Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Катись, колесо

Какая физика спрятана в автомобильной шине

Автомобильная шина, при внешней простоте, — высокотехнологичный продукт. Мы уже рассказывали о том, что она представляет собой для химиков и как развивались технологии производства материала для шин. В этот раз мы вместе с Toyo Tires будем разбираться уже в физике и в том, насколько важны такие, казалось бы, мелочи, как рисунок протектора.

К любому колесу — будь то колесо чемодана или колесо платформы для вывоза космической ракеты на старт — предъявляется несколько требований. Оно, во-первых, должно выдерживать нагрузку, причем в разных направлениях. Во-вторых, оно должно иметь достаточную площадь контакта с опорой. Оно, наконец, не должно терять сцепления с поверхностью и, при всех перечисленных требованиях, иметь разумный для своей функции размер.

К автомобильным шинам список требований еще больше. Шина также должна терять как можно меньше энергии за счет трения качения и сохранять сцепление не только при маневрах, но и при езде по снегу, льду и лужам. Правильная конструкция шин экономит несколько процентов топлива за счет меньшего трения качения.

Есть и еще один момент. Уровень шума, создаваемого машинами, в большинстве стран регламентируется, причем отдельно лимитируется шум от шин. На высокой скорости основной шум автомобиля производят именно шины, а не двигатель, — и шум одного и того же автомобиля на одной и той же скорости в разной «обуви» может отличаться на десяток децибел.

Действующий еще с 2005 года в России ГОСТ Р 41.51-2004 указывает, что легковая машина не должна создавать шум громче 74 децибел. А отдельный стандарт, ГОСТ Р 52800-2007, прописывает методику измерения как раз «шинного» шума при езде с выключенным двигателем.


Шум

72 децибела — максимум для шин по европейским стандартам. Такой шум соответствует громкому разговору двух собеседников, хотя прежде шины шумели еще больше: в 90-е годы попадались значения от 75 до 80 децибел, то есть на уровне крика или включенного на полную мощность пылесоса.

Сегодня обычная тихая шина генерирует около 70 децибел шума. При этом разница между 72 и 70 децибелами на самом деле составляет не три процента, а 1,26 раза, если считать по величине звукового давления: децибельная шкала не линейная, а логарифмическая и устроена так, что разница в 20 децибел выражает десятикратную разницу в звуковом давлении.

Так что между обычной тихой шиной и шиной предельно допустимой громкости — такое же различие, какое отделяет просто громкий разговор от крика.

Чтобы шоссе за окном шумело поменьше, вы можете либо ограничить поток автомобилей, либо просто их «переобуть»: поставив на весь транспорт 70-децибельные шины, вы добьетесь того же эффекта, что и сократив поток на четверть. Причем безо всякого ущерба для управляемости автомобилей, экономии топлива, скорости движения и даже без дополнительных расходов — тихие шины зачастую стоят столько же.

Проведенные в начале XXI столетия исследования показали, что уровень шума можно снижать без потери всех прочих качеств, не заставляя автовладельцев особенно переплачивать за тихие шины.

Чтобы понять, что делает тихую шину тихой, нужно сперва разобраться в том, откуда вообще берется шум.

Поверхность колеса обычного автомобиля (не гоночного болида и не болотохода) имеет характерный рисунок из тонких канавок в слое резины: эти канавки нужны для того, чтобы отводить воду из-под колес автомобиля, едущего по мокрой дороге.

Канавки не позволяют образоваться сплошной пленке воды под колесом и тем самым предотвращают аквапланирование: эффект, при котором колесо теряет контакт с дорогой и начинает скользить. Канавки делают так, чтобы колеса отбрасывали воду в сторону — поэтому их рисунок часто напоминает елочку или серию наклонных штрихов.

Кроме сравнительно широких канавок, любая современная шина имеет еще и ламели — тонкие прорези, которые не столь эффективны в отведении воды, зато играют важную роль в обеспечении механических свойств резины. Прорезанная правильным образом резина лучше гнется и более эффективно сцепляется с поверхностью по сравнению с монолитным протектором.

Однако при езде по сухой дороге канавки и, в меньшей степени, ламели выталкивают из-под колеса не воду, а воздух, создавая характерный шум. При самом простом рисунке с равным расстоянием между ламелями и канавками возникает ровный гул, частота которого определяется периодичностью рисунка протектора и скоростью движения.

Так как избавиться от канавок и ламелей нельзя, конструкторы идут на иные ухищрения. Например, все выступы и впадины на протекторе размещают на разных расстояниях друг от друга и тогда монотонный гул становится менее неприятным и более тихим: шина создает столько же колебаний воздуха, но они звучат на разных частотах, и та же самая энергия размазывается по спектру.

Рисунок на покрышках, впрочем, не единственная причина шума. Сама по себе шина, — а это тороидальная камера, заполненная воздухом под давлением — отличный резонатор. Это тоже способствует шуму: здесь для наглядности можно вспомнить гитару, где источник звука, струны, закреплены на полом корпусе. А с шиной все даже хуже, чем с гитарой, из-за того, что внутри вращающейся камеры гуляют воздушные потоки, которые добавляют громкости нашему колесу.

Этот шум — и сейчас речь идет о технологии, которая находится буквально на переднем крае шиностроения, еще не вышедшей в серийное производство, — можно подавить за счет специальной сетчатой конструкции внутри камеры. Она, во-первых, уменьшает скорость воздушных потоков внутри колеса, а во-вторых, уменьшает добротность резонатора. Добротностью в физике колебаний называют меру того, насколько медленно затухают колебания в системе, и чем добротность полой камеры выше, тем меньше затухание звука и тем более гулкой она окажется.

Борьба за снижение шума, впрочем, началась, по историческим меркам, недавно. Еще в 2001 году ученым приходилось подробно разбирать заблуждения об источниках шума от автомобильного транспорта и доказывать, что шумит не столько двигатель, сколько шины: для этого пришлось поставить множество экспериментов с машинами, которые с выключенным двигателем проезжали мимо стоек с микрофонами.

А вот проблема прочности и устойчивости волновали конструкторов с того самого момента, когда в 1890-х начали делать колеса с надувной камерой и резиновой шиной.


Управляемость

Канавки и ламели часто называют протектором, хотя на самом деле протектор — это та часть шины, которая контактирует с дорогой и защищает камеру от повреждений. Шины болидов «Формулы-1» (равно как и второй по скорости автогоночной серии, IndyCar) лишены подобных деталей рельефа, они абсолютно гладкие, но при этом имеют весьма внушительный протектор — «формульная» резина толще, поскольку обычная дорожная покрышка на колесе болида, пилоты которого на торможениях испытывают перегрузки до 5g, лопнула бы задолго до первого пит-стопа.

Канавки предотвращают аквапланирование, но при этом и уменьшают пятно контакта колеса с дорогой. Коэффициент трения скольжения — а чем он выше, тем лучше сцепление с поверхностью — у «слика», то есть гладкой шины, выше. В кольцевых автогонках, где резина не проживает больше пары сотен километров, шины без канавок подходят идеально (а в дождь пилоты едут в боксы за дождевой резиной с привычным рисунком), однако обыкновенным автомобилям нужен компромисс между сцеплением по сухому и сцеплением в дождь.

У слика на мокрой дороге коэффициент трения падает почти в десять раз, с 0,9 до 0,1 — и поэтому водителям, которых не ждет за поворотом команда механиков, предпочтительнее иметь шины, которые лишь немногим хуже на сухом асфальте, но многократно лучше в в дождь. Обычная шина на мокрой поверхности имеет коэффициент трения 0,4, а на сухой 0,7. Впрочем, эти показатели довольно приблизительны, ведь даже асфальт на разных дорогах может существенно отличаться.

Одним только дождем в наших широтах дело не ограничивается: дороги нередко бывают засыпаны снегом и покрыты льдом. Поэтому, помимо ламелей и канавок, зимняя шина может иметь выступы. Это существенно увеличивает ее громкость, повышает расход топлива и снижает управляемость автомобиля на сухой дороге — однако увеличивает ее при езде по снегу.

Канавки на зимних шинах заметно шире и рассчитаны не столько на выведение из-под шины воды, сколько на утрамбовывание снега и сцепление с ним — ребристое колесо, катящееся по снегу, работает как движущаяся по зубчатой рейке шестеренка.

Тракторные и вездеходные колеса идут еще дальше и, как правило, отказываются от канавок в принципе: вместо них широкая шина опоясывается ребрами, способными зацепится даже за вязкий грунт. На трассе обутая в такие колеса техника будет чувствовать себя совсем неудобно, но тракторам и карьерным самосвалам проблема аквапланирования, излишнего шума и потерь на сопротивление воздуха при быстрой езде не знакома.


Особняком стоят шины с металлическими шипами — они обеспечивают наилучшее сцепление на льду, но при этом более шумные и менее экономичные. Шум от них обычно на несколько децибел выше, чем от обычных, но при этом коэффициент трения скольжения по льду вырастает с типичных для обычных покрышек 0,15 до 0,2.

Впрочем, говорить о точных величинах — например, «такое-то решение сокращает тормозной путь на 45,5 процента» — не приходится. Разные машины имеют разные тормоза, отличаются друг от друга по массе, и зачастую торможение, начатое на пятне снега, может продолжиться на льду, а потом перейти на слякоть — какие уж тут точные измерения. Да и водители тоже бывают разные — кто-то прошел школу экстремального вождения зимой, а кто-то только вчера сдал на права, причем обучался на совсем другом автомобиле.

Новые шины появляются на свет в результате как сложного компьютерного моделирования (гибкое тело сложной трехмерной формы просчитать довольно непросто), так и испытаний, в ходе которых учитываются не только точные показатели, вроде длины тормозного пути, но и субъективные оценки водителей-испытателей. Хорошее торможение на снегу не должно идти в ущерб управляемости на сухом асфальте, иначе езда по реальной зимней дороге окажется не проще, а сложнее.


Прочность

Резина, несмотря на все технологические ухищрения (вплоть до использования синхротрона при проектировании), плохо держит нагрузку на разрыв. Поэтому внутрь резиновой шины закладывается корд: тканевая, полимерная или даже металлическая основа, причем масса этой основы часто превышает массу видимой снаружи резины.

Для большей прочности корд делается многослойным. Ориентация нитей определяет тип шины: радиальный или диагональный. Диагональный корд наматывается под углом 45 градусов, и его сложно заставить прижать внешнюю часть шины к ступице; радиальный позволяет сделать шину низкопрофильной, но при этом боковина оказывается более уязвимым местом, да и сам процесс производства радиальных шин несколько сложнее.

Низкопрофильные радиальные шины дают бóльшую площадь пятна контакта и, будучи жестче, оказываются более экономичными и легкими. Однако при этом повышенная жесткость не только уменьшает потери на деформацию, но также более ощутимо передает толчки при наезде на неровности.

В «Формуле-1» радиальные шины вытеснили диагональные еще в 70-е годы, сегодня их примеру последовали и все пассажирские виды транспорта. Диагональные шины теперь применяются только там, где большая стойкость к боковым повреждениям (при наезде на острый предмет сбоку) важнее тишины, экономичности и малой массы.

Лесовозу, например, важнее проходимость по грунтовой дороге и стойкость к наезду на заостренные щепки и пни, а не эффективность движения по трассе. Кроме того, такую шину проще изготовить и потом ремонтировать.

Внутри современной радиальной шины — не просто многослойный корд, а сложная конструкция: между основным каркасом и протектором находится еще дополнительная прослойка из полимерных волокон или стальной проволоки. Сбоку также закладывается дополнительная оболочка, чтобы предотвратить и образование грыж (выпячивания наружу внутренних слоев), и повреждений при наезде на препятствия.

Мощная защита позволяет шине выдержать даже наезд на острые предметы, а меньшая толщина корда с боков оказывается преимуществом не только за счет облегчения всего колеса. Кроме того, жесткость шины повышает управляемость в повороте, ведь колесо не должно терять свою форму даже при приложении значительной боковой нагрузки.

Даваемое переходом на радиальную конструкцию облегчение колеса сбрасывать со счетов не стоит: энергия тела в механике складывается из кинетической энергии движения центра масс (mV2/2), потенциальной энергии (растет при подъеме в гору, mgH) и энергии вращения всех тех частей, которые могут вращаться.

Для автомобиля, едущего со скоростью около 72 километров в час, энергия вращения шин без учета дисков составит примерно 10 процентов от общей энергии всей движущейся машины — и значит, что 10 процентов энергии двигателя при разгоне потрачено на раскручивание шин. Облегченные диски (то есть не сплошные) тоже призваны отчасти улучшить динамику за счет избавления от впустую крутящейся массы.

Более тонкие стенки радиальной шины обеспечивают лучшее охлаждение — а колесо греется за счет постоянной деформации, сжатия воздуха внутри и просто солнечных лучей. Воздух же — это газ, который при нагреве расширяется или, если ему некуда расширяться, увеличивает давление в камере: при особо неудачном стечении обстоятельств камера может и взорваться.

Уже сам воздух, сжатый под давлением в несколько атмосфер (до 9, если это грузовой транспорт) представляет собой угрозу, поэтому даже взорвавшаяся на стоянке или отдельно от автомобиля шина — это не просто неожиданный хлопок, но и риск тяжелой травмы или даже гибели оказавшегося рядом человека.

При езде по трассе последствия лопнувшего колеса еще более очевидны — в самом лучшем случае, это аварийный съезд на обочину и долгий ремонт.


Алексей Тимошенко

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.