Почему изнашиваются шины?

В Месопотамии 6 тысяч лет назад изобрели колесо (вероятно). В 1846 году Роберт Томсон надел на него шину. И оно покатилось, пока остаточная глубина протектора не составила 1,6 миллиметра летом или 4 миллиметра зимой. Тогда шина была отправлена в утиль — и (в идеале) на переработку, дабы, случись пожар, не отравляла атмосферу токсичными газами. Эта, в деталях правдивая, а в основе, конечно, выдуманная история наводит на вопрос: «Нельзя ли было отсрочить столь печальный исход для столь легендарной шины? Да и не для нее одной, а для всякой другой тоже?» Этим вопросом задаются не только автолюбители, но и ученые с инженерами.

Итак, почему шины изнашиваются. Все дело в разрушающем воздействии сил трения, а точнее, в тех механизмах, которые его вызывают: адгезия и гистерезис. Они оба обусловлены шероховатостью поверхности (от этого не уйти, как ни шлифуй материалы), но имеют различную природу.

Адгезия — это «слипание» поверхностей разнородных тел. Оно происходит по следующему сценарию. Если просто прислонить поверхности друг к другу, то из-за шероховатости они будут соприкасаться не всей видимой площадью, а лишь выступающими неровностями рельефа — пиками. Но пики тоже не смогут сблизиться полностью из-за сил отталкивания между молекулами разных материалов. Эту преграду можно преодолеть, приложив внешнее давление (например, поставить колесо на дорогу, чтобы оно грузило область контакта своим весом, а потом еще и машину сверху). Тогда на края неровностей придется колоссальное напряжение и, если оно превысит предел текучести (напряжение, при котором в материале происходит необратимая деформация), между кончиками пиков образуются молекулярные мостики. Так возникает сила сухого трения.

При движении тел относительно друг от друга поверхности отлипают. Если молекулярные мостики оказались прочнее, чем связи между частицами одного из веществ, то разрыв происходит внутри этого материала и от него отсоединяется некоторая часть. Именно так происходит износ резины, который называется «адгезивным». При этом адгезивной частью сил трения считают энергию, которая идет на разрыв межмолекулярных связей при отлипании.

Гистерезис имеет механическую природу. При качении колеса шина постоянно деформируется: отчасти от неровностей, которые в нее утыкаются, отчасти из-за того, что на нее давит поверхность дороги. При этом в резине запасается энергия (упругой деформации), чтобы вернуться в прежнее состояние, как делает это, например, сжатая пружинка. Но некоторая часть рассеивается в виде тепла, поэтому шина приходит в себя не полностью и сопротивляется качению. Чтобы преодолеть это сопротивление, колесу приходится сообщать дополнительную энергию. Именно ее и относят к гистерезису. С ним, в свою очередь, связывают усталостный износ шин — разрушение материала после многократных деформаций в одной и той же области.

Кто виноват?

Зная механизмы износа, можно понять, какие факторы влияют на то, что шины уходят в утиль раньше отмеренного им срока:

1. Температура. Повышение температуры приводит к уменьшению энергии разрыва связей при адгезии, вызывает термическое и окислительное разрушение резины.
2. Скорость. Во-первых, вместе со скоростью растет температура, потому что чаще происходит циклическое соприкосновение одного и того же участка протектора с дорогой и чаще рассеивается тепло, которое образуется при деформации шины. Теплопроводность резины низкая, поэтому оно концентрируется в области контакта с дорогой. Во-вторых, на поворотах скорость вызывает дополнительный износ плеч шины. Дело в том, что центробежная сила прямо пропорциональна расстоянию до оси поворота и квадрату угловой скорости вращения. Как самый удаленный элемент, протектор испытывает значительное воздействие, а основная нагрузка приходится на его плечевые зоны.
3. Распределение давления внутри: влияет на то, какие участки шины берут на себя основную нагрузку и чаще соприкасаются с поверхностью дороги.
4. Материалы дороги и протектора. От этого фактора зависит эффективность адгезии.
5. Рисунок протектора. От насыщенности рисунка протектора зависит пятно контакта шины с дорогой. С одной стороны, чем больше площадь пятна, тем меньше давление в области касания. С другой стороны, больше площадь истирания. Поэтому влияние этого фактора сильно зависит от других условий.
6. Перегруз. Для каждой категории шин рассчитывается нагрузка, которую она способна выдержать. Если вес больше, то появляется неучтенная энергия деформации резины. При движении она рассеивается в виде тепла: происходит нагрев.

Какие бывают типы износа?

Глобально можно выделить два: естественный и избыточный. Первый обусловлен тем, что, как ни крути, колеса трутся о поверхность дороги и протектор постепенно стирается. Однако этот процесс может значительно ускориться, если нарушена конструкция автомобиля (например, неверные углы установки колес) и на одни области колеса приходится большая нагрузка, чем на другие. Тогда возникает избыточный износ, который делится на подтипы, в зависимости от того, в каких местах шина истирается сильнее.

Что делать?

В частном порядке проще всего решается вопрос с избыточным износом: достаточно визуально определить симптомы, а потом из журналов для автолюбителей или с помощью работы исследователей Технического университета Эйндховена определить источник неполадки.

Естественный износ — вопрос гораздо более тонкий и должен решаться для конкретной машины. Подходящий тип резины сильно зависит от покрытия дороги, сезона, температуры, категории автомобиля и тому подобных переменных. Из общих рекомендаций — профилактика: нужно быть полегче на поворотах и при наборе скорости, следить за конструкцией автомобиля, давлением в шинах, выбирать резину в сезон и с подходящими температурными характеристиками, так как у каждого типа материала есть температура, при которой износ шин будет минимальным.

В общем порядке вопрос решается учеными и инженерами. Можно, например, находить оптимальную конструкцию автомобиля. Так, инженеры из Падерборнского университета рассчитали углы установки колес для задней подвески серийного автомобиля, при которых износ снижается на 56,6 процента при прямолинейном движении. Для этого они строили модель подвески, используя нелинейный закон износа шины (зависимость массы стертой резины от мощности сил трения описывается степенной функцией), и рассматривали ее движение, меняя величину углов.

Можно улучшать конструкцию колеса. К примеру, ученые из Шаньдунского университета науки и технологий оптимизировали борт шины, потому что на него приходится большая статическая нагрузка и, как следствие, часто возникают поломки. Обычно борт состоит из прорезиненной ленты и стальных сердечников. Авторы разработали полностью стальную конструкцию, что на 50 процентов повысило износостойкость и на 40 процентов уменьшило напряжение фон Мизеса (такая рассчитываемая для материала под нагрузкой величина, которая используется для критерия того же фон Мизеса: материал деформируется, когда это напряжение достигает предела текучести (о нем мы говорили в третьем абзаце).

Естественно, нужно работать с резиной для протектора. Иногда на этой почве находятся достаточно экзотические эксперименты. Ученые Цзилиньского университета пытались повысить износостойкость шины, создавая на поверхности образцов ямки по аналогии с теми, что у навозного жука вокруг усов. Однако для протектора ямки оказались не так эффективны, как для навозного жука: износостойкость повысилась всего на 0,98 процента.

Хотя ученые не отказываются от бионического подхода (применения свойств живой природы в технических устройствах). Ведь помогли же пчелиные соты улучшить шумоподавление и трение в шинах.

Более классический подход — поработать с материалами. Сама из себя резина является трехмерной полимерной сеткой из длинных нитей каучука, сцепленных мостиками серы, пероксида или другого связующего соединения. В нее внедряют различные добавки, чтобы улучшить свойства шины. С чем мешать и в каких количествах — вопрос очень тонкий, потому что, совершенствование одной характеристики зачастую приводит к ухудшению другой (как износостойкость и сцепляемость). Поэтому, во-первых, нужно подобрать оптимальный состав, во-вторых, равномерно смешать основное сырье с наполнителем. Почему важно второе, видно на примере диоксида кремния. Его добавляют, чтобы сделать материал шины более прочным, сохраняя эластичность. Однако внутри резины он любит комковаться и вызывать дополнительный нагрев, потому что твердые сгустки под нагрузкой контактируют и трутся.

Конец истории

Можно сказать, что история Томсоновской шины из первого абзаца закончилась счастливым концом. Несчастливый — это складирование на свалке или в жилом квартале. Потому что, во-первых, при горении шины очень токсичны: выделяют газы, содержащие канцерогенные и мутагенные химические вещества, например, оксиды азота, серы. Во-вторых, они являются идеальной средой для размножения паразитов, крыс, комаров. В-третьих, очень устойчивы к разрушению, поэтому без утилизации завоевывают все больше и больше пространства под свалки.

Однако, к общечеловеческому счастью, были разработаны способы переработки шин:

1. сжигание в качестве источника энергии (но не стоит кидать старые покрышки в печку на даче, потому что нужна высокая температура и устройства для ликвидации токсичных веществ);
2. пиролиз — термическое разложение резины (потом продукты распада идут на благие цели, например, получение горючего);
3. вторичная переработка (например, измельчают и получают крошку для дорог);
4. восстановление рисунка протектора (тогда шину можно использовать дальше. По качеству они оказываются хуже новых. И такая технология используются в основном для грузовых и авиационных шин).

Шины принимают бесплатно в специальных пунктах или за вознаграждение на предприятиях. Так что можно обойтись только счастливыми развязками.