пятна контакта => изменяется форма пятна контакта, но не меняется его итоговая площадь (меняется незначительно)
А увеличить площадь пятна контакта можно либо уменьшив давление воздуха в шине, либо увеличив нагрузку на шину сверху.
Сила сцепления шины с дорогой. Итоги
Итак, ширина шины напрямую не влияет на ее сцепление с дорогой по двум причинам:
а) площадь пятна контакта не влияет на сцепление
б) ширина шины не влияет на площадь пятна контакта
Я бы сказал, сила трения имеет «двойную защиту» от ширины шины :)))
Однако ширина шины все же косвенно влияет на силу сцепления, и независимость площади пятна контакта от ширины никак не мешает этому влиянию. Обо всем этом – ниже.
В итоге, сцепление шины с дорогой зависит от:
1) веса, приходящегося на шину, от развесовки автомобиля и динамического перераспределения веса, а значит, и от конструктивных его особенностей – высоты центра тяжести, колесной базы, колеи, подвески, жесткости кузова. Обсуждение этих моментов – отдельная тема и выходит за рамки этой серии статей.
2) коэффициента сцепления (трения покоя). А он, в свою очередь, много от чего зависит, но не от площади пятна контакта! 🙂 Вот параметры, влияющие на величину коэффициента сцепления шины с дорогой, известные мне из университетского курса физики, специальной литературы и из водительского и инструкторского опыта:
Обо всем этом я подробно напишу в следующих статьях. Кроме того, все эти вопросы мы подробно обсуждаем на курсе безопасного вождения «МВА для водителя: Мастерство Вождения Автомбиля». Конкретно в следующей статье — о влиянии дорожного покрытия, типа протектора шины, рисунка протектора и степени его износа на коэффициент сцепления, а также о зависимости коэффициента сцепления от температуры шины.
Продолжение следует…
Красивый протектор — хорошее сцепление. Миф или нет?
«Хорошо летать могут только красивые самолеты».
Авиаконструктор А.Н. Туполев
Для начала разберемся, какие бывают типы протектора шин и за что конкретно отвечают его элементы.
Зимние шины
Материалы по теме
Солидные производители выводят на рынок полную линейку зимних типов шин. У них присутствуют шипованные и нешипованные модели, шины для мягкой «европейской» зимы и для суровых морозов. Используются направленные и ненаправленные, симметричные и асимметричные рисунки протектора.
Разберем, как именно работают те или иные конструктивные решения, на примере продукции одного из самых именитых производителя шин в мире — компании Continental.
Шипованные
Шипованные шины применяют в регионах, где часто встречаются обледенелые дороги или где приходится ездить по укатанному снегу. Шипы обеспечивают хорошее сцепление шины с ледяной или плотно укатанной снежной поверхностью за счет прокалывания слоя и механического зацепления шипа подобно тому, как шестеренка зацепляется за зубчатую рейку.
Раньше шипы на шину устанавливали всего в несколько рядов, так, что проскользившая шина оставляла всего 4-6 канавок от шипов на льду. Но у современных покрышек шипы расположены по куда более сложной схеме и количество «царапин» на льду может составлять 16-20 штук. Некоторые производители применяют шипы разных типов на одной шине — в зависимости от места их установки в протекторе.
Так выглядит современная шипованная шина с направленным рисунком протектора. В данном случае производитель применил многорядную ошиповку. При этом часть шипов работает преимущественно на обеспечение продольного сцепления с дорогой, а другая часть участвует в передаче и боковых, и продольных усилий.Так выглядит современная шипованная шина с направленным рисунком протектора. В данном случае производитель применил многорядную ошиповку. При этом часть шипов работает преимущественно на обеспечение продольного сцепления с дорогой, а другая часть участвует в передаче и боковых, и продольных усилий.
Материалы по теме
Направленный рисунок протектора образует большое количество водоотводящих канавок, имеющих форму буквы V, которые уложены в направлении движения. Соответственно, вода или мокрый снег максимально эффективно отводятся от центра шины к ее краям. К недостаткам направленного протектора можно отнести несколько больший шум, издаваемый колесам при движении. При сезонной переобувке надо проследить, чтобы колеса были ориентированы правильно, установить их в соответствии со стрелками, указывающими направление вращения шин.Есть и другие способы улучшить сцепление с дорогой. К примеру, при создании шин IceContact™ 3 больших размеров (от 17 дюймов) производитель применил еще одну инновацию. Корпус шипа изготовлен из резины. Парадокс? Нет. Просто хорошо подобранная, достаточно плотная резина, с одной стороны, очень хорошо удерживает металлическую часть шипа и вместе с тем обладает отличным «сродством» с материалом, из которого изготовлена сама шина. Такая технология получила название ContiFlexStud™. Шум от таких шипов несколько ниже, чем от обычных. Да и к дорожному покрытию шины с такой конструкцией шипов относятся бережнее. И ходят такие шипы дольше, чем обычные.
Благодаря эластичному резиновому корпусу шипа, который повторяет рельеф поверхности дороги, его закаленный металлический штифт глубже проникает в лед.Благодаря эластичному резиновому корпусу шипа, который повторяет рельеф поверхности дороги, его закаленный металлический штифт глубже проникает в лед.
«Обычные шипы не способны полностью проникнуть в лед на дороге, потому что им мешает жесткое алюминиевое тело. Наши обрезиненные шипы ContiFlexStuds позволяют твердосплавным наконечникам глубже вонзаться в лед. В результате каждый из этих новых шипов обеспечивает примерно на 7% большее сцепление со льдом, а это означает серьезный прорыв в сфере активной безопасности», — говорит глава отдела разработки зимних шин компании Continental Марко Джеллингс.
Нешипованные
Трудно представить себе высокоскоростной спортивный автомобиль, скребущий асфальт шипами. На таких машинах зачастую выезжают «в охотку», когда зимние дороги немного подсыхают. Для подобных условий в линейке хорошего производителя найдутся нешипованные шины, или так называемые «липучки».
Высокоскоростная нешипованная зимняя шина Continental WinterContact™ TS 860 SВысокоскоростная нешипованная зимняя шина Continental WinterContact™ TS 860 S
На примере этой шины разберем сразу несколько конструктивных особенностей. Широкие продольные канавки протектора хорошо отводят снежно-водяную кашу, предотвращая слэшпленинг — «всплывание» колеса при быстром движении, вплоть до полной потери контакта с дорогой из-за образовавшегося между ними клина из снежно-водяной каши. А еще такие продольные канавки способствуют хорошей курсовой устойчивости. Поперечные канавки, наоборот, относительно узкие — это обеспечивает достаточную жесткость блоков протектора и как следствие более эффективное торможение. Крупные блоки во внешней плечевой зоне увеличивают пятно контакта, что особенно важно при маневрировании. А еще вы, конечно, заметили асимметричный рисунок протектора.
Современная нешипованная шина Continental VikingContact™ 7. Особенность этой шины — в трехмерных трапециевидных ламелях. Они значительно улучшают тяговые и тормозные характеристики шины. Как именно они работают — хорошо видно на рисунке.Современная нешипованная шина Continental VikingContact™ 7. Особенность этой шины — в трехмерных трапециевидных ламелях. Они значительно улучшают тяговые и тормозные характеристики шины. Как именно они работают — хорошо видно на рисунке.
Материалы по теме
Идеология асимметричного протектора заключается в разделении всей ширины протектора на внешнюю сторону и внутреннюю. При этом каждая из сторон отвечает за разные качества шины. Элементы протектора на внешней стороне выполнены из более жесткой резины. При этом протекторные блоки обычно более крупные. Это необходимо, чтобы внешняя сторона шины лучше противодействовала деформации при энергичном маневрировании на высоких скоростях. Внутренние блоки протектора выполнены из резины помягче, а количество водо- и снегоотводящих канавок в этой зоне больше. Быстрый отвод воды или снега особенно важен для высокоскоростных шин. Кроме того, мягкая сторона протектора шины повышает комфортность езды. Шинам с асимметричным протектором свойственна хорошая управляемость и устойчивость на высоких скоростях.Совет ЗР:
При выборе типа зимних шин во многом приходится ориентироваться на большинство. Ведь, согласитесь, если большинство автомобилей в регионе снабжено шипами, то и при покупке шин для своей машины лучше выбрать такие же. Ну, чтобы обеспечить себе сопоставимый тормозной путь и никого не «догнать». Таков, например, Московский регион. Большинство здесь ездит на шипованной резине, и это подтверждает статистика продаж. А вот на всем Дальнем Востоке нашей страны, наоборот, предпочитают «липучки». Да и в целом для регионов, в которых оттепели довольно часты, зимой целесообразно применять нешипованные шины.
Всесезонные шины
Всесезонные шины должны обеспечивать безопасность и высокую экономичность круглый год. К примеру, в протекторе шин AllSeasonContact™содержится специальные полимерные материалы и двуокись кремния для лучшего сцепления с зимними дорогами. Явно выраженный направленный рисунок протектора хорошо отводит снежно-водяную кашу зимой и предотвращает аквапланирование летом.
Современная всесезонная шина AllSeasonContact™ с направленным рисунком протектора.Современная всесезонная шина AllSeasonContact™ с направленным рисунком протектора.
Совет ЗР:
Решение приобрести «всесезонки» во многом компромиссное. Но есть в России столь теплые регионы, где применение таких шин оправданно. На них можно ездить с начала осени и до конца весны. Ну а на лето – переобувать машину в летние шины (при желании). Весной и осенью к преимуществам всесезонных шин можно отнести несколько лучшую проходимость по скользким грунтовым дорогам, чем у летних шин. Темп износа на «теплых» (выше 0 градусов) дорогах далеко не так велик, как у зимних шин, из-за более твердых протекторных смесей. А вот жителям северных округов можно использовать всесезонные шины с начала весны и до конца осени. Такие шины хорошо «гребут» по грязи. Ну а к зиме можно их заменить на зимние шины.
Летние шины
Летом скорости выше, чем зимой. Но требования к летним шинам предъявляются почти такие же, как и к зимним: высокое сцепление с дорожным покрытием, низкий уровень шума, топливная экономичность.
У шины EcoContact™ 6 особый упор сделан на максимальную топливную экономичность.У шины EcoContact™ 6 особый упор сделан на максимальную топливную экономичность.
Материалы по теме
В шине EcoContact™ 6 использована резиновая смесь с кремнеземными наполнителями Green Chili™ 2.0. У такой смеси сила внутреннего трения частиц наполнителя и полимеров меньше, чем в традиционных резиновых смесях.Для скоростных автомобилей создают особые летние шины. В таких покрышках Continental применяется фирменная резиновая смесь Black Chili. Она обеспечивает максимальное сцепление с дорогой за счет применения частиц сажи наноразмера. Эта технология позволяют протектору шины значительно быстрее деформироваться, принимая форму поверхности дороги и тем самым улучшая сцепление. Крупные блоки протектора обеспечивают точность руления и высокую поперечную устойчивость в поворотах. Центральная дорожка шины, окруженная широкими канавками, способствует прекрасной курсовой устойчивости.
Шины SportContact™ 6 обеспечивает стабильность на высоких скоростях – вплоть до 350 км/ч.Шины SportContact™ 6 обеспечивает стабильность на высоких скоростях – вплоть до 350 км/ч.
В нашей стране значительную часть автопарка составляют компактные автомобили с 13-14 дюймовыми колесами. Для их владельцев важны долговечность шины, короткий тормозной путь на сухой и мокрой дороге, да и проходимость по грунтовке не помешает. Вот как выглядит рисунок протектора у шин с такими характеристиками:
Для массового покупателя предназначены относительно недорогие шины ContiEcoContact™ 3. Эта шина доступна именно в небольших размерах. Значительный размер канавок между блоками протектора улучшает проходимость благодаря лучшей самоочистке. На примере этих разноплановых шин видно, что отличные эксплуатационные качества шин идут в ногу с очень симпатичными рисунками протектора. Тесты, проведенные журналом «За рулем», подтверждают, что шины, занимающие призовые места, всегда обладают привлекательным рисунком протектора. Но надо не забывать и о технической стороне вопроса. К примеру, летние шины с широкими продольными канавками хорошо отводят воду, а значит на таких покрышках будет комфортно передвигаться в дождливую погоду. А вот направленный и симметричный рисунок протектора встречается в линейке именитых производителей все реже. Вероятно, такой тип протектора со временем останется лишь в бюджетном сегменте. В случае с более дорогими покрышками рисунок протектора все замысловатее, чаще направленный и асимметричный — это делает шину эффективнее, особенно при движении на высоких скоростях.Для массового покупателя предназначены относительно недорогие шины ContiEcoContact™ 3. Эта шина доступна именно в небольших размерах. Значительный размер канавок между блоками протектора улучшает проходимость благодаря лучшей самоочистке. На примере этих разноплановых шин видно, что отличные эксплуатационные качества шин идут в ногу с очень симпатичными рисунками протектора. Тесты, проведенные журналом «За рулем», подтверждают, что шины, занимающие призовые места, всегда обладают привлекательным рисунком протектора. Но надо не забывать и о технической стороне вопроса. К примеру, летние шины с широкими продольными канавками хорошо отводят воду, а значит на таких покрышках будет комфортно передвигаться в дождливую погоду. А вот направленный и симметричный рисунок протектора встречается в линейке именитых производителей все реже. Вероятно, такой тип протектора со временем останется лишь в бюджетном сегменте. В случае с более дорогими покрышками рисунок протектора все замысловатее, чаще направленный и асимметричный — это делает шину эффективнее, особенно при движении на высоких скоростях.
На примере этих разноплановых шин видно, что отличные эксплуатационные качества шин идут в ногу с очень симпатичными рисунками протектора. Тесты, проведенные «За рулем», подтверждают, что шины, занимающие призовые места, всегда обладают привлекательным рисунком протектора. Но надо не забывать и о технической стороне вопроса. К примеру, летние шины с широкими продольными канавками хорошо отводят воду, а значит на таких покрышках будет комфортно передвигаться в дождливую погоду. А вот направленный и симметричный рисунок протектора встречается в линейке именитых производителей все реже. Вероятно, такой тип протектора со временем останется лишь в бюджетном сегменте. В случае с более дорогими покрышками рисунок протектора все замысловатее, чаще направленный и асимметричный — это делает шину эффективнее, особенно при движении на высоких скоростях.
От чего зависит сцепление шин с дорогой? Часть 2
Или от чего зависит коэффициент сцепления?
В прошлой статье я вкратце описал, от чего зависит сцепление шины с дорогой с точки зрения физики. Все известные мнеспециальные справочники и научные труды описывают силу сцепления шин с дорогой известной формулой Амонтона-Кулона: F = µmg, и она отлично подтверждается практикой, несмотря на свою простоту. В итоге, мы имеем единственный параметр, входящий в эту формулу и имеющий отношение к шине – коэффициент сцепления. И за внешней простотой формулы Амонтона-Кулона скрывается достаточно сложный процесс, поскольку коэффициент сцепления не является постоянным и явно зависит от ряда других параметров:
- тип и качество дорожного покрытия
- состав резины протектора
- температура шины
- скорость движения автомобиля
- степень проскальзывания шины
- увод шины
Вот и поговорим о них в этой и следующих статьях.
Влияние качества дорожного покрытия на коэффициент сцепления
Это самый очевидный параметр, влияющий на сцепление шины с дорогой, и не нуждается в долгом обсуждении. Даже ребенку известно, что лед скользкий, а асфальт – нет. Приведу классический набор коэффициентов сцепления шины с разными дорожными покрытиями:
| Тип дорожного покрытия | Коэффициент сцепления |
| Сухой асфальт | 0,8 |
| Влажный асфальт | 0,6 |
| Мокрый асфальт | 0,4 |
| Рыхлый снег | 0,3 |
| Укатанный снег | 0,2 |
| Лед | 0,1 |
| Мокрый лед | 0,05 |
Значения примерны, могут отличаться в зависимости от справочника и, кроме того, были актуальны еще лет 20-30 назад. По некоторым данным, современные шины могут обеспечивать сцепление с сухим асфальтом с коэффициентом 1,0-1,1. Так что, вполне возможно, табличка устарела, но я все же рекомендую вам ориентироваться на нее – целее будете
Практические рекомендации
1. Помните, что состояние дорожного покрытия очень и очень сильно влияет на сцепление шин с дорогой. Тормозной путь на льду зимой может превышать тормозной путь на асфальте летом до 10 раз. Даже летом в дождь тормозной путь может увеличиться в 2 раза по сравнению с тормозным путем на сухом асфальте. Поэтому всегда думайте о том, по какому покрытию едете, и выбирайте соответствующие дистанцию до автомобиля-лидера и скорость перед поворотом.
Влияние типа протектора на коэффициент сцепления
Состав резины протектора
Как я уже писал выше, в зависимости от предназначения шины, она имеет тот или иной тип протектора: летний, дождевой, зимний, грязевой и т.п. На фото ниже изображены зимняя и летняя шины. Обращаю ваше внимание на то, что важен не рисунок протектора сам по себе (в ёлочку, в полосочку, в клеточку, в линеечку), а его тип. Конечно, рисунок у них разный, но не он принципиально отличает шины друг от друга, а разный тип протектора. У летней шины гладкие края, есть непрерывные продольные водоотводящие канавки, отсутствуют ламели, а глубина канавок заметно меньше, чем у зимней шины, хотя это и не видно из рисунка. У зимней же шины, наоборот, грубые острые края, котрые помогают разрушить снежно-ледяную корку и «зубами» зацепиться за снежную массу. Аналогичные и более ярко выраженные «зубы» есть у грязевых шин, позволяющие лучше зацепляться за рыхлые поверхности. Сам протектор зимней шины испещрён множеством прорезей – ламелей, канавки более глубокие, чем у летней шины. А самое главное отличие зимней и летней шин в том, что у летней резина жесткая – для асфальта, а у зимней – мягкая – для снега и морозов.
Логика следующая:
мягкий состав => хорошее сцепление на морозе и плохое в жару
жесткий состав => хорошее сцепление с теплым асфальтом и плохое на морозе
Практические рекомендации
2. Всегда учитывайте качество шин, которые установлены на вашем авто. Помните, что зимние шины никогда не будут держать асфальтированную дорогу так же хорошо, как летние, в силу особенностей состава резины. Причем летний асфальт зимние шины держат еще хуже, чем зимний. А летние шины эконом-класса всегда будут уступать в качестве сцепления с дорогой дорогим шинам премиум-класса. Учитывайте это и выбирайте стиль вождения в соответствии с возможностями вашего автомобиля и ваших шин.
3. Не экономьте на шинах, шины – единственное связующее звено автомобиля с дорогой и залог вашей безопасности. Используйте летом летние шины, не нужно ездить на зимних. Избегайте всесезонных шин, они не дают хорошего сцепления ни ни летом, ни зимой. Не стоит экономить и покупать дешевые шины эконом-класса. Лучше переплатить за хороший комплект шин и тем самым сэкономить на кузовном ремонте, а то и на лечении…
Влияние рисунка протектора
Что касается именно рисунка, он больше нужен для эстетического восприятия шины, и даже сами производители шин говорят, что рисунок – маркетинговый инструмент. Вы же не можете, глядя на стенд с шинами в магазине, определить состав их резины? Не можете. А отличить один рисунок от другого – очень даже. Вот на том и стоят…
Если вы когда-нибудь обращали внимание на гоночные шины, в частности, на болидах Формулы 1, наверняка замечали, что у гоночных шин вообще нет рисунка. Протектор есть, а рисунка нет. И это гоночный тип протектора для сухого асфальта.
Но на шинах для дождя уже есть рисунок, там протектор дождевого типа, и рисунок сделан так, чтобы максимально эффективно отводить воду из пятна контакта, чтобы вода не препятствовала контакту шины с асфальтом. При этом и состав резины особый, специально для влажного асфальта, и именно он задает сцепление. Таким образом, канавки в дождевом протекторе не могут повлиять на сцепление как таковое, они лишь не дают потеряться контакту шины с дорогой, а сцепление при наличии контакта обеспечивает состав резины.
Эта логика выглядит следующим образом:
дождевой тип протектора => эффективное удаление воды из пятна контакта => обеспечение лучшего контакта шины с дорогой => меньшая потеря первоначальных сцепных свойств => обеспечение сцепления за счет состава резины
неправильная логика:
дождевой тип протектора => улучшение сцепления с мокрой дорогой из-за рисунка «в ёлочку»
Практические рекомендации
4. Помните, что если у вас шины с модным, современным и навороченным рисунком протектора, это не дает принципиальных преимуществ в дождь или снег и не дает никаких преимуществ на сухом асфальте или льду. Возможно, ваш модный рисунок «нарисован» на высококачественном протекторе дорогих шин, тогда у вас действительно хорошее сцепление с дорогой в силу хорошего состава резины. Но и это не дает вам повода лихачить, поскольку даже самые хорошие шины не могут обойти законы физики.
5. Не стоит также при выборе шин гнаться за красивым рисунком протектора. По рисунку вы не сможете определить качество шины, все определяется составом резиновой смеси, который не виден глазом. Выбирайте шины премиум-сегмента ведущих производителей, ориентируйтесь на независимые шинные тесты и исследования.
Влияние износа протектора
Еще определенное влияние на сцепление шины с дорогой оказывает степень износа протектора. Есть такое народное заблуждение: лысые, то есть сильно изношенные шины плохо держат дорогу, особенно мокрую, потому что нет рисунка. Конечно, в случае с дождем это отчасти так и есть. Гладкие шины – те же гоночные слики буквально всплывают на водяной пленке (явление аквапланирования), а дождевые канавки в протекторе, как я писал выше, помогают отводить воду и избежать этого.
Но не только поэтому лысые шины хуже держат дорогу, а в случае сухого асфальта – вообще не поэтому. Просто состав резины протектора, который и отвечает за сцепление с дорогой, находится в поверхностном слое шины, глубже которого – уже другая резина, играющая другую роль. И когда шина изнашивается «долыса», этой цепкой резины просто не остается, а резина, находящаяся под протектором не может обеспечить должного сцепления, поскольку не предназначена для этого. Таким образом, износ протектора по сути означает не истирание рисунка, а исчезновение состава резины, который обеспечивает хорошее сцепление с дорогой.
Есть еще мнение, что наполовину изношенная шина имеет лучшее сцепление с дорогой, чем новая, но это больше актуально в поворотах, и об этом – в одном из следующих разделов.
Так что наибольшее влияние на сцепление шины с дорогой оказывает именно состав резины протектора. И широкая низкопрофильная спортивная шина обеспечивает лучшее сцепление, чем эко-шина с узким и высоким протектором, не потому что она широкая или с большим диаметром и не потому что у нее новый асимметричный рисунок протектора, а потому что имеет протектор спортивного предназначения с соответствующим составом резины.
В итоге, неправильная логика:
лысая шина => отсутствие рисунка протектора => ухудшение сцепления
правильная логика:
лысая шина => отсутствие резинового слоя с составом, обеспечивающим хорошее сцепление => ухудшение сцепления
Практические рекомендации
6. Не стоит бояться езды на шинах с частичным износом протектора, от этого они держат дорогу только лучше. Но вождение на полностью изношенных «лысых» шинах становится опасным, особенно, на мокрой дороге. Следите за износом и вовремя меняйте шины на новые.
Влияние температуры шины на коэффициент сцепления
Деформация любого тела приводит к его нагреву. Шина в процессе езды деформируется, особенно при разгонах, торможениях и поворотах, и, как следствие, нагревается. При прямолинейном и равномерном движении она тоже деформируется, но в большей степени из-за вертикальных колебаний вследствие дорожных неровностей. Поэтому температура шины, скажем, через час после начала поездки, значительно отличается от ее температуры до поездки, и еще более значительно, если на машине «отжигали» – много и интенсивно тормозили, ускорялись и с ветерком «вваливали» в повороты.
Коэффициент сцепления шины с дорогой зависит от температуры шины, причем его максимуму соответствует некая оптимальная температура. То есть на холодной шине коэффициент имеет какое-то значение, при нагреве увеличивается, а при перегреве шины снова уменьшается. Оптимальная температура для разных шин разная, для летних дорожных шин она находится в интервале 60-90 градусов, для гоночных шин – выше и может превышать 100 градусов.
В обычном дорожном вождении важно не перегреть шину, а в автогонках актуально избежать не только перегрева, но и недогрева. Недогрев в гонке означает недостаточно большой коэффициент сцепления, а значит, недостаточно большую скорость пилотирования. Перегрев опасен не только временным ухудшением сцепления с дорогой, но и повышенным износом протектора шины, а значит, преждевременным уменьшением сцепления, но для изношенной шины уже навсегда.
Практические рекомендации
7. Если вы – любитель динамичной езды, отправились в поездку, а на улице не стоит палящий зной, не стоит сразу динамично разгоняться и тормозить и «закладывать» в повороты. Дайте некоторое время шинам, чтобы они прогрелись до рабочей температуры и достигли максимального сцепления с дорогой.
8. Если же вы выезжаете на гоночный трек, помните, что от гоночной езды обычные дорожные шины могут перегреться и резко ухудшить свои свойства либо временно, пока перегретые, либо уже постоянно, если вы вовремя не отследите их перегрев и они быстро износятся.
Влияние ширины профиля шины на ее нагрев
Так вот как раз на температурную стабильность и устойчивость к перегреву и износу влияет ширина шины. Чем шире шина, тем выше ее теплоемкость и лучше обдув воздухом, тем самым она лучше отводит тепло, меньше нагревается и изнашивается. Следовательно, широкая шина имеет меньший риск уменьшения коэффициента сцепления в течение активной езды по дороге или гонки и дольше сохраняет первоначальные сцепные свойства. Хотя при одинаковом составе широкая шина изначально имеет тот же коэффициент сцепления, что и узкая шина, но она дольше его сохраняет. Так что для любителей активного «отжига» широкая шина должна быть предпочтительнее узкой.
Однако для увлекающихся гоночной ездой водителей важно найти золотую середину. Ведь увеличив ширину резины сверх меры, в результате можно не достичь оптимальной температуры. Излишне широкая шина будет охлаждаться слишком сильно, и есть риск, что, как ни старайся, выше 60 градусов мы шину не нагреем, а значит, получим меньший коэффициент сцепления, чем если бы поставили более узкую шину, и прогрели бы ее до нужной температуры.
Так что при увеличении ширины профиля шины имеет место следующая логика:
широкая шина => меньше перегрев и износ => долгое сохранение первоначальных сцепных свойств при повышенных нагрузках
неправильная логика:
широкая шина => больше площадь пятна контакта => больше сила сцепления с дорогой
Таким образом, ширина шины прямо не влияет на сцепление шины с дорогой, но влияет косвенно. Повторюсь, при одинаковом составе резины широкая шина изначально имеет тот же коэффициент сцепления, что и узкая шина, но дольше его сохраняет за счет меньшего риска перегрева и меньшего износа.
Практические рекомендации
9. Если вы любите динамичную езду и, что особенно важно, выезжаете на гоночный трек, используйте соответствующие шины – с широким и низким профилем, желательно из премиум-сегмента и от зарекомендовавших себя производителей. Для трека лучше всего использовать специализированные шины – полуслики или слики.
10. Помните также, что слишком широкие шины конкретно на вашем автомобиле могут не прогреваться до рабочей температуры вследствие интенсивного охлаждения, и тогда вы не сможете выйти на максимальный коэффициент сцепления и полностью использовать потенциал вашей машины. Во всем нужна мера – в том числе и в установке шин оптимальной ширины.
Влияние давления воздуха в шине на ее нагрев
Еще один фактор, влияющий на нагрев шины – давление воздуха, до которого она накачана. Как я уже писал, шина нагревается от деформации. Чем больше деформация, тем больше нагрев. А чем больше давление воздуха в шине, тем она жестче и тем меньше деформация и тем меньше нагрев. Справедливо и обратное: низкое давление приводит к быстрому нагреву и, возможно, перегреву. Поэтому в инструкции к любой машине можно наряду с рекомендуемым давлением в шинах увидеть рекомендацию перекачать шины при езде с большим грузом или с большой скоростью.
Так что спущенные шины ухудшают ездовые характеристики из-за большей деформации шины. Но эта деформация плоха как сама по себе (это увеличивает увод, об этом – ниже), так и вследствие повышенного нагрева шины.
В итоге:
пониженное давление в шине => большая мягкость шины => большая деформация шины => увеличенный нагрев => повышенный риск временного снижения коэффициента сцепления и преждевременного износа
Не стоит путать температуру протектора шины и температуру воздуха в шине. Из закона Менделеева-Клапейрона
PV=RT (7)
где Р – давление воздуха, V – объем воздуха, R – универсальная газовая постоянная, Т – температура воздуха,
немедленно вытекает, что при повышении температуры воздуха повышается и его давление, и, наоборот, при похолодании давление снижается. Это означает, что если сегодня при 0 градусов за окном вы накачали шины до оптимального давления, а завтра похолодало до -15, надо идти подкачивать шины. Хотя воздух из них никуда не делся, его давление заметно снизилось вследствие снижения температуры. Аналогично, при резком потеплении имеет смысл стравить воздух и избавиться от лишнего давления.
То есть:
похолодание на улице => снижение температуры воздуха в шине => снижение давления воздуха в шине => необходимость подкачать шины
Но этот факт никак не противоречит тому, что перед поездкой с большой скоростью, в том числе и по гоночному треку, следует перекачать шины во избежание их перегрева. Ведь шины перегреваются от повышенной деформации вследствие недостатка давления воздуха. А к переизбытку давления приводит нагрев воздуха в самой шине.
Практические рекомендации
11. Регулярно (1 раз в 1-2 недели) делайте плановую проверку давления в шинах с помощью манометра. В случае резкой смены температуры на улице делайте внеплановую проверку давления в шинах. Если проверка показала несоответствие давления рекомендованному заводом-изготовителем АВТОМОБИЛЯ, обеспечьте нужное давление – подкачайте спущенные или подспустите перекачанные шины.
12. Перед поездкой с большой скоростью и/или с большим грузом или на гоночном треке увеличьте давление в шинах примерно на 20%. Не забудьте по окончании поездки выпустить лишний воздух.
13. Помните, что давление воздуха в шинах следует проверять на холодных шинах – не менее, чем через 2 часа по окончании поездки. Если же машина проехала больше, чем 1 км пути, воздух в шинах нагревается, и манометр покажет завышенное давление.
Коэффициент сцепления шин с дорогой. Итоги
В этой статье я рассмотрел влияние на коэффициент сцепления шин с дорогой следующих параметров:
- тип и качество дорожного покрытия
- состав резины протектора
- температура шины
И вот выводы:
1. С дорожным покрытием все просто: шины хорошо держатся за асфальт и плохо за лед. Тормозной путь на этих покрытиях может отличаться даже в 10 раз.
2. Что касается самой шины, то наибольший вклад в сцепление вносит состав резины протектора. Рисунок протектора не влияет на сцепление на сухом асфальте, а на мокром влияет косвенно – выдавливает воду из пятна контакта и не дает шине всплыть на водяном клине, но само сцепление обеспечивает состав резины. Внешний вид рисунка протектора – эстетический момент, по нему вы не сможете на глаз определить качество сцепления шины с дорогой. Поэтому и лысая изношенная шина плоха не отсутствием рисунка, а отсутствием резины протектора.
3. Коэффициент сцепления зависит от температуры шины и достигает максимума при ее разогреве до рабочей температуры в 60-90 градусов. Широкий профиль шины страхует ее от перегрева и обеспечивает меньший износ и температурную стабильность за счет лучшего охлаждения воздухом. Поэтому спортивные шины для асфальтовой езды делаются широкими.
В следующей статье – о влиянии скорости движения автомобиля и проскальзывания шин на коэффициент сцепления.
Продолжение следует…
3.10. Сила и коэффициент сцепления колес автомобиля с дорогой
Значение тяговой силы, необходимой для движения, ограничено вследствие действия силы сцепления колес с дорогой.
Под силой сцепления понимают силу, противодействующую скольжению колеса относительно поверхности дороги. Она равна силе трения, возникающей в месте контакта колеса с дорогой.
Сила сцепления
гдеRZ, — нормальная реакция дороги; φ — коэффициент сцепления.
Равномерное
качение колеса без скольжения и буксования
возможно только при выполнении
условия 
Если тяговая сила
больше
силы сцепления
, то
автомобиль движется с пробуксовкой
ведущих колес. Это происходит, например,
тогда, когда при движении по сухой
дороге он попадает на участок со скользким
покрытием. Если же автомобиль стоял на
месте, то не только движение, но и его
трогание с места невозможны.
Коэффициент сцепления. Этот коэффициент во многом определяет
значение
силы сцепления. В зависимости от
направления скольжения колеса относительно
поверхности дороги различают коэффициенты
продольного φх и поперечного φу сцепления.
Эти коэффициенты зависят от одних и тех
же факторов, и можно считать, что они
практически равны 
.
На коэффициент продольного сцепления φх оказывают влияние многие конструктивные и эксплуатационные факторы. Он определяется экспериментально. Ниже приведены средние значения φx,- для различных дорог и состояний их поверхности:
Сухое Мокрое
Асфальтобетонное шоссе………………. 0,7…0,8 0,35…0,45
Дорога с щебенчатым покрытием …. 0,6…0,7 0,3…0,4
Грунтовая дорога ………………………….. 0,5…0,6 0,2…0,4
Снег …………………………………………….. 0,2 0.3
Лед……………………………………………….. 0,1 0.2
Р
ассмотрим,
как влияют различные конструктивные и
эксплуатационные факторы на коэффициент
продольного сцепления.
Тип и состояние покрытия дороги. На сухих дорогах с твердым покрытием коэффициент сцепления имеет наибольшее значение, так как в этом случае он обусловливается не только трением скольжения, но и межмолекулярным взаимодействием материалов колеса и дороги (механическим зацеплением). На мокрых дорогах с твердым покрытием коэффициент сцепления существенно уменьшается (в 1,5 2)
Рис. 3.10. Рисунки протектора шин: а, б — дорожный; в, г — универсальный; д—з — повышенной проходимости
Рис. 3.11. Зависимости коэффициента сцепления от давления воздуха в шине (а), скорости движения (б) и вертикальной нагрузки на колесо (в)
раза по сравнению с сухими дорогами, так как между колесом и дорогой образуется пленка из частиц грунта и воды. На деформируемых дорогах коэффициент сцепления зависит от внутреннего трения в грунте и сопротивления грунта срезу.
Рисунок протектора шины (рис. 3.10). Дорожный рисунок протектора обеспечивает наибольший коэффициент сцепления на дорогах с твердым покрытием, универсальный — на дорогах смешанного типа, а рисунок протектора повышенной проходимости — в тяжелых дорожных условиях и по бездорожью. По мере изнашивания рисунка протектора значение коэффициента сцепления уменьшается.
Внутреннее давление воздуха в шине. При увеличении давления воздуха в шине (рис. 3.11, а) коэффициент сцепления сначала возрастает, а затем уменьшается.
Скорость движения. При увеличении скорости движения (рис. 3.11, б) коэффициент сцепления сначала возрастает, а потом падает.
Нагрузка на колесо. Увеличение вертикальной нагрузки на колесо (рис. 3.11, в) приводит к незначительному уменьшению коэффициента сцепления.
Коэффициент
сцепления существенно влияет на
безопасность движения. Его недостаточно
высокое значение вызывает многочисленные
аварии и несчастные случаи на дорогах.
Как показали исследования, по этой
причине происходит 15% общего числа
дорожно-транспортных происшествий, а
в неблагоприятные периоды года —
около 70 %. Исследованиями установлено,
что для обеспечения безопасного движения
значение коэффициента сцепления
должно составлять не менее 0,4.
Рис. 3.12. Силы сопротивления движению автомобиля
Коэффициент сцепления шин с дорогой: на что влияет.
Автомобильная шина отвечает за безопасность движения. В зависимости от покрытия подбирают варианты резины, обладающие наилучшим сцеплением в конкретных условиях. При выборе нужно учитывать коэффициент сцепления шины с дорогой.
Что такое индекс сцепления шин с дорогой
Одним из важнейших параметров любой авторезины является коэффициент сцепления шины. Он показывает силу, которая противостоит скольжению колеса относительно дорожного покрытия. При этом, параметр равняется силе трения, которая возникает в пятне контакта покрышки с дорогой.
Для дорог с грунтовым или другим неустойчивым покрытием, показатель уровня сцепления может отличаться.
На автошине маркируется словом Traction. Рядом с этим словом проставляется буква, соответствующая конкретному индексу. Всего используется три варианта показателей:
- A – показывает самый лучший уровень для шины этого класса;
- B – средний показатель.
- C – минимально допустимый параметр.
Иногда встречается обозначение «AA». Оно характерно больше для спортивных покрышек, говорит об улучшенном коэффициенте сцепления.
Как измеряется коэффициент шины с дорогой
Стоит разобраться, как рассчитывается и измеряется индекс сцепления шины, обычно он показывается в виде коэффициента. Замеры производятся в строгом соответствии с регламентом, определенным:
- ГОСТ 30413–96;
- ГОСТ Р 50597-93;
- ОДН 218.0.006-2002.
Перед началом работы требуется проверить уровень сцепления самой дороги. Для этого замеряется этот параметр с помощью динамометрического прибора, обязательно перед этим асфальт смачивается. Эти данные позволяют отсечь влияние, которое оказывает конкретное покрытие на шину, уменьшив показатель сцепления на полученную величину.
Непосредственно шина тестируется следующим образом.
- Покрышка накачивается до давления 1,65 кг/см2. Но, если тестируются типы шин с другими требованиями, давление может отличаться.
- Накаченная автошина монтируется на прицеп, имеющий смонтированное измерительное оборудование. Общая масса прицепа 984 кг, соответственно на одну покрышку приходится нагрузка в 492 кг.
- Для проведения теста прицеп буксируют по мокрому асфальту со скоростью 65 км/ч. Далее резко тормозят до блокировки колеса прицепа. В этот момент и замеряют коэффициент сцепления.
Окончательные данные получаются путем расчетов, где учитываются параметры конкретного асфальта, замеренные перед тестом.
В зависимости от многих показателей, таких как загрязненность, температура и прочее, асфальт может оказывать разное влияние на коэффициент сцепления шины.
Как рисунок протектора влияет на индекс сцепления
На практике очень большое значение на индекс сцепления оказывает протектор. Именно от него во многом зависит, насколько будет эффективна шина в сложных дорожных условиях. Рассмотрим несколько примеров.
- Если на улице дождь, дорога будет мокрая. При этом, на асфальте постоянно находится небольшое количество воды. Этого вполне достаточно для эффекта аквапланирования, и снижения сцепления. От того, насколько эффективно будет отводиться вода из пятна контакта, напрямую будет зависеть коэффициент сцепления. Наличие водоотводящих канавок на протекторе значительно улучшает качество работы автошины.
- Ламели, на протекторе также усиливают сцепление. Особенно это проявляется на снегу, обледенелой дороге. Там также образуется пленка воды, ламели эффективно ее отводят, также помогают протекторным блокам плотнее прилегать к покрытию.
- На качество сцепления оказывает влияние и размер блоков протектора. Тут нужно учитывать особенности дорожного покрытия, в одних случаях лучший показатель будет у крупных «шашек», в других лучше поведут себя мелкие шины.
Нужно учитывать, что коэффициент сцепления замеряется в сравнении с определенным типом шин и протектора. Для дождевой резины и шин, созданных для сухой дороги, показатель «A» будет разным в условиях, например, дождя.
Как ширина профиля влияет на сцепление шины с дорогой
Среди водителей ходит ошибочное мнение, что ширина покрышки влияет на качество сцепления. Считается, что при большей ширине увеличивается площадь контакта, это и улучшает эффективность сцепления. Это неверно.
Чем шире площадь контакта, тем меньше давление, которое оказывает колесо на квадратный сантиметр дороги. Соответственно сила трения снижается, и сцепление уменьшается.
Уменьшение показателя незначительно. Можно просто его не учитывать, считая, что ширина ската не оказывает влияния на сцепление.
Влияние температуры на сцепление
Температура покрытия оказывает значительное влияние на сцепление. Резина становится мягче или жестче при изменении температурного режима. Тут еще нужно учитывать, что шина сама нагревается при движении.
В общих чертах можно сказать, что для зимней авторезины, при понижении температуры от +5° до -15° коэффициент будет увеличиваться, а при более низких температурах уменьшаться. Для летней резины схожий процесс будет наблюдаться при увеличении температуры до +30°, после чего показатель станет снижаться.
Коэффициент сцепления шины важный параметр, оказывающий влияние на безопасность движения. Он указывается на боковине каждой покрышке, но водителю нужно помнить, что на практике сцепление отличается от полученных на тестах результатов.
Продажа летних шин в Краснодаре оптом и в розницу.Сцепление шины с дорогой | Шины
Устойчивость и управляемость автомобиля, его тяговые свойства и тормозные характеристики в значительной степени определяются сцеплением шины с дорогой.
Величина сцепления шин оценивается коэффициентом v, равным отношению максимальной величины реакции X, действующей на колесо в контакте шины с дорогой, при которой происходит буксование колеса, к радиальной нагрузке на шину Q:
v = X/Q
Коэффициент сцепления шины с дорогой оценивается в продольном (в плоскости вращения колеса) и боковом (поперечном) направлениях.
В продольном направлении коэффициент сцепления шин с дорогой оценивается отношением максимальной тяговой (или тормозной) силы Рт, при которой наступает буксование (юз) колеса, к радиальной нагрузке на шину Q:
vб = Рб/Q
Величина коэффициента сцепления шин с дорогой в основном определяется конструкцией шины и типом рисунка протектора, составом протекторных резин, а также характером, качеством и состоянием дорожного покрытия.
Влияние типа рисунка протектора на величину коэффициента сцепления на дорогах с сухим твердым покрытием (асфальт, бетон) менее значительно, чем с влажным. На влажном же покрытии характер рисунка протектора имеет большое значение. Это объясняется тем, что при движении мотоцикла по твердой мокрой дороге между элементами рисунка протектора и дорогой появляется пленка воды. Если элементы рисунка протектора имеют сравнительно небольшие размеры и рассечены щелевидными (дренажными) прорезями, то даже при высокой скорости качения вода выдавливается из-под выступов протектора в стороны и дренажные щели. Благодаря этому коэффициент сцепления повышается. В том случае, когда вода не успевает выдавливаться из-под шашек протектора, между элементами рисунка и полотном дороги остается тонкая пленка воды, которая резко снижает коэффициент сцепления. При этом значительно ухудшается управляемость и устойчивость автомобиля, появляется опасность заноса.
Существенно снижается коэффициент сцепления при качении шин по дорогам, покрытым тонким слоем грязи, а также на заснеженных дорогах и в гололед.
В таблице приведены значения коэффициентов сцепления шин с различными дорожными покрытиями.
Таблица. Средние значения коэффициента сцепления шин с различными дорожными покрытиями
Дорожное покрытие | Состояние дорожного покрытия | |
сухое | мокрое | |
| Асфальт, бетон | 0,7—0,8 | 0,45—0,55 |
| Песчаная дорога | 0,7-0,8 | 0,6-0,65 |
| Щебеночное покрытие | 0,6-0,7 | 0,4-0,5 |
| Грунтовая дорога | 0,5-0,6 | 04,-0,5 |
| Булыжник и брусчатка | 0,5—0,55 | — |
| Дорога, покрытая снегом | 0,2—0,4 | |
| Снежная укатанная дорога | 0,2-0,25 | |
| Гололед | 0,2-0,25 | |